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JP7225282B2 - Positive electrode active material and lithium ion secondary battery comprising the positive electrode active material - Google Patents

Positive electrode active material and lithium ion secondary battery comprising the positive electrode active material Download PDF

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JP7225282B2 JP2021018312A JP2021018312A JP7225282B2 JP 7225282 B2 JP7225282 B2 JP 7225282B2 JP 2021018312 A JP2021018312 A JP 2021018312A JP 2021018312 A JP2021018312 A JP 2021018312A JP 7225282 B2 JP7225282 B2 JP 7225282B2
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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リチウムイオン二次電池に関する。 The present invention relates to a positive electrode active material and a lithium ion 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、コスト削減の観点から、かかる遷移金属として資源量が豊富な遷移金属の使用が検討されている。その代表的な遷移金属として、マンガンが挙げられる。所定の元素比のリチウムマンガン複合酸化物は、典型的な結晶構造の一種として知られるスピネル型結晶構造を有しており、良好なリチウムイオン拡散性を発揮することができる。しかし、その一方で、充放電の繰り返し(特に、高温環境下での充放電の繰り返し)等においてマンガン原子が溶出し易いため、電池寿命が低下し易い課題がある。そこで、特許文献1には、立方晶のスピネル型結晶構造を有するリチウムマンガン複合酸化物の表面に、リン酸リチウムおよび立方晶の金属酸化物を備える正極材料(正極活物質)が開示されている。かかる構成によれば、マンガン原子の溶出を抑制できるため、二次電池の長寿命化が可能となる。 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 positive electrode active materials, and from the viewpoint of cost reduction, the use of transition metals, which are abundant in resources, is being studied. It is A typical transition metal is manganese. A lithium-manganese composite oxide with a predetermined element ratio has a spinel-type crystal structure, which is known as one of typical crystal structures, and can exhibit good lithium ion diffusibility. However, on the other hand, manganese atoms tend to be eluted during repeated charge/discharge cycles (especially repeated charge/discharge cycles in a high-temperature environment), so there is a problem that the battery life tends to be shortened. Therefore, Patent Document 1 discloses a positive electrode material (positive electrode active material) comprising lithium phosphate and a cubic metal oxide on the surface of a lithium-manganese composite oxide having a cubic spinel crystal structure. . With such a configuration, the elution of manganese atoms can be suppressed, so that the life of the secondary battery can be extended.

特開2010-123466号公報JP 2010-123466 A

しかしながら、本発明者の検討によると、特許文献1に開示される技術では、リチウムマンガン複合酸化物からなる粒子の粒子径が十分に増大しないため、粒子の比表面積が増大する。これにより、電解質と粒子との接触面積が増大するため、マンガン原子が溶出し易くなり、マンガン原子の溶出抑制効果が不十分となる。この結果、サイクル特性(例えば、容量維持率および抵抗増加率の低減率等)の向上効果が不十分となるため、サイクル特性には改善の余地がある。 However, according to the study of the present inventor, the specific surface area of the particles increases because the particle size of the particles made of the lithium-manganese composite oxide is not sufficiently increased in the technique disclosed in Patent Document 1. As a result, since the contact area between the electrolyte and the particles increases, the manganese atoms are easily eluted, and the effect of suppressing the elution of manganese atoms becomes insufficient. As a result, the effect of improving the cycle characteristics (for example, the reduction rate of the capacity retention rate and the resistance increase rate) is insufficient, and there is room for improvement in the cycle characteristics.

そこで、本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、優れたサイクル特性を実現するスピネル型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リチウムイオン二次電池を提供することを他の目的とする。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and a main object of the present invention is to provide a positive electrode active material having a spinel structure that achieves excellent cycle characteristics. Another object of the present invention is to provide a lithium ion secondary battery including such a positive electrode active material.

本発明者は、上記課題を解決するためリチウムマンガン複合酸化物を含むスピネル型結晶構造の粒子の平均粒子径に着目した。その結果、かかる粒子の平均粒子径を従来よりも大きい所定の範囲に調整し、さらに、少なくともニッケルまたはコバルトのいずれかを含むリン含有リチウム遷移金属複合酸化物粒子を混合して加熱処理を行うことで、サイクル特性が向上することを見出した。また、サイクル特性に加え、初期抵抗が低減することを見出した。
即ち、ここで開示される正極活物質は、リチウムイオン二次電池に用いられる正極活物質であって、第1の粒子が複数集合した第2の粒子を含み、上記第1の粒子のSEM像に基づく平均粒子径は5μm以上10μm以下であり、上記第2の粒子のSEM像に基づく平均粒子径は12μm以上22μm以下であり、上記第1の粒子は、少なくともリチウム原子とマンガン原子と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を含み、上記第2の粒子の表面には、ニッケル原子およびコバルト原子のうち少なくとも一方の遷移金属原子を備えたリン含有リチウム遷移金属複合酸化物で構成される第3の粒子が存在しており、上記正極活物質を構成する化合物全体に対する上記第3の粒子を構成する上記リン含有リチウム遷移金属複合酸化物の割合は0.3mol%以上5mol%以下であり、上記第2の粒子の表面から3μm以下の表層部には、上記遷移金属原子が偏在している。
かかる構成によれば、第1の粒子の比表面積が小さくなるため、電解質とマンガン原子との接触面積が減少し、マンガン原子が溶出し難くなる。また、第2の粒子の表層部および第3の粒子にニッケル原子およびコバルト原子のうち少なくとも一方が存在することで、これらの原子がマンガン原子よりも優先的に溶出するため、マンガン原子の溶出を抑制することができる。さらに、ニッケル原子およびコバルト原子の少なくとも一方が偏在する第2の粒子の表層部は、充放電に伴う膨張収縮による体積変化が第2の粒子の内部よりも小さくなるため、充放電による粒子の割れが生じにくくなる。これにより、優れたサイクル特性を実現することができる。
In order to solve the above problems, the present inventor focused on the average particle size of spinel-type crystal structure particles containing a lithium-manganese composite oxide. As a result, it is possible to adjust the average particle size of such particles to a predetermined range that is larger than before, and to mix phosphorus-containing lithium transition metal composite oxide particles containing at least nickel or cobalt and perform heat treatment. and found that the cycle characteristics are improved. It was also found that the initial resistance is reduced in addition to the cycle characteristics.
That is, the positive electrode active material disclosed herein is a positive electrode active material used in a lithium ion secondary battery, includes second particles in which a plurality of first particles are aggregated, and an SEM image of the first particles. is 5 μm or more and 10 μm or less, the average particle diameter of the second particles based on the SEM image is 12 μm or more and 22 μm or less, and the first particles contain at least lithium atoms and manganese atoms a lithium-manganese composite oxide having a spinel-type crystal structure, wherein the surfaces of the second particles are composed of a phosphorus-containing lithium-transition metal composite oxide having transition metal atoms of at least one of nickel atoms and cobalt atoms. the third particles are present, and the ratio of the phosphorus-containing lithium-transition metal composite oxide constituting the third particles to the entire compound constituting the positive electrode active material is 0.3 mol% or more and 5 mol% or less and the transition metal atoms are unevenly distributed in the surface layer portion of 3 μm or less from the surface of the second particle.
With such a configuration, the specific surface area of the first particles is reduced, so the contact area between the electrolyte and manganese atoms is reduced, and the manganese atoms are less likely to be eluted. In addition, since at least one of nickel atoms and cobalt atoms is present in the surface layer portion of the second particle and the third particle, these atoms are preferentially eluted over manganese atoms, so the elution of manganese atoms is suppressed. can be suppressed. Furthermore, since the surface layer of the second particles, in which at least one of the nickel atoms and the cobalt atoms are unevenly distributed, changes in volume due to expansion and contraction due to charge and discharge is smaller than the inside of the second particles, cracking of the particles due to charge and discharge occurs. becomes less likely to occur. Thereby, excellent cycle characteristics can be realized.

また、ここに開示される正極活物質の好ましい一態様では、上記正極活物質を構成する化合物全体に対する上記第3の粒子を構成する上記リン含有リチウム遷移金属複合酸化物の割合は、0.3mol%以上3mol%以下である。かかる構成によれば、より優れたサイクル特性を実現することができる。 Further, in a preferred aspect of the positive electrode active material disclosed herein, the ratio of the phosphorus-containing lithium-transition metal composite oxide that constitutes the third particles to the entire compound that constitutes the positive electrode active material is 0.3 mol. % or more and 3 mol % or less. With such a configuration, better cycle characteristics can be achieved.

