JP7532880B2 - Positive electrode active material for lithium ion secondary battery, manufacturing method thereof, and lithium ion secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、リチウムイオン二次電池用正極活物質、及びその製造方法と、その正極活物質を用い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 for lithium ion secondary batteries, a method for producing the same, and a lithium ion secondary battery using the positive electrode active material.
高いエネルギー密度を有する軽量な二次電池として、リチウムイオン二次電池が広く普及している。リチウムイオン二次電池は、ニッケル・水素蓄電池や、ニッケル・カドミウム蓄電池等の他の二次電池と比較して、エネルギー密度が高く、メモリ効果が小さいといった特徴を有している。そのため、携帯電子機器、電動工具、家庭用電気機器等の小型電源から、電力貯蔵装置、無停電電源装置、電力平準化装置等の定置用電源や、船舶、鉄道車両、ハイブリッド鉄道車両、ハイブリット自動車、電気自動車等の駆動電源等、中型・大型電源に至るまで、その用途が拡大している。 Lithium-ion secondary batteries are widely used as lightweight secondary batteries with high energy density. Compared to other secondary batteries such as nickel-metal hydride batteries and nickel-cadmium batteries, lithium-ion secondary batteries have features such as high energy density and small memory effect. As a result, their applications are expanding from small power sources for portable electronic devices, power tools, household electrical appliances, etc., to stationary power sources such as power storage devices, uninterruptible power supplies, and power leveling devices, to medium- and large-sized power sources such as drive power sources for ships, railway vehicles, hybrid railway vehicles, hybrid automobiles, electric automobiles, etc.
リチウムイオン二次電池は、用途の拡大に伴って、更なる高容量化が求められている。また、優れた充放電サイクル特性、用途に応じた出力特性等も必要とされている。定置用電源、駆動電源等の各種の用途では、高出力化の要求が高いし、車載用に関しては、より長距離のEV走行を可能とするために、出力安定性が要求される。放電を通じて出力が安定しており、充電深度(State of Charge:SOC)に依らず高出力運転を続けられる出力特性が望まれている。 As the range of applications for lithium-ion secondary batteries expands, there is a demand for even higher capacity. There is also a need for excellent charge/discharge cycle characteristics and output characteristics suited to the application. For various applications such as stationary power sources and drive power sources, there is a high demand for high output, and for in-vehicle use, output stability is required to enable EVs to travel longer distances. There is a demand for output characteristics that provide stable output throughout discharge and enable continuous high-output operation regardless of the state of charge (SOC).
このような状況下、電池特性を大きく左右する正極活物質について、高容量や量産性の確立に加え、リチウムイオンの抵抗の低減や、結晶構造の安定化等に関する検討がなされている。リチウムイオン二次電池用の正極活物質としては、α-NaFeO2型の結晶構造(以下、層状構造ということがある。)を有するリチウム遷移金属複合酸化物が広く知られている。層状構造を有する酸化物としては、従来、LiCoO2が用いられてきたが、高容量化や量産性等の要求から、Li(Ni,Co,Mn)O2で表される三元系や、LiNiO2を異種元素置換したニッケル系等の開発がなされている。
層状構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物のうち、ニッケル系は、寿命特性が必ずしも良好でないという短所を有している。しかしながら、ニッケル系は、コバルト等と比較して安価なニッケルで組成され、比較的高容量を示すため、各種の用途への応用が期待されている。特に、リチウムを除いた金属(Ni、Co、Mn等)当たりのニッケルの割合を高くした化学組成について期待が高まっている。
Under these circumstances, in addition to establishing high capacity and mass production, studies are being conducted on the positive electrode active material, which greatly affects the battery characteristics, to reduce the resistance of lithium ions and stabilize the crystal structure. As a positive electrode active material for lithium ion secondary batteries, lithium transition metal composite oxides having an α-NaFeO 2 type crystal structure (hereinafter sometimes referred to as a layered structure) are widely known. As an oxide having a layered structure, LiCoO 2 has been used conventionally, but due to demands for high capacity and mass production, ternary systems represented by Li(Ni,Co,Mn)O 2 and nickel systems in which LiNiO 2 is substituted with different elements have been developed.
Among lithium transition metal composite oxides having a layered structure, nickel-based oxides have the disadvantage that their life characteristics are not necessarily good. However, nickel-based oxides are composed of nickel, which is cheaper than cobalt and the like, and have a relatively high capacity, so they are expected to be used in various applications. In particular, there is growing expectation for chemical compositions with a high ratio of nickel per metal other than lithium (Ni, Co, Mn, etc.).
例えば、特許文献1には、リチウム遷移金属系化合物の主成分原料と、原子価が5価または6価を取りうる金属元素から構成される化合物(添加剤)との、微細かつ均一な混合物が焼成されたものであり、添加元素が、粒子表面から深さ方向に、具体的には深さ10nm程度の範囲に濃度勾配を持って存在する連続的組成傾斜構造を有することを特徴とするリチウム二次電池正極材料用リチウム遷移金属系化合物粉体が記載されている。 For example, Patent Document 1 describes a lithium transition metal compound powder for use as a positive electrode material in lithium secondary batteries, which is prepared by firing a fine and uniform mixture of the main component raw material of a lithium transition metal compound and a compound (additive) composed of a metal element that can have a valence of five or six, and is characterized by having a continuous composition gradient structure in which the additive element exists with a concentration gradient in the depth direction from the particle surface, specifically within a range of about 10 nm deep.
また、特許文献2には、Li1+aNibMncCodTieMfO2+α …(1)
(ただし、前記式(1)中、Mは、Mg、Al、Zr、Mo、Nbからなる群より選択される少なくとも1種の元素であり、a、b、c、d、e、f及びαは、-0.1≦a≦0.2、0.7<b≦0.9、0≦c<0.3、0≦d<0.3、0<e≦0.25、0≦f<0.3、b+c+d+e+f=1、及び、-0.2≦α≦0.2、を満たす数である。)で表され、かつX線光電子分光分析に基づくTi3+とTi4+の原子比Ti3+/Ti4+が1.5以上、20以下であるリチウムイオン二次電池用正極材料が記載されている。
In addition, Patent Document 2 describes Li 1+a Ni b Mn c Co d Ti e M f O 2+α (1)
(wherein, in formula (1), M is at least one element selected from the group consisting of Mg, Al, Zr, Mo and Nb, and a, b, c, d, e, f and α are numbers that satisfy -0.1≦a≦0.2, 0.7<b≦0.9, 0≦c<0.3, 0≦d<0.3, 0<e≦0.25, 0≦f<0.3, b+c+d+e+f=1, and -0.2≦α≦0.2), and the atomic ratio of Ti3 + to Ti4 + , Ti3 + /Ti4 + , based on X-ray photoelectron spectroscopy is 1.5 or more and 20 or less.
また、特許文献3には、一般式:LitNi1-x-y-zCoxAlyTizO2( 0.98≦t≦1.10、0<x≦0.30、0.03≦y≦0.15、0.001≦z≦0.03)で表され、一次粒子表面および/または一次粒子間の粒界にチタン濃縮層が形成されている非水系電解質二次電池用正極活物質が記載されている。 Furthermore, Patent Document 3 describes a positive electrode active material for non-aqueous electrolyte secondary batteries , which is represented by the general formula LitNi1 -xyzCoxAlyTizO2 ( 0.98≦t≦1.10, 0<x≦0.30, 0.03≦y≦0.15, 0.001≦z≦0.03), in which a titanium-enriched layer is formed on the surfaces of primary particles and/or on grain boundaries between primary particles.
リチウムを除いた金属当たりのニッケルの割合が80%以上であり、ニッケルの含有率が高いニッケル系は、結晶構造の安定性が低いため、特に高温での充放電サイクルにおいて容量低下や抵抗上昇が起きやすいという欠点を持つ。一般的に、ニッケルの含有率が高いリチウム遷移金属複合酸化物は、充放電時、結晶構造が不安定になり易い性質を有している。LiMeO2(Meは、Ni等の金属元素を表す)の結晶構造においては三価のNiが多く存在するが、Liが脱離した充電状態においてNiは、MeO2で構成される層を形成しており、四価のNiが多く存在する。四価のNiはより安定な二価のNiになりやすい。二価のNiはイオン半径がLi+に近いことからLiサイトを占有(これをカチオンミキシングという)しやすい。また表面付近では酸素の脱離が起きやすいこともあり、NiO2からNiO様結晶構造に転移した異相が形成しやすい。この異相形成は不可逆であるため充放電を伴ってもLiMeO2に戻ることはなく、結果として容量低下や抵抗上昇が起こる。そこで、表面の構造安定化のため、結晶構造を安定させる添加元素を結晶表面に配置する手法がある。 Nickel-based materials with a high nickel content and a ratio of nickel per metal excluding lithium of 80% or more have the disadvantage that the stability of the crystal structure is low, and therefore the capacity is likely to decrease and the resistance is likely to increase, especially during charge-discharge cycles at high temperatures. In general, lithium transition metal composite oxides with a high nickel content have a tendency to have unstable crystal structures during charge-discharge. In the crystal structure of LiMeO 2 (Me represents a metal element such as Ni), there are many trivalent Ni, but in the charged state in which Li is desorbed, Ni forms a layer composed of MeO 2 , and there are many tetravalent Ni. Tetravalent Ni is likely to become more stable divalent Ni. Divalent Ni has an ionic radius close to Li + , so it is likely to occupy Li sites (this is called cation mixing). In addition, oxygen is likely to be desorbed near the surface, and a different phase that transitions from NiO 2 to a NiO-like crystal structure is likely to be formed. Since this heterophase formation is irreversible, it does not return to LiMeO2 even with charging and discharging, resulting in a decrease in capacity and an increase in resistance. Therefore, in order to stabilize the surface structure, there is a method of placing an additive element that stabilizes the crystal structure on the crystal surface.
上述した特許文献1から3は、Ni-Co-Mn系の正極活物質の表面に添加元素による濃度勾配や表面濃化層を形成することで結晶構造変化を抑制し、一定の効果を得ている。しかしながら、高容量化等の目的でニッケルの割合を80%以上に高くすると、安定性の維持が更に困難になる。また、安定性を増すために添加元素量を増やしすぎると、容量低下やレート特性の低下が起こる。よって、Ni比がより高い正極活物質において、高い放電容量、良好な出力特性(レート特性)に加え、耐久性(充放電サイクル特性)の改善が求められている。 The above-mentioned Patent Documents 1 to 3 suppress changes in the crystal structure by forming a concentration gradient or surface enrichment layer due to the added element on the surface of the Ni-Co-Mn-based positive electrode active material, and achieve a certain level of effect. However, if the proportion of nickel is increased to 80% or more for the purpose of increasing capacity, etc., it becomes even more difficult to maintain stability. Furthermore, if the amount of added element is increased too much in order to increase stability, capacity reduction and rate characteristics will occur. Therefore, in positive electrode active materials with a higher Ni ratio, there is a demand for improved durability (charge-discharge cycle characteristics) in addition to high discharge capacity and good output characteristics (rate characteristics).
そこで、本発明は、Niの割合を80%以上にした高Ni比の正極活物質に係わり、高い放電容量と、良好なレート特性及び良好な充放電サイクル特性を備えたリチウムイオン二次電池用正極活物質(以下、単に「正極活物質」ということがある。)、及びその製造方法、並びにこの正極活物質を用いたリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。 The present invention relates to a high Ni ratio positive electrode active material with a Ni ratio of 80% or more, and aims to provide a positive electrode active material for lithium ion secondary batteries (hereinafter sometimes simply referred to as "positive electrode active material") that has a high discharge capacity, good rate characteristics, and good charge/discharge cycle characteristics, a method for producing the same, and a lithium ion secondary battery that uses this positive electrode active material.
本発明に係るリチウムイオン二次電池用正極活物質は、下記組成式(1);
Li1+aNibCocMdXeO2+α ・・・(1)
[但し、組成式(1)において、Mは、Al及びMnから選ばれる少なくとも1種を表し、XはTiを表し、-0.1≦a≦0.1、0.8≦b<1.0、0≦c≦0.3、0≦d<0.2、0<e<0.05、b+c+d+e=1、-0.2<α<0.2を満たす数である。]で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を含むリチウムイオン二次電池用正極活物質であって、前記正極活物質は一次粒子が複数個凝集して構成される二次粒子を含み、前記二次粒子の内部にある一次粒子同士の界面におけるXの原子濃度A0と、前記二次粒子の内部にある一次粒子同士の界面から深さ1nmにおけるXの原子濃度A1と、前記二次粒子の内部にある一次粒子の中央部におけるXの原子濃度A2とが、A0>A1>A2であり、かつ、前記一次粒子の界面を跨った領域のNiおよびXの元素分布において、Niの濃度勾配の変曲点に相当する位置β1とβ2の間隔|β1―β2|=L(β)を粒界とみなし、それに対してXの濃度勾配の変曲点に相当する位置α1とα2がそれぞれ一次粒子内部側にあり、その距離を|α1―α2|=L(α)としたとき、1nm≦L(α)-L(β)≦3nmであるリチウムイオン二次電池用正極活物質である。
The positive electrode active material for a lithium ion secondary battery according to the present invention has the following composition formula (1):
Li 1+a Ni b Co c M d X e O 2+α ...(1)
[In the composition formula (1), M represents at least one selected from Al and Mn, X represents Ti , and is a number satisfying −0.1≦a≦0.1, 0.8≦b<1.0, 0≦c≦0.3, 0≦d<0.2, 0<e<0.05, b+c+d+e=1, and −0.2<α<0.2. a lithium-ion secondary battery positive electrode active material containing a lithium transition metal composite oxide represented by the formula (1), wherein the positive electrode active material contains secondary particles formed by agglomeration of a plurality of primary particles, and an atomic concentration A0 of X at an interface between the primary particles inside the secondary particles, an atomic concentration A1 of X at a depth of 1 nm from the interface between the primary particles inside the secondary particles, and an atomic concentration A2 of X at a center of the primary particle inside the secondary particles satisfy A0>A1>A2, and in an element distribution of Ni and X in a region spanning the interface of the primary particles, a distance |β1-β2|=L(β) between positions β1 and β2 corresponding to an inflection point of a concentration gradient of Ni is regarded as a grain boundary, and relative to this, positions α1 and α2 corresponding to an inflection point of a concentration gradient of X are each located inside the primary particles, and the distance therebetween is |α1-α2|=L(α), where 1 nm≦L(α)-L(β)≦3 nm.
本発明に係る他のリチウムイオン二次電池用正極活物質は、下記組成式(1);
Li1+aNibCocMdXeO2+α ・・・(1)
[但し、組成式(1)において、Mは、Al及びMnから選ばれる少なくとも1種を表し、XはTiを表し、-0.1≦a≦0.1、0.8≦b<1.0、0≦c≦0.3、0≦d<0.2、0<e<0.05、b+c+d+e=1、-0.2<α<0.2を満たす数である。]で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を含むリチウムイオン二次電池用正極活物質であって、前記正極活物質は一次粒子が複数個凝集して構成される二次粒子を含み、前記二次粒子の内部にある一次粒子同士の界面におけるXの原子濃度A0と、前記二次粒子の内部にある一次粒子同士の界面から深さ1nmにおけるXの原子濃度A1と、前記二次粒子の内部にある一次粒子の中央部におけるXの原子濃度A2とが、A1×3.5>A0>A1>A2であるリチウムイオン二次電池用正極活物質である。
Another positive electrode active material for a lithium ion secondary battery according to the present invention has the following composition formula (1):
Li 1+a Ni b Co c M d X e O 2+α ...(1)
[wherein, in composition formula (1), M represents at least one selected from Al and Mn, X represents Ti , and is a number that satisfies −0.1≦a≦0.1, 0.8≦b<1.0, 0≦c≦0.3, 0≦d<0.2, 0<e<0.05, b+c+d+e=1, −0.2<α<0.2.], the positive electrode active material for a lithium ion secondary battery includes a lithium transition metal composite oxide represented by the following formula: [wherein, in composition formula (1), M represents at least one selected from Al and Mn, X represents Ti, and is a number that satisfies −0.1≦a≦0.1, 0.8≦b<1.0, 0≦c≦0.3, 0≦d<0.2, 0<e<0.05, b+c+d+e=1, −0.2<α<0.2.], the positive electrode active material for a lithium ion secondary battery includes secondary particles formed by agglomeration of a plurality of primary particles, and an atomic concentration A0 of X at an interface between primary particles inside the secondary particles, an atomic concentration A1 of X at a depth of 1 nm from the interface between primary particles inside the secondary particles, and an atomic concentration A2 of X at a center of a primary particle inside the secondary particles satisfy the following relationships: A1×3.5>A0>A1>A2.
また、本発明に係るリチウムイオン二次電池用正極活物質は、上記したリチウム遷移金属複合酸化物を含むリチウムイオン二次電池用正極活物質であって、前記二次粒子の表面にある一次粒子の表面におけるXの濃度B0と、前記二次粒子の表面にある一次粒子の表面から深さ1nmにおけるXの原子濃度B1と、前記二次粒子の表面にある一次粒子の中央部におけるXの原子濃度B2とが、B1×2.5>B0>B1>B2であることが好ましい。 The positive electrode active material for lithium ion secondary batteries according to the present invention is a positive electrode active material for lithium ion secondary batteries containing the above-mentioned lithium transition metal composite oxide, and it is preferable that the concentration B0 of X on the surface of the primary particles on the surface of the secondary particles, the atomic concentration B1 of X at a depth of 1 nm from the surface of the primary particles on the surface of the secondary particles, and the atomic concentration B2 of X in the center of the primary particles on the surface of the secondary particles are in the range of B1 x 2.5 > B0 > B1 > B2.
さらに、本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質は、前記組成式(1)において0≦c≦0.05であることは好ましい。
Furthermore, in the positive electrode active material for a lithium ion secondary battery of the present invention, it is preferable that 0≦c≦0.05 in the composition formula (1).
本発明は、前記組成式(1)で表されるリチウムイオン二次電池用正極活物質を含有する正極を備えるリチウムイオン二次電池である。
上記リチウムイオン二次電池は、前記リチウムイオン二次電池用正極活物質における組成式(1)において-0.9<a<0.1であることがある。
The present invention is a lithium ion secondary battery having a positive electrode containing the positive electrode active material for lithium ion secondary batteries represented by the above composition formula (1).
In the lithium ion secondary battery, the positive electrode active material for lithium ion secondary batteries may satisfy the formula (1) of -0.9<a<0.1.
