JP7191071B2 - Positive electrode active material and secondary battery comprising the positive electrode active material - Google Patents
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Description
本発明は、正極活物質と、該正極活物質を備えた非水電解質二次電池に関する。 The present invention relates to a positive electrode active material and a non-aqueous electrolyte secondary battery comprising the positive electrode active material.
近年、リチウムイオン二次電池等の二次電池は、パソコン、携帯端末等のポータブル電源や、電気自動車(EV)、ハイブリッド自動車(HV)、プラグインハイブリッド自動車(PHV)等の車両駆動用電源などに好適に用いられている。 In recent years, secondary batteries such as lithium-ion secondary batteries have been used in portable power sources such as personal computers and mobile terminals, and power sources for driving vehicles such as electric vehicles (EV), hybrid vehicles (HV), and plug-in hybrid vehicles (PHV). is preferably used for
リチウムイオン二次電池の正極には、一般的にリチウムイオンを吸蔵および放出可能な正極活物質が備えられている。正極活物質としては、一般的に、リチウム遷移金属酸化物(リチウム遷移金属複合酸化物)が用いられており、代表的な構造の一つとしてスピネル型結晶構造が知られている。例えば、特許文献1には、微細一次粒子を有する水酸化物粒子を焼成し、スピネル型結晶構造を有する正極活物質(リチウム含有複合酸化物)の平均粒径を2μm~8μmの範囲とすることで良好な電池出力を実現させ、かつ、粒度分布の広がりを抑えることで良好なサイクル特性を実現することが開示されている。 A positive electrode of a lithium ion secondary battery is generally provided with a positive electrode active material capable of intercalating and deintercalating lithium ions. Lithium transition metal oxides (lithium transition metal composite oxides) are generally used as the positive electrode active material, and a spinel crystal structure is known as one of typical structures. For example, in Patent Document 1, hydroxide particles having fine primary particles are baked, and the average particle size of a positive electrode active material (lithium-containing composite oxide) having a spinel crystal structure is set to a range of 2 μm to 8 μm. It is disclosed that a good battery output is realized with , and good cycle characteristics are realized by suppressing the spread of the particle size distribution.
ところで、本発明者が鋭意検討を行った結果、上述した特許文献1では、微細一次粒子により比表面積が増大しているため、電解液との接触面積が大きくなり、良好な電池出力を実現する一方で、マンガン原子が溶出しやすい傾向があることが見出された。即ち、充放電の繰り返しに伴うマンガン原子の溶出に伴い、抵抗上昇が起きやすい傾向が見出された。 By the way, as a result of intensive studies by the present inventors, in the above-mentioned Patent Document 1, the specific surface area is increased by the fine primary particles, so the contact area with the electrolytic solution is increased, and good battery output is realized. On the other hand, it was found that manganese atoms tend to be easily eluted. That is, it was found that the resistance tends to increase with the elution of manganese atoms accompanying repeated charging and discharging.
そこで、本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、非水電解質二次電池の充放電の繰り返しによる抵抗増加および容量維持率の低下を低減し得る、スピネル型結晶構造を有する正極活物質を提供することを主な目的とする。また、かかる正極活物質を備えた非水電解質二次電池を提供することを他の目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and a positive electrode active material having a spinel crystal structure that can reduce the increase in resistance and the decrease in capacity retention rate due to repeated charging and discharging of a non-aqueous electrolyte secondary battery. The main purpose is to provide Another object of the present invention is to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery comprising such a positive electrode active material.
上記目的を実現するべく、以下の構成の非水電解質二次電池用の正極活物質が提供される。即ち、ここに開示される正極活物質は、少なくともアルミニウム原子およびマグネシウム原子のいずれか一方を含有するスピネル型結晶構造のリチウムマンガン複合酸化物で構成されており、該リチウムマンガン複合酸化物は多孔質粒子であり、該多孔質粒子は、一次粒子が複数集合した二次粒子を含み、該二次粒子の断面SEM像において、上記活物質を構成する二次粒子が占有する面積に対する空隙の面積の割合の平均値が10%以上40%以下である。さらに、上記活物質を構成する二次粒子において、該二次粒子を構成する一次粒子のSEM像に基づく平均最大粒子径は5μm以上12μm未満であることを特徴とする。
かかる構成によれば、初期抵抗およびサイクル試験(充放電の繰り返し試験)による抵抗増加率が低減し、容量維持率に優れた非水電解質二次電池を実現する正極活物質を提供することができる。
In order to achieve the above object, a positive electrode active material for non-aqueous electrolyte secondary batteries having the following configuration is provided. That is, the positive electrode active material disclosed herein is composed of a lithium-manganese composite oxide having a spinel-type crystal structure containing at least one of aluminum atoms and magnesium atoms, and the lithium-manganese composite oxide is porous. The porous particles contain secondary particles in which a plurality of primary particles are aggregated, and in a cross-sectional SEM image of the secondary particles, the area of the voids relative to the area occupied by the secondary particles constituting the active material The average value of the ratio is 10% or more and 40% or less. Further, in the secondary particles constituting the active material, the average maximum particle diameter based on the SEM image of the primary particles constituting the secondary particles is 5 μm or more and less than 12 μm.
According to such a configuration, it is possible to provide a positive electrode active material that reduces the initial resistance and the resistance increase rate due to cycle tests (repeated charge-discharge tests) and realizes a non-aqueous electrolyte secondary battery having an excellent capacity retention rate. .
また、ここに開示される正極活物質の好適な一態様としては、上記一次粒子のSEM像に基づく平均粒子径が2μm以上5μm以下である。
かかる構成によれば、より優れた抵抗抑制効果と容量維持率を実現し得る。
Moreover, as one preferred aspect of the positive electrode active material disclosed herein, the average particle size of the primary particles based on the SEM image is 2 μm or more and 5 μm or less.
According to such a configuration, it is possible to realize a more excellent resistance suppressing effect and capacity retention rate.
また、上記目的を実現するべく、以下のここで開示される正極活物質を備えた非水電解質二次電池が提供される。即ち、ここに開示される非水電解質二次電池は、正極と、負極と、非水電解質と、を備えており、上記正極は、正極活物質層を備え、該正極活物質層は、ここで開示される正極活物質を備えている。
かかる構成によれば、初期抵抗が低く、サイクル試験後の抵抗増加および容量維持率の低下を低減し得る非水電解質二次電池を提供できる。
Further, in order to achieve the above object, there is provided a non-aqueous electrolyte secondary battery comprising the following positive electrode active material disclosed herein. That is, the non-aqueous electrolyte secondary battery disclosed herein includes a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte, the positive electrode includes a positive electrode active material layer, and the positive electrode active material layer is The positive electrode active material disclosed in.
According to such a configuration, it is possible to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery that has a low initial resistance and can reduce an increase in resistance and a decrease in capacity retention rate after a cycle test.
