JP6546582B2 - Method for producing lithium metal composite oxide having layered crystal structure - Google Patents
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Description
本発明は、リチウム電池の正極活物質として用いることができる、層状結晶構造を有するリチウム金属複合酸化物の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a lithium metal composite oxide having a layered crystal structure, which can be used as a positive electrode active material of a lithium battery.
リチウム電池、中でもリチウム二次電池は、エネルギー密度が大きく、寿命が長いなどの特徴を有しているため、ビデオカメラ等の家電製品や、ノート型パソコン、携帯電話機等の携帯型電子機器などの電源として用いられている。最近では、該リチウム二次電池は、電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)などに搭載される大型電池にも応用されている。 Lithium batteries, among them lithium secondary batteries, have features such as high energy density and long life, so they can be used in home appliances such as video cameras and portable electronic devices such as laptop computers and mobile phones. It is used as a power source. Recently, the lithium secondary battery is also applied to a large battery mounted on an electric vehicle (EV) or a hybrid electric vehicle (HEV).
リチウム二次電池は、充電時には正極からリチウムがイオンとして溶け出して負極へ移動して吸蔵され、放電時には逆に負極から正極へリチウムイオンが戻る構造の二次電池であり、その高いエネルギー密度は正極材料の電位に起因することが知られている。 The lithium secondary battery is a secondary battery having a structure in which lithium is dissolved out as ions from the positive electrode during charge, moves to the negative electrode and is absorbed, and lithium ions are returned from the negative electrode to the positive electrode during discharge. It is known to be attributable to the potential of the positive electrode material.
リチウム二次電池の正極活物質としては、スピネル構造をもつリチウムマンガン酸化物(LiMn2O4)のほか、層状結晶構造をもつLiCoO2、LiNiO2、LiMnO2などのリチウム金属複合酸化物が知られている。例えばLiCoO2は、リチウム原子層とコバルト原子層が酸素原子層を介して交互に積み重なった層状結晶構造を有しており、充放電容量が大きく、リチウムイオン吸蔵脱蔵の拡散性に優れているため、現在、市販されているリチウム二次電池の多くがLiCoO2などの層状結晶構造を有するリチウム金属複合酸化物である。As a positive electrode active material of a lithium secondary battery, in addition to lithium manganese oxide (LiMn 2 O 4 ) having a spinel structure, lithium metal composite oxides such as LiCoO 2 , LiNiO 2 and LiMnO 2 having a layered crystal structure are known. It is done. For example, LiCoO 2 has a layered crystal structure in which a lithium atomic layer and a cobalt atomic layer are alternately stacked via an oxygen atomic layer, has a large charge / discharge capacity, and is excellent in the diffusivity of lithium ion storage and storage. Therefore, many of lithium secondary batteries currently marketed are lithium metal composite oxides having a layered crystal structure such as LiCoO 2 .
LiCoO2やLiNiO2など、層状結晶構造を有するリチウム金属複合酸化物は、一般式LiMO2(M:遷移金属)で示される。これら層状結晶構造を有するリチウム金属複合酸化物の結晶構造は、空間群R−3m(「−」は通常「3」の上部に付され、回反を示す。以下、同様。)に帰属し、そのLiイオン、Meイオン及び酸化物イオンは、それぞれ3aサイト、3bサイト及び6cサイトを占有する。そして、Liイオンからなる層(Li層)とMeイオンからなる層(Me層)とが、酸化物イオンからなるO層を介して交互に積み重なった層状結晶構造を呈することが知られている。A lithium metal composite oxide having a layered crystal structure such as LiCoO 2 or LiNiO 2 is represented by the general formula LiMO 2 (M: transition metal). The crystal structure of the lithium metal complex oxide having such a layered crystal structure belongs to the space group R-3m ("-" is usually attached to the upper part of "3" to indicate turning. The same applies hereinafter), The Li ion, Me ion and oxide ion occupy 3a site, 3b site and 6c site, respectively. And it is known that a layer (Li layer) composed of Li ions and a layer (Me layer) composed of Me ions exhibit a layered crystal structure alternately stacked via an O layer composed of oxide ions.
層状結晶構造を有するリチウム金属複合酸化物の製造方法に関しては、例えば特許文献1において、マンガンとニッケルの混合水溶液中にアルカリ溶液を加えてマンガンとニッケルを共沈させ、水酸化リチウムを加え、ついで焼成することによってリチウム金属複合酸化物を得る製法が開示されている。 With regard to a method for producing a lithium metal composite oxide having a layered crystal structure, for example, in Patent Document 1, an alkaline solution is added to a mixed aqueous solution of manganese and nickel to coprecipitate manganese and nickel, and then lithium hydroxide is added, A process for obtaining a lithium metal composite oxide by firing is disclosed.
また、特許文献2には、リチウム塩化合物、マンガン塩化合物、ニッケル塩化合物及びコバルト塩化合物を含む原料を混合し、水中で混合攪拌してスラリーを調製し、このスラリーを粉砕し、得られた粉砕スラリーを熱噴霧乾燥機等を用いて造粒乾燥させた後、焼成して解砕することによって、層構造を有するリチウム金属複合酸化物を製造する方法が開示されている。 Further, in Patent Document 2, raw materials containing a lithium salt compound, a manganese salt compound, a nickel salt compound and a cobalt salt compound are mixed, mixed and stirred in water to prepare a slurry, and the slurry is pulverized and obtained. There is disclosed a method of producing a lithium metal composite oxide having a layer structure by granulating and drying a pulverized slurry using a thermal spray drier or the like, followed by firing and crushing.
ところで、正極活物質は、電気伝導率が一般の導体と比べて低いため、集電体と正極活物質間もしくは活物質相互間の電気伝導率を更に高めるように、より電気伝導率の高い元素で正極活物質を修飾することが提案されている。
例えば特許文献3には、リチウム複合酸化物をCo等の化合物で修飾することで、サイクル特性を改善し、内部抵抗を低減する方法が提案されている。
また、特許文献4には、リチウム複合酸化物の原料を混合後、焼成、解砕、熱処理及び分級という工程を経て製造した複合酸化物粒子表面に、所定厚さの、Al、Mg、Sn、Ti、Zn及びZrのうち少なくとも一種を含有する金属化合物膜を表面修飾したものを正極活物質として用いることで、内部抵抗を低くすることができて、高出力が得られることを開示されている。By the way, since the positive electrode active material has a lower electric conductivity than a general conductor, an element having a higher electric conductivity so as to further increase the electric conductivity between the current collector and the positive electrode active material or between the active materials. It has been proposed to modify the positive electrode active material by
For example, Patent Document 3 proposes a method of improving cycle characteristics and reducing internal resistance by modifying a lithium composite oxide with a compound such as Co.
Further, in Patent Document 4, after mixing raw materials of lithium composite oxide, Al, Mg, Sn, having a predetermined thickness on the surface of composite oxide particles manufactured through steps of firing, crushing, heat treatment and classification. It is disclosed that the internal resistance can be lowered and a high output can be obtained by using, as a positive electrode active material, a surface-modified metal compound film containing at least one of Ti, Zn, and Zr. .
層状結晶構造を有するリチウム金属複合酸化物をリチウム二次電池の正極活物質として使用する場合、高温下、金属リチウム基準で充電電圧4.3V以下で使用したり、4.3Vを超えて充放電させたりすると、電解液との反応によって当該リチウム金属複合酸化物が表面変化するため、電池の寿命特性が低下するという課題を抱えていた。
かかる課題を解決するための手段の一例として、リチウム金属複合酸化物の粒子表面を酸化物で被覆することが考えられる。しかし、リチウム金属複合酸化物の粒子表面を酸化物で被覆すると、電池の出力特性が低下してしまうという新たな課題が生じることになる。
このように、層状結晶構造を有するリチウム金属複合酸化物に関しては、寿命特性と出力特性を両立させることは簡単なことではなかった。When a lithium metal composite oxide having a layered crystal structure is used as a positive electrode active material of a lithium secondary battery, it is used at a charge voltage of 4.3 V or less based on metallic lithium under high temperature, or charge / discharge exceeding 4.3 V If this is done, the surface of the lithium metal composite oxide changes due to the reaction with the electrolytic solution, and the battery has a problem that the life characteristics of the battery deteriorate.
As an example of the means for solving such problems, it is conceivable to coat the particle surface of the lithium metal complex oxide with an oxide. However, covering the particle surface of the lithium metal composite oxide with an oxide causes a new problem that the output characteristics of the battery are degraded.
Thus, in the case of lithium metal composite oxide having a layered crystal structure, it was not easy to make the life characteristics and the output characteristics compatible.
そこで本発明は、層状結晶構造を有するリチウム金属複合酸化物の製造方法に関し、リチウム二次電池の正極活物質として使用した場合に、電解液との反応を抑えて電池の寿命特性を高めることができると共に、出力特性を同等若しくはそれ以上にすることができる、新たなリチウム金属複合酸化物の製造方法を提供せんとするものである。 Therefore, the present invention relates to a method for producing a lithium metal composite oxide having a layered crystal structure, which suppresses reaction with an electrolytic solution to enhance the life characteristics of the battery when used as a positive electrode active material of a lithium secondary battery. It is an object of the present invention to provide a new method for producing a lithium metal composite oxide which can be made as well as the output characteristics can be made equal or higher.
本発明は、アルミニウム、チタン及びジルコニウムのうちの少なくとも一種を含有する表面処理剤を用いてリチウム金属複合酸化物粉末の表面処理を行う表面処理工程、及び、該表面処理後のリチウム金属複合酸化物粉末を熱処理する熱処理工程を備えた、層状結晶構造を有するリチウム金属複合酸化物の製造方法であって、前記熱処理工程では、表面処理後のリチウム金属複合酸化物粉末を、酸素含有雰囲気下、温度700〜950℃下に保持するように熱処理することを特徴とする、層状結晶構造を有するリチウム金属複合酸化物の製造方法を提案する。 The present invention provides a surface treatment step of surface treating a lithium metal composite oxide powder using a surface treating agent containing at least one of aluminum, titanium and zirconium, and a lithium metal composite oxide after the surface treatment. It is a manufacturing method of lithium metal complex oxide which has a layered crystal structure provided with the heat treatment process which heat-treats powder, and, in the above-mentioned heat treatment process, lithium metal complex oxide powder after surface treatment is carried out in oxygen content atmosphere. A method for producing a lithium metal composite oxide having a layered crystal structure is proposed, characterized in that heat treatment is performed so as to be maintained at 700 to 950 ° C.
本発明が提案するリチウム金属複合酸化物の製造方法によれば、リチウム金属複合酸化物粒子の表面に、アルミニウム、チタン及びジルコニウムのうちの少なくとも一種を含有する表面層を形成することができる。これにより、当該リチウム金属複合酸化物粒子をリチウム二次電池の正極活物質として使用した場合に、電解液との反応を抑えて寿命特性を向上させることができると共に、出力特性を同等若しくはそれ以上にすることができる。よって、得られたリチウム金属複合酸化物は、特に車載用の電池、特に電気自動車(EV:Electric Vehicle)やハイブリッド電気自動車(HEV:Hybrid Electric Vehicle)に搭載する電池の正極活物質として特に優れたものとなる。 According to the method for producing a lithium metal complex oxide proposed by the present invention, a surface layer containing at least one of aluminum, titanium and zirconium can be formed on the surface of lithium metal complex oxide particles. Thereby, when the said lithium metal complex oxide particle is used as a positive electrode active material of a lithium secondary battery, while being able to suppress reaction with electrolyte solution and improving a lifetime characteristic, an output characteristic is equal or more than that Can be Therefore, the obtained lithium metal composite oxide is particularly excellent as a positive electrode active material of a battery mounted on a vehicle, particularly, a battery mounted on an electric vehicle (EV: Electric Vehicle) or a hybrid electric vehicle (HEV: Hybrid Electric Vehicle). It becomes a thing.