また、ここに開示される正極活物質の好ましい一態様では、上記遷移金属原子が偏在する上記第2の粒子の表層部は、上記第2の粒子の表面から2μm以下の範囲である。かかる構成によれば、さらに優れたサイクル特性を実現することができる。 Further, in a preferred aspect of the positive electrode active material disclosed herein, the surface layer portion of the second particles where the transition metal atoms are unevenly distributed is in the range of 2 μm or less from the surface of the second particles. With such a configuration, even better cycle characteristics can be achieved.

また、ここに開示される正極活物質の好ましい一態様では、上記リチウムマンガン複合酸化物は、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どちらか一方を備える。かかる構成によれば、より高いレベルで優れたサイクル特性を実現することができる。 Moreover, in a preferred embodiment of the positive electrode active material disclosed herein, the lithium-manganese composite oxide includes at least one of aluminum atoms and magnesium atoms. According to such a configuration, it is possible to achieve excellent cycle characteristics at a higher level.

また、ここに開示される正極活物質の好ましい一態様では、上記リン含有リチウム遷移金属複合酸化物として、LiMePO(MeはNiおよびCoの少なくともどちらか一方を含む)を含む。かかる構成によれば、さらに高いレベルで優れたサイクル特性を実現することができる。 In a preferred embodiment of the positive electrode active material disclosed herein, LiMePO 4 (Me includes at least one of Ni and Co) is included as the phosphorus-containing lithium transition metal composite oxide. According to such a configuration, it is possible to realize excellent cycle characteristics at a higher level.

また、上記課題を解決するべく、ここで開示される正極活物質を備えたリチウムイオン二次電池が提供される。即ち、ここに開示されるリチウムイオン二次電池は、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、優れたサイクル特性が付与されたリチウムイオン二次電池を提供することができる。
Also, in order to solve the above problems, a lithium ion secondary battery including the positive electrode active material disclosed herein is provided. That is, the lithium ion 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 It comprises the disclosed positive electrode active material.
According to such a configuration, it is possible to provide a lithium ion secondary battery imparted with excellent cycle characteristics.

一実施形態に係るリチウムイオン二次電池の構成を模式的に示す断面図である。1 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a lithium ion secondary battery according to one embodiment; FIG. 一実施形態に係るリチウムイオン二次電池の捲回電極体の構成を示す模式分解図である。1 is a schematic exploded view showing the configuration of a wound electrode body of a lithium ion secondary battery according to one embodiment; FIG. 一実施形態に係る正極活物質粒子の構造を模式的に示す斜視図である。1 is a perspective view schematically showing the structure of a positive electrode active material particle according to one embodiment; FIG. 一実施形態に係る正極活物質粒子を構成する第2の粒子の構造を模式的に示す斜視図である。FIG. 4 is a perspective view schematically showing the structure of second particles that constitute the positive electrode active material particles according to one embodiment.

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。
また、本明細書において数値範囲をA~B(ここでA,Bは任意の数値)と記載している場合は、一般的な解釈と同様であり、A以上B以下を意味するものである。
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.
In addition, when the numerical range is described as A to B (where A and B are arbitrary numerical values) in this specification, it is the same as the general interpretation and means from A to B. .

なお、本明細書において「二次電池」とは、繰り返し充放電可能な蓄電デバイスをいい、いわゆる蓄電池、および電気二重層キャパシタ等の蓄電素子を包含する用語である。また、本明細書において「リチウムイオン二次電池」とは、電荷担体としてリチウムイオンを利用し、正負極間におけるリチウムイオンに伴う電荷の移動により充放電が実現される二次電池をいう。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。以下、ここで開示される正極活物質を備えたリチウムイオン二次電池の一実施形態について説明する。 In this specification, the term "secondary battery" refers to an electricity storage device that can be repeatedly charged and discharged, and is a term that includes so-called storage batteries and electricity storage elements such as electric double layer capacitors. In this specification, the term “lithium ion secondary battery” refers to a secondary battery that utilizes lithium ions as a charge carrier and is charged/discharged by the transfer of charge associated with the lithium ions between the positive and negative electrodes. In addition, the term “active material” as used herein refers to a material that reversibly absorbs and releases charge carriers. An embodiment of a lithium ion secondary battery including the positive electrode active material disclosed herein will be described below.

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(捲回電極体)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、非水電解質を注入するための注入口(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 secondary battery 100 shown in FIG. 1 is constructed by housing a flat-shaped electrode body (wound electrode body) 20 and a non-aqueous electrolyte (not shown) inside a battery case 30 . It is a square-shaped sealed battery. The battery case 30 is provided with a positive terminal 42 and a negative terminal 44 for external connection. Further, a thin safety valve 36 is provided so as to release the internal pressure of the battery case 30 when the internal pressure rises above a predetermined level. Furthermore, the battery case 30 is provided with an injection port (not shown) for injecting a non-aqueous electrolyte. The material of the battery case 30 is preferably a metallic material that has high strength, light weight, and good thermal conductivity. Examples of such metallic materials include aluminum and steel.

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ってよい。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 electrode body 20 is formed by laminating a long sheet-shaped positive electrode 50 and a long sheet-shaped negative electrode 60 with two long sheet-shaped separators 70 interposed therebetween. , may be a wound electrode body wound around a winding axis. The positive electrode 50 includes a positive electrode current collector 52 and a positive electrode active material layer 54 formed on one side or both sides of the positive electrode current collector 52 in the longitudinal direction. At one edge of the positive electrode current collector 52 in the winding axial direction (that is, in the sheet width direction orthogonal to the longitudinal direction), the positive electrode active material layer 54 is not formed in a belt shape along the edge. A portion where the positive electrode current collector 52 is exposed (that is, a positive electrode current collector exposed portion 52a) is provided. The negative electrode 60 also includes a negative electrode current collector 62 and a negative electrode active material layer 64 formed on one or both surfaces of the negative electrode current collector 62 in the longitudinal direction. At the edge of the negative electrode current collector 62 on the side opposite to one side in the winding axial direction, there is a portion where the negative electrode current collector 62 is exposed without the negative electrode active material layer 64 being formed in a belt shape along the edge ( That is, a negative electrode current collector exposed portion 62a) is provided. A positive electrode current collector plate 42a and a negative electrode current collector plate 44a are joined to the positive electrode current collector exposed portion 52a and the negative electrode current collector exposed portion 62a, respectively. The positive current collecting plate 42a is electrically connected to the positive terminal 42 for external connection, and realizes conduction between the inside and the outside of the battery case 30. As shown in FIG. Similarly, the negative current collecting plate 44a is electrically connected to the negative terminal 44 for external connection, thereby realizing conduction between the inside and the outside of the battery case 30. As shown in FIG.

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、後述するここで開示される正極活物質を備えている。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。
正極活物質層54は、例えば、正極活物質と必要に応じて用いられる材料(導電材、バインダ等)とを適当な溶媒(例えばN-メチル-2-ピロリドン:NMP)に分散させ、ペースト状(またはスラリー状)の組成物を調製し、該組成物の適当量を正極集電体52の表面に塗工し、乾燥することによって形成することができる。
Examples of the positive electrode current collector 52 that constitutes the positive electrode 50 include aluminum foil. The positive electrode active material layer 54 includes a positive electrode active material disclosed herein, which will be described later. Moreover, the positive electrode active material layer 54 may contain a conductive material, a binder, and the like. As the conductive material, for example, carbon black such as acetylene black (AB) and other carbon materials (such as graphite) can be suitably used. As the binder, for example, polyvinylidene fluoride (PVDF) or the like can be used.
The positive electrode active material layer 54 is formed, for example, by dispersing a positive electrode active material and optionally used materials (a conductive material, a binder, etc.) in an appropriate solvent (eg, N-methyl-2-pyrrolidone: NMP) to form a paste. It can be formed by preparing a (or slurry) composition, applying an appropriate amount of the composition to the surface of the positive electrode current collector 52, and drying.

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、負極活物質を含む。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。
負極活物質層64は、例えば、負極活物質と必要に応じて用いられる材料(バインダ等)とを適当な溶媒(例えばイオン交換水)に分散させ、ペースト状(またはスラリー状)の組成物を調製し、該組成物の適当量を負極集電体62の表面に塗工し、乾燥することによって形成することができる。
Examples of the negative electrode current collector 62 that constitutes the negative electrode 60 include copper foil. The negative electrode active material layer 64 contains a negative electrode active material. Carbon materials such as graphite, hard carbon, and soft carbon can be used as the negative electrode active material. Moreover, the negative electrode active material layer 64 may further contain a binder, a thickener, and the like. As the binder, for example, styrene-butadiene rubber (SBR) or the like can be used. As a thickening agent, for example, carboxymethyl cellulose (CMC) or the like can be used.
The negative electrode active material layer 64 is formed by, for example, dispersing a negative electrode active material and optionally used materials (binder, etc.) in an appropriate solvent (eg, ion-exchanged water) to prepare a paste (or slurry) composition. It can be formed by preparing, applying an appropriate amount of the composition to the surface of the negative electrode current collector 62, and drying.

