JP6848181B2 - Positive electrode active material for non-aqueous electrolyte secondary battery and its manufacturing method, and non-aqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、非水系電解質二次電池用正極活物質とその製造方法、及び非水系電解質二次電池に関する。 The present invention relates to a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, a method for producing the same, and a non-aqueous electrolyte secondary battery.
近年、携帯電話やノート型コンピューターの高性能化及び急激な普及に伴って、これらに用いる二次電池に対して、小型、軽量化、高容量の要望が高まってきている。リチウム二次電池に代表される非水系電解質二次電池は、ニッケルカドミウム電池又はニッケル水素電池に比べて電池電圧が高く、高エネルギー密度であり、上記の分野で急速に普及している。また、非水系電解質二次電池は、最近の環境問題を背景に、電気自動車やハイブリッド自動車のモータ駆動用電源としても期待されている。特に、ハイブリッド自動車は、エネルギー貯蔵用の電池として高い出力密度を必要とし、これに用いられる非水系電解質二次電池は、高放電特性と高サイクル安定性が要求されている。 In recent years, with the increasing performance and rapid spread of mobile phones and notebook computers, there is an increasing demand for smaller size, lighter weight, and higher capacity secondary batteries used for these. Non-aqueous electrolyte secondary batteries typified by lithium secondary batteries have higher battery voltages and higher energy densities than nickel-cadmium batteries or nickel-hydrogen batteries, and are rapidly becoming widespread in the above fields. In addition, non-aqueous electrolyte secondary batteries are also expected as a power source for driving motors of electric vehicles and hybrid vehicles against the background of recent environmental problems. In particular, a hybrid vehicle requires a high output density as a battery for energy storage, and a non-aqueous electrolyte secondary battery used for this is required to have high discharge characteristics and high cycle stability.
非水系電解質二次電池の正極活物質には、α−NaFeO2構造を有するコバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、スピネル型構造を有するマンガン酸リチウム(LiMn2O4)などに代表されるようなリチウム遷移金属複合酸化物の粉体が主に用いられている。特に最近では、高容量を必要とするEV用途でニッケル酸リチウムに主としてコバルトとアルミニウムを添加した組成式LitNi1−x−yCoxMyO2(式中Mは、Mg、Al、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Zr、Nb、MoおよびWからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物が注目されている。これら正極活物質の合成は、一般にリチウム化合物(Li2CO3、LiOH等)粉末と遷移金属化合物(MnO2、NiO、Co3O4等)粉末を混合し、乾燥、焼成して得られたリチウム遷移金属酸化物を、解砕して正極活物質とする方法が広く採用されている。 The positive electrode active material of the non-aqueous electrolyte secondary battery includes lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) having an α-NaFeO 2 structure, lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), and lithium manganate having a spinel-type structure (LiMn 2 O 4 ). Lithium transition metal composite oxide powders such as those represented by the above are mainly used. Especially recently, composition formula LitNi1-x-yCoxMyO2 in which cobalt and aluminum are mainly added to lithium nickelate for EV applications requiring high capacity (M in the formula is Mg, Al, Ca, Ti, V, Cr, Mn). , Zr, Nb, Mo and at least one element selected from the group consisting of W), and lithium transition metal composite oxides are attracting attention. The synthesis of these positive electrode active materials was generally obtained by mixing lithium compound (Li 2 CO 3 , LiOH, etc.) powder and transition metal compound (MnO 2 , NiO, Co 3 O 4, etc.) powder, drying, and firing. A method of crushing a lithium transition metal oxide into a positive electrode active material has been widely adopted.
正極活物質の課題には幾つかあり、そのひとつとしてサイクル特性の改善が挙げられる。サイクル低下原因としては、充放電を繰り返すうちに正極活物質の表面は電解液との反応により一部分解され、正極活物質内の成分が溶け出して負極やセパレータ表面に付着し、充放電容量の低下を招く等、正極活物質の表面状態が電池のサイクル特性、放電特性に大きな影響を与えるといわれている。 There are several issues with the positive electrode active material, one of which is the improvement of cycle characteristics. The cause of the cycle decrease is that the surface of the positive electrode active material is partially decomposed by the reaction with the electrolytic solution during repeated charging and discharging, and the components in the positive electrode active material are dissolved and adhere to the negative electrode and separator surface, and the charge and discharge capacity is increased. It is said that the surface condition of the positive electrode active material has a great influence on the cycle characteristics and discharge characteristics of the battery, such as causing a decrease.
そこで、特許文献1では、サイクル特性を改善するため、組成式LixNiyMzO2(式中、Mは、Co、Alのうち少なくとも一種)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物に、Al、Mg、Sn、Ti、Zn、及びZrのうち少なくとも一つを含む有機金属化合物を添加して、機械的に解砕し、その後、400℃以上700℃以下の温度で熱処理を行って得られる正極活物質が提案されている。このように、複合酸化物の粒子表面に機械的な解砕により、有機金属化合物を付着させた後、高温処理して得られる正極活物質は、添加物(有機金属化合物)の効果により複合酸化物の粒子表面が安定化され、サイクル特性の改善がみられることが記載されている。
Therefore, in
特許文献2では、粒子表面のみの結晶構造の安定化させ、サイクル特性を改善するためにNi(OH)2とLiOHとAl(OH)3とを配合し、700℃の温度で5時間熱処理した後に、組成式LixNiyMzO2(式中、Mは、Co、Alのうち少なくとも一種)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物粒子の表面から0.5μm以上の内部領域にアルミニウムが高濃度層を形成させ、サイクル特性の改善がみられることが記載されている。 In Patent Document 2, Ni (OH) 2 , LiOH, and Al (OH) 3 were blended in order to stabilize the crystal structure of only the particle surface and improve the cycle characteristics, and heat-treated at a temperature of 700 ° C. for 5 hours. Later, aluminum forms a high-concentration layer in an internal region of 0.5 μm or more from the surface of the lithium transition metal composite oxide particles represented by the composition formula LixNiyMzO2 (in the formula, M is at least one of Co and Al). , It is described that the cycle characteristics are improved.