以下、本発明の実施形態について説明する。但し、本発明が下記実施形態に限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. However, the present invention is not limited to the following embodiment.
<本製造方法>
本実施形態の一例に係るリチウム金属複合酸化物(以下「本リチウム金属複合酸化物」という)の製造方法(「本製造方法」と称する)は、アルミニウム、チタン及びジルコニウムのうちの少なくとも一種を含有する表面処理剤を用いてリチウム金属複合酸化物粉末(「母体リチウム金属複合酸化物粉末」と称する)の表面処理を行う表面処理工程、及び、該表面処理後のリチウム金属複合酸化物粉末を熱処理する熱処理工程を備えた、層状結晶構造を有するリチウム金属複合酸化物の製造方法である。<Manufacturing method>
A method for producing a lithium metal composite oxide (hereinafter referred to as “the present lithium metal composite oxide”) according to an example of the present embodiment (referred to as “the present production method”) contains at least one of aluminum, titanium and zirconium. Surface treatment step of surface-treating lithium metal complex oxide powder (referred to as "base lithium metal complex oxide powder") using a surface treatment agent, and heat treatment of lithium metal complex oxide powder after the surface treatment A method of producing a lithium metal composite oxide having a layered crystal structure, comprising the heat treatment step of
本製造方法は、前記表面処理工程及び前記熱処理工程を備えていればよいから、他の工程をさらに備えていても構わない。例えば、前記熱処理工程後に解砕工程を挿入してもよいし、表面処理工程前に解砕工程や分級工程を挿入してもよい。また、その他の工程を追加してもよい。 The present manufacturing method only needs to include the surface treatment step and the heat treatment step, and may further include other steps. For example, a crushing step may be inserted after the heat treatment step, or a crushing step or a classification step may be inserted before the surface treatment step. Also, other steps may be added.
<本リチウム金属複合酸化物>
本製造方法の製造物である本リチウム金属複合酸化物は、層状結晶構造を有するリチウム金属複合酸化物であれば、特に組成を限定するものではない。すなわち、本リチウム金属複合酸化物は、リチウム原子層と金属原子層とが酸素原子層を介して交互に積み重なった層状結晶構造を有するリチウム金属複合酸化物であればよい。<This lithium metal complex oxide>
The present lithium metal complex oxide, which is a product of the present manufacturing method, is not particularly limited in composition as long as it is a lithium metal complex oxide having a layered crystal structure. That is, the present lithium metal composite oxide may be a lithium metal composite oxide having a layered crystal structure in which a lithium atomic layer and a metal atomic layer are alternately stacked via an oxygen atomic layer.
層状結晶構造を有するリチウム金属複合酸化物であれば、共通する課題を有しており、また、表面処理及び熱処理による影響も同様であるから、組成を限定する必要はない。
但し、本欄では、より具体的な一例に基づいて本製造方法を説明した方が分かり易いため、車載用の電池、特に電気自動車(EV:Electric Vehicle)やハイブリッド電気自動車(HEV:Hybrid Electric Vehicle)に搭載するリチウム二次電池の正極活物質として好ましい次のリチウム金属複合酸化物を例に挙げて説明する。If it is a lithium metal complex oxide having a layered crystal structure, it has common problems, and the effects of surface treatment and heat treatment are the same, so there is no need to limit the composition.
However, since it is easy to understand in this section that the present manufacturing method is described based on a more specific example, in-vehicle batteries, in particular, electric vehicles (EV: Electric Vehicle) and hybrid electric vehicles (HEV: Hybrid Electric Vehicle) The following lithium metal composite oxide which is preferable as a positive electrode active material of a lithium secondary battery to be mounted on will be described as an example.
本リチウム金属複合酸化物の一例として、一般式(1):Li1+xM1-xO2で表わされる層状結晶構造を有するリチウム金属複合酸化物を挙げることができる。As an example of the present lithium metal composite oxide represented by the general formula (1): and lithium metal composite oxide having a layered crystal structure represented by Li 1 + x M 1-x O 2.
上記式(1)中の「1+x」は、1.00〜1.07、中でも1.01以上或いは1.07以下、その中でも1.02以上1.06以下であるのがさらに好ましい。 “1 + x” in the above formula (1) is more preferably 1.00 to 1.07, particularly 1.01 to 1.07, and more preferably 1.02 to 1.06.
上記式(1)中の「M」は、Mn、Co、Ni、及び、周期律表の第3族元素から第11族元素の間に存在する遷移元素および周期律表の第3周期までの典型元素の何れか1種以上であればよい。
ここで、周期律表の第3族元素から第11族元素の間に存在する遷移元素および周期律表の第3周期までの典型元素としては、例えばAl、V、Fe、Ti、Mg,Cr、Ga、In、Cu、Zn、Nb、Zr、Mo、W、Ta、Reなどを挙げることができる。
「M」は、例えばMn、Co、Ni、Al、V、Fe、Ti、Mg,Cr、Ga、In、Cu、Zn、Nb、Zr、Mo、W、Ta及びReのうちの何れか1種以上であればよい。よって、「M」は、例えばMn、Co及びNiの3元素のみから構成されていてもよいし、当該3元素に前記その他の元素の一種以上を含んでいてもよいし、その他の構成でもよい。In the above formula (1), “M” is Mn, Co, Ni, and a transition element existing between the elements of Group 3 to Group 11 of the periodic table and the third period of the periodic table. It may be any one or more of the typical elements.
Here, as a transition element existing between the group 3 element of the periodic table and the group 11 element and typical elements up to the third period of the periodic table, for example, Al, V, Fe, Ti, Mg, Cr And Ga, In, Cu, Zn, Nb, Zr, Mo, W, Ta, Re and the like.
“M” is, for example, one of Mn, Co, Ni, Al, V, Fe, Ti, Mg, Cr, Ga, In, Cu, Zn, Nb, Zr, Mo, W, Ta and Re. It is sufficient if it is the above. Therefore, “M” may be composed of, for example, only the three elements of Mn, Co and Ni, or the three elements may contain one or more of the other elements or may have other configurations. .
上記式(1)中の「M」が、Mn、Co及びNiの3元素を含有する場合、Mn、Co及びNiの含有モル比率は、Mn:Co:Ni=0.10〜0.45:0.05〜0.40:0.30〜0.75であるのが好ましく、中でもMn:Co:Ni=0.10〜0.40:0.05〜0.40:0.30〜0.75であるのがさらに好ましい。
なお、上記一般式(1)(2)において、酸素量の原子比は、便宜上「2」と記載しているが、多少の不定比性を有してもよい。When “M” in the above-mentioned formula (1) contains three elements of Mn, Co and Ni, the content molar ratio of Mn, Co and Ni is Mn: Co: Ni = 0.10 to 0.45: It is preferable that it is 0.05-0.40: 0.30-0.75, and Mn: Co: Ni = 0.10-0.40: 0.05-0.40: 0.30-0. More preferably, it is 75.
In addition, in said General Formula (1) (2), although the atomic ratio of the amount of oxygen is described as "2" for convenience, you may have some non-stoichiometry.
本リチウム金属複合酸化物は、不純物としてSを0.33重量%以下、その他の元素をそれぞれ0.17重量%以下であれば含んでいてもよい。この程度の量であれば、本リチウム金属複合酸化物の特性にほとんど影響しないと考えられるからである。 The present lithium metal composite oxide may contain S as an impurity at 0.33 wt% or less and other elements at 0.17 wt% or less. This amount is considered to have little influence on the characteristics of the present lithium metal complex oxide.
<原料>
原料であるリチウム化合物としては、例えば水酸化リチウム(LiOH及びLiOH・H2Oを含む)、炭酸リチウム(Li2CO3)、硝酸リチウム(LiNO3)、酸化リチウム(Li2O)、その他脂肪酸リチウムやリチウムハロゲン化物等を挙げることができる。
マンガン化合物の種類は、特に限定するものではない。例えば炭酸マンガン、硝酸マンガン、塩化マンガン、二酸化マンガン、酸化マンガン(iii)、四三酸化マンガンなどを用いることができ、中でも炭酸マンガン、二酸化マンガンが好ましい。その中でも、電解法によって得られる電解二酸化マンガンが特に好ましい。
ニッケル塩化合物の種類も特に制限はなく、例えば炭酸ニッケル、硝酸ニッケル、塩化ニッケル、オキシ水酸化ニッケル、水酸化ニッケル、酸化ニッケルなどを用いることができ、中でも炭酸ニッケル、水酸化ニッケル、酸化ニッケルが好ましい。
コバルト化合物の種類も特に制限はなく、例えば塩基性炭酸コバルト、硝酸コバルト、塩化コバルト、オキシ水酸化コバルト、水酸化コバルト、酸化コバルトなどを用いることができ、中でも、塩基性炭酸コバルト、水酸化コバルト、酸化コバルト、オキシ水酸化コバルトが好ましい。
アルミニウム化合物の種類も特に制限はなく、例えば炭酸アルミニウム、硝酸アルミニウム、塩化アルミニウム、オキシ水酸化アルミニウム、水酸化アルミニウム、酸化アルミニウムなどを用いることができ、中でも炭酸アルミニウム、水酸化アルミニウム、酸化アルミニウムが好ましい。<Raw material>
As a lithium compound which is a raw material, for example, lithium hydroxide (including LiOH and LiOH.H 2 O), lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), lithium nitrate (LiNO 3 ), lithium oxide (Li 2 O), other fatty acids Lithium and lithium halide etc. can be mentioned.
The type of manganese compound is not particularly limited. For example, manganese carbonate, manganese nitrate, manganese chloride, manganese dioxide, manganese (iii) oxide, trimanganese tetraoxide and the like can be used, among which manganese carbonate and manganese dioxide are preferable. Among them, electrolytic manganese dioxide obtained by an electrolytic method is particularly preferable.
The type of nickel salt compound is also not particularly limited, and, for example, nickel carbonate, nickel nitrate, nickel chloride, nickel oxyhydroxide, nickel hydroxide, nickel oxide, etc. can be used, among which nickel carbonate, nickel hydroxide, nickel oxide preferable.
The type of cobalt compound is also not particularly limited, and, for example, basic cobalt carbonate, cobalt nitrate, cobalt chloride, cobalt oxyhydroxide, cobalt hydroxide, cobalt oxide and the like can be used. Among them, basic cobalt carbonate and cobalt hydroxide , Cobalt oxide and cobalt oxyhydroxide are preferable.
The type of aluminum compound is also not particularly limited. For example, aluminum carbonate, aluminum nitrate, aluminum chloride, aluminum oxyhydroxide, aluminum hydroxide, aluminum oxide, etc. can be used, and among them, aluminum carbonate, aluminum hydroxide, aluminum oxide is preferable. .
その他、上記式(1)中のM元素の水酸化物塩、炭酸塩、硝酸塩などを原料として用いることができる。 In addition, hydroxide salts, carbonates, nitrates and the like of the M element in the above formula (1) can be used as a raw material.
<母体リチウム金属複合酸化物粉末>
本製造方法において、母体リチウム金属複合酸化物粉末は、原料を混合し、必要に応じて造粒、乾燥させた後、焼成、必要に応じて熱処理、さらに必要に応じて解砕して得ることができる。また、入手したリチウム金属複合酸化物粉末を所定の処理を施して得ることもできる。<Mother lithium metal complex oxide powder>
In the present production method, the host lithium metal complex oxide powder is obtained by mixing the raw materials, granulating and drying as required, and calcining, heat treating as necessary, and crushing as necessary. Can. The obtained lithium metal composite oxide powder can also be obtained by performing a predetermined treatment.