本発明に係るリチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法は、下記組成式(1);
Li1+aNibCocMdXeO2+α ・・・(1)
[但し、組成式(1)において、Mは、Al及びMnから選ばれる少なくとも1種を表し、XはTiを表し、-0.1≦a≦0.1、0.8≦b<1.0、0≦c≦0.3、0≦d<0.2、0<e<0.05、b+c+d+e=1、-0.2<α<0.2を満たす数である。]で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を含むリチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法であって、前記組成式(1)中のLi、Ni、Co、M、Xの金属元素を含む化合物を混合して、混合物を得る混合工程と、前記混合物を焼成して組成式(1)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を得る焼成工程と、を有し、前記焼成工程は、750℃以上900℃以下で保持される段階を含み、その後に最高温度から降温し700℃以上800℃以下の温度帯に1.5時間以上保持されるアニール処理の段階を含み、前記リチウム遷移金属複合酸化物を含むリチウムイオン二次電池用正極活物質は、一次粒子が複数個凝集して構成される二次粒子を含み、前記二次粒子の内部にある一次粒子同士の界面におけるXの原子濃度A0と、前記二次粒子の内部にある一次粒子同士の界面から深さ1nmにおけるXの原子濃度A1と、前記二次粒子の内部にある一次粒子の中央部におけるXの原子濃度A2とが、A0>A1>A2であり、かつ、前記一次粒子の界面を跨った領域のNiおよびXの元素分布において、Niの濃度勾配の変曲点に相当する位置β1とβ2の間隔|β1―β2|=L(β)を粒界とみなし、それに対してXの濃度勾配の変曲点に相当する位置α1とα2がそれぞれ一次粒子内部側にあり、その距離を|α1―α2|=L(α)としたとき、1nm≦L(α)-L(β)≦3nmであるリチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法である。
The method for producing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery according to the present invention comprises the steps of:
Li 1+a Ni b Co c M d X e O 2+α ...(1)
[In the composition formula (1), M represents at least one selected from Al and Mn, X represents Ti , and is a number satisfying −0.1≦a≦0.1, 0.8≦b<1.0, 0≦c≦0.3, 0≦d<0.2, 0<e<0.05, b+c+d+e=1, and −0.2<α<0.2. The method for producing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery comprising a lithium transition metal composite oxide represented by the formula (1) includes a mixing step of mixing compounds containing the metal elements Li, Ni, Co, M, and X in the formula (1) to obtain a mixture, and a firing step of firing the mixture to obtain the lithium transition metal composite oxide represented by the formula (1), the firing step includes a stage of maintaining the mixture at 750° C. or higher and 900° C. or lower, and then includes a stage of annealing treatment in which the temperature is lowered from the maximum temperature and the temperature is maintained in a temperature range of 700° C. or higher and 800° C. or lower for 1.5 hours or more, and the positive electrode active material for a lithium ion secondary battery comprising the lithium transition metal composite oxide comprises secondary particles constituted by agglomeration of a plurality of primary particles, and a metal oxide is present inside the secondary particles. the atomic concentration A0 of X at an interface between primary particles, the atomic concentration A1 of X at a depth of 1 nm from the interface between primary particles inside the secondary particle, and the atomic concentration A2 of X at a center of the primary particle inside the secondary particle satisfy A0>A1>A2, and in the element distribution of Ni and X in a region spanning the interface of the primary particles, a distance |β1-β2|=L(β) between positions β1 and β2 corresponding to an inflection point of the Ni concentration gradient is regarded as a grain boundary, and positions α1 and α2 corresponding to an inflection point of the X concentration gradient are each located inside the primary particle, and the distance therebetween is |α1-α2|=L(α), where 1 nm≦L(α)-L(β)≦3 nm.
本発明によれば、Niの割合を80%以上にした高Ni比の正極活物質において、高い放電容量と、良好なレート特性及び良好な充放電サイクル特性を有するリチウムイオン二次電池用正極活物質を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery having a high discharge capacity, good rate characteristics, and good charge/discharge cycle characteristics, in a positive electrode active material with a high Ni ratio of 80% or more.
以下、本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極活物質、及び、それを用いたリチウムイオン二次電池について詳細に説明する。 The following provides a detailed description of a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery according to one embodiment of the present invention, and a lithium ion secondary battery using the same.
<正極活物質>
本実施形態に係る正極活物質は、層状構造を呈するα-NaFeO2型の結晶構造を有し、リチウムと遷移金属とを含んで組成されるリチウム遷移金属複合酸化物を含む。この正極活物質は、リチウム遷移金属複合酸化物の一次粒子や一次粒子が複数個凝集して構成された二次粒子を主成分としている。また、リチウム遷移金属複合酸化物は、リチウムイオンの挿入及び脱離が可能な層状構造を主相として有する。
<Positive electrode active material>
The positive electrode active material according to the present embodiment includes a lithium transition metal composite oxide having a layered α- NaFeO2 type crystal structure and containing lithium and a transition metal. This positive electrode active material is mainly composed of primary particles of the lithium transition metal composite oxide and secondary particles formed by agglomeration of a plurality of primary particles. The lithium transition metal composite oxide has a layered structure as a main phase that allows insertion and desorption of lithium ions.
本実施形態に係る正極活物質は、主成分であるリチウム遷移金属複合酸化物の他、原料や製造過程に由来する不可避的不純物、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子を被覆する他成分、例えば、ホウ素成分、リン成分、硫黄成分、フッ素成分、有機物等や、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子と共に混合される他成分等を含んでもよい。 The positive electrode active material according to this embodiment may contain, in addition to the lithium transition metal composite oxide which is the main component, unavoidable impurities derived from the raw materials or the manufacturing process, other components that coat the lithium transition metal composite oxide particles, such as boron components, phosphorus components, sulfur components, fluorine components, organic substances, etc., and other components that are mixed with the lithium transition metal composite oxide particles.
本実施形態に係るリチウム遷移金属複合酸化物は、下記組成式(1)
Li1+aNibCocMdXeO2+α ・・・(1)
[但し、組成式(1)において、Mは、Al及びMnから選ばれる少なくとも1種を表し、XはLi、Ni、Co、Al及びMn以外の1種以上の金属元素を表し、-0.1≦a≦0.1、0.8≦b<1.0、0≦c≦0.3、0≦d<0.2、0<e<0.05、b+c+d+e=1、-0.2<α<0.2を満たす数である。]で表される。
The lithium transition metal composite oxide according to this embodiment is represented by the following composition formula (1):
Li 1+a Ni b Co c M d X e O 2+α ...(1)
[In the composition formula (1), M represents at least one selected from Al and Mn, and X represents one or more metal elements other than Li, Ni, Co, Al, and Mn, and is a number that satisfies -0.1≦a≦0.1, 0.8≦b<1.0, 0≦c≦0.3, 0≦d<0.2, 0<e<0.05, b+c+d+e=1, and -0.2<α<0.2.].
組成式(1)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物は、リチウムを除いた金属当たりのニッケルの割合が80%以上である。すなわち、Ni、Co、M及びXの合計に対する原子数分率で、Niが、80at%以上含まれている。ニッケルの含有率が高いため、高い放電容量を実現することができるニッケル系酸化物である。また、ニッケルの含有率が高いため、LiCoO2等と比較して原料費が安価であり、原料コストを含めた生産性の観点からも優れている。 The lithium transition metal composite oxide represented by the composition formula (1) has a nickel ratio of 80% or more per metal excluding lithium. That is, Ni is contained at 80 at% or more in terms of atomic fraction with respect to the total of Ni, Co, M and X. Since the nickel content is high, it is a nickel-based oxide that can realize a high discharge capacity. In addition, since the nickel content is high, the raw material cost is cheaper than LiCoO2 etc., and it is also excellent from the viewpoint of productivity including raw material cost.
一般的に、ニッケルの含有率が高いリチウム遷移金属複合酸化物は、充放電時、結晶構造が不安定になり易い性質を有している。結晶構造中において、Niは、MeO2(Meは、Ni等の金属元素を表す。)で構成される層を形成しており、四価のNiが多く存在する。四価のNiは安定な二価のNiになりLiサイトを占有(この状態をカチオンミキシングという)しやすいため、結晶構造の表面付近からNiO様結晶構造に転移し、容量低下や抵抗上昇が起こる。 In general, lithium transition metal composite oxides with a high nickel content have a tendency to have unstable crystal structures during charging and discharging. In the crystal structure, Ni forms a layer composed of MeO 2 (Me represents a metal element such as Ni), and there is a lot of tetravalent Ni. Tetravalent Ni becomes stable divalent Ni and tends to occupy Li sites (this state is called cation mixing), so it transitions from the surface of the crystal structure to a NiO-like crystal structure, causing a decrease in capacity and an increase in resistance.
そこで、上述したように表面の構造安定化のため、カチオンミキシングを抑制できる安定な添加元素を結晶表面に配置する手法がある。上述した特許文献1から3もその例であるが、従来は、専ら結晶の外から表面を保護する、あるいは一次粒子間の主成分原子移動を妨げて粒成長を抑制するに留まり、表面付近の結晶の内部は改善の余地があった。そこで、本実施形態では、添加元素の結晶内部への固溶挙動に着目し、その濃度分布の影響について検討を加えたものである。 As described above, there is a method of arranging a stable additive element that can suppress cation mixing on the crystal surface to stabilize the surface structure. The above-mentioned Patent Documents 1 to 3 are examples of this method, but in the past, it was limited to protecting the surface from the outside of the crystal or preventing the movement of main component atoms between primary particles to suppress grain growth, and there was room for improvement in the interior of the crystal near the surface. Therefore, in this embodiment, we focus on the solid solution behavior of the additive element inside the crystal and consider the effect of its concentration distribution.
即ち、本実施形態では、二次粒子の内部に位置する個々の一次粒子(以下、単に一次粒子と言うことがある。)において、上記組成式中の金属元素Xの濃化領域を一次粒子の結晶内部まで広げることで、Niの価数変化に伴う一次粒子の表面近傍の結晶構造変化が低減される。そのため、二次粒子についても格子歪みや結晶構造変化をより抑制することができる。また、その結晶内部の濃化領域は、3nm以下と非常に薄いため、充放電を阻害しない。その結果、良好なレート特性と良好な充放電サイクル特性を得ることができることを見出したものである。 That is, in this embodiment, in each primary particle (hereinafter sometimes simply referred to as a primary particle) located inside a secondary particle, the concentrated region of the metal element X in the above composition formula is expanded to the inside of the crystal of the primary particle, thereby reducing the change in the crystal structure near the surface of the primary particle due to the change in the valence of Ni. Therefore, it is possible to further suppress lattice distortion and crystal structure change in the secondary particle. In addition, since the concentrated region inside the crystal is very thin, at 3 nm or less, it does not hinder charging and discharging. As a result, it has been found that good rate characteristics and good charge and discharge cycle characteristics can be obtained.
(化学組成)
ここで、組成式(1)で表される化学組成の意義について説明する。
(Chemical Composition)
Here, the significance of the chemical composition represented by composition formula (1) will be explained.
組成式(1)におけるaは、-0.1以上0.1以下が望ましく、-0.04以上0.04以下とすることがより好ましく、-0.02以上0.02以下とすることがさらに好ましい。aは、化学量論比のLi(Ni,Co,M, X)O2に対するリチウムの過不足を表している。aは、原料合成時の仕込み値ではなく、焼成して得られるリチウム遷移金属複合酸化物における値である。以下の元素についても同様である。組成式(1)におけるリチウムの過不足が過大である場合、すなわち、Ni、Co及びMの合計に対し、リチウムが過度に少ない組成や、リチウムが過度に多い組成であると、焼成時、合成反応が適切に進行しなくなり、リチウムサイトにニッケルが混入するカチオンミキシングが生じ易くなったり、結晶性が低下し易くなったりする。特に、ニッケルの割合を80%以上に高くする場合には、このようなカチオンミキシングの発生や結晶性の低下が顕著になり易く、放電容量、充放電サイクル特性が損なわれ易い。これに対し、aが前記の数値範囲であれば、カチオンミキシングが少なくなりやすく、各種電池性能を向上させることができる。そのため、ニッケルの含有率が高い組成においても、高い放電容量、良好なレート特性及び充放電サイクル特性を得ることに寄与する。 In the composition formula (1), a is preferably -0.1 or more and 0.1 or less, more preferably -0.04 or more and 0.04 or less, and even more preferably -0.02 or more and 0.02 or less. a represents the excess or deficiency of lithium with respect to the stoichiometric ratio Li(Ni,Co,M,X) O2 . a is not the charge value at the time of raw material synthesis, but the value in the lithium transition metal composite oxide obtained by firing. The same applies to the following elements. When the excess or deficiency of lithium in the composition formula (1) is excessive, that is, when the composition has too little lithium or too much lithium relative to the total of Ni, Co, and M, the synthesis reaction does not proceed properly during firing, and cation mixing in which nickel is mixed into the lithium site is likely to occur, or the crystallinity is likely to decrease. In particular, when the proportion of nickel is increased to 80% or more, the occurrence of such cation mixing and the decrease in crystallinity are likely to become significant, and the discharge capacity and charge/discharge cycle characteristics are likely to be impaired. In contrast, when a is in the above-mentioned range, cation mixing is likely to be reduced, and various battery performances can be improved, which contributes to obtaining a high discharge capacity, good rate characteristics, and good charge/discharge cycle characteristics even in a composition with a high nickel content.
以上は正極活物質として製造された粉末の状態でのaの好適範囲を述べたが、組成式(1)で表される正極活物質がリチウムイオン二次電池の正極に組み込まれている場合においては、Liの挿入脱離を伴う充放電が実施されているため、aは-0.9から0.1の範囲が好ましい。初期状態のaが-0.1以上0.1以下である場合はLi量が原子比で0.9以上1.1となるため、充放電を伴った場合のLiは0から1.1の範囲で変化することになり、aの範囲として-0.9<a<0.1が妥当である。 The above describes the preferred range of a in the powder state produced as a positive electrode active material, but when the positive electrode active material represented by composition formula (1) is incorporated into the positive electrode of a lithium ion secondary battery, charging and discharging are performed with insertion and removal of Li, so a is preferably in the range of -0.9 to 0.1. When a in the initial state is -0.1 or more and 0.1 or less, the amount of Li is 0.9 to 1.1 in atomic ratio, so Li changes in the range of 0 to 1.1 when charging and discharging are involved, and a range of -0.9<a<0.1 is appropriate for the range of a.
組成式(1)におけるニッケルの係数bは、0.80以上1.00未満とする。bが0.80以上であると、ニッケルの含有率が低い他のニッケル系酸化物や、Li(Ni,Co,M)O2で表される三元系酸化物等と比較して、高い放電容量を得ることができる。また、ニッケルよりも希少な遷移金属の量を減らせるため、原料コストを削減することができる。 The nickel coefficient b in the composition formula (1) is 0.80 or more and less than 1.00. When b is 0.80 or more, a higher discharge capacity can be obtained compared to other nickel-based oxides with a low nickel content and ternary oxides represented by Li(Ni,Co,M) O2 . In addition, the amount of transition metals that are rarer than nickel can be reduced, thereby reducing raw material costs.
ニッケルの係数bは、0.85以上としてもよいし、0.90以上としてもよいし、0.92以上としてもよい。bが大きいほど、高い放電容量が得られる傾向がある。また、ニッケルの係数bは、0.95以下としてもよいし、0.90以下としてもよいし、0.85以下としてもよい。bが小さいほど、リチウムイオンの挿入や脱離に伴う格子歪みないし結晶構造変化が小さくなり、焼成時、リチウムサイトにニッケルが混入するカチオンミキシングや結晶性の低下が生じ難くなるため、良好なレート特性及び充放電サイクル特性が得られる傾向がある。 The nickel coefficient b may be 0.85 or more, 0.90 or more, or 0.92 or more. The larger b is, the higher the discharge capacity tends to be. The nickel coefficient b may be 0.95 or less, 0.90 or less, or 0.85 or less. The smaller b is, the smaller the lattice distortion or crystal structure change associated with the insertion and removal of lithium ions becomes, and the less likely cation mixing, in which nickel is mixed into the lithium site, or the less likely a decrease in crystallinity occurs during firing, so that good rate characteristics and charge/discharge cycle characteristics tend to be obtained.
組成式(1)におけるコバルトの係数cは、0以上0.2未満が好ましい。コバルトは積極的に添加されていてもよいし、不可避的不純物相当の組成比であってもよい。コバルトが前記の範囲であると、結晶構造がより安定になり、リチウムサイトにニッケルが混入するカチオンミキシングが抑制される等の効果が得られる。そのため、高い放電容量や良好な充放電サイクル特性を得ることができる。一方、コバルトが過剰であると、正極活物質の原料コストが高くなる。また、ニッケル等の他の遷移金属の割合が低くなり、放電容量が低くなったり、Mで表される金属元素による効果が低くなったりする虞がある。これに対し、cが前記の数値範囲であれば、高い放電容量、良好なレート特性及び充放電サイクル特性を示すリチウム遷移金属複合酸化物の原料コストを削減できる。 The coefficient c of cobalt in the composition formula (1) is preferably 0 or more and less than 0.2. Cobalt may be actively added, or may have a composition ratio equivalent to unavoidable impurities. When the cobalt is in the above range, the crystal structure becomes more stable, and effects such as suppressing cation mixing in which nickel is mixed into the lithium site can be obtained. Therefore, high discharge capacity and good charge/discharge cycle characteristics can be obtained. On the other hand, if there is an excess of cobalt, the raw material cost of the positive electrode active material increases. In addition, the ratio of other transition metals such as nickel decreases, and there is a risk that the discharge capacity will be low or the effect of the metal element represented by M will be reduced. On the other hand, if c is in the above numerical range, the raw material cost of the lithium transition metal composite oxide that shows high discharge capacity, good rate characteristics and charge/discharge cycle characteristics can be reduced.
コバルトの係数cは0以上0.3以下が好ましい。コバルトはカチオンミキシングを抑制する効果があるものの、原料コストを削減するためには含有量が少ない方が好ましい。より好ましくは0以上0.1以下、さらに好ましくは0以上0.05以下である。後述する添加元素Xが0を超えて添加されている場合はcを0.05超とせずに結晶構造を安定にすることができる。 The cobalt coefficient c is preferably 0 or more and 0.3 or less. Although cobalt has the effect of suppressing cation mixing, it is preferable that the content is small in order to reduce raw material costs. It is more preferable that the content is 0 or more and 0.1 or less, and even more preferable that the content is 0 or more and 0.05 or less. When the added element X described below is added in an amount exceeding 0, the crystal structure can be stabilized without making c exceed 0.05.
組成式(1)におけるMは、Al、Mnから選択される少なくとも1種以上の金属元素とする。これらの元素はNiサイトに置換可能で、かつAlは典型元素なので充放電中も価数変化することなく安定に存在し、Mnは遷移金属ではあるものの、充放電中も+4価のまま安定に存在すると考えられる。そのため、これらの金属元素を用いると、充放電中の結晶構造が安定する効果が得られる。 In the composition formula (1), M is at least one metal element selected from Al and Mn. These elements can substitute for the Ni site, and since Al is a typical element, it exists stably without changing its valence even during charging and discharging, and although Mn is a transition metal, it is thought to exist stably with a valence of +4 even during charging and discharging. Therefore, the use of these metal elements has the effect of stabilizing the crystal structure during charging and discharging.
組成式(1)におけるMの係数dは、0以上0.2未満とすることが好ましい。Mで表される金属元素が過剰であると、ニッケル等の他の遷移金属の割合が低くなり、正極活物質の放電容量が低くなる虞がある。これに対し、dが前記の数値範囲であれば、より高い放電容量、良好なレート特性及び充放電サイクル特性が得られる傾向がある。 The coefficient d of M in the composition formula (1) is preferably 0 or more and less than 0.2. If the metal element represented by M is in excess, the ratio of other transition metals such as nickel will be low, and the discharge capacity of the positive electrode active material may be low. In contrast, if d is within the above-mentioned numerical range, a higher discharge capacity, good rate characteristics, and charge/discharge cycle characteristics tend to be obtained.
