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JP4882135B2 - Positive electrode material for lithium secondary battery, positive electrode for lithium secondary battery, and lithium secondary battery - Google Patents
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JP4882135B2 - Positive electrode material for lithium secondary battery, positive electrode for lithium secondary battery, and lithium secondary battery - Google Patents

Positive electrode material for lithium secondary battery, positive electrode for lithium secondary battery, and lithium secondary battery Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はリチウム二次電池用正極材料に関し、更にはそれを使用した正極及びリチウム二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
負極活物質として金属リチウムに代わって、リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な炭素材料等を用いることにより、安全性が大幅に向上し、リチウム二次電池が実用段階に入った。
リチウム二次電池の正極活物質として、LiCoO2やLiNiO2、LiMn24などのリチウム遷移金属複合酸化物が実用段階に入った。特に、LiMn24などのリチウムマンガン酸化物からなるマンガン系正極活物質は、成分となるマンガンがコバルトやニッケルに比較して埋蔵量が多く、安価であり、加えて過充電での安全性も高いというメリットを有している。LiCoO2等のリチウムコバルト酸化物やLiNiO2等のリチウムニッケル酸化物の場合は、実用的に十分な高温サイクル特性を有することから、この高温環境下におけるサイクル特性の低下という問題は、マンガン系の抱える特有な問題となっている。
【0003】
上記問題を克服するため、高温環境下でのサイクル特性改良を目的とした検討が精力的に行われ、報告されている。例えば、J.Electrochem.soc.,Vol.145,No.8(1998)2726-2732ではMnの一部をGaやCrのような他元素で置換したもの、Electrochemical Society Proceedings Volume97-18.494 ではMnの一部をCoで置換したり、酸素の一部をFで置換して結晶構造の安定性向上を図ったものが高温サイクル特性の改善効果があるという結果を示している。しかしこれらは負極として金属リチウムを使用した時の結果であって、炭素材料のような実用的な負極材料との組み合わせでは、十分な効果が得られていないのが実情である。
【0004】
また、マンガン系リチウム二次電池においては高温環境下でマンガンが溶出しやすいことが高温保存劣化や高温サイクル劣化の問題点として指摘されており、例えば正極活物質表面を処理したり、正極材中にMn溶出抑制効果のある物質を添加するといった検討も鋭意行われている。しかしながら、これら従来の技術では未だ高温環境下でのサイクル特性は実用レベルまで達していない。
【0005】
なお、特開平8−250120号公報には、特定のカルコゲン化物からなる被膜を粒子表面に有するリチウム−遷移金属複合酸化物が正極活物質として使用することが記載されている。しかしながら、高温サイクル特性の改善という点では不十分であった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
リチウムマンガン酸化物を正極活物質として使用したリチウム二次電池は、リチウムコバルト酸化物やリチウムニッケル酸化物を使用した場合に比較して、充放電容量が低い。そのため、できるだけ容量を引き出そうとして深充放電を繰り返すことになる。しかしながら、特にリチウムが殆ど放出された充電端のリチウムマンガン酸化物は、高温環境下において特異的に活性な状態となり、活物質自体の変質のみならず、マンガン溶出や電解液の分解、負極表面に形成された被膜の破壊等々、様々な悪影響を及ぼすものと考えられる。
【0007】
本発明は、上記のようなリチウムマンガン酸化物に特有の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、リチウムマンガン酸化物に特有な問題である高温環境下での特異的活性化状態の緩和・低減を図り、以て高温サイクル特性の改善されたリチウム二次電池を提供しようとするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、かかる課題を解決するためには、高温環境下、電池内部で安定に存在できる添加剤を用いて触媒活性の低減を図ることが必須と考え、そのような添加剤を見出すべく鋭意検討を重ねた結果、6族元素のカルコゲン化物(クロムカルコゲニド、モリブデンカルコゲニド、タングステンカルコゲニド等)を存在させることによって、高温サイクル特性が改善されることを見出し、本発明に至った。
【0009】
前記した特定金属元素のカルコゲン化物が特異的に改善効果を発揮した理由として、高温環境下での正極活物質の活性化状態の緩和・低減が図られたことに加え、電解液や負極表面に対しても、安定化剤として作用する等、何らかの形で良い影響をもたらしたためではないかと考えている。
即ち、本発明の要旨は、活物質としてリチウムマンガン酸化物を含み、6族元素のカルコゲン化物が物理混合されていることを特徴とするリチウム二次電池用正極材料に存する。
【0010】
本発明の好ましい要旨としては、6族元素が、Cr、Mo又はWである上記の正極材料;カルコゲン化物が硫化物である上記の正極材料;カルコゲン化物のリチウムマンガン酸化物に対する混合割合が0.1〜20モル%である上記の正極材料;リチウムマンガン酸化物が、マンガンサイトの一部が他元素で置換されたリチウムマンガン酸化物である上記の正極材料;マンガンサイトを置換する他元素が、Al、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mg、Ga及びZrからなる群から選ばれる少なくとも一種の金属元素である上記の正極材料が挙げられる。
【0011】
また、本発明の別の要旨として、上記の正極材料とバインダーとを有することを特徴とするリチウム二次電池用正極が挙げられ、リチウムマンガン酸化物とカルコゲン化物とが、分散して存在してなるリチウム二次電池用正極が好ましい。
更に本発明の別の要旨として、上記の正極と、負極と、電解質層とを有することを特徴とするリチウム二次電池;リチウムマンガン酸化物を活物質として用いた正極と、負極と、電化質層とを有するリチウム二次電池において、負極及び/又は電解質層に、6族元素のカルコゲン化物が含まれてなるリチウム二次電池が挙げられ、負極の活物質が炭素材料であることが好ましい。
【0012】
なお、特開平8−250120号公報には、特定のカルコゲン化物からなる被膜を粒子表面に有するリチウム−遷移金属複合酸化物が正極活物質として使用することが記載されている。しかしながら、上記公知文献はリチウムマンガン酸化物という特定の正極材料に注目したものでもなく、また、マンガン系に特有の問題を解決するものでもなく、更には、本発明で規定する6族元素のカルコゲニドを熱処理することなく物理混合しただけのものが特異的に優れた効果を示すことも記載されていない。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、好適な一実施の形態を用いて本発明を説明するが、本発明の趣旨を超えない限り、以下に限定されるものではない。
本発明において用いられる6族元素のカルコゲン化物としては、クロム、モリブデン、タングステンの硫化物、セレン化物、テルル化物を挙げることができる。具体的には、CrS、Cr78、Cr56、Cr34、Cr23、CrSe、Cr2Se3、Cr7Se8、Cr3Se4、Cr5Se8、Cr7Se12、CrTe、Cr7Te8、Cr5Te6、Cr3Te4、Cr2Te3、Cr5Te8、MoS2、Mo25、MoS3、Mo34、MoS4、MoSe、MoTe、WS2、WS3、WSe2、WTe2が挙げられる。これらの化合物は無論複数種を併用してよい。また、6A族元素のカルコゲン化物の6族元素の一部を他の元素で置換したものであっても良く、また、カルコゲン原子の一部が酸素元素等の他原子で置換されていてもよい。また、不定比なものであってもよい。なお、6族元素やカルコゲン原子を他の元素で置換する場合、置換元素は2種以上であってもよい。
【0014】
特に好ましい6族元素のカルコゲン化物としては、具体的には、Cr23、MoS2及びWS2 からなる群から選ばれる少なくとも一種を挙げることができる。また、硫黄、セレン、テルルのカルコゲン元素の中でも、資源、毒性等の点も勘案すると硫黄が最も好ましい。
6族元素のカルコゲン化物の使用量は、リチウムマンガン酸化物に対して、通常0.1モル%以上、好ましくは2モル%以上であり、また、通常20モル%以下、好ましくは10モル%以下、さらに好ましくは8モル%以下、最も好ましくは6モル%以下である。使用量が多くなると放電容量や高温サイクル特性が低下する可能性があり、逆に少なくなると高温サイクル向上効果を得難くなる可能性がある。
【0015】
