JP2020167145A - Positive electrode active material for all-solid-state lithium-ion batteries, electrodes and all-solid-state lithium-ion batteries - Google Patents
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Abstract
【課題】正極において固体電解質との間でリチウムイオンの授受をスムーズに行うことができ、電池性能を向上させることができる全固体リチウムイオン電池用正極活物質、電極および全固体リチウムイオン電池の提供。【解決手段】リチウム金属複合酸化物の結晶を含む粒子からなり、リチウム金属複合酸化物は、層状構造を有し、且つ少なくともLiと遷移金属とを含有し、粒子は、レーザー回折式粒度分布測定によって測定される体積基準の累積分布から求められるD10、D50、D90について関係式(D90−D10)/D50≧0.90が成り立ち、結晶は、CuKα線を使用したX線回折測定において2θ=18.7±2°の範囲内のピークにおける結晶子サイズαと、2θ=44.6±2°の範囲内のピークにおける結晶子サイズβとの比α/βが1.0以上である全固体リチウムイオン電池用正極活物質。【選択図】なしA positive electrode active material for an all-solid-state lithium-ion battery, an electrode, and an all-solid-state lithium-ion battery capable of smoothly exchanging lithium ions between a positive electrode and a solid electrolyte to improve battery performance. . The lithium metal composite oxide is composed of particles containing crystals of a lithium metal composite oxide, the lithium metal composite oxide has a layered structure and contains at least Li and a transition metal, and the particles are subjected to laser diffraction particle size distribution measurement. The relational expression (D90-D10)/D50≧0.90 holds for D10, D50, and D90 obtained from the volume-based cumulative distribution measured by the crystal, and the crystal has 2θ=18 in X-ray diffraction measurement using CuKα rays. All solids in which the ratio α/β of the crystallite size α at the peak within the range of 7 ± 2° and the crystallite size β at the peak within the range of 2θ = 44.6 ± 2° is 1.0 or more Positive electrode active material for lithium-ion batteries. [Selection figure] None
Description
本発明は、全固体リチウムイオン電池用正極活物質、電極および全固体リチウムイオン電池に関するものである。 The present invention relates to a positive electrode active material for an all-solid-state lithium-ion battery, an electrode, and an all-solid-state lithium-ion battery.
電気自動車の駆動電源や、家庭用蓄電池などの用途に向けて、リチウムイオン二次電池の研究が活発である。なかでも、全固体リチウムイオン二次電池は、電解液を用いた従来のリチウムイオン二次電池と比べ、エネルギー密度が高い、作動温度範囲が広い、劣化しにくい、などの利点を有する。そのため、全固体リチウムイオン二次電池は、次世代のエネルギー貯蔵デバイスとして注目されている。 Research on lithium-ion secondary batteries is active for applications such as drive power sources for electric vehicles and household storage batteries. Among them, the all-solid-state lithium-ion secondary battery has advantages such as high energy density, wide operating temperature range, and resistance to deterioration as compared with the conventional lithium-ion secondary battery using an electrolytic solution. Therefore, the all-solid-state lithium-ion secondary battery is attracting attention as a next-generation energy storage device.
「電解液を用いた従来のリチウムイオン二次電池」を、以下の説明では、全固体リチウムイオン二次電池と区別するため、「液系リチウムイオン二次電池」と称することがある。 In the following description, the "conventional lithium ion secondary battery using an electrolytic solution" may be referred to as a "liquid lithium ion secondary battery" in order to distinguish it from an all-solid-state lithium ion secondary battery.
特許文献1には、正極活物質としてLiNi1/3Mn1/3Co1/3O2を用いた全固体リチウムイオン二次電池が記載されている。LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2は、液系リチウムイオン二次電池の正極活物質として周知の材料である。 Patent Document 1 describes an all-solid-state lithium ion secondary battery using LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 as a positive electrode active material. LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 is a well-known material as a positive electrode active material for a liquid-based lithium ion secondary battery.
全固体リチウムイオン二次電池の正極では、正極活物質と固体電解質との間で、リチウムイオンの授受が行われる。全固体リチウムイオン二次電池の検討においては、上述のリチウムイオンの授受をスムーズに行うことが可能とし、電池性能を向上させることが可能な正極活物質が求められていた。 At the positive electrode of the all-solid-state lithium-ion secondary battery, lithium ions are exchanged between the positive electrode active material and the solid electrolyte. In the study of an all-solid-state lithium-ion secondary battery, there has been a demand for a positive electrode active material capable of smoothly transferring and receiving the above-mentioned lithium ions and improving battery performance.
また、全固体リチウムイオン二次電池の検討においては、従来の液系リチウムイオン二次電池の検討知見が活かせないことがある。そのため、全固体リチウムイオン二次電池に固有の検討が必要となっていた。 Further, in the study of the all-solid-state lithium ion secondary battery, the study knowledge of the conventional liquid-based lithium ion secondary battery may not be utilized. Therefore, it has been necessary to study the all-solid-state lithium-ion secondary battery.
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、正極において固体電解質との間でリチウムイオンの授受をスムーズに行うことができ、電池性能を向上させることができる全固体リチウムイオン電池用正極活物質を提供することを目的とする。また、このような全固体リチウムイオン電池用正極活物質を有する電極および全固体リチウムイオン電池を提供することを併せて目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and is an all-solid-state lithium-ion battery capable of smoothly exchanging lithium ions with and from a solid electrolyte at the positive electrode and improving battery performance. It is an object of the present invention to provide a positive electrode active material for use. Another object of the present invention is to provide an electrode having such a positive electrode active material for an all-solid-state lithium-ion battery and an all-solid-state lithium-ion battery.
上記の課題を解決するため、本発明は、以下の態様を包含する。 In order to solve the above problems, the present invention includes the following aspects.
[1]リチウム金属複合酸化物の結晶を含む粒子からなる全固体リチウムイオン電池用正極活物質であって、前記リチウム金属複合酸化物は、層状構造を有し、且つ少なくともLiと遷移金属とを含有し、前記粒子は、レーザー回折式粒度分布測定によって測定される体積基準の累積分布について、小粒子側からの累積割合が10%、50%、90%となる粒子径をそれぞれD10、D50、D90としたとき、関係式(D90−D10)/D50≧0.90が成り立ち、前記結晶は、CuKα線を使用したX線回折測定において2θ=18.7±2°の範囲内のピークにおける結晶子サイズαと、2θ=44.6±2°の範囲内のピークにおける結晶子サイズβとの比α/βが1.0以上である全固体リチウムイオン電池用正極活物質。 [1] A positive electrode active material for an all-solid lithium-ion battery composed of particles containing crystals of a lithium metal composite oxide, wherein the lithium metal composite oxide has a layered structure and contains at least Li and a transition metal. The particles contain, with respect to the volume-based cumulative distribution measured by the laser diffraction type particle size distribution measurement, the particle diameters at which the cumulative ratios from the small particle side are 10%, 50%, and 90% are D10, D50, respectively. When D90 is set, the relational expression (D90-D10) / D50 ≧ 0.90 holds, and the crystal is a crystal at a peak within the range of 2θ = 18.7 ± 2 ° in X-ray diffraction measurement using CuKα ray. A positive electrode active material for an all-solid lithium-ion battery in which the ratio α / β of the child size α to the crystallite size β at the peak within the range of 2θ = 44.6 ± 2 ° is 1.0 or more.
[2]酸化物固体電解質を含む全固体リチウムイオン電池に用いられる[1]の全固体リチウムイオン電池用正極活物質。 [2] The positive electrode active material for an all-solid-state lithium-ion battery of [1] used for an all-solid-state lithium-ion battery containing an oxide solid electrolyte.
[3]前記遷移金属が、Ni、Co、Mn、Ti、Fe、VおよびWからなる群から選ばれる少なくとも1種である[1]または[2]に記載の全固体リチウムイオン電池用正極活物質。 [3] The positive electrode activity for an all-solid-state lithium-ion battery according to [1] or [2], wherein the transition metal is at least one selected from the group consisting of Ni, Co, Mn, Ti, Fe, V and W. material.
[4]前記リチウム金属複合酸化物は、下記式(1)で表される[3]に記載の全固体リチウムイオン電池用正極活物質。
Li[Lix(Ni(1−y−z−w)CoyMnzMw)1−x]O2 (1)
(ただし、MはFe、Cu、Ti、Mg、Al、W、B、Mo、Nb、Zn、Sn、Zr、Ga及びVからなる群より選択される1種以上の元素であり、−0.1≦x≦0.30、0<y≦0.40、0≦z≦0.40、0≦w≦0.10を満たす。)
[4] The lithium metal composite oxide is a positive electrode active material for an all-solid-state lithium-ion battery according to [3] represented by the following formula (1).
Li [Li x (Ni (1 -y-z-w) Co y Mn z M w) 1-x] O 2 (1)
(However, M is one or more elements selected from the group consisting of Fe, Cu, Ti, Mg, Al, W, B, Mo, Nb, Zn, Sn, Zr, Ga and V, and −0. 1 ≦ x ≦ 0.30, 0 <y ≦ 0.40, 0 ≦ z ≦ 0.40, 0 ≦ w ≦ 0.10.
[5]上記式(1)において1−y−z−w≧0.50、かつy≦0.30を満たす[4]に記載の全固体リチウムイオン電池用正極活物質。 [5] The positive electrode active material for an all-solid-state lithium-ion battery according to [4], which satisfies 1-yz-w ≧ 0.50 and y ≦ 0.30 in the above formula (1).
[6]前記粒子は、一次粒子と、前記一次粒子が凝集して形成された二次粒子と、前記一次粒子および前記二次粒子とは独立して存在する単粒子と、から構成され、前記粒子における前記単粒子の含有率は、20%以上である[1]から[5]のいずれか1項に記載の全固体リチウムイオン電池用正極活物質。 [6] The particles are composed of primary particles, secondary particles formed by aggregating the primary particles, and single particles that exist independently of the primary particles and the secondary particles. The positive electrode active material for an all-solid lithium ion battery according to any one of [1] to [5], wherein the content of the single particle in the particles is 20% or more.
[7]前記粒子は、前記粒子の表面に金属複合酸化物からなる被覆層を有する[1]から[6]のいずれか1項に記載の全固体リチウムイオン電池用正極活物質。 [7] The positive electrode active material for an all-solid-state lithium-ion battery according to any one of [1] to [6], wherein the particles have a coating layer made of a metal composite oxide on the surface of the particles.
[8][1]から[7]のいずれか1項に記載の全固体リチウムイオン電池用正極活物質を含む電極。 [8] An electrode containing the positive electrode active material for an all-solid-state lithium-ion battery according to any one of [1] to [7].
[9]固体電解質をさらに含む[8]に記載の電極。 [9] The electrode according to [8], further comprising a solid electrolyte.
[10]正極と、負極と、前記正極と前記負極とに挟持された固体電解質層と、を有し、前記固体電解質層は、第1の固体電解質を含み、前記正極は、前記固体電解質層に接する正極活物質層と、前記正極活物質層が積層された集電体と、を有し、前記正極活物質層は、[1]から[7]のいずれか1項に記載の全固体リチウムイオン電池用正極活物質または[8]もしくは[9]に記載の電極を含む全固体リチウムイオン電池。 [10] It has a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer sandwiched between the positive electrode and the negative electrode. The solid electrolyte layer contains a first solid electrolyte, and the positive electrode is the solid electrolyte layer. The positive electrode active material layer has a positive electrode active material layer in contact with the positive electrode active material layer and a current collector in which the positive electrode active material layer is laminated, and the positive electrode active material layer is an all-solid body according to any one of [1] to [7]. An all-solid-state lithium-ion battery comprising a positive electrode active material for a lithium-ion battery or the electrode according to [8] or [9].
[11]前記正極活物質層は、前記全固体リチウムイオン電池用正極活物質と、第2の固体電解質とを含む[10]に記載の全固体リチウムイオン電池。 [11] The all-solid-state lithium-ion battery according to [10], wherein the positive electrode active material layer contains the positive electrode active material for an all-solid-state lithium-ion battery and a second solid electrolyte.
[12]前記第1の固体電解質と、前記第2の固体電解質とが同じ物質である[11]に記載の全固体リチウムイオン電池。 [12] The all-solid-state lithium-ion battery according to [11], wherein the first solid electrolyte and the second solid electrolyte are the same substance.
[13]前記第1の固体電解質は、非晶質構造を有する[10]から[12]のいずれか1項に記載の全固体リチウムイオン電池。 [13] The all-solid-state lithium-ion battery according to any one of [10] to [12], wherein the first solid electrolyte has an amorphous structure.
[14]前記第1の固体電解質は、酸化物固体電解質である[10]から[13]のいずれか1項に記載の全固体リチウムイオン電池。 [14] The all-solid-state lithium-ion battery according to any one of [10] to [13], wherein the first solid electrolyte is an oxide solid electrolyte.
本発明によれば、正極において固体電解質との間でリチウムイオンの授受をスムーズに行うことができ、電池性能を向上させることができる全固体リチウムイオン電池用正極活物質を提供することができる。また、このような全固体リチウムイオン電池用正極活物質を有する電極および全固体リチウムイオン電池を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a positive electrode active material for an all-solid-state lithium-ion battery, which can smoothly transfer lithium ions to and from a solid electrolyte at the positive electrode and can improve battery performance. Further, it is possible to provide an electrode having such a positive electrode active material for an all-solid-state lithium-ion battery and an all-solid-state lithium-ion battery.
<全固体リチウムイオン電池用正極活物質>
本実施形態の全固体リチウムイオン電池用正極活物質は、リチウム金属複合酸化物の結晶を含む粒子である。本実施形態の全固体リチウムイオン電池用正極活物質は、酸化物固体電解質を含む全固体リチウムイオン電池に好適に用いられる正極活物質である。
以下、本実施形態の全固体リチウムイオン電池用正極活物質を、単に「正極活物質」と称することがある。
<Positive electrode active material for all-solid-state lithium-ion batteries>
The positive electrode active material for an all-solid-state lithium-ion battery of the present embodiment is particles containing crystals of a lithium metal composite oxide. The positive electrode active material for an all-solid-state lithium-ion battery of the present embodiment is a positive electrode active material preferably used for an all-solid-state lithium-ion battery containing an oxide solid electrolyte.
Hereinafter, the positive electrode active material for an all-solid-state lithium ion battery of the present embodiment may be simply referred to as a “positive electrode active material”.
本実施形態の正極活物質は、以下の要件を満たす。
(要件1)正極活物質が含むリチウム金属複合酸化物は、層状構造を有し、且つ少なくともLiと遷移金属とを含む。
The positive electrode active material of the present embodiment satisfies the following requirements.
(Requirement 1) The lithium metal composite oxide contained in the positive electrode active material has a layered structure and contains at least Li and a transition metal.
(要件2)粒子は、レーザー回折式粒度分布測定によって測定される累積分布について、小粒子側からの累積割合が10%、50%、90%となる粒子径をそれぞれD10、D50、D90としたとき、関係式(D90−D10)/D50≧0.90が成り立つ。 (Requirement 2) Regarding the cumulative distribution measured by the laser diffraction type particle size distribution measurement, the particle diameters at which the cumulative ratios from the small particle side are 10%, 50%, and 90% are set to D10, D50, and D90, respectively. Then, the relational expression (D90-D10) / D50 ≧ 0.90 holds.
(要件3)結晶は、CuKα線を使用したX線回折測定において2θ=18.7±2°の範囲内のピークにおける結晶子サイズαと、2θ=44.6±2°の範囲内のピークにおける結晶子サイズβとの比α/βが1.0以上である。
以下、順に説明する。
(Requirement 3) The crystal has a crystallite size α at a peak in the range of 2θ = 18.7 ± 2 ° and a peak in the range of 2θ = 44.6 ± 2 ° in X-ray diffraction measurement using CuKα ray. The ratio α / β to the crystallite size β in the above is 1.0 or more.
Hereinafter, they will be described in order.
(要件1:リチウム金属複合酸化物)
本実施形態の正極活物質に含まれるリチウム金属複合酸化物は、遷移金属として、Ni、Co、Mn、Ti、Fe、VおよびWからなる群から選ばれる少なくとも1種を含む。
(Requirement 1: Lithium metal composite oxide)
The lithium metal composite oxide contained in the positive electrode active material of the present embodiment contains at least one selected from the group consisting of Ni, Co, Mn, Ti, Fe, V and W as the transition metal.
本実施形態の正極活物質に含まれるリチウム金属複合酸化物が、遷移金属としてNi,CoおよびMnからなる群から選ばれる少なくとも1種を含むことにより、得られるリチウム金属複合酸化物は、Liイオンが脱離可能または挿入可能な安定した結晶構造を形成する。そのため、本実施形態の正極活物質を二次電池の正極に用いた場合、高い充放電容量が得られる。 The lithium metal composite oxide contained in the positive electrode active material of the present embodiment contains at least one selected from the group consisting of Ni, Co and Mn as the transition metal, so that the lithium metal composite oxide obtained is Li ion. Form a desorbable or insertable stable crystal structure. Therefore, when the positive electrode active material of the present embodiment is used for the positive electrode of the secondary battery, a high charge / discharge capacity can be obtained.
また、本実施形態の正極活物質に含まれるリチウム金属複合酸化物が、Ti、Fe、VおよびWからなる群から選ばれる少なくとも1種を含むことにより、得られるリチウム金属複合酸化物は、結晶構造が強固となる。そのため、本実施形態の正極活物質は、高い熱的安定性を有する正極活物質となる。また、本実施形態の正極活物質は、サイクル特性が向上する。 Further, the lithium metal composite oxide contained in the positive electrode active material of the present embodiment contains at least one selected from the group consisting of Ti, Fe, V and W, so that the lithium metal composite oxide obtained is crystalline. The structure becomes strong. Therefore, the positive electrode active material of the present embodiment is a positive electrode active material having high thermal stability. Further, the positive electrode active material of the present embodiment has improved cycle characteristics.
さらに詳しくは、リチウム金属複合酸化物は、下記組成式(1)で表される。
Li[Lix(Ni(1−y−z−w)CoyMnzMw)1−x]O2 ・・・(1)
(ただし、MはFe、Cu、Ti、Mg、Al、W、B、Mo、Nb、Zn、Sn、Zr、Ga、La及びVからなる群より選択される1種以上の元素であり、−0.1≦x≦0.30、0≦y≦0.40、0≦z≦0.40、0≦w≦0.10を満たす。)
More specifically, the lithium metal composite oxide is represented by the following composition formula (1).
Li [Li x (Ni (1 -y-z-w) Co y Mn z M w) 1-x] O 2 ··· (1)
(However, M is one or more elements selected from the group consisting of Fe, Cu, Ti, Mg, Al, W, B, Mo, Nb, Zn, Sn, Zr, Ga, La and V, and- 0.1 ≦ x ≦ 0.30, 0 ≦ y ≦ 0.40, 0 ≦ z ≦ 0.40, 0 ≦ w ≦ 0.10.
(xについて)
サイクル特性がよいリチウム二次電池を得る観点から、前記組成式(1)におけるxは0を超えることが好ましく、0.01以上であることがより好ましく、0.02以上であることがさらに好ましい。また、初回クーロン効率がより高いリチウム二次電池を得る観点から、前記組成式(1)におけるxは0.25以下であることが好ましく、0.10以下であることがより好ましい。
(About x)
From the viewpoint of obtaining a lithium secondary battery having good cycle characteristics, x in the composition formula (1) is preferably more than 0, more preferably 0.01 or more, and further preferably 0.02 or more. .. Further, from the viewpoint of obtaining a lithium secondary battery having a higher initial coulombic efficiency, x in the composition formula (1) is preferably 0.25 or less, and more preferably 0.10 or less.
なお、本明細書において「サイクル特性がよい」とは、充放電の繰り返しにより、電池容量の低下量が低い特性を意味し、初期容量に対する再測定時の容量比が低下しにくいことを意味する。 In the present specification, "good cycle characteristics" means that the amount of decrease in battery capacity is low due to repeated charging and discharging, and that the capacity ratio at the time of remeasurement to the initial capacity is unlikely to decrease. ..
また、本明細書において「初回クーロン効率」とは「(初回放電容量)/(初回充電容量)×100(%)」で求められる値である。初回クーロン効率が高い二次電池は、初回の充放電時の不可逆容量が小さく、体積および重量あたりの容量がより大きくなりやすい。 Further, in the present specification, the "first Coulomb efficiency" is a value obtained by "(first discharge capacity) / (first charge capacity) x 100 (%)". A secondary battery with high initial coulombic efficiency tends to have a small irreversible capacity at the time of initial charge / discharge, and a larger capacity per volume and weight.
xの上限値と下限値は任意に組み合わせることができる。上記組成式(1)において、xは、−0.10以上0.25以下であってもよく、−0.10以上0.10以下であってもよい。 The upper limit value and the lower limit value of x can be arbitrarily combined. In the composition formula (1), x may be −0.10 or more and 0.25 or less, or −0.10 or more and 0.10 or less.
xは、0を超え0.30以下であってもよく、0を超え0.25以下であってもよく、0を超え0.10以下であってもよい。 x may be more than 0 and 0.30 or less, may be more than 0 and be 0.25 or less, and may be more than 0 and 0.10 or less.
xは、0.01以上0.30以下であってもよく、0.01以上0.25以下であってもよく、0.01以上0.10以下であってもよい。 x may be 0.01 or more and 0.30 or less, 0.01 or more and 0.25 or less, or 0.01 or more and 0.10 or less.
xは、0.02以上0.3以下であってもよく、0.02以上0.25以下であってもよく、0.02以上0.10以下であってもよい。 x may be 0.02 or more and 0.3 or less, 0.02 or more and 0.25 or less, or 0.02 or more and 0.10 or less.
本実施形態においては、0<x≦0.30であることが好ましい。 In this embodiment, it is preferable that 0 <x ≦ 0.30.
(yについて)
また、電池の内部抵抗が低いリチウム二次電池を得る観点から、前記組成式(1)におけるyは0を超えることが好ましく、0.005以上であることがより好ましく、0.01以上であることがさらに好ましく、0.05以上であることが特に好ましい。また、熱的安定性が高いリチウム二次電池を得る観点から、前記組成式(1)におけるyは0.35以下であることがより好ましく、0.33以下であることがさらに好ましく、0.30以下であることがよりさらに好ましい。
(About y)
Further, from the viewpoint of obtaining a lithium secondary battery having a low internal resistance of the battery, y in the composition formula (1) is preferably more than 0, more preferably 0.005 or more, and more preferably 0.01 or more. It is more preferable, and it is particularly preferable that it is 0.05 or more. Further, from the viewpoint of obtaining a lithium secondary battery having high thermal stability, y in the composition formula (1) is more preferably 0.35 or less, further preferably 0.33 or less, and 0. It is even more preferably 30 or less.
yの上限値と下限値は任意に組み合わせることができる。上記組成式(1)において、yは、0以上0.35以下であってもよく、0以上0.33以下であってもよく、0以上0.30以下であってもよい。 The upper limit value and the lower limit value of y can be arbitrarily combined. In the composition formula (1), y may be 0 or more and 0.35 or less, 0 or more and 0.33 or less, or 0 or more and 0.30 or less.
yは、0を超え0.40以下であってもよく、0を超え0.35以下であってもよく、0を超え0.33以下であってもよく、0を超え0.30以下であってもよい。 y may be more than 0 and 0.40 or less, more than 0 and 0.35 or less, more than 0 and 0.33 or less, more than 0 and 0.30 or less. There may be.
yは、0.005以上0.40以下であってもよく、0.005以上0.35以下であってもよく、0.005以上0.33以下であってもよく、0.005以上0.30以下であってもよい。 y may be 0.005 or more and 0.40 or less, 0.005 or more and 0.35 or less, 0.005 or more and 0.33 or less, and 0.005 or more and 0. It may be .30 or less.
yは、0.01以上0.40以下であってもよく、0.01以上0.35以下であってもよく、0.01以上0.33以下であってもよく、0.01以上0.30以下であってもよい。 y may be 0.01 or more and 0.40 or less, 0.01 or more and 0.35 or less, 0.01 or more and 0.33 or less, and 0.01 or more and 0. It may be .30 or less.
yは、0.05以上0.40以下であってもよく、0.05以上0.35以下であってもよく、0.05以上0.33以下であってもよく、0.05以上0.30以下であってもよい。 y may be 0.05 or more and 0.40 or less, 0.05 or more and 0.35 or less, 0.05 or more and 0.33 or less, and 0.05 or more and 0. It may be .30 or less.