組成式(1)におけるXは、Li、Ni、Co、Al及びMn以外の1種以上の金属元素とする(以下、X元素あるいは元素Xと言うことがある)。これらの元素としては、LiとNiが反応して層状構造を呈するα-NaFeO2型の結晶構造を形成し始めた後に、Liと反応して濃化層を形成する金属元素とする。この場合、LiとNiの反応が開始する比較的低温の焼成工程で正極活物質の一次粒子表面にX元素が存在し、その後の高温焼成工程においてX元素が一次粒子表面に濃化層を形成しやすい。特に、固相法を用いてX元素を含む全ての元素を予め混合し、微粉砕することによって、X元素は一次粒子表面に分布することが可能になる。X元素としては、Ti、Ga、Mg、Zr、Znからなる群から選択される少なくとも1種以上の元素であることが好ましい。このうち、少なくともTiを含有することがより好ましい。Tiは4価をとりうるので、Oとの結合が強く結晶構造の安定化の効果が大きい。また、分子量が比較的小さく、添加したときの正極活物質の理論容量の低下が小さいためである。このような性質の金属元素を用いると、適切な合成条件を選択することで、一次粒子の表面に濃化して分布させることが可能となる。そのため、これらの金属元素Xを用いると、充放電中における正極活物質表面近傍からの結晶構造劣化を抑制する効果が得られる。 X in the composition formula (1) is one or more metal elements other than Li, Ni, Co, Al, and Mn (hereinafter, sometimes referred to as X element or element X). These elements are metal elements that react with Li to form a concentrated layer after Li and Ni react to form an α-NaFeO 2 type crystal structure that exhibits a layered structure. In this case, the X element is present on the primary particle surface of the positive electrode active material in a relatively low-temperature baking process where the reaction between Li and Ni begins, and the X element is likely to form a concentrated layer on the primary particle surface in the subsequent high-temperature baking process. In particular, by premixing all elements including the X element using a solid-phase method and finely pulverizing, the X element can be distributed on the primary particle surface. The X element is preferably at least one element selected from the group consisting of Ti, Ga, Mg, Zr, and Zn. Of these, it is more preferable to contain at least Ti. Ti can be tetravalent, so it has a strong bond with O and has a large effect of stabilizing the crystal structure. In addition, the molecular weight is relatively small, and the theoretical capacity of the positive electrode active material is reduced only slightly when the metal element is added. By using a metal element with such a property, it is possible to concentrate and distribute the metal element on the surface of the primary particle by selecting appropriate synthesis conditions. Therefore, by using these metal elements X, the effect of suppressing the deterioration of the crystal structure from the vicinity of the surface of the positive electrode active material during charging and discharging can be obtained.
(X元素の濃度分布測定方法)
合成した正極活物質のX元素の濃度分布は走査型透過電子顕微鏡(STEM)を用いることが好ましい。二次粒子内部の一次粒子界面、あるいは二次粒子表面の所定元素の濃度を分析するには、電子線エネルギー損失分光(EELS)分析やエネルギー分散型X線分光(EDS)分析を用いる。前記界面あるいは表面付近を線分析することで着目元素の濃度分布を得ることができる。本発明ではNiおよびX元素の分布に着目しており、特に界面を垂直に横切るように走査すると、主成分元素であるNiは界面で極小となるピークを示す。一方、X元素は界面で極大となるピークを示し、一次粒子の界面で濃化していることが分かる。
(Method of Measuring Concentration Distribution of X Element)
The concentration distribution of the X element in the synthesized positive electrode active material is preferably measured using a scanning transmission electron microscope (STEM). To analyze the concentration of a specific element at the interface of the primary particles inside the secondary particles or at the surface of the secondary particles, electron energy loss spectroscopy (EELS) analysis or energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) analysis is used. The concentration distribution of the target element can be obtained by linear analysis of the interface or the vicinity of the surface. In the present invention, attention is paid to the distribution of Ni and X element, and in particular, when scanning perpendicularly across the interface, Ni, which is the main component element, shows a peak that is minimal at the interface. On the other hand, X element shows a peak that is maximal at the interface, and it can be seen that it is concentrated at the interface of the primary particles.
X元素が界面から一次粒子の内側へ固溶していることを定量的に評価するため、以下に示す方法で濃度分布を解析した。EELSによる線分析で得たNi強度プロファイルIを位置xで微分してdI/dxを算出する。次にdI/dxの絶対値を縦軸とし、横軸をxとしたグラフを作成する。界面を横切るNi強度プロファイルは単一の極小ピークであるため、変曲点に対応する位置で|dI/dx|のピークが2本現れる。この2本のピーク(以後、ダブルピークと記す)の間隔(以後、L(β)と記す)を粒界とみなす。同様にX元素の強度プロファイルからも|dI/dx|のダブルピークが得られる。このピーク間隔(以後、L(α)と記す)がX元素の濃化領域である。L(α)>L(β)であればX元素が一次粒子内部に固溶していることを示す。
L(α)-L(β)は1.0nm以上、3.0nm以下が好ましい。L(α)-L(β)が1.0nm未満であると、X元素が一次粒子の内側へ固溶している効果が得られない。またL(α)-L(β)が3.0nmを超えると一次粒子表面から深さ1nmという薄さでX元素の濃化を実現できず、放電容量やレート特性が低下するため好ましくない。
In order to quantitatively evaluate whether the X element is dissolved from the interface to the inside of the primary particle, the concentration distribution was analyzed by the method shown below. The Ni intensity profile I obtained by line analysis using EELS is differentiated at the position x to calculate dI/dx. Next, a graph is created with the absolute value of dI/dx on the vertical axis and x on the horizontal axis. Since the Ni intensity profile across the interface is a single minimum peak, two peaks of |dI/dx| appear at the position corresponding to the inflection point. The interval (hereinafter, L(β)) between these two peaks (hereinafter, referred to as double peaks) is regarded as the grain boundary. Similarly, a double peak of |dI/dx| is obtained from the intensity profile of the X element. This peak interval (hereinafter, referred to as L(α)) is the concentrated region of the X element. If L(α)>L(β), it indicates that the X element is dissolved inside the primary particle.
L(α)-L(β) is preferably 1.0 nm or more and 3.0 nm or less. If L(α)-L(β) is less than 1.0 nm, the effect of the X element being dissolved in the inside of the primary particles cannot be obtained. If L(α)-L(β) exceeds 3.0 nm, the X element cannot be concentrated at a depth of 1 nm from the surface of the primary particles, which is undesirable because it reduces the discharge capacity and rate characteristics.
(二次粒子を構成する一次粒子)
本発明の実施形態の正極活物質は、リチウム遷移金属複合酸化物の複数の一次粒子が凝集した二次粒子を含み、二次粒子の内部は、複数の一次粒子同士が界面を介して隣接し合って構成されている。但し、全ての一次粒子同士が界面を形成しているものではなく、多くの一次粒子同士が界面を形成していることでよい。この二次粒子内部の一次粒子において、その界面(一次粒子の表面と言ってもよい)におけるX元素の原子濃度A0(at%)、その界面から深さ1nmにおけるX元素の原子濃度A1(at%)と、一次粒子の中央部におけるX元素の原子濃度A2(at%)について、A0>A1>A2としたものである。ここで、X元素の原子濃度A0、A1、A2は(X/(Ni+Co+M+X))で表されEDS等で確認することができる。EDS分析では、装置性能やビーム電流などの分析条件を適切に選択することで、0.2nm以下の空間分解能と0.1at%以下の分析精度を両立することができ、1nm間隔での分析が可能である。また、この表面が濃化された一次粒子は、二次粒子内部の一次粒子の個数のうち少なくとも50%以上、好ましくは70%以上、より好ましくは100%であることが良い。
(Primary particles that make up secondary particles)
The positive electrode active material of the embodiment of the present invention includes secondary particles in which a plurality of primary particles of a lithium transition metal composite oxide are aggregated, and the inside of the secondary particle is configured such that a plurality of primary particles are adjacent to each other via an interface. However, not all primary particles form an interface, but many primary particles may form an interface. In the primary particles inside the secondary particle, the atomic concentration A0 (at%) of the X element at the interface (which may be called the surface of the primary particle), the atomic concentration A1 (at%) of the X element at a depth of 1 nm from the interface, and the atomic concentration A2 (at%) of the X element at the center of the primary particle are A0>A1>A2. Here, the atomic concentrations A0, A1, and A2 of the X element are expressed as (X/(Ni+Co+M+X)) and can be confirmed by EDS or the like. In the EDS analysis, by appropriately selecting the analysis conditions such as the device performance and the beam current, it is possible to achieve both a spatial resolution of 0.2 nm or less and an analysis accuracy of 0.1 at% or less, and analysis at 1 nm intervals is possible. Furthermore, the primary particles having thickened surfaces should account for at least 50% by number of the primary particles inside the secondary particles, preferably 70% by number or more, and more preferably 100%.
ここで、二次粒子の表面だけでなく二次粒子内部の個々の一次粒子においても表面濃化層があり、特に表面から深さ数nmという極薄い領域でX元素が濃化していることが効果的である。一般的に、絶縁体であっても10nm以下の厚さであればトンネル効果により電子伝導性を有することが知られている。よって、濃化層が10nmより薄ければ、絶縁性であっても充放電反応が進むと言える。本実施形態では個々の一次粒子に深さ数nmの極薄い濃化層を有するようにしているので、一次粒子間の充放電反応は均一に生じる。
X元素が一次粒子界面から粒子内部へ数nm固溶することにより、濃化層が極薄くても相対的にNiの比率が低下するため、表面近傍の結晶構造がより安定になり、良好な充放電サイクル特性を得ることに繋がる。高い放電容量とレート特性を維持させるためには、より薄い方が好ましいが、5nm以上では放電容量が下がる恐れがあるため、5nm未満が好ましく、より好ましくは3nm以下である。
Here, it is effective that the surface enrichment layer is present not only on the surface of the secondary particle but also on each primary particle inside the secondary particle, and that the X element is enriched in an extremely thin region several nm deep from the surface. In general, it is known that even an insulator has electronic conductivity due to the tunnel effect if it is 10 nm or less thick. Therefore, it can be said that if the enrichment layer is thinner than 10 nm, the charge/discharge reaction proceeds even if the material is insulating. In this embodiment, each primary particle has an extremely thin enrichment layer several nm deep, so that the charge/discharge reaction between the primary particles occurs uniformly.
By dissolving the X element from the primary particle interface to the inside of the particle by several nm, the ratio of Ni is relatively decreased even if the concentrated layer is very thin, so that the crystal structure near the surface becomes more stable and leads to obtaining good charge-discharge cycle characteristics. In order to maintain high discharge capacity and rate characteristics, a thinner layer is preferable, but since a thickness of 5 nm or more may cause a decrease in discharge capacity, a thickness of less than 5 nm is preferable, and a thickness of 3 nm or less is more preferable.
一方、X元素が濃化した層が10nmを超えると、X元素の濃化層が抵抗成分となってLiの挿入脱離を阻害してレート特性が低下する。また、X元素の濃化層が二次粒子表面だけにある場合は、二次粒子内部に浸透した電解液が接触すると、一次粒子界面から結晶構造の劣化が始まり、充放電サイクル特性が低下する要因となる。一次粒子の中央部と比較してX元素の濃度が高い状態が、一次粒子の表面からの深さが10nm以内であれば、結晶構造の劣化を抑止することができ、高い放電容量、良好なレート特性及び充放電サイクル特性を得ることができる。なお、本発明では、一次粒子の表層にX元素が濃化した層が存在することを示す指標として、一次粒子同士の界面におけるX元素の濃度A0、その界面からの深さ1nmにおけるX元素の濃度A1を用いる。また、一次粒子の中央部とは、一次粒子の平均粒子径をrとしたとき、一次粒子の所定方向の直径がr±10%の範囲である一次粒子を選択し、一次粒子の表面から一次粒子の中央部に向かって0.2r以上の深さである範囲とする。 On the other hand, if the layer of concentrated X element exceeds 10 nm, the concentrated layer of X element becomes a resistance component and inhibits the insertion and desorption of Li, resulting in a decrease in rate characteristics. In addition, if the concentrated layer of X element is only on the surface of the secondary particles, when the electrolyte that has penetrated into the inside of the secondary particles comes into contact with the secondary particles, the deterioration of the crystal structure begins from the interface of the primary particles, which causes the charge-discharge cycle characteristics to decrease. If the state in which the concentration of X element is higher than that of the center of the primary particles is within a depth of 10 nm from the surface of the primary particles, the deterioration of the crystal structure can be suppressed, and a high discharge capacity, good rate characteristics, and charge-discharge cycle characteristics can be obtained. In addition, in the present invention, the concentration A0 of the X element at the interface between the primary particles and the concentration A1 of the X element at a depth of 1 nm from the interface are used as indicators indicating the presence of a layer of concentrated X element on the surface layer of the primary particles. In addition, the center of the primary particles refers to a range that is 0.2r or more deep from the surface of the primary particles toward the center of the primary particles, where r is the average particle diameter of the primary particles and the diameter of the primary particles in a specified direction is selected to be within the range of r±10%.
X元素の原子濃度A0、A1、A2は、A0>A1>A2であることが好ましい。A0>A1であると、一次粒子の最表面で粒内深さ1nm位置よりもX元素が濃化していることを表しており、最表面ではNi濃度が粒内部よりも低減して結晶構造の安定性を維持する効果を十分得ることができる。またA1>A2であると、一次粒子の内部1nm深さまでの表面近傍において、X元素が一次粒子内で均一に分布しているときの濃度より高いので、相対的に一次粒子の表面近傍のNi比率が低下する。よって、表面近傍の結晶構造がより安定になり、良好な充放電サイクル特性を得ることができる。
さらに3.5×A1>A0であることが好ましい。本発明は一次粒子表面から深さ1nmという薄さでX元素の濃化を実現し、R-3m構造であるリチウム遷移金属複合酸化物を減じることなく容量を維持したまま結晶構造の安定化を図るものである。一次粒子同士の界面A0が3.5×A1以上であると、一次粒子内に固溶しているX元素自体が少なく結晶構造の安定化効果が十分得られない。また、充放電サイクルにおけるLiの挿入脱離に伴う結晶構造の膨張収縮に表面と内部1nm深さで大きな差が生じず、良好な充放電サイクル特性を得ることができる。
The atomic concentrations A0, A1, and A2 of the X element are preferably A0>A1>A2. When A0>A1, it indicates that the X element is more concentrated at the outermost surface of the primary particles than at a position 1 nm deep inside the grain, and the Ni concentration at the outermost surface is lower than that inside the grain, so that the effect of maintaining the stability of the crystal structure can be sufficiently obtained. When A1>A2, the concentration of the X element near the surface up to a depth of 1 nm inside the primary particles is higher than that when it is uniformly distributed in the primary particles, so the Ni ratio near the surface of the primary particles is relatively reduced. Therefore, the crystal structure near the surface becomes more stable, and good charge/discharge cycle characteristics can be obtained.
Furthermore, it is preferable that 3.5×A1>A0. The present invention realizes the concentration of the X element at a depth of 1 nm from the surface of the primary particles, and aims to stabilize the crystal structure while maintaining the capacity without reducing the lithium transition metal composite oxide having the R-3m structure. If the interface A0 between the primary particles is 3.5×A1 or more, the X element itself dissolved in the primary particles is small, and the effect of stabilizing the crystal structure is not sufficiently obtained. In addition, there is no large difference between the surface and a depth of 1 nm inside in the expansion and contraction of the crystal structure accompanying the insertion and desorption of Li during the charge and discharge cycle, and good charge and discharge cycle characteristics can be obtained.
二次粒子の最表面に位置する一次粒子においても、二次粒子内部の一次粒子界面と同様にX元素が表面に濃化していることが好ましい。二次粒子の最表面に位置する一次粒子の表面において、X元素の原子濃度B0(at%)、その表面から深さ1nmにおけるX元素の原子濃度B1(at%)と、一次粒子の中央部におけるX元素の原子濃度B2(at%)と表した時、B0>B1>B2であることが好ましい。ここで、X元素の原子濃度B0、B1、B2は(X/(Ni+Co+M+X))で表される。
さらにB1×2.5>B0であることが好ましい。B0がB1×2.5未満であることで、一次粒子内に固溶しているX元素自体が少なくならず結晶構造の安定化の効果が得られる。二次粒子の最表面では内部界面よりもLiの挿入脱離が顕著であるため、X元素の一次粒子内部への固溶量は二次粒子内部の一次粒子同士の界面よりも多い方が好ましい。また、充放電サイクルにおけるLiの挿入脱離に伴う結晶構造の膨張収縮に表面と内部1nm深さで大きな差が生じず、良好な充放電サイクル特性を得ることができる。
It is preferable that the X element is concentrated on the surface of the primary particle located at the outermost surface of the secondary particle as well as on the interface of the primary particle inside the secondary particle. When the atomic concentration of the X element on the surface of the primary particle located at the outermost surface of the secondary particle is expressed as B0 (at%), the atomic concentration of the X element at a depth of 1 nm from the surface as B1 (at%), and the atomic concentration of the X element at the center of the primary particle as B2 (at%), it is preferable that B0>B1>B2. Here, the atomic concentrations B0, B1, and B2 of the X element are expressed as (X/(Ni+Co+M+X)).
Furthermore, it is preferable that B1×2.5>B0. When B0 is less than B1×2.5, the amount of X element itself dissolved in the primary particles is not reduced, and the effect of stabilizing the crystal structure is obtained. Since the insertion and desorption of Li is more prominent at the outermost surface of the secondary particles than at the internal interface, it is preferable that the amount of X element dissolved in the primary particles is greater than that at the interface between the primary particles inside the secondary particles. In addition, there is no significant difference between the surface and the 1 nm depth inside in the expansion and contraction of the crystal structure accompanying the insertion and desorption of Li during the charge and discharge cycle, and good charge and discharge cycle characteristics can be obtained.
(組成分析)
正極活物質の粒子の平均組成は、高周波誘導結合プラズマ(Inductively Coupled Plasma;ICP)、原子吸光分析(Atomic Absorption Spectrometry;AAS)等によって確認することができる。
(Composition Analysis)
The average composition of the particles of the positive electrode active material can be confirmed by high-frequency inductively coupled plasma (ICP), atomic absorption spectrometry (AAS), or the like.
(粉末物性)
正極活物質の一次粒子の平均粒径は、0.05μm以上かつ2μm以下であることが好ましい。正極活物質の一次粒子の平均粒径を2μm以下とすることで、正極活物質の反応場を確保でき、高い放電容量と良好なレート特性が得られる。より好ましくは1.5μm以下、さらに好ましくは1.0μm以下である。一次粒子径は正極活物質をSEMで観察した画像から計測することができる。即ち、一次粒子の内接円と外接円の各直径を平均して一次粒子の粒径とする。これを50粒について計測し平均化したものを平均粒径とする。
また、正極活物質の二次粒子の平均粒径は、例えば、3μm以上かつ50μm以下であることが好ましい。
(Powder properties)
The average particle size of the primary particles of the positive electrode active material is preferably 0.05 μm or more and 2 μm or less. By setting the average particle size of the primary particles of the positive electrode active material to 2 μm or less, a reaction field of the positive electrode active material can be secured, and high discharge capacity and good rate characteristics can be obtained. It is more preferably 1.5 μm or less, and even more preferably 1.0 μm or less. The primary particle size can be measured from an image of the positive electrode active material observed with an SEM. That is, the diameters of the inscribed circle and the circumscribed circle of the primary particle are averaged to obtain the particle size of the primary particle. This is measured for 50 particles and averaged to obtain the average particle size.
The average particle size of the secondary particles of the positive electrode active material is preferably, for example, 3 μm or more and 50 μm or less.
正極活物質の二次粒子は、後述する正極活物質の製造方法によって製造された一次粒子を、乾式造粒又は湿式造粒によって造粒することによって二次粒子化することができる。造粒手段としては、例えば、スプレードライヤーや転動流動層装置等の造粒機を利用することができる。 The secondary particles of the positive electrode active material can be produced by granulating the primary particles produced by the method for producing the positive electrode active material described below, using dry granulation or wet granulation. As the granulation means, for example, a granulator such as a spray dryer or a tumbling fluidized bed device can be used.