6族元素のカルコゲン化物の平均粒径と比表面積は通常正極に用いる活物質の平均粒径や比表面積から大きく逸脱するものでなければ問題ないが、リチウムマンガン酸化物との接触効率を良くするため、平均粒径はリチウムマンガン酸化物の平均粒径以下であり、比表面積はリチウムマンガン酸化物の比表面積以上であるのが好ましい。
【0016】
本発明で使用する6族元素のカルコゲン化物の比表面積は、通常0.3m2/g以上、好ましくは1m2/g以上、最も好ましくは1.5m2/g以上であり、通常100m2/g以下、好ましくは50m2/g以下、最も好ましくは20m2/g以下である。比表面積が小さすぎると、十分な添加効果を示さない場合があり、比表面積が大きすぎるとそれ自体化学的に不安定になって、かえって悪影響を及ぼす恐れがある。なお、比表面積の測定はBET法に従う。
【0017】
本願発明で用いる6A族元素のカルコゲン化物の平均粒径は、通常0.05〜30μm、好ましくは0.5〜10μm、最も好ましくは1〜5μmである。平均粒径が小さすぎるとそれ自体化学的に不安定になって、かえって悪影響を及ぼす恐れがあり、大きすぎると十分な添加効果が発現しなかったり、電極作製時に問題となる場合がある。
【0018】
本発明で使用するリチウムマンガン酸化物のBET比表面積の、6族元素のカルコゲン化物のBET比表面積に対する比率は、通常0.01〜1、好ましくは0.05〜0.8、さらに好ましくは0.1〜0.5である。この比率が上記範囲を逸脱すると、所望の性能を得ることが困難になることがある。
本発明で使用するリチウムマンガン酸化物の平均粒径の6族元素のカルコゲン化物の平均粒径に対する比率は、通常1〜20、好ましくは1.5〜10、更に好ましくは2〜5である。この比率が上記範囲を逸脱すると、所望の性能を得ることが困難になることがある。
【0019】
リチウムマンガン酸化物を含む正極材料中に6族元素のカルコゲン化物を存在させるには、物理混合の採用が好ましい。本発明における物理混合とは、複数の物質を単に混ぜ合わせることを意味し、6族元素のカルコゲン化物の添加効果(高温サイクルの改善)が失われる程の化学変化を起こしてしまうような高温での熱処理等を伴わない混合を意味する。複数の物質をかき混ぜて正極材料中に6族元素のカルコゲン化物を分散させたものが好ましく、均一に分散されていることが好ましい。なお、6族元素のカルコゲン化物の添加効果(高温サイクルの改善)が失われているか否かは、実施例の欄で後述する試験例(電池評価)に従って電池評価することができ、6族元素のカルコゲン化物を添加しなかった場合(比較例1)に比べて高温サイクルの改善が認められなければ添加効果が失われていると判断される。6族元素のカルコゲン化物の添加効果が減少もしくは失われる化学変化としては、6族元素のカルコゲン化物の分解酸化反応等が考えられる。熱処理等による被覆は6族元素のカルコゲン化物が変質する可能性が高く、目的とする効果を失ってしまう恐れがある。一方、物理混合は、簡便な添加法であり、かつ変質の影響がなく、本来の効果を十分に発揮しうる点で好ましい。物理混合は、乾式混合でも湿式混合でもよい。物理混合には、乳鉢、ボールミル、ジェットミル、レディゲミキサー等を使用することができる。
【0020】
本発明において用いられるリチウムマンガン酸化物とは、活物質としてLiを可逆的に吸蔵・放出できるものであればよく、例えば一般式LiMn24、LiMnO2 を挙げることができる。本発明の効果が顕著である点で、好ましくはスピネル構造を有するリチウムマンガン酸化物(一般式LiMn24)である。これらは、少量の酸素欠損、不定比性を持っていてもよい。また、酸素サイトの一部が硫黄やハロゲン元素で置換されていてもよい。
【0021】
本発明で用いるリチウムマンガン酸化物は、マンガンサイトの一部が他の元素で置換されているのが好ましい。その結果、結晶構造の安定性を向上させることができ、これと6族元素のカルコゲン化物の物理混合を組み合わせることで相乗的に高温サイクル特性の向上を図ることができる。
この際の置換する他元素(以下、置換元素と表記する)としては、Al、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mg、Ga、Zr等が挙げられ、好ましくはAl、Cr、Fe、Co、Ni、Mg、Ga、更に好ましくはAlである。なお、マンガンサイトは2種以上の他元素で置換されていてもよい。
【0022】
置換元素による置換割合は、通常マンガンの2.5モル%以上、好ましくはMnの5モル%以上であり、通常Mnの30モル%以下、好ましくはMnの20モル%以下である。置換割合が少なすぎるとその高温サイクルの改善効果が充分ではない場合があり、多すぎると電池にした場合の容量が低下してしまう場合がある。
【0023】
リチウムマンガン酸化物は、従来公知の各種の方法にて製造することができ、例えば、リチウム、マンガン、及び必要に応じて置換元素を含有する出発原料を混合後、酸素存在下で焼成・冷却することによって製造することができる。層状構造を有するリチウムマンガン酸化物も、従来公知の各種の方法にて製造することができ、例えば、リチウム、マンガン、及び必要に応じて置換元素を含有する出発原料を混合後、還元雰囲気下で焼成・冷却することによって製造することができる。
【0024】
なお、マンガンサイトの一部が他の元素で置換されているリチウムマンガン酸化物を製造する際は、上記製造方法において置換元素を含有する出発原料を用いずマンガンサイトが置換されていないリチウムマンガン酸化物を製造し、該リチウムマンガン酸化物を、置換金属元素を含有する出発原料の水溶液、溶融塩あるいは蒸気中で反応させ、その後必要に応じて置換元素をリチウムマンガン複合酸化物粒子内に拡散させるために再度加熱処理を行うことによりマンガンサイトの一部を置換元素で置換することもできる。
【0025】
出発原料として用いられるリチウム化合物としては、Li2CO3、LiNO3、LiOH、LiOH・H2O、CH3COOLi、Li2O、ジカルボン酸Li、クエン酸Li、脂肪酸Li、アルキルリチウム、ハロゲン化物等が挙げられる。
好ましくはLiOH・H2O、ジカルボン酸Li、クエン酸Li、脂肪酸Li、Li2CO3が挙げられる。
【0026】
出発原料として用いられるマンガン化合物としては、Mn23、MnO2等のマンガン酸化物、MnCO3、Mn(NO32 、MnSO4、酢酸マンガン、ジカルボン酸マンガン、クエン酸マンガン、脂肪酸マンガン等のマンガン塩、オキシ水酸化物、水酸化物、ハロゲン化物等が挙げられる。Mn23として、MnCO3やMnO2などの化合物を熱処理して作製したものを用いてもよい。好ましくはMn23、オキシ水酸化物が挙げられる。
【0027】
置換元素の化合物としては、酸化物、水酸化物、オキシ水酸化物、硝酸塩、硫酸塩、炭酸塩、ジカルボン酸塩、脂肪酸塩、アンモニウム塩等が挙げられる。これらの出発原料は、通常湿式混合、乾式混合、ボールミル粉砕、共沈等の方法によって混合される。混合の前後、および混合中において粉砕の工程を加えてもよい。
【0028】
スピネル型リチウムマンガン酸化物の焼成・冷却の方法としては、例えば、仮焼後600〜900℃程度の温度で酸素雰囲気下で本焼を行い、次いで500℃以下程度まで10℃/min以下の速度で徐冷する方法や、仮焼後600〜900℃程度の温度で空気又は酸素雰囲気下で本焼し、次いで400℃程度の温度で酸素雰囲気下アニールする方法を挙げることができる。焼成・冷却の条件については、特開平9−306490号公報、特開平9−306493号公報、特開平9−259880号公報等に詳しく記載されている。
【0029】
層状リチウムマンガン酸化物の焼成の方法としては、例えば、窒素等の還元雰囲気中900〜1000℃程度の温度で焼成を行う方法を挙げることができる。
本発明で用いるリチウムマンガン酸化物の比表面積は、好ましくは0.3m2/g以上、より好ましくは0.5m2/g以上であり、また好ましくは1.5m2/g以下、より好ましくは1.0m2/g以下である。比表面積が小さすぎるとレート特性の低下、容量の低下を招き、大きすぎると電解液等と好ましくない反応を引き起こし、サイクル特性を低下させることがある。比表面積の測定はBET法に従う。
【0030】
本願発明で用いるリチウムマンガン酸化物の平均粒径は、通常0.1〜30μm、好ましくは0.2〜10μm、より好ましくは0.3〜5μmである。平均粒径が小さすぎると電池のサイクル劣化が大きくなったり、安全性に問題が生じたりする場合があり、大きすぎると電池の内部抵抗が大きくなり、出力が出しにくくなる場合がある。
【0031】
本発明の正極材料は、リチウム二次電池の正極に使用することができる。
本発明の正極は、上記正極材料とバインダーとを有する。好ましくは、正極は、正極集電体と、正極材料とバインダーとを含有する正極層とからなる。正極層中のリチウムマンガン酸化物と6族元素のカルコゲン化物とは、分散して存在させるのが、本発明の効果を十分に発揮しうる点で好ましい。このような正極層は、リチウムマンガン酸化物、6族元素のカルコゲン化物、後述の結着剤( バインダー) 及び必要に応じて導電剤を溶媒でスラリー化したものを正極集電体に塗布し、乾燥することにより製造することができる。スラリー調製前に、事前にリチウムマンガン酸化物と6族元素のカルコゲン化物とを物理混合しておくこともできる。
【0032】
正極中には、LiCoO2、LiNiO2、LiFeO2、LiCoPO4、LiFePO4等のように、リチウムマンガン酸化物以外のリチウムイオンを吸蔵・放出しうる活物質をさらに含有していてもよい。
正極中の活物質の割合は、通常10重量%以上、好ましくは30重量%以上、さらに好ましくは50重量%以上であり、通常99.9重量%以下、好ましくは99重量%以下である。
【0033】