一方、サイクル以外の課題として、正極活物質を含むペースト状組成物(ペースト状組成物にはスラリー状組成物及びインク状組成物が含まれる。)が長期間保存するとゲル状になって、集電体上に均一に塗膜できなくなることが挙げられる。
非水系電解質二次電池は、通常、正極、負極およびセパレータを電池容器内に配置し、有機溶媒による非水系電解液を充たして構成されている。また、正極は、正極活物質を含むペースト状組成物を、アルミニウム箔等の集電体上に塗布し、加圧成形することにより製造され、電極材料が層状に形成された構造(以下、「正極合材層」という。)を形成する。
On the other hand, as a problem other than the cycle, when the paste-like composition containing the positive electrode active material (the paste-like composition includes a slurry-like composition and an ink-like composition) is stored for a long period of time, it becomes a gel and collects. It is possible that the coating film cannot be uniformly applied on the electric body.
A non-aqueous electrolyte secondary battery is usually configured by arranging a positive electrode, a negative electrode, and a separator in a battery container and filling the non-aqueous electrolyte solution with an organic solvent. Further, the positive electrode is manufactured by applying a paste-like composition containing a positive electrode active material on a current collector such as aluminum foil and pressure molding, and has a structure in which an electrode material is formed in layers (hereinafter, "" A positive electrode mixture layer ") is formed.
上記ペースト状組成物は、正極活物質に、重量比で数〜数十%程度の炭素粉等の導電剤を混ぜ、さらに、VDF(ポリフッ化ビリニデン)、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)等の結着材(バインダー)を混練して、製造される。このペースト状組成物を集電体箔上に厚み20〜100μmで塗布した後、ペースト状組成物が塗布された集電体箔を乾燥し、プレス(加圧成形)して、正極合材層を形成する。ここで、炭素粉等の導電剤は、集電体と正極活物質との間または活物質相互間の電気伝導を更に高めるため、正極活物質よりも電気伝導の高い材料としてよく使用される。 In the above paste-like composition, a conductive agent such as carbon powder having a weight ratio of several to several tens of percent is mixed with the positive electrode active material, and further, VDF (polyfluoride), PTFE (polytetrafluoroethylene) and the like are formed. Manufactured by kneading a paste (binder). After applying this paste-like composition on the current collector foil to a thickness of 20 to 100 μm, the current collector foil to which the paste-like composition is applied is dried and pressed (press molded) to form a positive electrode mixture layer. To form. Here, a conductive agent such as carbon powder is often used as a material having higher electrical conductivity than the positive electrode active material in order to further enhance the electrical conduction between the current collector and the positive electrode active material or between the active materials.
ところで、上記ペースト状組成物を調製する際に使用する溶媒には、水系溶媒(例えば、水)または水溶性の有機溶媒(例えば、N−メチルピロリドン)が採用されている(例えば、特許文献2)。そのため、溶媒の含有する水分により、正極活物質であるリチウム遷移金属複合酸化物の粒子表面からリチウムイオンが溶媒中に溶出し、組成物自体が強アルカリ性を呈することがある。このようにアルカリ性を呈する組成物では、ペースト状組成物に含まれる結着剤の分解、或いは結着剤の凝集(ゲル化)や正極活物質の凝集が発生することがある。また、湿度の高い場所で作業することで、外気から水分が流入し、ペースト状組成物がゲル化しやすい状況にある。 By the way, as the solvent used when preparing the paste-like composition, an aqueous solvent (for example, water) or a water-soluble organic solvent (for example, N-methylpyrrolidone) is adopted (for example, Patent Document 2). ). Therefore, due to the water content of the solvent, lithium ions may be eluted from the particle surface of the lithium transition metal composite oxide, which is the positive electrode active material, into the solvent, and the composition itself may exhibit strong alkalinity. In such an alkaline composition, decomposition of the binder contained in the paste-like composition, aggregation (gelation) of the binder, and aggregation of the positive electrode active material may occur. Further, by working in a place with high humidity, moisture flows in from the outside air, and the paste-like composition tends to gel.
このような結着剤などの分解や凝集は、ペースト状組成物の粘度の増加や接着力の低下を招き、さらには複合酸化物粉末の分散性が低下するため、集電体上に所望する厚みで均一な組成の正極合材層を形成することが困難となる場合がある。厚みや組成が不均一であると、充放電時における電池反応性が悪化し、さらには電池の内部抵抗の増加の原因ともなるため好ましくない。 Decomposition or aggregation of such a binder or the like causes an increase in the viscosity of the paste-like composition and a decrease in the adhesive force, and further reduces the dispersibility of the composite oxide powder, which is desired on the current collector. It may be difficult to form a positive electrode mixture layer having a uniform thickness and composition. If the thickness and composition are not uniform, the battery reactivity at the time of charging and discharging deteriorates, and further, it causes an increase in the internal resistance of the battery, which is not preferable.
そこで、特許文献3では、上記結着剤などの分解や凝集を抑制するため、LixNi1−yAyO2(0.98≦x≦1.06、0.05≦y≦0.30、AはCo、Alのうち少なくとも1種)で与えられ、5gを純水100g中に120分間撹拌混合した後、30秒間静置して得られる上澄みのpHが、25℃において12.7以下である非水電解質二次電池用正極活物質が提案されている。
Therefore, in
また、特許文献4では、正極活物質表面に、金属有機化合物とミセル化した界面活性剤とが分散して付着したゲル被膜を形成するゾルゲル工程と、上記ゾルゲル工程で得られた上記ゲル被膜を焼成することにより、上記界面活性剤を分解除去し、正極活物質表面にリチウムイオンの移動可能な細孔が形成された多孔性金属酸化物被覆層を形成する焼成工程と、を有することを特徴とする多孔性金属酸化物被覆正極活物質の製造方法が提案されている。 Further, in Patent Document 4, a solgel step of forming a gel film in which a metal organic compound and a micellar surfactant are dispersed and adhered to the surface of a positive electrode active material, and the gel film obtained in the solgel step are described. It is characterized by having a firing step of decomposing and removing the surfactant by firing to form a porous metal oxide coating layer in which movable pores of lithium ions are formed on the surface of the positive electrode active material. A method for producing a porous metal oxide-coated positive electrode active material has been proposed.