本実施形態においては、0<y≦0.40であることが好ましい。 In this embodiment, it is preferable that 0 <y ≦ 0.40.
本実施形態においては、組成式(1)において、0<x≦0.10であり、0<y≦0.40であることがより好ましい。 In the present embodiment, in the composition formula (1), 0 <x ≦ 0.10 and 0 <y ≦ 0.40 are more preferable.
(zについて)
また、サイクル特性が高いリチウム二次電池を得る観点から、前記組成式(1)におけるzは0.01以上であることが好ましく、0.02以上であることがより好ましく、0.1以上であることがさらに好ましい。また、高温(例えば60℃環境下)での保存性が高いリチウム二次電池を得る観点から、前記組成式(1)におけるzは0.39以下であることが好ましく、0.38以下であることがより好ましく、0.35以下であることがさらに好ましい。
(About z)
Further, from the viewpoint of obtaining a lithium secondary battery having high cycle characteristics, z in the composition formula (1) is preferably 0.01 or more, more preferably 0.02 or more, and 0.1 or more. It is more preferable to have. Further, from the viewpoint of obtaining a lithium secondary battery having high storage stability at a high temperature (for example, in an environment of 60 ° C.), z in the composition formula (1) is preferably 0.39 or less, preferably 0.38 or less. More preferably, it is more preferably 0.35 or less.
zの上限値と下限値は任意に組み合わせることができる。上記組成式(1)において、zは、0以上0.39以下であってもよく、0以上0.38以下であってもよく、0以上0.35以下であってもよい。 The upper limit value and the lower limit value of z can be arbitrarily combined. In the composition formula (1), z may be 0 or more and 0.39 or less, 0 or more and 0.38 or less, or 0 or more and 0.35 or less.
zは、0.01以上0.40以下であってもよく、0.01以上0.39以下であってもよく、0.01以上0.38以下であってもよく、0.01以上0.35以下であってもよい。 z may be 0.01 or more and 0.40 or less, 0.01 or more and 0.39 or less, 0.01 or more and 0.38 or less, and 0.01 or more and 0. It may be .35 or less.
zは、0.02以上0.40以下であってもよく、0.02以上0.39以下であってもよく、0.02以上0.38以下であってもよく、0.02以上0.35以下であってもよい。 z may be 0.02 or more and 0.40 or less, 0.02 or more and 0.39 or less, 0.02 or more and 0.38 or less, and 0.02 or more and 0. It may be .35 or less.
zは、0.10以上0.40以下であってもよく、0.10以上0.39以下であってもよく、0.10以上0.38以下であってもよく、0.10以上0.35以下であってもよい。 z may be 0.10 or more and 0.40 or less, 0.10 or more and 0.39 or less, 0.10 or more and 0.38 or less, and 0.10 or more and 0. It may be .35 or less.
(wについて)
また、電池の内部抵抗が低いリチウム二次電池を得る観点から、前記組成式(1)におけるwは0を超えることが好ましく、0.0005以上であることがより好ましく、0.001以上であることがさらに好ましい。また、高い電流レートにおいて放電容量が多いリチウム二次電池を得る観点から、前記組成式(1)におけるwは0.09以下であることが好ましく、0.08以下であることがより好ましく、0.07以下であることがさらに好ましい。
(About w)
Further, from the viewpoint of obtaining a lithium secondary battery having a low internal resistance of the battery, w in the composition formula (1) preferably exceeds 0, more preferably 0.0005 or more, and more preferably 0.001 or more. Is even more preferable. Further, from the viewpoint of obtaining a lithium secondary battery having a large discharge capacity at a high current rate, w in the composition formula (1) is preferably 0.09 or less, more preferably 0.08 or less, and 0. It is more preferably .07 or less.
wの上限値と下限値は任意に組み合わせることができる。上記組成式(1)において、wは、0以上0.09以下であってもよく、0以上0.08以下であってもよく、0以上0.07以下であってもよい。 The upper limit value and the lower limit value of w can be arbitrarily combined. In the composition formula (1), w may be 0 or more and 0.09 or less, 0 or more and 0.08 or less, or 0 or more and 0.07 or less.
wは、0を超え0.10以下であってもよく、0を超え0.09以下であってもよく、0を超え0.08以下であってもよく、0を超え0.07以下であってもよい。 w may be more than 0 and 0.10 or less, more than 0 and 0.09 or less, more than 0 and 0.08 or less, more than 0 and 0.07 or less. There may be.
wは、0.0005以上0.10以下であってもよく、0.0005以上0.09以下であってもよく、0.0005以上0.08以下であってもよく、0.0005以上0.07以下であってもよい。 w may be 0.0005 or more and 0.10 or less, 0.0005 or more and 0.09 or less, 0.0005 or more and 0.08 or less, and 0.0005 or more and 0. It may be .07 or less.
wは、0.001以上0.10以下であってもよく、0.001以上0.09以下であってもよく、0.001以上0.08以下であってもよく、0.001以上0.07以下であってもよい。 w may be 0.001 or more and 0.10 or less, 0.001 or more and 0.09 or less, 0.001 or more and 0.08 or less, and 0.001 or more and 0. It may be .07 or less.
(y+z+wについて)
また、電池容量が大きいリチウム二次電池を得る観点から、本実施形態においては、前記組成式(1)におけるy+z+wは0.50以下が好ましく、0.48以下がより好ましく、0.46以下がさらに好ましい。
(About y + z + w)
Further, from the viewpoint of obtaining a lithium secondary battery having a large battery capacity, in the present embodiment, y + z + w in the composition formula (1) is preferably 0.50 or less, more preferably 0.48 or less, and 0.46 or less. More preferred.
本実施形態の正極活物質に含まれるリチウム金属複合酸化物は、組成式(1)において1−y−z−w≧0.50、かつy≦0.30を満たすと好ましい。すなわち、本実施形態の正極活物質に含まれるリチウム金属複合酸化物は、組成式(1)においてNiの含有モル比が0.50以上、かつCoの含有モル比が0.30以下であると好ましい。 The lithium metal composite oxide contained in the positive electrode active material of the present embodiment preferably satisfies 1-yz-w ≧ 0.50 and y ≦ 0.30 in the composition formula (1). That is, the lithium metal composite oxide contained in the positive electrode active material of the present embodiment has a Ni content molar ratio of 0.50 or more and a Co content molar ratio of 0.30 or less in the composition formula (1). preferable.
(Mについて)
前記組成式(1)におけるMはFe、Cu、Ti、Mg、Al、W、B、Mo、Nb、Zn、Sn、Zr、Ga、La及びVからなる群より選択される1種以上の元素を表す。
(About M)
M in the composition formula (1) is one or more elements selected from the group consisting of Fe, Cu, Ti, Mg, Al, W, B, Mo, Nb, Zn, Sn, Zr, Ga, La and V. Represents.
また、サイクル特性が高いリチウム二次電池を得る観点から、組成式(1)におけるMは、Ti、Mg、Al、W、B、Zrからなる群より選択される1種以上の元素であることが好ましく、Al、Zrからなる群より選択される1種以上の元素であることがより好ましい。また、熱的安定性が高いリチウム二次電池を得る観点から、Ti、Al、W、B、Zrからなる群より選択される1種以上の元素であることが好ましい。 Further, from the viewpoint of obtaining a lithium secondary battery having high cycle characteristics, M in the composition formula (1) is one or more elements selected from the group consisting of Ti, Mg, Al, W, B and Zr. Is preferable, and it is more preferable that it is one or more elements selected from the group consisting of Al and Zr. Further, from the viewpoint of obtaining a lithium secondary battery having high thermal stability, it is preferable that the element is one or more selected from the group consisting of Ti, Al, W, B and Zr.
上述したx、y、z、wについて好ましい組み合わせの一例は、xが0.02以上0.3以下であり、yが0.05以上0.30以下であり、zが0.02以上0.35以下であり、wが0以上0.07以下である。例えば、x=0.05、y=0.20、z=0.30、w=0であるリチウム金属複合酸化物や、x=0.05、y=0.08、z=0.04、w=0であるリチウム金属複合酸化物や、x=0.25、y=0.07、z=0.02、w=0であるリチウム金属複合酸化物を挙げることができる。 An example of a preferable combination of x, y, z, and w described above is x of 0.02 or more and 0.3 or less, y of 0.05 or more and 0.30 or less, and z of 0.02 or more and 0. It is 35 or less, and w is 0 or more and 0.07 or less. For example, a lithium metal composite oxide having x = 0.05, y = 0.20, z = 0.30, w = 0, x = 0.05, y = 0.08, z = 0.04, Examples thereof include a lithium metal composite oxide having w = 0 and a lithium metal composite oxide having x = 0.25, y = 0.07, z = 0.02, and w = 0.
(層状構造)
本実施形態において、リチウム金属複合酸化物の結晶構造は、層状構造である。リチウム金属複合酸化物の結晶構造は、六方晶型の結晶構造又は単斜晶型の結晶構造であることがより好ましい。
(Layered structure)
In the present embodiment, the crystal structure of the lithium metal composite oxide is a layered structure. The crystal structure of the lithium metal composite oxide is more preferably a hexagonal crystal structure or a monoclinic crystal structure.
六方晶型の結晶構造は、P3、P31、P32、R3、P−3、R−3、P312、P321、P3112、P3121、P3212、P3221、R32、P3m1、P31m、P3c1、P31c、R3m、R3c、P−31m、P−31c、P−3m1、P−3c1、R−3m、R−3c、P6、P61、P65、P62、P64、P63、P−6、P6/m、P63/m、P622、P6122、P6522、P6222、P6422、P6322、P6mm、P6cc、P63cm、P63mc、P−6m2、P−6c2、P−62m、P−62c、P6/mmm、P6/mcc、P63/mcm、P63/mmcからなる群から選ばれるいずれか一つの空間群に帰属される。 The hexagonal crystal structure is P3, P3 1 , P3 2 , R3, P-3, R-3, P312, P321, P3 1 12, P3 1 21, P3 2 12, P3 2 21, R32, P3 m1, P31m, P3c1, P31c, R3m, R3c, P-31m, P-31c, P-3m1, P-3c1, R-3m, R-3c, P6, P6 1 , P6 5 , P6 2 , P6 4 , P6 3 , P6, P6 / m, P6 3 / m, P622, P6 1 22, P6 5 22, P6 2 22, P6 4 22, P6 3 22, P6mm, P6cc, P6 3 cm, P6 3 mc, P- It belongs to any one space group selected from the group consisting of 6m2, P-6c2, P-62m, P-62c, P6 / mmm, P6 / mcc, P6 3 / mcm, and P6 3 / mmc.
また、単斜晶型の結晶構造は、P2、P21、C2、Pm、Pc、Cm、Cc、P2/m、P21/m、C2/m、P2/c、P21/c、C2/cからなる群から選ばれるいずれか一つの空間群に帰属される。 The monoclinic crystal structure is P2, P2 1 , C2, Pm, Pc, Cm, Cc, P2 / m, P2 1 / m, C2 / m, P2 / c, P2 1 / c, C2 /. It belongs to any one space group selected from the group consisting of c.
これらのうち、放電容量が高いリチウム二次電池を得るため、結晶構造は、空間群R−3mに帰属される六方晶型の結晶構造、又はC2/mに帰属される単斜晶型の結晶構造であることが特に好ましい。 Of these, in order to obtain a lithium secondary battery with a high discharge capacity, the crystal structure is a hexagonal crystal structure belonging to the space group R-3m or a monoclinic crystal structure belonging to C2 / m. The structure is particularly preferable.
(要件2:粒度分布)
上述の要件2について、「体積基準の累積粒度」は、レーザー回折散乱法を測定原理とする測定方法によって測定することができる。レーザー回折散乱法を測定原理とする粒度分布測定のことを「レーザー回折式粒度分布測定」と称する。
(Requirement 2: Particle size distribution)
Regarding the above-mentioned requirement 2, the "volume-based cumulative particle size" can be measured by a measuring method based on the laser diffraction / scattering method. Particle size distribution measurement based on the laser diffraction scattering method is called "laser diffraction type particle size distribution measurement".
具体的には、正極活物質の累積粒度は、次の測定方法で測定する。 Specifically, the cumulative particle size of the positive electrode active material is measured by the following measuring method.
まず、正極活物質0.1gを、0.2質量%ヘキサメタりん酸ナトリウム水溶液50mlに投入し、正極活物質を分散させた分散液を得る。 First, 0.1 g of the positive electrode active material is put into 50 ml of a 0.2 mass% sodium hexametaphosphate aqueous solution to obtain a dispersion liquid in which the positive electrode active material is dispersed.
次いで、得られた分散液についてマイクロトラック・ベル株式会社製マイクロトラックMT3300EXII(レーザー回折散乱粒度分布測定装置)を用いて、粒度分布を測定し、体積基準の累積粒度分布曲線を得る。粒度分布の測定範囲は、0μm以上2000μm以下とした。 Next, the particle size distribution of the obtained dispersion is measured using a Microtrack MT3300EXII (laser diffraction scattering particle size distribution measuring device) manufactured by Microtrac Bell Co., Ltd., and a volume-based cumulative particle size distribution curve is obtained. The measurement range of the particle size distribution was 0 μm or more and 2000 μm or less.
得られた累積粒度分布曲線において、全体を100%としたときに、微小粒子側からの累積体積が10%となる点の粒子径の値を10%累積体積粒度D10(μm)、50%となる点の粒子径の値を50%累積体積粒度D50(μm)、90%となる点の粒子径の値を90%累積体積粒度D90(μm)、とする。 In the obtained cumulative particle size distribution curve, the value of the particle size at the point where the cumulative volume from the fine particle side is 10% when the whole is 100% is 10% cumulative volume particle size D 10 (μm), 50%. The value of the particle size at the point is 50% cumulative volume particle size D 50 (μm), and the value of the particle size at the point 90% is 90% cumulative volume particle size D 90 (μm).
本実施形態において、(D90−D10)/D50は、1.0以上が好ましく、1.2以上がより好ましく、1.5以上がさらに好ましい。 In the present embodiment, (D 90- D 10 ) / D 50 is preferably 1.0 or more, more preferably 1.2 or more, and even more preferably 1.5 or more.
本実施形態において、(D90−D10)/D50は、10.0以下が好ましく、6.5以下がより好ましい。 In the present embodiment, (D 90- D 10 ) / D 50 is preferably 10.0 or less, more preferably 6.5 or less.
(D90−D10)/D50の上限値と下限値は任意に組み合わせることができる。本実施形態において、(D90−D10)/D50は、0.9以上10.0以下であってもよく、0.9以上6.5以下であってもよい。
(D90−D10)/D50は、1.0以上10.0以下であってもよく、1.0以上6.5以下であってもよい。
The upper and lower limits of (D 90- D 10 ) / D 50 can be arbitrarily combined. In the present embodiment, (D 90- D 10 ) / D 50 may be 0.9 or more and 10.0 or less, or 0.9 or more and 6.5 or less.
(D 90- D 10 ) / D 50 may be 1.0 or more and 10.0 or less, or 1.0 or more and 6.5 or less.
(D90−D10)/D50は、1.2以上10.0以下であってもよく、1.2以上6.5以下であってもよい。 (D 90- D 10 ) / D 50 may be 1.2 or more and 10.0 or less, or 1.2 or more and 6.5 or less.
(D90−D10)/D50は、1.5以上10.0以下であってもよく、1.5以上6.5以下であってもよい。 (D 90- D 10 ) / D 50 may be 1.5 or more and 10.0 or less, or 1.5 or more and 6.5 or less.
(D90−D10)/D50を所望の範囲とするために、粒子径の異なる2種以上の正極活物質を混合して粒度分布を調製してもよい。 In order to set (D 90- D 10 ) / D 50 in a desired range, two or more kinds of positive electrode active materials having different particle sizes may be mixed to prepare a particle size distribution.
(要件3:結晶子サイズ比)
上述の要件3について、「結晶子サイズα」「結晶子サイズβ」は、CuKα線を使用した粉末X線回折測定によって測定することができる。
(Requirement 3: Crystallite size ratio)
Regarding the above-mentioned requirement 3, the "crystallite size α" and "crystallite size β" can be measured by powder X-ray diffraction measurement using CuKα ray.
具体的には、正極活物質に含まれるリチウム金属複合酸化物の結晶子サイズは、下記の測定方法で測定する。 Specifically, the crystallite size of the lithium metal composite oxide contained in the positive electrode active material is measured by the following measuring method.
まず、本実施形態の正極活物質について、CuKαを線源とし、かつ回折角2θの測定範囲を10°以上90°以下とする粉末X線回折測定を行う。測定の結果、横軸が2θ、縦軸が測定範囲内の全ピークのうち最大のピーク強度を1としたときの相対強度、であるX線回折スペクトルが得られる。 First, the positive electrode active material of the present embodiment is subjected to powder X-ray diffraction measurement using CuKα as a radiation source and a measurement range of a diffraction angle 2θ of 10 ° or more and 90 ° or less. As a result of the measurement, an X-ray diffraction spectrum is obtained in which the horizontal axis is 2θ and the vertical axis is the relative intensity when the maximum peak intensity of all the peaks in the measurement range is 1.
次いで、得られたX線回折スペクトルから、2θ=18.7±2°の範囲内のピークと、2θ=44.6±2°の範囲内のピークとを決定する。 Then, from the obtained X-ray diffraction spectrum, a peak in the range of 2θ = 18.7 ± 2 ° and a peak in the range of 2θ = 44.6 ± 2 ° are determined.
次いで、決定したそれぞれのピークについて半値全幅を算出する。 Next, the full width at half maximum is calculated for each of the determined peaks.
半値全幅を算出するにあたっては、2θ=10〜12°における各強度の平均値を2θ=10°にプロットし、2θ=88〜90°における各強度の平均値を2θ=90°にプロットして、2θ=10°にプロットした平均値と、2θ=90°にプロットした平均値とを結ぶ直線をベースラインとした。 In calculating the half-value full width, plot the average value of each intensity at 2θ = 10-12 ° at 2θ = 10 °, and plot the average value of each intensity at 2θ = 88-90 ° at 2θ = 90 °. The straight line connecting the mean value plotted at 2θ = 10 ° and the mean value plotted at 2θ = 90 ° was used as the baseline.
ピークの回折角、および得られた半値幅を、Scherrer式(D=Kλ/Bcosθ(D:結晶子サイズ、K:Scherrer定数、B:ピークの半値幅))に代入することで、結晶子サイズを算出することが出来る。 By substituting the diffraction angle of the peak and the obtained half-value width into the Scherrer equation (D = Kλ / Bcosθ (D: crystallite size, K: Scherrer constant, B: half-value width of the peak)), the crystallite size Can be calculated.
なお、Scherrer式を用いて、回折ピークの半値幅から結晶子サイズを算出することは、従来から使用されている手法である(例えば「X線構造解析−原子の配列を決める−」2002年4月30日第3版発行、早稲田嘉夫、松原栄一郎著、参照)。 It should be noted that calculating the crystallite size from the full width at half maximum of the diffraction peak using the Scherrer equation is a conventionally used method (for example, "X-ray structure analysis-determining the arrangement of atoms-" 2002 4 Published 3rd edition on April 30, by Yoshio Waseda and Eiichiro Matsubara, see).
以下に、本実施形態の正極活物質が含むリチウム金属複合酸化物が、空間群R−3mに帰属される六方晶型の結晶構造である場合を例に、図面を用いてより具体的に説明する。 Hereinafter, the case where the lithium metal composite oxide contained in the positive electrode active material of the present embodiment has a hexagonal crystal structure belonging to the space group R-3m will be described in more detail with reference to the drawings. To do.
図1は、空間群R−3mに帰属される結晶構造を有する結晶子の模式図である。図1に示す結晶子において、003面の垂線方向の結晶子サイズは、上述の結晶子サイズαに相当する。また、図1に示す結晶子において、104面の垂線方向の結晶子サイズは、結晶子サイズβに相当する。 FIG. 1 is a schematic view of a crystallite having a crystal structure belonging to the space group R-3m. In the crystallite shown in FIG. 1, the crystallite size in the perpendicular direction of the 003 plane corresponds to the above-mentioned crystallite size α. Further, in the crystallite shown in FIG. 1, the crystallite size in the perpendicular direction on the 104th plane corresponds to the crystallite size β.
結晶子サイズ比α/βの値が1よりも大きいほど、図1中のz軸に対して平行に結晶子が異方成長したものであることを示し、α/βの値が1に近づくほど、結晶子が等方成長したものであることを示す。 The larger the value of the crystallite size ratio α / β is, the more the crystallites are anisotropically grown parallel to the z-axis in FIG. 1, and the value of α / β approaches 1. The more it shows that the crystallites are isotropically grown.
本実施形態の正極活物質は、結晶子サイズ比α/βが1.0以上である。すなわち、本実施形態の正極活物質は、正極活物質が含むリチウム金属複合酸化物の結晶子が、図1中のx軸またはy軸に対して、z軸方向に異方成長したものである。 The positive electrode active material of the present embodiment has a crystallite size ratio α / β of 1.0 or more. That is, in the positive electrode active material of the present embodiment, the crystals of the lithium metal composite oxide contained in the positive electrode active material are anisotropically grown in the z-axis direction with respect to the x-axis or y-axis in FIG. ..
本実施形態の正極活物質においては、リチウム金属複合酸化物が異方成長した結晶子を有することにより、放電容量等の電池性能を向上させることができる。 In the positive electrode active material of the present embodiment, the lithium metal composite oxide has anisotropically grown crystals, so that the battery performance such as the discharge capacity can be improved.
例えば、結晶子サイズ比α/βが1.0以上であるリチウム金属複合酸化物の結晶子をケース1とし、図1のxy平面と平行な方向に結晶子が異方成長した扁平な結晶子をケース2としたとき、同じ体積のケース1の結晶子とケース2の結晶子とを比較する。この場合、ケース1の結晶子は、ケース2の結晶子よりも結晶子の中心までの距離が短い。そのため、ケース1の結晶子では、充放電に伴うLiの移動が容易となる。 For example, case 1 is a crystallite of a lithium metal composite oxide having a crystallite size ratio α / β of 1.0 or more, and a flat crystallite in which the crystallites are anisotropically grown in a direction parallel to the xy plane of FIG. In case 2, the crystallites of case 1 and the crystallites of case 2 having the same volume are compared. In this case, the crystallite in case 1 has a shorter distance to the center of the crystallite than the crystallite in case 2. Therefore, in the crystallite of Case 1, the movement of Li with charge and discharge becomes easy.
本実施形態においては、α/βは1.2以上であることが好ましく、1.5以上であることがより好ましい。また、α/βは3.0以下であることが好ましく、2.5以下であることがより好ましい。 In the present embodiment, α / β is preferably 1.2 or more, and more preferably 1.5 or more. Further, α / β is preferably 3.0 or less, and more preferably 2.5 or less.
サイクル特性が高いリチウム二次電池を得る意味で、結晶子サイズαは、400Å以上、1200Å以下であることが好ましく、1100Å以下であることがより好ましく、1000Å以下であることがさらに好ましく、900Å以下であることがよりさらに好ましく、840Å以下であることが特に好ましい。また、充電容量が高いリチウム二次電池を得る意味で、結晶子サイズαは、450Å以上であることがより好ましく、500Å以上であることがさらに好ましい。 In order to obtain a lithium secondary battery having high cycle characteristics, the crystallite size α is preferably 400 Å or more and 1200 Å or less, more preferably 1100 Å or less, further preferably 1000 Å or less, and 900 Å or less. Is even more preferable, and 840 Å or less is particularly preferable. Further, in the sense of obtaining a lithium secondary battery having a high charge capacity, the crystallite size α is more preferably 450 Å or more, and further preferably 500 Å or more.
αの上限値と下限値は任意に組み合わせることができる。本実施形態において、αは、400Å以上1100Å以下であってもよく、400Å以上1000以下であってもよく、400Å以上900Å以下であってもよい。 The upper and lower limits of α can be combined arbitrarily. In the present embodiment, α may be 400 Å or more and 1100 Å or less, 400 Å or more and 1000 or less, or 400 Å or more and 900 Å or less.