また、正極に使用されるバインダーとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素化ポリフッ化ビニリデン、EPDM(エチレン−プロピレン−ジエン三元共重合体)、SBR(スチレン−ブタジエンゴム)、NBR(アクリロニトリル−ブタジエンゴム)、フッ素ゴム、ポリ酢酸ビニル、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレン、ニトロセルロース等が挙げられる。正極層中のバインダーの割合は、通常0.1重量%以上、好ましくは1重量%以上、さらに好ましくは5重量%以上であり、通常80重量%以下、好ましくは60重量%以下、さらに好ましくは40重量%以下、最も好ましくは10重量%以下である。バインダーの割合が低すぎると、活物質を十分に保持できずに正極の機械的強度が不足し、サイクル特性等の電池性能を悪化させることがあり、一方高すぎると電池容量や導電性を下げることがある。
【0034】
正極層は、通常導電性を高めるため導電剤を含有する。導電剤としては、天然黒鉛、人造黒鉛等の黒鉛や、アセチレンブラック等のカーボンブラック、ニードルコークス等の無定形炭素等の炭素材料を挙げることができる。正極中の導電剤の割合は、通常0.01重量%以上、好ましくは0.1重量%以上、さらに好ましくは1重量%以上であり、通常50重量%以下、好ましくは30重量%以下、さらに好ましくは15重量%以下である。導電剤の割合が低すぎると導電性が不十分になることがあり、逆に高すぎると電池容量が低下することがある。
【0035】
また、スラリー溶媒としては、通常はバインダーを溶解あるいは分散する有機溶剤が使用される。例えば、N−メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、アクリル酸メチル、ジエチルトリアミン、N−N−ジメチルアミノプロピルアミン、エチレンオキシド、テトラヒドロフラン等を挙げることができる。また、水に分散剤、増粘剤等を加えてSBR等のラテックスで活物質をスラリー化することもできる。
【0036】
活物質層の厚さは、通常10〜200μm程度である。
正極に使用する集電体の材質としては、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼等が用いられ、好ましくはアルミニウムである。
なお、塗布・乾燥によって得られた活物質層は、活物質の充填密度を上げるためローラープレス等により圧密されるのが好ましい。
【0037】
本発明の正極材料を用いてリチウムイオン二次電池とすることができる。本発明のリチウムイオン二次電池は、前記活物質を正極中に含有するが、通常上記正極と負極及び電解質を有する。
本発明の二次電池の負極に使用される負極の活物質としては、リチウムやリチウムアルミニウム合金合金などのリチウム合金であっても良いが、より安全性の高いリチウムを吸蔵、放出できる炭素材料が好ましい。
【0038】
前記炭素材料は特に限定されないが、黒鉛及び、石炭系コークス、石油系コークス、石炭系ピッチの炭化物、石油系ピッチの炭化物、あるいはこれらピッチを酸化処理したものの炭化物、ニードルコークス、ピッチコークス、フェノール樹脂、結晶セルロース等の炭化物等及びこれらを一部黒鉛化した炭素材、ファーネスブラック、アセチレンブラック、ピッチ系炭素繊維等が挙げられる。
【0039】
さらに、SnO、SnO2、Sn1-xxO(M=Hg、P、B、Si、GeまたはSb、ただし0≦x<1)、Sn32(OH)2 、Sn3-xx2(OH)2(M=Mg、P、B、Si、Ge、Sb又はMn、ただし0≦x<3)、LiSiO2、SiO2又はLiSnO2等を挙げることができる。
なお、これらの中から選ばれる2種以上の混合物として用いてもよい。
【0040】
負極は通常、正極の場合と同様、活物質層を集電体上に形成されてなる。この際使用するバインダーや、必要に応じて使用される導電剤やスラリー溶媒としては、正極で使用するものと同様のものを使用することができる。また、負極の集電体としては、銅、ニッケル、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼等が使用され、好ましくは銅が用いられる。
【0041】
正極と負極との間にセパレーターを使用する場合は、微多孔性の高分子フィルムが用いられ、ナイロン、セルロースアセテート、ニトロセルロース、ポリスルホン、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリブテン等のポリオレフィン高分子よりなるものが用いられる。セパレータの化学的及び電気化学的安定性は重要な因子である。この点からポリオレフィン系高分子が好ましく、電池セパレータの目的の一つである自己閉塞温度の点からポリエチレン製であることが望ましい。
【0042】
ポリエチレンセパレーターの場合、高温形状維持性の点から超高分子量ポリエチレンであることが好ましく、その分子量の下限は好ましくは50万、さらに好ましくは100万、最も好ましくは150万である。他方分子量の上限は、好ましくは500万、更に好ましくは400万、最も好ましくは300万である。分子量が大きすぎると、流動性が低すぎて加熱された時セパレーターの孔が閉塞しない場合があるからである。
【0043】
また、本発明のリチウム二次電池における電解質には、例えば公知の有機電解液、高分子固体電解質、ゲル状電解質、無機固体電解質等を用いることができるが、中でも有機電解液が好ましい。有機電解液は、有機溶媒と溶質から構成される。
有機溶媒としては特に限定されるものではないが、例えばカーボネート類、エーテル類、ケトン類、スルホラン系化合物、ラクトン類、ニトリル類、塩素化炭化水素類、エーテル類、アミン類、エステル類、アミド類、リン酸エステル化合物等を使用することができる。これらの代表的なものを列挙すると、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、4−メチル−2−ペンタノン、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、γ−ブチロラクトン、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、プロピオニトリル、ベンゾニトリル、ブチロニトリル、バレロニトリル、1,2−ジクロロエタン、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、リン酸トリメチル、リン酸トリエチル等の単独もしくは二種類以上の混合溶媒が使用できる。
【0044】
上述の有機溶媒には、電解質を解離させるために高誘電率溶媒が含まれることが好ましい。ここで、高誘電率溶媒とは、25℃における比誘電率が20以上の化合物を意味する。高誘電率溶媒の中で、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート及びそれらの水素原子をハロゲン等の他の元素又はアルキル基等で置換した化合物が電解液中に含まれることが好ましい。高誘電率化合物の、電解液に占める割合は、好ましくは20重量%以上、更に好ましくは30重量%以上、最も好ましくは40重量%以上である。該化合物の含有量が少ないと、所望の電池特性が得られない場合があるからである。
【0045】
またこの溶媒に溶解させる溶質として特に限定されるものではないが、従来公知のいずれもが使用でき、LiClO4、LiAsF6、LiPF6、LiBF4、LiB(C654 、LiCl、LiBr、CH3SO3Li、CF3SO3Li、LiN(SO2CF32、LiN(SO2252、LiC(SO2CF33、LiN(SO3CF32等が挙げられ、これらのうち少なくとも1種以上のものを用いることができる。また、CO2 、 N2O、CO、SO2 等のガスやポリサルファイドSx 2-など負極表面にリチウムイオンの効率よい充放電を可能にする良好な皮膜を生成する添加剤を任意の割合で上記単独又は混合溶媒に添加してもよい。
【0046】
高分子固体電解質を使用する場合にも、この高分子に公知のものを用いることができ、特にリチウムイオンに対するイオン導電性の高い高分子を使用することが好ましく、例えば、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリエチレンイミン等が好ましく使用され、またこの高分子に対して上記の溶質と共に、上記の溶媒を加えてゲル状電解質として使用することも可能である。
【0047】
無機固体電解質を使用する場合にも、この無機物に公知の結晶質、非晶質固体電解質を用いることができる。結晶質の固体電解質としては例えば、LiI、Li3N、Li1+xxTi2-x(PO43(M=Al,Sc,Y,La)、Li0.5-3xRE0.5+xTiO3(RE=La,Pr,Nd,Sm)等が挙げられ、非晶質の固体電解質としては例えば、4.9 LiI−34.1Li2O−61B25,33.3Li2O−66.7SiO2 等の酸化物ガラスや0.45LiI−0.37Li2S−0.26B23,0.30LiI−0.42Li2S−0.28SiS2等の硫化物ガラス等が挙げられる。これらのうち少なくとも1種以上のものを用いることができる。
【0048】
以下実施例によって本発明の方法をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらにより何ら制限されるものではない。
【0049】
【実施例】
実施例1
Li1.04Mn1.85Al0.114なる、Mnサイトの一部がLiとAlで置換された立方晶スピネル構造を有するリチウムマンガン酸化物を使用し、これにMoS2を、リチウムマンガン酸化物に対して1モル%の割合で添加混合したものを正極材料として用いた。なお、ここで用いたリチウムマンガン酸化物のBET比表面積は0.9m2/g、5分間の超音波分散後レーザー回折式粒度分布測定から求めたメジアン径は7.4μmであった。また、MoS2のBET比表面積は0.7m2/g、5分間の超音波分散後、レーザー回折式粒度分布測定から求めたメジアン径は23.1μmであった。
【0050】
実施例2
実施例1と同様のリチウムマンガン酸化物を使用し、これにWS2をリチウムマンガン酸化物に対して1モル%の割合で添加混合したものを正極材料として用いた。なお、ここで用いたWS2のBET比表面積は1.8m2/g、5分間の超音波分散後、レーザー回折式粒度分布測定から求めたメジアン径は9.4μmであった。