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 separator 70, various microporous sheets similar to those conventionally used in lithium ion secondary batteries can be used. sheet. Such a microporous resin sheet may have a single-layer structure or a multi-layer structure of two or more layers (for example, a three-layer structure in which PP layers are laminated on both sides of a PE layer). Moreover, the surface of the separator 70 may be provided with a heat-resistant layer (HRL).

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、LiPF、LiBF、LiClO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.

図3Aは、ここで開示される正極活物質を構成する正極活物質粒子10の構成を模式的に示す斜視図である。また、図3Bは、正極活物質粒子10を構成する第2の粒子14の構造を模式的に示す斜視図である。正極活物質粒子10には、第1の粒子12が複数集合した第2の粒子14が含まれる。また、第2の粒子14の表面には、第3の粒子16が存在している。 FIG. 3A is a perspective view schematically showing the configuration of positive electrode active material particles 10 that constitute the positive electrode active material disclosed herein. 3B is a perspective view schematically showing the structure of the second particles 14 that constitute the positive electrode active material particles 10. As shown in FIG. The positive electrode active material particles 10 contain second particles 14 in which a plurality of first particles 12 are aggregated. Also, the third particles 16 are present on the surfaces of the second particles 14 .

第1の粒子12は、少なくともスピネル型結晶構造のリチウムマンガン複合酸化物を含んでいる。スピネル型結晶構造のリチウムマンガン複合酸化物とは、スピネル型結晶構造を有しており、構成元素として、少なくともLi、Mn、Oを含有する酸化物のことである。典型的には、第1の粒子12はスピネル型結晶構造のリチウムマンガン複合酸化物のみで構成されている。 The first particles 12 contain at least a lithium-manganese composite oxide having a spinel crystal structure. A lithium-manganese composite oxide having a spinel-type crystal structure is an oxide having a spinel-type crystal structure and containing at least Li, Mn, and O as constituent elements. Typically, the first particles 12 are composed only of a lithium-manganese composite oxide having a spinel crystal structure.

第1の粒子12を構成する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(化学式):Li1+zMn2-x-z
(上記化学式中、Mは1種以上の金属元素を表す。x、zはそれぞれ正の実数であり、x≦0.25、z≦0.15を具備する)で表される化合物が挙げられる。ここで、上記Mは、例えば、Al、Mg、Ni、Co、Ca、Ti、V、Cr,Si,Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W、Na、Fe、Zn、Sn等であり得る。上記リチウムマンガン複合酸化物は、Mg及び/又はAlを含むことが好ましい。MgおよびAlは充放電時に価数変化を起こさないため、充放電に伴う膨張収縮を緩和することができる。これにより、充放電による正極活物質の割れを抑制することができるため、サイクル特性(例えば、抵抗増加率の低減率、容量維持率等)が向上する。また、後述するように、第2の粒子14の表層部には、ニッケル原子およびコバルト原子のうち少なくとも一方が偏在している。そのため、少なくとも第2の粒子14の表層部に位置に対応する第1の粒子12の表層部では、ニッケル原子およびコバルト原子のうち少なくとも一方を備えるリチウムマンガン複合酸化物が含まれる。
また、正極活物質の平均化学組成は、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。
As a typical lithium-manganese composite oxide having a spinel-type crystal structure that constitutes the first particles 12,
General formula (chemical formula): Li 1+z Mn 2-xz M x O 4
(In the above chemical formula, M represents one or more metal elements, x and z are positive real numbers, and x≤0.25 and z≤0.15). . Here, M is, for example, Al, Mg, Ni, Co, Ca, Ti, V, Cr, Si, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Na, Fe, Zn, Sn, etc. could be. The lithium-manganese composite oxide preferably contains Mg and/or Al. Since Mg and Al do not cause a valence change during charge/discharge, expansion and contraction due to charge/discharge can be mitigated. As a result, cracking of the positive electrode active material due to charging and discharging can be suppressed, so that cycle characteristics (for example, reduction rate of resistance increase rate, capacity retention rate, etc.) are improved. Moreover, as will be described later, at least one of nickel atoms and cobalt atoms is unevenly distributed in the surface layer portion of the second particles 14 . Therefore, at least the surface layer portions of the first particles 12 corresponding to the surface layer portions of the second particles 14 contain a lithium-manganese composite oxide having at least one of nickel atoms and cobalt atoms.
Also, the average chemical composition of the positive electrode active material can be measured by, for example, inductively coupled plasma (ICP) emission spectrometry.

第1の粒子12のSEM像に基づく平均粒子径は、5μm以上10μm以下であることが好ましく、5μm以上8μm以下であることがさらに好ましい。第1の粒子12の平均粒子径が小さくなるほど、第1の粒子12の比表面積がより増大する。これにより、第1の粒子12と非水電解質との接触面積が増大し、第1の粒子12からマンガン原子が溶出し易くなるため、サイクル特性の観点において好ましくない。一方で、第1の粒子12の平均粒子径が大きすぎる場合、リチウムイオンの固相内拡散が低下するとともに、充放電に伴う膨張収縮により割れが生じやすくなるため好ましくない。したがって、第1の粒子12の平均粒子径を上述した範囲とすることにより、マンガン原子の溶出および充放電に伴う膨張収縮の割れの両方を適切に抑制することができるため、サイクル特性を向上させることができる。さらに、上述した範囲であれば、第1の粒子12におけるリチウムイオンの固相内拡散が好適に向上し、粒子内の拡散抵抗が低減する。これにより、初期抵抗を低減することができる。 The average particle diameter of the first particles 12 based on the SEM image is preferably 5 μm or more and 10 μm or less, more preferably 5 μm or more and 8 μm or less. The specific surface area of the first particles 12 increases as the average particle diameter of the first particles 12 decreases. As a result, the contact area between the first particles 12 and the non-aqueous electrolyte increases, and manganese atoms are easily eluted from the first particles 12, which is not preferable from the viewpoint of cycle characteristics. On the other hand, if the average particle diameter of the first particles 12 is too large, the diffusion of lithium ions in the solid phase is reduced, and cracks are likely to occur due to expansion and contraction due to charging and discharging, which is not preferable. Therefore, by setting the average particle diameter of the first particles 12 within the range described above, both the elution of manganese atoms and cracking due to expansion and contraction due to charging and discharging can be appropriately suppressed, so that cycle characteristics can be improved. be able to. Furthermore, within the range described above, the diffusion of lithium ions in the solid phase in the first particles 12 is favorably improved, and the diffusion resistance in the particles is reduced. Thereby, the initial resistance can be reduced.

第2の粒子14のSEM像に基づく平均粒子径は、12μm以上22μm以下であることが好ましく、12μm以上16μm以下であることがより好ましい。かかる範囲とすることにより、第2の粒子14におけるリチウムイオンの固相内拡散性が良好になる。これにより、第2の粒子14に含まれる第1の粒子12の平均粒子径を上述の好適な範囲としたときの効果に加え、さらに初期抵抗を低減することができる。 The average particle diameter of the second particles 14 based on the SEM image is preferably 12 μm or more and 22 μm or less, more preferably 12 μm or more and 16 μm or less. With this range, the solid-phase diffusibility of lithium ions in the second particles 14 is improved. Thereby, in addition to the effect obtained when the average particle diameter of the first particles 12 contained in the second particles 14 is set within the preferred range described above, the initial resistance can be further reduced.