以下、図面を参照しながら本発明の一実施形態について説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。また、以下の図面においては、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付し、重複する説明は省略または簡略化することがある。また、各図における寸法関係(長さ、幅、厚さ等)は実際の寸法関係を反映するものではない。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. Matters other than those specifically referred to in this specification that are necessary for implementation can be grasped as design matters by those skilled in the art based on the prior art in the relevant field. The present invention can be implemented based on the contents disclosed in this specification and common general technical knowledge in the field. Further, in the drawings below, members and portions having the same function are denoted by the same reference numerals, and redundant description may be omitted or simplified. Also, the dimensional relationships (length, width, thickness, etc.) in each drawing do not reflect the actual dimensional relationships.
本明細書において「二次電池」とは、繰り返し充放電可能な電池一般をいい、リチウムイオン二次電池等のいわゆる蓄電池(すなわち化学電池)の他、電気二重層キャパシタ等のキャパシタ(すなわち物理電池)を包含する。また、本明細書において「リチウムイオン二次電池」は、電荷担体としてリチウムイオンを利用し、正極と負極との間をリチウムイオンに伴う電荷の移動によって充放電を行う二次電池である。また、本明細書において「活物質」とは、電荷担体を可逆的に吸蔵・放出する材料をいう。 As used herein, the term "secondary battery" refers to a general battery that can be repeatedly charged and discharged. ). In this specification, the term "lithium ion secondary battery" refers to a secondary battery that uses lithium ions as charge carriers and charges and discharges by the transfer of charge associated with the lithium ions between the positive electrode and the negative electrode. In addition, the term “active material” as used herein refers to a material that reversibly absorbs and releases charge carriers.
図1に示すリチウムイオン二次電池100は、電池ケース30の内部に、扁平形状の電極体20と、非水電解質(図示せず)とが収容されることで構築される角型の密閉型電池である。電池ケース30には、外部接続用の正極端子42および負極端子44が備えられている。また、電池ケース30の内圧が所定レベル以上に上昇した場合に該内圧を開放するように設定された薄肉の安全弁36が設けられている。さらに、電池ケース30には、非水電解質を注液するための注液口(図示せず)が設けられている。電池ケース30の材質は、高強度であり軽量で熱伝導性が良い金属製材料が好ましく、このような金属材料として、例えば、アルミニウムやスチール等が挙げられる。
The lithium-ion
電極体20は、図1および図2に示されるように、長尺シート状の正極50と、長尺シート状の負極60とが、2枚の長尺シート状のセパレータ70を介して積層され、捲回軸を中心として捲回された捲回電極体である。正極50は、正極集電体52と、該正極集電体52の片面または両面の長手側方向に形成された正極活物質層54とを備えている。正極集電体52の捲回軸方向(即ち、上記長手側方向に直交するシート幅方向)の片側の縁部には、該縁部に沿って帯状に正極活物質層54が形成されずに正極集電体52が露出した部分(即ち、正極集電体露出部52a)が設けられている。また、負極60は、負極集電体62と、該負極集電体62の片面または両面の長手側方向に形成された負極活物質層64とを備えている。負極集電体62の上記捲回軸方向の片側の反対側の縁部には、該縁部に沿って帯状に負極活物質層64が形成されずに負極集電体62が露出した部分(即ち、負極集電体露出部62a)が設けられている。正極集電体露出部52aと負極集電体露出部62aには、それぞれ正極集電板42aおよび負極集電板44aが接合されている。正極集電板42aは、外部接続用の正極端子42と電気的に接続されており、電池ケース30の内部と外部との導通を実現している。同様に、負極集電板44aは、外部接続用の負極端子44と電気的に接続されており、電池ケース30の内部と外部との導通を実現している。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
正極50を構成する正極集電体52としては、例えば、アルミニウム箔が挙げられる。正極活物質層54は、ここで開示される正極活物質を備える。また、正極活物質層54は、導電材、バインダ等を含んでいてもよい。導電材としては、例えばアセチレンブラック(AB)等のカーボンブラックやその他(グラファイト等)の炭素材料を好適に使用し得る。バインダとしては、例えばポリフッ化ビニリデン(PVDF)等を使用し得る。
Examples of the positive electrode
負極60を構成する負極集電体62としては、例えば、銅箔等が挙げられる。負極活物質層64は、負極活物質を備える。負極活物質としては、例えば黒鉛、ハードカーボン、ソフトカーボン等の炭素材料を使用し得る。また、負極活物質層64は、バインダ、増粘剤等をさらに含んでいてもよい。バインダとしては、例えばスチレンブタジエンラバー(SBR)等を使用し得る。増粘剤としては、例えばカルボキシメチルセルロース(CMC)等を使用し得る。
Examples of the negative electrode
セパレータ70としては、従来からリチウムイオン二次電池に用いられるものと同様の各種微多孔質シートを用いることができ、例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)等の樹脂から成る微多孔質樹脂シートが挙げられる。かかる微多孔質樹脂シートは、単層構造であってもよく、二層以上の複層構造(例えば、PE層の両面にPP層が積層された三層構造)であってもよい。また、セパレータ70の表面には、耐熱層(HRL)を備えていてもよい。
As the
非水電解質は従来のリチウムイオン二次電池と同様のものを使用可能であり、典型的には有機溶媒(非水溶媒)中に、支持塩を含有させたものを用いることができる。非水溶媒としては、カーボネート類、エステル類、エーテル類等の非プロトン性溶媒を用いることができる。なかでも、カーボネート類、例えば、エチレンカーボネート(EC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)等を好適に採用し得る。あるいは、モノフルオロエチレンカーボネート(MFEC)、ジフルオロエチレンカーボネート(DFEC)、モノフルオロメチルジフルオロメチルカーボネート(F-DMC)、トリフルオロジメチルカーボネート(TFDMC)のようなフッ素化カーボネート等のフッ素系溶媒を好ましく用いることができる。このような非水溶媒は、1種を単独で、あるいは2種以上を適宜組み合わせて用いることができる。支持塩としては、例えば、LiPF6、LiBF4、LiClO4等のリチウム塩を好適に用いることができる。支持塩の濃度は、特に限定されるものではないが、0.7mol/L以上1.3mol/L以下程度が好ましい。
なお、上記非水電解質は、本発明の効果を著しく損なわない限りにおいて、上述した非水溶媒、支持塩以外の成分を含んでいてもよく、例えば、ガス発生剤、被膜形成剤、分散剤、増粘剤等の各種添加剤を含み得る。
The same non-aqueous electrolyte as used in conventional lithium ion secondary batteries can be used, and typically an organic solvent (non-aqueous solvent) containing a supporting electrolyte can be used. Aprotic solvents such as carbonates, esters and ethers can be used as the non-aqueous solvent. Among them, carbonates such as ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), ethylmethyl carbonate (EMC) and the like can be preferably used. Alternatively, fluorine-based solvents such as fluorinated carbonates such as monofluoroethylene carbonate (MFEC), difluoroethylene carbonate (DFEC), monofluoromethyldifluoromethyl carbonate (F-DMC), and trifluorodimethyl carbonate (TFDMC) are preferably used. be able to. Such non-aqueous solvents can be used singly or in combination of two or more. Lithium salts such as LiPF 6 , LiBF 4 and LiClO 4 can be suitably used as supporting salts. The concentration of the supporting salt is not particularly limited, but is preferably about 0.7 mol/L or more and 1.3 mol/L or less.