【0051】
実施例3
実施例1と同様のリチウムマンガン酸化物を使用し、これにCr23をリチウムマンガン酸化物に対して1モル%の割合で添加混合したものを正極材料として用いた。なお、ここで用いたCr23のBET比表面積は2.0m2/g、5分間の超音波分散後、レーザー回折式粒度分布測定から求めたメジアン径は18.6μmであった。
【0052】
比較例1
実施例1と同様のリチウムマンガン酸化物を、そのまま正極材料とした。即ち、6族元素のカルコゲン化物を使用しなかった。
比較例2
6族元素のカルコゲン化物としてMoS2をリチウムマンガン酸化物に対して1モル%の割合で添加混合し、650℃で10時間熱処理したものを用いたこと以外実施例1と同様にして正極材料を得た。
【0053】
比較例3
カルコゲン化物としてTiS2をリチウムマンガン酸化物に対して5モル%用いたこと以外実施例1と同様にして正極材料を得た。
参考例1
組成LiNi1.8Co0.15Al0.052なるリチウムニッケル酸化物を正極材料として用いた。
【0054】
試験例(電池評価)
以下の方法で本発明の実施例、比較例及び参考例の電池評価を行った。
1. 正極の作成と容量確認
正極材料を75重量% 、アセチレンブラックを20重量%、ポリテトラフロロエチレンパウダーを5重量%の割合で秤量したものを乳鉢で十分混合し、薄くシート状にし、9mmφ、12mmφのポンチで打ち抜いた。この際全体重量は各々約8mmg、約18mgになるように調整した。これをAlのエキスパンドメタルに圧着して正極とした。
【0055】
次に、正極の容量を確認した。
即ち、9mmφに打ち抜いた前記正極を試験極、Li金属を対極として電池セルを組んだ。この電池セルに0.5mA/cm2の定電流充電すなわち、正極からリチウムイオンを放出させる反応を上限4.35Vで行い、ついで0.5mA/cm2の定電流放電すなわち正極にリチウムイオンを吸蔵させる試験を下限3.2Vで行った。この際の正極活物質単位重量当たりの初期充電容量をQs(C)(mAh/g) 、初期放電容量をQs(D)(mAh/g)とした。なお、正極活物質にリチウムニッケル酸化物を用いた参考例の場合の正極の容量評価は、上限電圧を4.2Vとした。
【0056】
2. 負極の作成と容量確認
負極活物質としての平均粒径約8〜10μm の黒鉛粉末(d002=3.35Å)と、バインダーとしてのポリフッ化ビニリデンとを重量比で92.5:7.5の割合で秤量し、これをN−メチルピロリドン溶液中で混合し、負極合剤スラリーとした。このスラリーを20μm厚さの銅箔の片面に塗布し、乾燥して溶媒を蒸発させた後、12mmφに打ち抜き、0.5ton/cm2でプレス処理をしたものを負極とした。
【0057】
なお、この負極を試験極、Li金属を対極として電池セルを組み、0.2mA/cm2の定電流で負極にLiイオンを吸蔵させる試験を下限0Vで行った際の負極活物質単位重量当たりの初期吸蔵容量をQf(mAh/g)とした。
3. 電池セルの組立
コイン型セルを使用して、電池性能を評価した。即ち、正極缶の上に12mmφに打ち抜いた前記正極を置き、その上にセパレータとして25μmの多孔性ポリエチレンフィルムを置き、ポリプロピレン製ガスケットで押さえた後、前記負極を置き、厚み調整用のスペーサーを置いた後、非水電解液溶液として、1モル/リットルの六フッ化リン酸リチウム( LiPF6)を溶解させたエチレンカーボネート( EC) とジエチルカーボネート( DEC) との体積分率3:7の混合溶媒を用い、これを電池内に加えて充分しみ込ませた後、負極缶を載せ電池を封口した。
【0058】
なお、この時、正極活物質の重量と負極活物質重量のバランスは、ほぼ
【0059】
【数1】
正極活物質量〔g〕/負極活物質量〔g〕=(Qf/1.2)/Qs(C)
となるよう設定した。
4. 試験方法
この様に得られた電池の高温特性を比較するため、電池の1時間率電流値、即ち1Cを
【0060】
【数2】
1C[mA]=Qs(D)×正極活物質量〔g〕
と設定し、以下の試験を行った。
まず室温で定電流0.2C充放電2サイクルおよび定電流1C充放電1サイクルを行い、次に50℃の高温で定電流0.2C充放電1サイクル、ついで定電流1C充放電100サイクルの試験を行った。なお充電上限は4.2V(ただし、リチウムニッケル酸化物を用いた参考例の正極の評価の場合には上限電圧4.1V)、下限電圧は3.0Vとした。
【0061】
この時50℃での1C充放電100サイクル試験における1サイクル目放電容量Qh(1)に対する、100サイクル目の放電容量Qh(100)の割合を高温サイクル容量維持率P、即ち、
【0062】
【数3】
P〔%〕={Qh(100)/Qh(1)}×100
とし、この値で電池の高温特性を比較した。
実施例、比較例及び参考例における、50℃での1C充放電100サイクル試験での初期放電容量、及び高温サイクル容量維持率Pを表−1に示す。
【0063】
【表1】

Figure 0004882135
また、実施例1乃至3、並びに比較例1及び2における、50℃サイクル試験でのサイクル−放電容量相関図を図1に示す。
実施例1と比較例1乃至2とを比較すると、二硫化モリブデンを添加混合のみすることによって高温でのサイクル特性が向上することが分かる。また、実施例1乃至3と比較例3とを比較すると、同じ硫化物であっても、本発明のカルコゲニドが特異的に良好な高温サイクル特性を示すことが分かる。更に、比較例1と比較例2を比較すると、比較例2は6族元素のカルコゲン化物の添加効果(高温サイクルの改善)が失われていることがわかる。これは熱処理により6族元素のカルコゲン化物が分解リチウム遷移金属酸化物と反応するなどして効果を発揮し難い化合物へと変質してしまったためと考えられる。これらのことは、特開平8−250120号公報に記載された様々なカルコゲン化物の中から特定のものだけが優れた高温サイクル特性を示していること、特開平8−250120号公報に記載の方法では高温サイクルの改善は達成できないことを示している。
【0064】
さらにまた、参考例1を見ると、リチウムニッケル酸化物を活物質として用いた場合には、そもそも高い放電容量と良好な高温サイクル特性とを示しており、従って、リチウムニッケル酸化物を用いた場合にはそもそも高温サイクル特性を向上させる動機付けそのものが少ないことが分かる。このことは、リチウムマンガン酸化物とリチウムニッケル酸化物とを全くの同列に扱っている特開平8−250120号公報においては、高温サイクル特性を向上させることは注目されておらず、従って、リチウムマンガン酸化物の特有の問題たる高温サイクル特性の問題を解決する手段を全く示唆していないことを示している。
【0065】
【発明の効果】
本発明により、容量やレート特性、サイクル特性に優れ、安全性や生産性に優れた電池に使用できる正極材料を提供することができる。特に、リチウムマンガン酸化物を活物質に用いた場合に特有の問題である高温でのサイクル特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 サイクル−放電容量相関図[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a positive electrode material for a lithium secondary battery, and further relates to a positive electrode and a lithium secondary battery using the positive electrode material.
[0002]
[Prior art]
By using a carbon material or the like capable of occluding and releasing lithium ions instead of metallic lithium as the negative electrode active material, the safety has been greatly improved, and the lithium secondary battery has entered the practical stage.
LiCoO as a positive electrode active material for lithium secondary batteries2And LiNiO2, LiMn2OFourLithium transition metal complex oxides such as have entered the practical stage. In particular, LiMn2OFourThe manganese-based positive electrode active material made of lithium manganese oxide has the advantage that the component manganese is more reserve than cobalt and nickel, is inexpensive, and has high safety in overcharging. is doing. LiCoO2Lithium cobalt oxide such as LiNiO2Since lithium nickel oxides such as these have practically sufficient high-temperature cycle characteristics, the problem of deterioration of the cycle characteristics in a high-temperature environment is a particular problem of manganese.