ここで開示される正極活物質の第2の粒子14の平均粒子径は、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて観察された画像(SEM像)に基づいて測定することができる。具体的には、まず、第2の粒子14の平均粒子径の基準とするため、レーザー回折・光散乱法に基づくレーザー回折式粒度分布測定装置を用いて、第2の粒子の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、正極活物質をSEMで複数箇所観察し、複数のSEM像を取得した後、D50に相当する大きさの第2の粒子を無作為に複数個(例えば30個以上)選択する。次に、上記選択した複数の第2の粒子それぞれのSEM像における最長の径の長さを長径とし、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する。そして、該長径と該短径とからなる楕円の面積を用いて円相当径を換算する。これにより、上記選択した複数の第2の粒子の粒子径をそれぞれ算出する。その後、上記選択した複数の第2の粒子の粒子径の平均値を算出する。このようにして算出した平均値を、本明細書における「第2の粒子の平均粒子径」という。 The average particle size of the second particles 14 of the positive electrode active material disclosed here can be measured based on an image (SEM image) observed using a scanning electron microscope (SEM). Specifically, first, as a reference for the average particle size of the second particles 14, a volume-based particle size of the second particles is measured using a laser diffraction particle size distribution measuring device based on a laser diffraction/light scattering method. The distribution is measured, and the particle diameter (median diameter: D50) corresponding to the cumulative 50% by volume from the small particle side is measured. Next, the positive electrode active material is observed at a plurality of locations with an SEM, and after obtaining a plurality of SEM images, a plurality (for example, 30 or more) of second particles having a size corresponding to D50 are randomly selected. Next, the length of the longest diameter in the SEM image of each of the selected plurality of second particles is defined as the major diameter, and the length of the longest diameter among the lines perpendicular to the major diameter is defined as the minor diameter. Then, the equivalent circle diameter is converted using the area of the ellipse consisting of the major axis and the minor axis. Thereby, the particle diameters of the selected plurality of second particles are calculated. After that, the average value of the particle diameters of the selected plurality of second particles is calculated. The average value calculated in this manner is referred to as "the average particle size of the second particles" in this specification.

また、本明細書において「第1の粒子の平均粒子径」とは、上記選択した複数の第2の粒子において、それぞれの第2の粒子を構成する第1の粒子のうち、SEM像で粒子径全長が視認できる(即ち、他の第1の粒子により隠れている部分のない)第1の粒子の粒子径の平均値のことをいう。なお、上記選択した複数の第2の粒子それぞれから粒子径を算出する第1の粒子を1つ以上選択する。第1の粒子の粒子径の算出方法は上述した第2の粒子の粒子径の算出方法と同様であり、長径および短径を決定し、該長径と該短径とからなる楕円の面積を用いて円相当径を換算することによって算出することができる。 In the present specification, the term "average particle diameter of the first particles" refers to, among the plurality of second particles selected above, among the first particles constituting each of the second particles, particles It means the average value of the particle diameters of the first particles whose entire diameter is visible (that is, there is no portion hidden by other first particles). One or more first particles whose particle diameters are to be calculated from each of the selected plurality of second particles is selected. The method for calculating the particle diameter of the first particles is the same as the method for calculating the particle diameter of the second particles described above. can be calculated by converting the equivalent circle diameter.

第2の粒子14の表層部には、ニッケル原子およびコバルト原子のうち少なくとも一方の遷移金属原子が偏在していることが好ましい。具体的には、かかる遷移金属原子が第2の粒子14の表面から3μm以下の範囲(厚み)に偏在することが好ましく、さらに、2μm以下の範囲(厚み)に偏在することがより好ましい。かかる遷移金属が偏在する表層部では、充放電に伴う膨張収縮の体積変化が他の領域よりも小さくなる。そのため、充放電に伴う第2の粒子14の膨張収縮が粒子表面で抑制され、かかる膨張収縮に伴う粒子の割れの発生を抑制することができる。この結果、かかる粒子の割れよって生じ得るサイクル特性の低下を抑制する(即ち、サイクル特性を向上させる)ことができる。また、かかる構成により、第3の粒子16が第2の粒子14の表面に固定され易くなる。これにより、後述する第3の粒子16が第2の粒子14の表面に存在することによる効果を高めることができる。
また、特に制限されるものではないが、上記表層部の厚みが小さすぎる場合、上述した膨張収縮抑制効果が十分に得られない。そのため、上記厚みは、例えば1.0μm以上であるとよく、1.5μm以上であることが好ましい。
At least one transition metal atom out of nickel atoms and cobalt atoms is preferably unevenly distributed in the surface layer portion of the second particles 14 . Specifically, the transition metal atoms are preferably unevenly distributed within a range (thickness) of 3 μm or less from the surface of the second particle 14, and more preferably within a range (thickness) of 2 μm or less. In the surface layer portion where such transition metals are unevenly distributed, the volume change due to expansion and contraction due to charging and discharging is smaller than in other regions. Therefore, the expansion and contraction of the second particles 14 due to charging and discharging are suppressed on the particle surface, and cracking of the particles due to such expansion and contraction can be suppressed. As a result, it is possible to suppress deterioration in cycle characteristics that may occur due to cracking of such particles (that is, to improve cycle characteristics). Moreover, such a configuration facilitates fixing the third particles 16 to the surfaces of the second particles 14 . As a result, the effect of the third particles 16, which will be described later, being present on the surfaces of the second particles 14 can be enhanced.
Further, although not particularly limited, if the thickness of the surface layer portion is too small, the above-described effect of suppressing expansion and contraction cannot be sufficiently obtained. Therefore, the thickness may be, for example, 1.0 μm or more, preferably 1.5 μm or more.

なお、本明細書において、ニッケル原子およびコバルト原子のうち少なくとも一方が偏在する第2の粒子14の表層部の範囲(厚み)は、以下のように測定したものをいう。
まず、正極活物質を樹脂埋めし、例えば機械研磨等により粗断面を作製後、クロスセクションポリッシャー(CP)法により断面加工を行う。次に、断面加工後の断面をSEMで観察し、D50に相当する大きさの第2の粒子を無作為に複数(少なくとも20個以上)選択する。そして、選択した複数の第2の粒子それぞれを例えば3000倍~5000倍の倍率で撮影し、断面SEM像を得る。その後、選択した複数の第2の粒子の断面SEM像それぞれをエネルギー分散型X線分光法(EDX)を用いて平面分析を行い、第2の粒子におけるNiおよびCoの強度分布を調べる。そして、各断面SEM像において、第2の粒子の表面から内部に向かって引いた法線のうち、NiおよびCoの存在距離が最大となる法線をそれぞれ選択する。そして、選択した法線それぞれにおいて、NiおよびCoの最大強度および該最大強度の30%の強度となる点を求める。そして、かかる法線に沿って、第2の粒子表面から上記最大強度の30%の強度となる点までの長さ(NiおよびCoが偏在する表層部の厚み)を測定する。このようにして上記選択した複数の第2の粒子それぞれのかかる長さを測定する。そして、かかる長さの平均値を、ニッケル原子およびコバルト原子のうち少なくとも一方が偏在する第2の粒子14の表層部の厚みとする。
In this specification, the range (thickness) of the surface layer portion of the second particles 14 in which at least one of nickel atoms and cobalt atoms is unevenly distributed is measured as follows.
First, a positive electrode active material is embedded in a resin, and after forming a rough cross section by, for example, mechanical polishing, the cross section is processed by a cross section polisher (CP) method. Next, the cross section after cross section processing is observed with an SEM, and a plurality (at least 20 or more) of second particles having a size corresponding to D50 are randomly selected. Then, each of the plurality of selected second particles is photographed at a magnification of, for example, 3,000 to 5,000 times to obtain a cross-sectional SEM image. After that, each cross-sectional SEM image of a plurality of selected second particles is subjected to planar analysis using energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) to examine the intensity distribution of Ni and Co in the second particles. Then, in each cross-sectional SEM image, among the normal lines drawn from the surface of the second particle toward the inside, the normal line that maximizes the existence distance of Ni and Co is selected. Then, for each of the selected normals, the maximum intensity of Ni and Co and the intensity of 30% of the maximum intensity are determined. Then, along the normal line, the length from the second particle surface to the point where the intensity is 30% of the maximum intensity (the thickness of the surface layer portion where Ni and Co are unevenly distributed) is measured. In this way, the length of each of the selected plurality of second particles is measured. Then, the average value of such lengths is taken as the thickness of the surface layer portion of the second particles 14 in which at least one of nickel atoms and cobalt atoms is unevenly distributed.

第3の粒子16は、第2の粒子14の表面に存在している。本明細書において、「第2の粒子の表面に存在」とは、第3の粒子16が第2の粒子14の表面と接している状態(例えば、固定されている状態)であってもよく、第3の粒子16が第2の粒子14の表面の近傍(例えば、第2の粒子14の表面から1μm~3μm以内)に配置されている状態であってもよい。 The third particles 16 are present on the surface of the second particles 14 . In the present specification, "existing on the surface of the second particle" may be a state in which the third particle 16 is in contact with the surface of the second particle 14 (for example, a state in which it is fixed). , the third particles 16 may be arranged in the vicinity of the surface of the second particles 14 (for example, within 1 μm to 3 μm from the surface of the second particles 14).