αは、450Å以上1200Å以下であってもよく、450Å以上1100Å以下であってもよく、450Å以上1000以下であってもよく、450Å以上900Å以下であってもよい。 α may be 450 Å or more and 1200 Å or less, 450 Å or more and 1100 Å or less, 450 Å or more and 1000 or less, or 450 Å or more and 900 Å or less.
αは、500Å以上1200Å以下であってもよく、500Å以上1100Å以下であってもよく、500Å以上1000以下であってもよく、500Å以上900Å以下であってもよい。 α may be 500 Å or more and 1200 Å or less, 500 Å or more and 1100 Å or less, 500 Å or more and 1000 or less, or 500 Å or more and 900 Å or less.
サイクル特性が高いリチウム二次電池を得る意味で、結晶子サイズβは600Å以下であることが好ましく、550Å以下であることがより好ましく、500Å以下であることがさらに好ましく、450Å以下であることが特に好ましい。また、充電容量が高いリチウム二次電池を得る意味で、結晶子サイズβは、200Å以上であることが好ましく、250Å以上であることがより好ましく、300Å以上であることがさらに好ましい。 In order to obtain a lithium secondary battery having high cycle characteristics, the crystallite size β is preferably 600 Å or less, more preferably 550 Å or less, further preferably 500 Å or less, and more preferably 450 Å or less. Especially preferable. Further, in order to obtain a lithium secondary battery having a high charge capacity, the crystallite size β is preferably 200 Å or more, more preferably 250 Å or more, and further preferably 300 Å or more.
前記βの上限値と下限値は任意に組み合わせることができる。本実施形態において、βは、200Å以上600Å以下であってもよく、200Å以上550以下であってもよく、200Å以上500Å以下であってもよく、200Å以上450Å以下であってもよい。 The upper limit value and the lower limit value of β can be arbitrarily combined. In the present embodiment, β may be 200 Å or more and 600 Å or less, 200 Å or more and 550 or less, 200 Å or more and 500 Å or less, or 200 Å or more and 450 Å or less.
βは、250Å以上600Å以下であってもよく、250Å以上550以下であってもよく、250Å以上500Å以下であってもよく、250Å以上450Å以下であってもよい。 β may be 250 Å or more and 600 Å or less, 250 Å or more and 550 or less, 250 Å or more and 500 Å or less, or 250 Å or more and 450 Å or less.
βは、300Å以上600Å以下であってもよく、300Å以上550以下であってもよく、300Å以上500Å以下であってもよく、300Å以上450Å以下であってもよい。 β may be 300 Å or more and 600 Å or less, 300 Å or more and 550 or less, 300 Å or more and 500 Å or less, or 300 Å or more and 450 Å or less.
発明者らの検討により、従来の液系リチウムイオン二次電池の正極に用いた場合には、良好な電池性能を示す正極活物質であっても、全固体リチウムイオン電池の正極に用いた場合には、性能が不十分であるものがあることが分かった。このような全固体リチウムイオン二次電池に固有の知見に基づいて、発明者らが検討したところ、上述の要件1〜要件3を満たす本実施形態の正極活物質は、全固体リチウムイオン電池の正極に用いた場合に、高い初期充電容量が測定されることが分かった。 According to the studies by the inventors, when used for the positive electrode of a conventional liquid-based lithium-ion secondary battery, even a positive electrode active material showing good battery performance is used for the positive electrode of an all-solid-state lithium-ion battery. It was found that some of them had insufficient performance. As a result of examination by the inventors based on the knowledge peculiar to such an all-solid-state lithium-ion secondary battery, the positive electrode active material of the present embodiment satisfying the above-mentioned requirements 1 to 3 is an all-solid-state lithium-ion battery. It was found that a high initial charge capacity was measured when used for the positive electrode.
まず、本実施形態の正極活物質においては、要件1を満たすことで、リチウムイオンの挿入及び脱離を良好に行うことができる。 First, in the positive electrode active material of the present embodiment, the insertion and desorption of lithium ions can be satisfactorily performed by satisfying the requirement 1.
また、本実施形態の正極活物質においては、要件2を満たす。全固体リチウムイオン二次電池の正極においては、正極活物質と固体電解質との間で、リチウムイオンの授受が行われる。このような全固体リチウムイオン二次電池においては、要件2を満たすような広い粒度分布を有することで、正極活物質同士または正極活物質と固体電解質との接触面積が広がりやすい。これにより、本実施形態の正極活物質を全固体リチウムイオン電池の正極に用いた場合、正極活物質と固体電解質との間でリチウムイオンの授受が行われやすい。 Further, the positive electrode active material of the present embodiment satisfies Requirement 2. In the positive electrode of an all-solid-state lithium-ion secondary battery, lithium ions are exchanged between the positive electrode active material and the solid electrolyte. In such an all-solid-state lithium-ion secondary battery, by having a wide particle size distribution that satisfies the requirement 2, the contact area between the positive electrode active materials or between the positive electrode active material and the solid electrolyte tends to expand. As a result, when the positive electrode active material of the present embodiment is used for the positive electrode of the all-solid-state lithium-ion battery, lithium ions can be easily exchanged between the positive electrode active material and the solid electrolyte.
さらに、本実施形態の正極活物質において要件3を満たすこととは、層状構造を有するリチウム金属複合酸化物の結晶が、層状構造の積層方向に異方成長していることを意味する。要件3を満たすリチウム金属複合酸化物は、層状構造の積層方向と交差する方向から層間にリチウムイオンを挿入および脱離しやすい。そのため、本実施形態の正極活物質が要件3を満たすと、電池性能を向上させやすい。 Further, satisfying the requirement 3 in the positive electrode active material of the present embodiment means that the crystals of the lithium metal composite oxide having a layered structure are anisotropically grown in the laminating direction of the layered structure. A lithium metal composite oxide satisfying Requirement 3 easily inserts and desorbs lithium ions between layers from a direction intersecting the stacking direction of the layered structure. Therefore, if the positive electrode active material of the present embodiment satisfies the requirement 3, the battery performance can be easily improved.
そのため、要件1〜3を満たす本実施形態の正極活物質は、全固体リチウムイオン電池の正極に用いた場合に、固体電解質との間でリチウムイオンの授受をスムーズに行うことができ、電池性能を向上させることができる。 Therefore, when the positive electrode active material of the present embodiment satisfying requirements 1 to 3 is used for the positive electrode of an all-solid-state lithium-ion battery, lithium ions can be smoothly transferred to and from the solid electrolyte, and the battery performance. Can be improved.
(その他の構成1)
本実施形態の正極活物質は、正極活物質を構成する粒子が、一次粒子と、一次粒子が凝集して形成された二次粒子と、一次粒子および二次粒子とは独立して存在する単粒子と、からなることが好ましい。
(Other configuration 1)
In the positive electrode active material of the present embodiment, the particles constituting the positive electrode active material exist independently of the primary particles, the secondary particles formed by aggregating the primary particles, and the primary particles and the secondary particles. It is preferably composed of particles.
本発明において、「一次粒子」とは、走査型電子顕微鏡を用いて20000倍の視野にて観察した際に、外観上に粒界が存在しない粒子であって、粒子径が0.5μm未満の粒子を意味する。 In the present invention, the "primary particle" is a particle having no grain boundary in appearance when observed with a scanning electron microscope in a field of view of 20000 times, and has a particle diameter of less than 0.5 μm. Means particles.
本発明において、「二次粒子」とは、一次粒子が凝集することにより形成された粒子を意味する。二次粒子は、走査型電子顕微鏡を用いて20000倍の視野にて観察した際に、外観上に粒界が存在する。 In the present invention, the "secondary particles" mean particles formed by agglomeration of primary particles. When the secondary particles are observed with a scanning electron microscope in a field of view of 20000 times, grain boundaries are present on the appearance.
本発明において、「単粒子」とは、二次粒子とは独立して存在し、走査型電子顕微鏡を用いて20000倍の視野にて観察した際に、外観上に粒界が存在しない粒子であって、粒子径が0.5μm以上の粒子を意味する。 In the present invention, a "single particle" is a particle that exists independently of a secondary particle and has no grain boundary in appearance when observed with a scanning electron microscope at a field of view of 20000 times. It means particles having a particle diameter of 0.5 μm or more.
すなわち、本実施形態の正極活物質は、走査型電子顕微鏡を用いて20000倍の視野にて観察した際に、外観上に粒界が存在しない粒子と、外観上に粒界が存在する粒子とからなる。 That is, the positive electrode active material of the present embodiment includes particles having no grain boundaries on the appearance and particles having grain boundaries on the appearance when observed at a field of view of 20000 times using a scanning electron microscope. Consists of.
外観上に粒界が存在しない粒子は、粒子径が0.5μmを基準に小粒径の「一次粒子」と、大粒径の「単粒子」とからなる。 Particles having no grain boundaries on the outside are composed of "primary particles" having a small particle size and "single particles" having a large particle size based on a particle size of 0.5 μm.
外観上に粒界が存在する粒子は、上記「一次粒子」の凝集粒である「二次粒子」である。 The particles having grain boundaries on the appearance are "secondary particles" which are aggregated particles of the above-mentioned "primary particles".
本実施形態の正極活物質においては、粒子全体における単粒子の含有率が、20%以上であると好ましい。粒子全体における単粒子の含有率が20%以上である正極活物質は、全固体電池に用いた場合、正極層内で固体電解質との接触界面を担保しやすく、界面を通じたリチウムイオンの伝導がスムーズに行われる。 In the positive electrode active material of the present embodiment, the content of single particles in the whole particles is preferably 20% or more. When the positive electrode active material having a single particle content of 20% or more in the whole particles is used in an all-solid-state battery, it is easy to secure a contact interface with a solid electrolyte in the positive electrode layer, and lithium ion conduction through the interface is easy. It is done smoothly.
また、粒子全体における単粒子の含有率が20%以上である正極活物質は、粒子全体における単粒子の粒子内に粒界が存在しないため、全固体電池の正極に用い充放電を繰り返したとしても、粒子が割れにくく、導電経路を保持しやすい。 Further, it is assumed that the positive electrode active material having a single particle content of 20% or more in the whole particles is used for the positive electrode of an all-solid-state battery and repeatedly charged and discharged because there is no grain boundary in the single particles in the whole particles. However, the particles are not easily broken and the conductive path is easily maintained.
単粒子の平均粒子径は、0.5μm以上であることが好ましく、1.0μm以上であることがより好ましい。また、単粒子の平均粒子径は、10μm以下であることが好ましく、5μm以下であることがより好ましい。 The average particle size of the single particles is preferably 0.5 μm or more, and more preferably 1.0 μm or more. The average particle size of the single particles is preferably 10 μm or less, and more preferably 5 μm or less.
単粒子の平均粒子径の上限値と下限値とは、任意に組み合わせることができる。 The upper limit value and the lower limit value of the average particle diameter of a single particle can be arbitrarily combined.
二次粒子の平均粒子径は、3.0μm以上であることが好ましく、5.0μm以上であることがより好ましい。また、二次粒子の平均粒子径は、15μm以下であることが好ましく、10μm以下であることがより好ましい。 The average particle size of the secondary particles is preferably 3.0 μm or more, and more preferably 5.0 μm or more. The average particle size of the secondary particles is preferably 15 μm or less, and more preferably 10 μm or less.
二次粒子の平均粒子径の上限値と下限値とは、任意に組み合わせることができる。 The upper limit value and the lower limit value of the average particle diameter of the secondary particles can be arbitrarily combined.
単粒子及び二次粒子の平均粒子径は、以下の方法で測定することができる。 The average particle size of the single particle and the secondary particle can be measured by the following method.
まず、本実施形態の正極活物質を、サンプルステージ上に貼った導電性シート上に載せる。次いで、走査型電子顕微鏡(日本電子株式会社製JSM−5510)を用い、正極活物質に加速電圧が20kVの電子線を照射して、20000倍の視野にて観察を行う。 First, the positive electrode active material of the present embodiment is placed on a conductive sheet attached on the sample stage. Next, using a scanning electron microscope (JSM-5510 manufactured by JEOL Ltd.), the positive electrode active material is irradiated with an electron beam having an accelerating voltage of 20 kV, and observation is performed with a field of view of 20000 times.
次いで、得られた電子顕微鏡画像(SEM写真)から下記方法で50個以上98個以下の単粒子又は二次粒子を抽出する。 Next, 50 or more and 98 or less single particles or secondary particles are extracted from the obtained electron microscope image (SEM photograph) by the following method.
(単粒子の抽出方法)
単粒子の平均粒子径を測定する場合、20000倍の拡大視野において、一視野に含まれる単粒子の全てを測定対象とする。一視野に含まれる単粒子が50個未満である場合には、測定数が50個以上となるまで複数視野の単粒子を測定対象とする。
(Single particle extraction method)
When measuring the average particle size of a single particle, all the single particles included in one visual field are to be measured in a magnified field of 20000 times. When the number of single particles contained in one visual field is less than 50, the single particles in a plurality of visual fields are measured until the number of measurements is 50 or more.
(二次粒子の抽出方法)
二次粒子の平均粒子径を測定する場合、20000倍の拡大視野において、一視野に含まれる二次粒子の全てを測定対象とする。一視野に含まれる二次粒子が50個未満である場合には、測定数が50個以上となるまで複数視野の二次粒子を測定対象とする。
(Extraction method of secondary particles)
When measuring the average particle size of secondary particles, all the secondary particles included in one visual field are measured in a magnified field of 20000 times. When the number of secondary particles contained in one field of view is less than 50, the secondary particles in a plurality of fields of view are measured until the number of measurements is 50 or more.
抽出した単粒子又は二次粒子の像について、一定方向から引いた平行線ではさんだときの平行線間の距離(定方向径)を、単粒子又は二次粒子の粒子径として測定する。 With respect to the extracted image of a single particle or a secondary particle, the distance between the parallel lines (constant direction diameter) when sandwiched between parallel lines drawn from a certain direction is measured as the particle diameter of the single particle or the secondary particle.
得られた単粒子又は二次粒子の粒子径の算術平均値が、正極活物質に含まれる単粒子の平均粒子径、又は正極活物質に含まれる二次粒子の平均粒子径である。 The calculated average particle size of the obtained single particle or secondary particle is the average particle size of the single particle contained in the positive electrode active material or the average particle size of the secondary particle contained in the positive electrode active material.
(その他の構成2)
本実施形態の正極活物質は、正極活物質を構成する粒子の表面に、金属複合酸化物からなる被覆層を有することが好ましい。
(Other configuration 2)
The positive electrode active material of the present embodiment preferably has a coating layer made of a metal composite oxide on the surface of the particles constituting the positive electrode active material.
被覆層を構成する金属複合酸化物としては、リチウムイオン伝導性を有するものが用いられる。 As the metal composite oxide constituting the coating layer, one having lithium ion conductivity is used.
このような金属複合酸化物としては、例えば、Liと、Nb、Ge、Si、P、Al、W、Ta、Ti、S、Zr、Zn、VおよびBからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素との金属複合酸化物を挙げることができる。 As such a metal composite oxide, for example, at least one selected from the group consisting of Li and Nb, Ge, Si, P, Al, W, Ta, Ti, S, Zr, Zn, V and B. A metal composite oxide with an element can be mentioned.
本実施形態の正極活物質が被覆層を有すると、正極活物質と固体電解質との界面における高抵抗層の形成を抑制し、全固体電池の高出力化が実現できる。このような効果は、固体電解質として硫化物系固体電解質を用いる硫化物系全固体電池において得られやすい。 When the positive electrode active material of the present embodiment has a coating layer, the formation of a high resistance layer at the interface between the positive electrode active material and the solid electrolyte can be suppressed, and high output of the all-solid-state battery can be realized. Such an effect is likely to be obtained in a sulfide-based all-solid-state battery using a sulfide-based solid electrolyte as the solid electrolyte.
<正極活物質の製造方法1>
本実施形態の正極活物質が含有するリチウム金属複合酸化物を製造するにあたって、まず、リチウム以外の金属、すなわち、Ni、Co、Mn、Fe、Cu、Ti、Mg、Al、W、B、Mo、Nb、Zn、Sn、Zr、Ga、La及びVのうちいずれか1種以上の任意金属を含む金属複合化合物を調製し、当該金属複合化合物を適当なリチウム塩と、不活性溶融剤と焼成することが好ましい。金属複合化合物としては、金属複合水酸化物又は金属複合酸化物が好ましい。
<Manufacturing method of positive electrode active material 1>
In producing the lithium metal composite oxide contained in the positive electrode active material of the present embodiment, first, metals other than lithium, that is, Ni, Co, Mn, Fe, Cu, Ti, Mg, Al, W, B, Mo , Nb, Zn, Sn, Zr, Ga, La and V, a metal composite compound containing any one or more arbitrary metals is prepared, and the metal composite compound is fired with an appropriate lithium salt, an inert melting agent and the like. It is preferable to do so. As the metal composite compound, a metal composite hydroxide or a metal composite oxide is preferable.
以下に、リチウム金属複合酸化物の製造方法の一例を、金属複合化合物の製造工程と、リチウム金属複合酸化物の製造工程とに分けて説明する。 Hereinafter, an example of the method for producing the lithium metal composite oxide will be described separately for the process for producing the metal composite compound and the process for producing the lithium metal composite oxide.
(金属複合化合物の製造工程)
金属複合化合物は、通常公知のバッチ共沈殿法又は連続共沈殿法により製造することが可能である。以下、金属として、ニッケル、コバルト及びマンガンを含む金属複合水酸化物を例に、その製造方法を詳述する。
(Manufacturing process of metal composite compound)
The metal composite compound can be produced by a commonly known batch co-precipitation method or continuous co-precipitation method. Hereinafter, the production method thereof will be described in detail using a metal composite hydroxide containing nickel, cobalt and manganese as an example.
まず共沈殿法、特に特開2002−201028号公報に記載された連続法により、ニッケル塩溶液、コバルト塩溶液、マンガン塩溶液、及び錯化剤を反応させ、NiaCobMnc(OH)2(式中、a+b+c=1)で表される金属複合水酸化物を製造する。 First co-precipitation method, in particular by a continuous method described in 2002-201028 JP-nickel salt solution, cobalt salt solution, is reacted manganese salt solution and a complexing agent, Ni a Co b Mn c ( OH) 2 A metal composite hydroxide represented by (a + b + c = 1 in the formula) is produced.
上記ニッケル塩溶液の溶質であるニッケル塩としては、特に限定されないが、例えば硫酸ニッケル、硝酸ニッケル、塩化ニッケル及び酢酸ニッケルのうちの何れか1種又は2種以上を使用することができる。 The nickel salt which is the solute of the nickel salt solution is not particularly limited, and for example, any one or more of nickel sulfate, nickel nitrate, nickel chloride and nickel acetate can be used.
上記コバルト塩溶液の溶質であるコバルト塩としては、例えば硫酸コバルト、硝酸コバルト、塩化コバルト、及び酢酸コバルトのうちの何れか1種又は2種以上を使用することができる。 As the cobalt salt which is the solute of the cobalt salt solution, for example, any one or more of cobalt sulfate, cobalt nitrate, cobalt chloride, and cobalt acetate can be used.
上記マンガン塩溶液の溶質であるマンガン塩としては、例えば硫酸マンガン、硝酸マンガン、塩化マンガン、及び酢酸マンガンのうちの何れか1種又は2種以上を使用することができる。 As the manganese salt which is the solute of the manganese salt solution, for example, any one or more of manganese sulfate, manganese nitrate, manganese chloride, and manganese acetate can be used.
以上の金属塩は、上記NiaCobMnc(OH)2の組成比に対応する割合で用いられる。また、溶媒として水が使用される。 The above metal salts are used at a ratio corresponding to the composition ratio of the above Ni a Co b Mn c (OH) 2 . In addition, water is used as a solvent.
錯化剤は、水溶液中で、ニッケル、コバルト、及びマンガンのイオンと錯体を形成可能な化合物である。例えば、アンモニウムイオン供給体(水酸化アンモニウム、硫酸アンモニウム、塩化アンモニウム、炭酸アンモニウム、弗化アンモニウム等のアンモニウム塩)、ヒドラジン、エチレンジアミン四酢酸、ニトリロ三酢酸、ウラシル二酢酸、及びグリシンが挙げられる。錯化剤は含まれていなくてもよく、錯化剤が含まれる場合、ニッケル塩溶液、コバルト塩溶液、任意金属M塩溶液及び錯化剤を含む混合液に含まれる錯化剤の量は、例えば金属塩のモル数の合計に対するモル比が0より大きく2.0以下である。 The complexing agent is a compound capable of forming a complex with nickel, cobalt, and manganese ions in an aqueous solution. Examples thereof include ammonium ion feeders (ammonium salts such as ammonium hydroxide, ammonium sulfate, ammonium chloride, ammonium carbonate, ammonium fluoride), hydrazine, ethylenediamine tetraacetic acid, nitrilotriacetic acid, uracil diacetic acid, and glycine. The complexing agent may not be contained, and if the complexing agent is contained, the amount of the complexing agent contained in the nickel salt solution, the cobalt salt solution, the arbitrary metal M salt solution and the mixed solution containing the complexing agent is For example, the molar ratio to the total number of moles of the metal salt is greater than 0 and 2.0 or less.
沈殿に際しては、水溶液のpH値を調整するため、必要ならばアルカリ金属水酸化物(例えば水酸化ナトリウム、水酸化カリウム)を添加する。 At the time of precipitation, alkali metal hydroxides (for example, sodium hydroxide and potassium hydroxide) are added as necessary to adjust the pH value of the aqueous solution.
上記ニッケル塩溶液、コバルト塩溶液、及びマンガン塩溶液のほか、錯化剤を反応槽に連続して供給させると、ニッケル、コバルト、及びマンガンが反応し、NiaCobMnc(OH)2が製造される。 When a complexing agent is continuously supplied to the reaction vessel in addition to the nickel salt solution, cobalt salt solution, and manganese salt solution, nickel, cobalt, and manganese react with each other, and Ni a Co b Mn c (OH) 2 Is manufactured.
反応に際しては、反応槽の温度を、例えば20℃以上80℃以下、好ましくは30〜70℃の範囲内で制御する。 During the reaction, the temperature of the reaction vessel is controlled, for example, in the range of 20 ° C. or higher and 80 ° C. or lower, preferably 30 to 70 ° C.
反応槽内のpH値を、例えばpH9以上pH13以下、好ましくはpH11以上pH13以下の範囲内で制御する。 The pH value in the reaction vessel is controlled, for example, in the range of pH 9 or more and pH 13 or less, preferably pH 11 or more and pH 13 or less.
反応槽内の物質は、適宜撹拌して混合する。反応槽は、形成された反応沈殿物を分離のためオーバーフローさせるタイプのものである。 The substances in the reaction vessel are appropriately stirred and mixed. The reaction vessel is of a type in which the formed reaction precipitate overflows for separation.
反応槽に供給する金属塩の濃度、攪拌速度、反応温度、反応pH、及び後述する焼成条件等を適宜制御することにより、下記工程で最終的に得られるリチウム金属複合酸化物の二次粒子径、細孔半径等の各種物性を制御することが出来る。 The secondary particle size of the lithium metal composite oxide finally obtained in the following steps by appropriately controlling the concentration of the metal salt supplied to the reaction vessel, the stirring speed, the reaction temperature, the reaction pH, the firing conditions described later, and the like. , Various physical properties such as pore radius can be controlled.
上記の条件の制御に加えて、各種気体、例えば、窒素、アルゴン、二酸化炭素等の不活性ガス、空気、酸素等の酸化性ガス、またはそれらの混合ガスを反応槽内に供給し、得られる反応生成物の酸化状態を制御してもよい。 In addition to controlling the above conditions, various gases such as an inert gas such as nitrogen, argon and carbon dioxide, an oxidizing gas such as air and oxygen, or a mixed gas thereof are supplied into the reaction vessel to obtain the gas. The oxidation state of the reaction product may be controlled.
得られる反応生成物を酸化する化合物として、過酸化水素などの過酸化物、過マンガン酸塩などの過酸化物塩、過塩素酸塩、次亜塩素酸塩、硝酸、ハロゲン、オゾンなどを使用することができる。 Peroxides such as hydrogen peroxide, peroxide salts such as permanganate, perchlorates, hypochlorites, nitric acid, halogens, ozone, etc. are used as compounds that oxidize the obtained reaction products. can do.