しかし、引用文献1に記載される複合酸化物粒子は、粒子表面が高濃度の添加物で安定化したことによりLi挿入/離脱が低下し、更に解砕時の粒子表面へのダメージから初期の充放電特性が低下してしまう。また引用文献2に記載される複合酸化物粒子は、表層部を添加元素で高濃度するために添加量を過剰に加える必要があるため、Li挿入/離脱が抑制されて充放電容量が低下する。これらの安定化した表層は緻密な層状にはなっていないため、Li溶出のための保護層として機能せずにゲル化を改善するには至らない。
However, in the composite oxide particles described in
一方、引用文献3に記載される正極活物質は、pHを制御することにより、耐ゲル化性が改善することが記載されているが、その具体的な製造方法に関しては言及されていない。また、特許文献4に記載される正極活物質の製造方法によれば、多孔性金属酸化物被覆層により電解液等との反応による正極活物質の劣化を効果的に抑制してサイクル特性を向上させることができることが記載されているが、正極合材層の製造に用いられるペーストにおける上記問題点に関しては検討されていない。
On the other hand, the positive electrode active material described in
すなわち、LiNiO2系の正極活物質で問題となっている充放電時のサイクル特性の劣化については、その従来の抑制方法として、充放電時の電解液との反応を抑制するために、正極活物質表面に全体を覆う程の厚みのある酸化物被覆膜を設けて粒子表面のバリア性を上げるか、粒子表面を異種元素と反応を起こさせて構造を変えて安定化させるものであった。しかし酸化物被覆膜を形成することの弊害として、酸化物被覆膜が充放電時のLi挿入/離脱を低下させるため、初期充放電容量が悪化する現象が起こってしまう。同様に粒子表面で異種元素と反応を起こさせて構造を変えても、初期充放電容量が悪化する。 That is, with regard to the deterioration of the cycle characteristics during charging and discharging, which is a problem with the LiNiO 2 system positive electrode active material, as a conventional method for suppressing the deterioration, the positive electrode activity is performed in order to suppress the reaction with the electrolytic solution during charging and discharging. An oxide coating film thick enough to cover the entire surface of the substance was provided to improve the barrier property of the particle surface, or the particle surface was reacted with different elements to change the structure and stabilize it. .. However, as an adverse effect of forming the oxide coating film, since the oxide coating film reduces Li insertion / discharge during charging / discharging, a phenomenon that the initial charge / discharging capacity deteriorates occurs. Similarly, even if the structure is changed by reacting with a different element on the particle surface, the initial charge / discharge capacity deteriorates.
一方、もうひとつの問題であるゲル化については、その従来からの抑制方法として、水との接触で起こるリチウムイオンの溶出を防ぐために、正極活物質表面全体を緻密な膜で覆い、粒子表面を保護するものであった。しかし緻密な膜を形成することの弊害としてはサイクル特性の時と同様に、緻密な膜が充放電時のLi挿入/離脱を低下させるため、初期充放電容量の悪化が起こってしまう。また粒子表面を異種元素と反応を起こさせて構造を変えても、従来の添加方法では表面の反応が局所的で有るため、緻密に表面全体を覆う層状とはならずにリチウムイオンの溶出を防ぐまでには至らない。 On the other hand, regarding gelation, which is another problem, as a conventional suppression method, in order to prevent the elution of lithium ions that occurs in contact with water, the entire surface of the positive electrode active material is covered with a dense film to cover the particle surface. It was to protect. However, as an adverse effect of forming a dense film, as in the case of cycle characteristics, the dense film reduces Li insertion / discharge during charging / discharging, resulting in deterioration of the initial charging / discharging capacity. Further, even if the particle surface is reacted with a different element to change the structure, the reaction on the surface is local in the conventional addition method, so that lithium ions are eluted without forming a layer that covers the entire surface densely. It cannot be prevented.
そこで、本発明は、前記複合酸化物粒子が本来持つ充放電特性などの初期電池性能を阻害せず、ペースト状組成物のゲル化を長期的に抑制するとともに、高いサイクル特性を有する二次電池を得ることができる非水系電解質二次電池用正極活物質及びそれらの簡便な製造方法とを提供することにある。 Therefore, the present invention does not impair the initial battery performance such as the charge / discharge characteristics inherent in the composite oxide particles, suppresses gelation of the paste-like composition for a long period of time, and has a secondary battery having high cycle characteristics. It is an object of the present invention to provide a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, and a simple method for producing the same.
本発明の第1の態様では、非水系電解質二次電池用正極活物質は、表面に配置される表層部とそれ以外の中心部とを有し、組成がLitNi1−x−yCoxM1 yM2 zO2+α(式中、M1は、Mg、Al、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Zr、Nb、MoおよびWからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素であり、M2は、Nbであり、1.01≦t≦1.20、0≦x≦0.22、0≦y≦0.15、0<z≦0.03、0≦α≦0.1を示す。)で表されるリチウムニッケル複合酸化物粒子からなり、M2は、表層部に含まれ、リチウムニッケル複合酸化物粒子の表面の少なくとも一部を被覆した被覆層をさらに有し、被覆層は、M 2 を表層部よりも高濃度で含む。 In a first aspect of the present invention, the positive active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, and a surface layer portion and the other central portion disposed on the surface, the composition is Li t Ni 1-x-y Co x M 1 y M 2 z O 2 + α (In the formula, M 1 is at least one element selected from the group consisting of Mg, Al, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Zr, Nb, Mo and W. M 2 is Nb, 1.01 ≦ t ≦ 1.20, 0 ≦ x ≦ 0.22, 0 ≦ y ≦ 0.15, 0 <z ≦ 0.03, 0 ≦ α ≦ 0 It is composed of lithium nickel composite oxide particles represented by (1), and M 2 further has a coating layer contained in the surface layer portion and covering at least a part of the surface of the lithium nickel composite oxide particles. , The coating layer contains M 2 at a higher concentration than the surface layer portion .