第3の粒子16は、ニッケル原子およびコバルト原子のうち少なくとも一方の遷移金属原子を備えたリン含有リチウム遷移金属複合酸化物で構成されている。ここで、リン含有リチウム遷移金属複合酸化物とは、構成元素として少なくともLi、P、Oを含有し、NiおよびCoの少なくとも一方を含有する酸化物のことをいう。第3の粒子16に含まれる典型的なリン含有リチウム遷移金属複合酸化物としては、LiMePO(MeはNiおよびCoのうち少なくとも一方を含む)で表される化合物が挙げられ、例えば、LiNiPOおよびLiCoPOが好ましく採用される。また、リン含有リチウム遷移金属複合酸化物はFe、F等の元素を有していてもよい。第3の粒子16の結晶構造については特に限定されるものではないが、例えば、オリビン型結晶構造を有し得る。 The third particles 16 are composed of a phosphorus-containing lithium transition metal composite oxide having transition metal atoms of at least one of nickel atoms and cobalt atoms. Here, the phosphorus-containing lithium-transition metal composite oxide is an oxide containing at least Li, P, and O as constituent elements and at least one of Ni and Co. A typical phosphorus - containing lithium transition metal composite oxide contained in the third particles 16 includes a compound represented by LiMePO 4 (Me includes at least one of Ni and Co). and LiCoPO4 are preferably employed. Also, the phosphorus-containing lithium-transition metal composite oxide may contain elements such as Fe and F. Although the crystal structure of the third particles 16 is not particularly limited, it may have, for example, an olivine type crystal structure.

第3の粒子16を構成するリン含有リチウム遷移金属複合酸化物は、ここで開示される正極活物質を構成する化合物全体を100mol%としたとき、0.3mol%以上5mol%以下の割合で存在していることが好ましい。かかる割合によれば、第2の粒子14に含まれるマンガン原子の溶出よりも、第3の粒子16に含まれるニッケル原子及び/又はコバルト原子が優先的に溶出するため、マンガン原子の溶出を抑制することができる。これにより、サイクル特性を向上させることができる。一方で、第3の粒子16の上記割合が上記範囲よりも高い場合、活物質コストの上昇や容量の低下が起こり好ましくない。また、第3の粒子16の上記割合が上記範囲よりも低い場合、マンガン原子の溶出抑制効果が十分に得ることができない。そのため、上記割合を適切な範囲とすることがよく、例えば、0.3mol%以上3mol%以下であることがより好ましく、2mol%以上3mol%以下であることがさらに好ましい。 The phosphorus-containing lithium-transition metal composite oxide that constitutes the third particles 16 is present at a ratio of 0.3 mol% or more and 5 mol% or less when the total of the compounds that constitute the positive electrode active material disclosed herein is 100 mol%. preferably. According to this ratio, the nickel atoms and/or cobalt atoms contained in the third particles 16 are preferentially eluted rather than the manganese atoms contained in the second particles 14, so the elution of manganese atoms is suppressed. can do. Thereby, cycle characteristics can be improved. On the other hand, if the proportion of the third particles 16 is higher than the above range, the cost of the active material increases and the capacity decreases, which is undesirable. Moreover, when the above ratio of the third particles 16 is lower than the above range, the effect of suppressing the elution of manganese atoms cannot be sufficiently obtained. Therefore, the above ratio is preferably within an appropriate range, for example, it is more preferably 0.3 mol % or more and 3 mol % or less, and further preferably 2 mol % or more and 3 mol % or less.

第3の粒子16の平均粒子径は特に制限されるものではないが、例えば、1μm~10μm程度であればよい。かかる平均粒子径は、レーザー回折・光散乱法に基づいて測定することができる。 The average particle diameter of the third particles 16 is not particularly limited, but may be, for example, about 1 μm to 10 μm. Such an average particle size can be measured based on a laser diffraction/light scattering method.

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粒子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、当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粒子を得る工程(以下、「焼成工程」ともいう)と、該リチウムマンガン複合酸化物粒子と、ニッケル原子およびコバルト原子のうち少なくとも一方の遷移金属原子を備えたリチウムリン複合酸化物を含む粒子とを混合する工程(以下、「第2混合工程」ともいう)と、第2混合工程で調製した混合物を熱処理する工程(以下、「熱処理工程」)とを包含する。 A preferred method for producing the positive electrode active material particles 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”); and a lithium compound (hereinafter also referred to as a “mixing step”), a step of firing the mixture to obtain lithium-manganese composite oxide particles (hereinafter also referred to as a “sintering step”), and the lithium A step of mixing manganese composite oxide particles with particles containing a lithium phosphorus composite oxide having transition metal atoms of at least one of nickel atoms and cobalt atoms (hereinafter also referred to as a “second mixing step”); and a step of heat-treating the mixture prepared in the second mixing step (hereinafter referred to as “heat treatment 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、少なくとも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 at least 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、所定温度(例えば、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Nガス、Arガスなど)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上記前駆体粒子を回収し、水洗後、乾燥(例えば、120℃で一晩乾燥)を行うことにより、前駆体粉末を得ることができる。
Next, water (preferably ion-exchanged water) is added to a reaction vessel at a predetermined temperature (for example, 30° C. to 60° C.) and stirred. Stirring is continued while replacing the atmosphere with an inert gas (eg, N 2 gas, Ar gas, etc.), and an aqueous solution of an alkaline compound is added to adjust the pH (eg, pH 10 to 13).
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 left still 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) to obtain precursor powder.

次に、混合工程について説明する。ここで用い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、水酸化リチウム等の焼成により酸化物に変換される化合物を用いることができる。
得られた前駆体粉末と、リチウム化合物の粉末とに加え、所定濃度の融剤(典型的には、該粉末の混合物に対して、0.1質量%以上50質量%以下)を添加し混合する。融剤を添加して混合することにより、後述する焼成工程において第1の粒子の粒子成長を促進することができるため、第1の粒子の粒子径を増大することができる。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B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、第1の粒子の粒子径を調整することができる。
Next, the mixing process will be described. As the lithium compound used here, for example, a compound that can be converted into an oxide by firing, such as lithium carbonate, lithium nitrate, or lithium hydroxide, can be used.
In addition to the obtained precursor powder and lithium compound powder, a flux having a predetermined concentration (typically 0.1% by mass or more and 50% by mass or less with respect to the mixture of the powders) is added and mixed. do. By adding and mixing the flux, the particle growth of the first particles can be promoted in the later-described firing step, so that the particle diameter of the first 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 first particles can be adjusted by adjusting the amount (concentration) of the mixed flux.

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、前駆体粉末と、リチウム化合物との混合比を調整することにより、所望する正極活物質の元素比とすることができる。
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 precursor powder and the lithium compound, a desired elemental ratio of the positive electrode active material can be obtained.

また、例えば、正極活物質にアルミニウム原子及び/又はマグネシウム原子を含有させる場合には、混合工程において、前駆体粉末と、リチウム化合物の粉末と、融剤とに加えて、さらにアルミニウム化合物の粉末及び/又はマグネシウム化合物を混合することによって製造することができる。アルミニウム化合物および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好ましく用いることができる。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。また、かかる化合物の混合量を調整することにより、所望の元素比の正極活物質を得ることができる。 Further, for example, when the positive electrode active material contains aluminum atoms and/or magnesium atoms, in the mixing step, in addition to the precursor powder, the lithium compound powder, and the flux, the aluminum compound powder and / Or it can be manufactured by mixing a magnesium compound. Aluminum compounds and magnesium compounds are preferably compounds that are converted to oxides by firing. 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. Further, by adjusting the mixed amount of such compounds, a positive electrode active material having a desired elemental ratio can be obtained.

次に、焼成工程について説明する。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、例えば、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し、再度成型する。再度成型した混合物を例えば900℃~1000℃で6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、再度混合物を粉砕することでリチウムマンガン複合酸化物粒子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(典型的には10℃/分)とすることができる。また、特に限定する意図はないが、冷却方法としては、例えば、焼成に用いた電気炉の電源を切り、自然放冷させればよい。
なお、融剤の濃度、焼成温度、焼成時間を調整することにより、第1の粒子の平均粒子径を調整することができる。
Next, the firing process will be described. The obtained mixture 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, for example, at 500° C. to 600° C. for 6 to 12 hours in an air atmosphere. After cooling, the pressure-molded mixture is pulverized and molded again. The re-molded mixture is fired, for example, at 900° C. to 1000° C. for 6 hours to 24 hours. After that, annealing treatment is performed, for example, at 700° C. for 12 to 48 hours. After annealing, the mixture is cooled and pulverized again to obtain lithium-manganese composite oxide particles. The heating rate during firing can be, for example, 5° C./min to 40° C./min (typically 10° C./min). Although not intended to be particularly limited, as a cooling method, for example, the electric furnace used for firing may be turned off and allowed to cool naturally.
The average particle size of the first particles can be adjusted by adjusting the concentration of the flux, the sintering temperature, and the sintering time.