組成式(1)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物は、BET比表面積が、好ましくは0.1m2/g以上、より好ましくは0.2m2/g以上、更に好ましくは0.3m2/g以上である。また、BET比表面積が、好ましくは1.5m2/g以下、より好ましくは1.2m2/g以下である。BET比表面積が0.1m2/g以上であると、成形密度や正極活物質の充填率が十分に高い正極を得ることができる。また、BET比表面積が1.5m2/g以下であると、リチウム遷移金属複合酸化物の加圧成形時や充放電に伴う体積変化時に、破壊、変形、粒子の脱落等を生じ難くなると共に、細孔による結着剤の吸い上げを抑制することができる。そのため、正極活物質の塗工性や密着性が良好になり、高い放電容量、良好なレート特性や充放電サイクル特性を得ることができる。 The lithium transition metal composite oxide represented by the composition formula (1) has a BET specific surface area of preferably 0.1 m 2 /g or more, more preferably 0.2 m 2 /g or more, and even more preferably 0.3 m 2 /g or more. The BET specific surface area is preferably 1.5 m 2 /g or less, more preferably 1.2 m 2 /g or less. If the BET specific surface area is 0.1 m 2 /g or more, a positive electrode having a sufficiently high molding density and a sufficiently high packing rate of the positive electrode active material can be obtained. If the BET specific surface area is 1.5 m 2 /g or less, destruction, deformation, particle detachment, etc. are unlikely to occur during pressure molding of the lithium transition metal composite oxide or during volume change accompanying charge and discharge, and the suction of the binder by the pores can be suppressed. Therefore, the coating property and adhesion of the positive electrode active material are improved, and a high discharge capacity, good rate characteristics, and charge and discharge cycle characteristics can be obtained.
<正極活物質の製造方法>
本実施形態に係る正極活物質は、リチウム遷移金属複合酸化物が組成式(1)で表される化学組成となるような原料比の下、適切な焼成条件によって、リチウムと、ニッケル等との合成反応を確実に進行させることにより製造できる。本発明の実施形態に係る正極活物質の製造方法としては、以下に説明する製造方法を用いるものであるが、これに限定されない。
<Method of manufacturing positive electrode active material>
The positive electrode active material according to the present embodiment can be produced by reliably promoting a synthesis reaction between lithium and nickel, etc. under appropriate firing conditions under a raw material ratio such that the lithium transition metal composite oxide has a chemical composition represented by composition formula (1). The method for producing the positive electrode active material according to the present embodiment uses the production method described below, but is not limited thereto.
[第1の製造方法]
図1(A)は、本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極活物質の第1の製造方法のフロー図である。
図1(A)に示すように、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法は、混合工程S10と、造粒工程S20と、焼成工程S30と、をこの順に含む。なお、これらの工程以外の工程が加わっても良い。例えば、焼成工程S30で得られた正極活物質に炭酸リチウムが多く残留している場合は、図2に示す正極111を作製するための合剤塗工工程において、スラリー状の電極合剤がゲル化するため、焼成工程S30に引き続き、水洗工程及び乾燥工程を追加して、残留している炭酸リチウムを低減させることができる。なお、水洗および乾燥工程を追加する場合は、水洗および乾燥工程後に得られた正極活物質において、組成式(1)を満たすものとする。焼成工程で終了する場合は、焼成工程後に得られた正極活物質において、組成式(1)を満たすものとする。なぜならaに関しては、電池に使用する状態における正極活物質での値が重要であるからである。また、正極活物質が電池に組み込まれ充放電された後でも本発明の特徴は保持されているが、Li量についてはLiが抜けてaの値は-0.99~0程度まで変化していると考えられる。
[First manufacturing method]
FIG. 1(A) is a flow diagram of a first method for producing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery according to one embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1A, the method for producing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery according to this embodiment includes a mixing step S10, a granulation step S20, and a firing step S30 in this order. Note that other steps may be added. For example, when a large amount of lithium carbonate remains in the positive electrode active material obtained in the firing step S30, the electrode mixture in the form of a slurry is gelled in the mixture coating step for producing the positive electrode 111 shown in FIG. 2, so that the remaining lithium carbonate can be reduced by adding a water washing step and a drying step following the firing step S30. Note that, when the water washing and drying steps are added, the positive electrode active material obtained after the water washing and drying steps satisfies the composition formula (1). When the firing step is completed, the positive electrode active material obtained after the firing step satisfies the composition formula (1). This is because the value of a in the positive electrode active material in the state in which it is used in the battery is important for a. In addition, even after the positive electrode active material is incorporated into a battery and is charged and discharged, the characteristics of the present invention are maintained, but it is considered that the amount of Li is lost and the value of a changes to approximately −0.99 to 0.
混合工程S10では、リチウムを含む化合物と、組成式(1)中のLi以外の金属元素を含む化合物とを混合する。例えば、これらの原料をそれぞれ秤量し、粉砕及び混合することにより、原料が均一に混和した粉末状の混合物を得ることができる。原料を粉砕する粉砕機としては、例えば、ボールミル、ジェットミル、ロッドミル、サンドミル等の一般的な精密粉砕機を用いることができる。原料の粉砕は、乾式粉砕としてもよいし、湿式粉砕としてもよい。乾式粉砕の後、水等の溶媒を加えて原料と溶媒から構成されるスラリーとしてもよいし、予め原料に水等の溶媒を加えてスラリー化してから湿式粉砕してもよい。平均粒径0.3μm以下の均一で微細な粉末を得る観点からは、水等の媒体を使用した湿式粉砕を行うことがより好ましい。 In the mixing step S10, a compound containing lithium and a compound containing a metal element other than Li in the composition formula (1) are mixed. For example, by weighing each of these raw materials, grinding and mixing them, a powdery mixture in which the raw materials are uniformly mixed can be obtained. As a grinder for grinding the raw materials, for example, a general precision grinder such as a ball mill, a jet mill, a rod mill, a sand mill, etc. can be used. The grinding of the raw materials may be dry grinding or wet grinding. After the dry grinding, a solvent such as water may be added to form a slurry composed of the raw materials and the solvent, or a solvent such as water may be added to the raw materials in advance to form a slurry and then wet grinding. From the viewpoint of obtaining a uniform and fine powder with an average particle size of 0.3 μm or less, it is more preferable to perform wet grinding using a medium such as water.
本実施形態において、X元素を一次粒子の表面近傍で濃化させるには、原料を溶媒に溶解・析出させる共沈法ではなく、原料を粉砕混合する固相法を用い、原料を混合する工程でその他の原料と同時にX元素の原料も粉砕し、平均粒径0.3μm以下、好ましくは0.1μm以上0.3μm以下の均一で微細な粉末となして混合することが重要である。さらに、原料を均一に分散させることが重要となる。例えば、湿式混合においては分散剤を用いてスラリー中の原料の分散性を向上させることが良い。原料の分散性が向上すると、X元素の濃化層の厚さにムラがなくなるので好ましい。分散剤は、ポリカルボン酸系、ウレタン系、アクリル樹脂系を用いることができ、アクリル樹脂系が好ましい。分散剤の添加量はスラリーの粘度を調整するため任意に加えることができる。 In this embodiment, in order to concentrate the X element near the surface of the primary particles, a solid-phase method is used to crush and mix the raw materials, rather than a coprecipitation method in which the raw materials are dissolved and precipitated in a solvent. In the process of mixing the raw materials, it is important to crush the raw material of the X element at the same time as the other raw materials and mix them into a uniform and fine powder with an average particle size of 0.3 μm or less, preferably 0.1 μm to 0.3 μm. Furthermore, it is important to uniformly disperse the raw materials. For example, in wet mixing, it is good to use a dispersant to improve the dispersibility of the raw materials in the slurry. When the dispersibility of the raw materials is improved, the thickness of the concentrated layer of the X element becomes uniform, which is preferable. The dispersant can be a polycarboxylic acid type, a urethane type, or an acrylic resin type, and an acrylic resin type is preferable. The amount of dispersant added can be arbitrarily added to adjust the viscosity of the slurry.
本実施形態では、上述の通り原料の平均粒径を0.3μm以下、好ましくは0.1μm以上0.3μm以下の均一で微細な粉末とし、さらに均一分散を実施している。このため、正極活物質の一次粒子である数百nm~数μmレベルよりも原料が微細に粉砕されていることになる。この原料から個々の一次粒子が均一に結晶核生成し、結晶成長することができる。この結晶核生成と、結晶成長反応の過程では、比較的低温でLiとNiが反応し層状構造を呈するα-NaFeO2型の結晶構造を一次粒子として形成し始める。そして、その後にX元素がLiと反応して一次粒子の濃化層を形成することになる。このときのX元素の分散性が重要であり、微細、且つ均一に分散することにより、濃化層を一次粒子表面から深さ数nmレベルの非常に薄くて均一な厚さに実現できる。 In this embodiment, as described above, the average particle size of the raw material is 0.3 μm or less, preferably 0.1 μm to 0.3 μm, and the raw material is uniformly and finely ground, and further uniformly dispersed. Therefore, the raw material is pulverized finer than the primary particles of the positive electrode active material, which are several hundred nm to several μm. From this raw material, individual primary particles can be uniformly nucleated and grown. In the process of this nucleation and crystal growth reaction, Li and Ni react at a relatively low temperature to form a layered structure, α-NaFeO 2 type crystal structure, as the primary particles. Then, the X element reacts with Li to form a concentrated layer of the primary particles. The dispersibility of the X element at this time is important, and by dispersing it finely and uniformly, the concentrated layer can be realized to a very thin and uniform thickness of a few nm deep from the surface of the primary particles.
リチウムを含む化合物としては、例えば、炭酸リチウム、酢酸リチウム、硝酸リチウム、水酸化リチウム、塩化リチウム、硫酸リチウム等が挙げられるが、図1(A)に示すように、炭酸リチウムを用いることが好ましく、リチウムを含む原料中、炭酸リチウムを80質量%以上の割合で用いることがより好ましい。炭酸リチウムは、リチウムを含む他の化合物と比較して供給安定性に優れ、安価であるため、容易に入手することができる。また、炭酸リチウムは、弱アルカリ性であるため、製造装置へのダメージが少なく、工業利用性や実用性に優れている。 Examples of lithium-containing compounds include lithium carbonate, lithium acetate, lithium nitrate, lithium hydroxide, lithium chloride, and lithium sulfate. As shown in FIG. 1(A), it is preferable to use lithium carbonate, and it is more preferable to use lithium carbonate in a proportion of 80 mass% or more of the lithium-containing raw material. Lithium carbonate is easily available because it is inexpensive and has excellent supply stability compared to other lithium-containing compounds. In addition, lithium carbonate is weakly alkaline, so it causes less damage to manufacturing equipment and has excellent industrial usability and practicality.
Li以外の金属元素を含む化合物としては、リチウム遷移金属複合酸化物の組成に応じて、ニッケルを含む化合物、コバルトを含む化合物、Mで表される金属元素を含む化合物、Xで表される金属元素を含む化合物を混合する。Li以外の金属元素を含む化合物としては、炭酸塩、水酸化物、オキシ水酸化物、酢酸塩、クエン酸塩、酸化物等のC、H、O、Nで組成された化合物が好ましく用いられる。粉砕の容易性や、熱分解によるガスの放出量の観点からは、炭酸塩、水酸化物、又は、酸化物が特に好ましい。 As compounds containing metal elements other than Li, a compound containing nickel, a compound containing cobalt, a compound containing a metal element represented by M, and a compound containing a metal element represented by X are mixed according to the composition of the lithium transition metal composite oxide. As compounds containing metal elements other than Li, compounds composed of C, H, O, and N, such as carbonates, hydroxides, oxyhydroxides, acetates, citrates, and oxides, are preferably used. From the viewpoint of ease of pulverization and the amount of gas released by thermal decomposition, carbonates, hydroxides, and oxides are particularly preferred.
混合工程S10では、焼成工程S30に供される焼成前駆体が、組成式(1)で表される化学組成となるように原料を混合することが好ましい。具体的には、焼成前駆体に含まれるリチウムの原子濃度(モル数)と、焼成前駆体に含まれるリチウム以外の金属元素の合計の原子濃度(モル数)との原子濃度比(モル比)を0.96以上1.08以下に調整することが好ましく、0.96以上1.04以下がより好ましい。原子濃度比が0.96未満であると、リチウムが不足するため、異相が少ない適切な主相を焼成できない可能性が高い。一方、原子濃度比が1.08を超えると、合成反応が適切に進行せず、層状構造の結晶化度が低くなる虞がある。 In the mixing step S10, it is preferable to mix the raw materials so that the calcination precursor to be subjected to the calcination step S30 has a chemical composition represented by the composition formula (1). Specifically, it is preferable to adjust the atomic concentration ratio (molar ratio) between the atomic concentration (molar number) of lithium contained in the calcination precursor and the total atomic concentration (molar number) of metal elements other than lithium contained in the calcination precursor to 0.96 or more and 1.08 or less, and more preferably 0.96 or more and 1.04 or less. If the atomic concentration ratio is less than 0.96, there is a high possibility that an appropriate main phase with few heterophases cannot be calcined due to a shortage of lithium. On the other hand, if the atomic concentration ratio exceeds 1.08, the synthesis reaction does not proceed properly, and there is a risk that the crystallinity of the layered structure will be low.
遷移金属サイトを占有するニッケルは2価と3価が混在しており、b<0.8の場合は他の遷移金属元素コバルトやマンガンが4価となり価数補償をしてくれるため2価のニッケル割合が高い。リチウムイオンの挿入や脱離に伴う格子歪みないし結晶構造変化が低減されたリチウム遷移金属複合酸化物を得るには、遷移金属サイトを占有する2価のニッケル割合を可能な限り多くした方が好ましい。しかしb≧0.8の高Ni組成においては2価のニッケルはリチウムサイトを占有する所謂カチオンミキシングが生じやすく、これを十分に抑制する必要がある。焼成時、カチオンミキシングを十分に抑制する観点からは、リチウムと、ニッケル等との合成反応を確実に進行させる必要があるため、リチウムと、ニッケル等とを、化学量論比のとおり、略1:1で反応させることが望ましい。 The nickel occupying the transition metal site is a mixture of divalent and trivalent, and when b<0.8, other transition metal elements cobalt and manganese become tetravalent and compensate for the valence, so the proportion of divalent nickel is high. In order to obtain a lithium transition metal composite oxide in which the lattice distortion or crystal structure change associated with the insertion and removal of lithium ions is reduced, it is preferable to increase the proportion of divalent nickel occupying the transition metal site as much as possible. However, in a high Ni composition of b≧0.8, divalent nickel is prone to occupying the lithium site, so-called cation mixing, and this must be sufficiently suppressed. From the viewpoint of sufficiently suppressing cation mixing during firing, it is necessary to ensure that the synthesis reaction between lithium and nickel, etc. proceeds, so it is desirable to react lithium and nickel, etc. in a stoichiometric ratio of approximately 1:1.
よって、精密粉砕混合を行える混合工程S10の段階で、これらの原子濃度比を予め調整しておくことが好ましい。予め調整しておく場合、焼成前駆体に含まれるリチウムの原子濃度(モル数)と、リチウム以外の金属元素の合計の原子濃度(モル数)との原子濃度比(モル比)は、より好ましくは0.98以上1.02以下である。但し、焼成時、焼成前駆体に含まれているリチウムが焼成用容器と反応したり、揮発したりする可能性がある。リチウムの一部が、焼成に用いる容器との反応や、焼成時の蒸発によって滅失することを考慮し、仕込み時に、リチウムを過剰に加えておくことは妨げられない。 Therefore, it is preferable to adjust these atomic concentration ratios in advance at the mixing step S10 where fine grinding and mixing can be performed. When adjusted in advance, the atomic concentration ratio (molar ratio) of the atomic concentration (number of moles) of lithium contained in the calcination precursor to the total atomic concentration (number of moles) of metal elements other than lithium is more preferably 0.98 or more and 1.02 or less. However, during calcination, the lithium contained in the calcination precursor may react with the calcination container or volatilize. Considering that part of the lithium may be lost due to reaction with the container used for calcination or evaporation during calcination, it is not prohibited to add an excess of lithium at the time of charging.
また、遷移金属サイトを占有する2価のニッケルの割合が高く、リチウムイオンの挿入や脱離に伴う格子歪みないし結晶構造変化が低減されたリチウム遷移金属複合酸化物を得るには、混合工程S10の後、且つ、焼成工程S30の前に、リチウム以外の金属元素、例えば、製造過程に由来する不可避的不純物、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子を被覆する他成分、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子と共に混合される他成分等を混入させないことが好ましい。 In addition, to obtain a lithium transition metal composite oxide in which the proportion of divalent nickel occupying the transition metal sites is high and the lattice distortion or crystal structure change associated with the insertion and desorption of lithium ions is reduced, it is preferable not to mix in metal elements other than lithium, such as unavoidable impurities resulting from the manufacturing process, other components that coat the lithium transition metal composite oxide particles, or other components that are mixed with the lithium transition metal composite oxide particles, after the mixing step S10 and before the firing step S30.
造粒工程S20では、混合工程S10で得られた混合物を造粒して粒子同士が凝集した二次粒子(造粒体)を得る。混合物の造粒は、乾式造粒及び湿式造粒のいずれを利用して行ってもよい。混合物の造粒には、例えば、転動造粒法、流動層造粒法、圧縮造粒法、噴霧造粒法等の適宜の造粒法を用いることができる。 In the granulation step S20, the mixture obtained in the mixing step S10 is granulated to obtain secondary particles (granules) in which the particles aggregate. The mixture may be granulated by either dry granulation or wet granulation. For granulation of the mixture, an appropriate granulation method such as rolling granulation, fluidized bed granulation, compression granulation, spray granulation, etc. may be used.
混合物を造粒する造粒法としては、噴霧造粒法が特に好ましい。噴霧造粒機としては、2流体ノズル式、4流体ノズル式、ディスク式等の各種の方式を用いることができる。噴霧造粒法であれば、湿式粉砕によって精密混合粉砕したスラリーを、乾燥しながら造粒させることができる。また、スラリーの濃度、噴霧圧、ディスク回転数等の調整によって、二次粒子の粒径を所定範囲に精密に制御することが可能であり、真球に近く、化学組成が均一な造粒体を効率的に得ることができる。造粒工程S20では、混合工程S10で得られた混合物を平均粒径(D50)が3μm以上50μm以下となるように造粒することが好ましい。本実施形態において、より好ましい造粒体の二次粒子は平均粒径(D50)が5μm以上20μm以下である。 As a granulation method for granulating the mixture, the spray granulation method is particularly preferred. As the spray granulator, various methods such as a two-fluid nozzle type, a four-fluid nozzle type, and a disk type can be used. With the spray granulation method, the slurry precisely mixed and pulverized by wet pulverization can be granulated while drying. In addition, by adjusting the concentration of the slurry, the spray pressure, the disk rotation speed, etc., it is possible to precisely control the particle size of the secondary particles within a predetermined range, and granules that are close to true spheres and have a uniform chemical composition can be efficiently obtained. In the granulation step S20, it is preferable to granulate the mixture obtained in the mixing step S10 so that the average particle size (D 50 ) is 3 μm or more and 50 μm or less. In this embodiment, the secondary particles of the more preferred granules have an average particle size (D 50 ) of 5 μm or more and 20 μm or less.
焼成工程S30では、造粒工程S20で造粒された造粒体を熱処理して組成式(1)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を焼成する。焼成工程S30は、熱処理温度が一定の範囲に制御される一段の熱処理で行ってもよいし、熱処理温度が互いに異なる範囲に制御される複数段の熱処理で行ってもよい。但し、結晶の純度が高く、高い放電容量、良好なレート特性や充放電サイクル特性を示すリチウム遷移金属複合酸化物を得る観点からは、図1に示すように、第1熱処理工程S31と、第2熱処理工程S32と、第3熱処理工程S33と、を含むことが好ましく、特に、第2熱処理工程S32と第3熱処理工程S33の条件を満たすことが好ましい。 In the calcination step S30, the granules produced in the granulation step S20 are heat-treated to calcinate the lithium transition metal composite oxide represented by the composition formula (1). The calcination step S30 may be performed in a single heat treatment step in which the heat treatment temperature is controlled within a certain range, or in multiple heat treatment steps in which the heat treatment temperature is controlled within different ranges. However, from the viewpoint of obtaining a lithium transition metal composite oxide having high crystal purity, high discharge capacity, and good rate characteristics and charge/discharge cycle characteristics, it is preferable to include the first heat treatment step S31, the second heat treatment step S32, and the third heat treatment step S33 as shown in FIG. 1, and it is particularly preferable to satisfy the conditions of the second heat treatment step S32 and the third heat treatment step S33.