また、M2は、その粒子表面から中心へ向かう方向において、その濃度が低くなるような濃度勾配を有してもよい。また、前記M2の少なくとも一部は、前記複合酸化物粒子中のNi、Coの少なくとも一部と反応して生成物を形成してなってもよい。また、生成物の少なくとも一部は、組成式AB2O4(Aは、NiおよびCoのうち少なくとも1種の金属元素であり、Bは、M2である。)で表されるスピネル型結晶相からなってもよい。また、表層部の厚みが、10nm以上100nm以下であってもよい。 Further, M 2 may have a concentration gradient such that its concentration decreases in the direction from the particle surface toward the center. Further, at least a part of the M 2 may react with at least a part of Ni and Co in the composite oxide particles to form a product. Further, at least a part of the product is a spinel-type crystal represented by the composition formula AB 2 O 4 (A is at least one metal element of Ni and Co, and B is M 2). It may consist of phases. Further, the thickness of the surface layer portion may be 10 nm or more and 100 nm or less.
本発明の他の態様では、非水系電解質二次電池用正極活物質は、表面に配置される表層部とそれ以外の中心部とを有し、組成がLi t Ni 1−x−y Co x M 1 y M 2 z O 2+α (式中、M 1 は、Mg、Al、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Zr、Nb、MoおよびWからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素であり、M 2 は、Al及びNbのうち少なくとも一種の元素であり、1.01≦t≦1.20、0≦x≦0.22、0≦y≦0.15、0<z≦0.03、0≦α≦0.1を示す。)で表されるリチウムニッケル複合酸化物粒子からなり、前記M 2 は、前記表層部に含まれ、M 2 の少なくとも一部は、前記複合酸化物粒子中のNi、Coの少なくとも一部と反応して生成物を形成してなり、前記生成物の少なくとも一部は、組成式AB 2 O 4 (Aは、NiおよびCoのうち少なくとも1種の金属元素であり、Bは、M 2 である。)で表されるスピネル型結晶相からなる。
また、M 2 は、その粒子表面から中心へ向かう方向において、その濃度が低くなるような濃度勾配を有してもよい。また、表層部の厚みが、10nm以上100nm以下であってもよい。また、正極活物質は、リチウムニッケル複合酸化物粒子の表面の少なくとも一部を被覆した被覆層をさらに有し、被覆層は、M2を前記表層部よりも高濃度で含んでもよい。また、被覆層は、平均粒径1nm以上20nm以下の微粒子を含んでもよい。また、Al又はNbの含有量が、正極活物質全体に対して、0.02質量%以上3.0質量%以下の範囲にあってもよい。また、正極活物質は、X線回折のリートベルト解析により求められるa軸長さが2.8647Å以上2.8655Å以下、c軸長さが14.1801Å以上14.890Å以下であってもよい。また、被覆層の厚みが、0.1nm以上20nm以下であってもよい。また、正極活物質0.1gを24℃の純水50mlに加えた後、10分間撹拌したスラリーのpHが11.2以下であり、正極活物質9.5gと、バインダーとしてフッ化ビニリデン(PVDF)0.5g、溶剤としてN−メチル−2−ピロリジノン(NMP)5.5g、さらに水0.2gを加えて自公転練り込み機によりスラリー状にした後、24℃で3日間静止保管してもゲル化しなくてもよい。
In another aspect of the present invention, the non-aqueous electrolyte positive electrode active material for secondary batteries, and a surface layer portion and the other central portion disposed on the surface, the composition is Li t Ni 1-x-y Co x M 1 y M 2 z O 2 + α (In the formula, M 1 is at least one element selected from the group consisting of Mg, Al, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Zr, Nb, Mo and W. Yes, M 2 is at least one element of Al and Nb, 1.01 ≦ t ≦ 1.20, 0 ≦ x ≦ 0.22, 0 ≦ y ≦ 0.15, 0 <z ≦ 0. It is composed of lithium nickel composite oxide particles represented by 03, 0 ≦ α ≦ 0.1), the M 2 is contained in the surface layer portion, and at least a part of the M 2 is the composite oxide. A product is formed by reacting with at least a part of Ni and Co in the particles, and at least a part of the product is composed of composition formula AB 2 O 4 (A is at least one of Ni and Co). a metallic element, B is made of a spinel-type crystal phase represented by a M 2.).
Further, M 2 may have a concentration gradient such that its concentration decreases in the direction from the particle surface toward the center. Further, the thickness of the surface layer portion may be 10 nm or more and 100 nm or less. Further, the positive electrode active material further has a coating layer covering at least a part of the surface of the lithium nickel composite oxide particles, and the coating layer may contain M 2 at a higher concentration than the surface layer portion. Further, the coating layer may contain fine particles having an average particle size of 1 nm or more and 20 nm or less. Further, the content of Al or Nb may be in the range of 0.02% by mass or more and 3.0% by mass or less with respect to the entire positive electrode active material. Further, the positive electrode active material may have an a-axis length of 2.8647 Å or more and 2.8655 Å or less and a c-axis length of 14.1801 Å or more and 14.890 Å or less, which are determined by Rietveld analysis of X-ray diffraction. Further, the thickness of the coating layer may be 0.1 nm or more and 20 nm or less. Further, after adding 0.1 g of the positive electrode active material to 50 ml of pure water at 24 ° C., the pH of the slurry stirred for 10 minutes was 11.2 or less, and 9.5 g of the positive electrode active material and vinylidene fluoride (PVDF) as a binder were used. ) 0.5 g, 5.5 g of N-methyl-2-pyrrolidinone (NMP) as a solvent, and 0.2 g of water are added to make a slurry by a self-revolving kneading machine, and then the mixture is stored statically at 24 ° C. for 3 days. Does not have to be gelled.