母体リチウム金属複合酸化物粉末は、カールフィッシャー法により110〜300℃で測定される水分量が50〜1000ppmであるのが好ましい。当該水分量が50ppm以上であれば、表面処理剤の中でも特にカップリング剤との反応を高め、表面処理効果を高めることができる。他方、水分量が1000ppm以下であれば、電池特性を同等若しくはそれ以上とすることができる点で好ましい。
かかる観点から、母体リチウム金属複合酸化物粉末の当該水分量は50〜1000ppmであるのが好ましく、中でも50ppm以上或いは700ppm以下、その中でも50ppm以上或いは500ppm以下、その中でもさらに400ppm以下であるのがさらに好ましい。
なお、カールフィッシャー法により110〜300℃で測定される水分量とは、カールフィッシャー水分計(例えば三菱化学株式会社製CA−100)を用いて、窒素雰囲気中で110℃にした装置内で測定サンプル(試料)を45分間加熱した後に、300℃に昇温して300℃で45分間加熱した際に放出される水分量のことである。
カールフィッシャー法により110〜300℃で測定される水分は、母体リチウム金属複合酸化物粉末粒子内部に化学的に結合している水分が主であると考えられる。The matrix lithium metal composite oxide powder preferably has a water content of 50 to 1000 ppm measured at 110 to 300 ° C. by the Karl Fischer method. If the said water content is 50 ppm or more, reaction with a coupling agent can be heightened especially among surface treatment agents, and the surface treatment effect can be heightened. On the other hand, if the water content is 1000 ppm or less, it is preferable in that the battery characteristics can be made equal or more.
From this point of view, the water content of the host lithium metal composite oxide powder is preferably 50 to 1000 ppm, and more preferably 50 ppm or more or 700 ppm or less, more preferably 50 ppm or more or 500 ppm or less, and further 400 ppm or less. preferable.
The water content measured at 110 to 300 ° C by the Karl Fischer method is measured in an apparatus set at 110 ° C in a nitrogen atmosphere using a Karl Fischer moisture meter (eg CA-100 manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation) The amount of water released when a sample (sample) is heated for 45 minutes and then heated to 300 ° C. and heated at 300 ° C. for 45 minutes.
The water content measured at 110 to 300 ° C. by the Karl Fischer method is considered to be mainly water chemically bonded to the inside of the host lithium metal composite oxide powder particles.
母体リチウム金属複合酸化物粉末の水分量を上記範囲に調整する手段としては、乾燥、除湿、湿度制御などを挙げることができる。但し、このような方法に限定するものではない。 Drying, dehumidification, humidity control, etc. can be mentioned as a means to adjust the moisture content of host lithium metal complex oxide powder in the said range. However, it is not limited to such a method.
(混合工程)
母体リチウム金属複合酸化物粉末を得るための原料の混合は、水や分散剤などの液媒体を加えて湿式混合してスラリー化させるのが好ましい。そして、後述するスプレードライ法を採用する場合には、前述の得られたスラリーを湿式粉砕機で粉砕するのが好ましい。但し、乾式粉砕してもよい。(Mixing process)
It is preferable to mix the raw materials for obtaining the matrix lithium metal composite oxide powder by adding a liquid medium such as water and a dispersant and wet mixing to form a slurry. And when adopting the spray-drying method mentioned later, it is preferable to grind | pulverize the obtained slurry of the above-mentioned with a wet crusher. However, dry grinding may be performed.
混合工程では、ニッケル原料の粗粉を除いて原料混合時の均質性を高めるため、原料を混合する前に予め、少なくともニッケル化合物を、必要に応じてニッケル化合物とアルミニウム化合物を粉砕及び分級して、ニッケル化合物の最大粒径(Dmax)が10μm以下、中でも5μm以下、その中でも4μm以下になるように調整するのが好ましい。 In the mixing step, at least a nickel compound and optionally a nickel compound and an aluminum compound are pulverized and classified before mixing the raw materials in order to enhance the homogeneity in mixing the raw materials by removing coarse powders of the nickel raw materials. The maximum particle size (Dmax) of the nickel compound is preferably adjusted to 10 μm or less, preferably 5 μm or less, and more preferably 4 μm or less.
(造粒)
原料を混合した後、必要に応じて造粒するのが好ましい。
造粒方法は、各種原料が分離せずに造粒粒子内で分散していれば湿式でも乾式でもよく、押し出し造粒法、転動造粒法、流動造粒法、混合造粒法、噴霧乾燥造粒法、加圧成型造粒法、或いはロール等を用いたフレーク造粒法でもよい。
但し、湿式造粒した場合には、焼成前に充分に乾燥させることが必要である。この際の乾燥方法としては、噴霧熱乾燥法、熱風乾燥法、真空乾燥法、フリーズドライ法などの公知の乾燥方法によって乾燥させればよく、中でも噴霧熱乾燥法が好ましい。
噴霧熱乾燥法は、熱噴霧乾燥機(スプレードライヤー)を用いて行なうのが好ましい(本明細書では「スプレードライ法」と称する)。
ただし、例えば所謂共沈法によって焼成に供する共沈粉を作製することも可能である(本明細書では「共沈法」と称する)。共沈法では、原料を溶液に溶解した後、pHなどの条件を調整して沈殿させることにより、共沈粉を得ることができる。(Granulation)
After mixing the raw materials, it is preferable to granulate as required.
The granulation method may be wet or dry as long as various raw materials are dispersed in the granulated particles without separation, and extrusion granulation method, rolling granulation method, fluid granulation method, mixing granulation method, spraying A dry granulation method, a pressure molding granulation method, or a flake granulation method using a roll or the like may be used.
However, in the case of wet granulation, it is necessary to sufficiently dry before firing. In this case, the drying method may be a known drying method such as a spray heat drying method, a hot air drying method, a vacuum drying method, a freeze drying method, and the like, among which the spray heat drying method is preferable.
Spray thermal drying is preferably carried out using a thermal spray dryer (spray dryer) (herein referred to as "spray dry").
However, it is also possible to produce a co-precipitate which is subjected to calcination, for example by the so-called co-precipitation method (herein referred to as "co-precipitation method"). In the coprecipitation method, coprecipitation can be obtained by dissolving the raw material in a solution and then adjusting the conditions such as pH for precipitation.
なお、スプレードライ法では、粉体強度が相対的に低く、粒子間に空隙(ボイド)が生じる傾向がある。そこで、スプレードライ法を採用する場合には、後述する焼成工程後の解砕工程において、従来の粉砕方法、例えば回転数1000rpm程度の粗粉砕機による解砕方法に比べて、解砕強度がより高い粉砕方法を採用するのが好ましい。 In the spray drying method, the powder strength is relatively low, and voids tend to be generated between particles. Therefore, in the case of employing the spray drying method, the crushing strength is higher in the crushing step after the firing step to be described later than in the conventional crushing method, for example, the crushing method using a coarse crusher with a rotation speed of about 1000 rpm. It is preferred to employ a high grinding method.
(焼成工程)
母体リチウム金属複合酸化物粉末を得るための焼成工程では、必要に応じて500〜840℃で仮焼成した後、700〜1000℃で本焼成するのが好ましい。当該仮焼成をせずに、700〜1000℃で本焼成することも可能である。
仮焼成によって、原料に含まれる成分から発生するガス(例えばCO2)を抜くことができる。よって、例えば炭酸リチウム(Li2CO3)や炭酸マンガン、炭酸ニッケル、塩基性炭酸コバルトなどの炭酸塩を原料に用いた場合には、仮焼成することが好ましい。
そして、本焼成では、仮焼成よりも高温で焼成することにより、粒子の結晶性を上げたり、所望する粒径に調整したりすることができる。(Firing process)
In the firing step for obtaining the host lithium metal composite oxide powder, it is preferable to perform a temporary firing at 500 to 840 ° C., and then a main firing at 700 to 1000 ° C., if necessary. It is also possible to carry out main baking at 700 to 1000 ° C. without carrying out the temporary baking.
By pre-baking, a gas (for example, CO 2 ) generated from components contained in the raw material can be extracted. Therefore, for example, when carbonates such as lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), manganese carbonate, nickel carbonate, basic cobalt carbonate and the like are used as a raw material, it is preferable to perform calcination.
And in this baking, the crystallinity of particle | grains can be raised or it can adjust to a desired particle size by baking at high temperature rather than temporary baking.
仮焼成は、焼成炉にて、大気雰囲気下、酸素ガス雰囲気下、酸素分圧を調整した雰囲気下、或いは二酸化炭素ガス含有雰囲気下、或いはその他の雰囲気下において、500〜840℃の温度(:焼成炉内の焼成物に熱電対を接触させた場合の温度を意味する。)、中でも600℃以上或いは840℃以下、その中でも650℃以上或いは750℃以下で、0.5時間〜30時間保持するように焼成するのが好ましい。
焼成炉の種類は特に限定するものではない。例えばロータリーキルン、静置炉、その他の焼成炉を用いて焼成することができる。The pre-baking is performed in an atmosphere, in an atmosphere of oxygen gas, in an atmosphere in which the partial pressure of oxygen is adjusted, in an atmosphere containing carbon dioxide gas, or in another atmosphere in a firing furnace. This means the temperature when a thermocouple is brought into contact with the fired product in the firing furnace), among which 600 ° C. or more or 840 ° C. or less, among them 650 ° C. or more or 750 ° C. or less for 0.5 hour to 30 hours It is preferable to bake so as to
The type of firing furnace is not particularly limited. For example, it can bake using a rotary kiln, a stationary furnace, and other baking furnaces.
本焼成は、焼成炉にて、大気雰囲気下、酸素ガス雰囲気下、酸素分圧を調整した雰囲気下、或いは二酸化炭素ガス含有雰囲気下、或いはその他の雰囲気下において、700〜1000℃温度(:焼成炉内の焼成物に熱電対を接触させた場合の温度を意味する。)、好ましくは750℃以上或いは950℃以下、より好ましくは800℃以上或いは950℃以下、その中でもさらに好ましくは850℃以上或いは910℃以下で0.5時間〜30時間保持するように焼成するのが好ましい。この際、複数の金属元素を含む焼成物が、目的組成のリチウム金属複合酸化物の単一相とみなせる焼成条件を選択するのが好ましい。
焼成炉の種類は特に限定するものではない。例えばロータリーキルン、静置炉、その他の焼成炉を用いて焼成することができる。This firing is performed in an atmosphere, in an atmosphere of oxygen gas, in an atmosphere in which the partial pressure of oxygen is adjusted, in an atmosphere containing carbon dioxide gas, or in another atmosphere in a firing furnace. This means the temperature when a thermocouple is brought into contact with the fired product in the furnace), preferably 750 ° C. or more or 950 ° C. or less, more preferably 800 ° C. or more or 950 ° C. or less, further preferably 850 ° C. or more. Alternatively, firing is preferably performed so as to be held at 910 ° C. or less for 0.5 hours to 30 hours. Under the present circumstances, it is preferable to select the calcination conditions which can consider that the baking products containing a several metal element are single phase of lithium metal complex oxide of the target composition.
The type of firing furnace is not particularly limited. For example, it can bake using a rotary kiln, a stationary furnace, and other baking furnaces.