第1熱処理工程S31では、造粒工程S20で造粒された造粒体を200℃以上600℃未満の熱処理温度で、0.5時間以上5時間以下にわたって熱処理して第1前駆体を得る。第1熱処理工程S31は、焼成前駆体(造粒工程S20で造粒された造粒体)から、リチウム遷移金属複合酸化物の合成反応を妨げる水分等を除去することを主な目的とする。 In the first heat treatment step S31, the granules produced in the granulation step S20 are heat-treated at a heat treatment temperature of 200°C or higher and lower than 600°C for 0.5 hours or more and 5 hours or less to obtain a first precursor. The main purpose of the first heat treatment step S31 is to remove moisture and other substances that interfere with the synthesis reaction of the lithium transition metal composite oxide from the fired precursor (the granules produced in the granulation step S20).
第1熱処理工程S31において、熱処理温度が200℃以上であれば、不純物の燃焼反応や原料の熱分解等が十分に進むため、以降の熱処理で不活性な異相、付着物等が形成されるのを抑制することができる。また、熱処理温度が600℃未満であれば、この工程でリチウム遷移金属複合酸化物の結晶が完成されることがほぼ無いため、水分、不純物等の存在下、純度が低い結晶相が残存するのを防ぐことができる。 In the first heat treatment step S31, if the heat treatment temperature is 200°C or higher, the impurity combustion reaction and the thermal decomposition of the raw materials will proceed sufficiently, and it is possible to suppress the formation of inactive heterogeneous phases, deposits, etc. in the subsequent heat treatments. In addition, if the heat treatment temperature is less than 600°C, the crystallization of the lithium transition metal composite oxide will be almost never completed in this step, and it is possible to prevent low-purity crystal phases from remaining in the presence of moisture, impurities, etc.
第1熱処理工程S31における熱処理温度は、250℃以上550℃以下であることが好ましく、300℃以上500℃以下であることがより好ましい。熱処理温度がこの範囲であれば、水分、不純物等を効率的に除去する一方、この工程でリチウム遷移金属複合酸化物の結晶が完成するのを確実に防ぐことができる。なお、第1熱処理工程S31における熱処理時間は、例えば、熱処理温度、混合物に含まれている水分や不純物等の量、水分や不純物等の除去目標、結晶化の度合いの目標等に応じて、適宜の時間とすることができる。 The heat treatment temperature in the first heat treatment step S31 is preferably 250°C or higher and 550°C or lower, and more preferably 300°C or higher and 500°C or lower. If the heat treatment temperature is within this range, moisture, impurities, etc. can be efficiently removed while reliably preventing the lithium transition metal composite oxide crystallization from being completed in this step. The heat treatment time in the first heat treatment step S31 can be appropriately set depending on, for example, the heat treatment temperature, the amount of moisture, impurities, etc. contained in the mixture, the target for removing moisture, impurities, etc., the target degree of crystallization, etc.
第1熱処理工程S31は、雰囲気ガスの気流下や、ポンプによる排気下で行うことが好ましい。このような雰囲気下で熱処理を行うと、水分、不純物等が含まれているガスを反応場から効率的に排除できる。雰囲気ガスの気流の流量や、ポンプによる時間当たりの排気量は、焼成前駆体から生じるガスの体積よりも多くすることが好ましい。焼成前駆体から生じるガスの体積は、例えば、原料の使用量や、燃焼や熱分解でガス化する成分の原料当たりのモル比等に基づいて求めることができる。 The first heat treatment step S31 is preferably carried out under a flow of atmospheric gas or under exhaust by a pump. When heat treatment is carried out under such an atmosphere, gas containing moisture, impurities, etc. can be efficiently removed from the reaction site. The flow rate of the atmospheric gas flow or the amount of exhaust per hour by the pump is preferably greater than the volume of gas generated from the calcination precursor. The volume of gas generated from the calcination precursor can be calculated based on, for example, the amount of raw material used or the molar ratio per raw material of the components gasified by combustion or pyrolysis.
第1熱処理工程S31は、酸化性ガス雰囲気下で行ってもよいし、非酸化性ガス雰囲気下で行ってもよいし、減圧雰囲気下で行ってもよい。酸化性ガス雰囲気としては、酸素ガス雰囲気及び大気雰囲気のいずれであってもよい。また、減圧雰囲気としては、例えば、大気圧以下等、適宜の真空度の減圧条件であってよい。 The first heat treatment step S31 may be performed under an oxidizing gas atmosphere, a non-oxidizing gas atmosphere, or a reduced pressure atmosphere. The oxidizing gas atmosphere may be either an oxygen gas atmosphere or an air atmosphere. The reduced pressure atmosphere may be a reduced pressure condition with an appropriate degree of vacuum, for example, below atmospheric pressure.
第2熱処理工程S32では、第1熱処理工程S31で得られた第1前駆体を600℃以上750℃未満の熱処理温度で、2時間以上50時間以下にわたって熱処理して第2前駆体を得る。第2熱処理工程S32は、炭酸リチウムとニッケル化合物等との反応により、炭酸成分を除去すると共に、リチウム遷移金属複合酸化物の結晶を生成させることを主な目的とする。焼成前駆体中のニッケルを十分に酸化させて、リチウムサイトにニッケルが混入するカチオンミキシングを抑制し、ニッケルによる立方晶ドメインの生成を抑制する。また、リチウムイオンの挿入や脱離に伴う格子歪みないし結晶構造変化を小さくするために、Mで表される金属元素を十分に酸化させて、MeO2で構成される層の組成の均一性を高くし、イオン半径が大きい2価のニッケルの割合を増加させる。 In the second heat treatment step S32, the first precursor obtained in the first heat treatment step S31 is heat-treated at a heat treatment temperature of 600°C or more and less than 750°C for 2 hours or more and 50 hours or less to obtain a second precursor. The main purpose of the second heat treatment step S32 is to remove carbonate components and generate crystals of lithium transition metal composite oxide by reacting lithium carbonate with a nickel compound or the like. The nickel in the fired precursor is sufficiently oxidized to suppress cation mixing in which nickel is mixed into the lithium site, and to suppress the generation of cubic domains by nickel. In addition, in order to reduce lattice distortion or crystal structure changes associated with the insertion and desorption of lithium ions, the metal element represented by M is sufficiently oxidized to increase the uniformity of the composition of the layer composed of MeO2 and increase the proportion of divalent nickel with a large ionic radius.
第2熱処理工程S32では、第2前駆体に残留している未反応の炭酸リチウムが、投入した第1前駆体の総質量当たり、0.3質量%以上3質量%以下に低減されることが好ましく、0.3質量%以上2質量%以下に低減されることがより好ましい。第2前駆体に残留している炭酸リチウムの残留量が多すぎると、第3熱処理工程S33において、炭酸リチウムが溶融し、液相を形成する可能性がある。液相中でリチウム遷移金属複合酸化物を焼成すると、過焼結によって、層状構造を有する一次粒子が過剰に配向した状態になったり、比表面積が低下したりする。その結果、放電容量、レート特性等が悪化する虞がある。さらに、X元素が一次粒子内部にまで浸透してしまい、一次粒子表面近傍でX元素の濃化層が得られなくなる。また、第2前駆体に残留している炭酸リチウムの残留量が少なすぎると、焼成されるリチウム遷移金属複合酸化物の比表面積が過大になり、電解液との接触面積が拡大したり、X元素が一次粒子表面近傍で濃化しなかったりするため、充放電サイクル特性が悪化する虞がある。これに対し、未反応の炭酸リチウムの残留量が前記の範囲であれば、高い放電容量、良好なレート特性や充放電サイクル特性を得ることができる。 In the second heat treatment step S32, the amount of unreacted lithium carbonate remaining in the second precursor is preferably reduced to 0.3% by mass or more and 3% by mass or less, more preferably 0.3% by mass or more and 2% by mass or less, based on the total mass of the first precursor introduced. If the amount of lithium carbonate remaining in the second precursor is too large, the lithium carbonate may melt and form a liquid phase in the third heat treatment step S33. When the lithium transition metal composite oxide is fired in the liquid phase, the primary particles having a layered structure may become excessively oriented due to oversintering, or the specific surface area may decrease. As a result, there is a risk that the discharge capacity, rate characteristics, etc. may deteriorate. Furthermore, the X element penetrates into the inside of the primary particles, and a concentrated layer of the X element cannot be obtained near the surface of the primary particles. Furthermore, if the amount of lithium carbonate remaining in the second precursor is too small, the specific surface area of the calcined lithium transition metal composite oxide becomes too large, the contact area with the electrolyte increases, and the X element does not concentrate near the surface of the primary particles, which may result in poor charge-discharge cycle characteristics. On the other hand, if the amount of unreacted lithium carbonate remaining is within the above range, a high discharge capacity, good rate characteristics, and charge-discharge cycle characteristics can be obtained.
また、第2熱処理工程S32において、炭酸リチウムの反応が不十分で炭酸リチウムが多量に残留していると、第3熱処理工程S33において炭酸リチウムが溶融し、液相を形成する虞がある。液相中でリチウム遷移金属複合酸化物を焼成すると、結晶粒が粗大化し易いため、出力特性が悪化する虞がある。これに対し、第2熱処理工程S32で炭酸リチウムの大部分を反応させておくと、第3熱処理工程S33で液相が生じ難くなるので、熱処理温度を高くしたとしても、結晶粒が粗大化し難くなる。そのため、結晶粒の粗大化を抑制しつつ、結晶の純度が高いリチウム遷移金属複合酸化物を高温で焼成することが可能になる。 In addition, if the reaction of lithium carbonate is insufficient in the second heat treatment step S32 and a large amount of lithium carbonate remains, there is a risk that the lithium carbonate will melt in the third heat treatment step S33 and form a liquid phase. If the lithium transition metal composite oxide is fired in the liquid phase, the crystal grains are likely to become coarse, which may deteriorate the output characteristics. In contrast, if most of the lithium carbonate is allowed to react in the second heat treatment step S32, a liquid phase is unlikely to be generated in the third heat treatment step S33, so that the crystal grains are unlikely to become coarse even if the heat treatment temperature is increased. Therefore, it is possible to fire a lithium transition metal composite oxide with high crystal purity at a high temperature while suppressing the coarsening of the crystal grains.
また、第2熱処理工程S32において、炭酸リチウムの反応が不十分で炭酸リチウムが多量に残留していると、前駆体に酸素が行き渡り難くなる。第3熱処理工程S33で第2前駆体に酸素が行き渡らないと、ニッケルが十分に酸化しないため、2価のニッケルによってカチオンミキシングを生じ易くなる。これに対し、第2熱処理工程S32で炭酸リチウムの大部分を反応させておくと、粉末状である第2前駆体に酸素が行き渡り易くなる。そのため、マンガン等を十分に酸化させてMeO2で構成される層における2価のニッケルの割合を増加させつつ、カチオンミキシングを生じ易い2価のニッケルの過剰な残留を抑制することができる。 In addition, if the reaction of lithium carbonate is insufficient and a large amount of lithium carbonate remains in the second heat treatment step S32, oxygen is difficult to reach the precursor. If oxygen is not reached in the second precursor in the third heat treatment step S33, nickel is not sufficiently oxidized, and cation mixing is likely to occur due to divalent nickel. In contrast, if most of the lithium carbonate is reacted in the second heat treatment step S32, oxygen is easily reached in the powdered second precursor. Therefore, it is possible to sufficiently oxidize manganese, etc., to increase the proportion of divalent nickel in the layer composed of MeO2 , while suppressing the excess remaining of divalent nickel, which is likely to cause cation mixing.
第2熱処理工程S32において、熱処理温度が600℃以上であれば、炭酸リチウムとニッケル化合物等との反応により結晶の生成が進むため、未反応の炭酸リチウムが大量に残留するのを避けることができる。そのため、以降の熱処理で炭酸リチウムが液相を形成し難くなり、結晶粒の粗大化が抑制されて、良好な出力特性等が得られるし、第2前駆体に酸素が行き渡り易くなり、カチオンミキシングが抑制され易くなる。また、熱処理温度が750℃未満であれば、第2熱処理工程S32において、粒成長が過度に進行することが無いし、マンガン等を十分に酸化させて、MeO2で構成される層の組成の均一性を高くすることができる。 In the second heat treatment step S32, if the heat treatment temperature is 600° C. or higher, the reaction between lithium carbonate and nickel compounds etc. promotes the generation of crystals, and it is possible to avoid a large amount of unreacted lithium carbonate remaining. Therefore, lithium carbonate is less likely to form a liquid phase in the subsequent heat treatment, the coarsening of crystal grains is suppressed, good output characteristics etc. are obtained, oxygen is more likely to be distributed in the second precursor, and cation mixing is more likely to be suppressed. In addition, if the heat treatment temperature is less than 750° C., grain growth does not proceed excessively in the second heat treatment step S32, and manganese etc. can be sufficiently oxidized to increase the uniformity of the composition of the layer composed of MeO 2 .
第2熱処理工程S32における熱処理温度は、650℃以上であることが好ましく、680℃以上であることがより好ましい。熱処理温度がこのように高いほど、合成反応がより促進し、炭酸リチウムの残留がより確実に防止される。さらに、700℃以上であれば、MeO2で構成される層の組成の均一性を高くすることができると共に、X元素が一次粒子表面に拡散されやすくなる。従って、一次粒子の表面近傍にX元素の濃化層を形成するためには700℃程度の比較的高温であることがより好ましい。 The heat treatment temperature in the second heat treatment step S32 is preferably 650° C. or higher, and more preferably 680° C. or higher. The higher the heat treatment temperature, the more the synthesis reaction is promoted, and the more reliably lithium carbonate is prevented from remaining. Furthermore, if the heat treatment temperature is 700° C. or higher, the uniformity of the composition of the layer composed of MeO 2 can be increased, and the X element can be easily diffused to the surface of the primary particles. Therefore, in order to form a concentrated layer of the X element near the surface of the primary particles, a relatively high temperature of about 700° C. is more preferable.
第2熱処理工程S32における熱処理温度は、750℃未満であることが好ましい。熱処理温度が750℃を超えると、第1熱処理工程S31において未反応だった炭酸リチウムが液相を形成し、結晶粒が粗大化する。また、元素Xが一次粒子界面だけでなく一次粒子内部まで拡散して界面近傍に濃化層が形成され難くなる。 The heat treatment temperature in the second heat treatment step S32 is preferably less than 750°C. If the heat treatment temperature exceeds 750°C, the lithium carbonate that was unreacted in the first heat treatment step S31 will form a liquid phase, and the crystal grains will become coarse. In addition, element X will diffuse not only to the primary particle interfaces but also to the interior of the primary particles, making it difficult to form a concentrated layer near the interfaces.
第2熱処理工程S32における熱処理時間は、4時間以上とすることが好ましい。また、熱処理時間は、15時間以下とすることが好ましい。熱処理時間がこの範囲であると、炭酸リチウムの反応が十分に進むため、炭酸成分を確実に除去することができる。また、熱処理の所要時間が短縮されて、リチウム遷移金属複合酸化物の生産性が向上する。 The heat treatment time in the second heat treatment step S32 is preferably 4 hours or more. Also, the heat treatment time is preferably 15 hours or less. When the heat treatment time is within this range, the reaction of lithium carbonate proceeds sufficiently, so that the carbonate component can be reliably removed. Also, the time required for the heat treatment is shortened, improving the productivity of the lithium transition metal composite oxide.
第2熱処工程S32は、酸化性雰囲気で行うことが好ましい。雰囲気の酸素濃度は、50%以上とすることが好ましく、60%以上とすることがより好ましく、80%以上とすることが更に好ましい。また、Niの割合を80%以上にした高Ni比の正極活物質の場合、二酸化炭素濃度が高い雰囲気では、正極活物質のLiが二酸化炭素と反応して炭酸リチウムを形成してしまう。炭酸リチウムを形成するため正極活物質からLiが引き抜かれると結晶性が低下して、放電容量の低下や充放電サイクル特性の低下の原因となる。そのため、雰囲気の二酸化炭素濃度は、5%以下とすることが好ましく、1%以下とすることがより好ましい。また、第2熱処理工程S32は、酸化性ガスの気流下で行うことが好ましい。酸化性ガスの気流下で熱処理を行うと、ニッケルを確実に酸化させることができるし、雰囲気中に放出された二酸化炭素を確実に排除することができる。 The second heat treatment step S32 is preferably performed in an oxidizing atmosphere. The oxygen concentration of the atmosphere is preferably 50% or more, more preferably 60% or more, and even more preferably 80% or more. In the case of a high Ni ratio positive electrode active material in which the Ni ratio is 80% or more, in an atmosphere with a high carbon dioxide concentration, Li of the positive electrode active material reacts with carbon dioxide to form lithium carbonate. When Li is extracted from the positive electrode active material to form lithium carbonate, the crystallinity decreases, which causes a decrease in discharge capacity and a decrease in charge-discharge cycle characteristics. Therefore, the carbon dioxide concentration of the atmosphere is preferably 5% or less, more preferably 1% or less. In addition, the second heat treatment step S32 is preferably performed under a flow of oxidizing gas. By performing heat treatment under a flow of oxidizing gas, nickel can be reliably oxidized and carbon dioxide released into the atmosphere can be reliably removed.
第3熱処理工程S33では、第2熱処理工程S32で得られた第2前駆体を750℃以上900℃以下の熱処理温度で、2時間以上50時間以下にわたって熱処理してリチウム遷移金属複合酸化物を得る。第3熱処理工程S33は、層状構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物の結晶粒を、適切な粒径や比表面積まで粒成長させることを主な目的とする。 In the third heat treatment step S33, the second precursor obtained in the second heat treatment step S32 is heat-treated at a heat treatment temperature of 750°C to 900°C for 2 hours to 50 hours to obtain a lithium transition metal composite oxide. The main purpose of the third heat treatment step S33 is to grow the crystal grains of the lithium transition metal composite oxide having a layered structure to an appropriate grain size and specific surface area.
第3熱処理工程S33において、熱処理温度が750℃以上であれば、ニッケルを十分に酸化させてカチオンミキシングを抑制しつつ、リチウム遷移金属複合酸化物の結晶粒を適切な粒径や比表面積に成長させることができる。また、Mで表される金属元素を十分に酸化させて、2価のニッケルの割合を高くすることができる。a軸の格子定数が大きく、リチウムイオンの挿入や脱離に伴う格子歪みないし結晶構造変化が低減されている主相が形成されるため、高い放電容量、良好な充放電サイクル特性や出力特性を得ることができる。また、熱処理温度が900℃以下であれば、リチウムが揮発し難く、層状構造が分解し難いため、結晶の純度が高く、放電容量、レート特性等が良好なリチウム遷移金属複合酸化物を得ることができる。 In the third heat treatment step S33, if the heat treatment temperature is 750°C or higher, nickel can be sufficiently oxidized to suppress cation mixing, while the crystal grains of the lithium transition metal composite oxide can be grown to an appropriate grain size and specific surface area. In addition, the metal element represented by M can be sufficiently oxidized to increase the proportion of divalent nickel. Since a main phase is formed in which the lattice constant of the a-axis is large and the lattice distortion or crystal structure change associated with the insertion and desorption of lithium ions is reduced, high discharge capacity, good charge/discharge cycle characteristics, and output characteristics can be obtained. In addition, if the heat treatment temperature is 900°C or lower, lithium is unlikely to volatilize and the layered structure is unlikely to decompose, so that a lithium transition metal composite oxide with high crystal purity and good discharge capacity, rate characteristics, etc. can be obtained.