本発明の第2の態様では、表面に配置される表層部とそれ以外の中心部とを有し、組成がLi t Ni 1−x−y Co x M 1 y M 2 z O 2+α (式中、M 1 は、Mg、Al、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Zr、Nb、MoおよびWからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素であり、M 2 は、Al及びNbのうち少なくとも1種の元素であり、1.01≦t≦1.20、0≦x≦0.22、0≦y≦0.15、0<z≦0.03、0≦α≦0.1を示す。)で表されるリチウムニッケル複合酸化物粒子からなり、前記M 2 は、前記表層部に含まれる、非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法は、Al及びNbのうち少なくとも1種を含む金属アルコキシドのモノマー又はそのオリゴマーと、有機溶媒と、を混合し混合液を得た後、混合液にキレート剤を添加して被覆液を得ることと、リチウムニッケル複合酸化物粒子に、被覆液を混合し又は噴霧して、リチウムニッケル複合酸化物粒子の表面に膜厚が3nm以上100nm以下の被覆層前駆体を形成することと、被覆層前駆体を形成した複合酸化物粒子を350℃以上700℃以下の酸素雰囲気中で熱処理することと、を含む。
In a second aspect of the present invention, and a surface layer portion and the other central portion disposed on the surface, the composition is Li t Ni 1-x-y Co x M 1 y M 2
被覆液は、Al及びNbのうち少なくとも1種を含む金属アルコキシドのモノマー又はそのオリゴマーと、有機溶媒と、を混合して混合液を得た後、混合液にキレート剤を添加し、その後、水を添加して得られ、被覆液は、平均粒径D50が1nm以上20nm以下の微粒子を分散させてなることができる。被覆層前駆体は、前記母材の表面に非連続的に多孔質かつ島状に形成され、透過型電子顕微鏡の断面観察より測定される被覆面積が母材の表面積の80%以上95%以下であってもよい。熱処理は、被覆層前駆体を形成した複合酸化物粒子を、[混合物量(g)/炉容積(L)]×酸素ガス導入量(L/分)によって求められる値が33g/分以上1333g/分以下の範囲内で制御した雰囲気で行ってもよい。また、表層部は、組成がLitNi 1−x−y Co x MyO 2 (式中、Mは、Mg、Al、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Zr、Nb、MoおよびWからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素であり、1.01≦t≦1.20、0≦x≦0.22、0≦y≦0.15)で表されるリチウムニッケル複合酸化物粒子からなる母材の表面上に、Al及びNbのうち少なくとも一種を含む前記被覆層前駆体を形成した後、熱処理により前記被覆層前駆体と前記母材の粒子界面とを反応して形成されてもよい。また、正極活物質は、電圧範囲3.0V−4.3V、レート0.5Cによる放電容量が、母材の初期放電容量に対して±3%以内の範囲であってもよい。また、正極活物質は、充電電位4.1Vで充電して交流インピーダンス法により測定して、得たナイキストプロットから算出された界面抵抗値(Ω)が、前記母材の界面抵抗値に対して2倍以下の範囲であってもよい。 The coating liquid is obtained by mixing a metal alkoxide monomer or an oligomer thereof containing at least one of Al and Nb with an organic solvent to obtain a mixed liquid, then adding a chelating agent to the mixed liquid, and then adding water. The coating liquid can be obtained by dispersing fine particles having an average particle size D50 of 1 nm or more and 20 nm or less. The coating layer precursor is discontinuously formed in a porous and island shape on the surface of the base material, and the covering area measured by cross-sectional observation with a transmission electron microscope is 80% or more and 95% or less of the surface area of the base material. It may be. In the heat treatment, the value obtained by [mixture amount (g) / furnace volume (L)] × oxygen gas introduction amount (L / min) of the composite oxide particles forming the coating layer precursor is 33 g / min or more and 1333 g / min. It may be performed in a controlled atmosphere within the range of minutes or less. Further, the surface layer portion is composed of LitNi 1-xy Co x MyO 2 (in the formula, M is from the group consisting of Mg, Al, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Zr, Nb, Mo and W. A mother composed of lithium nickel composite oxide particles which are at least one selected element and are represented by 1.01 ≦ t ≦ 1.20, 0 ≦ x ≦ 0.22, 0 ≦ y ≦ 0.15). After forming the coating layer precursor containing at least one of Al and Nb on the surface of the material, it may be formed by reacting the coating layer precursor with the particle interface of the base material by heat treatment. Further, the positive electrode active material may have a discharge capacity of 3.0 V-4.3 V and a rate of 0.5 C within ± 3% of the initial discharge capacity of the base material. Further, the positive electrode active material is charged at a charging potential of 4.1 V, measured by the AC impedance method, and the interfacial resistance value (Ω) calculated from the obtained Nyquist plot is relative to the interfacial resistance value of the base material. It may be in the range of 2 times or less.
本発明の第3の態様では、非水系電解質二次電池は、上記の非水系電解質二次電池用正極活物質を含む正極を備える。 In the third aspect of the present invention, the non-aqueous electrolyte secondary battery includes a positive electrode containing the positive electrode active material for the non-aqueous electrolyte secondary battery described above.