The non-aqueous electrolyte may contain components other than the above-described non-aqueous solvent and supporting salt as long as they do not significantly impair the effects of the present invention. Various additives such as thickeners may be included.
ここで開示される正極活物質は、スピネル型結晶構造のリチウムマンガン複合酸化物で構成されている。スピネル型結晶構造のリチウムマンガン複合酸化物は、スピネル型結晶構造を有し、構成元素として、少なくともリチウム、マンガンおよび酸素を含有する酸化物のことである。また、リチウムマンガン複合酸化物は、1種または2種以上の添加的な元素を含み得る。ここで開示される正極活物質においては、リチウムマンガン複合酸化物はアルミニウム原子およびマグネシウム原子のうち少なくとも一方を含有する。
即ち、典型的なスピネル型結晶構造のリチウムマンガン複合酸化物としては、一般式:
Li1+zMn2-x-y-zMyMexO4
(式中、MはAlおよびMgの少なくともどちらか一方を表し、Meは存在しない、もしくは少なくとも一種の金属元素を表し、x、y、zはそれぞれ、0≦x≦0.25、0<y≦0.25、0<z≦0.15、x+y≦0.25を具備する)で表される化合物が挙げられる。添加的な元素(Me)の例としては、Co、Ni、Ca、Ti、V、Cr、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W、Na、Fe、Zn、Sn等の遷移金属元素や典型金属元素等であり得る。
なお、上記一般式中のyは典型的には0<y≦0.25であり、好ましくは0.05≦y≦0.1である。かかる範囲であれば、優れた容量維持率を有し、初期抵抗と、サイクル試験後の抵抗増加率とに優れた低減効果を発揮するリチウムイオン二次電池を提供することができる。
なお、正極活物質の平均化学組成は、公知の方法で測定すればよく、例えば、誘導結合プラズマ(ICP)発光分光分析により測定することができる。
The positive electrode active material disclosed herein is composed of a lithium-manganese composite oxide having a spinel-type crystal structure. A lithium-manganese composite oxide having a spinel crystal structure is an oxide having a spinel crystal structure and containing at least lithium, manganese and oxygen as constituent elements. Also, the lithium-manganese composite oxide may contain one or more additional elements. In the positive electrode active material disclosed here, the lithium-manganese composite oxide contains at least one of aluminum atoms and magnesium atoms.
That is, as a typical spinel-type crystal structure lithium-manganese composite oxide, the general formula:
Li 1+z Mn 2-xyz M y Me x O 4
(In the formula, M represents at least one of Al and Mg, Me represents no or at least one metal element, and x, y, and z are respectively 0 ≤ x ≤ 0.25, 0 < y ≤0.25, 0<z≤0.15, and x+y≤0.25). Examples of the additive element (Me) include transition metal elements such as Co, Ni, Ca, Ti, V, Cr, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Na, Fe, Zn and Sn. or typical metal elements.
Incidentally, y in the above general formula is typically 0<y≤0.25, preferably 0.05≤y≤0.1. Within this range, it is possible to provide a lithium ion secondary battery that has an excellent capacity retention rate and exhibits an excellent reduction effect on the initial resistance and the resistance increase rate after the cycle test.
The average chemical composition of the positive electrode active material may be measured by a known method, for example, by inductively coupled plasma (ICP) emission spectrometry.
図3はここで開示される正極活物質を構成する二次粒子の構成を模式的に示した断面図である。図3に示すように、ここで開示される正極活物質は、一次粒子12が複数集合した二次粒子10を含んでおり、空隙14を有した多孔質粒子である。
なお、本明細書において、「一次粒子」とは、正極活物質を構成する粒子の最小単位をいい、具体的には、外見上の幾何学的形態から判断した最小の単位をいう。また、かかる一次粒子の集合物を「二次粒子」という。
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of secondary particles that constitute the positive electrode active material disclosed herein. As shown in FIG. 3 , the positive electrode active material disclosed herein is a porous particle containing
In this specification, the term "primary particle" refers to the smallest unit of particles that constitute the positive electrode active material, specifically the smallest unit determined from the apparent geometrical form. Aggregates of such primary particles are called "secondary particles".
一次粒子12のSEM像に基づく平均粒子径は、2μm以上5μm以下であることが好ましく、さらに2μm以上4μm以下であることがさらに好ましい。かかる範囲よりも小さい粒子では、比表面積が大きくなるため、マンガン原子の溶出が起きやすくなり得る。また、かかる範囲よりも大きい粒子では、サイクル試験時に粒子の割れが起こりやすくなり、マンガン原子が溶出し易くなり得る。そのため、かかる範囲内の平均一次粒子径とすることにより、マンガン原子の溶出を高いレベルで抑制し得り、初期抵抗およびサイクル試験後の抵抗増加率が低減し、かつ、容量維持率を向上させることができ得る。
The average particle size of the
また、二次粒子10を構成する一次粒子12のSEM像に基づく平均最大粒子径は5μm以上であることが好ましい。即ち、個々の二次粒子10を構成する一次粒子12における最大一次粒子径の平均が5μm以上であることが好ましい。また、一次粒子12のSEM像に基づく平均最大粒子径は例えば12μm未満であり、10μm以下であることが好ましく、8μm以下であることがより好ましい。二次粒子がかかる大きさの一次粒子を有することにより、リチウムイオンの固相内拡散性が向上し得り、電気抵抗を低減させ得る。また、比表面積が低減するため、マンガン原子の溶出を抑制し得る。さらに、かかる大きさの一次粒子を軸に所定の空隙率で他の一次粒子が配置されることで、サイクル試験の際の粒子の割れが生じ難くなる。
Further, the average maximum particle size based on the SEM image of the
ここで開示される正極活物質の一次粒子径は、走査電子顕微鏡(SEM)を用いて観察された画像に基づいて測定することができる。具体的な一例としては、まず、一般的なレーザー解析・光散乱法に基づく粒度分布測定装置を用いて体積基準の粒度分布を測定し、小さな粒子側からの累積50体積%に相当する粒子径(メジアン径:D50)を測定する。次に、SEMにより正極活物質を複数箇所観察し、複数のSEM画像を取得する。その後、該複数のSEM画像においてD50に相当する大きさの二次粒子を無作為に複数(例えば30個以上)選択する。そして、画像解析ソフト(例えば、マイクロトラックベル株式会社製品であるViewtrac(商標))を用いることによって、上記選択した二次粒子を構成する一次粒子の平均粒子径を算出することができる。本明細書において「平均一次粒子径」とは、かかる方法で算出されたものをいう。なお、SEM画像の濃淡や色調の差を利用することで、一次粒子を自動判別することができる。
また、上記選択した複数の二次粒子それぞれにおいて、該二次粒子を構成する一次粒子の中で最も大きい一次粒子に対して、該一次粒子の最長の径の長さを長径と規定し、該長径と直角に交わる線のうち最長の径の長さを短径と規定する。そして、該長径と該短径とからなる楕円の面積から円相当径を換算することによって、二次粒子を構成する一次粒子の最大粒子径を算出することができる。本明細書において、このように算出した最大粒子径の平均値を「一次粒子の平均最大粒子径」という。
The primary particle size of the positive electrode active material disclosed herein can be measured based on an image observed using a scanning electron microscope (SEM). As a specific example, first, the volume-based particle size distribution is measured using a particle size distribution measuring device based on a general laser analysis/light scattering method, and the particle diameter corresponding to the cumulative 50% by volume from the small particle side (median diameter: D50) is measured. Next, the positive electrode active material is observed at multiple locations by SEM, and multiple SEM images are acquired. After that, a plurality of (for example, 30 or more) secondary particles having a size corresponding to D50 are randomly selected from the plurality of SEM images. Then, by using image analysis software (for example, Viewtrac (trademark), a product of Microtrack Bell Co., Ltd.), the average particle size of the primary particles constituting the selected secondary particles can be calculated. As used herein, the term "average primary particle size" refers to that calculated by such a method. The primary particles can be automatically identified by utilizing the difference in shade and color tone of the SEM image.