得られる反応生成物を還元する化合物として、シュウ酸、ギ酸などの有機酸、亜硫酸塩、ヒドラジンなどを使用する事ができる。 As a compound for reducing the obtained reaction product, organic acids such as oxalic acid and formic acid, sulfites, hydrazine and the like can be used.
以上の反応後、得られた反応沈殿物を水で洗浄した後、乾燥することで、金属複合化合物が得られる。本実施形態では、金属複合化合物として、ニッケルコバルトマンガン複合化合物としてのニッケルコバルトマンガン水酸化物が得られる。また、必要に応じて、反応沈殿物を、弱酸水や水酸化ナトリウムや水酸化カリウムを含むアルカリ溶液で洗浄してもよい。 After the above reaction, the obtained reaction precipitate is washed with water and then dried to obtain a metal composite compound. In the present embodiment, as the metal composite compound, nickel cobalt manganese hydroxide as a nickel cobalt manganese composite compound is obtained. If necessary, the reaction precipitate may be washed with a weak acid water or an alkaline solution containing sodium hydroxide or potassium hydroxide.
本実施形態において、乾燥して得られた金属複合化合物に適正な外力を加えて粉砕し、粒子の分散状態を調整することにより、前記要件(2)および要件(3)を本実施形態の範囲内に制御しやすい金属複合水酸化物を得ることができる。 In the present embodiment, the above requirements (2) and (3) are set within the scope of the present embodiment by pulverizing the metal composite compound obtained by drying by applying an appropriate external force to adjust the dispersed state of the particles. A metal composite hydroxide that is easy to control can be obtained inside.
「適正な外力」とは、金属複合化合物の結晶子を破壊することなく、凝集状態を分散させる程度の外力を指す。本実施形態においては、上記粉砕の際、粉砕機として磨砕機を用いることが好ましく、石臼式磨砕機が特に好ましい。石臼式磨砕機を用いる場合、上臼と下臼のクリアランスは、金属複合水酸化物の凝集状態に応じて調整することが好ましい。上臼と下臼のクリアランスは、例えば、10μm以上200μm以下の範囲が好ましい。 The "appropriate external force" refers to an external force that disperses the aggregated state without destroying the crystallites of the metal composite compound. In the present embodiment, it is preferable to use a grinder as the grinder at the time of the above grind, and a millstone grinder is particularly preferable. When a stone mill type grinder is used, it is preferable to adjust the clearance between the upper mill and the lower mill according to the aggregated state of the metal composite hydroxide. The clearance between the upper mortar and the lower mortar is preferably in the range of 10 μm or more and 200 μm or less, for example.
なお、上記の例では、ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物を製造しているが、ニッケルコバルトマンガン複合酸化物を調製してもよい。 In the above example, the nickel-cobalt-manganese composite hydroxide is produced, but the nickel-cobalt-manganese composite oxide may be prepared.
例えば、ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物を焼成することによりニッケルコバルトマンガン複合酸化物を調製することができる。焼成時間は、昇温開始から達温して温度保持が終了するまでの合計時間を1時間以上30時間以下とすることが好ましい。最高保持温度に達する加熱工程の昇温速度は180℃/hr以上が好ましく、200℃/hr以上がより好ましく、250℃/hr以上が特に好ましい。 For example, a nickel cobalt manganese composite oxide can be prepared by firing a nickel cobalt manganese composite hydroxide. The firing time is preferably 1 hour or more and 30 hours or less, which is the total time from the start of temperature rise to the end of temperature retention. The rate of temperature rise in the heating step to reach the maximum holding temperature is preferably 180 ° C./hr or more, more preferably 200 ° C./hr or more, and particularly preferably 250 ° C./hr or more.
本明細書における最高保持温度とは、焼成工程における焼成炉内雰囲気の保持温度の最高温度であり、焼成工程における焼成温度を意味する。複数の加熱工程を有する本焼成工程の場合、最高保持温度とは、各加熱工程のうちの最高温度を意味する。 The maximum holding temperature in the present specification is the maximum holding temperature of the atmosphere in the firing furnace in the firing step, and means the firing temperature in the firing step. In the case of the main firing step having a plurality of heating steps, the maximum holding temperature means the maximum temperature of each heating step.
本明細書における昇温速度は、焼成装置において、昇温を開始した時間から最高保持温度に到達するまでの時間と、焼成装置の焼成炉内の昇温開始時の温度から最高保持温度までの温度差と、から算出される。 The heating rate in the present specification is the time from the start of temperature rise to the maximum holding temperature in the firing apparatus, and the temperature from the start of temperature rise in the firing furnace of the firing apparatus to the maximum holding temperature. It is calculated from the temperature difference.
(リチウム金属複合酸化物の製造工程)
上記金属複合酸化物又は金属複合水酸化物を乾燥した後、リチウム塩と混合する。また、本実施形態において、この混合と同時に不活性溶融剤を混合することが好ましい。
(Manufacturing process of lithium metal composite oxide)
The metal composite oxide or metal composite hydroxide is dried and then mixed with a lithium salt. Further, in the present embodiment, it is preferable to mix the inert melting agent at the same time as this mixing.
金属複合酸化物若しくは金属複合水酸化物、リチウム塩及び不活性溶融剤を含む、不活性溶融剤含有混合物を焼成することにより、不活性溶融剤の存在下で、混合物を焼成することになる。不活性溶融剤の存在下で焼成することにより、一次粒子同士が焼結して二次粒子が生成することを抑制できる。また、単粒子の成長を促進できる。 By firing a mixture containing an inert melt containing a metal composite oxide or a metal composite hydroxide, a lithium salt and an inert melt, the mixture is fired in the presence of the inert melt. By firing in the presence of an inert melting agent, it is possible to prevent the primary particles from sintering each other to generate secondary particles. In addition, the growth of single particles can be promoted.
本実施形態において、乾燥条件は特に制限されない。
例えば、金属複合酸化物又は金属複合水酸化物が酸化・還元されない条件(酸化物が酸化物のまま維持される、水酸化物が水酸化物のまま維持される)、金属複合水酸化物が酸化される条件(水酸化物が酸化物に酸化される)、金属複合酸化物が還元される条件(酸化物が水酸化物に還元される)のいずれの条件でもよい。
In the present embodiment, the drying conditions are not particularly limited.
For example, under the condition that the metal composite oxide or the metal composite hydroxide is not oxidized / reduced (the oxide is maintained as an oxide, the hydroxide is maintained as a hydroxide), the metal composite hydroxide is used. Either the condition of being oxidized (the hydroxide is oxidized to the oxide) or the condition of reducing the metal composite oxide (the oxide is reduced to the hydroxide) may be used.
酸化・還元がされない条件のためには、窒素、ヘリウム及びアルゴン等の不活性ガスを使用すればよく、水酸化物が酸化される条件では、酸素又は空気を使用すればよい。 An inert gas such as nitrogen, helium, or argon may be used for the condition where oxidation / reduction is not performed, and oxygen or air may be used under the condition where the hydroxide is oxidized.
また、金属複合酸化物が還元される条件としては、不活性ガス雰囲気下、ヒドラジン、亜硫酸ナトリウム等の還元剤を使用すればよい。 Further, as a condition for reducing the metal composite oxide, a reducing agent such as hydrazine or sodium sulfite may be used in an inert gas atmosphere.
リチウム塩としては、炭酸リチウム、硝酸リチウム、酢酸リチウム、水酸化リチウム、水酸化リチウム水和物、酸化リチウムのうち何れか一つ、または、二つ以上を混合して使用することができる。 As the lithium salt, any one or a mixture of lithium carbonate, lithium nitrate, lithium acetate, lithium hydroxide, lithium hydroxide hydrate, and lithium oxide can be used.
金属複合酸化物又は金属複合水酸化物の乾燥後に、適宜分級を行ってもよい。 After drying the metal composite oxide or the metal composite hydroxide, classification may be performed as appropriate.
以上のリチウム塩と金属複合水酸化物とは、最終目的物の組成比を勘案して用いられる。例えば、ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物を用いる場合、リチウム塩と当該金属複合水酸化物は、LiNiaCobMncO2(式中、a+b+c=1)の組成比に対応する割合で用いられる。また、最終目的物であるリチウム金属複合酸化物において、リチウムが過剰(含有モル比が1超)である場合には、リチウム塩に含まれるリチウムと、金属複合水酸化物に含まれる金属元素とのモル比が1を超える比率となるように混合する。 The above lithium salt and metal composite hydroxide are used in consideration of the composition ratio of the final target product. For example, when using a nickel-cobalt-manganese composite hydroxide, lithium salt and the metal complex hydroxide is used in a proportion corresponding to LiNi a Co b Mn c O 2 ( where, a + b + c = 1 ) composition ratio of .. Further, in the lithium metal composite oxide which is the final target product, when lithium is excessive (the molar content ratio is more than 1), the lithium contained in the lithium salt and the metal element contained in the metal composite hydroxide Mix so that the molar ratio of is more than 1.
ニッケルコバルトマンガン金属複合水酸化物及びリチウム塩の混合物を焼成することによって、リチウム−ニッケルコバルトマンガン複合酸化物が得られる。なお、焼成には、所望の組成に応じて乾燥空気、酸素雰囲気、不活性雰囲気等が用いられ、必要ならば複数の加熱工程が実施される。 A lithium-nickel cobalt manganese composite oxide is obtained by calcining a mixture of a nickel cobalt manganese metal composite hydroxide and a lithium salt. For firing, dry air, an oxygen atmosphere, an inert atmosphere, or the like is used according to the desired composition, and a plurality of heating steps are carried out if necessary.
本実施形態においては、不活性溶融剤の存在下で混合物の焼成を行ってもよい。不活性溶融剤の存在下で焼成を行うことにより、混合物の反応を促進させることができる。不活性溶融剤は、焼成後のリチウム金属複合酸化物に残留していてもよいし、焼成後に水やアルコールで洗浄すること等により除去されていてもよい。本実施形態においては、焼成後のリチウム金属複合酸化物は水やアルコールを用いて洗浄することが好ましい。 In the present embodiment, the mixture may be fired in the presence of an inert melting agent. Firing in the presence of the Inactive Melting Agent can accelerate the reaction of the mixture. The inert melting agent may remain in the lithium metal composite oxide after firing, or may be removed by washing with water or alcohol after firing. In the present embodiment, it is preferable to wash the lithium metal composite oxide after firing with water or alcohol.
焼成における保持温度を調整することにより、得られるリチウム金属複合酸化物の単粒子の粒子径を本実施形態の好ましい範囲に制御できる。 By adjusting the holding temperature in firing, the particle size of the obtained single particles of the lithium metal composite oxide can be controlled within a preferable range of the present embodiment.
通常、保持温度が高くなればなるほど、単粒子の粒子径は大きくなり、BET比表面積は小さくなる傾向にある。焼成における保持温度は、用いる遷移金属元素の種類、沈殿剤、不活性溶融剤の種類、量に応じて適宜調整すればよい。 Generally, the higher the holding temperature, the larger the particle size of the single particle and the smaller the BET specific surface area tends to be. The holding temperature in firing may be appropriately adjusted according to the type of transition metal element used, the type and amount of the precipitant and the inert melting agent.
本実施形態においては、保持温度の設定は、後述する不活性溶融剤の融点を考慮すればよく、不活性溶融剤の融点マイナス100℃以上不活性溶融剤の融点プラス100℃以下の範囲で行うことが好ましい。 In the present embodiment, the holding temperature may be set in consideration of the melting point of the inert melting agent, which will be described later, in the range of the melting point of the inert melting agent minus 100 ° C. or higher and the melting point of the inert melting agent plus 100 ° C. or lower. Is preferable.
保持温度として、具体的には、200℃以上1150℃以下の範囲を挙げることができ、300℃以上1050℃以下が好ましく、500℃以上1000℃以下がより好ましい。 Specific examples of the holding temperature include a range of 200 ° C. or higher and 1150 ° C. or lower, preferably 300 ° C. or higher and 1050 ° C. or lower, and more preferably 500 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower.
また、前記保持温度で保持する時間は、0.1時間以上20時間以下が挙げられ、0.5時間以上10時間以下が好ましい。前記保持温度までの昇温速度は、通常50℃/時間以上400℃/時間以下であり、前記保持温度から室温までの降温速度は、通常10℃/時間以上400℃/時間以下である。また、焼成の雰囲気としては、大気、酸素、窒素、アルゴンまたはこれらの混合ガスを用いることができる。 The time for holding at the holding temperature is 0.1 hour or more and 20 hours or less, preferably 0.5 hours or more and 10 hours or less. The rate of temperature rise to the holding temperature is usually 50 ° C./hour or more and 400 ° C./hour or less, and the rate of temperature decrease from the holding temperature to room temperature is usually 10 ° C./hour or more and 400 ° C./hour or less. Further, as the firing atmosphere, air, oxygen, nitrogen, argon or a mixed gas thereof can be used.
焼成によって得たリチウム金属複合酸化物は、粉砕後に適宜分級され、リチウム二次電池に適用可能な正極活物質とされる。 The lithium metal composite oxide obtained by firing is appropriately classified after pulverization to obtain a positive electrode active material applicable to a lithium secondary battery.
本実施形態において、焼成によって得たリチウム金属複合酸化物に適正な外力を加えて粉砕し、粒子の分散状態を調整することにより、前記要件(2)および要件(3)を本実施形態の範囲内に制御したリチウム金属複合酸化物を得ることができる。 In the present embodiment, the lithium metal composite oxide obtained by calcination is pulverized by applying an appropriate external force to adjust the dispersed state of the particles, thereby satisfying the above requirements (2) and (3) within the scope of the present embodiment. A controlled lithium metal composite oxide can be obtained within.
本実施形態において、焼成によって得たリチウム金属複合酸化物に適正な外力を加えて粉砕し、粒子の分散状態を調整することにより、前記要件(2)および要件(3)を本実施形態の範囲内に制御したリチウム金属複合酸化物を得ることができる。 In the present embodiment, the lithium metal composite oxide obtained by calcination is pulverized by applying an appropriate external force to adjust the dispersed state of the particles, thereby satisfying the above requirements (2) and (3) within the scope of the present embodiment. A controlled lithium metal composite oxide can be obtained within.
「適正な外力」とは、リチウム金属複合酸化物の結晶子を破壊することなく、凝集状態を分散させる程度の外力を指す。本実施形態においては、上記粉砕の際、粉砕機として磨砕機を用いることが好ましく、石臼式磨砕機が特に好ましい。石臼式磨砕機を用いる場合、上臼と下臼のクリアランスは、リチウム金属複合酸化物の凝集状態に応じて調整することが好ましい。上臼と下臼とのクリアランスは、例えば、10μm以上200μm以下の範囲が好ましい。 The "appropriate external force" refers to an external force that disperses the agglomerated state without destroying the crystallites of the lithium metal composite oxide. In the present embodiment, it is preferable to use a grinder as the grinder at the time of the above grind, and a millstone grinder is particularly preferable. When a stone mill type grinder is used, it is preferable to adjust the clearance between the upper mill and the lower mill according to the aggregated state of the lithium metal composite oxide. The clearance between the upper mortar and the lower mortar is preferably in the range of 10 μm or more and 200 μm or less, for example.
本実施形態に使用することができる不活性溶融剤は、焼成の際に混合物と反応し難いものであれば特に限定されない。本実施形態においては、Na、K、Rb、Cs、Ca、Mg、SrおよびBaからなる群より選ばれる1種以上の元素(以下、「A」と称する。)のフッ化物、Aの塩化物、Aの炭酸塩、Aの硫酸塩、Aの硝酸塩、Aのリン酸塩、Aの水酸化物、Aのモリブデン酸塩およびAのタングステン酸塩からなる群より選ばれる1種以上が挙げられる。 The inert melting agent that can be used in the present embodiment is not particularly limited as long as it does not easily react with the mixture during firing. In the present embodiment, a fluoride of one or more elements (hereinafter referred to as “A”) selected from the group consisting of Na, K, Rb, Cs, Ca, Mg, Sr and Ba, and a chloride of A. , A carbonate, A sulfate, A nitrate, A phosphate, A hydroxide, A molybdate and A tungstate, one or more selected from the group. ..
Aのフッ化物としては、NaF(融点:993℃)、KF(融点:858℃)、RbF(融点:795℃)、CsF(融点:682℃)、CaF2(融点:1402℃)、MgF2(融点:1263℃)、SrF2(融点:1473℃)およびBaF2(融点:1355℃)を挙げることができる。 The fluorides of A include NaF (melting point: 993 ° C.), KF (melting point: 858 ° C.), RbF (melting point: 795 ° C.), CsF (melting point: 682 ° C.), CaF 2 (melting point: 1402 ° C.), MgF 2 (Melting point: 1263 ° C.), SrF 2 (melting point: 1473 ° C.) and BaF 2 (melting point: 1355 ° C.).
Aの塩化物としては、NaCl(融点:801℃)、KCl(融点:770℃)、RbCl(融点:718℃)、CsCl(融点:645℃)、CaCl2(融点:782℃)、MgCl2(融点:714℃)、SrCl2(融点:857℃)およびBaCl2(融点:963℃)を挙げることができる。 Chlorides of A include NaCl (melting point: 801 ° C.), KCl (melting point: 770 ° C.), RbCl (melting point: 718 ° C.), CsCl (melting point: 645 ° C.), CaCl 2 (melting point: 782 ° C.), MgCl 2 (Melting point: 714 ° C.), SrCl 2 (melting point: 857 ° C.) and NaCl 2 (melting point: 963 ° C.).
Aの炭酸塩としては、Na2CO3(融点:854℃)、K2CO3(融点:899℃)、Rb2CO3(融点:837℃)、Cs2CO3(融点:793℃)、CaCO3(融点:825℃)、MgCO3(融点:990℃)、SrCO3(融点:1497℃)およびBaCO3(融点:1380℃)を挙げることができる。 The carbonates of A include Na 2 CO 3 (melting point: 854 ° C), K 2 CO 3 (melting point: 899 ° C), Rb 2 CO 3 (melting point: 837 ° C), Cs 2 CO 3 (melting point: 793 ° C). , CaCO 3 (melting point: 825 ° C.), MgCO 3 (melting point: 990 ° C.), SrCO 3 (melting point: 1497 ° C.) and BaCO 3 (melting point: 1380 ° C.).
Aの硫酸塩としては、Na2SO4(融点:884℃)、K2SO4(融点:1069℃)、Rb2SO4(融点:1066℃)、Cs2SO4(融点:1005℃)、CaSO4(融点:1460℃)、MgSO4(融点:1137℃)、SrSO4(融点:1605℃)およびBaSO4(融点:1580℃)を挙げることができる。 Sulfates of A include Na 2 SO 4 (melting point: 884 ° C), K 2 SO 4 (melting point: 1069 ° C), Rb 2 SO 4 (melting point: 1066 ° C), Cs 2 SO 4 (melting point: 1005 ° C). , CaSO 4 (mp: 1460 ℃), MgSO 4 (mp: 1137 ℃), SrSO 4 (mp: 1605 ° C.) and BaSO 4 (mp: 1580 ° C.) can be mentioned.
Aの硝酸塩としては、NaNO3(融点:310℃)、KNO3(融点:337℃)、RbNO3(融点:316℃)、CsNO3(融点:417℃)、Ca(NO3)2(融点:561℃)、Mg(NO3)2、Sr(NO3)2(融点:645℃)およびBa(NO3)2(融点:596℃)を挙げることができる。 The nitrates of A include NaNO 3 (melting point: 310 ° C), KNO 3 (melting point: 337 ° C), RbNO 3 (melting point: 316 ° C), CsNO 3 (melting point: 417 ° C), Ca (NO 3 ) 2 (melting point). : 561 ° C.), Mg (NO 3 ) 2 , Sr (NO 3 ) 2 (melting point: 645 ° C.) and Ba (NO 3 ) 2 (melting point: 596 ° C.).
Aのリン酸塩としては、Na3PO4、K3PO4(融点:1340℃)、Rb3PO4、Cs3PO4、Ca3(PO4)2、Mg3(PO4)2(融点:1184℃)、Sr3(PO4)2(融点:1727℃)およびBa3(PO4)2(融点:1767℃)を挙げることができる。 Phosphates of A include Na 3 PO 4 , K 3 PO 4 (melting point: 1340 ° C), Rb 3 PO 4 , Cs 3 PO 4 , Ca 3 (PO 4 ) 2 , Mg 3 (PO 4 ) 2 ( Melting point: 1184 ° C.), Sr 3 (PO 4 ) 2 (melting point: 1727 ° C.) and Ba 3 (PO 4 ) 2 (melting point: 1767 ° C.).
Aの水酸化物としては、NaOH(融点:318℃)、KOH(融点:360℃)、RbOH(融点:301℃)、CsOH(融点:272℃)、Ca(OH)2(融点:408℃)、Mg(OH)2(融点:350℃)、Sr(OH)2(融点:375℃)およびBa(OH)2(融点:853℃)を挙げることができる。 Hydroxides of A include NaOH (melting point: 318 ° C.), KOH (melting point: 360 ° C.), RbOH (melting point: 301 ° C.), CsOH (melting point: 272 ° C.), Ca (OH) 2 (melting point: 408 ° C.). ), Mg (OH) 2 (melting point: 350 ° C.), Sr (OH) 2 (melting point: 375 ° C.) and Ba (OH) 2 (melting point: 853 ° C.).
Aのモリブデン酸塩としては、Na2MoO4(融点:698℃)、K2MoO4(融点:919℃)、Rb2MoO4(融点:958℃)、Cs2MoO4(融点:956℃)、CaMoO4(融点:1520℃)、MgMoO4(融点:1060℃)、SrMoO4(融点:1040℃)およびBaMoO4(融点:1460℃)を挙げることができる。 Examples of the molybdate of A include Na 2 MoO 4 (melting point: 698 ° C), K 2 MoO 4 (melting point: 919 ° C), Rb 2 MoO 4 (melting point: 958 ° C), and Cs 2 MoO 4 (melting point: 956 ° C). ), CaMoO 4 (melting point: 1520 ° C.), MgMoO 4 (melting point: 1060 ° C.), SrMoO 4 (melting point: 1040 ° C.) and BaMoO 4 (melting point: 1460 ° C.).
Aのタングステン酸塩としては、Na2WO4(融点:687℃)、K2WO4、Rb2WO4、Cs2WO4、CaWO4、MgWO4、SrWO4およびBaWO4を挙げることができる。 The tungstate A, Na 2 WO 4 (mp: 687 ° C.), can be exemplified K 2 WO 4, Rb 2 WO 4, Cs 2 WO 4, CaWO 4, MgWO 4, SrWO 4 and BaWO 4 ..
本実施形態においては、これらの不活性溶融剤を2種以上用いることもできる。2種以上用いる場合は、融点が下がることもある。また、これらの不活性溶融剤の中でも、より結晶性が高いリチウム金属複合酸化物を得るための不活性溶融剤としては、Aの炭酸塩および硫酸塩、Aの塩化物のいずれか又はその組み合わせであることが好ましい。また、Aとしては、ナトリウム(Na)およびカリウム(K)のいずれか一方又は両方であることが好ましい。すなわち、上記の中で、とりわけ好ましい不活性溶融剤は、NaCl、KCl、Na2CO3,K2CO3、Na2SO4、およびK2SO4からなる群より選ばれる1種以上である。
これらの不活性溶融剤を用いることにより、得られるリチウム金属複合酸化物の平均圧壊強度を本実施形態の好ましい範囲に制御できる。
In the present embodiment, two or more kinds of these inert melting agents can be used. When two or more are used, the melting point may decrease. Among these inert melting agents, the inert melting agent for obtaining a lithium metal composite oxide having higher crystallinity is any one or a combination of carbonate and sulfate of A and chloride of A. Is preferable. Further, as A, it is preferable that either one or both of sodium (Na) and potassium (K) are used. That is, among the above, the particularly preferable inert melting agent is at least one selected from the group consisting of NaCl, KCl, Na 2 CO 3 , K 2 CO 3, Na 2 SO 4, and K 2 SO 4. ..
By using these inert melting agents, the average crushing strength of the obtained lithium metal composite oxide can be controlled within a preferable range of the present embodiment.
本実施形態において、不活性溶融剤として、K2SO4およびNa2SO4のいずれか一方又は両方を用いた場合には、得られるリチウム金属複合酸化物の平均圧壊強度を本実施形態の好ましい範囲に制御できる。 In the present embodiment, when either one or both of K 2 SO 4 and Na 2 SO 4 are used as the inert melting agent, the average crushing strength of the obtained lithium metal composite oxide is preferable in the present embodiment. Can be controlled to a range.