但し、仮焼成せずに本焼成する場合には、700〜1000℃、中でも750℃以上或いは950℃以下、その中でも800℃以上或いは950℃以下、その中でもさらに850℃以上或いは910℃以下で0.5時間〜30時間保持するように焼成するのが好ましい。 However, when the main firing is performed without temporary firing, the temperature is 700 ° C. to 1000 ° C., particularly 750 ° C. or more and 950 ° C. or less, particularly 800 ° C. or more and 950 ° C. or less, and further 850 ° C. or more and 0 ° C. or less. It is preferable to bake so as to hold for 5 hours to 30 hours.
(熱処理)
焼成後の熱処理は、結晶構造の調整が必要な場合に行うのが好ましい。その際の熱処理雰囲気としては、大気雰囲気下、酸素ガス雰囲気下、酸素分圧を調整した雰囲気下などの酸化雰囲気の条件で熱処理を行うのが好ましい。(Heat treatment)
Heat treatment after firing is preferably performed when it is necessary to adjust the crystal structure. As the heat treatment atmosphere at that time, it is preferable to perform the heat treatment under the conditions of an oxidizing atmosphere such as an atmosphere, an oxygen gas atmosphere, an atmosphere in which the oxygen partial pressure is adjusted, and the like.
(解砕)
焼成後若しくは熱処理後の解砕は、高速回転粉砕機などを用いて解砕するのが好ましい。高速回転粉砕機によって解砕すれば、粒子どうしが凝集していたり、焼結が弱かったりする部分を解砕することができ、しかも粒子に歪みが入るのを抑えることができる。但し、高速回転粉砕機に限定する訳ではない。(Crushing)
Crushing after firing or heat treatment is preferably carried out using a high-speed rotary crusher or the like. Crushing by means of a high-speed rotary crusher makes it possible to crush parts where the particles are agglomerated or weak in sintering, and to suppress distortion of the particles. However, the invention is not limited to the high-speed rotary crusher.
高速回転粉砕機の一例としてピンミルを挙げることができる。ピンミルは、円盤回転型粉砕機として知られており、ピンの付いた回転盤が回転することで、内部を負圧にして原料供給口より粉を吸い込む方式の解砕機である。そのため、微細粒子は、重量が軽いため気流に乗りやすく、ピンミル内のクリアランスを通過する一方、粗大粒子は確実に解砕される。そのため、ピンミルで解砕すれば、粒子間の凝集や、弱い焼結部分を確実に解すことができると共に、粒子内に歪みが入るのを抑制することができる。
高速回転粉砕機の回転数は4000rpm以上、特に5000〜12000rpm、さらに好ましくは7000〜10000rpmにするのが好ましい。A pin mill can be mentioned as an example of a high speed rotary crusher. A pin mill is known as a disc rotary crusher, and is a crusher of a type in which powder is drawn from a raw material supply port by applying a negative pressure to the inside by rotating a pin-equipped rotary disk. Therefore, the fine particles are easy to ride on the air flow because they are light in weight, and pass through the clearance in the pin mill, while coarse particles are surely crushed. Therefore, if it is crushed by a pin mill, it is possible to reliably solve the aggregation between particles and the weakly sintered portion, and to suppress the occurrence of strain in the particles.
The rotational speed of the high-speed rotary crusher is preferably 4,000 rpm or more, particularly 5,000 to 12,000 rpm, and more preferably 7,000 to 10,000 rpm.
焼成後の分級は、凝集粉の粒度分布調整とともに異物除去という技術的意義があるため、好ましい大きさの目開きの篩を選択して分級するのが好ましい。 Since classification after firing has the technical significance of foreign matter removal as well as particle size distribution adjustment of agglomerated powder, it is preferable to select and classify a sieve with a mesh with a preferred size.
(表面処理工程)
表面処理工程では、アルミニウム、チタン及びジルコニウムのうちの少なくとも一種を含有する表面処理剤と、上記のようにして得られた母体リチウム金属複合酸化物粉末とを接触させればよい。
例えば、アルミニウム、チタン及びジルコニウムのうちの少なくとも一種を含む有機金属化合物、例えばチタンカップリング剤又はアルミニウムカップリング剤又はジルコニウムカップリング剤又はチタン・アルミニウムカップリング剤又はチタン・ジルコニウムカップリング剤又はアルミニウム・ジルコニウムカップリング剤又はチタン・アルミニウム・ジルコニウムカップリング剤などの表面処理剤を、有機溶媒に分散させてディスパージョンを作り、該ディスパージョンと、上記のようにして得た母体リチウム金属複合酸化物粉末とを接触させて表面処理を行う方法を挙げることができる。(Surface treatment process)
In the surface treatment step, a surface treatment agent containing at least one of aluminum, titanium and zirconium may be brought into contact with the host lithium metal composite oxide powder obtained as described above.
For example, organometallic compounds containing at least one of aluminum, titanium and zirconium, such as titanium coupling agent or aluminum coupling agent or zirconium coupling agent or titanium / aluminum coupling agent or titanium / zirconium coupling agent or aluminum A surface treatment agent such as a zirconium coupling agent or a titanium / aluminum / zirconium coupling agent is dispersed in an organic solvent to form a dispersion, and the dispersion and the host lithium metal complex oxide powder obtained as described above And a method of performing surface treatment by bringing
前記の表面処理剤としては、有機官能基と加水分解性基を分子中に有する化合物であればよく、中でも側鎖にリン(P)を有するものが好ましい。側鎖にリン(P)を有するカップリング剤は、バインダーとのなじみがより良いため、バインダーとの結着性に特に優れている。 The surface treatment agent may be a compound having an organic functional group and a hydrolyzable group in the molecule, and among them, one having phosphorus (P) in the side chain is preferable. The coupling agent having phosphorus (P) in the side chain is particularly excellent in the binding property with the binder because the compatibility with the binder is better.
前記表面処理工程では、リチウム金属複合酸化物粉末100質量部に対し、0.1〜20質量部相当の表面処理剤を接触させるのが好ましく、中でも0.5質量部以上或いは10質量部以下、その中でも1質量部以上或いは5質量部以下、その中でもさらに1質量部以上或いは3質量部以下の表面処理剤をリチウム金属複合酸化物粉末に接触させるのがさらに好ましい。 In the surface treatment step, a surface treatment agent equivalent to 0.1 to 20 parts by mass is preferably brought into contact with 100 parts by mass of the lithium metal composite oxide powder, and in particular 0.5 parts by mass or more or 10 parts by mass or less Among them, it is more preferable to contact the lithium metal complex oxide powder with a surface treatment agent in an amount of 1 part by mass or more and 5 parts by mass or less and further 1 part by mass or more and 3 parts by mass or less.
より具体的には、例えば、前記リチウム金属複合酸化物粉末のモル数に対する、表面処理剤中のアルミニウム、チタン及びジルコニウムの合計モル数の割合{(M/リチウム金属複合酸化物粉末)×100(M:Al、Ti,Zr)}が0.005〜4%となるように、中でも0.04%以上或いは2%以下となるように、その中でも0.08%以上或いは1%以下となるように、その中でも特に0.08%以上或いは0.6%以下となるように、リチウム金属複合酸化物粉末と表面処理剤とを接触させることが好ましい。 More specifically, for example, the ratio of the total number of moles of aluminum, titanium and zirconium in the surface treatment agent to the number of moles of the lithium metal composite oxide powder {(M / lithium metal composite oxide powder) × 100 ( M: Al, Ti, Zr) to be 0.005 to 4%, and in particular 0.04% or more or 2% or less, in particular 0.08% or more or 1% or less In particular, it is preferable to contact the lithium metal composite oxide powder with the surface treatment agent so that the content is particularly 0.08% or more or 0.6% or less.
また、前記リチウム金属複合酸化物粉末中のニッケルのモル数に対する、表面処理剤中のアルミニウム、チタン及びジルコニウムの合計モル数の割合{(M/Ni)×100(M:Al、Ti,Zr)}が0.01〜13%となるように、中でも0.05%以上或いは7%以下となるように、その中でも0.1%以上或いは3.5%以下となるように、その中でも特に0.1%以上或いは2%以下となるように、リチウム金属複合酸化物粉末と表面処理剤とを接触させることが好ましい。
Niの含有量が高いと、相対的に高電圧での寿命劣化が大きくなるため、表面処理剤中のアルミニウム、チタン及びジルコニウムの合計量を含有Ni量に対する比率で調整することが好ましい。Further, the ratio of the total number of moles of aluminum, titanium and zirconium in the surface treatment agent to the number of moles of nickel in the lithium metal composite oxide powder {(M / Ni) × 100 (M: Al, Ti, Zr) } So as to be 0.01% to 13%, particularly 0.05% or more or 7% or less, in particular 0.1% or more or 3.5% or less, particularly 0 It is preferable to contact the lithium metal complex oxide powder and the surface treatment agent so as to be at least 1% or at most 2%.
When the content of Ni is high, the lifetime deterioration at a relatively high voltage becomes relatively large, so it is preferable to adjust the total amount of aluminum, titanium and zirconium in the surface treatment agent in a ratio to the amount of Ni contained.
また、表面処理剤を有機溶媒に分散させたディスパージョンの量については、リチウム金属複合酸化物粉末100質量部に対し、0.2〜20質量部、中でも1質量部以上或いは15質量部以下、その中でも2質量部以上或いは10質量部以下の量、さらにその中でも2質量部以上或いは7質量部以下の量のディスパージョンをリチウム金属複合酸化物粉末に接触させるのが好ましい。 With respect to the amount of dispersion in which the surface treatment agent is dispersed in an organic solvent, it is 0.2 to 20 parts by mass, and more preferably 1 part by mass or more, or 15 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of lithium metal complex oxide powder. Among them, it is preferable to contact the lithium metal composite oxide powder with a dispersion of 2 parts by mass or more and 10 parts by mass or less, and further more preferably 2 parts by mass or more and 7 parts by mass or less.
層状結晶構造を有するリチウム金属複合酸化物の場合、接触させる有機溶媒の量が多いと、層状結晶構造中のリチウムが溶出してしまうため、表面処理剤の量あるいは表面処理剤を有機溶媒に分散させたディスパージョンの量を上記のように制限するのが好ましい。
また、このように少量の表面処理剤あるいは表面処理剤を有機溶媒に分散させたディスパージョンを、リチウム金属複合酸化物粉末に接触させることにより、大気又は酸素と混ざりながら表面処理剤をリチウム金属複合酸化物粉末に接触させることができる。これにより、粒子表面に酸素を残存させることができるため、後の熱処理時の有機物の酸化反応で消費される酸素の供給に寄与するものと推察することができる。
この際、上記の量の表面処理剤あるいは表面処理剤を有機溶媒に分散させたディスパージョンは一度にリチウム金属複合酸化物粉末に接触させて混合するのではなく、何回かに分けて接触させて混合する処理を繰り返すのが好ましい。
この際の接触方法、すなわち、表面処理剤を有機溶媒に分散させたディスパージョンを、リチウム金属複合酸化物粉末に接触させる方法に関しては、例えば、前記ディスパージョンをリチウム金属複合酸化物粉末に噴霧する方法、滴下する方法、或いは、散布する方法を挙げることができる。In the case of a lithium metal complex oxide having a layered crystal structure, lithium in the layered crystal structure is eluted when the amount of the organic solvent to be contacted is large, so the amount of surface treating agent or surface treating agent is dispersed in the organic solvent It is preferred to limit the amount of dispersion applied as described above.
Further, by contacting the lithium metal composite oxide powder with a dispersion in which a small amount of the surface treatment agent or the surface treatment agent is dispersed in the organic solvent as described above, the surface treatment agent is a lithium metal composite while being mixed with the air or oxygen. It can be brought into contact with the oxide powder. Thus, oxygen can be left on the particle surface, which can be presumed to contribute to the supply of oxygen consumed in the oxidation reaction of the organic substance at the time of the subsequent heat treatment.