Further, in each of the selected plurality of secondary particles, the length of the longest diameter of the primary particle is defined as the major diameter with respect to the largest primary particle among the primary particles constituting the secondary particles, and the The length of the longest diameter among the lines perpendicular to the major diameter is defined as the minor diameter. By converting the equivalent circle diameter from the area of the ellipse defined by the major axis and the minor axis, the maximum particle size of the primary particles constituting the secondary particles can be calculated. In this specification, the average value of the maximum particle diameters calculated in this manner is referred to as "the average maximum particle diameter of the primary particles".
二次粒子10が備える空隙14は、開口していても、開口していなくてもよい。また、開口している場合、1つの空隙が2以上の開口部を有していてもよい。
The
ここで開示される正極活物質は、その断面SEM像において、該活物質を構成する二次粒子10が占有する面積に対する空隙14の面積の割合(空隙率)の平均値は、10%以上40%以下であることが好ましく、15%以上30%以下であることがさらに好ましい。空隙率が小さすぎると、電解質と反応する表面積が小さくなりすぎるため、初期抵抗が高くなり得る。また、空隙率が大きすぎると、電解質と反応する表面積が大きくなりすぎるため、マンガン原子が溶出し易くなり得る。そのため、空隙率を上記範囲内とすることにより、初期抵抗値を適切に低下させ、かつ、マンガン原子の溶出を適切に抑制させることができ得る。また、かかる範囲の空隙率にすることにより、二次粒子の機械的強度も向上するため、充放電の際に起こり得る粒子の割れが適切に抑制される。
In the cross-sectional SEM image of the positive electrode active material disclosed here, the average value of the ratio (porosity) of the area of the
なお、本明細書において、空隙率は以下のように求めることができる。まず、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて、断面SEM画像を複数の視野で複数取得する。次に、該断面SEM画像において、D50に相当する大きさの二次粒子を無作為に複数(例えば30個以上)選択する。各二次粒子断面において、オープンソースであり、パブリックドメインの画像処理ソフトウェアとして著名な「ImageJ」を用いて、一次粒子が存在する部分を例えば白色、一次粒子が存在しない空隙部分を例えば黒色とする二値化処理を行う。次に、一次粒子が存在する部分(白色部分)の面積をNW、空隙部分(黒色部分)の面積をNBとして、「NB/(NW+NB)×100」を算出することにより、空隙率を求めることができる。そして、上記選択した複数の二次粒子の空隙率の平均値を平均空隙率とする。なお、空隙が開口部を有する場合は、空隙の輪郭が閉じていない。この場合には、開口部の両端を直線で結び、該直線と一次粒子の輪郭とに囲まれる部分を空隙の面積とする。 In addition, in this specification, a porosity can be calculated|required as follows. First, using a scanning electron microscope (SEM), a plurality of cross-sectional SEM images are acquired in a plurality of fields of view. Next, in the cross-sectional SEM image, a plurality (for example, 30 or more) of secondary particles having a size corresponding to D50 are randomly selected. In each secondary particle cross section, using "ImageJ", which is an open source and well-known public domain image processing software, the part where the primary particle exists is colored white, and the void part where the primary particle does not exist is colored black. Perform binarization processing. Next, the area of the part where the primary particles are present (white part) is NW, the area of the void part (black part) is NB, and "NB / (NW + NB) × 100" is calculated to obtain the porosity. can be done. Then, the average porosity of the selected plurality of secondary particles is taken as the average porosity. Note that when the gap has an opening, the contour of the gap is not closed. In this case, both ends of the opening are connected by a straight line, and the area surrounded by the straight line and the outline of the primary particles is defined as the area of the void.
次に、ここで開示される正極活物質の好適な製造方法について説明する。なお、ここで開示される正極活物質の製造方法は下記に限られない。 Next, a suitable method for producing the positive electrode active material disclosed herein will be described. In addition, the manufacturing method of the positive electrode active material disclosed here is not restricted to the following.
ここで開示される正極活物質の好適な製造方法は、少なくともマンガンを含む水酸化物粒子を前駆体粒子として析出する工程(以下、「前駆体析出工程」ともいう)と、該前駆体粒子とリチウム化合物との混合物を得る工程(以下、「混合工程」ともいう)と、当該混合物を焼成してリチウムマンガン複合酸化物を得る工程(以下、「焼成工程」ともいう)と、を包含する。 A preferred method for producing the positive electrode active material disclosed herein includes a step of depositing hydroxide particles containing at least manganese as precursor particles (hereinafter also referred to as a “precursor deposition step”); It includes a step of obtaining a mixture with a lithium compound (hereinafter also referred to as a “mixing step”) and a step of firing the mixture to obtain a lithium-manganese composite oxide (hereinafter also referred to as a “firing step”).
まず、前駆体析出工程について説明する。前駆体析出工程は、通常の正極活物質の製造における公知方法と同様であってよい。まず、マンガン化合物が溶解した水溶液を準備する。マンガン化合物としては、例えば硫酸マンガン、硝酸マンガン、ハロゲン化マンガン等の水溶性化合物を用いることができる。また、アルカリ化合物の水溶液を準備する。アルカリ化合物としては、例えば、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等を用いることができるが、水酸化ナトリウムを用いることが好ましい。また、アンモニア水を準備する。 First, the precursor deposition step will be described. The precursor deposition step may be the same as a known method in the production of normal positive electrode active materials. First, prepare an aqueous solution in which a manganese compound is dissolved. As the manganese compound, for example, water-soluble compounds such as manganese sulfate, manganese nitrate, and manganese halide can be used. Also, an aqueous solution of an alkaline compound is prepared. As the alkali compound, for example, lithium hydroxide, sodium hydroxide, potassium hydroxide, etc. can be used, and sodium hydroxide is preferably used. Prepare ammonia water.