本実施形態において、焼成時の不活性溶融剤の存在量は適宜選択すればよい。得られるリチウム金属複合酸化物の平均圧壊強度を本実施形態の範囲とするためには、焼成時の不活性溶融剤の存在量はリチウム化合物100質量部に対して0.1質量部以上であることが好ましく、1質量部以上であることがより好ましい。また、必要に応じて、上記に挙げた不活性溶融剤以外の不活性溶融剤を併せて用いてもよい。該溶融剤としては、NH4Cl、NH4Fなどのアンモニウム塩等を挙げることができる。 In the present embodiment, the abundance of the inert melting agent at the time of firing may be appropriately selected. In order to keep the average crushing strength of the obtained lithium metal composite oxide within the range of the present embodiment, the abundance of the inert melting agent at the time of firing is 0.1 part by mass or more with respect to 100 parts by mass of the lithium compound. It is preferably 1 part by mass or more, and more preferably 1 part by mass or more. Further, if necessary, an inert melting agent other than the above-mentioned inert melting agents may be used in combination. Examples of the melting agent include ammonium salts such as NH 4 Cl and NH 4 F.
(被覆層の形成工程)
正極活物質の粒子表面に被覆層を形成する場合、まずは被覆材原料及びリチウム金属複合酸化物を混合する。次に必要に応じて熱処理することによりリチウム金属複合酸化物の粒子の表面にリチウム金属複合酸化物からなる被覆層を形成できる。
(Covering layer forming process)
When forming a coating layer on the particle surface of the positive electrode active material, first, the coating material raw material and the lithium metal composite oxide are mixed. Next, a coating layer made of the lithium metal composite oxide can be formed on the surface of the particles of the lithium metal composite oxide by heat treatment if necessary.
被覆材原料によっては、上述したリチウム金属複合酸化物の製造工程において、金属複合酸化物又は水酸化物とリチウム塩とを混合する際に、さらに被覆材原料を添加し混合することができる。 Depending on the coating material raw material, when the metal composite oxide or hydroxide is mixed with the lithium salt in the above-mentioned manufacturing process of the lithium metal composite oxide, the coating material raw material can be further added and mixed.
被覆材原料は、上述したリチウム塩と、Nb、Ge、Si、P、Al、W、Ta、Ti、S、Zr、Zn、VおよびBからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素の酸化物、水酸化物、炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩、ハロゲン化物、シュウ酸塩またはアルコキシドとを用いることができる。Nb、Ge、Si、P、Al、W、Ta、Ti、S、Zr、Zn、VおよびBからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素を含む化合物は、酸化物であることが好ましい。 The coating material raw material is an oxide of the above-mentioned lithium salt and at least one element selected from the group consisting of Nb, Ge, Si, P, Al, W, Ta, Ti, S, Zr, Zn, V and B. , Hydroxides, carbonates, nitrates, sulfates, halides, oxalates or alkoxides can be used. The compound containing at least one element selected from the group consisting of Nb, Ge, Si, P, Al, W, Ta, Ti, S, Zr, Zn, V and B is preferably an oxide.
被覆材原料としては、酸化アルミニウム、水酸化アルミニウム、硫酸アルミニウム、塩化アルミニウム、アルミニウムアルコキシド、酸化ホウ素、ホウ酸等が挙げられ、酸化アルミニウム、水酸化アルミニウム、酸化ホウ素、ホウ酸、酸化ニオブ、ニオブ酸リチウム、ホウ酸リチウム、リン酸リチウム、ケイ酸リチウムが好ましい。 Examples of the coating material raw material include aluminum oxide, aluminum hydroxide, aluminum sulfate, aluminum chloride, aluminum alkoxide, boron oxide, boric acid and the like, and aluminum oxide, aluminum hydroxide, boron oxide, boric acid, niobium oxide and niobate. Lithium, lithium borate, lithium phosphate, lithium silicate are preferable.
リチウム金属複合酸化物の表面に被覆材原料をより効率的に被覆するため、被覆材原料はリチウム金属複合酸化物の二次粒子に比べて微粒であることが好ましい。具体的には、被覆材原料の平均二次粒子径は、1μm以下であることが好ましく、0.1μm以下であることがより好ましい。 In order to more efficiently coat the surface of the lithium metal composite oxide with the coating material raw material, the coating material raw material is preferably fine particles as compared with the secondary particles of the lithium metal composite oxide. Specifically, the average secondary particle size of the coating material raw material is preferably 1 μm or less, and more preferably 0.1 μm or less.
被覆材原料の平均二次粒子径の下限は小さいほど好ましいが、例えば0.001μmである。被覆材原料の平均二次粒子径は、リチウム金属複合酸化物の平均二次粒子径と同様の方法で測定することができる。 The smaller the lower limit of the average secondary particle size of the coating material is, the more preferable, but it is, for example, 0.001 μm. The average secondary particle size of the coating material raw material can be measured by the same method as the average secondary particle size of the lithium metal composite oxide.
被覆材原料及びリチウム金属複合酸化物の混合は、凝集体がなくなるまで均一に混合する。被覆材原料及びリチウム金属複合酸化物を均一に混合できれば混合装置は限定されないが、レーディゲミキサーを用いて混合することが好ましい。前記金属複合酸化物又は水酸化物とリチウム塩とを混合する混合工程において、被覆材原料を添加し混合する場合も、同様である。 The coating material and the lithium metal composite oxide are mixed uniformly until there are no agglomerates. The mixing apparatus is not limited as long as the coating material raw material and the lithium metal composite oxide can be uniformly mixed, but it is preferable to mix them using a Ladyge mixer. The same applies to the case where the coating material raw material is added and mixed in the mixing step of mixing the metal composite oxide or hydroxide and the lithium salt.
また、混合を水又は水と炭酸ガスを含有する雰囲気中で行うことによって、被覆層をリチウム金属複合酸化物の表面により強固に付着させることができる。 Further, by performing the mixing in water or an atmosphere containing water and carbon dioxide gas, the coating layer can be more firmly adhered to the surface of the lithium metal composite oxide.
混合後に水又は水と炭酸ガスを含有する雰囲気中において、被覆材原料及びリチウム金属複合酸化物を保持させることによっても被覆層をリチウム金属複合酸化物の表面により強固に付着させることができる。 The coating layer can also be more firmly adhered to the surface of the lithium metal composite oxide by retaining the coating material raw material and the lithium metal composite oxide in an atmosphere containing water or water and carbon dioxide gas after mixing.
被覆材原料及びリチウム金属複合酸化物の混合後に必要に応じて行う熱処理における熱処理条件(温度、保持時間)は、被覆材原料の種類に応じて、異なる場合がある。 The heat treatment conditions (temperature, holding time) in the heat treatment performed as necessary after mixing the coating material raw material and the lithium metal composite oxide may differ depending on the type of the coating material raw material.
例えば、被覆原料にアルミニウムを用いる場合、600℃以上800℃以下の温度範囲で、4時間以上10時間以下焼成することが好ましい。この高温長時間の焼成条件で焼成することにより、上記要件(1)及び(2)の範囲に制御できる。焼成温度が800℃よりも高い温度であると、被覆材原料がリチウム金属複合酸化物と固溶し、被覆層が形成されない場合がある。焼成時間が4時間よりも短いと被覆原料の拡散が不十分で、被覆層が均一に形成されない場合がある。 For example, when aluminum is used as a coating raw material, it is preferable to bake in a temperature range of 600 ° C. or higher and 800 ° C. or lower for 4 hours or more and 10 hours or less. By firing under the firing conditions of this high temperature for a long time, the range of the above requirements (1) and (2) can be controlled. If the firing temperature is higher than 800 ° C., the coating material raw material may be solid-solved with the lithium metal composite oxide, and the coating layer may not be formed. If the firing time is shorter than 4 hours, the coating material may not be diffused sufficiently and the coating layer may not be formed uniformly.
本明細書における焼成温度とは、焼成炉内雰囲気の温度を意味し、かつ本焼成工程での保持温度の最高温度(以下、最高保持温度と呼ぶことがある)であり、複数の加熱工程を有する本焼成工程の場合、各加熱工程のうち、最高保持温度で加熱した際の温度を意味する。 The firing temperature in the present specification means the temperature of the atmosphere in the firing furnace, and is the maximum holding temperature in the main firing step (hereinafter, may be referred to as the maximum holding temperature), and a plurality of heating steps are performed. In the case of the main firing step having, it means the temperature when heating at the maximum holding temperature in each heating step.
スパッタリング、CVD、蒸着、噴霧被覆などの手法を用いることにより、リチウム金属複合酸化物の表面に、被覆層を形成させて、リチウム二次電池用正極活物質を得ることもできる。 By using techniques such as sputtering, CVD, vapor deposition, and spray coating, a coating layer can be formed on the surface of the lithium metal composite oxide to obtain a positive electrode active material for a lithium secondary battery.
また、前記金属複合酸化物又は水酸化物と、リチウム塩と被覆材原料を混合・焼成することによりリチウム二次電池用正極活物質を得られる場合もある。 Further, a positive electrode active material for a lithium secondary battery may be obtained by mixing and firing the metal composite oxide or hydroxide, a lithium salt and a coating material raw material.
リチウム金属複合酸化物の一次粒子又は二次粒子の表面に、被覆層を形成した粒子は、適宜解砕、分級され、リチウム二次電池用正極活物質とすることができる。 The particles having a coating layer formed on the surface of the primary particles or the secondary particles of the lithium metal composite oxide are appropriately crushed and classified to be a positive electrode active material for a lithium secondary battery.
<正極活物質の製造方法2>
本実施形態の正極活物質が単粒子および二次粒子を含む場合、上述した正極活物質の製造方法1から、以下の変更を行うことで、正極活物質を製造することができる。
<Manufacturing method of positive electrode active material 2>
When the positive electrode active material of the present embodiment contains single particles and secondary particles, the positive electrode active material can be produced by making the following changes from the above-mentioned positive electrode active material production method 1.
(金属複合化合物の製造工程)
正極活物質の製造方法2においては、金属複合化合物の製造工程において、最終的に単粒子を形成する金属複合化合物と、二次粒子を形成する金属複合化合物をそれぞれ製造する。以下において、最終的に単粒子を形成する金属複合化合物を「単粒子前駆体」と記載することがある。また、最終的に二次粒子を形成する金属複合化合物を「二次粒子前駆体」と記載することがある。
(Manufacturing process of metal composite compound)
In the method 2 for producing a positive electrode active material, in the process of producing a metal composite compound, a metal composite compound that finally forms a single particle and a metal composite compound that forms a secondary particle are produced, respectively. Hereinafter, the metal composite compound that finally forms a single particle may be referred to as a “single particle precursor”. In addition, the metal composite compound that finally forms secondary particles may be referred to as "secondary particle precursor".
正極活物質の製造方法2においては、上述の共沈殿法により金属複合化合物を製造する際、単粒子前駆体を製造する第1の共沈槽と、二次粒子前駆体を形成する第2の共沈槽を用いる。 In the method 2 for producing a positive electrode active material, when a metal composite compound is produced by the above-mentioned coprecipitation method, a first coprecipitation tank for producing a single particle precursor and a second coprecipitation tank for forming a secondary particle precursor are formed. Use a co-precipitation tank.
第1の共沈槽に供給する金属塩の濃度、攪拌速度、反応温度、反応pH、及び後述する焼成条件等を適宜制御することにより、単粒子前駆体を製造できる。 A single particle precursor can be produced by appropriately controlling the concentration of the metal salt supplied to the first coprecipitation tank, the stirring speed, the reaction temperature, the reaction pH, the firing conditions described later, and the like.
具体的には、反応槽の温度が例えば30℃以上80℃以下が好ましく、40〜70℃の範囲内で制御されることがより好ましく、後述する第2の反応槽に対し±20℃の範囲であることがさらに好ましい。また、反応槽内のpH値は例えばpH10以上pH13以下が好ましく、pH11以上pH12.5以下の範囲内で制御されることがより好ましく、後述する第2の反応槽に対し±pH2以内の範囲であることがさらに好ましく、第2の反応槽よりも高いpHであることが特に好ましい。 Specifically, the temperature of the reaction vessel is preferably, for example, 30 ° C. or higher and 80 ° C. or lower, more preferably controlled within the range of 40 to 70 ° C., and the range of ± 20 ° C. with respect to the second reaction vessel described later. Is more preferable. Further, the pH value in the reaction vessel is preferably, for example, pH 10 or more and pH 13 or less, more preferably controlled in the range of pH 11 or more and pH 12.5 or less, and in the range of ± pH 2 or less with respect to the second reaction tank described later. It is even more preferable that the pH is higher than that of the second reaction vessel.
また、第2の共沈槽に供給する金属塩の濃度、攪拌速度、反応温度、反応pH、及び後述する焼成条件等を適宜制御することにより、二次粒子前駆体を製造できる。 Further, the secondary particle precursor can be produced by appropriately controlling the concentration of the metal salt supplied to the second coprecipitation tank, the stirring speed, the reaction temperature, the reaction pH, the firing conditions described later, and the like.
具体的には、反応槽の温度が例えば20℃以上80℃以下が好ましく、30〜70℃の範囲内で制御されることがより好ましく、後述する第2の反応槽に対し±20℃の範囲であることがさらに好ましい。また、反応槽内のpH値は例えばpH10以上pH13以下が好ましく、pH11以上pH12.5以下の範囲内で制御されることがより好ましく、後述する第2の反応槽に対し±pH2以内の範囲であることがさらに好ましく、第2の反応槽よりも低いpHであることが特に好ましい。 Specifically, the temperature of the reaction vessel is preferably, for example, 20 ° C. or higher and 80 ° C. or lower, more preferably controlled in the range of 30 to 70 ° C., and in the range of ± 20 ° C. with respect to the second reaction vessel described later. Is more preferable. Further, the pH value in the reaction vessel is preferably, for example, pH 10 or more and pH 13 or less, more preferably controlled in the range of pH 11 or more and pH 12.5 or less, and in the range of ± pH 2 or less with respect to the second reaction tank described later. It is more preferable that the pH is lower than that of the second reaction tank.
このようにして得られる反応生成物をそれぞれ水で洗浄した後、乾燥させることで、ニッケルコバルトマンガン水酸化物(単粒子前駆体、二次粒子前駆体)を単離する。 The reaction products thus obtained are washed with water and then dried to isolate nickel-cobalt-manganese hydroxide (single particle precursor, secondary particle precursor).
なお、上記の例では、ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物を製造しているが、ニッケルコバルトマンガン複合酸化物を調製してもよい。 In the above example, the nickel-cobalt-manganese composite hydroxide is produced, but the nickel-cobalt-manganese composite oxide may be prepared.
(リチウム金属複合酸化物の製造工程)
リチウム金属複合酸化物の製造工程においては、上述の工程で得られた単粒子前駆体、二次粒子前駆体としての上記金属複合酸化物又は金属複合水酸化物を乾燥した後、リチウム塩と混合する。単粒子前駆体、二次粒子前駆体は、乾燥後に、適宜分級を行ってもよい。
(Manufacturing process of lithium metal composite oxide)
In the process for producing a lithium metal composite oxide, the single particle precursor, the metal composite oxide as the secondary particle precursor, or the metal composite hydroxide obtained in the above step is dried and then mixed with a lithium salt. To do. The single particle precursor and the secondary particle precursor may be appropriately classified after drying.
単粒子前駆体および二次粒子前駆体を混合時に所定の質量比で混合することで、得られる単粒子と二次粒子の存在比率をおおよそ制御できる。 By mixing the single particle precursor and the secondary particle precursor at a predetermined mass ratio at the time of mixing, the abundance ratio of the obtained single particle and the secondary particle can be roughly controlled.
なお、混合以降の工程において単粒子前駆体および二次粒子前駆体がそれぞれ凝集、あるいは分離し単粒子前駆体を基にした二次粒子あるいは、二次粒子前駆体を基にした単粒子も存在し得るが、単粒子前駆体と二次粒子前駆体との混合比率および混合以降の工程の条件を調整することで、最終的に得られるリチウム金属複合酸化物における単粒子と二次粒子の存在比率は制御することができる。 In the steps after mixing, the single particle precursor and the secondary particle precursor are aggregated or separated from each other, and there are also secondary particles based on the single particle precursor or single particles based on the secondary particle precursor. However, by adjusting the mixing ratio of the single particle precursor and the secondary particle precursor and the conditions of the steps after mixing, the presence of the single particle and the secondary particle in the finally obtained lithium metal composite oxide. The ratio can be controlled.
焼成における保持温度を調整することにより、得られるリチウム金属複合酸化物の単粒子の平均粒子径と二次粒子の平均粒子径を本実施形態の好ましい範囲に制御できる。 By adjusting the holding temperature during firing, the average particle size of the single particles and the average particle size of the secondary particles of the obtained lithium metal composite oxide can be controlled within the preferable ranges of the present embodiment.
<正極活物質の製造方法3>
また、本実施形態の正極活物質が単粒子および二次粒子を含む場合、上述した正極活物質の製造方法1により、単粒子から構成される第1のリチウム金属複合酸化物と、二次粒子から構成される第2のリチウム金属複合酸化物とを、それぞれ製造し、第1のリチウム金属複合酸化物及び第2のリチウム金属複合酸化物を混合することにより製造できる。
<Manufacturing method of positive electrode active material 3>
When the positive electrode active material of the present embodiment contains single particles and secondary particles, the first lithium metal composite oxide composed of the single particles and the secondary particles are obtained by the above-mentioned production method 1 of the positive electrode active material. It can be produced by producing a second lithium metal composite oxide composed of the above, respectively, and mixing the first lithium metal composite oxide and the second lithium metal composite oxide.
正極活物質の製造方法3においては、リチウム金属複合酸化物の製造工程において、第1のリチウム金属複合酸化物を焼成する際の保持温度を、第2のリチウム金属複合酸化物を焼成する際の保持温度よりも高くするとよい。詳しくは、第1のリチウム金属複合酸化物を製造する場合には第2のリチウム金属複合酸化物の保持温度よりも、30℃以上高いことが好ましく、50℃以上高いことがより好ましく、80℃以上高いことがさらに好ましい。 In the method 3 for producing the positive electrode active material, in the process of producing the lithium metal composite oxide, the holding temperature when firing the first lithium metal composite oxide is set to the holding temperature when firing the second lithium metal composite oxide. It should be higher than the holding temperature. Specifically, when producing the first lithium metal composite oxide, it is preferably 30 ° C. or higher, more preferably 50 ° C. or higher, and 80 ° C. higher than the holding temperature of the second lithium metal composite oxide. It is more preferable that the value is higher than that.
得られた第1のリチウム金属複合酸化物及び第2のリチウム金属複合酸化物を所定の割合で混合することにより、単粒子および二次粒子を含むリチウム金属複合酸化物を得ることができる。 By mixing the obtained first lithium metal composite oxide and the second lithium metal composite oxide in a predetermined ratio, a lithium metal composite oxide containing single particles and secondary particles can be obtained.
<全固体リチウムイオン電池>
次いで、全固体リチウムイオン電池の構成を説明しながら、本発明の一態様に係る二次電池用正極活物質を全固体リチウムイオン電池の正極活物質として用いた正極、およびこの正極を有する全固体リチウムイオン電池について説明する。
<All-solid-state lithium-ion battery>
Next, while explaining the configuration of the all-solid lithium-ion battery, a positive electrode using the positive electrode active material for a secondary battery according to one aspect of the present invention as the positive electrode active material of the all-solid lithium-ion battery, and an all-solid having this positive electrode. A lithium ion battery will be described.
図2、3は、本実施形態の全固体リチウムイオン電池の一例を示す模式図である。図2は、本実施形態の全固体リチウムイオン電池が備える積層体を示す模式図である。図3は、本実施形態の全固体リチウムイオン電池の全体構成を示す模式図である。 2 and 3 are schematic views showing an example of the all-solid-state lithium-ion battery of the present embodiment. FIG. 2 is a schematic view showing a laminate included in the all-solid-state lithium-ion battery of the present embodiment. FIG. 3 is a schematic view showing the overall configuration of the all-solid-state lithium-ion battery of the present embodiment.
全固体二次電池1000は、正極110と、負極120と、固体電解質層130とを有する積層体100と、積層体100を収容する外装体200と、を有する。
各部材を構成する材料については、後述する。
The all-solid-state
The materials constituting each member will be described later.
積層体100は、正極集電体112に接続される外部端子113と、負極集電体122に接続される外部端子123と、を有していてもよい。その他、全固体二次電池1000は、正極110と負極120との間に、従来の液系リチウムイオン二次電池で用いられるようなセパレータを有していてもよい。
The laminate 100 may have an
全固体二次電池1000は、積層体100と外装体200とを絶縁する不図示のインシュレーターや、外装体200の開口部200aを封止する不図示の封止体を有する。
The all-solid-state
外装体200は、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼などの耐食性の高い金属材料を成形した容器を用いることができる。また、少なくとも一方の面に耐食加工を施したラミネートフィルムを袋状に加工した容器を用いることもできる。
As the
全固体リチウムイオン電池1000の形状としては、例えば、コイン型、ボタン型、ペーパー型(またはシート型)、円筒型、角型などの形状を挙げることができる。
Examples of the shape of the all-solid-state lithium-
全固体二次電池1000は、積層体100を1つ有することとして図示しているが、これに限らない。全固体二次電池1000は、積層体100を単位セルとし、外装体200の内部に複数の単位セル(積層体100)を封じた構成であってもよい。
The all-solid-state
以下、各構成について順に説明する。 Hereinafter, each configuration will be described in order.
(正極)
本実施形態の正極110は、正極活物質層111と正極集電体112とを有している。
(Positive electrode)
The
正極活物質層111は、上述した本発明の一態様である正極活物質を含む。また、正極活物質層111は、固体電解質(第2の固体電解質)、導電材、バインダーを含むこととしてもよい。
The positive electrode
(固体電解質)
本実施形態の正極活物質層111が有してもよい固体電解質としては、リチウムイオン伝導性を有し、公知の全固体電池に用いられる固体電解質を採用することができる。このような固体電解質としては、無機電解質、有機電解質を挙げることができる。無機電解質としては、酸化物系固体電解質、硫化物系固体電解質、水素化物系固体電解質を挙げることができる。有機電解質としては、ポリマー系固体電解質を挙げることができる。
(Solid electrolyte)
As the solid electrolyte that the positive electrode
(酸化物系固体電解質)
酸化物系固体電解質としては、例えば、ペロブスカイト型酸化物、NASICON型酸化物、LISICON型酸化物、ガーネット型酸化物などが挙げられる。
(Oxide-based solid electrolyte)
Examples of the oxide-based solid electrolyte include perovskite-type oxides, NASICON-type oxides, LISION-type oxides, garnet-type oxides, and the like.
ペロブスカイト型酸化物としては、LiaLa1−aTiO3(0<a<1)などのLi−La−Ti系酸化物、LibLa1−bTaO3(0<b<1)などのLi−La−Ta系酸化物、LicLa1−cNbO3(0<c<1)などのLi−La−Nb系酸化物などが挙げられる。 Examples of the perovskite-type oxide include Li-La-Ti-based oxides such as Li a La 1-a TIO 3 (0 <a <1) and Li b La 1-b TaO 3 (0 <b <1). Examples thereof include Li-La-Ta-based oxides and Li-La-Nb-based oxides such as Li c La 1-c NbO 3 (0 <c <1).
NASICON型酸化物としては、Li1+dAldTi2−d(PO4)3(0≦d≦1)などが挙げられる。NASICON型酸化物は、LimM1 nM2 oPpOq(式中、M1は、B、Al、Ga、In、C、Si、Ge、Sn、SbおよびSeからなる群から選ばれる1種以上の元素。M2は、Ti、Zr、Ge、In、Ga、SnおよびAlからなる群から選ばれる1種以上の元素。m、n、o、pおよびqは、任意の正数。)で表される酸化物である。 Examples of the NASICON type oxide include Li 1 + d Al d Ti 2-d (PO 4 ) 3 (0 ≦ d ≦ 1). NASICON type oxide, Li m M 1 n M 2 o P p O q ( wherein, M 1 is, selected B, Al, Ga, In, C, Si, Ge, Sn, from the group consisting of Sb and Se one or more elements .M 2 to the Ti, Zr, Ge, an in, Ga, one or more elements selected from the group consisting of Sn and Al .m, n, o, p and q are arbitrary positive It is an oxide represented by a number.).