[0003]
In order to overcome the above problems, studies aimed at improving cycle characteristics in a high temperature environment have been vigorously conducted and reported. For example, in J. Electrochem. Soc., Vol. 145, No. 8 (1998) 2726-2732, a part of Mn is substituted with other elements such as Ga and Cr, and in Electrochemical Society Proceedings Volume 97-18.494, Mn The result of improving the stability of the crystal structure by substituting partly with Co or substituting part of oxygen with F has the effect of improving the high-temperature cycle characteristics. However, these are the results when metallic lithium is used as the negative electrode, and the actual situation is that a sufficient effect is not obtained in combination with a practical negative electrode material such as a carbon material.
[0004]
In addition, manganese-based lithium secondary batteries have been pointed out as a problem of high-temperature storage deterioration and high-temperature cycle deterioration because manganese is likely to elute in a high-temperature environment. In addition, studies have been made to add a substance having an effect of suppressing Mn elution to the material. However, in these conventional techniques, the cycle characteristics under a high temperature environment have not yet reached a practical level.
[0005]
JP-A-8-250120 describes that a lithium-transition metal composite oxide having a coating made of a specific chalcogenide on the particle surface is used as a positive electrode active material. However, it was insufficient in terms of improving the high-temperature cycle characteristics.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
A lithium secondary battery using lithium manganese oxide as a positive electrode active material has a lower charge / discharge capacity than when lithium cobalt oxide or lithium nickel oxide is used. Therefore, deep charge / discharge is repeated in order to draw out the capacity as much as possible. However, especially the lithium manganese oxide at the charging end from which almost all lithium has been released becomes specifically active in a high temperature environment, not only the alteration of the active material itself, but also the elution of manganese, the decomposition of the electrolyte, and the negative electrode surface. It is considered to have various adverse effects such as destruction of the formed film.
[0007]
The present invention was made to solve the above-mentioned problems peculiar to lithium manganese oxide, and its purpose is specific activation under a high temperature environment, which is a problem peculiar to lithium manganese oxide. An object of the present invention is to provide a lithium secondary battery with improved high-temperature cycle characteristics by reducing or reducing the state.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve such a problem, the present inventors consider that it is essential to reduce the catalytic activity using an additive that can stably exist inside the battery in a high-temperature environment, and find such an additive. As a result of intensive studies, it has been found that the presence of chalcogenides of group 6 elements (chromium chalcogenide, molybdenum chalcogenide, tungsten chalcogenide, etc.) improves the high-temperature cycle characteristics, leading to the present invention.
[0009]
The reason why the chalcogenide of the specific metal element described above has specifically improved the effect is that the activation state of the positive electrode active material in a high-temperature environment is relaxed and reduced, and the electrolyte solution and the negative electrode surface On the other hand, I think that it may have caused some kind of positive effect, such as acting as a stabilizer.
That is, the gist of the present invention resides in a positive electrode material for a lithium secondary battery, characterized in that it contains lithium manganese oxide as an active material and is physically mixed with a chalcogenide of a group 6 element.
[0010]
As a preferable gist of the present invention, the positive electrode material in which the Group 6 element is Cr, Mo or W; the positive electrode material in which the chalcogenide is sulfide; the mixing ratio of the chalcogenide to lithium manganese oxide is 0. 1 to 20 mol% of the above positive electrode material; the lithium manganese oxide is a lithium manganese oxide in which a part of the manganese site is replaced with another element; the other element replacing the manganese site is Examples of the positive electrode material include at least one metal element selected from the group consisting of Al, Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mg, Ga, and Zr.
[0011]
Further, another gist of the present invention is a positive electrode for a lithium secondary battery characterized by having the positive electrode material and a binder, wherein the lithium manganese oxide and the chalcogenide are present in a dispersed state. A positive electrode for a lithium secondary battery is preferable.
Furthermore, as another gist of the present invention, a lithium secondary battery comprising the above positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte layer; a positive electrode using lithium manganese oxide as an active material, a negative electrode, and an electrolyte In the lithium secondary battery having a layer, a lithium secondary battery in which a chalcogenide of a Group 6 element is included in the negative electrode and / or the electrolyte layer is used, and the active material of the negative electrode is preferably a carbon material.
[0012]
JP-A-8-250120 describes that a lithium-transition metal composite oxide having a coating made of a specific chalcogenide on the particle surface is used as a positive electrode active material. However, the above-mentioned known document does not focus on a specific positive electrode material called lithium manganese oxide, does not solve the problems peculiar to manganese, and further, chalcogenide of group 6 element defined in the present invention. It is also not described that a material obtained by physical mixing without heat treatment exhibits a particularly excellent effect.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, although this invention is demonstrated using suitable one Embodiment, unless it exceeds the meaning of this invention, it is not limited to the following.
Examples of chalcogenides of group 6 elements used in the present invention include chromium, molybdenum, tungsten sulfides, selenides, and tellurides. Specifically, CrS, Cr7S8, CrFiveS6, CrThreeSFour, Cr2SThree, CrSe, Cr2SeThree, Cr7Se8, CrThreeSeFour, CrFiveSe8, Cr7Se12, CrTe, Cr7Te8, CrFiveTe6, CrThreeTeFour, Cr2TeThree, CrFiveTe8, MoS2, Mo2SFive, MoSThree, MoThreeSFour, MoSFour, MoSe, MoTe, WS2, WSThree, WSe2, WTe2Is mentioned. Of course, these compounds may be used in combination. Further, a part of the group 6 element of the chalcogenide of the group 6A element may be substituted with another element, and a part of the chalcogen atom may be substituted with another atom such as an oxygen element. . Further, it may be non-stoichiometric. In addition, when substituting a group 6 element or a chalcogen atom with another element, 2 or more types of substitution elements may be sufficient.
[0014]
As a particularly preferred group 6 element chalcogenide, specifically, Cr2SThree, MoS2And WS2 And at least one selected from the group consisting of: Of the chalcogen elements such as sulfur, selenium and tellurium, sulfur is most preferable in consideration of resources, toxicity and the like.
The amount of group 6 element chalcogenide used is usually 0.1 mol% or more, preferably 2 mol% or more, and usually 20 mol% or less, preferably 10 mol% or less based on lithium manganese oxide. More preferably, it is 8 mol% or less, and most preferably 6 mol% or less. If the amount used is increased, the discharge capacity and the high-temperature cycle characteristics may be reduced. If the amount used is decreased, the effect of improving the high-temperature cycle may be difficult to obtain.
[0015]
The average particle size and specific surface area of the chalcogenide of the group 6 element is not a problem as long as it does not greatly deviate from the average particle size and specific surface area of the active material usually used for the positive electrode, but the contact efficiency with the lithium manganese oxide is improved. Therefore, it is preferable that the average particle size is not more than the average particle size of the lithium manganese oxide and the specific surface area is not less than the specific surface area of the lithium manganese oxide.
[0016]
The specific surface area of the chalcogenide of group 6 element used in the present invention is usually 0.3 m.2/ G or more, preferably 1 m2/ G or more, most preferably 1.5 m2/ G or more, usually 100m2/ G or less, preferably 50 m2/ G or less, most preferably 20 m2/ G or less. If the specific surface area is too small, there may be a case where a sufficient addition effect may not be exhibited. If the specific surface area is too large, the specific surface area may become chemically unstable and adversely affect. The specific surface area is measured according to the BET method.
[0017]
The average particle size of the chalcogenide of the 6A group element used in the present invention is usually 0.05 to 30 μm, preferably 0.5 to 10 μm, and most preferably 1 to 5 μm. If the average particle size is too small, it may become chemically unstable per se, which may adversely affect it. If it is too large, a sufficient additive effect may not be exhibited, or a problem may occur during electrode preparation.
[0018]
The ratio of the BET specific surface area of the lithium manganese oxide used in the present invention to the BET specific surface area of the chalcogenide of the group 6 element is usually 0.01 to 1, preferably 0.05 to 0.8, more preferably 0. .1 to 0.5. If this ratio deviates from the above range, it may be difficult to obtain desired performance.
The ratio of the average particle size of the lithium manganese oxide used in the present invention to the average particle size of the chalcogenide of the group 6 element is usually 1 to 20, preferably 1.5 to 10, and more preferably 2 to 5. If this ratio deviates from the above range, it may be difficult to obtain desired performance.