次に、第2混合工程について説明する。リチウムマンガン複合酸化物粒子と、ニッケル原子およびコバルト原子のうち少なくとも一方の遷移金属原子を備えたリン含有リチウム遷移金属複合酸化物粒子とを混合する。かかるリン含有リチウム遷移金属複合酸化物としては、例えば、LiNiPOおよびLiCoPOを好適に用いることができる。混合方法は、上述の混合工程と同様に、公知の混合装置および公知方法に従えばよい。なお、上記リチウムマンガン複合酸化物粒子と上記リン含有リチウム遷移金属複合酸化物との混合比を所望の割合に調整することができる。 Next, the second mixing step will be explained. Lithium-manganese composite oxide particles and phosphorus-containing lithium-transition metal composite oxide particles having transition metal atoms of at least one of nickel atoms and cobalt atoms are mixed. LiNiPO4 and LiCoPO4 , for example, can be suitably used as such phosphorus-containing lithium transition metal composite oxides. The mixing method should just follow a well-known mixing apparatus and a well-known method similarly to the above-mentioned mixing process. The mixing ratio of the lithium manganese composite oxide particles and the phosphorus-containing lithium transition metal composite oxide can be adjusted to a desired ratio.

次に、熱処理工程について説明する。上記第2混合工程で得られた混合物を加熱処理することにより、上記リチウムマンガン複合酸化物粒子の表層部に上記リン含有リチウム遷移金属複合酸化物に含まれるニッケル原子およびコバルト原子のうち少なくとも一方の遷移金属原子に置換させることができる。熱処理は、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。熱処理の条件は、例えば、大気雰囲気下で400℃~800℃で2時間~20時間とすることできる。なお、上記リン含有リチウム遷移金属複合酸化物の混合量、熱処理温度および熱処理時間を調整することにより、ニッケル原子及び/又はコバルト原子に置換されるリチウムマンガン複合酸化物粒子の表層部の厚みを変更することができる。 Next, the heat treatment process will be described. By heat-treating the mixture obtained in the second mixing step, at least one of nickel atoms and cobalt atoms contained in the phosphorus-containing lithium transition metal composite oxide is added to the surface layer portion of the lithium manganese composite oxide particles. It can be substituted with a transition metal atom. The heat treatment can be performed using, for example, a batch-type electric furnace, a continuous electric furnace, or the like. The heat treatment conditions can be, for example, 400° C. to 800° C. for 2 hours to 20 hours in an air atmosphere. By adjusting the mixing amount of the phosphorus-containing lithium transition metal composite oxide, the heat treatment temperature, and the heat treatment time, the thickness of the surface layer of the lithium manganese composite oxide particles substituted with nickel atoms and/or cobalt atoms is changed. can do.

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 secondary battery 100 can be used for various purposes. For example, it can be suitably used as a high-output power source (driving power source) for a motor mounted on a vehicle. Although the type of vehicle is not particularly limited, typical vehicles include plug-in hybrid vehicles (PHV), hybrid vehicles (HV), electric vehicles (EV), and the like. The lithium ion secondary battery 100 can also be used in the form of an assembled battery in which a plurality of batteries are electrically connected.

以上、一例として扁平形状の捲回電極体を備えた角型の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型電極体を備えたリチウムイオン二次電池であってもよい。また、非水電解液の代わりにゲル状電解質を使用してもよい。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よく、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 lithium ion secondary battery including the flattened 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 lithium ion secondary battery may be provided with a laminated electrode body in which a sheet-like positive electrode and a sheet-like negative electrode are alternately laminated via a separator. Also, a gel electrolyte may be used instead of the non-aqueous 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.

<正極活物質の作製>
(例1)
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所定のpH(pH10~13)に調整した。そして、該所定の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)を得た。得られた水酸化物をろ過し、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。
得られた水酸化物粉末と、水酸化リチウム粉末とを、リチウム(Li)とマンガン(Mn)とのモル比がLi:Mn=1.1:1.9となるように準備した。次に、準備した粉末全体に対して、0.1質量%~50質量%となるようにBを添加し、混合した。かかる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。粉砕した混合物を再成型し、900℃~1000℃で6時間~24時間焼成後、700℃で12時間~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10℃/分とした。かかるアニール処理後、冷却し、得られた混合物を粉砕することで、例1の正極活物質を得た。
<Production of positive electrode active material>
(Example 1)
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 adjusted to a predetermined pH (pH 10 to 13) with the aqueous sodium hydroxide solution. Then, the manganese sulfate aqueous solution, the sodium hydroxide aqueous solution and the ammonia aqueous solution were added while controlling the pH to the predetermined value to obtain a coprecipitation product (hydroxide). The resulting hydroxide was 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.
The obtained hydroxide powder and lithium hydroxide powder were prepared so that the molar ratio of lithium (Li) to manganese (Mn) was Li:Mn=1.1:1.9. Next, B 2 O 3 was added in an amount of 0.1% by mass to 50% by mass with respect to the entire prepared powder and mixed. The mixture was pressure-molded, heated at 550° C. for 12 hours in an air atmosphere, cooled, and pulverized. The pulverized mixture was remolded, fired at 900° C. to 1000° C. for 6 hours to 24 hours, and then annealed at 700° C. for 12 hours to 48 hours. The rate of temperature rise during the firing was set at 10° C./min. After the annealing treatment, the positive electrode active material of Example 1 was obtained by cooling and pulverizing the obtained mixture.

(例2)
上述した例1の正極活物質の作製方法のうち、Bを用いなかったこと以外は同様にして例2の正極活物質を得た。
(例3)
上述した例1の正極活物質の作製方法のうち、水酸化物粉末と、水酸化リチウム粉末を準備する工程を変更した。例3では、水酸化物粉末と、水酸化リチウム粉末と、水酸化物アルミニウム粉末とを、Li:Al:Mn=1.1:0.05:1.85のモル比となるように準備した。他の工程は、例1と同様に行い、例3の正極活物質を得た。
(例4~11)
上述した例3の正極活物質の製造方法と同様にして正極活物質を得た。かかる正極活物質に対し、LiCoPO粉末(株式会社豊島製作所製)を混合した。このとき、混合物全体に対し、LiCoPO粉末が0.1mol%~6mol%となるようにした。かかる混合物を空気中で400℃~800℃で2時間~20時間加熱処理をし、例4~11の正極活物質を得た。なお、各例において、かかる加熱処理温度および時間を変更することで、Co原子が置換した第2の粒子の表層部の範囲(厚み)を変更した。また、例1に記載のBの添加量、焼成温度、焼成時間を各例で変更することにより第1の粒子および第2の粒子の平均粒子径を変更した。
(Example 2)
A positive electrode active material of Example 2 was obtained in the same manner as in the method for producing the positive electrode active material of Example 1 described above, except that B 2 O 3 was not used.
(Example 3)
In the manufacturing method of the positive electrode active material of Example 1 described above, the steps of preparing the hydroxide powder and the lithium hydroxide powder were changed. In Example 3, hydroxide powder, lithium hydroxide powder, and aluminum hydroxide powder were prepared in a molar ratio of Li:Al:Mn=1.1:0.05:1.85. . Other steps were performed in the same manner as in Example 1 to obtain a positive electrode active material of Example 3.
(Examples 4-11)
A positive electrode active material was obtained in the same manner as in the manufacturing method of the positive electrode active material of Example 3 described above. LiCoPO 4 powder (manufactured by Toyoshima Seisakusho Co., Ltd.) was mixed with this positive electrode active material. At this time, the LiCoPO 4 powder was adjusted to be 0.1 mol % to 6 mol % with respect to the entire mixture. The mixture was heat-treated in the air at 400° C. to 800° C. for 2 hours to 20 hours to obtain positive electrode active materials of Examples 4-11. In each example, by changing the heat treatment temperature and time, the range (thickness) of the surface layer portion of the second particles substituted with Co atoms was changed. Further, by changing the amount of B 2 O 3 added, the firing temperature, and the firing time described in Example 1 in each example, the average particle sizes of the first particles and the second particles were changed.