LISICON型酸化物としては、Li4M3O4−Li3M4O4(M3は、Si、Ge、およびTiからなる群から選ばれる1種以上の元素。M4は、P、AsおよびVからなる群から選ばれる1種以上の元素。)で表される酸化物などが挙げられる。 As the LISION type oxide, Li 4 M 3 O 4- Li 3 M 4 O 4 (M 3 is one or more elements selected from the group consisting of Si, Ge, and Ti. M 4 is P, As. And an oxide represented by one or more elements selected from the group consisting of V.).
ガーネット型酸化物としては、Li7La3Zr2O12(LLZ)などのLi−La−Zr系酸化物などが挙げられる。 Examples of the garnet-type oxide include Li-La-Zr-based oxides such as Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (LLZ).
酸化物系固体電解質は、結晶性材料であってもよく、非晶質(アモルファス)材料であってもよい。非晶質(アモルファス)固体電解質として、例えばLi3BO3、Li2B4O7、LiBO2などのLi−B−O化合物が挙げられる。酸化物系固体電解質は、非晶質材料が含まれることが好ましい。 The oxide-based solid electrolyte may be a crystalline material or an amorphous material. As amorphous solid electrolytes such as Li-BO compounds such as Li 3 BO 3, Li 2 B 4 O 7, LiBO 2 and the like. The oxide-based solid electrolyte preferably contains an amorphous material.
(硫化物系固体電解質)
硫化物系固体電解質としては、Li2S−P2S5系化合物、Li2S−SiS2系化合物、Li2S−GeS2系化合物、Li2S−B2S3系化合物、Li2S−P2S3系化合物、LiI−Si2S−P2S5、LiI−Li2S−P2O5、LiI−Li3PO4−P2S5、Li10GeP2S12などを挙げることができる。
(Sulfide-based solid electrolyte)
Examples of the sulfide-based solid electrolyte include Li 2 SP 2 S 5 series compounds, Li 2 S-SiS 2 series compounds, Li 2 S-GeS 2 series compounds, Li 2 SB 2 S 3 series compounds, and Li 2 S-P 2 S 3 type compound, LiI-Si 2 S-P 2 S 5, LiI-Li 2 S-P 2 O 5, LiI-Li 3 PO 4 -P 2 S 5, Li 10 GeP 2 S 12 etc. Can be mentioned.
なお、本明細書において、硫化物系固体電解質を指す「系化合物」という表現は、「系化合物」の前に記載した「Li2S」「P2S5」などの原料を主として含む固体電解質の総称として用いる。例えば、Li2S−P2S5系化合物には、Li2SとP2S5とを含み、さらに他の原料を含む固体電解質が含まれる。また、Li2S−P2S5系化合物には、Li2SとP2S5との混合比を異ならせた固体電解質も含まれる。 In addition, in this specification, the expression "system compound" which refers to a sulfide-based solid electrolyte is a solid electrolyte mainly containing raw materials such as "Li 2 S" and "P 2 S 5 " described before "system compound". It is used as a general term for. For example, the Li 2 SP 2 S 5 system compound contains a solid electrolyte containing Li 2 S and P 2 S 5 and further containing other raw materials. In addition, the Li 2 SP 2 S 5 series compounds also include solid electrolytes having different mixing ratios of Li 2 S and P 2 S 5 .
Li2S−P2S5系化合物としては、Li2S−P2S5、Li2S−P2S5−LiI、Li2S−P2S5−LiCl、Li2S−P2S5−LiBr、Li2S−P2S5−Li2O、Li2S−P2S5−Li2O−LiI、Li2S−P2S5−ZmSn(m、nは正の数。Zは、Ge、ZnまたはGa)などを挙げることができる。 Li 2 The S-P 2 S 5 -based compounds, Li 2 S-P 2 S 5, Li 2 S-P 2 S 5 -LiI, Li 2 S-P 2 S 5 -LiCl, Li 2 S-P 2 S 5 -LiBr, Li 2 S- P 2 S 5 -Li 2 O, Li 2 S-P 2 S 5 -Li 2 O-LiI, Li 2 S-P 2 S 5 -Z m S n (m, n Is a positive number. Z can be Ge, Zn, Ga) or the like.
Li2S−SiS2系化合物としては、Li2S−SiS2、Li2S−SiS2−LiI、Li2S−SiS2−LiBr、Li2S−SiS2−LiCl、Li2S−SiS2−B2S3−LiI、Li2S−SiS2−P2S5−LiI、Li2S−SiS2−Li3PO4、Li2S−SiS2−Li2SO4、Li2S−SiS2−LixMOy(x、yは正の数。Mは、P、Si、Ge、B、Al、GaまたはIn)などを挙げることができる。 Examples of the Li 2 S-SiS 2 system compounds include Li 2 S-SiS 2 , Li 2 S-SiS 2- LiI, Li 2 S-SiS 2- LiBr, Li 2 S-SiS 2- LiCl, and Li 2 S-SiS. 2- B 2 S 3- LiI, Li 2 S-SiS 2- P 2 S 5- LiI, Li 2 S-SiS 2 -Li 3 PO 4 , Li 2 S-SiS 2 -Li 2 SO 4 , Li 2 S −SiS 2 −Li x MO y (x, y are positive numbers. M is P, Si, Ge, B, Al, Ga or In) and the like.
Li2S−GeS2系化合物としては、Li2S−GeS2、Li2S−GeS2−P2S5などを挙げることができる。 Examples of the Li 2 S-GeS 2 system compound include Li 2 S-GeS 2 and Li 2 S-GeS 2- P 2 S 5 .
硫化物系固体電解質は、結晶性材料であってもよく、非晶質(アモルファス)材料であってもよい。硫化物系固体電解質は、非晶質材料が含まれることが好ましい。 The sulfide-based solid electrolyte may be a crystalline material or an amorphous material. The sulfide-based solid electrolyte preferably contains an amorphous material.
(水素化物系固体電解質)
水素化物系固体電解質材料としては、LiBH4、LiBH4−3KI、LiBH4−PI2、LiBH4−P2S5、LiBH4−LiNH2、3LiBH4−LiI、LiNH2、Li2AlH6、Li(NH2)2I、Li2NH、LiGd(BH4)3Cl、Li2(BH4)(NH2)、Li3(NH2)I、Li4(BH4)(NH2)3などを挙げることができる。
(Hydride-based solid electrolyte)
The hydride-based solid electrolyte material, LiBH 4, LiBH 4 -3KI, LiBH 4 -PI 2, LiBH 4 -P 2 S 5, LiBH 4 -LiNH 2, 3LiBH 4 -LiI, LiNH 2, Li 2 AlH 6, Li (NH 2 ) 2 I, Li 2 NH, LiGd (BH 4 ) 3 Cl, Li 2 (BH 4 ) (NH 2 ), Li 3 (NH 2 ) I, Li 4 (BH 4 ) (NH 2 ) 3 And so on.
ポリマー系固体電解質として、例えばポリエチレンオキサイド系の高分子化合物、ポリオルガノシロキサン鎖およびポリオキシアルキレン鎖からなる群から選ばれる1種以上を含む高分子化合物などの有機系高分子電解質を挙げることができる。また、高分子化合物に非水電解液を保持させた、いわゆるゲルタイプのものを用いることもできる。 Examples of the polymer-based solid electrolyte include organic polymer electrolytes such as polyethylene oxide-based polymer compounds, polymer compounds containing one or more selected from the group consisting of polyorganosiloxane chains and polyoxyalkylene chains. .. Further, a so-called gel type compound in which a non-aqueous electrolytic solution is retained in a polymer compound can also be used.
固体電解質は、発明の効果を損なわない範囲において、2種以上を併用することができる。 Two or more types of solid electrolytes can be used in combination as long as the effects of the invention are not impaired.
(導電材)
本実施形態の正極活物質層111が有してもよい導電材としては、炭素材料や金属化合物を用いることができる。炭素材料として黒鉛粉末、カーボンブラック(例えばアセチレンブラック)、繊維状炭素材料などを挙げることができる。カーボンブラックは、微粒で表面積が大きいため、適切な量を正極活物質層111に添加することにより正極110の内部の導電性を高め、充放電効率および出力特性を向上させることができる。一方、カーボンブラックの添加量が多すぎると、正極活物質層111と正極集電体112との結着力、および正極活物質層111内部の結着力がいずれも低下し、かえって内部抵抗を増加させる原因となる。金属化合物としては電気導電性を有する金属、金属合金や金属酸化物が挙げられる。
(Conductive material)
As the conductive material that the positive electrode
正極活物質層111中の導電材の割合は、炭素材料の場合は正極活物質100質量部に対して5質量部以上20質量部以下であると好ましい。導電材として黒鉛化炭素繊維、カーボンナノチューブなどの繊維状炭素材料を用いる場合には、この割合を下げることも可能である。
In the case of a carbon material, the ratio of the conductive material in the positive electrode
(バインダー)
正極活物質層111がバインダーを有する場合、バインダーとしては、熱可塑性樹脂を用いることができる。この熱可塑性樹脂としては、ポリイミド系樹脂、ポリフッ化ビニリデン(以下、PVdFということがある。)、ポリテトラフルオロエチレン(以下、PTFEということがある。)、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン・フッ化ビニリデン系共重合体、六フッ化プロピレン・フッ化ビニリデン系共重合体、四フッ化エチレン・パーフルオロビニルエーテル系共重合体などのフッ素樹脂;ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂;を挙げることができる。
(binder)
When the positive electrode
これらの熱可塑性樹脂は、2種以上を混合して用いてもよい。バインダーとしてフッ素樹脂およびポリオレフィン樹脂を用い、正極活物質層111全体に対するフッ素樹脂の割合を1質量%以上10質量%以下、ポリオレフィン樹脂の割合を0.1質量%以上2質量%以下とすることによって、正極活物質層111と正極集電体112との密着力、および正極活物質層111内部の結合力がいずれも高い正極活物質層111となる。
Two or more kinds of these thermoplastic resins may be mixed and used. By using a fluorine resin and a polyolefin resin as the binder, the ratio of the fluorine resin to the entire positive electrode
正極活物質層111は、予め正極活物質を含むシート状の成型体として加工し、本発明における「電極」として使用してもよい。また、以下の説明において、このようなシート状の成型体を「正極活物質シート」と称することがある。正極活物質シートに集電体を積層した積層体を、電極としてもよい。
The positive electrode
正極活物質シートは、上述の固体電解質、導電材およびバインダーからなる群から選ばれるいずれか1つ以上を含むこととしてもよい。 The positive electrode active material sheet may contain any one or more selected from the group consisting of the above-mentioned solid electrolyte, conductive material and binder.
正極活物質シートは、例えば、正極活物質と、焼結助剤と、上述の導電材と、上述のバインダーと、可塑剤と、溶媒とを混合してスラリーを調製し、得られたスラリーをキャリアフィルム上に塗布して乾燥させることで得られる。 The positive electrode active material sheet is prepared by mixing, for example, a positive electrode active material, a sintering aid, the above-mentioned conductive material, the above-mentioned binder, a plasticizer, and a solvent to prepare a slurry, and the obtained slurry is used. It is obtained by applying it on a carrier film and drying it.
焼結助剤としては、例えばLi3BO3やAl2O3を用いることができる。 As the sintering aid, for example, Li 3 BO 3 or Al 2 O 3 can be used.
可塑剤としては、例えばフタル酸ジオクチルを用いることができる。 As the plasticizer, for example, dioctyl phthalate can be used.
溶媒としては、例えばアセトン、エタノール、N−メチル−2−ピロリドンを用いることができる。 As the solvent, for example, acetone, ethanol or N-methyl-2-pyrrolidone can be used.
スラリーの調製時において、混合はボールミルを用いることができる。得られた混合物には、混合時に混入した気泡が含まれることが多いため、減圧して脱泡するとよい。脱泡すると、一部の溶媒が揮発し濃縮することで、スラリーが高粘度化する。 When preparing the slurry, a ball mill can be used for mixing. Since the obtained mixture often contains air bubbles mixed during mixing, it is preferable to reduce the pressure to defoam. When defoaming, a part of the solvent volatilizes and concentrates, so that the slurry becomes highly viscous.
スラリーの塗布は、公知のドクターブレードを用いて行うことができる。 The slurry can be applied using a known doctor blade.
キャリアフィルムとしては、PETフィルムを用いることができる。 As the carrier film, a PET film can be used.
乾燥後に得られる正極活物質シートは、キャリアフィルムから剥離され、適宜打ち抜き加工により必要な形状に加工されて用いられる。また、正極活物質シートは、適宜厚み方向に一軸プレスしてもよい。 The positive electrode active material sheet obtained after drying is peeled off from the carrier film and appropriately processed into a required shape by punching before use. Further, the positive electrode active material sheet may be uniaxially pressed in the thickness direction as appropriate.
(正極集電体)
本実施形態の正極110が有する正極集電体112としては、Al、Ni、ステンレス、Auなどの金属材料を形成材料とするシート状の部材を用いることができる。なかでも、加工しやすく、安価であるという点でAlを形成材料とし、薄膜状に加工したものが好ましい。
(Positive current collector)
As the positive electrode
正極集電体112に正極活物質層111を担持させる方法としては、正極集電体112上で正極活物質層111を加圧成型する方法が挙げられる。加圧成型には、冷間プレスや熱間プレスを用いることができる。
Examples of the method of supporting the positive electrode
また、有機溶媒を用いて正極活物質、固体電解質、導電材、バインダーの混合物をペースト化して正極合剤とし、得られる正極合剤を正極集電体112の少なくとも一面側に塗布して乾燥させ、プレスし固着することで、正極集電体112に正極活物質層111を担持させてもよい。
Further, a mixture of the positive electrode active material, the solid electrolyte, the conductive material, and the binder is made into a paste using an organic solvent to prepare a positive electrode mixture, and the obtained positive electrode mixture is applied to at least one surface side of the positive electrode
また、有機溶媒を用いて正極活物質、固体電解質、導電材の混合物をペースト化して正極合剤とし、得られる正極合剤を正極集電体112の少なくとも一面側に塗布して乾燥させ、焼結することで、正極集電体112に正極活物質層111を担持させてもよい。
Further, a mixture of the positive electrode active material, the solid electrolyte, and the conductive material is made into a paste using an organic solvent to prepare a positive electrode mixture, and the obtained positive electrode mixture is applied to at least one surface side of the positive electrode
正極合剤に用いることができる有機溶媒としては、N,N−ジメチルアミノプロピルアミン、ジエチレントリアミンなどのアミン系溶媒;テトラヒドロフランなどのエーテル系溶媒;メチルエチルケトンなどのケトン系溶媒;酢酸メチルなどのエステル系溶媒;ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン(以下、NMPということがある。)などのアミド系溶媒;が挙げられる。 Examples of the organic solvent that can be used in the positive electrode mixture include amine solvents such as N, N-dimethylaminopropylamine and diethylenetriamine; ether solvents such as tetrahydrofuran; ketone solvents such as methyl ethyl ketone; ester solvents such as methyl acetate. Examples include amide-based solvents such as dimethylacetamide and N-methyl-2-pyrrolidone (hereinafter, may be referred to as NMP).
正極合剤を正極集電体112へ塗布する方法としては、例えば、スリットダイ塗工法、スクリーン塗工法、カーテン塗工法、ナイフ塗工法、グラビア塗工法および静電スプレー法が挙げられる。
Examples of the method of applying the positive electrode mixture to the positive electrode
以上に挙げられた方法により、正極110を製造することができる。
The
(負極)
負極120は、負極活物質層121と負極集電体122とを有している。負極活物質層121は、負極活物質を含む。また、負極活物質層121は、固体電解質、導電材を含むこととしてもよい。固体電解質、導電材、バインダーは、上述したものを用いることができる。
(Negative electrode)
The
(負極活物質)
負極活物質層121が有する負極活物質としては、炭素材料、カルコゲン化合物(酸化物、硫化物など)、窒化物、金属または合金で、正極110よりも低い電位でリチウムイオンのドープかつ脱ドープが可能な材料が挙げられる。
(Negative electrode active material)
The negative electrode active material of the negative electrode
負極活物質として使用可能な炭素材料としては、天然黒鉛、人造黒鉛などの黒鉛、コークス類、カーボンブラック、熱分解炭素類、炭素繊維および有機高分子化合物焼成体を挙げることができる。 Examples of the carbon material that can be used as the negative electrode active material include graphite such as natural graphite and artificial graphite, cokes, carbon black, pyrolytic carbons, carbon fibers, and calcined organic polymer compounds.
負極活物質として使用可能な酸化物としては、SiO2、SiOなど式SiOx(ここで、xは正の実数)で表されるケイ素の酸化物;TiO2、TiOなど式TiOx(ここで、xは正の実数)で表されるチタンの酸化物;V2O5、VO2など式VOx(ここで、xは正の実数)で表されるバナジウムの酸化物;Fe3O4、Fe2O3、FeOなど式FeOx(ここで、xは正の実数)で表される鉄の酸化物;SnO2、SnOなど式SnOx(ここで、xは正の実数)で表されるスズの酸化物;WO3、WO2など一般式WOx(ここで、xは正の実数)で表されるタングステンの酸化物;Li4Ti5O12、LiVO2などのリチウムとチタンまたはバナジウムとを含有する金属複合酸化物;を挙げることができる。 Oxides that can be used as the negative electrode active material include silicon oxides represented by the formula SiO x (here, x is a positive real number) such as SiO 2 , SiO; the formula TiO x such as TiO 2 and TiO (here). , X is a positive real number) titanium oxide; V 2 O 5 , VO 2, etc. Formula VO x (where x is a positive real number) vanadium oxide; Fe 3 O 4 , Fe 2 O 3 , FeO, etc. Iron oxide represented by the formula FeO x (where x is a positive real number); SnO 2 , SnO, etc. Formula SnO x (where x is a positive real number) Tin oxide; Oxide of tungsten represented by the general formula WO x (where x is a positive real number) such as WO 3 and WO 2 ; Li 4 Ti 5 O 12 and Li VO 2 and other lithium and titanium Alternatively, a metal composite oxide containing vanadium; can be mentioned.
負極活物質として使用可能な硫化物としては、Ti2S3、TiS2、TiSなど式TiSx(ここで、xは正の実数)で表されるチタンの硫化物;V3S4、VS2、VSなど式VSx(ここで、xは正の実数)で表されるバナジウムの硫化物;Fe3S4、FeS2、FeSなど式FeSx(ここで、xは正の実数)で表される鉄の硫化物;Mo2S3、MoS2など式MoSx(ここで、xは正の実数)で表されるモリブデンの硫化物;SnS2、SnSなど式SnSx(ここで、xは正の実数)で表されるスズの硫化物;WS2など式WSx(ここで、xは正の実数)で表されるタングステンの硫化物;Sb2S3など式SbSx(ここで、xは正の実数)で表されるアンチモンの硫化物;Se5S3、SeS2、SeSなど式SeSx(ここで、xは正の実数)で表されるセレンの硫化物;を挙げることができる。 Sulfides that can be used as the negative electrode active material include Ti 2 S 3 , TiS 2 , TiS, and other titanium sulfides represented by the formula TiS x (where x is a positive real number); V 3 S 4 , VS. 2. VS, etc. The sulfide of vanadium represented by the formula VS x (where x is a positive real number); Fe 3 S 4 , FeS 2 , FeS, etc. formula FeS x (where x is a positive real number) Iron sulfide represented by; Mo 2 S 3 , MoS 2, etc. Formula MoS x (where x is a positive real number) Molybdenum sulfide represented by the formula MoS x (where x is a positive real number); SnS 2, SnS, etc. formula SnS x (here, here) Tin sulfide represented by x is a positive real number); WS 2 and the like formula WS x (where x is a positive real number) and represented by tungsten sulfide; Sb 2 S 3 and the like formula SbS x (here) in, x is antimony represented by a positive real number); Se 5 S 3, SeS 2, SeS formula SeS x (wherein such, sulfide selenium x is represented by a positive real number); the Can be mentioned.
負極活物質として使用可能な窒化物としては、Li3N、Li3−xAxN(ここで、AはNiおよびCoのいずれか一方または両方であり、0<x<3である。)などのリチウム含有窒化物を挙げることができる。 The nitrides that can be used as the negative electrode active material are Li 3 N, Li 3-x A x N (where A is either or both of Ni and Co, and 0 <x <3). Such as lithium-containing nitrides can be mentioned.
これらの炭素材料、酸化物、硫化物、窒化物は、1種のみ用いてもよく2種以上を併用して用いてもよい。また、これらの炭素材料、酸化物、硫化物、窒化物は、結晶質または非晶質のいずれでもよい。 These carbon materials, oxides, sulfides, and nitrides may be used alone or in combination of two or more. Further, these carbon materials, oxides, sulfides and nitrides may be either crystalline or amorphous.
また、負極活物質として使用可能な金属としては、リチウム金属、シリコン金属およびスズ金属などを挙げることができる。 Examples of the metal that can be used as the negative electrode active material include lithium metal, silicon metal, and tin metal.
負極活物質として使用可能な合金としては、Li−Al、Li−Ni、Li−Si、Li−Sn、Li−Sn−Niなどのリチウム合金;Si−Znなどのシリコン合金;Sn−Mn、Sn−Co、Sn−Ni、Sn−Cu、Sn−Laなどのスズ合金;Cu2Sb、La3Ni2Sn7などの合金;を挙げることもできる。 Alloys that can be used as the negative electrode active material include lithium alloys such as Li-Al, Li-Ni, Li-Si, Li-Sn, and Li-Sn-Ni; silicon alloys such as Si-Zn; Sn-Mn, Sn. Also mentioned are tin alloys such as −Co, Sn—Ni, Sn—Cu, Sn—La; alloys such as Cu 2 Sb, La 3 Ni 2 Sn 7 ;
これらの金属や合金は、例えば箔状に加工された後、主に単独で電極として用いられる。 These metals and alloys are mainly used alone as electrodes after being processed into a foil, for example.
上記負極活物質の中では、充電時に未充電状態から満充電状態にかけて負極120の電位がほとんど変化しない(電位平坦性がよい)、平均放電電位が低い、繰り返し充放電させたときの容量維持率が高い(サイクル特性がよい)などの理由から、天然黒鉛、人造黒鉛などの黒鉛を主成分とする炭素材料が好ましく用いられる。炭素材料の形状としては、例えば天然黒鉛のような薄片状、メソカーボンマイクロビーズのような球状、黒鉛化炭素繊維のような繊維状、または微粉末の凝集体などのいずれでもよい。
Among the above negative electrode active materials, the potential of the
また、上記負極活物質の中では、熱的安定性が高い、Li金属によるデンドライト(樹枝状晶)が生成しがたいなどの理由から、酸化物が好ましく用いられる。酸化物の形状としては、繊維状、または微粉末の凝集体などが好ましく用いられる。 Further, among the negative electrode active materials, oxides are preferably used because of high thermal stability and difficulty in forming dendrites (dendritic crystals) due to Li metal. As the shape of the oxide, a fibrous or fine powder agglomerate is preferably used.