[0019]
In order to allow a chalcogenide of a group 6 element to exist in a positive electrode material containing lithium manganese oxide, it is preferable to employ physical mixing. The term “physical mixing” in the present invention means simply mixing a plurality of substances at a high temperature that causes a chemical change such that the effect of adding a chalcogenide of a group 6 element (improvement of high temperature cycle) is lost. This means mixing without heat treatment. A material in which a chalcogenide of a group 6 element is dispersed in a positive electrode material by mixing a plurality of substances is preferable, and it is preferable that the material is uniformly dispersed. Whether or not the effect of adding the chalcogenide of the group 6 element (improvement of the high temperature cycle) is lost can be evaluated by the battery according to the test example (battery evaluation) described later in the column of the example. If the improvement of the high temperature cycle is not observed as compared with the case where no chalcogenide is added (Comparative Example 1), it is judged that the addition effect is lost. As a chemical change in which the effect of adding a chalcogenide of a group 6 element is reduced or lost, a decomposition oxidation reaction of the chalcogenide of a group 6 element can be considered. The coating by heat treatment or the like has a high possibility that the chalcogenide of the group 6 element is altered, and there is a possibility that the intended effect may be lost. On the other hand, physical mixing is preferable because it is a simple addition method, has no influence of alteration, and can sufficiently exhibit its original effect. The physical mixing may be dry mixing or wet mixing. A mortar, a ball mill, a jet mill, a Redige mixer, etc. can be used for physical mixing.
[0020]
The lithium manganese oxide used in the present invention only needs to be capable of reversibly occluding and releasing Li as an active material. For example, the general formula LiMn2OFourLiMnO2Can be mentioned. The lithium manganese oxide having a spinel structure (general formula LiMn) is preferable in that the effect of the present invention is remarkable.2OFour). These may have a small amount of oxygen deficiency and non-stoichiometry. In addition, a part of the oxygen site may be substituted with sulfur or a halogen element.
[0021]
In the lithium manganese oxide used in the present invention, a part of the manganese site is preferably substituted with another element. As a result, the stability of the crystal structure can be improved, and by combining this with the physical mixing of chalcogenides of group 6 elements, the high-temperature cycle characteristics can be improved synergistically.
Examples of other elements to be substituted (hereinafter referred to as “substitution elements”) include Al, Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mg, Ga, and Zr, preferably Al. Cr, Fe, Co, Ni, Mg, Ga, more preferably Al. The manganese site may be substituted with two or more other elements.
[0022]
The substitution ratio with the substitution element is usually 2.5 mol% or more of manganese, preferably 5 mol% or more of Mn, and usually 30 mol% or less of Mn, preferably 20 mol% or less of Mn. If the replacement ratio is too small, the effect of improving the high-temperature cycle may not be sufficient, and if it is too large, the capacity of the battery may be reduced.
[0023]
Lithium manganese oxide can be produced by various conventionally known methods. For example, lithium, manganese and, if necessary, a starting material containing a substitution element are mixed, and then fired and cooled in the presence of oxygen. Can be manufactured. Lithium manganese oxide having a layered structure can also be produced by various conventionally known methods. For example, after mixing starting materials containing lithium, manganese, and, if necessary, a substitution element, under a reducing atmosphere It can be manufactured by firing and cooling.
[0024]
In addition, when producing a lithium manganese oxide in which a part of the manganese site is substituted with another element, the lithium manganese oxide in which the manganese site is not substituted without using the starting material containing the substitution element in the above production method. And reacting the lithium manganese oxide in an aqueous solution, molten salt or steam of a starting material containing a substituted metal element, and then diffusing the substituted element into the lithium manganese composite oxide particles as necessary. Therefore, a part of the manganese site can be replaced with a replacement element by performing heat treatment again.
[0025]
Lithium compounds used as starting materials include Li2COThree, LiNOThree, LiOH, LiOH · H2O, CHThreeCOOLi, Li2O, Licarboxylic acid Li, Citric acid Li, Fatty acid Li, Alkyllithium, Halide, etc. are mentioned.
Preferably LiOH.H2O, Licarboxylic acid Li, Citric acid Li, Fatty acid Li, Li2COThreeIs mentioned.
[0026]
As a manganese compound used as a starting material, Mn2OThree, MnO2Manganese oxides such as MnCOThree, Mn (NOThree)2 , MnSOFourAnd manganese salts such as manganese acetate, manganese dicarboxylate, manganese citrate, and manganese fatty acid, oxyhydroxides, hydroxides, halides, and the like. Mn2OThreeAs MnCOThreeAnd MnO2You may use what was produced by heat-processing such compounds. Preferably Mn2OThreeAnd oxyhydroxide.
[0027]
Examples of the substitution element compound include oxides, hydroxides, oxyhydroxides, nitrates, sulfates, carbonates, dicarboxylates, fatty acid salts, and ammonium salts. These starting materials are usually mixed by methods such as wet mixing, dry mixing, ball milling, and coprecipitation. A pulverization step may be added before and after mixing and during mixing.
[0028]
As a method for firing and cooling the spinel type lithium manganese oxide, for example, after calcination, firing is performed in an oxygen atmosphere at a temperature of about 600 to 900 ° C., and then a rate of 10 ° C./min or less to about 500 ° C. And a method of annealing at a temperature of about 600 to 900 ° C. after air calcination in air or an oxygen atmosphere, and then annealing at a temperature of about 400 ° C. in an oxygen atmosphere. The firing and cooling conditions are described in detail in JP-A-9-306490, JP-A-9-306493, JP-A-9-259880, and the like.
[0029]
Examples of the method for firing the layered lithium manganese oxide include a method of firing at a temperature of about 900 to 1000 ° C. in a reducing atmosphere such as nitrogen.
The specific surface area of the lithium manganese oxide used in the present invention is preferably 0.3 m.2/ G or more, more preferably 0.5 m2/ G or more, and preferably 1.5 m2/ G or less, more preferably 1.0 m2/ G or less. If the specific surface area is too small, the rate characteristics and capacity may be reduced. If the specific surface area is too large, an undesirable reaction with the electrolytic solution or the like may be caused, and the cycle characteristics may be deteriorated. The specific surface area is measured according to the BET method.
[0030]
The average particle diameter of the lithium manganese oxide used in the present invention is usually 0.1 to 30 μm, preferably 0.2 to 10 μm, more preferably 0.3 to 5 μm. If the average particle size is too small, the cycle deterioration of the battery may increase or a safety problem may occur. If the average particle size is too large, the internal resistance of the battery may increase and output may be difficult to output.
[0031]
The positive electrode material of the present invention can be used for a positive electrode of a lithium secondary battery.
The positive electrode of the present invention has the positive electrode material and a binder. Preferably, the positive electrode includes a positive electrode current collector and a positive electrode layer containing a positive electrode material and a binder. It is preferable that the lithium manganese oxide and the chalcogenide of the group 6 element in the positive electrode layer be dispersed and present from the viewpoint that the effects of the present invention can be sufficiently exerted. Such a positive electrode layer is obtained by applying a lithium manganese oxide, a chalcogenide of a group 6 element, a binder (binder) described later, and a slurry of a conductive agent as necessary in a solvent to a positive electrode current collector, It can be manufactured by drying. Prior to slurry preparation, lithium manganese oxide and a chalcogenide of a group 6 element can be physically mixed in advance.
[0032]
In the positive electrode, LiCoO2, LiNiO2LiFeO2, LiCoPOFourLiFePOFourAs described above, an active material capable of occluding and releasing lithium ions other than lithium manganese oxide may be further contained.
The proportion of the active material in the positive electrode is usually 10% by weight or more, preferably 30% by weight or more, more preferably 50% by weight or more, and usually 99.9% by weight or less, preferably 99% by weight or less.
[0033]
Examples of the binder used for the positive electrode include polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, fluorinated polyvinylidene fluoride, EPDM (ethylene-propylene-diene terpolymer), SBR (styrene-butadiene rubber), Examples thereof include NBR (acrylonitrile-butadiene rubber), fluororubber, polyvinyl acetate, polymethyl methacrylate, polyethylene, and nitrocellulose. The ratio of the binder in the positive electrode layer is usually 0.1% by weight or more, preferably 1% by weight or more, more preferably 5% by weight or more, and usually 80% by weight or less, preferably 60% by weight or less, more preferably It is 40% by weight or less, most preferably 10% by weight or less. If the proportion of the binder is too low, the active material cannot be sufficiently retained, and the mechanical strength of the positive electrode may be insufficient, and the battery performance such as cycle characteristics may be deteriorated. Sometimes.
[0034]
The positive electrode layer usually contains a conductive agent in order to increase conductivity. Examples of the conductive agent include graphite such as natural graphite and artificial graphite, carbon black such as acetylene black, and amorphous carbon such as needle coke. The proportion of the conductive agent in the positive electrode is usually 0.01% by weight or more, preferably 0.1% by weight or more, more preferably 1% by weight or more, and usually 50% by weight or less, preferably 30% by weight or less. Preferably it is 15 weight% or less. If the proportion of the conductive agent is too low, the conductivity may be insufficient, and conversely if it is too high, the battery capacity may be reduced.
[0035]
As the slurry solvent, an organic solvent that dissolves or disperses the binder is usually used. For example, N-methylpyrrolidone, dimethylformamide, dimethylacetamide, methyl ethyl ketone, cyclohexanone, methyl acetate, methyl acrylate, diethyltriamine, NN-dimethylaminopropylamine, ethylene oxide, tetrahydrofuran and the like can be mentioned. Moreover, a dispersing agent, a thickener, etc. can be added to water, and an active material can also be slurried with latex, such as SBR.