At this time, the surface treatment agent or the dispersion in which the surface treatment agent is dispersed in the organic solvent is not contacted and mixed with the lithium metal composite oxide powder at one time, but is contacted in several times. It is preferable to repeat the mixing process.
In the contact method at this time, that is, the method of contacting the lithium metal composite oxide powder with the dispersion in which the surface treatment agent is dispersed in an organic solvent, for example, the dispersion is sprayed onto the lithium metal composite oxide powder A method, a method of dropping, or a method of spraying can be mentioned.
また、表面処理に使用する混合機の種類は特に限定するものではない。混合・混練攪拌機や容器回転型混合機など、例えばプラネタリーミキサー、ヘンシェルミキサー、ナウターミキサー、カッターミル、その他の混合機を用いて混合することができる。 Moreover, the kind of mixer used for surface treatment is not specifically limited. Mixing can be performed using a mixing / kneading mixer, a container rotary mixer, and the like, for example, a planetary mixer, a Henschel mixer, a Nauta mixer, a cutter mill, and other mixers.
上記のような表面処理剤を用いて表面処理を行う場合、有機溶媒を揮発させるために例えば40〜120℃に加熱して乾燥させた後、次工程の熱処理を施すのが好ましい。 When surface treatment is performed using the surface treatment agent as described above, it is preferable to perform heat treatment in the next step after drying by heating to, for example, 40 to 120 ° C. to evaporate the organic solvent.
(熱処理工程)
熱処理工程では、表面処理後のリチウム金属複合酸化物粉末を、酸素濃度20〜100%の雰囲気下において、700〜950℃温度(:炉内の焼成物に熱電対を接触させた場合の温度、すなわち品温を意味する。)を所定時間保持するように熱処理するのが好ましい。
このような熱処理により、有機溶媒を揮発させたり、表面処理剤の側鎖を分解させたりすることができると共に、表面処理剤中のアルミニウム又はチタン又はジルコニウムを、表面からより深層方向に拡散させることができ、寿命特性が向上すると共に、出力特性を同等若しくはそれ以上にすることができる。(Heat treatment process)
In the heat treatment step, the lithium metal composite oxide powder after the surface treatment is heated to a temperature of 700 to 950 ° C. (at the temperature when a thermocouple is brought into contact with the fired product in the furnace) under an atmosphere of oxygen concentration 20 to 100%. That is, it is preferable to perform heat treatment so as to hold the product temperature) for a predetermined time.
By such heat treatment, the organic solvent can be volatilized, side chains of the surface treatment agent can be decomposed, and aluminum or titanium or zirconium in the surface treatment agent can be diffused from the surface in a deeper direction. Thus, the life characteristics can be improved, and the output characteristics can be made equal or higher.
このような熱処理による効果をさらに高める観点から、熱処理工程における処理雰囲気は、酸素含有雰囲気であるのが好ましい。中でも、酸素濃度20〜100%の酸素含有雰囲気であるのが好ましく、中でも30%以上或いは100%以下、その中でも50%以上或いは100%以下、さらにその中でも70%以上或いは100%以下、さらにその中でも80%以上或いは100%以下である酸素含有雰囲気であるのがさらに好ましい。 From the viewpoint of further enhancing the effects of such heat treatment, the treatment atmosphere in the heat treatment step is preferably an oxygen-containing atmosphere. Among them, an oxygen-containing atmosphere having an oxygen concentration of 20 to 100% is preferable, among which 30% or more or 100% or less, among them 50% or more or 100% or less, further 70% or more or 100% or less Among them, an oxygen-containing atmosphere of 80% or more or 100% or less is more preferable.
また、熱処理工程における処理温度は、700〜950℃(:焼成炉内の焼成物に熱電対を接触させた場合の温度を意味する。)であるのが好ましい。熱処理温度が700℃以上であれば、リチウム金属複合酸化物と形成される表面層の結合をより一層強くすることでき、出力特性を高めることができる。他方、熱処理温度が950℃以下であれば、リチウム金属複合酸化物から酸素が放出されることを抑制してサイクル特性を維持することができる。かかる観点から、熱処理温度は700〜950℃であるのが好ましく、800℃より高くてもよく、中でも750℃以上或いは900℃以下、その中でも750℃以上或いは850℃以下であるのがさらに好ましい。 Moreover, it is preferable that the processing temperature in a heat treatment process is 700-950 degreeC (: The temperature at the time of making the baked product in a baking furnace contact a thermocouple.). When the heat treatment temperature is 700 ° C. or higher, the bond between the lithium metal composite oxide and the surface layer to be formed can be further strengthened, and the output characteristics can be enhanced. On the other hand, if the heat treatment temperature is 950 ° C. or lower, it is possible to suppress the release of oxygen from the lithium metal composite oxide and maintain the cycle characteristics. From this point of view, the heat treatment temperature is preferably 700 to 950 ° C., and may be higher than 800 ° C., more preferably 750 ° C. or more and 900 ° C. or less, and still more preferably 750 ° C. or more and 850 ° C. or less.
さらにまた、熱処理工程における処理時間は、処理温度にもよるが、0.5〜20時間であるのが好ましく、中でも1時間以上或いは10時間以下、その中でも3時間以上或いは10時間以下であるのがさらに好ましい。
炉の種類は特に限定するものではない。例えばロータリーキルン、静置炉、その他の焼成炉を用いて焼成することができる。Furthermore, the treatment time in the heat treatment step is preferably 0.5 to 20 hours, depending on the treatment temperature, and is preferably 1 hour or more and 10 hours or less, and more preferably 3 hours or more and 10 hours or less. Is more preferred.
The type of furnace is not particularly limited. For example, it can bake using a rotary kiln, a stationary furnace, and other baking furnaces.
前記熱処理工程後、解砕前後の比表面積(SSA)の変化率が100〜250%となる解砕強度で、リチウム金属複合酸化物粉末を解砕してもよい。
熱処理後の解砕は、表面処理の効果を保持するように、表面処理層の下の新生面が露出し過ぎないように行うのが良いという観点から、解砕前後の比表面積(SSA)の変化率が100〜200%であるのが好ましく、中でも100%以上或いは175%以下、その中でも100%以上或いは150%以下、その中でもさらに100%以上或いは125%以下となるように解砕するのが好ましい。After the heat treatment step, the lithium metal composite oxide powder may be crushed at a crushing strength such that the rate of change in specific surface area (SSA) before and after crushing is 100 to 250%.
Changes in the specific surface area (SSA) before and after crushing from the viewpoint that it is better to carry out crushing after heat treatment so that the new surface under the surface treatment layer is not exposed too much so as to retain the effect of surface treatment. The rate is preferably 100 to 200%, and more preferably 100% or more or 175% or less, among them 100% or more or 150% or less, and among them 100% or more or 125% or less. preferable.
このような解砕方法の好ましい一例として、相対方向に高速回転する粉砕板に取り付けられたピンにより粉砕する解砕装置(例えばピンミル)を使用して、回転数4000rpm〜10000rpm、中でも4000rpm以上或いは9000rpm以下、その中でも4000rpm以上或いは8000rpm以下で粉砕する方法を挙げることができる。 As a preferable example of such a crushing method, using a crusher (for example, a pin mill) crushed by a pin attached to a crushing plate rotating at a high speed in a relative direction, the rotation speed is 4000 rpm to 10000 rpm, and more preferably 4000 rpm or more or 9000 rpm Among them, a method of pulverizing at 4,000 rpm or more or 8,000 rpm or less can be mentioned.
(分級)
解砕後の分級は、凝集粉の粒度分布調整とともに異物除去という技術的意義があるため、好ましい大きさの目開きの篩を選択して分級するのが好ましい。(Classification)
Since classification after crushing has the technical significance of foreign particle removal as well as particle size distribution adjustment of agglomerated powder, it is preferable to select and classify a sieve with a mesh with a preferred size.
<特性・用途>
本製造方法で得られる本リチウム金属複合酸化物が有することができる共通の特徴として、リチウム金属複合酸化物粒子の表面をTEM観察した時の粒子の表面の全面または一部に、Al元素、Ti元素及びZr元素のうちの少なくとも一種が存在するリチウム金属複合酸化物粒子を含有し、比表面積(SSA)が0.2〜3m2/g、中でも0.2m2/g以上或いは2m2/g以下、その中でも0.2m2/g以上或いは1.0m2/g以下、その中でもさらに0.2m2/g或いは0.8m2/g以下である点を挙げることができる。
本リチウム金属複合酸化物は、Al元素、Ti元素及びZr元素のうちの少なくとも一種が粒子の表面層に存在することによって、リチウム二次電池の正極活物質として使用した場合に、電解液との反応を抑えて寿命特性が向上すると共に出力特性を同等若しくはそれ以上にすることができる。
よって、本リチウム金属複合酸化物は、リチウム二次電池の正極活物質として使用するのに好適であり、特に車載用の電池、特に電気自動車(EV:Electric Vehicle)やハイブリッド電気自動車(HEV:Hybrid Electric Vehicle)に搭載する電池の正極活物質として特に優れている。<Characteristics and application>
As a common feature that the present lithium metal complex oxide obtained by the present production method can have, an Al element, Ti, or the like on the entire surface or part of the surface of the lithium metal complex oxide particles observed by TEM. elements and containing at least lithium metal composite oxide particles kind exists of Zr elements, the specific surface area (SSA) is 0.2 to 3 2 / g, among others 0.2 m 2 / g or more or 2m 2 / g hereinafter, 0.2 m 2 / g or more or 1.0 m 2 / g or less among them, mention may be made of points even not greater than 0.2 m 2 / g or 0.8 m 2 / g among them.
When the lithium metal composite oxide of the present invention is used as a positive electrode active material of a lithium secondary battery by the presence of at least one of Al element, Ti element and Zr element in the surface layer of the particles, It is possible to suppress the reaction, improve the life characteristics, and make the output characteristics equal or more.
Therefore, the present lithium metal composite oxide is suitable for use as a positive electrode active material of a lithium secondary battery, and in particular, an on-vehicle battery, in particular an electric vehicle (EV: Electric Vehicle) or a hybrid electric vehicle (HEV: Hybrid) It is particularly excellent as a positive electrode active material of a battery mounted on an electric vehicle.
例えば、本リチウム金属複合酸化物粉体と、カーボンブラック等からなる導電材と、テフロン(テフロンは、米国DUPONT社の登録商標です。)バインダー等からなる結着剤と、を混合して正極合剤を製造することができる。そしてそのような正極合剤を正極に用い、例えば負極にはリチウムまたはカーボン等のリチウムを吸蔵・脱蔵できる材料を用い、非水系電解質には六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)等のリチウム塩をエチレンカーボネート−ジメチルカーボネート等の混合溶媒に溶解したものを用いてリチウム2次電池を構成することができる。但し、このような構成の電池に限定する意味ではない。For example, the lithium metal composite oxide powder, a conductive material made of carbon black and the like, and a binder made of Teflon (Teflon is a registered trademark of DUPONT in the US) binder and the like are mixed to form a positive electrode. Can be manufactured. Then, such a positive electrode mixture is used for the positive electrode, for example, a material capable of inserting and extracting lithium such as lithium or carbon is used for the negative electrode, and lithium such as lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) is used for the non-aqueous electrolyte. A lithium secondary battery can be configured using a salt dissolved in a mixed solvent such as ethylene carbonate-dimethyl carbonate. However, it does not mean to limit the battery to such a configuration.