(負極集電体)
負極120が有する負極集電体122としては、Cu、Ni、ステンレスなどの金属材料を形成材料とする帯状の部材を挙げることができる。なかでも、リチウムと合金を作り難く、加工しやすいという点で、Cuを形成材料とし、薄膜状に加工したものが好ましい。
(Negative electrode current collector)
Examples of the negative electrode
負極集電体122に負極活物質層121を担持させる方法としては、正極110の場合と同様に、加圧成型による方法、負極活物質を含むペースト状の負極合剤を負極集電体122上に塗布、乾燥後プレスし圧着する方法、負極活物質を含むペースト状の負極合剤を負極集電体122上に塗布、乾燥後、焼結する方法が挙げられる。
As a method of supporting the negative electrode
(固体電解質層)
固体電解質層130は、上述の固体電解質(第1の固体電解質)を有している。正極活物質層111に固体電解質が含まれる場合、固体電解質層130を構成する固体電解質(第1の固体電解質)と、正極活物質層111に含まれる固体電解質(第2の固体電解質)とが同じ物質であってもよい。固体電解質層130は、リチウムイオンを伝達する媒質として機能するとともに、正極110と負極120とを分けるセパレータとしても機能する。
(Solid electrolyte layer)
The
固体電解質層130は、上述の正極110が有する正極活物質層111の表面に、無機物の固体電解質をスパッタリング法により堆積させることで形成することができる。
The
また、固体電解質層130は、上述の正極110が有する正極活物質層111の表面に、固体電解質を含むペースト状の合剤を塗布し、乾燥させることで形成することができる。乾燥後、プレス成型し、さらに冷間等方圧加圧法(CIP)により加圧して固体電解質層130を形成してもよい。
Further, the
さらに、固体電解質層130は、固体電解質を予めペレット状に形成し、固体電解質のペレットと、上述の正極活物質シートとを重ねて積層方向に一軸プレスすることで形成することができる。正極活物質シートは、正極活物質層111になる。
Further, the
得られた正極活物質層111と固体電解質層130との積層体に対し、さらに正極活物質層111に正極集電体112を配置する。積層方向に一軸プレスして、さらに焼結することで、固体電解質層130と正極110とを形成することができる。
The positive electrode
積層体100は、上述のように正極110上に設けられた固体電解質層130に対し、公知の方法を用いて、固体電解質層130の表面に負極電解質層121が接するように負極120を積層させることで製造することができる。
In the laminate 100, the
以上のような構成の全固体リチウムイオン電池用正極活物質によれば、正極において固体電解質との間でリチウムイオンの授受をスムーズに行うことができ、電池性能を向上させることができる。 According to the positive electrode active material for an all-solid-state lithium-ion battery having the above configuration, lithium ions can be smoothly exchanged between the positive electrode and the solid electrolyte, and the battery performance can be improved.
以上のような構成の電極によれば、上述の全固体リチウムイオン電池用正極活物質を有するため、全固体リチウムイオン電池の電池性能を向上させることができる。 According to the electrodes having the above configuration, since the positive electrode active material for the all-solid-state lithium-ion battery described above is provided, the battery performance of the all-solid-state lithium-ion battery can be improved.
以上のような構成の全固体リチウムイオン電池によれば、上述の全固体リチウムイオン電池用正極活物質を有するため、優れた電池性能を示す。 The all-solid-state lithium-ion battery having the above configuration has the above-mentioned positive electrode active material for the all-solid-state lithium-ion battery, and therefore exhibits excellent battery performance.
以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施の形態例について説明したが、本発明は係る例に限定されない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。 Although a preferred embodiment of the present invention has been described above with reference to the accompanying drawings, the present invention is not limited to such an example. The various shapes and combinations of the constituent members shown in the above-mentioned examples are examples, and can be variously changed based on design requirements and the like without departing from the gist of the present invention.
以下に本発明を実施例により説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 The present invention will be described below with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples.
<正極活物質の組成分析>
後述の方法で製造される正極活物質の組成分析は、得られた正極活物質の粒子を塩酸に溶解させた後、誘導結合プラズマ発光分析装置(エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製、SPS3000)を用いて行った。
<Composition analysis of positive electrode active material>
In the composition analysis of the positive electrode active material produced by the method described later, after dissolving the obtained particles of the positive electrode active material in hydrochloric acid, an inductively coupled plasma emission spectrometer (SSI Nanotechnology Co., Ltd., SPS3000) is used. It was done using.
<(D90−D10)/D50の測定>
正極活物質の90%累積体積粒度D90と、10%累積体積粒度D10との比率(D90/D10)は以下の方法により算出した。
<Measurement of (D 90- D 10 ) / D 50 >
The ratio (D 90 / D 10 ) of the 90% cumulative volume particle size D 90 of the positive electrode active material to the 10% cumulative volume particle size D 10 was calculated by the following method.
まず、正極活物質0.1gを、0.2質量%ヘキサメタりん酸ナトリウム水溶液50mlに投入し、該粉末を分散させた分散液を得た。 First, 0.1 g of the positive electrode active material was put into 50 ml of a 0.2 mass% sodium hexametaphosphate aqueous solution to obtain a dispersion liquid in which the powder was dispersed.
次に、得られた分散液についてマイクロトラック・ベル株式会社製マイクロトラックMT3300EXII(レーザー回折散乱粒度分布測定装置)を用いて、粒度分布を測定し、体積基準の累積粒度分布曲線を得た。 Next, the particle size distribution of the obtained dispersion was measured using a Microtrack MT3300EXII (laser diffraction scattering particle size distribution measuring device) manufactured by Microtrack Bell Co., Ltd., and a volume-based cumulative particle size distribution curve was obtained.
そして、得られた累積粒度分布曲線において、10%累積時の微小粒子側から見た粒子径の値が10%累積体積粒度D10(μm)、50%累積時の微小粒子側から見た粒子径の値が50%累積体積粒度D50(μm)とし、90%累積時の微小粒子側から見た粒子径の値が90%累積体積粒度D90(μm)とし、比率(D90−D10)/D50を算出した。 Then, in the obtained cumulative particle size distribution curve, the value of the particle size seen from the fine particle side at the time of 10% accumulation is 10% cumulative volume particle size D 10 (μm), and the particles seen from the fine particle side at the time of 50% accumulation. The diameter value is 50% cumulative volume particle size D 50 (μm), the particle size value seen from the fine particle side at 90% accumulation is 90% cumulative volume particle size D 90 (μm), and the ratio (D 90- D). 10 ) / D 50 was calculated.
<結晶子サイズ測定>
正極活物質の粉末X線回折測定は、X線回折装置(X‘Pert PRO、PANalytical社)を用いて行った。
<Measurement of crystallite size>
The powder X-ray diffraction measurement of the positive electrode active material was performed using an X-ray diffractometer (X'Pert PRO, PANalytical).
得られた正極活物質を専用の基板に充填し、CuKα線源を用いて、回折角2θ=10°〜90°、サンプリング幅0.02°、スキャンスピード4°/minの条件にて測定を行うことで、粉末X線回折図形を得た。 The obtained positive electrode active material is filled in a dedicated substrate, and measurement is performed using a CuKα radiation source under the conditions of diffraction angle 2θ = 10 ° to 90 °, sampling width 0.02 °, and scan speed 4 ° / min. By doing so, a powder X-ray diffraction pattern was obtained.
粉末X線回折パターン総合解析ソフトウェアJADE5を用い、該粉末X線回折図形から2θ=18.7°±2°の範囲に現れるピークAと、2θ=44.6°±2°の範囲に現れるピークBとのそれぞれについて半値幅を求めた。得られた半値幅を用い、Scherrer式により、結晶子サイズαおよび結晶子サイズβを算出した。 Using the powder X-ray diffraction pattern comprehensive analysis software JADE5, the peak A appearing in the range of 2θ = 18.7 ° ± 2 ° and the peak appearing in the range of 2θ = 44.6 ° ± 2 ° from the powder X-ray diffraction pattern. The half width was calculated for each of B. Using the obtained full width at half maximum, the crystallite size α and the crystallite size β were calculated by the Scherrer equation.
得られた結晶子サイズαおよび結晶子サイズβから、結晶子サイズ比α/βを求めた。 From the obtained crystallite size α and crystallite size β, the crystallite size ratio α / β was determined.
<実施例1>
(正極活物質1の製造)
攪拌器およびオーバーフローパイプを備えた反応槽内に水を入れた後、水酸化ナトリウム水溶液を添加し、液温を50℃に保持した。
<Example 1>
(Manufacturing of positive electrode active material 1)
After putting water in a reaction vessel equipped with a stirrer and an overflow pipe, an aqueous sodium hydroxide solution was added to maintain the liquid temperature at 50 ° C.
硫酸ニッケル水溶液と硫酸コバルト水溶液と硫酸マンガン水溶液とを、ニッケル原子とコバルト原子とマンガン原子との原子比が0.50:0.20:0.30となるように混合して、混合原料液を調製した。 A nickel sulfate aqueous solution, a cobalt sulfate aqueous solution, and a manganese sulfate aqueous solution are mixed so that the atomic ratio of nickel atom, cobalt atom, and manganese atom is 0.50: 0.20: 0.30 to prepare a mixed raw material solution. Prepared.
次に、反応槽内に、攪拌下、この混合原料溶液と硫酸アンモニウム水溶液を錯化剤として連続的に添加し、窒素ガスを反応槽内に連続通気させた。反応槽内の溶液のpHが11.1になるよう水酸化ナトリウム水溶液を適時滴下し、ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子を得て、洗浄した後、遠心分離機で脱水し、洗浄、脱水、単離して120℃で乾燥することにより、ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物1を得た。 Next, the mixed raw material solution and the ammonium sulfate aqueous solution were continuously added as a complexing agent into the reaction vessel under stirring, and nitrogen gas was continuously aerated in the reaction vessel. An aqueous sodium hydroxide solution was added dropwise at appropriate times so that the pH of the solution in the reaction vessel became 11.1, nickel-cobalt-manganese composite hydroxide particles were obtained, washed, and then dehydrated with a centrifuge, washed, dehydrated. The nickel-cobalt-manganese composite hydroxide 1 was obtained by isolating and drying at 120 ° C.
ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子1と水酸化リチウム粉末とを、Li/(Ni+Co+Mn)=1.05となるように秤量して混合した後、大気雰囲気下970℃で4時間焼成し、正極活物質1を得た。 Nickel cobalt manganese composite hydroxide particles 1 and lithium hydroxide powder are weighed and mixed so that Li / (Ni + Co + Mn) = 1.05, and then fired at 970 ° C. for 4 hours in an air atmosphere to activate the positive electrode. Substance 1 was obtained.
(正極活物質1の評価)
正極活物質1の組成分析を行い、組成式(1)に対応させたところ、x=0.05、y=0.50、z=0.30、w=0であった。
(Evaluation of positive electrode active material 1)
When the composition of the positive electrode active material 1 was analyzed and corresponded to the composition formula (1), it was x = 0.05, y = 0.50, z = 0.30, w = 0.
正極活物質1のSEM観察の結果、一次粒子と二次粒子とが含まれ、単粒子は含まれていなかった。 As a result of SEM observation of the positive electrode active material 1, primary particles and secondary particles were contained, and single particles were not contained.
正極活物質1の粒度分布を測定したところ、D50は10.86、(D90−D10)/D50は1.16であった。 When the particle size distribution of the positive electrode active material 1 was measured, D 50 was 10.86 and (D 90- D 10 ) / D 50 was 1.16.
正極活物質1についてX線回折測定を行ったところ、結晶子サイズ比α/βは1.10であった。 When the positive electrode active material 1 was subjected to X-ray diffraction measurement, the crystallite size ratio α / β was 1.10.
<実施例2>
(正極活物質2の製造)
攪拌器およびオーバーフローパイプを備えた反応槽内に水を入れた後、水酸化ナトリウム水溶液を添加し、液温を50℃に保持した。
<Example 2>
(Manufacturing of positive electrode active material 2)
After putting water in a reaction vessel equipped with a stirrer and an overflow pipe, an aqueous sodium hydroxide solution was added to maintain the liquid temperature at 50 ° C.
硫酸ニッケル水溶液と硫酸コバルト水溶液と硫酸マンガン水溶液とを、ニッケル原子とコバルト原子とマンガン原子の原子比が0.55:0.20:0.25となるように混合して、混合原料液2を調製した。 The nickel sulfate aqueous solution, the cobalt sulfate aqueous solution, and the manganese sulfate aqueous solution are mixed so that the atomic ratio of the nickel atom, the cobalt atom, and the manganese atom is 0.55: 0.25: 0.25, and the mixed raw material liquid 2 is prepared. Prepared.
次に、反応槽内に、攪拌下、この混合原料溶液と硫酸アンモニウム水溶液を錯化剤として連続的に添加した。反応槽内の溶液のpHが12.0になるよう水酸化ナトリウム水溶液を適時滴下し、ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子を得た。得られたニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子を洗浄した後、遠心分離機で脱水し、洗浄、脱水、単離して120℃で乾燥することにより、ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物2を得た。 Next, the mixed raw material solution and the ammonium sulfate aqueous solution were continuously added as a complexing agent into the reaction vessel under stirring. An aqueous sodium hydroxide solution was added dropwise at appropriate times so that the pH of the solution in the reaction vessel became 12.0 to obtain nickel-cobalt-manganese composite hydroxide particles. The obtained nickel-cobalt-manganese composite hydroxide particles were washed, dehydrated with a centrifuge, washed, dehydrated, isolated, and dried at 120 ° C. to obtain nickel-cobalt-manganese composite hydroxide 2.
ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子2と水酸化リチウム一水和物粉末とを、Li/(Ni+Co+Mn)=1.03となるように秤量して混合した後、酸素雰囲気下650℃で5時間焼成し、次いで酸素雰囲気下960℃で5時間焼成し、さらに大気雰囲気下400℃で5時間焼成して、リチウム金属複合酸化物を得た。得られたリチウム金属複合酸化物を正極活物質2とした。 Nickel cobalt manganese composite hydroxide particles 2 and lithium hydroxide monohydrate powder are weighed and mixed so that Li / (Ni + Co + Mn) = 1.03, and then fired at 650 ° C. for 5 hours in an oxygen atmosphere. Then, it was fired at 960 ° C. for 5 hours in an oxygen atmosphere and further fired at 400 ° C. for 5 hours in an air atmosphere to obtain a lithium metal composite oxide. The obtained lithium metal composite oxide was used as the positive electrode active material 2.
(正極活物質2の評価)
正極活物質2の組成分析を行い、組成式(1)に対応させたところ、x=0.03、y=0.20、z=0.25、w=0であった。
(Evaluation of positive electrode active material 2)
When the composition of the positive electrode active material 2 was analyzed and the composition was made to correspond to the composition formula (1), x = 0.03, y = 0.20, z = 0.25, and w = 0.
正極活物質2のSEM観察の結果、単粒子が含まれていた。 As a result of SEM observation of the positive electrode active material 2, single particles were contained.
正極活物質2の粒度分布を測定したところ、D50は3.52、(D90−D10)/D50は0.91であった。 When the particle size distribution of the positive electrode active material 2 was measured, D 50 was 3.52 and (D 90- D 10 ) / D 50 was 0.91.
正極活物質2についてX線回折測定を行ったところ、結晶子サイズ比α/βは1.89であった。 When the positive electrode active material 2 was subjected to X-ray diffraction measurement, the crystallite size ratio α / β was 1.89.
<実施例3>
(正極活物質3の製造)
ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子2と水酸化リチウム一水和物粉末とを、Li/(Ni+Co+Mn)=1.05となるように秤量して混合した後、酸素雰囲気下650℃で5時間焼成し、次いで酸素雰囲気下1015℃で5時間焼成し、さらに大気雰囲気下400℃で5時間焼成して、リチウム金属複合酸化物を得た。
<Example 3>
(Manufacturing of positive electrode active material 3)
Nickel cobalt manganese composite hydroxide particles 2 and lithium hydroxide monohydrate powder are weighed and mixed so that Li / (Ni + Co + Mn) = 1.05, and then fired at 650 ° C. for 5 hours in an oxygen atmosphere. Then, it was fired at 1015 ° C. for 5 hours in an oxygen atmosphere, and further fired at 400 ° C. for 5 hours in an air atmosphere to obtain a lithium metal composite oxide.
得られたリチウム金属複合酸化物をピンミル型粉砕機(インパクトミルAVIS100、ミルシステム株式会社製)で粉砕した後、ターボスクリーナ(TS125×200型、フロイント・ターボ株式会社製)で篩分けした。ピンミル型粉砕機およびターボスクリーナの運転条件は下記の通りとした。
(ピンミル型粉砕機運転条件)
回転数:16000rpm、供給速度:8kg/hr
(ターボスクリーナ運転条件)
使用スクリーン:45μmメッシュ、ブレード回転数:1800rpm、供給速度:50kg/hr
The obtained lithium metal composite oxide was pulverized with a pin mill type crusher (Impact Mill AVIS100, manufactured by Mill System Co., Ltd.) and then sieved with a turbo screener (TS125 × 200 type, manufactured by Freund Turbo Co., Ltd.). The operating conditions of the pin mill type crusher and turbo screener are as follows.
(Pin mill type crusher operating conditions)
Rotation speed: 16000 rpm, supply speed: 8 kg / hr
(Turbo screener operating conditions)
Screen used: 45 μm mesh, blade rotation speed: 1800 rpm, supply speed: 50 kg / hr
ターボスクリーナにおいてスクリーンを通過した粉末を回収することで、正極活物質3を得た。 The positive electrode active material 3 was obtained by recovering the powder that had passed through the screen in the turbo screener.
(正極活物質3の評価)
正極活物質3の組成分析を行い、組成式(1)に対応させたところ、x=0.05、y=0.20、z=0.25、w=0であった。
(Evaluation of positive electrode active material 3)
When the composition of the positive electrode active material 3 was analyzed and made to correspond to the composition formula (1), x = 0.05, y = 0.20, z = 0.25, and w = 0.
正極活物質3のSEM観察の結果、単粒子が含まれていた。 As a result of SEM observation of the positive electrode active material 3, single particles were contained.
正極活物質3の粒度分布を測定したところ、D50は5.41、(D90−D10)/D50は0.90であった。 When the particle size distribution of the positive electrode active material 3 was measured, D 50 was 5.41 and (D 90- D 10 ) / D 50 was 0.90.
正極活物質3についてX線回折測定を行ったところ、結晶子サイズ比α/βは1.94であった。 When the positive electrode active material 3 was subjected to X-ray diffraction measurement, the crystallite size ratio α / β was 1.94.
<実施例4>
(正極活物質4の製造)
硫酸ニッケル水溶液と硫酸コバルト水溶液と硫酸マンガン水溶液とを、ニッケル原子とコバルト原子とマンガン原子の原子比が0.88:0.08:0.04となるように混合して、混合原料液を調製したこと、および反応槽内の溶液のpHを12.4になるように水酸化ナトリウム水溶液を適時滴下したこと以外は、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4を得た。
<Example 4>
(Manufacturing of positive electrode active material 4)
A mixed raw material solution is prepared by mixing an aqueous solution of nickel sulfate, an aqueous solution of cobalt sulfate, and an aqueous solution of manganese sulfate so that the atomic ratio of nickel atom, cobalt atom, and manganese atom is 0.88: 0.08: 0.04. Nickel-cobalt-manganese composite hydroxide 4 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the aqueous solution of sodium hydroxide was added dropwise in a timely manner so that the pH of the solution in the reaction vessel was 12.4. ..
ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物4と、水酸化リチウム粉末と、硫酸カリウム粉末とを、Li/(Ni+Co+Mn)=1.05、K2SO4/(LiOH+K2SO4)=0.1(mol/mol)となるように秤量して混合した後、酸素雰囲気下800℃で10時間焼成して、リチウム金属複合酸化物を含む混合物4を得た。 Nickel cobalt manganese composite hydroxide 4, lithium hydroxide powder, and potassium sulfate powder are mixed with Li / (Ni + Co + Mn) = 1.05, K 2 SO 4 / (LiOH + K 2 SO 4 ) = 0.1 (mol / mol / After weighing and mixing so as to be mol), the mixture was calcined at 800 ° C. for 10 hours in an oxygen atmosphere to obtain a mixture 4 containing a lithium metal composite oxide.
混合物4と純水(水温5℃)とを、混合物4と純水との合計量に対する混合物4の割合が30質量%となるように混合し、得られたスラリーを10分間撹拌した。 The mixture 4 and pure water (water temperature 5 ° C.) were mixed so that the ratio of the mixture 4 to the total amount of the mixture 4 and pure water was 30% by mass, and the obtained slurry was stirred for 10 minutes.
スラリーを脱水し、得られた固形物を、上記スラリーの調整に用いた混合物4の2倍の質量の純水(液温5℃)ですすいだ(リンス工程)。固形物を再度脱水し、80℃で15時間真空乾燥させた後、150℃で8時間真空乾燥させることで、正極活物質4を得た。 The slurry was dehydrated, and the obtained solid was rinsed with pure water (liquid temperature 5 ° C.) having twice the mass of the mixture 4 used for preparing the slurry (rinse step). The solid material was dehydrated again, vacuum dried at 80 ° C. for 15 hours, and then vacuum dried at 150 ° C. for 8 hours to obtain a positive electrode active material 4.
(正極活物質4の評価)
正極活物質4の組成分析を行い、組成式(1)に対応させたところ、x=0.05、y=0.08、z=0.04、w=0であった。
(Evaluation of positive electrode active material 4)
When the composition of the positive electrode active material 4 was analyzed and made to correspond to the composition formula (1), x = 0.05, y = 0.08, z = 0.04, and w = 0.
正極活物質4のSEM観察の結果、単粒子が含まれていた。 As a result of SEM observation of the positive electrode active material 4, single particles were contained.
正極活物質4の粒度分布を測定したところ、D50は5.79、(D90−D10)/D50は1.78であった。 When the particle size distribution of the positive electrode active material 4 was measured, D 50 was 5.79 and (D 90- D 10 ) / D 50 was 1.78.
正極活物質4についてX線回折測定を行ったところ、結晶子サイズ比α/βは1.84であった。 When the positive electrode active material 4 was subjected to X-ray diffraction measurement, the crystallite size ratio α / β was 1.84.
<実施例5>
(正極活物質5の製造)
反応槽内の溶液のpHを11.2になるように水酸化ナトリウム水溶液を適時滴下したこと、液温を70℃に保持したこと以外は、実施例4と同様にしてニッケルコバルトマンガン複合水酸化物を含む沈殿物を得た。
<Example 5>
(Manufacturing of positive electrode active material 5)
Nickel-cobalt-manganese composite hydroxylation in the same manner as in Example 4, except that an aqueous sodium hydroxide solution was added dropwise to bring the pH of the solution in the reaction vessel to 11.2, and the liquid temperature was maintained at 70 ° C. A precipitate containing the substance was obtained.
得られた沈殿物をカウンタージェットミル(100AFG型、ホソカワミクロン株式会社製)で粉砕することで、ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物5を得た。カウンタージェットミルの運転条件は下記の通りとした。
(カウンタージェットミル運転条件)
粉砕圧力:0.59MPa、分級回転数:17000rpm、供給速度:2kg/hr
The obtained precipitate was pulverized with a counter jet mill (100 AFG type, manufactured by Hosokawa Micron Co., Ltd.) to obtain a nickel cobalt-manganese composite hydroxide 5. The operating conditions of the counter jet mill are as follows.
(Counter jet mill operating conditions)
Crushing pressure: 0.59 MPa, classification rotation speed: 17,000 rpm, supply speed: 2 kg / hr
ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物5と、水酸化リチウム粉末と、硫酸カリウム粉末とを、Li/(Ni+Co+Mn)=1.20、K2SO4/(LiOH+K2SO4)=0.1(mol/mol)となるように秤量して混合したこと以外は、実施例4と同様にして正極活物質5を得た。 Nickel cobalt manganese composite hydroxide 5, lithium hydroxide powder, and potassium sulfate powder are mixed with Li / (Ni + Co + Mn) = 1.20, K 2 SO 4 / (LiOH + K 2 SO 4 ) = 0.1 (mol / mol / A positive electrode active material 5 was obtained in the same manner as in Example 4 except that the mixture was weighed and mixed so as to be mol).
(正極活物質5の評価)
正極活物質5の組成分析を行い、組成式(1)に対応させたところ、x=0.20、y=0.08、z=0.04、w=0であった。
(Evaluation of positive electrode active material 5)
When the composition of the positive electrode active material 5 was analyzed and the composition was made to correspond to the composition formula (1), x = 0.20, y = 0.08, z = 0.04, and w = 0.
正極活物質5のSEM観察の結果、単粒子が含まれていた。 As a result of SEM observation of the positive electrode active material 5, single particles were contained.
正極活物質5の粒度分布を測定したところ、D50は3.32、(D90−D10)/D50は6.32であった。 When the particle size distribution of the positive electrode active material 5 was measured, D 50 was 3.32 and (D 90- D 10 ) / D 50 was 6.32.
正極活物質5についてX線回折測定を行ったところ、結晶子サイズ比α/βは1.94であった。 When the positive electrode active material 5 was subjected to X-ray diffraction measurement, the crystallite size ratio α / β was 1.94.