第3熱処理工程S33における熱処理温度は、780℃以上であることが好ましく、800℃以上であることがより好ましく、820℃以上であることが更に好ましい。熱処理温度がこのように高いほど、ニッケルやMで表される金属元素を十分に酸化し、リチウム遷移金属複合酸化物の粒成長を促進させることができる。 The heat treatment temperature in the third heat treatment step S33 is preferably 780°C or higher, more preferably 800°C or higher, and even more preferably 820°C or higher. The higher the heat treatment temperature, the more sufficiently nickel and the metal element represented by M can be oxidized, and the more the grain growth of the lithium transition metal composite oxide can be promoted.
第3熱処理工程S33における熱処理温度は、880℃以下であることが好ましく、860℃以下であることがより好ましい。熱処理温度がこのように低いほど、リチウムがより揮発し難くなるため、リチウム遷移金属複合酸化物の分解を確実に防止して、放電容量、レート特性等が良好なリチウム遷移金属複合酸化物を得ることができる。 The heat treatment temperature in the third heat treatment step S33 is preferably 880°C or less, and more preferably 860°C or less. The lower the heat treatment temperature, the less likely lithium is to volatilize, so that the decomposition of the lithium transition metal composite oxide can be reliably prevented, and a lithium transition metal composite oxide with good discharge capacity, rate characteristics, etc. can be obtained.
第3熱処理工程S33における熱処理時間は、2時間以上とすることが好ましい。また、熱処理時間は、15時間以下とすることが好ましい。熱処理時間がこの範囲であると、ニッケル等を十分に酸化して、リチウムイオンの挿入や脱離に伴う格子歪みないし結晶構造変化が低減されたリチウム遷移金属複合酸化物を得ることができる。また、熱処理の所要時間が短縮されるため、リチウム遷移金属複合酸化物の生産性を向上させることができる。 The heat treatment time in the third heat treatment step S33 is preferably 2 hours or more. The heat treatment time is preferably 15 hours or less. When the heat treatment time is within this range, nickel and the like can be sufficiently oxidized to obtain a lithium transition metal composite oxide in which the lattice distortion or crystal structure change associated with the insertion and desorption of lithium ions is reduced. In addition, the time required for the heat treatment is shortened, thereby improving the productivity of the lithium transition metal composite oxide.
第3熱処理工程S33は、所定の温度で熱処理した後、最高温度から降温する過程で700℃以上800℃以下の温度帯で1.5時間以上保持されるアニール段階を含む。700℃未満であるとX元素が十分拡散できず一次粒子内部への固溶が不十分となる。800℃を超えるとX元素は一次粒子界面に濃化したままA0が過大となる。X元素はTi、Ga、Mg、Zr、Znからなる群から選択される少なくとも1種以上の元素であることが好ましく、表1に示すように、その他の成分金属元素(Ni、Co、Mn、Al)に比べてイオン半径が大きいため、α―NaFeO2型の結晶構造に置換固溶できるのは微量である。その結果、添加したX元素全量を均一に固溶させることが難しく、二次粒子表面あるいは二次粒子内部の一次粒子同士の界面に濃化する。本発明ではX元素の一次粒子内への固溶を可能な限り促進するにあたり、第3熱処理の降温過程において700℃以上800℃以下の温度帯で1.5時間以上保持するアニール処理を行うことが有効な手段であることを見出したものである。 The third heat treatment step S33 includes an annealing step in which the temperature is kept at 700°C or more and 800°C or less for 1.5 hours or more in the process of decreasing the temperature from the maximum temperature after heat treatment at a predetermined temperature. If the temperature is less than 700°C, the X element cannot be sufficiently diffused and is insufficiently dissolved inside the primary particles. If the temperature exceeds 800°C, the X element remains concentrated at the interface of the primary particles and A0 becomes excessively large. The X element is preferably at least one element selected from the group consisting of Ti, Ga, Mg, Zr, and Zn, and as shown in Table 1, since the ion radius is larger than that of the other component metal elements (Ni, Co, Mn, Al), only a small amount can be substituted and dissolved in the α-NaFeO 2 type crystal structure. As a result, it is difficult to uniformly dissolve the entire amount of the added X element, and it is concentrated on the surface of the secondary particles or on the interface between the primary particles inside the secondary particles. In the present invention, it has been found that an effective means for promoting the dissolution of the X element into the primary particles as much as possible is to carry out an annealing treatment in which the temperature is maintained in a temperature range of 700° C. or more and 800° C. or less for 1.5 hours or more during the temperature decreasing process of the third heat treatment.
第3熱処理工程S33は、酸化性雰囲気で行うことが好ましい。雰囲気の酸素濃度は、80%以上とすることが好ましく、90%以上とすることがより好ましく、95%以上とすることが更に好ましい。また、雰囲気の二酸化炭素濃度は、2%以下とすることが好ましく、0.5%以下とすることがより好ましい。第3熱処理工程では、第2熱処理工程を経た第2前駆体を用いるため、前駆体に含まれる炭酸成分が低く、第2熱処理工程よりも低い二酸化炭素濃度の雰囲気で熱処理することが可能になる。そのため、第2前駆体と比較して、第3熱処理工程後のリチウム遷移金属複合酸化物は、より結晶性の高い状態となる。また、第3熱処理工程S33は、酸化性ガスの気流下で行うことが好ましい。酸化性ガスの気流下で熱処理を行うと、ニッケル等を確実に酸化させることができるし、雰囲気中に放出された二酸化炭素を確実に排除することができる。 The third heat treatment step S33 is preferably performed in an oxidizing atmosphere. The oxygen concentration of the atmosphere is preferably 80% or more, more preferably 90% or more, and even more preferably 95% or more. The carbon dioxide concentration of the atmosphere is preferably 2% or less, and more preferably 0.5% or less. In the third heat treatment step, the second precursor that has been subjected to the second heat treatment step is used, so that the precursor contains a low amount of carbonate, and it is possible to perform heat treatment in an atmosphere with a lower carbon dioxide concentration than the second heat treatment step. Therefore, compared to the second precursor, the lithium transition metal composite oxide after the third heat treatment step has a higher crystallinity. In addition, the third heat treatment step S33 is preferably performed under a flow of oxidizing gas. When heat treatment is performed under a flow of oxidizing gas, nickel and the like can be reliably oxidized and carbon dioxide released into the atmosphere can be reliably removed.
焼成工程S20においては、熱処理の手段として、ロータリーキルン等の回転炉、ローラーハースキルン、トンネル炉、プッシャー炉等の連続炉、バッチ炉等の適宜の熱処理装置を用いることができる。第1熱処理工程S31、第2熱処理工程S32、及び、第3熱処理工程S33は、それぞれ、同一の熱処理装置を用いて行ってもよいし、互いに異なる熱処理装置を用いて行ってもよい。また、各熱処理工程は、雰囲気を入れ替えて断続的に行ってもよいし、雰囲気中のガスを排気しながら熱処理を行う場合は、連続的に行ってもよい。なお、第1熱処理工程S31は、水分等を除去することを主な目的とするため、原料として水酸化物でなく酸化物を用いる場合のように、原料に由来する水分を脱水する必要がない場合には、第1熱処理工程S31を省略して第2熱処理工程S32から始めてもよい。第2前駆体に残留している未反応の炭酸リチウムを、投入した第1前駆体の総質量当たり、0.3質量%以上2質量%以下に低減して、より二酸化炭素濃度の低い雰囲気である第3熱処理工程S33で焼成することによって元素Xを一次粒子界面近傍に濃化させると共に、十分にカチオンミキシングを低減させて、高い放電容量、良好な充放電サイクル特性を示す本発明の正極活物質を得ることができる。 In the firing step S20, a suitable heat treatment device such as a rotary kiln or other rotary furnace, a roller hearth kiln, a tunnel furnace, a pusher furnace or other continuous furnace, or a batch furnace can be used as a heat treatment means. The first heat treatment step S31, the second heat treatment step S32, and the third heat treatment step S33 may each be performed using the same heat treatment device, or different heat treatment devices. Each heat treatment step may be performed intermittently by changing the atmosphere, or may be performed continuously when heat treatment is performed while exhausting gas in the atmosphere. Note that the first heat treatment step S31 has the main purpose of removing moisture, etc., so that when it is not necessary to dehydrate the moisture derived from the raw material, such as when an oxide rather than a hydroxide is used as the raw material, the first heat treatment step S31 may be omitted and the second heat treatment step S32 may be started. By reducing the amount of unreacted lithium carbonate remaining in the second precursor to 0.3% by mass or more and 2% by mass or less based on the total mass of the first precursor added, and then baking in the third heat treatment step S33 in an atmosphere with a lower carbon dioxide concentration, element X is concentrated near the primary particle interface, and cation mixing is sufficiently reduced, resulting in a positive electrode active material of the present invention that exhibits high discharge capacity and good charge/discharge cycle characteristics.
以上の混合工程S10、造粒工程S20、及び、焼成工程S30を経ることにより、組成式(1)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物で構成された正極活物質を製造することができる。元素Xの分布や、カチオンミキシング量や、比表面積は、主として、熱処理前の前駆体の作製方法、ニッケル等の金属元素の組成比、第2前駆体に残留している未反応の炭酸リチウムの残留量、第2熱処理工程S32と第3熱処理工程S33の熱処理温度や熱処理時間の調整によって制御することができる。組成式(1)で表される化学組成において、元素Xを一次粒子界面近傍に濃化させると共に、十分にカチオンミキシングを低減させると、高い放電容量、良好な充放電サイクル特性を示す優れた正極活物質が得られる。 By going through the above mixing step S10, granulation step S20, and firing step S30, a positive electrode active material composed of a lithium transition metal composite oxide represented by composition formula (1) can be manufactured. The distribution of element X, the amount of cation mixing, and the specific surface area can be controlled mainly by adjusting the method of preparing the precursor before heat treatment, the composition ratio of metal elements such as nickel, the amount of unreacted lithium carbonate remaining in the second precursor, and the heat treatment temperature and heat treatment time of the second heat treatment step S32 and the third heat treatment step S33. In the chemical composition represented by composition formula (1), if element X is concentrated near the primary particle interface and cation mixing is sufficiently reduced, an excellent positive electrode active material exhibiting high discharge capacity and good charge/discharge cycle characteristics can be obtained.
なお、合成されたリチウム遷移金属複合酸化物は、不純物を除去する目的等から、焼成工程S30の後に、脱イオン水等によって水洗を施す洗浄工程、洗浄されたリチウム遷移金属複合酸化物を乾燥させる乾燥工程等に供してもよい。また、合成されたリチウム遷移金属複合酸化物を解砕する解砕工程、リチウム遷移金属複合酸化物を所定の粒度に分級する分級工程等に供してもよい。 The synthesized lithium transition metal composite oxide may be subjected to a washing process in which it is washed with deionized water or the like, and a drying process in which the washed lithium transition metal composite oxide is dried, etc., after the firing process S30, for the purpose of removing impurities, etc. Also, the synthesized lithium transition metal composite oxide may be subjected to a crushing process in which it is crushed, and a classification process in which the lithium transition metal composite oxide is classified into a predetermined particle size, etc.
[第2の製造方法]
図1(B)は、本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極活物質の第2の製造方法のフロー図である。
図1(B)に示すように、出発原料をLi以外の金属原料とする以外は製法Aと同様に原料を混合、造粒乾燥し、第一熱処理を実施する(図1(B)の混合工程B10、造粒工程B20、第一熱処理工程B31)。
乾式混合工程B11では、B31を経た第一前駆体に対してリチウム源として例えば水酸化リチウムを組成式(1)で表される化学組成となるよう秤量し、乾式にて混合して、原料混合粉を得る。この工程では、ボールミル、アトライター、V型混合機、ヘンシェルミキサー、ロッキングミキサー、などを用いることができる。ただし、混合中に造粒乾燥粉を破壊しない程度の解砕力となるよう調整を要する。
[Second manufacturing method]
FIG. 1B is a flow diagram of a second method for producing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery according to one embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1(B) , the raw materials are mixed, granulated, dried, and subjected to a first heat treatment in the same manner as in Production Method A, except that the starting raw materials are metal raw materials other than Li (mixing step B10, granulation step B20, and first heat treatment step B31 in FIG. 1(B) ).
In the dry mixing step B11, for example, lithium hydroxide is weighed as a lithium source to the first precursor that has been subjected to B31 so as to have a chemical composition represented by the composition formula (1), and the mixture is dry-mixed to obtain a raw material mixed powder. In this step, a ball mill, an attritor, a V-type mixer, a Henschel mixer, a rocking mixer, or the like can be used. However, it is necessary to adjust the crushing force so as not to destroy the granulated dry powder during mixing.
第2熱処理工程B32では、例えば、原料混合粉を460℃以上、550℃未満の熱処理温度で、2時間以上50時間以下にわたって熱処理して第2前駆体を得る。第2熱処理工程B32は、水酸化リチウムとニッケル化合物等との反応により、水和物や水酸基を除去すると共に、リチウム遷移金属複合酸化物の結晶を生成させることを主な目的とする。
第2熱処理工程B32における熱処理温度時間は4時間以上とすることが好ましい。4時間未満であるとリチウム遷移金属複合酸化物の生成が不十分となる。また雰囲気は酸化性雰囲気が好ましく、酸素濃度50%以上、より好ましくは80%以上、さらに好ましくは90%以上である。熱処理する手段は製法Aの第二熱処理工程S32と同様である。
次の第3熱処理工程B33は製法Aと同様に実施されることが好ましい。
In the second heat treatment step B32, for example, the raw material mixed powder is heat-treated for 2 hours to 50 hours to obtain a second precursor at a heat treatment temperature of 460° C. or more and less than 550° C. The main purpose of the second heat treatment step B32 is to remove hydrates and hydroxyl groups by a reaction between lithium hydroxide and a nickel compound, etc., and to generate crystals of a lithium transition metal composite oxide.
The heat treatment time in the second heat treatment step B32 is preferably 4 hours or more. If it is less than 4 hours, the production of the lithium transition metal composite oxide will be insufficient. The atmosphere is preferably an oxidizing atmosphere, with an oxygen concentration of 50% or more, more preferably 80% or more, and even more preferably 90% or more. The heat treatment means is the same as the second heat treatment step S32 in the manufacturing method A.
The next third heat treatment step B33 is preferably carried out in the same manner as in the manufacturing method A.
以下、実施例を示して本発明について具体的に説明するが、本発明の技術的範囲はこれに限定されるものではない。
本発明の実施例に係る正極活物質を合成し、元素分布、X線回折プロファイル、放電容量、放電レート特性、充放電サイクル特性(容量維持率)について評価した。また、実施例の対照として、化学組成やアニール条件を変えた比較例に係る正極活物質を合成し、同様に評価した。
The present invention will be specifically described below with reference to examples, but the technical scope of the present invention is not limited to these examples.
Positive electrode active materials according to the examples of the present invention were synthesized and evaluated for element distribution, X-ray diffraction profile, discharge capacity, discharge rate characteristics, and charge/discharge cycle characteristics (capacity retention rate). As a control for the examples, positive electrode active materials according to comparative examples having different chemical compositions and annealing conditions were synthesized and similarly evaluated.
[実施例1]
はじめに、原料として、炭酸リチウム、水酸化ニッケル、炭酸コバルト、炭酸マンガン、酸化チタンを用意し、各原料を金属元素のモル比でLi:Ni:Co:Mn:Tiが、1.03:0.85:0.03:0.10:0.02となるように秤量し、固形分比が50質量%となるように純水を加えた。そして、粉砕機で湿式粉砕(湿式混合)して平均粒径が0.2μm未満となるよう原料スラリーを調製した。(混合工程S10)。
続いて、得られた原料スラリーをノズル式のスプレードライヤー(大川原化工機社製、ODL-20型)で噴霧乾燥させて平均粒径が3μm以上50μm以下の造粒体を得た(造粒工程S20)。噴霧圧は0.13MPa、噴霧量は260g/minである。そして、乾燥させた造粒体を熱処理してリチウム遷移金属複合酸化物を焼成した(焼成工程S30)。具体的には、造粒体を、連続搬送炉で、大気雰囲気下、400℃で5時間にわたって熱処理して第1前駆体を得た(第1熱処理工程S31)。そして、第1前駆体を、酸素ガス雰囲気に置換した焼成炉で、酸素気流中、700℃で20時間にわたって熱処理して第2前駆体を得た(第2熱処理工程S32)。その後、第2前駆体を、酸素ガス雰囲気に置換した焼成炉で、酸素気流中、820℃で10時間にわたって熱処理(本焼成)した(第3熱処理工程S33)。その後、5℃/分で740℃まで降温して740℃で4時間保持し、740℃から700℃の降温速度を5℃/分となるように調整し、800℃から700℃の温度帯での保持時間を4.3時間となるようにして、リチウム遷移金属複合酸化物を得た(アニール処理)。焼成によって得られた焼成粉は、目開き45μmの篩を用いて分級し、篩下の粉体を試料の正極活物質とした。
[Example 1]
First, lithium carbonate, nickel hydroxide, cobalt carbonate, manganese carbonate, and titanium oxide were prepared as raw materials, and each raw material was weighed so that the molar ratio of metal elements was Li:Ni:Co:Mn:Ti was 1.03:0.85:0.03:0.10:0.02, and pure water was added so that the solid content ratio was 50 mass%. Then, the raw materials were wet-pulverized (wet-mixed) in a pulverizer to prepare a raw material slurry with an average particle size of less than 0.2 μm (mixing step S10).
The obtained raw material slurry was then spray-dried using a nozzle-type spray dryer (Okawahara Chemical Engineering Co., Ltd., ODL-20 type) to obtain granules with an average particle size of 3 μm to 50 μm (granulation step S20). The spray pressure was 0.13 MPa, and the spray amount was 260 g/min. The dried granules were then heat-treated to calcinate the lithium transition metal composite oxide (calcination step S30). Specifically, the granules were heat-treated in a continuous conveying furnace under an air atmosphere at 400° C. for 5 hours to obtain a first precursor (first heat treatment step S31). The first precursor was then heat-treated in a calcination furnace with an oxygen gas atmosphere replaced in an oxygen stream at 700° C. for 20 hours to obtain a second precursor (second heat treatment step S32). Thereafter, the second precursor was heat-treated (main calcination) at 820°C for 10 hours in an oxygen gas flow in a calcination furnace replaced with an oxygen gas atmosphere (third heat treatment step S33). Then, the temperature was lowered to 740°C at 5°C/min and held at 740°C for 4 hours, and the temperature drop rate from 740°C to 700°C was adjusted to 5°C/min, and the holding time in the temperature range from 800°C to 700°C was set to 4.3 hours to obtain a lithium transition metal composite oxide (annealing treatment). The calcined powder obtained by calcination was classified using a sieve with an opening of 45 μm, and the powder under the sieve was used as the positive electrode active material of the sample.
[実施例2]
アニール処理における740℃での保持時間を20時間として、800℃から700℃の温度帯での保持時間を20.3時間とした以外は、実施例1と同様にして正極活物質を得た。
[Example 2]
A positive electrode active material was obtained in the same manner as in Example 1, except that the holding time at 740° C. in the annealing treatment was 20 hours and the holding time in the temperature range from 800° C. to 700° C. was 20.3 hours.
[実施例3]
原料のモル比をLi:Ni:Co:Mn:Ti=1.03:0.80:0.15:0.04:0.01のモル比となるように秤量し、本焼成温度を800℃とした以外は、実施例1と同様にして正極活物質を得た。
[Example 3]
A positive electrode active material was obtained in the same manner as in Example 1, except that the raw materials were weighed out so that the molar ratio was Li:Ni:Co:Mn:Ti=1.03:0.80:0.15:0.04:0.01 and the firing temperature was 800° C.
[実施例4]
原料のモル比をLi:Ni:Co:Mn:Ti=1.03:0.90:0.03:0.04:0.03のモル比となるように秤量し、本焼成温度を840℃とした以外は、実施例1と同様にして正極活物質を得た。
[Example 4]
A positive electrode active material was obtained in the same manner as in Example 1, except that the raw materials were weighed out so that the molar ratio was Li:Ni:Co:Mn:Ti=1.03:0.90:0.03:0.04:0.03 and the firing temperature was 840° C.