本発明の非水系電解質二次電池用正極活物質は、リチウムニッケル複合酸化物の表面にAl及びNbのうち少なくとも一種を過剰に含む表層部を有し、従来のリチウムニッケル複合酸化物粒子が有する初期電池性能が同程度に維持され、かつ、ペースト状組成物のゲル化が抑制される。また、外気の湿度の影響を受け難いため、二次電池作製時にドライルーム等の湿気を軽減した場所で作業しなくとも、ペースト状組成物のゲル化が抑制され、二次電池作製の作業工程中のハンドリング性が改善される。また、この非水系電解質二次電池用正極活物質を用いた二次電池は、高いサイクル特性を有するために、電池寿命が長くなり実用性も向上する。 The positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention has a surface layer portion containing at least one of Al and Nb in excess on the surface of a lithium nickel composite oxide, and is contained in conventional lithium nickel composite oxide particles. The initial battery performance is maintained at the same level, and gelation of the paste-like composition is suppressed. In addition, since it is not easily affected by the humidity of the outside air, gelation of the paste-like composition is suppressed even if the work is not performed in a place where the humidity is reduced, such as in a dry room, when the secondary battery is manufactured. The handleability inside is improved. Further, since the secondary battery using the positive electrode active material for the non-aqueous electrolyte secondary battery has high cycle characteristics, the battery life is extended and the practicality is also improved.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。また、図面においては、各構成をわかりやすくするために、一部を強調して、あるいは一部を簡略化して表しており、実際の構造または形状、縮尺等が異なっている場合がある。以下、本実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Further, in the drawings, in order to make each configuration easy to understand, a part is emphasized or a part is simplified, and the actual structure or shape, scale, etc. may be different. Hereinafter, this embodiment will be described.
1.非水系電解質二次電池用正極活物質とその製造方法
図1は、本実施形態に係る非水系電解質二次電池用正極活物質1(以下、単に「正極活物質」ともいう。)の一例を示す模式図である。図1(A)に示すように、正極活物質1は、リチウムニッケル複合酸化物粒子2(以下、単に「複合酸化物粒子2」ともいう。)からなり、複合酸化物粒子2は、その表面を含む表層部3と、それ以外の中心部4とを有する。表層部3は、後述するように、従来公知の複合酸化物粒子の表面の少なくとも一部を改質して形成され、Al及びNbのうち少なくとも1種の元素を含む。表層部3は、
複合酸化物粒子2内への水分の侵入を遮断することができ、正極活物質1のゲル化の抑制と、放電容量の維持及びサイクル特性の改善と、を両立することを可能とする。
1. 1. Positive Electrode Active Material for Non-Aqueous Electrolyte Secondary Battery and Its Manufacturing Method FIG. 1 shows an example of positive electrode
It is possible to block the invasion of water into the
また、複合酸化物粒子2は、図1(B)及び図1(C)に示すように、複合酸化物の粒子2の表面の少なくとも一部を被覆した被覆層5を有してもよい。被覆層5は、Al又はNbを表層部3よりも高濃度で含む。被覆層5は、例えば、平均粒径1nm以上20nmの微粒子を含む。これにより、充放電時のLiイオンの挿入/離脱を阻害することなく、複合酸化物粒子2内への水分の侵入を遮断することができる。また、被覆層5は、図1(B)に示すように、複合酸化物粒子2の表面の一部に形成されてもよい。また、図1(C)に示すように、複合酸化物粒子2の表面全体に均一に形成されてもよい。
Further, as shown in FIGS. 1B and 1C, the
複合酸化物粒子2は、この粒子全体の組成がLitNi1−x−yCoxM1 yM2 zO2+α(式中M1は、Mg、Al、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Zr、Nb、MoおよびWからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素であり、M2は、Nb及びAlのうち少なくとも1種の元素であり、1.01≦t≦1.20、0≦x≦0.22、0≦y≦0.15、0<z≦0.03、0≦α≦0.1)で表される。上記組成の金属元素は、ICP発光分光分析により測定できる。また、酸素は層状化合物を構成する元素であり、金属元素の組成によってその組成が決まるものであるが、通常起こりうる酸素の欠損や過剰が生じることによる上記組成の範囲内の変動を含む。
The composition of the
上記複合酸化物粒子2の組成において、Liの組成比を示すtの下限は、1.01以上であり、好ましくは1.02以上である。複合酸化物粒子2中のLi量はM2を除いた層状化合物(LitNi1−x−yCoxM1 yO2+α)の化学量論組成より過剰に検出される。tの上限は、1.20以下であり、好ましくは1.08以下である。上記複合酸化物粒子2の組成において、Coの組成比を示すxの値は0≦x≦0.22であり、正極活物質1を用いた二次電池における高容量化とサイクル特性改善の観点から、好ましくは0.05≦x≦0.20である。
In the composition of the
上記複合酸化物粒子2の組成において、M1は、Mg、Al、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Zr、Nb、MoおよびWからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素であり、正極活物質の熱安定性の観点から、少なくともAlを含むことが好ましく、M1の組成比を示すyの値は0≦y≦0.15であり、好ましくは0.01≦y≦0.10、より好ましくは0.02≦y≦0.06である。yは、後述するように、正極活物質1の原料である母材6中の添加金属M1の組成比と同様の値を示す。