本リチウム金属複合酸化物を正極活物質として備えたリチウム電池は、充放電を繰り返して使用した場合に優れた寿命特性(サイクル特性)を発揮することから、特に電気自動車(EV:Electric Vehicle)やハイブリッド電気自動車(HEV:Hybrid Electric Vehicle)に搭載するモータ駆動用電源として用いるリチウム電池の正極活物質の用途に特に優れている。 A lithium battery provided with the present lithium metal composite oxide as a positive electrode active material exhibits excellent life characteristics (cycle characteristics) when it is repeatedly used in charge and discharge, and in particular, it can be used as an electric vehicle (EV: Electric Vehicle) or It is particularly excellent in applications of a positive electrode active material of a lithium battery used as a power source for driving a motor mounted on a hybrid electric vehicle (HEV: Hybrid Electric Vehicle).
なお、「ハイブリッド自動車」とは、電気モータと内燃エンジンという2つの動力源を併用した自動車である。
また、「リチウム電池」とは、リチウム一次電池、リチウム二次電池、リチウムイオン二次電池、リチウムポリマー電池など、電池内にリチウム又はリチウムイオンを含有する電池を全て包含する意である。The "hybrid vehicle" is a vehicle using two power sources of an electric motor and an internal combustion engine in combination.
The term "lithium battery" is intended to encompass all batteries containing lithium or lithium ion in the battery, such as lithium primary batteries, lithium secondary batteries, lithium ion secondary batteries, and lithium polymer batteries.
<語句の説明>
本明細書において「X〜Y」(X,Yは任意の数字)と表現する場合、特にことわらない限り「X以上Y以下」の意と共に、「好ましくはXより大きい」或いは「好ましくはYより小さい」の意も包含する。
また、「X以上」(Xは任意の数字)或いは「Y以下」(Yは任意の数字)と表現した場合、「Xより大きいことが好ましい」或いは「Y未満であることが好ましい」旨の意図も包含する。<Explanation of the phrase>
In the present specification, when expressing as “X to Y” (X and Y are arbitrary numbers), “preferably greater than X” or “preferably Y” with the meaning of “X or more and Y or less” unless otherwise stated. Also includes the meaning of "smaller".
Also, when expressed as “X or more” (X is an arbitrary number) or “Y or less” (Y is an arbitrary number), “greater than X is preferable” or “preferably less than Y” It also includes the intention.
次に、実施例及び比較例に基づいて、本発明について更に説明する。但し、本発明が以下に示す実施例に限定されるものではない。 Next, the present invention will be further described based on examples and comparative examples. However, the present invention is not limited to the examples shown below.
<実施例1>
平均粒径(D50)7μmの炭酸リチウムと、平均粒径(D50)23μmで比表面積が40m2/gの電解二酸化マンガンと、平均粒径(D50)22μmの水酸化ニッケルと、平均粒径(D50)14μmのオキシ水酸化コバルトと、平均粒径(D50)1.4μmの水酸化アルミニウムとを、モル比でLi:Mn:Ni:Co:Al=1.05:0.27:0.46:0.21:0.01となるように秤量した。Example 1
Lithium carbonate having an average particle diameter (D50) of 7 μm, electrolytic manganese dioxide having an average particle diameter (D50) of 23 μm and a specific surface area of 40 m 2 / g, nickel hydroxide having an average particle diameter (D50) of 22 μm, D50) Cobalt oxyhydroxide of 14 μm and aluminum hydroxide of average particle diameter (D50) 1.4 μm, in a molar ratio of Li: Mn: Ni: Co: Al = 1.05: 0.27: 0.46 It weighed so that it might become: 0.21: 0.01.
イオン交換水中へ、分散剤としてポリカルボン酸アンモニウム塩水溶液(サンノプコ(株)製SNディスパーサント5468)を添加した。分散剤の添加量は水酸化ニッケルと水酸化アルミニウムに対して、6wt%になるようにした。
水酸化ニッケルと水酸化アルミニウムを、前述のイオン交換水中に加えて、混合攪拌して固形分濃度40wt%のスラリーを調製した。このスラリーを、湿式粉砕機(日本コークス製SC220/70A−VB−ZZ)を用いて1300rpm、60分間湿式粉砕し、平均粒径(D50)が0.56μm、最大粒径(Dmax)が1.9μmである粉砕スラリーを得た。
次いで、秤量しておいた電解二酸化マンガン、オキシ水酸化コバルト及び炭酸リチウムとイオン交換水とを、水酸化ニッケル及び水酸化アルミニウムを含む前記粉砕スラリーに加えて、固形分濃度60wt%のスラリーに調整した。その際、分散剤を、スラリー中の固形分量に対して6wt%となるように追加した。
そのスラリーを、上記と同じ湿式粉砕機を用いて1300rpm、50分間湿式粉砕して、平均粒径(D50)が0.45μm、最大粒径(Dmax)が1.6μmである混合粉砕スラリーを得た。
得られた混合粉砕スラリーを、熱噴霧乾燥機(スプレードライヤー、大川原化工機(株)製OC−16)を用いて造粒乾燥させた。この際、噴霧には2流体ノズルを用い、噴霧圧0.6MPa、スラリー供給量14kg/hr、乾燥塔の出口温度100〜110℃となるように、温度を調節して造粒乾燥を行なった。
得られた造粒粉を、静置式電気炉を用いて、大気雰囲気下700℃で5時間仮焼成した後、大気中910℃で20時間焼成した。An aqueous solution of polycarboxylic acid ammonium salt (SN Disperse 5468 manufactured by San Nopco Co., Ltd.) was added as a dispersant to ion exchange water. The amount of dispersant added was 6 wt% relative to nickel hydroxide and aluminum hydroxide.
Nickel hydroxide and aluminum hydroxide were added to the above-mentioned ion exchange water and mixed and stirred to prepare a slurry having a solid content concentration of 40 wt%. The slurry was wet-ground for 60 minutes at 1300 rpm using a wet crusher (SC220 / 70A-VB-ZZ manufactured by Nippon Coke), and the average particle size (D50) was 0.56 μm and the maximum particle size (Dmax) was 1. A ground slurry of 9 μm was obtained.
Subsequently, electrolytic manganese dioxide, cobalt oxyhydroxide and lithium carbonate, and ion-exchanged water, which have been weighed, are added to the above-mentioned pulverized slurry containing nickel hydroxide and aluminum hydroxide to adjust the slurry to a solid content concentration of 60 wt% did. At that time, a dispersant was added so as to be 6 wt% relative to the solid content in the slurry.
The slurry was wet milled at 1300 rpm for 50 minutes using the same wet mill as above to obtain a mixed mill slurry having an average particle size (D50) of 0.45 μm and a maximum particle size (Dmax) of 1.6 μm. The
The obtained mixed and ground slurry was granulated and dried using a thermal spray dryer (spray dryer, OC-16 manufactured by Ohkawara Kakohki Co., Ltd.). At this time, granulation drying was performed using a two-fluid nozzle for spraying, adjusting the temperature so that the spraying pressure was 0.6 MPa, the slurry supply amount was 14 kg / hr, and the outlet temperature of the drying tower was 100 to 110 ° C. .
The obtained granulated powder was calcined at 700 ° C. for 5 hours in the atmosphere using a stationary electric furnace for 5 hours, and then calcined at 910 ° C. in the atmosphere for 20 hours.
焼成して得られたリチウム金属複合酸化物粉末の、カールフィッシャー法により110〜300℃で測定される水分量は340ppmであった。
焼成して得られたリチウム金属複合酸化物粉末の化学分析を行った結果、リチウム金属複合酸化物粉体(サンプル)Li1.05Ni0.46Co0.21Mn0.27Al0.01O2であった。The water content of the lithium metal composite oxide powder obtained by firing, measured at 110 to 300 ° C. by the Karl-Fisher method, was 340 ppm.
Chemical analysis of the lithium metal composite oxide powder obtained by firing showed that lithium metal composite oxide powder (sample) Li 1.05 Ni 0.46 Co 0.21 Mn 0.27 Al 0.01 It was O 2 .
次に、表面処理剤としてのアルミニウムカップリング剤(味の素ファインテクノ株式会社 プレンアクトAL−M)3.0質量部と、溶媒としてのイソプロピルアルコール3.8質量部とを混合して、溶媒中にアルミニウムカップリング剤が分散してなるディスパージョンを調製した。その後、焼成して得られたリチウム金属複合酸化物粉末100質量部に対して、前記ディスパージョン6.8質量部を添加して、カッターミル(岩谷産業株式会社製ミルサー720G)を用いて混合した。
次に、大気下、100℃で1時間、乾燥器内に置いて乾燥を行った。その後、酸素濃度100%の雰囲気下で品温を770℃で5時間維持するように熱処理してリチウム金属複合酸化物粉末を得た。
熱処理して得られたリチウム金属複合酸化物を目開き53μmの篩で分級して、篩下のリチウム金属複合酸化物粉末(サンプル)を得た。Next, 3.0 parts by mass of an aluminum coupling agent (Ajinomoto Fine Techno Co., Ltd. Prenact AL-M) as a surface treatment agent and 3.8 parts by mass of isopropyl alcohol as a solvent are mixed, and aluminum is added to the solvent A dispersion in which the coupling agent was dispersed was prepared. Thereafter, 6.8 parts by mass of the dispersion was added to 100 parts by mass of the lithium metal composite oxide powder obtained by firing, and mixed using a cutter mill (Mircer 720G manufactured by Iwatani Sangyo Co., Ltd.) .
Next, drying was performed by placing in an oven at 100 ° C. for 1 hour in the atmosphere. Thereafter, heat treatment was performed so as to maintain the product temperature at 770 ° C. for 5 hours in an atmosphere with an oxygen concentration of 100% to obtain a lithium metal composite oxide powder.
The lithium metal composite oxide obtained by the heat treatment was classified with a sieve having an opening of 53 μm to obtain a lithium metal composite oxide powder (sample) under the sieve.
<実施例2>
実施例1において、表面処理後の熱処理温度を910℃に変更した以外、実施例1と同様にして、リチウム金属複合酸化物粉末(サンプル)を得た。Example 2
A lithium metal composite oxide powder (sample) was obtained in the same manner as in Example 1 except that the heat treatment temperature after the surface treatment was changed to 910 ° C. in Example 1.
<実施例3>
実施例1において、表面処理で使用したイソプロピルアルコールの量3.8質量部を5.0質量部に変更し、ディスパージョンの添加量6.8質量部を8.0質量部に変更し、さらに、表面処理後の熱処理条件を「酸素濃度50%の雰囲気下で品温を700℃で5時間維持するように熱処理する」に変更した以外、実施例1と同様にして、リチウム金属複合酸化物粉末(サンプル)を得た。Example 3
In Example 1, the amount 3.8 parts by mass of isopropyl alcohol used in the surface treatment is changed to 5.0 parts by mass, the amount of the added dispersion 6.8 parts by mass is changed to 8.0 parts by mass, and further In the same manner as in Example 1, except that the heat treatment conditions after the surface treatment were changed to “heat treatment so as to maintain the product temperature at 700 ° C. for 5 hours in an atmosphere with an oxygen concentration of 50%” A powder (sample) was obtained.
<実施例4>
実施例1において、表面処理で使用したアルミニウムカップリング剤の量3.0質量部を1.0質量部に変更し、イソプロピルアルコールの量3.8質量部を19.0質量部に変更し、さらに、ディスパージョンの添加量6.8質量部を20.0質量部に変更した以外、実施例1と同様にして、リチウム金属複合酸化物粉末(サンプル)を得た。Example 4
In Example 1, 3.0 parts by mass of the aluminum coupling agent used in the surface treatment is changed to 1.0 parts by mass, and 3.8 parts by mass of the isopropyl alcohol is changed to 19.0 parts by mass, Furthermore, a lithium metal composite oxide powder (sample) was obtained in the same manner as in Example 1 except that the addition amount of 6.8 parts by mass of the dispersion was changed to 20.0 parts by mass.