(例12)
上述した例4~11の正極活物質の作製方法のうち、水酸化物粉末と、水酸化リチウム粉末と、水酸化物アルミニウム粉末とのモル比を変更した。例12では、Li:Al:Mn=1.05:0.1:1.85のモル比となるように上記粉末を準備した。他の工程は例4~11と同様に行い、例12の正極活物質を得た。
(例13)
上述した例4~11の正極活物質の作製方法のうち、水酸化物粉末と、水酸化リチウム粉末と、水酸化物アルミニウム粉末とのモル比を変更した。例12では、Li:Al:Mn=1.15:0.05:1.8のモル比となるように上記粉末を準備した。他の工程は例4~11と同様に行い、例13の正極活物質を得た。
(例14)
上述した例4~11の正極活物質の作製方法のうち、LiCoPO粉末をLiNiPO粉末(株式会社豊島製作所製)に変更し、混合物全体に対し、LiNiPO粉末が2mol%となるようにした。他の工程は、例4~11と同様に行い、例14の正極活物質を得た。
(例15)
上述した例4~11の正極活物質の作製方法のうち、水酸化アルミニウム粉末を水酸化物マグネシウム粉末に変更した。水酸化物粉末と、水酸化物マグネシウム粉末と、水酸化リチウム粉末とをLi:Mg:Mn=1.1:0.05:1.85のモル比となるように準備した。他の工程は、例4~11と同様に行い、例15の正極活物質を得た。
(例16)
上述した例1の正極活物質の製造方法と同様にして正極活物質を得た。かかる正極活物質に対し、LiCoPO粉末を混合した。このとき、混合物全体に対し、LiCoPO粉末が2mol%となるようにした。かかる混合物を空気中で400℃~800℃で2時間~20時間加熱処理をし、例16の正極活物質を得た。
(Example 12)
In the methods for producing the positive electrode active materials of Examples 4 to 11 described above, the molar ratio of the hydroxide powder, the lithium hydroxide powder, and the aluminum hydroxide powder was changed. In Example 12, the above powder was prepared in a molar ratio of Li:Al:Mn=1.05:0.1:1.85. Other steps were performed in the same manner as in Examples 4 to 11 to obtain a positive electrode active material of Example 12.
(Example 13)
In the methods for producing the positive electrode active materials of Examples 4 to 11 described above, the molar ratio of the hydroxide powder, the lithium hydroxide powder, and the aluminum hydroxide powder was changed. In Example 12, the powder was prepared to have a molar ratio of Li:Al:Mn=1.15:0.05:1.8. Other steps were performed in the same manner as in Examples 4 to 11 to obtain a positive electrode active material of Example 13.
(Example 14)
LiCoPO 4 powder was changed to LiNiPO 4 powder (manufactured by Toyoshima Seisakusho Co., Ltd.) in the method for producing the positive electrode active materials of Examples 4 to 11 described above, and the LiNiPO 4 powder was 2 mol % of the entire mixture. . Other steps were performed in the same manner as in Examples 4 to 11 to obtain a positive electrode active material of Example 14.
(Example 15)
In the method for producing the positive electrode active material of Examples 4 to 11 described above, the aluminum hydroxide powder was changed to magnesium hydroxide powder. A hydroxide powder, a magnesium hydroxide powder, and a lithium hydroxide powder were prepared so that the molar ratio of Li:Mg:Mn=1.1:0.05:1.85. Other steps were performed in the same manner as in Examples 4 to 11 to obtain a cathode active material of Example 15.
(Example 16)
A positive electrode active material was obtained in the same manner as in the manufacturing method of the positive electrode active material of Example 1 described above. LiCoPO 4 powder was mixed with this positive electrode active material. At this time, the LiCoPO 4 powder was adjusted to 2 mol % with respect to the entire mixture. The mixture was heat-treated in the air at 400° C. to 800° C. for 2 hours to 20 hours to obtain a positive electrode active material of Example 16.

<第1の粒子および第2の粒子の平均粒子径の算出>
上記製造した各例の正極活物質それぞれにおいて、LiCoPO粉末またはLiNiPO粉末を混合する前の粒子(即ち、リチウムマンガン複合酸化物からなる第1の粒子および第2の粒子)のメジアン径(D50)をレーザー回折式粒度分布測定装置により測定した。次に、かかる粒子のSEM像を取得した。得られたSEM像の中から、それぞれD50に相当する大きさの第2の粒子を任意(無作為)に30個選択した。そして、該30個の第2の粒子の粒子径を上述した方法で算出し、それらの平均値を第2の粒子の平均粒子径とした。
また、上記選択した30個の第2の粒子それぞれにおいて、該第2の粒子に含まれる第1の粒子の中から、SEM像において粒子全体が視認できる(即ち、他の粒子に隠れている部分がない)第1の粒子を選択し、上述した方法で該第1の粒子の粒子径を算出し、それらの平均値を第1の粒子の平均粒子径とした。
<Calculation of Average Particle Size of First Particles and Second Particles>
In each positive electrode active material of each example produced above, the median diameter ( D50 ) was measured with a laser diffraction particle size distribution analyzer. SEM images of such particles were then obtained. From the obtained SEM image, 30 second particles each having a size corresponding to D50 were arbitrarily (randomly) selected. Then, the particle diameters of the 30 second particles were calculated by the method described above, and the average value thereof was taken as the average particle diameter of the second particles.
Further, in each of the 30 second particles selected above, among the first particles contained in the second particles, the entire particle can be visually recognized in the SEM image (that is, the portion hidden by other particles The first particles were selected, the particle diameters of the first particles were calculated by the method described above, and the average value thereof was taken as the average particle diameter of the first particles.

<正極活物質の組成分析>
上記作製した正極活物質それぞれにおいて、LiCoPO粉末またはLiNiPO粉末を混合する前の粒子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 particles of each positive electrode active material prepared above before mixing the LiCoPO 4 powder or LiNiPO 4 powder, and the content of each element was measured.

<第2の粒子表層部における遷移金属Me(Me:NiまたはCo)含有厚みの測定>
上記作製した正極活物質それぞれを樹脂埋めし、粗断面を作製後、クロスセクションポリッシャー(CP)法による断面加工を行った。かかる断面をSEMで1000倍の倍率で複数箇所観察し、D50に相当する大きさの第2の粒子を無作為に20個選択した。選択した20個の第2の粒子を3000倍または5000倍の倍率で撮影し、断面SEM像を得た。そして、選択した第2の粒子それぞれにおいて、エネルギー分散型X線分光法(EDX)を用いた平面分析により、NiまたはCoの強度分布を測定した。そして、NiまたはCoの存在距離が最大となる法線を選択した。かかる法線に沿ってEDXにより測定されたNiまたはCo強度の最大値に対して、NiまたはCo強度が30%となる点を求めた。そして、二次粒子の表面からかかる点までの長さを算出した。このようにして、選択した第2の粒子それぞれで求めた長さの平均値を「Me偏在表層部(μm)」として表1に示す。
<Measurement of Transition Metal Me (Me: Ni or Co) Containing Thickness in Second Particle Surface Layer>
Each of the positive electrode active materials prepared above was embedded in a resin, and after preparing a rough cross section, the cross section was processed by a cross section polisher (CP) method. A plurality of such cross sections were observed with an SEM at a magnification of 1000 times, and 20 second particles having a size corresponding to D50 were randomly selected. Selected 20 second particles were photographed at 3000x or 5000x magnification to obtain cross-sectional SEM images. Then, the intensity distribution of Ni or Co was measured for each of the selected second particles by planar analysis using energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX). Then, the normal line that maximizes the existence distance of Ni or Co was selected. The point at which the Ni or Co intensity is 30% of the maximum value of the Ni or Co intensity measured by EDX along this normal line was determined. Then, the length from the surface of the secondary particles to the point was calculated. The average value of the lengths thus obtained for each of the selected second particles is shown in Table 1 as "Me unevenly distributed surface layer portion (μm)".

<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、導電材としてのアセチレンブラック(AB)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:AB: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均一に塗布し、加熱乾燥させることで塗布シートを作製した。そして、かかる塗布シートをロールプレスすることにより高密度化させ、正極シートを作製した。
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均一に塗布し、加熱乾燥させることで塗布シートを作製した。そして、かかる塗布シートをロールプレスすることにより、負極シートを作製した
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。
作製した正極シートおよび負極シート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、アルミラミネート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LiPF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, acetylene black (AB) as a conductive material, and polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder were combined into a positive electrode active material: AB: PVDF = 90: 8. :2 in N-methyl-2-pyrrolidone to prepare a paste for forming a positive electrode active material layer. This paste was uniformly applied to an aluminum foil current collector and dried by heating to prepare a coated sheet. Then, the coated sheet was roll-pressed to increase the density, thereby producing a positive electrode sheet.
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 uniformly applied to a copper foil current collector and dried by heating to prepare a coated sheet. Then, a negative electrode sheet was produced by roll-pressing the coated sheet. A porous polyolefin sheet having a three-layer structure of PP/PE/PP was prepared as a separator.
The positive electrode sheet and the negative electrode sheet thus prepared were laminated so as to face each other with a separator interposed therebetween to prepare 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 an aluminum laminate 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.