[実施例5]
アニール処理において5℃/分で710℃まで降温して710℃で4時間保持し、710℃から700℃の降温速度を5℃/分となるように調整し、800℃から700℃の温度帯での保持時間を4.3時間となるようにした以外は、実施例1と同様にして正極活物質を得た。
[Example 5]
A positive electrode active material was obtained in the same manner as in Example 1, except that in the annealing treatment, the temperature was decreased to 710° C. at 5° C./min and then held at 710° C. for 4 hours, the temperature decrease rate from 710° C. to 700° C. was adjusted to 5° C./min, and the holding time in the temperature range from 800° C. to 700° C. was set to 4.3 hours.
[比較例1]
アニール処理において740℃で保持せず、5℃/分で700℃まで降温し、800℃から700℃の温度帯での保持時間を0.3時間となるようにした以外は、実施例1と同様にして正極活物質を得た。
[Comparative Example 1]
A positive electrode active material was obtained in the same manner as in Example 1, except that in the annealing treatment, the temperature was not maintained at 740° C., but was decreased to 700° C. at a rate of 5° C./min, and the holding time in the temperature range from 800° C. to 700° C. was 0.3 hours.
[比較例2]
アニール処理において740℃で0.7時間保持し、800℃から700℃の温度帯での保持時間を1.0時間となるようにした以外は、実施例1と同様にして正極活物質を得た。
[Comparative Example 2]
A positive electrode active material was obtained in the same manner as in Example 1, except that in the annealing treatment, the temperature was held at 740° C. for 0.7 hour and the holding time in the temperature range from 800° C. to 700° C. was set to 1.0 hour.
[比較例3]
アニール処理において740℃で保持せず、5℃/分で700℃まで降温し、800℃から700℃の温度帯での保持時間を0.3時間となるようにした以外は、実施例3と同様にして正極活物質を得た。
[Comparative Example 3]
A positive electrode active material was obtained in the same manner as in Example 3, except that in the annealing treatment, the temperature was not maintained at 740° C., but was decreased to 700° C. at a rate of 5° C./min, and the holding time in the temperature range from 800° C. to 700° C. was 0.3 hours.
[比較例4]
アニール処理において740℃で保持せず、5℃/分で700℃まで降温し、800℃から700℃の温度帯での保持時間を0.3時間となるようにした以外は、実施例4と同様にして正極活物質を得た。
[Comparative Example 4]
A positive electrode active material was obtained in the same manner as in Example 4, except that in the annealing treatment, the temperature was not maintained at 740° C., but was decreased to 700° C. at a rate of 5° C./min, and the holding time in the temperature range from 800° C. to 700° C. was 0.3 hours.
[比較例5]
原料に酸化チタンを使用せず、原料のモル比をLi:Ni:Co:Mn=1.03:0.60:0.20:0.20のモル比となるように秤量し、本焼成温度を900℃とした以外は、比較例1と同様にして正極活物質を得た。
[Comparative Example 5]
A positive electrode active material was obtained in the same manner as in Comparative Example 1, except that no titanium oxide was used as a raw material, the raw materials were weighed out so that the molar ratio of Li:Ni:Co:Mn was 1.03:0.60:0.20:0.20, and the firing temperature was 900° C.
(正極活物質の化学組成、比表面積の測定)
合成した正極活物質の化学組成を、ICP-AES発光分光分析装置「OPTIMA8300」(パーキンエルマー社製)を使用して、高周波誘導結合プラズマ発光分光分析によって分析した。その結果、実施例1~6に係る正極活物質、比較例1~5に係る正極活物質は、いずれも、リチウムのみが仕込みと異なる、表2に示すとおりの化学組成であった。また、正極活物質の比表面積を、自動比表面積測定装置「BELCAT」(日本ベル社製)を使用してBET法により求めた。その結果を表2に示す。
(Measurement of chemical composition and specific surface area of positive electrode active material)
The chemical composition of the synthesized positive electrode active material was analyzed by high-frequency inductively coupled plasma atomic emission spectrometry using an ICP-AES optical emission spectrometer "OPTIMA 8300" (manufactured by PerkinElmer). As a result, the positive electrode active materials according to Examples 1 to 6 and the positive electrode active materials according to Comparative Examples 1 to 5 all had chemical compositions as shown in Table 2, in which only lithium was different from the charged amount. In addition, the specific surface area of the positive electrode active material was determined by the BET method using an automatic specific surface area measuring device "BELCAT" (manufactured by BEL JAPAN). The results are shown in Table 2.
(元素濃度分布)
合成した正極活物質の元素Xの濃度分布は次の手順で測定した。はじめに、作製した正極活物質の粉末を集束イオン/電子ビーム加工観察装置「nano DUET NB5000」(日立ハイテクノロジーズ製)を使用して加速電圧:30kV(サンプリング)、10kV(仕上げ)の条件でFIB加工して薄片化した。次に、走査透過型電子顕微鏡「JEM-ARM200F」(日本電子製)を使用してSTEM観察して、二次粒子内部の一次粒子界面を特定した。そして、エネルギーフィルター「GIF-Quantum」(Gatan製)を使用して一次粒子の界面近傍から一次粒子の中央部方向へ深さ50nmまでEELSスペクトルを測定してXを含む各元素の濃度分布を求めた。さらに、エネルギー分散型X線分析装置「JED-2300T」(日本電子製)を用いて、二次粒子内部の一次粒子界面のXの濃度A0、二次粒子内部の一次粒子界面から深さ1nmのXの濃度A1と、一次粒子中央部のXの濃度A2を測定した。測定箇所は3ヶ所とし、平均値を用いた。その結果、実施例1~6に係る正極活物質、比較例1~4に係る正極活物質は、いずれも、表3に示すA0、A1、A2を有することが確認された。また、二次粒子表面の一次粒子についても、同様の測定を行い、二次粒子表面のX濃度B0、二次粒子表面から深さ1nmのX濃度B1、二次粒子表面の一次粒子中央部のX濃度B2を測定した。その結果、実施例1~6に係る正極活物質、比較例1~4に係る正極活物質は、いずれも、表3に示すB0、B1、B2を有することが確認された。
(Elemental concentration distribution)
The concentration distribution of element X in the synthesized positive electrode active material was measured by the following procedure. First, the powder of the prepared positive electrode active material was processed by FIB processing under the conditions of acceleration voltage: 30 kV (sampling) and 10 kV (finishing) using a focused ion/electron beam processing and observation device "nano DUET NB5000" (manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation) to form a thin slice. Next, a scanning transmission electron microscope "JEM-ARM200F" (manufactured by JEOL Ltd.) was used for STEM observation to identify the primary particle interface inside the secondary particle. Then, an energy filter "GIF-Quantum" (manufactured by Gatan) was used to measure the EELS spectrum from the vicinity of the interface of the primary particle to a depth of 50 nm toward the center of the primary particle to obtain the concentration distribution of each element including X. Furthermore, using an energy dispersive X-ray analyzer "JED-2300T" (manufactured by JEOL), the concentration A0 of X at the interface of the primary particles inside the secondary particles, the concentration A1 of X at a depth of 1 nm from the interface of the primary particles inside the secondary particles, and the concentration A2 of X at the center of the primary particles were measured. The measurement points were three, and the average value was used. As a result, it was confirmed that the positive electrode active materials according to Examples 1 to 6 and the positive electrode active materials according to Comparative Examples 1 to 4 all had the A0, A1, and A2 shown in Table 3. In addition, the same measurement was performed on the primary particles on the secondary particle surface, and the X concentration B0 on the secondary particle surface, the X concentration B1 at a depth of 1 nm from the secondary particle surface, and the X concentration B2 at the center of the primary particles on the secondary particle surface were measured. As a result, it was confirmed that the positive electrode active materials according to Examples 1 to 6 and the positive electrode active materials according to Comparative Examples 1 to 4 all had the B0, B1, and B2 shown in Table 3.
二次粒子内部の一次粒子界面におけるSTEM-EELS分析を実施した。図4に比較例1、図5に実施例2の分析位置のSTEM像を示す。また、図6には比較例1、図7には実施例2について、二次粒子内部の一次粒子界面を跨るように測定したSTEM-EELS分析でのNiおよびTiの強度プロファイルを示す。図6の比較例1では、STEM像の一次粒子同士の粒界において、正極活物質の主成分であるNiの強度がスパイク状に低下しており、ほぼ同じ位置でTiの強度がスパイク状に高くなっている。このことから、Tiが一次粒子同士の粒界に偏析していることがわかる。一方、図7の実施例2ではNiの強度がスパイク状に低下している一次粒子同士の粒界よりも1~2nm程度広い範囲において、矩形状にTiの強度が高くなっている。このことから、実施例2ではアニール処理により、Tiは正極活物質の結晶内へ1~2nm程度固溶したことがわかる。
上記のようにアニール処理により、元素Xの濃度分布は変化する。アニール処理条件における800℃から700℃の温度帯での保持時間が4.3~20.3時間であった実施例1~6では、A0/A1の値は1.1~3.0となっており、一方で、アニール処理条件における800℃から700の温度帯での保持時間が0.3~1.0時間であった比較例1~4では、A0/A1の値は3.7~4.0であった。
STEM-EELS analysis was carried out at the primary particle interface inside the secondary particles. FIG. 4 shows the STEM image of Comparative Example 1, and FIG. 5 shows the STEM image of the analysis position of Example 2. FIG. 6 shows the intensity profile of Ni and Ti in the STEM-EELS analysis measured across the primary particle interface inside the secondary particles for Comparative Example 1 and Example 2, respectively. In Comparative Example 1 of FIG. 6, the intensity of Ni, which is the main component of the positive electrode active material, drops in a spike-like manner at the grain boundary between the primary particles in the STEM image, and the intensity of Ti increases in a spike-like manner at approximately the same position. This shows that Ti is segregated at the grain boundary between the primary particles. On the other hand, in Example 2 of FIG. 7, the intensity of Ti increases in a rectangular shape in a range about 1 to 2 nm wider than the grain boundary between the primary particles where the intensity of Ni drops in a spike-like manner. This shows that in Example 2, Ti is dissolved in the crystal of the positive electrode active material by about 1 to 2 nm due to the annealing treatment.
As described above, the annealing treatment changes the concentration distribution of element X. In Examples 1 to 6, in which the holding time in the temperature range of 800° C. to 700° C. was 4.3 to 20.3 hours under the annealing treatment conditions, the A0/A1 values were 1.1 to 3.0, whereas in Comparative Examples 1 to 4, in which the holding time in the temperature range of 800° C. to 700° C. was 0.3 to 1.0 hour under the annealing treatment conditions, the A0/A1 values were 3.7 to 4.0.
また、上記STEM-EELSの強度プロファイルを図8(比較例1)および図9(実施例2)のようにスムージング(Ni:細線、Ti:破線)し、スムージングされたプロファイル強度Iの位置xに対する微分値(強度変化)の絶対値|dI/dx|を算出した。その結果、位置毎の強度変化の絶対値について図10(比較例1)および図11(実施例2)に示す。図ではNi、Tiの強度変化の変曲点に相当する位置で共に2つのピークを持っており、Niについてのピーク位置をそれぞれβ1、β2、Tiについてのピーク位置をそれぞれα1、α2とする。このβ1とβ2との間が一次粒子同士の粒界であるとみなし、その間隔を|β1-β2|=L(β)と記載する。また、Tiのピークの間が高濃度領域を示しており、その間隔を|α1-α2|=L(α)と記載する。比較例1では、L(α)=2.4nmに対してL(β)=1.9nmであり、L(α)-L(β)は0.5nmと1.0nmよりも小さく、Ti濃化領域は一次粒子同士の粒界とほぼ一致することが分かる。なお、図10の31~33nm位置のNiピークのようにピークトップがスプリットしてピーク位置が不明確な場合はスプリットした部分を含むピーク全体の中央をピーク位置としている。これに対して、図11の実施例2では、L(α)=4.3nmに対してL(β)=2.4nmであり、L(α)-L(β)は1.9nmであることから、Ti濃化領域は粒界だけでなく1.9nm程度だけ粒界を挟んで両側の一次粒子の内部側に広がっていることが分かる。即ち、Tiが結晶内部へ固溶している。 The STEM-EELS intensity profile was smoothed (Ni: thin line, Ti: dashed line) as shown in FIG. 8 (Comparative Example 1) and FIG. 9 (Example 2), and the absolute value |dI/dx| of the differential value (intensity change) of the smoothed profile intensity I with respect to position x was calculated. As a result, the absolute value of the intensity change for each position is shown in FIG. 10 (Comparative Example 1) and FIG. 11 (Example 2). In the figure, Ni and Ti have two peaks at positions corresponding to the inflection points of the intensity change, and the peak positions for Ni are β1 and β2, respectively, and the peak positions for Ti are α1 and α2, respectively. The area between β1 and β2 is considered to be the grain boundary between primary particles, and the interval is described as |β1-β2|=L(β). The area between the Ti peaks indicates a high concentration region, and the interval is described as |α1-α2|=L(α). In Comparative Example 1, L(α)=2.4 nm and L(β)=1.9 nm, and L(α)-L(β) is 0.5 nm, which is smaller than 1.0 nm, and it can be seen that the Ti-enriched region almost coincides with the grain boundary between the primary particles. Note that when the peak top is split and the peak position is unclear, such as the Ni peak at 31-33 nm in Figure 10, the peak position is the center of the entire peak including the split part. In contrast, in Example 2 in Figure 11, L(α)=4.3 nm and L(β)=2.4 nm, and L(α)-L(β) is 1.9 nm, so it can be seen that the Ti-enriched region is not only at the grain boundary but also extends to the inside of the primary particles on both sides of the grain boundary by about 1.9 nm. In other words, Ti is dissolved inside the crystal.
比較例1と実施例2の電極性能を比較すると(表3参照)、実施例2は容量維持率が高くサイクル耐性に優れている。比較例1と実施例2の組成は同一であるため、実施例2の良好なサイクル耐性は上述のL(α)-L(β)が1.0nm以上であることに起因していると考える。一次粒子表面に濃化したTiは最表面に露出するNi量を低減し、これによって充放電サイクルに伴う電解液の分解反応を抑制したり、電解液に溶出するNiイオンを抑制していると考えられる。その結果、電池内部の分解副生成物の生成を抑制するだけでなく正極活物質の劣化を抑制するため、サイクル耐性が改善された(作用効果A)。実施例2ではアニール処理を施すことによって、粒界に偏析していたTiを1.9nm程度まで粒界を挟んだ両側の一次粒子内部に固溶させることができ、各一次粒子表層にTi濃化層を十分形成させて作用効果Aを増強できたと推定される。 Comparing the electrode performance of Comparative Example 1 and Example 2 (see Table 3), Example 2 has a high capacity retention rate and excellent cycle resistance. Since the compositions of Comparative Example 1 and Example 2 are the same, it is believed that the good cycle resistance of Example 2 is due to the above-mentioned L (α) - L (β) being 1.0 nm or more. It is believed that the Ti concentrated on the primary particle surface reduces the amount of Ni exposed on the outermost surface, thereby suppressing the decomposition reaction of the electrolyte accompanying the charge-discharge cycle and suppressing Ni ions eluted into the electrolyte. As a result, not only the generation of decomposition by-products inside the battery is suppressed, but also the deterioration of the positive electrode active material is suppressed, improving the cycle resistance (effect A). In Example 2, by performing annealing treatment, Ti segregated at the grain boundary can be dissolved into the inside of the primary particles on both sides of the grain boundary to about 1.9 nm, and it is presumed that the effect A can be enhanced by sufficiently forming a Ti-concentrated layer on the surface layer of each primary particle.
(放電容量、レート特性、容量維持率、抵抗上昇率)
合成した正極活物質を正極の材料として用いてリチウムイオン二次電池を作製し、リチウムイオン二次電池の放電容量、容量維持率、レート特性、抵抗上昇率を求めた。はじめに、作製した正極活物質と、炭素系の導電材と、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)に予め溶解させた結着剤とを質量比で94:4.5:1.5となるように混合した。そして、均一に混合した正極合剤スラリーを、厚さ20μmのアルミニウム箔の正極集電体上に、塗布量が16mg/cm2となるように塗布した。次いで、正極集電体に塗布された正極合剤スラリーを120℃で熱処理し、溶媒を留去することによって正極合剤層を形成した。その後、正極合剤層を熱プレスで加圧成形し、2.5cm×4.1cmに打ち抜いて正極とした。
(Discharge capacity, rate characteristics, capacity retention rate, resistance increase rate)
A lithium ion secondary battery was prepared using the synthesized positive electrode active material as a positive electrode material, and the discharge capacity, capacity retention rate, rate characteristics, and resistance increase rate of the lithium ion secondary battery were obtained. First, the prepared positive electrode active material, a carbon-based conductive material, and a binder dissolved in advance in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) were mixed in a mass ratio of 94:4.5:1.5. Then, the uniformly mixed positive electrode mixture slurry was applied to a positive electrode current collector of aluminum foil having a thickness of 20 μm so that the coating amount was 16 mg/cm 2. Next, the positive electrode mixture slurry applied to the positive electrode current collector was heat-treated at 120 ° C., and the solvent was distilled off to form a positive electrode mixture layer. Thereafter, the positive electrode mixture layer was pressurized by a hot press and punched into 2.5 cm x 4.1 cm to form a positive electrode.
続いて、作製した正極と負極とセパレータを用いて、リチウムイオン二次電池を作製した。負極は以下のように作製した。黒鉛系負極活物質とカルボキシルメチルセルロースとスチレンブタジエンゴムとが質量比で98:1:1となるように混合し純水を溶媒としたスラリーを作製し、厚さ10μmの銅箔の負極集電体上に塗布量が10mg/cm2となるように塗布した。負極集電体に塗布された正極合剤スラリーを100℃で熱処理し、溶媒を留去することによって負極合剤層を形成した。その後、負極合剤層を熱プレスで加圧成形し、2.7cm×4.2cmに打ち抜いて正極とした。
セパレータとしては、厚さ30μmのポリプロピレン製の多孔質セパレータを用いた。正極と負極とをセパレータを介して非水電解液中で対向させて、リチウムイオン二次電池を組み付けた。
非水電解液としては、体積比が3:7となるようにエチレンカーボネートとジメチルカーボネートとを混合した溶媒に、1.0mol/LとなるようにLiPF6を溶解させ、さらにビニレンカーボネートを1質量%溶解させた溶液を用いた。
Next, a lithium ion secondary battery was produced using the produced positive electrode, negative electrode and separator. The negative electrode was produced as follows. A graphite-based negative electrode active material, carboxyl methyl cellulose and styrene butadiene rubber were mixed in a mass ratio of 98:1:1 to produce a slurry using pure water as a solvent, and the slurry was applied to a negative electrode collector of copper foil having a thickness of 10 μm in an amount of 10 mg/cm 2. The positive electrode mixture slurry applied to the negative electrode collector was heat-treated at 100° C., and the solvent was distilled off to form a negative electrode mixture layer. The negative electrode mixture layer was then pressure-molded by a hot press and punched into a size of 2.7 cm×4.2 cm to form a positive electrode.
The separator used was a 30 μm thick porous polypropylene separator. The positive electrode and the negative electrode were opposed to each other in the non-aqueous electrolyte via the separator, and a lithium ion secondary battery was assembled.
The nonaqueous electrolyte used was a solution in which LiPF6 was dissolved at 1.0 mol/L in a solvent in which ethylene carbonate and dimethyl carbonate were mixed at a volume ratio of 3:7, and further vinylene carbonate was dissolved at 1 mass %.