次に、30℃~60℃の反応容器中に水(好ましくはイオン交換水)を加え、撹拌する。雰囲気を不活性ガス(例えばN2ガス、Arガスなどであるが、微量の酸素を含んでもよい)で置換しながら撹拌を続け、アルカリ化合物の水溶液を加えpHを調整する(例えばpH10~13)。
撹拌を続けながら、マンガン化合物の水溶液とアンモニア水とを反応容器に添加する。このとき、これらの添加により反応容器中のpHが低下するため、アルカリ化合物の水溶液により反応容器中のpHを10~13の範囲に調整する。その後、反応容器を所定時間(例えば1~3時間)静置して、前駆体粒子(水酸化物粒子)を十分に沈殿させる。その後、吸引濾過等によって前駆体粒子を回収し、水洗後、乾燥(例えば、120℃で一晩乾燥)を行う。これにより、前駆体粒子の粉末を得ることができる。
なお、このとき得られる前駆体粒子は空隙を持った多孔質構造を有する。沈殿の生成とともにpHを変化(例えばpH11~13の範囲からpH10~12の範囲に変化)させることによって、前駆体粒子の空隙率を上昇させることができ、そのときのpHの保持時間、pH変化の幅、変化速度を調整することで空隙率を調整することができる。
Next, water (preferably ion-exchanged water) is added to the reactor at 30°C to 60°C and stirred. Stirring is continued while replacing the atmosphere with an inert gas (for example, N 2 gas, Ar gas, etc., but may contain a trace amount of oxygen), and an aqueous solution of an alkaline compound is added to adjust the pH (for example,
An aqueous solution of a manganese compound and aqueous ammonia are added to the reaction vessel while stirring is continued. At this time, since the pH in the reaction vessel is lowered by the addition of these, the pH in the reaction vessel is adjusted to the range of 10 to 13 with an aqueous solution of an alkaline compound. After that, the reaction vessel is allowed to stand for a predetermined time (for example, 1 to 3 hours) to sufficiently precipitate the precursor particles (hydroxide particles). Thereafter, the precursor particles are collected by suction filtration or the like, washed with water, and dried (for example, dried at 120° C. overnight). Thereby, a powder of precursor particles can be obtained.
The precursor particles obtained at this time have a porous structure with voids. The porosity of the precursor particles can be increased by changing the pH (for example, changing from the range of pH 11 to 13 to the range of
次に、混合工程について説明する。上記前駆体析出工程で得られた前駆体粒子の粉末と、リチウム化合物の粉末と、アルミニウム化合物及び/又はマグネシウム化合物の粉末とを混合する。混合には、公知の混合装置(例えば、シェーカミキサ、Vブレンダ、リボンミキサ、ジュリアミキサ、レーディゲミキサ等)を用いて、公知方法に従って混合することにより、混合物を得ることができる。なお、混合する粉末の混合比を調整することにより、所望する元素比の正極活物質とすることができる。
ここで用いるリチウム化合物、アルミニウム化合物、マグネシウム化合物は焼成により酸化物に変換される化合物を使用し得る。リチウム化合物としては、例えば、炭酸リチウム、硝酸リチウム、水酸化リチウム等を使用し得る。アルミニウム化合物としては、例えば、炭酸アルミニウム、硝酸アルミニウム、水酸化アルミニウム等を使用し得る。また、マグネシウム化合物としては、例えば、炭酸マグネシウム、硝酸マグネシウム、水酸化マグネシウム等を使用し得る。
Next, the mixing process will be described. The precursor particle powder obtained in the precursor deposition step, the lithium compound powder, and the aluminum compound and/or magnesium compound powder are mixed. For mixing, a mixture can be obtained by mixing according to a known method using a known mixing device (eg, shaker mixer, V blender, ribbon mixer, Julia mixer, Loedige mixer, etc.). By adjusting the mixing ratio of the powders to be mixed, it is possible to obtain a positive electrode active material having a desired elemental ratio.
Lithium compounds, aluminum compounds, and magnesium compounds used here may be compounds that are converted to oxides by firing. Examples of lithium compounds that can be used include lithium carbonate, lithium nitrate, and lithium hydroxide. Examples of aluminum compounds that can be used include aluminum carbonate, aluminum nitrate, and aluminum hydroxide. Moreover, as a magnesium compound, magnesium carbonate, magnesium nitrate, magnesium hydroxide, etc. can be used, for example.
次に、焼成工程について説明する。上記混合工程で得られた混合物の焼成は、例えば、バッチ式の電気炉、連続式の電気炉等を用いて行うことができる。得られた混合物を加圧成型した後、大気雰囲気中で500℃~600℃で6時間~12時間加熱する。その後冷却し、加圧成型された混合物を粉砕する。次に、粉砕した混合物に所定の濃度の融剤(典型的には該混合物に対して、0.1質量%以上50質量%以下)を添加する。かかる融剤の添加により、一次粒子の粒成長を部分的に促進することができ得るため、二次粒子を構成する一次粒子のうち一部の粒子径を大きくすることができる。融剤の種類は特に限定されるものではなく、公知の融剤(例えばB2O3粉末)を用いることができる。なお、混合する融剤の量(濃度)を調整することにより、一次粒子の粒子径を調整することができる。
次に、融剤を添加した混合物を再度成型する。再度成型した混合物を800℃~1000℃で2時間~24時間焼成する。その後、例えば700℃で12時間~48時間のアニール処理を行う。アニール処理後、冷却し、再度粉体を粉砕することで正極活物質を得ることができる。なお、焼成時の昇温速度は、例えば5℃/分~40℃/分で実施することができる。
なお、焼成温度、焼成時間を調整することによっても一次粒子の粒子径を調整することができる。
Next, the firing process will be described. The mixture obtained in the mixing step can be fired using, for example, a batch-type electric furnace, a continuous-type electric furnace, or the like. After pressure-molding the obtained mixture, it is heated at 500° C. to 600° C. for 6 to 12 hours in an air atmosphere. It is then cooled and the pressure-molded mixture is pulverized. Next, a flux of a predetermined concentration (typically 0.1% by mass or more and 50% by mass or less relative to the mixture) is added to the pulverized mixture. By adding such a flux, the grain growth of the primary particles can be partially promoted, so that the particle diameter of some of the primary particles constituting the secondary particles can be increased. The type of flux is not particularly limited, and a known flux (for example, B 2 O 3 powder) can be used. The particle size of the primary particles can be adjusted by adjusting the amount (concentration) of the mixed flux.
The fluxed mixture is then molded again. The reshaped mixture is fired at 800° C. to 1000° C. for 2 hours to 24 hours. After that, annealing treatment is performed, for example, at 700° C. for 12 to 48 hours. After the annealing treatment, it is cooled and the powder is pulverized again to obtain the positive electrode active material. The heating rate during firing can be, for example, 5° C./min to 40° C./min.
The particle size of the primary particles can also be adjusted by adjusting the firing temperature and firing time.