<実施例5>
実施例1において、表面処理で使用したアルミニウムカップリング剤の量3.0質量部を0.5質量部に変更し、イソプロピルアルコールの量3.8質量部を2.5質量部に変更し、さらにディスパージョンの添加量6.8質量部を3.0質量部に変更し、さらに表面処理後の熱処理温度を810℃に変更した以外、実施例1と同様にして、リチウム金属複合酸化物粉末(サンプル)を得た。Example 5
In Example 1, 3.0 parts by mass of the aluminum coupling agent used in the surface treatment is changed to 0.5 parts by mass, and 3.8 parts by mass of the isopropyl alcohol is changed to 2.5 parts by mass, Furthermore, a lithium metal composite oxide powder was prepared in the same manner as in Example 1, except that the amount of addition of the dispersion was changed to 3.0 parts by mass and the heat treatment temperature after surface treatment was changed to 810 ° C. (Sample) was obtained.
<実施例6>
実施例1において、表面処理で使用したアルミニウムカップリング剤の量3.0質量部を4.0質量部に変更し、イソプロピルアルコールの量3.8質量部を5.1質量部に変更し、ディスパージョンの添加量6.8質量部を9.1質量部に変更し、さらに、表面処理後の熱処理条件を「酸素濃度80%の雰囲気下で品温を770℃で5時間維持するように熱処理する」に変更した以外、実施例1と同様にして、リチウム金属複合酸化物粉末(サンプル)を得た。Example 6
In Example 1, 3.0 parts by mass of the aluminum coupling agent used in the surface treatment is changed to 4.0 parts by mass, and 3.8 parts by mass of the isopropyl alcohol is changed to 5.1 parts by mass, Change the 6.8 parts by mass addition of the dispersion to 9.1 parts by mass, and further, to maintain the material temperature at 770 ° C. for 5 hours under an atmosphere with an oxygen concentration of 80%. A lithium metal composite oxide powder (sample) was obtained in the same manner as in Example 1 except that the heat treatment was changed to "to perform heat treatment".
<実施例7>
実施例1において、表面処理で使用したアルミニウムカップリング剤3.0質量部を、チタンカップリング剤(味の素ファインテクノ株式会社 プレンアクトKR 46B)1.0質量部に変更し、イソプロピルアルコールの量3.8質量部を5.0質量部に変更し、さらにディスパージョンの添加量6.8質量部を6.0質量部に変更した以外、実施例1と同様にして、リチウム金属複合酸化物粉末(サンプル)を得た。Example 7
In Example 1, 3.0 parts by mass of the aluminum coupling agent used in the surface treatment was changed to 1.0 parts by mass of a titanium coupling agent (Ajinomoto Fine Techno Co., Ltd. Prenact KR 46B), and the amount of isopropyl alcohol3. Lithium metal composite oxide powder (in the same manner as in Example 1) except that 8 parts by mass was changed to 5.0 parts by mass, and further, the addition amount of dispersion was changed to 6.0 parts by mass. I got a sample).
<実施例8>
実施例1において、表面処理で使用したアルミニウムカップリング剤3.0質量部を、ジルコニウムカップリング剤(Kenrich Petrochemicals,Inc. Ken−React(登録商標) NZ(登録商標) 12)1.1質量部に変更し、イソプロピルアルコールの量3.8質量部を4.9質量部に変更し、さらにディスパージョンの添加量6.8質量部を6.0質量部に変更した以外、実施例1と同様にして、リチウム金属複合酸化物粉末(サンプル)を得た。Example 8
In Example 1, 3.0 parts by mass of the aluminum coupling agent used in the surface treatment was replaced with a zirconium coupling agent (Kenrich Petrochemicals, Inc. Ken-React®) NZ (registered trademark) 12) Modified to 1.1 parts by mass, changed 3.8 parts by mass of isopropyl alcohol to 4.9 parts by mass, and further changed 6.8 parts by mass of added amount of dispersion to 6.0 parts by mass A lithium metal composite oxide powder (sample) was obtained in the same manner as in Example 1 except for the above.
<比較例1>
分散剤としてのポリカルボン酸アンモニウム塩水溶液(サンノプコ(株)製SNディスパーサント5468)をイオン交換水へ添加した。分散剤の添加量は、後述するNi原料、Mn原料、Co原料、Li原料などの合計量に対して6wt%となるようにし、イオン交換水中へ十分に溶解混合させた。
平均粒径(D50)7μmの炭酸リチウムと、平均粒径(D50)23μmで比表面積が40m2/gの電解二酸化マンガンと、平均粒径(D50)22μmの水酸化ニッケルと、平均粒径(D50)14μmのオキシ水酸化コバルトとを、モル比でLi:Mn:Ni:Co=1.04:0.26:0.51:0.19となるように秤量し、固形分濃度50wt%のスラリーに調整し、湿式粉砕機で1300rpm、40分間粉砕して平均粒径(D50)を0.55μmとなるまで湿式粉砕した。
得られた粉砕スラリーを、熱噴霧乾燥機(スプレードライヤー、大川原化工機(株)製OC−16)を用いて造粒乾燥させた。この際、噴霧には回転ディスクを用い、回転数24000rpm、スラリー供給量20kg/hr、乾燥塔の出口温度100℃となるように温度を調節して造粒乾燥を行なった。
得られた造粒粉を、静置式電気炉を用いて、大気中450℃で仮焼を行った。続いて、仮焼粉を、静置式電気炉を用いて、大気中910℃で20時間焼成した。
焼成して得られた焼成塊を乳鉢に入れて解砕し、目開き53μmの篩で分級し、篩下のリチウム金属複合酸化物粉末(サンプル)を回収した。
回収したリチウム金属複合酸化物粉末(サンプル)の化学分析を行った結果、Li1.04Ni0.52Co0.19Mn0.25O2であった。Comparative Example 1
An aqueous solution of ammonium polycarboxylate as a dispersant (SN Disperse 5468 manufactured by San Nopco Co., Ltd.) was added to ion exchange water. The amount of the dispersant added was 6 wt% with respect to the total amount of Ni raw material, Mn raw material, Co raw material, Li raw material and the like described later, and was sufficiently dissolved and mixed in ion exchange water.
Lithium carbonate having an average particle diameter (D50) of 7 μm, electrolytic manganese dioxide having an average particle diameter (D50) of 23 μm and a specific surface area of 40 m 2 / g, nickel hydroxide having an average particle diameter (D50) of 22 μm, D50) Weigh 14 μm of cobalt oxyhydroxide to a molar ratio of Li: Mn: Ni: Co = 1.04: 0.26: 0.51: 0.19, and it has a solid content concentration of 50 wt% The slurry was adjusted to a slurry and milled with a wet mill for 40 minutes at 1300 rpm to wet mill it to an average particle size (D50) of 0.55 μm.
The ground slurry thus obtained was granulated and dried using a thermal spray dryer (spray dryer, OC-16 manufactured by Ohkawara Kakohki Co., Ltd.). At this time, granulation drying was performed using a rotating disk for spraying, adjusting the temperature so that the rotation speed was 24000 rpm, the amount of supplied slurry was 20 kg / hr, and the outlet temperature of the drying tower was 100 ° C.
The obtained granulated powder was calcined at 450 ° C. in the air using a stationary electric furnace. Subsequently, the calcined powder was fired at 910 ° C. in the atmosphere for 20 hours using a stationary electric furnace.
The fired mass obtained by firing was put in a mortar and crushed, and classified using a sieve with an opening of 53 μm to recover a lithium metal composite oxide powder (sample) under the sieve.
Chemical analysis of the result of the recovered lithium metal composite oxide powder (sample) was Li 1.04 Ni 0.52 Co 0.19 Mn 0.25 O 2.
<表面層の分析>
リチウム金属複合酸化物(サンプル)の粒子表面付近の断面を、透過型電子顕微鏡(日本電子株式会社製「JEM−ARM200F」)で観察すると共に、EDS(エネルギー分散型X線分析)で分析した。
この結果、実施例1及び2で得られたリチウム金属複合酸化物(サンプル)については、各粒子の表面にAl元素を多く含む層が存在していることを確認することができた。<Analysis of surface layer>
The cross section in the vicinity of the particle surface of the lithium metal composite oxide (sample) was observed with a transmission electron microscope ("JEM-ARM200F" manufactured by JEOL Ltd.) and analyzed by EDS (energy dispersive X-ray analysis).
As a result, with respect to the lithium metal composite oxides (samples) obtained in Examples 1 and 2, it was possible to confirm that a layer containing a large amount of Al element was present on the surface of each particle.
<D50の測定>
実施例及び比較例で得られたリチウム金属複合酸化物粉末(サンプル)について、レーザー回折粒子径分布測定装置用自動試料供給機(日機装株式会社製「Microtorac SDC」)を用い、リチウム金属複合酸化物粉末(サンプル)を水溶性溶媒に投入し、40%の流速中、40Wの超音波を360秒間照射した後、日機装株式会社製レーザー回折粒度分布測定機「MT3000II」を用いて粒度分布を測定し、得られた体積基準粒度分布のチャートからD50を求めた。
なお、測定の際の水溶性溶媒は60μmのフィルターを通し、溶媒屈折率を1.33、粒子透過性条件を透過、粒子屈折率2.46、形状を非球形とし、測定レンジを0.133〜704.0μm、測定時間を30秒とし、2回測定した平均値をD50とした。<D50 measurement>
A lithium metal composite oxide powder (sample) obtained in Examples and Comparative Examples was subjected to lithium metal composite oxide using an automatic sample feeder for laser diffraction particle size distribution measuring apparatus ("Microtorac SDC" manufactured by Nikkiso Co., Ltd.) The powder (sample) is introduced into a water-soluble solvent, and irradiated with 40 W ultrasonic waves for 360 seconds at a flow rate of 40%, and then the particle size distribution is measured using a laser diffraction particle size distribution analyzer "MT3000II" manufactured by Nikkiso Co., Ltd. D50 was determined from the obtained volume-based particle size distribution chart.
The water-soluble solvent used for measurement is a filter of 60 μm, solvent refractive index is 1.33, particle permeability is transmitted, particle refractive index is 2.46, shape is non-spherical, measurement range is 0.133. The measurement time was 30 seconds, and the average value measured twice was D50.
<比表面積の測定>
リチウム金属複合酸化物粉末(サンプル)0.5gを秤量し、流動方式ガス吸着法比表面積測定装置MONOSORB LOOP(ユアサアイオニクス株式会社製「製品名MS‐18」)用ガラスセルに入れて、前記MONOSORB LOOP用前処理装置にて、30mL/minのガス量で窒素ガスをフローさせながら、5分間ガラスセル内を置換した後、前記窒素ガス雰囲気中で250℃10分間、処理を行った。その後、前記MONOSORB LOOPを用い、サンプル(粉体)をBET一点法にて測定した。
なお、測定時の吸着ガスは、窒素30%:ヘリウム70%の混合ガスを用いた。<Measurement of specific surface area>
0.5 g of lithium metal complex oxide powder (sample) was weighed, and put into a glass cell for flow type gas adsorption method specific surface area measurement device MONOSORB LOOP (product name MS-18 manufactured by Yuasa Ionics Co., Ltd.), After displacing the inside of the glass cell for 5 minutes while flowing nitrogen gas with a gas amount of 30 mL / min in the pretreatment device for MONOSORB LOOP, treatment was performed in the nitrogen gas atmosphere at 250 ° C. for 10 minutes. Thereafter, using the MONOSORB LOOP, a sample (powder) was measured by the BET single-point method.