正極材、セパレータ、負極材と重ね、アルミラミネートの袋に挿入し、非水電解液を注入後、真空中で熱シールし、リチウムイオン二次電池とした。
作製したリチウムイオン二次電池を、25℃の環境下で、正極合剤の重量基準で40A/kg、上限電圧4.2Vの定電流/定電圧で充電した。そして、正極合剤の重量基準で40A/kgの定電流で下限電圧2.5Vまで放電し、放電容量(初期容量)を測定した。
The positive electrode material, separator, and negative electrode material were layered, inserted into an aluminum laminate bag, and a non-aqueous electrolyte was injected, followed by heat sealing in a vacuum to complete a lithium ion secondary battery.
The fabricated lithium ion secondary battery was charged in an environment of 25° C. at a constant current/constant voltage of 40 A/kg based on the weight of the positive electrode mixture and an upper limit voltage of 4.2 V. Then, the battery was discharged at a constant current of 40 A/kg based on the weight of the positive electrode mixture to a lower limit voltage of 2.5 V, and the discharge capacity (initial capacity) was measured.
続いて、初期容量を測定したリチウム二次電池を、25℃の環境下で、正極合剤の重量基準で40A/kg、上限電圧4.2Vの定電流/定電圧で充電した後、正極合剤の重量基準で40または600A/kgの定電流で、下限電圧2.5Vまで放電した。40A/kgに対する600A/kgの放電容量の比を放電レート特性として算出した。 The lithium secondary battery whose initial capacity had been measured was then charged in an environment of 25°C at a constant current/constant voltage of 40 A/kg based on the weight of the positive electrode mixture and an upper limit voltage of 4.2 V, and then discharged to a lower limit voltage of 2.5 V at a constant current of 40 or 600 A/kg based on the weight of the positive electrode mixture. The ratio of the discharge capacity of 600 A/kg to that of 40 A/kg was calculated as the discharge rate characteristic.
次に、50℃の環境下で、正極合剤の重量基準で200A/kg、上限電圧4.2Vの定電流で充電した。そして、正極合剤の重量基準で200A/kgの定電流で下限電位2.5Vまで放電するサイクルを計100サイクル行い、100サイクル後の放電容量を測定した。初期容量に対する100サイクル後の放電容量の分率を容量維持率として計算した。その結果を表3に併せて示す。 Next, the battery was charged at a constant current of 200 A/kg based on the weight of the positive electrode mixture and an upper limit voltage of 4.2 V in an environment of 50°C. Then, the battery was discharged at a constant current of 200 A/kg based on the weight of the positive electrode mixture to a lower limit potential of 2.5 V for a total of 100 cycles, and the discharge capacity after 100 cycles was measured. The ratio of the discharge capacity after 100 cycles to the initial capacity was calculated as the capacity retention rate. The results are also shown in Table 3.
表3に示すように、実施例1~5は、800℃から700℃の温度帯での保持時間が4.3時間~20.3時間であるため、一次粒子表面から内部への固溶が進んでおり、この場合のA0/A1は1.1~3.0と3.5以下となっていることが分かる。また、B0/B1については1.1~2.0と2.5以下となっている。そして、これらの実施例1~5においては、180Ah/kg以上の高容量、85%以上の容量維持率、85%以上の放電レート特性を兼ね備えた電極特性が得られている。 As shown in Table 3, in Examples 1 to 5, the holding time in the temperature range of 800°C to 700°C was 4.3 hours to 20.3 hours, so solid solution progressed from the primary particle surface to the inside, and in this case A0/A1 was 1.1 to 3.0, or 3.5 or less. Also, B0/B1 was 1.1 to 2.0, or 2.5 or less. And in these Examples 1 to 5, electrode characteristics were obtained that combined a high capacity of 180 Ah/kg or more, a capacity retention rate of 85% or more, and a discharge rate characteristic of 85% or more.
一方、比較例1~4は、降温過程で800℃から700℃の温度帯での保持時間が0.3時間~1.0時間と短いため、一次粒子表面から内部への固溶が不十分であり、A0/A1は3.7~4.0と3.5以上となっている。また、B0/B1については2.7~3.1と2.5以上となっている。このため、容量維持率が80%未満と低かった。
なお、比較例5は、Ni比率60%と低いため、元素Xが無添加であっても、85%以上の容量維持率、85%以上の放電レート特性が得られた。しかし、Ni比率が低いため、180Ah/kg以上の高容量が得られなかった。
On the other hand, in Comparative Examples 1 to 4, the holding time in the temperature range from 800°C to 700°C during the temperature drop process was short, from 0.3 hours to 1.0 hours, so solid dissolution from the primary particle surface to the inside was insufficient, and A0/A1 was 3.7 to 4.0, which was 3.5 or more. In addition, B0/B1 was 2.7 to 3.1, which was 2.5 or more. As a result, the capacity retention rate was low, less than 80%.
In Comparative Example 5, since the Ni ratio was as low as 60%, a capacity retention rate of 85% or more and a discharge rate characteristic of 85% or more were obtained even without the addition of element X. However, since the Ni ratio was low, a high capacity of 180 Ah/kg or more could not be obtained.
Ni比率の高い正極活物質では、結晶からNiOライクな結晶へ転移が表面付近から内部へ進行していくことで、容量低下や抵抗上昇を起こすことが知られている。本発明では、結晶内部へ元素Xが固溶し表面付近の結晶のNi濃度を下げ、かつ、元素Xの結晶安定化の効果で、50℃における高い容量維持率が得られたと考えられる。また、元素Xが固溶することで、二次粒子表面や一次粒子同士の粒界に存在する元素Xの濃化層と正極材結晶の間の密着性が増し、温度変化や充放電に伴う体積変化によって生じる応力で剥離しづらくなり、電解液との反応が抑制されたことも考えられる。
また、結晶内部へ固溶した高濃度領域が1~2nm程度と非常に薄いため、高いレート特性や高容量が維持されたと考えられる。
It is known that in a positive electrode active material with a high Ni ratio, the transition from crystals to NiO-like crystals progresses from near the surface to the inside, causing a decrease in capacity and an increase in resistance. In the present invention, it is believed that the element X is dissolved in the crystal interior, lowering the Ni concentration of the crystal near the surface, and the high capacity retention rate at 50°C is obtained due to the effect of stabilizing the crystal of the element X. In addition, it is believed that the solid solution of the element X increases the adhesion between the concentrated layer of element X present on the secondary particle surface or the grain boundary between primary particles and the positive electrode material crystal, making it difficult to peel off due to stress caused by temperature change or volume change accompanying charge and discharge, and suppressing the reaction with the electrolyte.
In addition, it is believed that the high-concentration region that is dissolved inside the crystal is very thin, about 1 to 2 nm, which is why high rate characteristics and high capacity were maintained.
100 リチウムイオン二次電池
101 電池缶
102 電池蓋
103 正極リード片
104 負極リード片
105 絶縁板
106 シール材
110 捲回電極群
111 正極
111a 正極集電体
111b 正極合剤層
112 負極
112a 負極集電体
112b 負極合剤層
113 セパレータ
REFERENCE SIGNS LIST 100 Lithium ion secondary battery 101 Battery can 102 Battery cover 103 Positive electrode lead piece 104 Negative electrode lead piece 105 Insulating plate 106 Sealing material 110 Wound electrode group 111 Positive electrode 111a Positive electrode current collector 111b Positive electrode mixture layer 112 Negative electrode 112a Negative electrode current collector 112b Negative electrode mixture layer 113 Separator
Claims (8)
Li1+aNibCocMdXeO2+α ・・・(1)
[但し、組成式(1)において、Mは、Al及びMnから選ばれる少なくとも1種を表し、XはTiを表し、-0.1≦a≦0.1、0.8≦b<1.0、0≦c≦0.3、0≦d<0.2、0<e<0.05、b+c+d+e=1、-0.2<α<0.2を満たす数である。]で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を含むリチウムイオン二次電池用正極活物質であって、
前記正極活物質は一次粒子が複数個凝集して構成される二次粒子を含み、
前記二次粒子の内部にある一次粒子同士の界面におけるXの原子濃度A0と、
前記二次粒子の内部にある一次粒子同士の界面から深さ1nmにおけるXの原子濃度A1と、
前記二次粒子の内部にある一次粒子の中央部におけるXの原子濃度A2とが、
A0>A1>A2であり、かつ、
前記一次粒子の界面を跨った領域のNiおよびXの元素分布において、Niの濃度勾配の変曲点に相当する位置β1とβ2の間隔|β1―β2|=L(β)を粒界とみなし、それに対してXの濃度勾配の変曲点に相当する位置α1とα2がそれぞれ一次粒子内部側にあり、その距離を|α1―α2|=L(α)としたとき、1nm≦L(α)-L(β)≦3nmであることを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極活物質。 The following composition formula (1):
Li 1+a Ni b Co c M d X e O 2+α ...(1)
[wherein, in composition formula (1), M represents at least one selected from Al and Mn, X represents Ti , and is a number that satisfies −0.1≦a≦0.1, 0.8≦b<1.0, 0≦c≦0.3, 0≦d<0.2, 0<e<0.05, b+c+d+e=1, and −0.2<α<0.2],
The positive electrode active material includes secondary particles formed by agglomeration of a plurality of primary particles,
an atomic concentration A0 of X at an interface between primary particles inside the secondary particle; and
an atomic concentration A1 of X at a depth of 1 nm from an interface between primary particles inside the secondary particle;
the atomic concentration A2 of X at the center of the primary particle inside the secondary particle;
A0>A1>A2, and
In the element distribution of Ni and X in a region spanning the interface of the primary particle, the distance |β1-β2|=L(β) between positions β1 and β2 corresponding to the inflection point of the Ni concentration gradient is regarded as a grain boundary, and positions α1 and α2 corresponding to the inflection point of the X concentration gradient are located inside the primary particle, respectively, and the distance therebetween is |α1-α2|=L(α). This positive electrode active material for a lithium ion secondary battery is characterized in that 1 nm≦L(α)-L(β)≦3 nm.
Li1+aNibCocMdXeO2+α ・・・(1)
[但し、組成式(1)において、Mは、Al及びMnから選ばれる少なくとも1種を表し、XはTiを表し、-0.1≦a≦0.1、0.8≦b<1.0、0≦c≦0.3、0≦d<0.2、0<e<0.05、b+c+d+e=1、-0.2<α<0.2を満たす数である。]で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を含むリチウムイオン二次電池用正極活物質であって、
前記正極活物質は一次粒子が複数個凝集して構成される二次粒子を含み、
前記二次粒子の内部にある一次粒子同士の界面におけるXの原子濃度A0と、
前記二次粒子の内部にある一次粒子同士の界面から深さ1nmにおけるXの原子濃度A1と、
前記二次粒子の内部にある一次粒子の中央部におけるXの原子濃度A2とが、
A1×3.5>A0>A1>A2であることを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極活物質。 The following composition formula (1):
Li 1+a Ni b Co c M d X e O 2+α ...(1)
[wherein, in composition formula (1), M represents at least one selected from Al and Mn, X represents Ti , and is a number that satisfies −0.1≦a≦0.1, 0.8≦b<1.0, 0≦c≦0.3, 0≦d<0.2, 0<e<0.05, b+c+d+e=1, and −0.2<α<0.2],
The positive electrode active material includes secondary particles formed by agglomeration of a plurality of primary particles,
an atomic concentration A0 of X at an interface between primary particles inside the secondary particle; and
an atomic concentration A1 of X at a depth of 1 nm from an interface between primary particles inside the secondary particle;
the atomic concentration A2 of X at the center of the primary particle inside the secondary particle;
A positive electrode active material for a lithium ion secondary battery, characterized in that A1×3.5>A0>A1>A2.
前記二次粒子の表面にある一次粒子の表面から深さ1nmにおけるXの原子濃度B1と、
前記二次粒子の表面にある一次粒子の中央部におけるXの原子濃度B2とが、
B1×2.5>B0>B1>B2であることを特徴とする請求項2に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質。 A concentration B0 of X on the surface of the primary particle on the surface of the secondary particle;
an atomic concentration B1 of X at a depth of 1 nm from the surface of the primary particle on the surface of the secondary particle;
the atomic concentration B2 of X at the center of the primary particle on the surface of the secondary particle;
3. The positive electrode active material for a lithium ion secondary battery according to claim 2, wherein B1×2.5>B0>B1>B2.
Li1+aNibCocMdXeO2+α ・・・(1)
[但し、組成式(1)において、Mは、Al及びMnから選ばれる少なくとも1種を表し、XはTiを表し、-0.9<a<0.1、0.8≦b<1.0、0≦c≦0.3、0≦d<0.2、0<e<0.05、b+c+d+e=1、-0.2<α<0.2を満たす数である。]で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を含むリチウムイオン二次電池用正極活物質を含有する正極を備えるリチウムイオン二次電池であって、
前記正極活物質は一次粒子が複数個凝集して構成される二次粒子を含み、
前記二次粒子の内部にある一次粒子同士の界面におけるXの原子濃度A0と、
前記二次粒子の内部にある一次粒子同士の界面から深さ1nmにおけるXの原子濃度A1と、
前記二次粒子の内部にある一次粒子の中央部におけるXの原子濃度A2とが、
A0>A1>A2であり、かつ、
前記一次粒子の界面を跨った領域のNiおよびXの元素分布において、Niの濃度勾配の変曲点に相当する位置β1とβ2の間隔|β1―β2|=L(β)を粒界とみなし、それに対してXの濃度勾配の変曲点に相当する位置α1とα2がそれぞれ一次粒子内部側にあり、その距離を|α1―α2|=L(α)としたとき、1nm≦L(α)-L(β)≦3nmであることを特徴とするリチウムイオン二次電池。 The following composition formula (1):
Li 1+a Ni b Co c M d X e O 2+α ...(1)
[wherein, in composition formula (1), M represents at least one selected from Al and Mn, X represents Ti , and is a number that satisfies −0.9<a<0.1, 0.8≦b<1.0, 0≦c≦0.3, 0≦d<0.2, 0<e<0.05, b+c+d+e=1, −0.2<α<0.2],
The positive electrode active material includes secondary particles formed by agglomeration of a plurality of primary particles,
an atomic concentration A0 of X at an interface between primary particles inside the secondary particle; and
an atomic concentration A1 of X at a depth of 1 nm from an interface between primary particles inside the secondary particle;
the atomic concentration A2 of X at the center of the primary particle inside the secondary particle;
A0>A1>A2, and
In the element distribution of Ni and X in a region spanning the interface of the primary particle, the distance |β1-β2|=L(β) between positions β1 and β2 corresponding to the inflection point of the Ni concentration gradient is regarded as a grain boundary, and positions α1 and α2 corresponding to the inflection point of the X concentration gradient are located inside the primary particle, respectively, and the distance therebetween is |α1-α2|=L(α). This lithium ion secondary battery is characterized in that 1 nm≦L(α)-L(β)≦3 nm.
Li1+aNibCocMdXeO2+α ・・・(1)
[但し、組成式(1)において、Mは、Al及びMnから選ばれる少なくとも1種を表し、XはTiを表し、-0.9<a<0.1、0.8≦b<1.0、0≦c≦0.3、0≦d<0.2、0<e<0.05、b+c+d+e=1、-0.2<α<0.2を満たす数である。]で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を含むリチウムイオン二次電池用正極活物質を含有する正極を備えるリチウムイオン二次電池であって、
前記正極活物質は一次粒子が複数個凝集して構成される二次粒子を含み、
前記二次粒子の内部にある一次粒子同士の界面におけるXの原子濃度A0と、
前記二次粒子の内部にある一次粒子同士の界面から深さ1nmにおけるXの原子濃度A1と、
前記二次粒子の内部にある一次粒子の中央部におけるXの原子濃度A2とが、
A1×3.5>A0>A1>A2であることを特徴とするリチウムイオン二次電池。 The following composition formula (1):
Li 1+a Ni b Co c M d X e O 2+α ...(1)
[wherein, in composition formula (1), M represents at least one selected from Al and Mn, X represents Ti , and is a number that satisfies −0.9<a<0.1, 0.8≦b<1.0, 0≦c≦0.3, 0≦d<0.2, 0<e<0.05, b+c+d+e=1, −0.2<α<0.2],
The positive electrode active material includes secondary particles formed by agglomeration of a plurality of primary particles,
an atomic concentration A0 of X at an interface between primary particles inside the secondary particle; and
an atomic concentration A1 of X at a depth of 1 nm from an interface between primary particles inside the secondary particle;
the atomic concentration A2 of X at the center of the primary particle inside the secondary particle;
A lithium ion secondary battery, characterized in that A1×3.5>A0>A1>A2.
Li1+aNibCocMdXeO2+α ・・・(1)
[但し、組成式(1)において、Mは、Al及びMnから選ばれる少なくとも1種を表し、XはTiを表し、-0.1≦a≦0.1、0.8≦b<1.0、0≦c≦0.3、0≦d<0.2、0<e<0.05、b+c+d+e=1、-0.2<α<0.2を満たす数である。]で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を含むリチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法であって、
前記組成式(1)中のLi、Ni、Co、M、Xの金属元素を含む化合物を混合して、混合物を得る混合工程と、
前記混合物を焼成して組成式(1)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を得る焼成工程と、を有し、
前記焼成工程は、750℃以上900℃以下で保持される段階を含み、
その後に最高温度から降温し700℃以上800℃以下の温度帯に1.5時間以上保持されるアニール処理の段階を含み、
前記リチウム遷移金属複合酸化物を含むリチウムイオン二次電池用正極活物質は、一次粒子が複数個凝集して構成される二次粒子を含み、
前記二次粒子の内部にある一次粒子同士の界面におけるXの原子濃度A0と、
前記二次粒子の内部にある一次粒子同士の界面から深さ1nmにおけるXの原子濃度A1と、
前記二次粒子の内部にある一次粒子の中央部におけるXの原子濃度A2とが、
A0>A1>A2であり、かつ、
前記一次粒子の界面を跨った領域のNiおよびXの元素分布において、Niの濃度勾配の変曲点に相当する位置β1とβ2の間隔|β1―β2|=L(β)を粒界とみなし、それに対してXの濃度勾配の変曲点に相当する位置α1とα2がそれぞれ一次粒子内部側にあり、その距離を|α1―α2|=L(α)としたとき、1nm≦L(α)-L(β)≦3nmであることを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法。
The following composition formula (1):
Li 1+a Ni b Co c M d X e O 2+α ...(1)
[wherein, in composition formula (1), M represents at least one selected from Al and Mn, X represents Ti , and is a number that satisfies −0.1≦a≦0.1, 0.8≦b<1.0, 0≦c≦0.3, 0≦d<0.2, 0<e<0.05, b+c+d+e=1, and −0.2<α<0.2],
A mixing step of mixing compounds containing the metal elements Li, Ni, Co, M, and X in the composition formula (1) to obtain a mixture;
A calcination step of calcining the mixture to obtain a lithium transition metal composite oxide represented by composition formula (1),
The firing step includes a step of maintaining the temperature at 750° C. or more and 900° C. or less,
Then, the temperature is lowered from the maximum temperature and the annealing step is held in a temperature range of 700° C. to 800° C. for 1.5 hours or more.
The positive electrode active material for a lithium ion secondary battery containing the lithium transition metal composite oxide contains secondary particles formed by agglomeration of a plurality of primary particles,
an atomic concentration A0 of X at an interface between primary particles inside the secondary particle; and
an atomic concentration A1 of X at a depth of 1 nm from an interface between primary particles inside the secondary particle;
the atomic concentration A2 of X at the center of the primary particle inside the secondary particle;
A0>A1>A2, and
In the element distribution of Ni and X in a region spanning the interface of the primary particle, a distance |β1-β2|=L(β) between positions β1 and β2 corresponding to an inflection point of the concentration gradient of Ni is regarded as a grain boundary, and positions α1 and α2 corresponding to an inflection point of the concentration gradient of X are located inside the primary particle, respectively, and the distance therebetween is |α1-α2|=L(α). When this distance is expressed as 1 nm≦L(α)-L(β)≦3 nm, the method for producing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery is characterized in that:
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