[0036]
The thickness of the active material layer is usually about 10 to 200 μm.
As the material of the current collector used for the positive electrode, aluminum, stainless steel, nickel-plated steel or the like is used, and preferably aluminum.
Note that the active material layer obtained by coating and drying is preferably consolidated by a roller press or the like in order to increase the packing density of the active material.
[0037]
A lithium ion secondary battery can be obtained using the positive electrode material of the present invention. The lithium ion secondary battery of the present invention contains the active material in a positive electrode, but usually has the positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte.
The negative electrode active material used for the negative electrode of the secondary battery of the present invention may be a lithium alloy such as lithium or a lithium aluminum alloy alloy, but a carbon material that can occlude and release lithium with higher safety is used. preferable.
[0038]
The carbon material is not particularly limited, but graphite, coal-based coke, petroleum-based coke, coal-based pitch carbide, petroleum-based pitch carbide, or carbide obtained by oxidizing these pitches, needle coke, pitch coke, phenol resin And carbides such as crystalline cellulose and the like, carbon materials obtained by partially graphitizing these, furnace black, acetylene black, pitch-based carbon fibers, and the like.
[0039]
In addition, SnO, SnO2, Sn1-xMxO (M = Hg, P, B, Si, Ge or Sb, where 0 ≦ x <1), SnThreeO2(OH)2 , Sn3-xMxO2(OH)2(M = Mg, P, B, Si, Ge, Sb or Mn, where 0 ≦ x <3), LiSiO2, SiO2Or LiSnO2Etc.
In addition, you may use as a 2 or more types of mixture chosen from these.
[0040]
The negative electrode is usually formed by forming an active material layer on a current collector as in the case of the positive electrode. As the binder used at this time, the conductive agent and the slurry solvent used as necessary, the same ones used for the positive electrode can be used. In addition, as the negative electrode current collector, copper, nickel, stainless steel, nickel-plated steel, or the like is used, and copper is preferably used.
[0041]
When a separator is used between the positive electrode and the negative electrode, a microporous polymer film is used, and polyolefins such as nylon, cellulose acetate, nitrocellulose, polysulfone, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, polypropylene, polyethylene, and polybutene A polymer is used. The chemical and electrochemical stability of the separator is an important factor. In this respect, a polyolefin-based polymer is preferable, and it is preferable that the polymer is made of polyethylene in view of the self-occluding temperature which is one of the purposes of the battery separator.
[0042]
In the case of a polyethylene separator, ultrahigh molecular weight polyethylene is preferable from the viewpoint of high temperature shape maintenance, and the lower limit of the molecular weight is preferably 500,000, more preferably 1,000,000, and most preferably 1.5 million. On the other hand, the upper limit of the molecular weight is preferably 5 million, more preferably 4 million, and most preferably 3 million. This is because if the molecular weight is too large, the pores of the separator may not close when heated because the fluidity is too low.
[0043]
In addition, as the electrolyte in the lithium secondary battery of the present invention, for example, known organic electrolytes, polymer solid electrolytes, gel electrolytes, inorganic solid electrolytes, and the like can be used. Among them, organic electrolytes are preferable. The organic electrolyte is composed of an organic solvent and a solute.
The organic solvent is not particularly limited. For example, carbonates, ethers, ketones, sulfolane compounds, lactones, nitriles, chlorinated hydrocarbons, ethers, amines, esters, amides. A phosphoric acid ester compound or the like can be used. Typical examples of these are dimethyl carbonate, diethyl carbonate, propylene carbonate, ethylene carbonate, vinylene carbonate, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,4-dioxane, 4-methyl-2-pentanone, 1,2- Dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, γ-butyrolactone, 1,3-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, diethyl ether, sulfolane, methylsulfolane, acetonitrile, propionitrile, benzonitrile, butyronitrile, One or two or more kinds of mixed solvents such as valeronitrile, 1,2-dichloroethane, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, trimethyl phosphate, and triethyl phosphate can be used.
[0044]
The above organic solvent preferably contains a high dielectric constant solvent in order to dissociate the electrolyte. Here, the high dielectric constant solvent means a compound having a relative dielectric constant of 20 or more at 25 ° C. Among the high dielectric constant solvents, it is preferable that the electrolyte solution contains ethylene carbonate, propylene carbonate, and compounds obtained by substituting hydrogen atoms thereof with other elements such as halogen or alkyl groups. The proportion of the high dielectric constant compound in the electrolytic solution is preferably 20% by weight or more, more preferably 30% by weight or more, and most preferably 40% by weight or more. This is because if the content of the compound is small, desired battery characteristics may not be obtained.
[0045]
Further, the solute dissolved in this solvent is not particularly limited, but any conventionally known solute can be used, and LiClO.Four, LiAsF6, LiPF6, LiBFFour, LiB (C6HFive)Four , LiCl, LiBr, CHThreeSOThreeLi, CFThreeSOThreeLi, LiN (SO2CFThree)2, LiN (SO2C2FFive)2, LiC (SO2CFThree)Three, LiN (SOThreeCFThree)2Among them, at least one of them can be used. CO2 , N2O, CO, SO2 Such as gas and polysulfide Sx 2-For example, an additive that produces a good film that enables efficient charge and discharge of lithium ions on the negative electrode surface may be added to the above-mentioned single or mixed solvent in any proportion.
[0046]
Even when a polymer solid electrolyte is used, a known polymer can be used for this polymer, and it is particularly preferable to use a polymer having high ion conductivity with respect to lithium ions. For example, polyethylene oxide, polypropylene oxide, Polyethyleneimine or the like is preferably used, and the polymer can be used as a gel electrolyte by adding the solvent to the polymer together with the solute.
[0047]
Even when an inorganic solid electrolyte is used, a known crystalline or amorphous solid electrolyte can be used for this inorganic substance. Examples of crystalline solid electrolytes include LiI, LiThreeN, Li1 + xMxTi2-x(POFour)Three(M = Al, Sc, Y, La), Li0.5-3xRE0.5 + xTiOThree(RE = La, Pr, Nd, Sm) and the like. As an amorphous solid electrolyte, for example, 4.9 LiI-34.1Li2O-61B2OFive, 33.3Li2O-66.7SiO2 Oxide glass such as 0.45LiI-0.37Li2S-0.26B2SThree, 0.30LiI-0.42Li2S-0.28SiS2And sulfide glass. Of these, at least one of them can be used.
[0048]
The method of the present invention will be described more specifically with reference to the following examples. However, the present invention is not limited to these examples.
[0049]
【Example】
Example 1
Li1.04Mn1.85Al0.11OFourLithium manganese oxide having a cubic spinel structure in which a part of the Mn site is substituted with Li and Al is used.2Was added and mixed at a ratio of 1 mol% with respect to lithium manganese oxide as a positive electrode material. The BET specific surface area of the lithium manganese oxide used here is 0.9 m.2/ G, The median diameter determined from the laser diffraction particle size distribution measurement after ultrasonic dispersion for 5 minutes was 7.4 μm. MoS2BET specific surface area of 0.7m2/ G After 5 minutes of ultrasonic dispersion, the median diameter determined from laser diffraction particle size distribution measurement was 23.1 μm.
[0050]
Example 2
The same lithium manganese oxide as in Example 1 was used, and WS2Was added and mixed in a proportion of 1 mol% with respect to lithium manganese oxide as a positive electrode material. The WS used here2BET specific surface area of 1.8m2/ G After 5 minutes of ultrasonic dispersion, the median diameter determined from laser diffraction particle size distribution measurement was 9.4 μm.
[0051]
Example 3
The same lithium manganese oxide as in Example 1 was used, and Cr2SThreeWas added and mixed in a proportion of 1 mol% with respect to lithium manganese oxide as a positive electrode material. In addition, Cr used here2SThreeBET specific surface area of 2.0m2/ G After 5 minutes of ultrasonic dispersion, the median diameter determined from laser diffraction particle size distribution measurement was 18.6 μm.
[0052]
Comparative Example 1
The same lithium manganese oxide as in Example 1 was used as the positive electrode material as it was. That is, no chalcogenide of group 6 element was used.
Comparative Example 2
MoS as chalcogenide of group 6 element2Was added and mixed at a ratio of 1 mol% with respect to lithium manganese oxide, and a positive electrode material was obtained in the same manner as in Example 1 except that a material heat-treated at 650 ° C. for 10 hours was used.
[0053]
Comparative Example 3
TiS as chalcogenide2Was used in the same manner as in Example 1 except that 5 mol% was used relative to lithium manganese oxide.
Reference example 1
Composition LiNi1.8Co0.15Al0.05O2The resulting lithium nickel oxide was used as the positive electrode material.