In addition, mixed gas of nitrogen 30%: helium 70% was used as the adsorption gas at the time of measurement.
<電池特性評価>
実施例及び比較例で得たリチウム金属複合酸化物粉末(サンプル)8.0gと、アセチレンブラック(電気化学工業製)1.0gとを正確に計り取り、10分間乳鉢で混合した。その後、NMP(N-メチルピロリドン)中にPVDF(キシダ化学製)12wt%溶解した液8.3gを正確に計り取り、そこにリチウム金属複合酸化物粉末とアセチレンブラックの混合物を加えてさらに混合した。その後、NMPを5ml加えて十分に混合し、ペーストを作製した。このペーストを集電体であるアルミ箔上にのせ、100μm〜280μmのギャップに調整したアプリケーターで塗膜化し、140℃一昼夜真空乾燥した後、線圧が0.3t/cm2になるようにロールプレスし、φ16mmで打ち抜き、正極とした。
電池作製直前に200℃で300min以上真空乾燥し、付着水分を除去し電池に組み込んだ。また、予めφ16mmのアルミ箔の重さの平均値を求めておき、正極の重さからアルミ箔の重さを差し引き正極合材の重さを求めた。また、リチウム金属複合酸化物粉体(正極活物質)とアセチレンブラック、PVDFの混合割合から正極活物質の含有量を求めた。
負極はφ19mm×厚み0.5mmの金属Liとし、電解液は、ECとDMCを3:7体積混合したものを溶媒とし、これに溶質としてLiPF6を1mol/L溶解させたものを用い、図1に示す電気化学評価用セルTOMCEL(登録商標)を作製した。<Battery characteristic evaluation>
8.0 g of lithium metal complex oxide powder (sample) obtained in Examples and Comparative Examples and 1.0 g of acetylene black (manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) were accurately measured and mixed in a mortar for 10 minutes. Thereafter, 8.3 g of a solution in which 12 wt% of PVDF (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) was dissolved in NMP (N-methylpyrrolidone) was accurately measured, to which a mixture of lithium metal composite oxide powder and acetylene black was added and further mixed . Thereafter, 5 ml of NMP was added and thoroughly mixed to prepare a paste. The paste is placed on an aluminum foil as a current collector, coated with an applicator adjusted to a gap of 100 μm to 280 μm, dried at 140 ° C. overnight under vacuum, and then rolled so that the linear pressure becomes 0.3 t / cm 2. It pressed, it pierced by (phi) 16 mm, and was set as the positive electrode.
Immediately before battery fabrication, vacuum drying was carried out at 200 ° C. for 300 minutes or more to remove attached moisture, and the battery was incorporated. In addition, an average value of the weight of the aluminum foil of φ 16 mm was obtained in advance, and the weight of the positive electrode mixture was calculated by subtracting the weight of the aluminum foil from the weight of the positive electrode. In addition, the content of the positive electrode active material was determined from the mixing ratio of the lithium metal composite oxide powder (positive electrode active material), acetylene black, and PVDF.
The negative electrode is a metal Li with a diameter of 19 mm and a thickness of 0.5 mm, and the electrolyte used is a mixture of EC and DMC in a volume of 3: 7 as a solvent, in which 1 mol / L of LiPF 6 is dissolved as a solute. An electrochemical evaluation cell TOMCEL (registered trademark) shown in 1 was produced.
(初期活性)
上記のようにして準備した電気化学用セルを用いて次に記述する方法で初期活性を行った。25℃にて0.2Cで4.3Vまで定電流定電位充電した後、0.2Cで3.0Vまで定電流放電した。これを2サイクル繰り返した。なお、実際に設定した電流値は正極中の正極活物質の含有量から算出した。(Initial activity)
Initial activation was performed by the method described below using the electrochemical cell prepared as described above. After performing constant current constant potential charge to 4.3 V at 0.2 ° C. at 25 ° C., constant current discharge was performed to 3.0 V at 0.2 C. This was repeated 2 cycles. The current value actually set was calculated from the content of the positive electrode active material in the positive electrode.
(高温サイクル寿命評価:45℃高温サイクル特性)
上記のようにして初期活性を行った後の電気化学用セルを用いて下記に記述する方法で充放電試験し、高温サイクル寿命特性を評価した。
電池を充放電する環境温度を45℃となるようにセットした環境試験機内にセルを入れ、充放電できるように準備し、セル温度が環境温度になるように4時間静置後、充放電範囲を4.3V〜3.0Vとし、充電は0.2C定電流定電位、放電は0.2C定電流で1サイクル充放電行った後、1Cにて充放電サイクルを40回行った。
40サイクル目の放電容量を2サイクル目の放電容量で割り算して求めた数値の百分率(%)を高温サイクル寿命特性値として求めた。
表1には、各実施例及び比較例の高温サイクル寿命特性値を、比較例1の高温サイクル寿命特性値を100とした場合の相対値として示した。(High temperature cycle life evaluation: 45 ° C high temperature cycle characteristics)
After the initial activation as described above, a charge / discharge test was performed by the method described below using the electrochemical cell to evaluate high temperature cycle life characteristics.
Place the cell in an environmental tester set to an environmental temperature of 45 ° C to charge and discharge the battery, prepare to be able to charge and discharge, stand for 4 hours so that the cell temperature becomes the environmental temperature, and then charge and discharge range The charge / discharge cycle was performed 40 times at 1 C after charge / discharge was performed at 0.2 C constant current constant potential and 0.2 C constant current for 1 cycle.
The percentage (%) of the value obtained by dividing the discharge capacity at the 40th cycle by the discharge capacity at the second cycle was determined as the high temperature cycle life characteristic value.
Table 1 shows the high temperature cycle life characteristic values of the respective examples and the comparative examples as relative values when the high temperature cycle life characteristic value of the comparative example 1 is 100.
(出力特性評価試験)
別途、初期活性を行った後の電気化学用セルを、25℃にてSOC50%に0.2Cで定電流充電した。充電後、3Cの電流値で10秒間放電して、充電後の電位から放電後の電位を引いたものを電位差とし、電位差を3Cの電流値で割ることによって抵抗値を求め、出力特性の指標とした。表1には、比較例1の抵抗値を100.0%とした場合の相対値(%)で示した。数値が小さいほど出力特性が向上したことを示す。(Output characteristic evaluation test)
Separately, the electrochemical cell after initial activation was subjected to constant current charging at 25 ° C. to a SOC of 50% at 0.2 C. After charging, discharge for 10 seconds at a current value of 3C, and after subtracting the potential after discharging from the potential after charging, the potential difference is divided by the current value of 3C to obtain the resistance value, and an indicator of output characteristics And Table 1 shows the relative value (%) when the resistance value of Comparative Example 1 is 100.0%. The smaller the numerical value, the better the output characteristics.
下記表1において、「(M/リチウム金属複合酸化物粉末)×100」とは、リチウム金属複合酸化物粉末のモル数に対する、表面処理剤中のアルミニウム、チタン及びジルコニウムの合計モル数の割合(M:Al、Ti,Zr)を意味し、「(M/Ni)×100」とは、リチウム金属複合酸化物粉末中のニッケルのモル数に対する、表面処理剤中のアルミニウム、チタン及びジルコニウムの合計モル数の割合(M:Al、Ti,Zr)}を意味し、「表面処理剤のディスパージョンの添加量」とは、表面処理剤を有機溶媒に分散させたディスパージョンのリチウム金属複合酸化物粉末100質量部に対する添加量を意味している。 In Table 1 below, “(M / lithium metal composite oxide powder) × 100” means the ratio of the total number of moles of aluminum, titanium and zirconium in the surface treatment agent to the number of moles of lithium metal composite oxide powder ( M: means Al, Ti, Zr), and “(M / Ni) × 100” means the sum of aluminum, titanium and zirconium in the surface treatment agent relative to the number of moles of nickel in the lithium metal composite oxide powder It means the ratio of the number of moles (M: Al, Ti, Zr)}, and the "addition amount of the surface treatment agent dispersion" means the lithium metal complex oxide of the dispersion in which the surface treatment agent is dispersed in an organic solvent It means the amount added to 100 parts by mass of the powder.
(考察)
上記の実施例のように、焼成後のリチウム金属複合酸化物粉末を、アルミニウム、チタン及びジルコニウムのうちの少なくとも一種を含有する表面処理剤もしくは表面処理剤を有機溶媒に分散させたディスパージョンを用いてリチウム金属複合酸化物粉末の表面処理をした後、酸素雰囲気下、好ましくは酸素濃度20〜100%の雰囲気下、温度700〜950℃下に保持するように熱処理したところ、リチウム金属複合酸化物粒子の表面に、アルミニウム、チタン及びジルコニウムのうちの少なくとも一種を含有する表面層を形成することができ、リチウム二次電池の正極活物質として使用した場合に、電解液との反応を抑えて寿命特性を向上できるとともに、出力特性を同等若しくはそれ以上にできることが分かった。(Discussion)
As in the above-described example, the sintered lithium metal complex oxide powder is dispersed in a surface treatment agent or a surface treatment agent containing at least one of aluminum, titanium and zirconium in an organic solvent. The surface treatment of the lithium metal composite oxide powder is followed by heat treatment so as to maintain the temperature at 700 to 950 ° C. in an oxygen atmosphere, preferably in an atmosphere with an oxygen concentration of 20 to 100%. A surface layer containing at least one of aluminum, titanium and zirconium can be formed on the surface of the particles, and when used as a positive electrode active material of a lithium secondary battery, the reaction with the electrolytic solution is suppressed to prolong the life It has been found that the characteristics can be improved and the output characteristics can be made equal or higher.
なお、上記の実施例は特定組成の層状結晶構造を有するリチウム金属複合酸化物についての実施例であるが、これまで本発明者が行ってきた試験結果や技術常識からすれば、層状結晶構造を有するリチウム金属複合酸化物は共通する課題を有しており、また、表面処理及び熱処理による影響も同様であるから、層状結晶構造を有するリチウム金属複合酸化物であれば、その組成にかかわらず、共通して同様の効果を得ることができるものと考えることができる。 The above example is an example of a lithium metal composite oxide having a layered crystal structure of a specific composition, but according to the test results and technical common sense the present inventor has conducted so far, the layered crystal structure is Since the lithium metal complex oxide which it has has a common subject, and the influence by surface treatment and heat treatment is also the same, if it is a lithium metal complex oxide which has layered crystal structure, regardless of the composition, It can be considered that the same effect can be obtained in common.
Claims (10)
前記熱処理工程では、表面処理後のリチウム金属複合酸化物粉末を、酸素濃度30〜100%の酸素含有雰囲気下、温度700〜950℃下に保持するように熱処理することを特徴とする、層状結晶構造を有するリチウム金属複合酸化物の製造方法。 A surface treatment step of surface-treating lithium metal complex oxide powder using an organometallic compound containing at least one of aluminum, titanium and zirconium, and heat treatment of lithium metal complex oxide powder after the surface treatment A method for producing a lithium metal composite oxide having a layered crystal structure, comprising a heat treatment step, comprising:
In the heat treatment step, the lithium metal complex oxide powder after the surface treatment is heat treated so as to be maintained at a temperature of 700 to 950 ° C. in an oxygen-containing atmosphere having an oxygen concentration of 30 to 100%. The manufacturing method of lithium metal complex oxide which has a structure.
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