リチウムイオン二次電池100は、各種用途に利用可能である。例えば、車両に搭載されるモーター用の高出力動力源(駆動用電源)として好適に用いることができる。車両の種類は特に限定されないが、典型的には自動車、例えばプラグインハイブリッド自動車(PHV)、ハイブリッド自動車(HV)、電気自動車(EV)等が挙げられる。リチウムイオン二次電池100は、複数個が電気的に接続された組電池の形態で使用することもできる。
The lithium ion
以上、一例として扁平形状の捲回電極体を備えた角型の非水電解液リチウムイオン二次電池について説明した。しかしながら、これは一例に過ぎず限定されるものではない。例えば、捲回電極体の代わりに、シート状の正極とシート状の負極とがセパレータを介して交互に積層された積層電極体を備えた非水電解質二次電池であってもよい。また、電解質としてポリマー電解質を使用するポリマー電池であっても良い。また、角型電池ケースの代わりに、円筒型、コイン型等の形状の電池ケースを用いても良く、電池ケースの代わりにラミネートフィルムを用いたラミネート型二次電池であってもよい。 As an example, the prismatic non-aqueous electrolyte lithium ion secondary battery having the flat wound electrode assembly has been described above. However, this is only an example and is not limiting. For example, instead of the wound electrode body, a non-aqueous electrolyte secondary battery may be provided with a laminated electrode body in which sheet-like positive electrodes and sheet-like negative electrodes are alternately laminated via separators. Moreover, it may be a polymer battery using a polymer electrolyte as the electrolyte. Further, instead of the rectangular battery case, a cylindrical battery case, a coin-shaped battery case, or the like may be used, and a laminated secondary battery using a laminate film may be used instead of the battery case.
以下、本発明に関する実施例を説明するが、本発明をかかる実施例に示すものに限定することを意図したものではない。 EXAMPLES Examples relating to the present invention will be described below, but the present invention is not intended to be limited to those shown in the examples.
<正極活物質の準備>
(前駆体の準備)
〔例1~16〕
イオン交換水に硫酸マンガンを溶解させ、所定の濃度となるように硫酸マンガン水溶液を調製した。また、イオン交換水を用いて水酸化ナトリウム水溶液およびアンモニア水溶液をそれぞれ調製した。
イオン交換水を30℃~60℃の範囲内に保ちながら撹拌し、上記水酸化ナトリウム水溶液によりpHを調整した。そして、該pHに制御しながら、上記硫酸マンガン水溶液、水酸化ナトリウム水溶液およびアンモニア水溶液を加えることにより、共沈生成物(水酸化物粒子)を得た。このとき、沈殿の生成とともに制御pHを変化させることで、水酸化物粒子の空隙率を調整した。得られた水酸化物粒子をろ過し、水洗した後、120℃のオーブン内で乾燥させて水酸化物粉末(正極活物質前駆体粉末)を得た。なお、ここで用いたイオン交換水は、あらかじめ不活性ガスを通気させて溶存酸素を取り除いてから使用した。
<Preparation of positive electrode active material>
(precursor preparation)
[Examples 1 to 16]
Manganese sulfate was dissolved in ion-exchanged water to prepare an aqueous manganese sulfate solution having a predetermined concentration. Also, an aqueous sodium hydroxide solution and an aqueous ammonia solution were prepared using ion-exchanged water.
The ion-exchanged water was stirred while being kept within the range of 30° C. to 60° C., and the pH was adjusted with the aqueous sodium hydroxide solution. Then, while controlling the pH, the manganese sulfate aqueous solution, the sodium hydroxide aqueous solution and the ammonia aqueous solution were added to obtain a coprecipitation product (hydroxide particles). At this time, the porosity of the hydroxide particles was adjusted by changing the controlled pH along with the formation of the precipitate. The resulting hydroxide particles were filtered, washed with water, and dried in an oven at 120° C. to obtain hydroxide powder (positive electrode active material precursor powder). The ion-exchanged water used here was used after removing dissolved oxygen by passing an inert gas in advance.
(混合工程)
〔例1〕
得られた水酸化物粉末と水酸化リチウム粉末を、リチウム(Li)のマンガン(Mn)に対するモル比(Li/Mn)が0.58となる(即ちLi:Mg=1.1:1.9)ように混合した。
〔例2~8〕
得られた水酸化物粉末と、水酸化マグネシウム粉末と、水酸化リチウム粉末とを混合した。このとき、リチウム(Li):マグネシウム(Mg):マンガン(Mn)=1.1:0.05:1.85のモル比となるようにした。
〔例9〕
得られた水酸化物粉末と、水酸化マグネシウム粉末と、水酸化リチウム粉末とを混合した。このとき、リチウム(Li):マグネシウム(Mg):マンガン(Mn)=1.05:0.1:1.85のモル比となるようにした。
〔例10〕
得られた水酸化物粉末と、水酸化マグネシウム粉末と、水酸化リチウム粉末とを混合した。このとき、リチウム(Li):マグネシウム(Mg):マンガン(Mn)=1.15:0.05:1.8のモル比となるようにした。
〔例11~16〕
得られた水酸化物粉末と、水酸化アルミニウム粉末と、水酸化リチウム粉末とを混合した。このとき、リチウム(Li):アルミニウム(Al):マンガン(Mn)=1.1:0.1:1.8のモル比となるようにした。
(Mixing process)
[Example 1]
The obtained hydroxide powder and lithium hydroxide powder were mixed so that the molar ratio (Li/Mn) of lithium (Li) to manganese (Mn) was 0.58 (that is, Li:Mg=1.1:1.9). ) was mixed.
[Examples 2 to 8]
The obtained hydroxide powder, magnesium hydroxide powder, and lithium hydroxide powder were mixed. At this time, the molar ratio of lithium (Li):magnesium (Mg):manganese (Mn)=1.1:0.05:1.85 was set.
[Example 9]
The obtained hydroxide powder, magnesium hydroxide powder, and lithium hydroxide powder were mixed. At this time, the molar ratio of lithium (Li):magnesium (Mg):manganese (Mn)=1.05:0.1:1.85.
[Example 10]
The obtained hydroxide powder, magnesium hydroxide powder, and lithium hydroxide powder were mixed. At this time, the molar ratio of lithium (Li):magnesium (Mg):manganese (Mn)=1.15:0.05:1.8 was set.
[Examples 11 to 16]
The obtained hydroxide powder, aluminum hydroxide powder, and lithium hydroxide powder were mixed. At this time, the molar ratio of lithium (Li):aluminum (Al):manganese (Mn)=1.1:0.1:1.8 was set.
(焼成工程)
〔例1~16〕
上記粉末を混合した混合物を、加圧成型して大気雰囲気中550℃で12時間加熱し、冷却後、粉砕した。粉砕後、一次粒子の粒成長を部分的に促進させるため、融剤として所定の濃度(当該混合物に対して、0.1質量%以上50質量%以下)のB2O3を添加した。その後、B2O3が添加された混合物を再成型し、800℃~1000℃で2時間から24時間焼成後、700℃で12時間から48時間アニール処理を行った。なお、上記焼成時の昇温速度は5℃/分~40℃/分とした。冷却後、得られた混合物を粉砕することで、正極活物質を得た。なお、B2O3の濃度、焼成温度、焼成時間を調整することにより一次粒子径を調整した。
(Baking process)
[Examples 1 to 16]
The mixture obtained by mixing the above powders was molded under pressure, heated at 550° C. for 12 hours in an air atmosphere, cooled, and then pulverized. After pulverization, B 2 O 3 was added as a flux at a predetermined concentration (0.1% by mass or more and 50% by mass or less with respect to the mixture) in order to partially promote grain growth of primary particles. After that, the mixture to which B 2 O 3 was added was remolded, baked at 800° C. to 1000° C. for 2 hours to 24 hours, and then annealed at 700° C. for 12 hours to 48 hours. The rate of temperature increase during the firing was set at 5° C./min to 40° C./min. After cooling, the obtained mixture was pulverized to obtain a positive electrode active material. The primary particle size was adjusted by adjusting the concentration of B 2 O 3 , the sintering temperature, and the sintering time.