In the composition of the
上記複合酸化物粒子2の組成において、M2は、Nb及びAlのうち少なくとも1種の元素であり、M2の組成比を示すzは0を超え0.03以下、好ましくは、0.0001≦z≦0.025である。M2は、表層部3に含まれる。表層部3に含まれるM2の少なくとも一部は、複合酸化物粒子2中のLi、Ni、Coの少なくとも一部と反応して生成物を形成してもよい。また、M2は、被覆層5に含まれてもよい。被覆層5に含まれるM2の少なくとも一部は、複合酸化物粒子2中のNi、Coの少なくとも一部と反応して生成物を形成してもよい。M2は、後述する被覆層前駆体7に含まれるNb及びAlに由来する元素である。
In the composition of the
正極活物質1全体に対する、Nb及びAlの含有量は、その下限が好ましくは0.02質量%以上であり、より好ましくは0.05質量%以上である。また、Nb及びAlの含有量は、その上限が好ましくは3.0質量%以下であり、より好ましくは2.0質量%以下、さらに好ましくは1.5質量%以下である。これにより水分との接触を抑制することができるだけでなく、充放電中の電解液と粒子表面との反応が抑制されるため、容量維持率の低下、交流インピーダンス法による界面抵抗値の上昇抑制等、電池特性への効果も発揮される。正極活物質1中に含まれるAl、Nb量が0.02質量%未満である場合は、表層部3の厚み(面積)が少なくなり、表層部3が不均一に形成され、耐水性や電池特性が改善しないことがある。一方、正極活物質1中に含まれるAl、Nb量が3.0質量%を超える場合、後述するように、正極活物質1の製造過程において、被覆層前駆体7を非常に厚く形成しなければならず、作製に時間が掛かるため、生産性が低下したり、被覆層の密着性が低下したりする等の問題が生じる。Nb及びAlの含有量は、ICP発光分光分析により測定できる。
The lower limit of the contents of Nb and Al with respect to the entire positive electrode
図2(A)〜(C)は、正極活物質1の製造方法の一例を示す模式図である。図2(A)は、正極活物質の母材6となるリチウムニッケル複合酸化物粒子を示す。母材6は、組成がLitNi1−x−yCoxM1 yO2(式中、M1は、Mg、Al、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Zr、Nb、MoおよびWからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素、1.01≦t≦1.20、0≦x≦0.22、0≦y≦0.15)で表され、Li量が化学量論組成より過剰に含まれている。
2 (A) to 2 (C) are schematic views showing an example of a method for producing the positive electrode
上記母材6の組成において、Li量は、1.01≦t≦1.20であり、好ましくは1.02≦t≦1.08である。母材6中のLi量が不足した場合、例えば、上記母材の組成式中のLi量がt≦1.00である場合、母材6中のLiの一部が、後述する被覆層前駆体7との反応に奪われて、正極活物質1の電池特性が低下してしまう場合がある。これを回避するため、予め母材6中のLi量を過剰にしておき、Li化合物相を形成しても電池特性が低下しないようにする。ただし、Li量が多すぎる場合、例えば、t>1.20となると、熱処理の際、リチウムの溶出及び揮発が活発となり、熱処理条件の制御が困難となる。
In the composition of the
上記母材6の組成において、xの値は、正極活物質1を用いた二次電池における高容量化とサイクル特性改善の観点から、好ましくは0.05≦x≦0.20である。上記母材6の組成において、M1は、M1は、Mg、Al、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Zr、Nb、MoおよびWからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素であり、正極活物質の熱安定性の観点から、少なくともAlを含むことが好ましい。また、yの値は、好ましくは0.01≦y≦0.10、より好ましくは0.02≦y≦0.06である。なお、上述した複合酸化物粒子2の組成おけるM1と、上記母材6の組成におけるM1は同一の元素を示す。
In the composition of the
図2(B)は、Al及びNbのうち少なくとも一種を含む被覆層前駆体7をその表面に有する母材6を示す。被覆層前駆体7を有する母材6を熱処理することにより、図2(C)に示すような正極活物質1が得られる。正極活物質1は、母材6中のLi成分と被覆層前駆体7に含まれる成分が400℃近傍(例えば、350℃以上)から反応し、Li化合物相を一旦、生成した後、より高温に晒されることで表層部4が形成する過程を経ると考えられる。例えば、被覆層前駆体7を600℃まで加熱した際、正極活物質1の表面にはSEMまたはSTEM観察により、平均粒径20nm以下の微粒子の生成が確認できる。正極活物質1粒子表面が被覆層前駆体7との反応により微細組織化され、表面に凹凸が生じる。これにより、正極活物質1の比表面積は、被覆前の母材6の表面積に比べて1.2倍以上1.8倍以下に増加する。比表面積が増加した場合、電池セルによる評価の際の電解液との接触が高まり、充放電時でのLi挿入離脱が活発化することが可能となり、放電容量は被覆処理前と同等並に維持することができる。さらに、後述するように反応の一部で母相中のNi,またはCo成分と反応相を有するために、サイクル特性等の電池特性ばかりで無く、耐水性が高い安定した表面状態に改質される。なお、平均粒径は、個数平均を示し、粒子断面を透過型電子顕微鏡(TEM)または球面収差補正走査透過型電子顕微鏡(Cs−TEM)により直接観察して測定した。
FIG. 2B shows a
これにより、表層部3は、その粒子表面から中心へ向かう放射方向において、Al及びNbのうち少なくとも一種の濃度が低くなるような濃度勾配を有する。
As a result, the
また、前述したように、複合酸化物粒子2の表面に被覆層5を有してもよい。被覆層5は、被覆層前駆体7に由来し、熱処理後も複合酸化物粒子2内部に拡散せず、その表面に残った層である。被覆層5の厚みは、例えば、0.1nm以上150nm以下であり、好ましくは、0.5nm以上80nmである。また、被覆層5が、微粒子の形成がなく薄膜状の形態を有する場合、この形態の厚さは、好ましくは0.1nm以上20nm以下である。
Further, as described above, the
表層部3のAl又はNbの分布(濃度)は、重要であり、正極活物質1の最表面のAl又はNbの濃度が高すぎず、複合酸化物粒子2の最表面から内部に掛けてはAl又はNbの濃度が低すぎても、上記した効果は達成できない。複合酸化物粒子2の最表面におけるAl又はNbの濃度が高すぎる場合、被覆層前駆体7の母材6の表面(粒子界面)との反応による拡散が十分行われず、得られた正極活物質1の表面のみに抵抗の高いAl又はNbを含む酸化物が存在することを示す。このため、この正極活物質を二次電池に用いた場合、界面抵抗は高く維持され、初期放電容量は改善しない。また、最表面におけるAl又はNbの濃度が高すぎる場合、熱拡散が進んでいないために表層部3におけるAl又はNb濃度が低いことを示す。