[0054]
Test example (battery evaluation)
The battery evaluation of the Example of this invention, the comparative example, and the reference example was performed with the following method.
1. Creation of positive electrode and capacity check
A mixture of 75% by weight of the positive electrode material, 20% by weight of acetylene black and 5% by weight of polytetrafluoroethylene powder was thoroughly mixed in a mortar, made into a thin sheet, and punched out with punches of 9 mmφ and 12 mmφ. At this time, the total weight was adjusted to about 8 mmg and about 18 mg, respectively. This was crimped to Al expanded metal to obtain a positive electrode.
[0055]
Next, the capacity of the positive electrode was confirmed.
That is, a battery cell was assembled using the positive electrode punched out to 9 mmφ as a test electrode and a Li metal as a counter electrode. 0.5mA / cm in this battery cell2Constant current charging, that is, a reaction of releasing lithium ions from the positive electrode at an upper limit of 4.35 V, and then 0.5 mA / cm2The constant current discharge, that is, the test for occluding lithium ions in the positive electrode was performed at the lower limit of 3.2V. The initial charge capacity per unit weight of the positive electrode active material at this time was Qs (C) (mAh / g), and the initial discharge capacity was Qs (D) (mAh / g). In addition, the capacity | capacitance evaluation of the positive electrode in the case of the reference example which used lithium nickel oxide for the positive electrode active material set the upper limit voltage to 4.2V.
[0056]
2. Preparation of negative electrode and capacity check
A graphite powder (d002 = 3.35 Å) having an average particle diameter of about 8 to 10 μm as a negative electrode active material and polyvinylidene fluoride as a binder were weighed at a ratio of 92.5: 7.5, and this was measured. The mixture was mixed in an N-methylpyrrolidone solution to obtain a negative electrode mixture slurry. This slurry was applied to one side of a 20 μm-thick copper foil, dried to evaporate the solvent, then punched out to 12 mmφ, 0.5 ton / cm2The negative electrode was pressed.
[0057]
A battery cell was assembled with this negative electrode as the test electrode and Li metal as the counter electrode, and 0.2 mA / cm.2Qf (mAh / g) was the initial storage capacity per unit weight of the negative electrode active material when a test for occluding Li ions in the negative electrode with a constant current of 0 V was performed at the lower limit of 0 V.
3. Battery cell assembly
Battery performance was evaluated using a coin-type cell. That is, the positive electrode punched out to 12 mmφ is placed on a positive electrode can, a 25 μm porous polyethylene film is placed thereon as a separator, pressed with a polypropylene gasket, the negative electrode is placed, and a spacer for adjusting the thickness is placed. After that, as a non-aqueous electrolyte solution, 1 mol / liter lithium hexafluorophosphate (LiPF6) Dissolved in a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) in a volume ratio of 3: 7, and this was added to the battery and sufficiently impregnated. did.
[0058]
At this time, the balance between the weight of the positive electrode active material and the weight of the negative electrode active material is almost equal.
[0059]
[Expression 1]
Positive electrode active material amount [g] / Negative electrode active material amount [g] = (Qf / 1.2) / Qs (C)
Was set to be.
4. Test method
In order to compare the high temperature characteristics of the batteries obtained in this way, the 1 hour rate current value of the batteries, ie 1C
[0060]
[Expression 2]
1C [mA] = Qs (D) × positive electrode active material amount [g]
The following tests were conducted.
First, 2 cycles of constant current 0.2C charge / discharge at room temperature and 1 cycle of constant current 1C charge / discharge, followed by 1 cycle of constant current 0.2C charge / discharge at a high temperature of 50 ° C., then 100 cycles of constant current 1C charge / discharge Went. The upper limit of charging was 4.2 V (however, in the case of evaluation of the positive electrode of the reference example using lithium nickel oxide, the upper limit voltage was 4.1 V), and the lower limit voltage was 3.0 V.
[0061]
At this time, the ratio of the discharge capacity Qh (100) at the 100th cycle to the discharge capacity Qh (100) at the 100th cycle in the 1C charge / discharge 100 cycle test at 50 ° C. is the high temperature cycle capacity maintenance rate P, that is,
[0062]
[Equation 3]
P [%] = {Qh (100) / Qh (1)} × 100
The high temperature characteristics of the batteries were compared with this value.
Table 1 shows the initial discharge capacity and the high-temperature cycle capacity maintenance rate P in the 1C charge / discharge 100-cycle test at 50 ° C. in Examples, Comparative Examples, and Reference Examples.
[0063]
[Table 1]
Figure 0004882135
In addition, FIG. 1 shows a cycle-discharge capacity correlation diagram in the 50 ° C. cycle test in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2.
Comparing Example 1 with Comparative Examples 1 and 2, it can be seen that the cycle characteristics at high temperature are improved by only adding and mixing molybdenum disulfide. Further, when Examples 1 to 3 and Comparative Example 3 are compared, it can be seen that the chalcogenide of the present invention exhibits a particularly good high temperature cycle characteristic even with the same sulfide. Further, comparing Comparative Example 1 and Comparative Example 2, it can be seen that Comparative Example 2 loses the effect of adding a chalcogenide of a Group 6 element (improvement of high temperature cycle). This is presumably because the chalcogenide of the group 6 element has been transformed into a compound that hardly exerts its effect due to the reaction with the decomposed lithium transition metal oxide. These facts show that only a specific one of various chalcogenides described in JP-A-8-250120 exhibits excellent high-temperature cycle characteristics, and the method described in JP-A-8-250120. Shows that an improvement in the high temperature cycle cannot be achieved.
[0064]
Furthermore, in Reference Example 1, when lithium nickel oxide is used as the active material, it shows a high discharge capacity and good high-temperature cycle characteristics in the first place. Therefore, when lithium nickel oxide is used. In the first place, it can be seen that there is little motivation to improve the high-temperature cycle characteristics. In Japanese Patent Laid-Open No. 8-250120, which deals with lithium manganese oxide and lithium nickel oxide in exactly the same line, no attention has been paid to improving the high-temperature cycle characteristics. This indicates that there is no suggestion of any means for solving the problem of high-temperature cycle characteristics, which is a characteristic problem of oxides.
[0065]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide a positive electrode material that is excellent in capacity, rate characteristics, and cycle characteristics, and that can be used for a battery that is excellent in safety and productivity. In particular, it is possible to improve the cycle characteristics at high temperature, which is a particular problem when lithium manganese oxide is used as the active material.
[Brief description of the drawings]
Fig. 1 Cycle-discharge capacity correlation diagram

Claims (8)

正極材料、バインダーおよび炭素材料を含有するリチウム二次電池用正極に用いる正極材料であって、活物質としてマンガンサイトの一部が他元素で置換されたリチウムマンガン酸化物を含み、6族元素のカルコゲン化物が、リチウムマンガン酸化物に対する混合割合が0.1〜6モル%以下で物理混合されていることを特徴とするリチウム二次電池用正極材料。A positive electrode material used for a positive electrode for a lithium secondary battery containing a positive electrode material, a binder, and a carbon material, comprising a lithium manganese oxide in which a part of a manganese site is substituted with another element as an active material, A cathode material for a lithium secondary battery, wherein the chalcogenide is physically mixed at a mixing ratio of 0.1 to 6 mol% or less with respect to the lithium manganese oxide. 6族元素が、Cr、Mo又はWである請求項1に記載の正極材料。 The positive electrode material according to claim 1, wherein the Group 6 element is Cr, Mo, or W. カルコゲン化物が硫化物である請求項1又は2に記載の正極材料。 The positive electrode material according to claim 1, wherein the chalcogenide is a sulfide. マンガンサイトを置換する他元素が、Al、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mg、Ga及びZrからなる群から選ばれる少なくとも一種の金属元素である請求項1〜3のいずれかに記載の正極材料。Another element substituting manganese site, Al, Ti, V, Cr , Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mg, claim 1 is at least one metal element selected from the group consisting of Ga and Zr The positive electrode material according to any one of the above. 請求項1乃至のいずれか1つの正極材料、バインダーおよび炭素材料を含有することを特徴とするリチウム二次電池用正極。A positive electrode for a lithium secondary battery comprising the positive electrode material according to any one of claims 1 to 4 , a binder, and a carbon material. リチウムマンガン酸化物とカルコゲン化物とが、分散して存在してなる請求項に記載のリチウム二次電池用正極。The positive electrode for a lithium secondary battery according to claim 5 , wherein the lithium manganese oxide and the chalcogenide are present in a dispersed state. 請求項又はに記載の正極と、負極と、電解質層とを有することを特徴とするリチウム二次電池。A positive electrode according to claim 5 or 6, a negative electrode, a lithium secondary battery characterized by having an electrolyte layer. 負極の活物質が炭素材料である請求項に記載のリチウム二次電池。The lithium secondary battery according to claim 7 , wherein the negative electrode active material is a carbon material.
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