<評価用リチウムイオン二次電池の作製>
評価用リチウム二次電池として、上記作製した正極活物質と、導電材としてのカーボンブラック(CB)と、バインダとしてのポリフッ化ビニリデン(PVDF)とを、正極活物質:CB:PVDF=90:8:2の質量比となるようにN-メチル-2-ピロリドン中で混合し、正極活物質層形成用ペーストを調製した。このペーストをアルミニウム箔集電体に塗布し、乾燥した後プレスすることにより、シート状の正極を作製した。
負極活物質として、天然黒鉛(C)と、バインダとしてのスチレンブタジエンラバー(SBR)と、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース(CMC)とを、C:SBR:CMC=98:1:1の質量比となるようにイオン交換水中で混合して、負極活物質層形成用ペーストを調製した。このペーストを銅箔集電体に塗布し、乾燥した後プレスすることにより、シート状の負極を作製した。
また、セパレータとしてPP/PE/PPの三層構造を有する多孔性ポリオレフィンシートを用意した。
作製したシート状の正極と負極とをセパレータを介して対向させて積層し、積層型電極体を作製した。該積層型電極体に集電端子を取り付け、アルミラミネート型袋に収容した。そして、積層電極体に非水電解液を含浸させ、該アルミラミネート型袋の開口部を封止し密閉することによって評価用リチウムイオン二次電池を作製した。非水電解液としては、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)とエチルメチルカーボネート(EMC)とを3:4:3の体積比で含む混合溶媒に、支持塩としてのLiPF6を1.0mol/Lの濃度で溶解させたものを用いた。
<Production of lithium-ion secondary battery for evaluation>
As a lithium secondary battery for evaluation, the positive electrode active material prepared above, carbon black (CB) as a conductive material, and polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder were combined into a positive electrode active material: CB: PVDF = 90: 8. :2 in N-methyl-2-pyrrolidone to prepare a paste for forming a positive electrode active material layer. This paste was applied to an aluminum foil current collector, dried and then pressed to produce a sheet-like positive electrode.
As the negative electrode active material, natural graphite (C), styrene-butadiene rubber (SBR) as a binder, and carboxymethyl cellulose (CMC) as a thickener were mixed at a mass ratio of C: SBR: CMC = 98: 1: 1. A paste for forming a negative electrode active material layer was prepared by mixing in ion-exchanged water such that This paste was applied to a copper foil current collector, dried, and then pressed to prepare a sheet-like negative electrode.
Also, a porous polyolefin sheet having a three-layer structure of PP/PE/PP was prepared as a separator.
The produced sheet-like positive electrode and negative electrode were laminated so as to face each other with a separator interposed therebetween to produce a laminated electrode body. A collector terminal was attached to the laminated electrode assembly, and the assembly was placed in an aluminum laminate bag. Then, the laminated electrode body was impregnated with a non-aqueous electrolyte, and the opening of the aluminum laminate type bag was sealed to produce a lithium ion secondary battery for evaluation. As the non-aqueous electrolyte, LiPF 6 as a supporting salt was added to a mixed solvent containing ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC) and ethyl methyl carbonate (EMC) in a volume ratio of 3:4:3. A solution dissolved at a concentration of 0 mol/L was used.
<正極活物質の構造評価>
上記作製した正極活物質それぞれに対してレーザー回折式粒度分布測定装置を用いてメジアン径(D50)を測定した。
次に、上記作製した正極活物質のSEM像をそれぞれ複数取得した。得られたSEM像の中から、それぞれD50に相当する大きさの二次粒子を任意(無作為)に30個ずつ選択した。該選択した30個の二次粒子を構成する一次粒子の平均一次粒子径を算出し、表1に示した。また、上記選択した30個の二次粒子それぞれにおいて、一次粒子の最大粒子径を測定し、その平均値を「平均最大一次粒子径」として表1に示した。
また、上記作製した正極活物質の断面SEM像を取得した。該断面SEM像から、D50に相当する大きさの二次粒子を任意(無作為)に30個選択し、該二次粒子の平均空隙率を求めた。その結果を表1に示した。
<Structure Evaluation of Positive Electrode Active Material>
The median diameter (D50) of each positive electrode active material prepared above was measured using a laser diffraction particle size distribution analyzer.
Next, a plurality of SEM images of the positive electrode active material prepared above were obtained. From the obtained SEM image, 30 secondary particles each having a size corresponding to D50 were arbitrarily (randomly) selected. The average primary particle size of the primary particles constituting the selected 30 secondary particles was calculated and shown in Table 1. In addition, the maximum particle size of the primary particles was measured for each of the 30 secondary particles selected above, and the average value is shown in Table 1 as the "average maximum primary particle size."
In addition, a cross-sectional SEM image of the positive electrode active material prepared above was obtained. From the cross-sectional SEM image, 30 secondary particles having a size corresponding to D50 were arbitrarily (randomly) selected, and the average porosity of the secondary particles was determined. The results are shown in Table 1.
<正極活物質の組成分析>
上記作製した正極活物質に対して、誘導結合プラズマ(ICP)発光分光分析を行い、各元素の含有量を測定した。
<Composition analysis of positive electrode active material>
Inductively coupled plasma (ICP) emission spectroscopic analysis was performed on the positive electrode active material prepared above to measure the content of each element.
<活性化処理および初期放電容量の測定>
上記作製した各評価用リチウムイオン二次電池を0.1Cの電流値で4.2Vまで定電流充電を行った後、定電圧充電時の電流値が1/50Cになるまで定電圧充電を行い、満充電状態にした。その後、定電流方式により、各評価用リチウムイオン二次電池を0.1Cの電流値で3.0Vまで放電し、このときの放電容量を初期放電容量とした。なお、上記充放電の操作は25℃で行った。
<Activation treatment and measurement of initial discharge capacity>
After performing constant current charging to 4.2 V at a current value of 0.1 C, each lithium ion secondary battery for evaluation prepared above was subjected to constant voltage charging until the current value during constant voltage charging became 1/50 C. , fully charged. Thereafter, each evaluation lithium ion secondary battery was discharged to 3.0 V at a current value of 0.1 C by a constant current method, and the discharge capacity at this time was taken as the initial discharge capacity. The charge/discharge operation was performed at 25°C.