<実施例6>
(正極活物質6の製造)
硫酸ニッケル水溶液と硫酸コバルト水溶液と硫酸マンガン水溶液とを、ニッケル原子とコバルト原子とマンガン原子の原子比が0.91:0.07:0.02となるように混合して、混合原料液を調製したこと、および反応槽内の溶液のpHを12.3になるように水酸化ナトリウム水溶液を適時滴下したこと以外は、実施例4と同様にして、ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物6を得た。
<Example 6>
(Manufacturing of positive electrode active material 6)
A mixed raw material solution is prepared by mixing an aqueous solution of nickel sulfate, an aqueous solution of cobalt sulfate, and an aqueous solution of manganese sulfate so that the atomic ratio of nickel atom, cobalt atom, and manganese atom is 0.91: 0.07: 0.02. Nickel-cobalt-manganese composite hydroxide 6 was obtained in the same manner as in Example 4, except that the aqueous solution of sodium hydroxide was added dropwise in a timely manner so that the pH of the solution in the reaction vessel was 12.3. ..
ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物6と、水酸化リチウム粉末と、硫酸カリウム粉末とを、Li/(Ni+Co+Mn)=1.26、K2SO4/(LiOH+K2SO4)=0.1(mol/mol)となるように秤量して混合した後、酸素雰囲気下790℃で10時間焼成し、リチウム金属複合酸化物を含む混合物6を得た。 Nickel cobalt manganese composite hydroxide 6, lithium hydroxide powder, and potassium sulfate powder were mixed with Li / (Ni + Co + Mn) = 1.26, K 2 SO 4 / (LiOH + K 2 SO 4 ) = 0.1 (mol / mol /). After weighing and mixing so as to be mol), the mixture was fired at 790 ° C. for 10 hours in an oxygen atmosphere to obtain a mixture 6 containing a lithium metal composite oxide.
混合物6と純水(水温5℃)とを、混合物6と純水との合計量に対する混合物6の割合が30質量%となるように混合し、得られたスラリーを10分間撹拌した。 The mixture 6 and pure water (water temperature 5 ° C.) were mixed so that the ratio of the mixture 6 to the total amount of the mixture 6 and pure water was 30% by mass, and the obtained slurry was stirred for 10 minutes.
スラリーを脱水し、得られた固形物を、上記スラリーの調整に用いた混合物4の2倍の質量の純水(水温5℃)ですすいだ(リンス工程)。固形物を再度脱水し、80℃で15時間真空乾燥させた後、150℃で8時間真空乾燥させた。 The slurry was dehydrated, and the obtained solid was rinsed with pure water (water temperature 5 ° C.) having twice the mass of the mixture 4 used for preparing the slurry (rinse step). The solid was dehydrated again, vacuum dried at 80 ° C. for 15 hours and then vacuum dried at 150 ° C. for 8 hours.
得られた粉末を、ターボスクリーナ(フロイント・ターボ株式会社製)で篩別することで、正極活物質6を得た。ターボスクリーナの運転条件、篩別条件は、実施例3と同じとした。 The obtained powder was sieved with a turbo screener (manufactured by Freund Turbo Co., Ltd.) to obtain a positive electrode active material 6. The operating conditions and sieving conditions of the turbo screener were the same as in Example 3.
(正極活物質6の評価)
正極活物質6の組成分析を行い、組成式(1)に対応させたところ、x=0.02、y=0.07、z=0.02、w=0であった。
(Evaluation of positive electrode active material 6)
When the composition of the positive electrode active material 6 was analyzed and the composition was made to correspond to the composition formula (1), x = 0.02, y = 0.07, z = 0.02, and w = 0.
正極活物質6のSEM観察の結果、単粒子が含まれていた。 As a result of SEM observation of the positive electrode active material 6, single particles were contained.
正極活物質6の粒度分布を測定したところ、D50は4.13、(D90−D10)/D50は1.33であった。 When the particle size distribution of the positive electrode active material 6 was measured, D 50 was 4.13 and (D 90- D 10 ) / D 50 was 1.33.
正極活物質6についてX線回折測定を行ったところ、結晶子サイズ比α/βは2.01であった。 When the positive electrode active material 6 was subjected to X-ray diffraction measurement, the crystallite size ratio α / β was 2.01.
<比較例1>
(正極活物質E1の製造)
LiCoO2の市販品を正極活物質E1として評価した。正極活物質E1として、D50=5μm±2μmの範囲内の粒度分布を有するLiCoO2の市販品を用いた。
<Comparative example 1>
(Manufacturing of positive electrode active material E1)
A commercially available product of LiCoO 2 was evaluated as the positive electrode active material E1. As the positive electrode active material E1, a commercially available product of LiCoO 2 having a particle size distribution within the range of D50 = 5 μm ± 2 μm was used.
(正極活物質E1の評価)
正極活物質E1のSEM観察の結果、単粒子が含まれていた。
(Evaluation of positive electrode active material E1)
As a result of SEM observation of the positive electrode active material E1, single particles were contained.
正極活物質E1の粒度分布を測定したところ、D50は6.81、(D90−D10)/D50は1.56であった。 When the particle size distribution of the positive electrode active material E1 was measured, D 50 was 6.81 and (D 90- D 10 ) / D 50 was 1.56.
正極活物質E1についてX線回折測定を行ったところ、結晶子サイズ比α/βは0.40であった。 When the positive electrode active material E1 was subjected to X-ray diffraction measurement, the crystallite size ratio α / β was 0.40.
<比較例2>
(正極活物質E2の製造)
LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2の市販品を正極活物質E2として評価した。正極活物質E2として、D50=5μm±2μmの範囲内の粒度分布を有するLiNi0.33Co0.33Mn0.33O2の市販品を用いた。
<Comparative example 2>
(Manufacturing of positive electrode active material E2)
A commercially available product of LiNi 0.33 Co 0.33 Mn 0.33 O 2 was evaluated as the positive electrode active material E2. As the positive electrode active material E2, a commercially available product of LiNi 0.33 Co 0.33 Mn 0.33 O 2 having a particle size distribution within the range of D50 = 5 μm ± 2 μm was used.
(正極活物質E2の評価)
正極活物質E2のSEM観察の結果、一次粒子と二次粒子とが含まれ、単粒子は含まれていなかった。
(Evaluation of positive electrode active material E2)
As a result of SEM observation of the positive electrode active material E2, primary particles and secondary particles were contained, and single particles were not contained.
正極活物質E2の粒度分布を測定したところ、D50は4.79、(D90−D10)/D50は0.89であった。 When the particle size distribution of the positive electrode active material E2 was measured, D 50 was 4.79 and (D 90- D 10 ) / D 50 was 0.89.
正極活物質E2についてX線回折測定を行ったところ、結晶子サイズ比α/βは1.13であった。 When the positive electrode active material E2 was subjected to X-ray diffraction measurement, the crystallite size ratio α / β was 1.13.
<全固体リチウムイオン二次電池の製造>
(正極活物質シートの製造)
前述した製造方法で得られる正極活物質と、Li3BO3とを正極活物質:Li3BO3=80:20(モル比)の組成になるように混合し、混合粉を得た。得られた混合粉に、樹脂バインダー(エチルセルロース)と、可塑剤(フタル酸ジオクチル)と、溶媒(アセトン)とを、混合粉:樹脂バインダー:可塑剤:溶媒=100:10:10:100(質量比)の組成となるように加え、遊星式攪拌・脱泡装置を用いて混合した。
<Manufacturing of all-solid-state lithium-ion secondary batteries>
(Manufacturing of positive electrode active material sheet)
The positive electrode active material obtained by the above-mentioned production method and Li 3 BO 3 were mixed so as to have a composition of positive electrode active material: Li 3 BO 3 = 80:20 (molar ratio) to obtain a mixed powder. A resin binder (ethyl cellulose), a plasticizer (dioctyl phthalate), and a solvent (acetone) are added to the obtained mixed powder. Mixed powder: Resin binder: Plasticizer: Solvent = 100:10:10: 100 (mass) Ratio) was added, and the mixture was mixed using a planetary stirring / defoaming device.
得られたスラリーを遊星式攪拌・脱泡装置を用いて脱泡し、正極合剤スラリーを得た。 The obtained slurry was defoamed using a planetary stirring / defoaming device to obtain a positive electrode mixture slurry.
ドクターブレードを用い、得られた正極合剤スラリーをPETフィルム上に塗布して、塗膜を乾燥させて、厚さ50μmの正極膜を形成した。 Using a doctor blade, the obtained positive electrode mixture slurry was applied onto a PET film, and the coating film was dried to form a positive electrode film having a thickness of 50 μm.
正極膜をPETフィルムから剥離して、直径14.5mmの円形に打ち抜き加工し、さらに、正極膜の厚さ方向に20MPa、1分間一軸プレスすることで、厚さ40μmの正極活物質シートが得られた。正極活物質シートに含まれるLi3BO3は、正極活物質シート内で正極活物質と接する固体電解質として機能する。また、Li3BO3は、正極活物質シート内で正極活物質をつなぎとめるバインダーとして機能する。 The positive electrode film is peeled from the PET film, punched into a circle with a diameter of 14.5 mm, and further uniaxially pressed at 20 MPa for 1 minute in the thickness direction of the positive electrode film to obtain a positive electrode active material sheet having a thickness of 40 μm. Was done. Li 3 BO 3 contained in the positive electrode active material sheet functions as a solid electrolyte in contact with the positive electrode active material in the positive electrode active material sheet. Further, Li 3 BO 3 functions as a binder for holding the positive electrode active material in the positive electrode active material sheet.
(全固体リチウムイオン電池の製造)
正極活物質シートと、Li6.75La3Zr1.75Nb0.25O12の固体電解質ペレット(株式会社豊島製作所製)とを積層し、積層方向と平行に一軸プレスして積層体を得た。用いた固体電解質ペレットは、直径14.5mm、厚み0.5mmであった。
(Manufacturing of all-solid-state lithium-ion batteries)
A positive electrode active material sheet and a solid electrolyte pellet of Li 6.75 La 3 Zr 1.75 Nb 0.25 O 12 (manufactured by Toyoshima Seisakusho Co., Ltd.) are laminated and uniaxially pressed in parallel with the lamination direction to form a laminate. Obtained. The solid electrolyte pellet used had a diameter of 14.5 mm and a thickness of 0.5 mm.
得られた積層体の正極活物質シートに、さらに正極集電体(金箔、厚さ500μm)を重ね、100gfで加圧した状態で、300℃で1時間加熱して有機分を焼失させた。さらに5℃/分で800℃まで昇温した後、800℃で1時間焼結して、固体電解質層と正極との積層体を得た。 A positive electrode current collector (gold leaf, thickness 500 μm) was further superposed on the positive electrode active material sheet of the obtained laminate, and the mixture was heated at 300 ° C. for 1 hour in a state of being pressurized at 100 gf to burn off the organic component. Further, the temperature was raised to 800 ° C. at 5 ° C./min and then sintered at 800 ° C. for 1 hour to obtain a laminate of a solid electrolyte layer and a positive electrode.
次いで、以下の操作をアルゴン雰囲気のグローブボックス内で行った。 Then, the following operation was performed in the glove box in an argon atmosphere.
固体電解質層と正極との積層体の固体電解質層に、さらに、負極(Li箔、厚さ300μm)、負極集電体(ステンレス板、厚さ50μm)、ウェーブワッシャー(ステンレス製)を重ねた。 A negative electrode (Li foil, thickness 300 μm), a negative electrode current collector (stainless steel plate, thickness 50 μm), and a wave washer (made of stainless steel) were further superimposed on the solid electrolyte layer of the laminate of the solid electrolyte layer and the positive electrode.
正極からウェーブワッシャーまで重ねた積層体について、正極をコイン型電池R2032用のパーツ(宝泉株式会社製)の下蓋に置き、ウェーブワッシャーに重ねて上蓋をして、かしめ機でかしめることで、全固体リチウムイオン電池を作製した。 For the laminated body stacked from the positive electrode to the wave washer, place the positive electrode on the lower lid of the parts for coin-type battery R2032 (manufactured by Hosen Co., Ltd.), stack it on the wave washer, cover it, and crimp it with a crimping machine. , An all-solid-state lithium-ion battery was manufactured.
<充放電試験>
上記の方法で作製したハーフセルを用いて、以下に示す条件で充放電試験を実施し、初回充放電効率を算出した。
<Charge / discharge test>
Using the half cell produced by the above method, a charge / discharge test was carried out under the conditions shown below, and the initial charge / discharge efficiency was calculated.
(充放電条件)
試験温度60℃
充電最大電圧4.3V、充電電流密度0.01C、
放電最小電圧2.0V、放電電流密度0.01C、カットオフ0.002C
(Charging / discharging conditions)
Test temperature 60 ° C
Maximum charging voltage 4.3V, charging current density 0.01C,
Minimum discharge voltage 2.0V, discharge current density 0.01C, cutoff 0.002C
(初回充放電効率の算出)
上記条件で充放電した際の充電容量と、放電容量とから、下記の計算式に基づいて初回充放電効率を求めた。
初回充放電効率(%)
=初回放電容量(mAh/g)/初回充電容量(mAh/g)×100
(Calculation of initial charge / discharge efficiency)
The initial charge / discharge efficiency was calculated from the charge capacity and the discharge capacity when charging / discharging under the above conditions based on the following formula.
Initial charge / discharge efficiency (%)
= Initial discharge capacity (mAh / g) / Initial charge capacity (mAh / g) x 100
<液系リチウム二次電池の製造>
(リチウム二次電池用正極の作製)
後述する製造方法で得られる正極活物質と導電材(アセチレンブラック)とバインダー(PVdF)とを、正極活物質:導電材:バインダー=92:5:3(質量比)の組成となるように加えて混練することにより、ペースト状の正極合剤を調製した。正極合剤の調製時には、N−メチル−2−ピロリドンを有機溶媒として用いた。
<Manufacturing of liquid-based lithium secondary batteries>
(Manufacture of positive electrode for lithium secondary battery)
The positive electrode active material, the conductive material (acetylene black), and the binder (PVdF) obtained by the production method described later are added so as to have a composition of positive electrode active material: conductive material: binder = 92: 5: 3 (mass ratio). To prepare a paste-like positive electrode mixture by kneading. N-methyl-2-pyrrolidone was used as an organic solvent when preparing the positive electrode mixture.
得られた正極合剤を、集電体となる厚さ40μmのAl箔に塗布して150℃で8時間真空乾燥を行い、リチウム二次電池用正極を得た。このリチウム二次電池用正極の電極面積は1.65cm2とした。 The obtained positive electrode mixture was applied to an Al foil having a thickness of 40 μm as a current collector and vacuum dried at 150 ° C. for 8 hours to obtain a positive electrode for a lithium secondary battery. The electrode area of the positive electrode for the lithium secondary battery was 1.65 cm 2 .
(リチウム二次電池(コイン型ハーフセル)の作製)
以下の操作を、アルゴン雰囲気のグローブボックス内で行った。
(Manufacturing of lithium secondary battery (coin type half cell))
The following operations were performed in a glove box with an argon atmosphere.
(リチウム二次電池用正極の作製)で作製したリチウム二次電池用正極を、コイン型電池R2032用のパーツ(宝泉株式会社製)の下蓋にアルミ箔面を下に向けて置き、その上にセパレータ(ポリエチレン製多孔質フィルム)を置いた。 Place the positive electrode for the lithium secondary battery manufactured in (Making the positive electrode for the lithium secondary battery) on the lower lid of the part for the coin-type battery R2032 (manufactured by Hosen Co., Ltd.) with the aluminum foil side facing down. A separator (porous polyethylene film) was placed on top.
ここに電解液を300μl注入した。電解液は、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとエチルメチルカーボネートの30:35:35(体積比)混合液に、LiPF6を1.0mol/lとなるように溶解したものを用いた。 300 μl of the electrolytic solution was injected therein. As the electrolytic solution, a solution prepared by dissolving LiPF 6 at a concentration of 1.0 mol / l in a 30:35:35 (volume ratio) mixture of ethylene carbonate, dimethyl carbonate and ethyl methyl carbonate was used.
次に、負極として金属リチウムを用いて、前記負極を積層フィルムセパレータの上側に置き、ガスケットを介して上蓋をし、かしめ機でかしめてリチウム二次電池(コイン型ハーフセルR2032。以下、「ハーフセル」と称することがある。)を作製した。 Next, using metallic lithium as the negative electrode, the negative electrode is placed on the upper side of the laminated film separator, the upper lid is closed through a gasket, and the lithium secondary battery (coin type half cell R2032; hereinafter, “half cell”) is crimped with a caulking machine. It may be referred to as).
<評価結果>
評価結果を表1〜4に示す。表1,2は、各正極活物質についての測定値、表3は、各正極活物質を用いた全固体リチウムイオン二次電池の物性評価の結果である。
<Evaluation result>
The evaluation results are shown in Tables 1 to 4. Tables 1 and 2 show the measured values for each positive electrode active material, and Table 3 shows the results of physical property evaluation of the all-solid-state lithium ion secondary battery using each positive electrode active material.
表1に記載の「Li/Me」の「Me」は、正極活物質を構成するリチウム金属複合酸化物に含まれる金属のうち、Liを除いた残りの金属の量を示す。「Me」は具体的には、Ni、Co,Mn,Mの全量を示す。また、表1の「ND」は「データ無し」を示す。 “Me” of “Li / Me” shown in Table 1 indicates the amount of the remaining metal excluding Li among the metals contained in the lithium metal composite oxide constituting the positive electrode active material. Specifically, "Me" indicates the total amount of Ni, Co, Mn, and M. In addition, "ND" in Table 1 indicates "no data".
また、表4は、各正極活物質を用いた液系リチウムイオン二次電池の物性評価の結果を示す。表4に示す結果は、参考例である。 In addition, Table 4 shows the results of physical property evaluation of the liquid-based lithium ion secondary battery using each positive electrode active material. The results shown in Table 4 are reference examples.
表3においては、初期充電容量について以下のように評価し、評価結果を「評価」欄に示した。評価においては、◎、〇を良品、△、×を不良品と判断した。
◎:初期充電容量が100mAh/g以上
〇:初期充電容量が40mAh/g以上100mAh/h未満
△:初期充電容量が10mAh/g以上40mAh/h未満
×:初期充電容量が10mAh/g未満
In Table 3, the initial charge capacity was evaluated as follows, and the evaluation results are shown in the “evaluation” column. In the evaluation, ◎ and 〇 were judged to be non-defective products, and △ and × were judged to be defective products.
⊚: Initial charge capacity is 100 mAh / g or more 〇: Initial charge capacity is 40 mAh / g or more and less than 100 mAh / h Δ: Initial charge capacity is 10 mAh / g or more and less than 40 mAh / h ×: Initial charge capacity is less than 10 mAh / g
評価の結果、実施例1〜6の正極活物質を用いた全固体リチウムイオン電池は、いずれも高い初期充電容量を示したのに対し、比較例1,2の正極活物質は、初期充電容量が低かった。 As a result of the evaluation, the all-solid-state lithium-ion batteries using the positive electrode active materials of Examples 1 to 6 showed a high initial charge capacity, whereas the positive electrode active materials of Comparative Examples 1 and 2 showed an initial charge capacity. Was low.
実施例、比較例の正極活物質について、液系リチウムイオン二次電池を作成し、評価したところ、表4に示すように、いずれの正極活物質も良好に使用可能と評価できた。 When a liquid-based lithium ion secondary battery was prepared and evaluated for the positive electrode active materials of Examples and Comparative Examples, it was evaluated that any of the positive electrode active materials could be used satisfactorily as shown in Table 4.
このように、液系リチウムイオン二次電池においてはいずれも良好に動作する正極活物質であっても、全固体リチウムイオン二次電池とすると、電池性能に大きな差が生じ、本発明に係る全固体リチウムイオン二次電池用正極活物質は良好な電池性能を示すことが分かった。 As described above, even if the positive electrode active material operates well in the liquid-based lithium ion secondary battery, the battery performance of the all-solid-state lithium ion secondary battery is significantly different from that of the all-solid-state lithium ion secondary battery. It was found that the positive electrode active material for a solid-state lithium-ion secondary battery exhibits good battery performance.
以上より、本発明が有用であることが分かった。 From the above, it was found that the present invention is useful.
100…積層体、110…正極、111…正極活物質層、112…正極集電体、113…外部端子、120…負極、121…負極電解質層、122…負極集電体、123…外部端子、130…固体電解質層、200…外装体、200a…開口部、1000…全固体二次電池 100 ... Laminated body, 110 ... Positive electrode, 111 ... Positive electrode active material layer, 112 ... Positive electrode current collector, 113 ... External terminal, 120 ... Negative electrode, 121 ... Negative electrode electrolyte layer, 122 ... Negative electrode current collector, 123 ... External terminal, 130 ... solid electrolyte layer, 200 ... exterior, 200a ... opening, 1000 ... all-solid secondary battery
Claims (14)
前記リチウム金属複合酸化物は、層状構造を有し、且つ少なくともLiと遷移金属とを含有し、
前記粒子は、レーザー回折式粒度分布測定によって測定される体積基準の累積分布について、小粒子側からの累積割合が10%、50%、90%となる粒子径をそれぞれD10、D50、D90としたとき、関係式(D90−D10)/D50≧0.90が成り立ち、
前記結晶は、CuKα線を使用したX線回折測定において2θ=18.7±2°の範囲内のピークにおける結晶子サイズαと、2θ=44.6±2°の範囲内のピークにおける結晶子サイズβとの比α/βが1.0以上である全固体リチウムイオン電池用正極活物質。 A positive electrode active material for an all-solid-state lithium-ion battery composed of particles containing crystals of a lithium metal composite oxide.
The lithium metal composite oxide has a layered structure and contains at least Li and a transition metal.
Regarding the volume-based cumulative distribution measured by the laser diffraction type particle size distribution measurement, the particle diameters at which the cumulative ratios from the small particle side are 10%, 50%, and 90% are set to D10, D50, and D90, respectively. Then, the relational expression (D90-D10) / D50 ≧ 0.90 holds, and
The crystals have a crystallite size α at a peak in the range of 2θ = 18.7 ± 2 ° and a crystallite at a peak in the range of 2θ = 44.6 ± 2 ° in X-ray diffraction measurement using CuKα ray. A positive electrode active material for an all-solid-state lithium-ion battery having a ratio α / β to size β of 1.0 or more.
Li[Lix(Ni(1−y−z−w)CoyMnzMw)1−x]O2 (1)
(ただし、MはFe、Cu、Ti、Mg、Al、W、B、Mo、Nb、Zn、Sn、Zr、Ga及びVからなる群より選択される1種以上の元素であり、−0.10≦x≦0.30、0<y≦0.40、0≦z≦0.40、0≦w≦0.10を満たす。) The lithium metal composite oxide is the positive electrode active material for an all-solid-state lithium-ion battery according to claim 3, which is represented by the following formula (1).
Li [Li x (Ni (1 -y-z-w) Co y Mn z M w) 1-x] O 2 (1)
(However, M is one or more elements selected from the group consisting of Fe, Cu, Ti, Mg, Al, W, B, Mo, Nb, Zn, Sn, Zr, Ga and V, and −0. 10 ≦ x ≦ 0.30, 0 <y ≦ 0.40, 0 ≦ z ≦ 0.40, 0 ≦ w ≦ 0.10.
前記粒子における前記単粒子の含有率は、20%以上である請求項1から5のいずれか1項に記載の全固体リチウムイオン電池用正極活物質。 The particles are composed of primary particles, secondary particles formed by aggregating the primary particles, and single particles that exist independently of the primary particles and the secondary particles.
The positive electrode active material for an all-solid-state lithium-ion battery according to any one of claims 1 to 5, wherein the content of the single particles in the particles is 20% or more.
前記固体電解質層は、第1の固体電解質を含み、
前記正極は、前記固体電解質層に接する正極活物質層と、前記正極活物質層が積層された集電体と、を有し、
前記正極活物質層は、請求項1から7のいずれか1項に記載の全固体リチウムイオン電池用正極活物質または請求項8もしくは9に記載の電極を含む全固体リチウムイオン電池。 It has a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer sandwiched between the positive electrode and the negative electrode.
The solid electrolyte layer contains a first solid electrolyte.
The positive electrode has a positive electrode active material layer in contact with the solid electrolyte layer and a current collector in which the positive electrode active material layer is laminated.
The positive electrode active material layer is an all-solid-state lithium-ion battery including the positive electrode active material for an all-solid-state lithium-ion battery according to any one of claims 1 to 7 or the electrode according to claim 8 or 9.
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