<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、かかる充放電の操作は25℃で行った。なお、ここで「1C」とは、1時間でSOC(state of charge)を0%から100%まで充電できる電流の大きさのことをいう。
<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. Here, "1 C" refers to the amount of current that can charge the SOC (state of charge) from 0% to 100% in one hour.

<初期抵抗の測定>
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、その傾きから抵抗値(初期抵抗)を算出した。そして、例1の初期抵抗を1.0としたときの各例の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 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. A resistance value (initial resistance) was calculated from the slope of the linear interpolation of the applied current and voltage change. Then, the relative value of the initial resistance of each example was calculated when the initial resistance of Example 1 was set to 1.0. Table 1 shows the results.

<高温耐久後抵抗増加率および高温耐久後容量維持率の測定>
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抵抗を上記と同じ方法で測定した。そして、高温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、高温耐久後抵抗増加率を以下の式2:
(50サイクル後の抵抗)/(初期抵抗)×100・・・式2
により算出した。これら算出した高温耐久後容量維持率および高温耐久後抵抗増加率それぞれにおいて、例1を1.0としたときの各例の相対値を算出した。その結果を表1に示す。なお、高温耐久後容量維持率は値が高いほど優れたサイクル特性を示しており、高温耐久後抵抗増加率の値は低いほど優れたサイクル特性であることを示している。
<Measurement of resistance increase rate after high temperature endurance and capacity retention rate after high temperature 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 resistance after 50 cycles were measured by the same method as above. Then, the capacity retention rate after high temperature 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 high temperature endurance is expressed by the following equation 2:
(Resistance after 50 cycles)/(Initial resistance)×100 Expression 2
Calculated by In each of the calculated capacity retention rate after high temperature endurance and resistance increase rate after high temperature endurance, the relative value of each example was calculated when Example 1 was taken as 1.0. Table 1 shows the results. A higher value of the capacity retention rate after high temperature endurance indicates better cycle characteristics, and a lower value of the resistance increase rate after high temperature endurance indicates better cycle characteristics.

Figure 0007225282000001
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表1に示すように、例5~8、例12~16は例1および例3よりもサイクル特性に優れており、さらに、初期抵抗が低減していた。例1、例3、例5~8、例12~16では、いずれも第1の粒子の平均粒子径が5μm以上10μm以下であり、第2の粒子の平均粒子径が12μm以上22μm以下であることを具備しているが、例5~8、例12~16では、第3の粒子(ここではLiMeO粒子)の存在割合が0.3mol%以上5mol%以下であり、Me存在厚みが3μm以下であることを具備している。即ち、かかる割合の第3の粒子の存在と、かかる厚みの第2の粒子の表層部にMeが偏在することにより、サイクル特性を向上させ、かつ、初期抵抗を低減できることがわかる。また、このなかでも、例5~7、例12~16では、より優れたサイクル特性を示した。これにより、第3の粒子(LiMePO)の存在割合が0.3mol%以上3mol%以下であり、Me偏在表層部が2μm以下であるとき、さらに優れたサイクル特性が実現されることがわかる。 As shown in Table 1, Examples 5 to 8 and Examples 12 to 16 were superior to Examples 1 and 3 in terms of cycle characteristics, and their initial resistance was reduced. In Examples 1, 3, 5 to 8, and 12 to 16, the average particle size of the first particles is 5 μm or more and 10 μm or less, and the average particle size of the second particles is 12 μm or more and 22 μm or less. However, in Examples 5 to 8 and Examples 12 to 16, the proportion of the third particles (here, LiMeO 4 particles) is 0.3 mol% or more and 5 mol% or less, and the Me thickness is 3 μm. It has the following. That is, it can be seen that the presence of the third grains in such a proportion and the uneven distribution of Me in the surface layer portion of the second grains in such a thickness can improve the cycle characteristics and reduce the initial resistance. Among them, Examples 5 to 7 and Examples 12 to 16 exhibited better cycle characteristics. From this, it can be seen that when the abundance ratio of the third particles (LiMePO 4 ) is 0.3 mol % or more and 3 mol % or less and the Me unevenly distributed surface layer portion is 2 μm or less, even better cycle characteristics are 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 正極活物質粒子
12 第1の粒子
14 第2の粒子
16 第3の粒子
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 Positive electrode active material particles 12 First particles 14 Second particles 16 Third particles 20 Electrode body 30 Battery case 36 Safety valve 42 Positive electrode terminal 42a Positive electrode current collector 44 Negative electrode terminal 44a Negative electrode current collector 50 Positive electrode 52 Positive electrode current collector Body 52a Positive electrode current collector exposed portion 54 Positive electrode active material layer 60 Negative electrode 62 Negative electrode current collector 62a Negative electrode current collector exposed portion 64 Negative electrode active material layer 70 Separator 100 Lithium ion secondary battery

Claims (6)

リチウムイオン二次電池に用いられる正極活物質であって、
第1の粒子が複数集合した第2の粒子を含み、
前記第1の粒子のSEM像に基づく平均粒子径は5μm以上10μm以下であり、
前記第2の粒子のSEM像に基づく平均粒子径は12μm以上22μm以下であり、
前記第1の粒子は、少なくともリチウム原子とマンガン原子と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を含み、
前記第2の粒子の表面には、ニッケル原子およびコバルト原子のうち少なくとも一方の遷移金属原子を備えたリン含有リチウム遷移金属複合酸化物で構成される第3の粒子が存在しており、
前記正極活物質を構成する化合物全体に対する前記第3の粒子を構成する前記リン含有リチウム遷移金属複合酸化物の割合は、0.3mol%以上5mol%以下であり、
前記第2の粒子の表面から3μm以下の表層部には、前記遷移金属原子が偏在している、
正極活物質。
A positive electrode active material used in a lithium ion secondary battery,
Including second particles in which a plurality of first particles are aggregated,
The average particle size based on the SEM image of the first particles is 5 μm or more and 10 μm or less,
The average particle diameter based on the SEM image of the second particles is 12 μm or more and 22 μm or less,
The first particles comprise a spinel crystal structure lithium-manganese composite oxide containing at least lithium atoms and manganese atoms,
Third particles composed of a phosphorus-containing lithium-transition metal composite oxide having transition metal atoms of at least one of nickel atoms and cobalt atoms are present on the surfaces of the second particles,
The ratio of the phosphorus-containing lithium-transition metal composite oxide constituting the third particles to the entire compound constituting the positive electrode active material is 0.3 mol% or more and 5 mol% or less,
The transition metal atoms are unevenly distributed in a surface layer portion of 3 μm or less from the surface of the second particle,
Positive electrode active material.
前記正極活物質を構成する化合物全体に対する前記第3の粒子を構成する前記リン含有リチウム遷移金属複合酸化物の割合は、0.3mol%以上3mol%以下である、請求項1に記載の正極活物質。 2. The positive electrode active material according to claim 1, wherein the ratio of said phosphorus-containing lithium-transition metal composite oxide constituting said third particles to the whole compound constituting said positive electrode active material is 0.3 mol % or more and 3 mol % or less. material. 前記遷移金属原子が偏在する前記第2の粒子の表層部は、前記第2の粒子の表面から2μm以下の範囲である、請求項1または2に記載の正極活物質。 3 . The positive electrode active material according to claim 1 , wherein the surface layer portion of the second particles where the transition metal atoms are unevenly distributed is within a range of 2 μm or less from the surface of the second particles. 前記リチウムマンガン複合酸化物は、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どちらか一方を備える、請求項1~3の何れか一項に記載の正極活物質。 The positive electrode active material according to any one of claims 1 to 3, wherein the lithium-manganese composite oxide comprises at least one of aluminum atoms and magnesium atoms. 前記リン含有リチウム遷移金属複合酸化物として、LiMePO(MeはNiおよびCoのうち少なくともどちらか一方を含む)を含む、請求項1~4の何れか一項に記載の正極活物質。 5. The positive electrode active material according to claim 1, containing LiMePO 4 (Me includes at least one of Ni and Co) as the phosphorus-containing lithium transition metal composite oxide. 正極と、負極と、非水電解質と、を備えるリチウムイオン二次電池であって、
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1~5の何れか一項に記載の正極活物質を備える、
リチウムイオン二次電池。
A lithium ion 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 any one of claims 1 to 5,
Lithium-ion secondary battery.
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