<初期電池抵抗の測定>
各評価用リチウムイオン二次電池を、電池容量の50%(SOC=50%)の状態に調整した。次に、-10℃の環境下で種々の電流値で電流を流し、2秒後の電池電圧を測定した。上記流した電流と電圧変化を直線補間し、その傾きから電池抵抗(初期電池抵抗)を算出した。そして、例1の初期抵抗を1.00としたとき初期抵抗の相対値を算出した。その結果を表1に示す。
<Measurement of initial battery resistance>
Each lithium ion secondary battery for evaluation was adjusted to a state of 50% of the battery capacity (SOC=50%). Next, various current values were applied in an environment of −10° C., and the battery voltage was measured after 2 seconds. The applied current and voltage change were linearly interpolated, and the battery resistance (initial battery resistance) was calculated from the gradient. Then, the relative value of the initial resistance was calculated when the initial resistance of Example 1 was set to 1.00. Table 1 shows the results.
<耐久後抵抗増加率および容量維持率の測定>
初期抵抗を測定した各評価用リチウムイオン二次電池に対し、60℃の環境下でサイクル試験を実施した。具体的には、1Cで4.2Vまで定電流充電を行った後、1Cで3.0Vまで定電流放電を行うことを1サイクルとして、50サイクル繰り返した。そして、50サイクル後の放電容量および電池抵抗を上記と同じ方法で測定した。そして、耐久後容量維持率を以下の式1:
(50サイクル後の放電容量)/(初期放電容量)×100・・・式1
により算出した。また、耐久後抵抗増加率を以下の式2:
(50サイクル後の電池抵抗)/(初期電池抵抗)×100・・・式2
により算出した。これら算出した耐久後容量維持率および耐久後抵抗増加率それぞれにおいて、例1を1.00としたときの相対値を算出した。その結果を表1に示す。
<Measurement of resistance increase rate and capacity retention rate after endurance>
A cycle test was performed in an environment of 60° C. for each evaluation lithium ion secondary battery whose initial resistance was measured. Specifically, 50 cycles of constant current charging to 4.2 V at 1 C followed by constant current discharging to 3.0 V at 1 C were repeated. Then, the discharge capacity and battery resistance after 50 cycles were measured by the same method as above. Then, the capacity retention rate after endurance is expressed by the following formula 1:
(discharge capacity after 50 cycles) / (initial discharge capacity) × 100 Equation 1
Calculated by Also, the resistance increase rate after endurance is expressed by the following equation 2:
(Battery resistance after 50 cycles) / (initial battery resistance) × 100 Equation 2
Calculated by For each of the calculated post-endurance capacity retention rate and post-endurance resistance increase rate, relative values were calculated when Example 1 was set to 1.00. Table 1 shows the results.
表1に示すように、アルミニウム原子またはマグネシウム原子を含有するリチウムマンガン複合酸化物で構成されており、平均最大一次粒子径が5μm以上12μm未満であり、平均一次粒子径が2μm以上5μm以下であり、平均空隙率が10%以上40%以下である正極活物質を備えたリチウムイオン二次電池(例3~7、例9~10、例12~16)は、アルミニウム原子およびマグネシウム原子を含まない正極活物質を備えたリチウムイオン二次電池(例1)と比較して初期抵抗および耐久後抵抗増加率が低減しており、耐久後容量維持率が向上していることが確かめられた。特に、例4~6、例9~10、例13~15は、特に優れた初期抵抗および耐久後抵抗増加率の低減効果、および耐久後容量維持率の向上効果を示した。即ち、最大一次粒子径が5μm以上8μm以下であり、平均一次粒子径が2μm以上4μm以下であり、平均空隙率が15%以上30%以下であるとき、特に優れた非水電解質二次電池が実現されることがわかる。 As shown in Table 1, it is composed of a lithium manganese composite oxide containing aluminum atoms or magnesium atoms, has an average maximum primary particle size of 5 μm or more and less than 12 μm, and has an average primary particle size of 2 μm or more and 5 μm or less. , Lithium ion secondary batteries (Examples 3 to 7, Examples 9 to 10, Examples 12 to 16) having a positive electrode active material having an average porosity of 10% or more and 40% or less do not contain aluminum atoms and magnesium atoms It was confirmed that the initial resistance and the rate of increase in resistance after endurance were reduced, and the capacity retention rate after endurance was improved, as compared with the lithium ion secondary battery (Example 1) having a positive electrode active material. In particular, Examples 4 to 6, Examples 9 to 10, and Examples 13 to 15 showed particularly excellent effects of reducing the initial resistance and resistance increase rate after endurance, and improving the capacity retention rate after endurance. That is, when the maximum primary particle size is 5 μm or more and 8 μm or less, the average primary particle size is 2 μm or more and 4 μm or less, and the average porosity is 15% or more and 30% or less, a particularly excellent non-aqueous electrolyte secondary battery is obtained. It can be seen that it is realized.
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。 Although specific examples of the present invention have been described in detail above, these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
10 二次粒子
12 一次粒子
14 空隙
20 電極体
30 電池ケース
36 安全弁
42 正極端子
42a 正極集電板
44 負極端子
44a 負極集電板
50 正極
52 正極集電体
52a 正極集電体露出部
54 正極活物質層
60 負極
62 負極集電体
62a 負極集電体露出部
64 負極活物質層
70 セパレータ
100 リチウムイオン二次電池
10
Claims (2)
少なくともアルミニウム原子およびマグネシウム原子のいずれか一方を含有するスピネル型結晶構造のリチウムマンガン複合酸化物で構成されており、
前記リチウムマンガン複合酸化物は多孔質粒子であり、
前記多孔質粒子は、一次粒子が複数集合した二次粒子を含み、
前記二次粒子の断面SEM像において、前記活物質を構成する二次粒子が占有する面積に対する空隙の面積の割合の平均値が10%以上40%以下であり、
前記一次粒子のSEM像に基づく平均粒子径が2μm以上5μm以下であり、
前記活物質を構成する二次粒子は以下の特徴:
前記二次粒子を構成する一次粒子のSEM像に基づく平均最大粒子径は5μm以上12μm未満であること
を有する、正極活物質。 A positive electrode active material used in a non-aqueous electrolyte secondary battery,
Consists of a spinel crystal structure lithium-manganese composite oxide containing at least one of aluminum atoms and magnesium atoms,
The lithium manganese composite oxide is porous particles,
The porous particles include secondary particles in which a plurality of primary particles are aggregated,
In the cross-sectional SEM image of the secondary particles, the average value of the ratio of the area of the voids to the area occupied by the secondary particles constituting the active material is 10% or more and 40% or less,
The average particle size based on the SEM image of the primary particles is 2 μm or more and 5 μm or less,
The secondary particles constituting the active material have the following characteristics:
A positive electrode active material, wherein the average maximum particle size based on an SEM image of primary particles constituting the secondary particles is 5 μm or more and less than 12 μm.
前記正極は、正極活物質層を備え、
前記正極活物質層は、請求項1に記載の正極活物質を備える、
非水電解質二次電池。 A non-aqueous electrolyte secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte,
The positive electrode comprises a positive electrode active material layer,
The positive electrode active material layer comprises the positive electrode active material according to claim 1 ,
Non-aqueous electrolyte secondary battery.
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