The distribution (concentration) of Al or Nb in the
例えば、表層部3におけるAl又はNbの分布(濃度)は、正極活物質1の製造過程の観察により確認できる。正極活物質1の製造過程において、断面TEM観察により、被覆層前駆体7(熱処理後の被覆層5)の膜厚が、熱処理後に、減少する又は被覆層前駆体5の消失する様子を観察することにより、間接的に確認できる。また、製造過程において、TEM―EDS面分析により、被覆層前駆体7(熱処理後の被覆層5)のAl又はNbの高濃度部分が、熱処理後、反応により減少する様子を観察することにより、間接的に確認できる。
For example, the distribution (concentration) of Al or Nb in the
なお、被覆層前駆体7の膜厚が数nmである場合、反応後の様子を断面TEM観察やTEM―EDS面分析により観察しても、感度の問題から、表層部4が形成される様子は把握することができないことがある。この場合には、TEM―EELSにより、表層部3における細部の反応を観察し、表層部3におけるAl及びNbの存在を確認することができる。なお、表層部は、Al又はNbが、その粒子表面から中心へ向かう方向において、その濃度が低くなるような濃度勾配を有する部位をいい、表層部の厚みは、例えば、10nm以上100nm以下とすることができる。
When the film thickness of the
被覆層前駆体7は、後述するように、母材6を、Al、Nbからなる少なくとも1種の元素を含んだ金属アルコキシドを含む被覆液(例えば、図3参照)又はこの金属アルコキシドを加水分解して生じた水酸化物からなる微粒子を含む被覆液(例えば、図4参照)に、浸漬する又は母材6の表面に噴霧する、ことにより形成される。
As will be described later, the
被覆層前駆体7の厚み(層厚)は、3nm以上100nm以下とすることが好ましく、これにより熱処理後に表層を生成することができる。被覆層前駆体7の厚みを増加しすぎると、熱処理時の熱分解量が低下し、表層部3中に有機残渣が生じてサイクル特性が向上しない場合がある。また、熱処理温度や到達温度の保持時間を増加することにもなるため、コスト面でもデメリットが大きい。
The thickness (layer thickness) of the
なお、本実施形態の正極活物質1は、その表面にAl、Nbからなる少なくとも1種の元素を含んだ被覆層を有する従来の正極活物質(表層部3を形成しない)とは異なり、表層部3自体が充放電時のLiイオンの挿入脱離を妨げることは無い。よって、従来の被覆層を有する正極活物質のように被覆層前駆体7を3nm以下に極薄くしておく必要は無くなる。これにより技術的に難易度の高かった被覆層の薄膜化、均一化の工程が簡素化することができる。また、被覆層前駆体7の厚みを厚くできることにより、被覆層前駆体7中の空隙や粒子表面の未被覆部が少なくなり、得られる被覆層前駆体7は、より均一性が向上することになる。この場合の被覆層前駆体7の膜厚は20nm以上50nm以下が好ましく、熱処理によって生成する表層部3を粒子表面に均一に形成することができる。
The positive electrode
被覆層前駆体7は、複合酸化物粒子2の表面に非連続的に形成されても、また、多孔質であっても、均一性が高くてもよく、いずれの場合でも熱処理による反応で表層部3が形成できればよい。ただし被覆層前駆体7は、透過型電子顕微鏡の断面観察より測定される被覆面積が、母材6の表面全体の面積に対して80%以上、80%以上95%以下であることがより好ましい。被覆面積が上記範囲であることにより、母材6表面と均等な反応が期待でき、満遍なく全面に表層部3が生成できる。
The
従来公知の酸化物膜をその表面に形成した正極活物質は、酸化物膜自体が導電性に乏しく、界面抵抗の増加を回避するために、酸化物膜自体を薄くしたり、酸化物膜中に導電性を付与したりする必要があった。この場合、酸化物膜の膜厚は、最適な被覆層の厚みは3nm程度、厚い場合でも10nm以下が要求される。被覆厚みを薄くかつ膜欠陥がないように被覆することは手間と時間を要するだけでなく、熱処理温度も容量低下を避けるべく、心材(母材)との反応を極力抑制するために300℃程度、高くても400℃以下に限定される。 In the positive electrode active material in which a conventionally known oxide film is formed on the surface thereof, the oxide film itself has poor conductivity, and in order to avoid an increase in interfacial resistance, the oxide film itself is thinned or in the oxide film. It was necessary to impart conductivity to the film. In this case, the optimum film thickness of the oxide film is required to be about 3 nm, and even if it is thick, it is required to be 10 nm or less. It takes time and effort to coat the coating with a thin coating so that there are no film defects, and the heat treatment temperature is about 300 ° C to suppress the reaction with the core material (base material) as much as possible in order to avoid a decrease in capacity. However, the temperature is limited to 400 ° C. or lower at the highest.
本実施形態においては、製造過程で形成する被覆層前駆体7の膜厚の上限は100nm以下であり、従来に比べると大きい厚膜が許容される。これは高温熱処理による効果で被覆層前駆体7が粒子内に拡散して、最終的に形成される被覆層5の厚みが大幅に減少するためで、これにより界面抵抗の上昇は抑制され、初期放電容量の低下はなくなる。本実施形態の正極活物質1では表層部4を有することにより、これまで、被覆層(産物膜)を有する正極活物質の課題であった、ゲル化を抑制する耐水性の向上、表層生成後の初期放電容量の低下、繰り返し充放電時の劣化の改善が達成される。本実施形態では、被覆層前駆体7を形成した後に高温処理することが重要で、母材6と被覆層との反応で表層部3を生成した結果、本目的である長期保存時のゲル化の抑制や、表層部3生成前後の初期放電容量が変化無く維持でき、さらに充放電の繰り返しにおいても界面抵抗の増加を抑制しつつ安定したサイクル特性が得られるようになる。
In the present embodiment, the upper limit of the film thickness of the
表層部3の形成は、後述するように、例えば、粒子断面からTEMによる電子像やTEM−EDSによる面分析を用いて確認することができる。例えば、後述する被覆液(Nb含有)をリチウムニッケル複合酸化物粒子(母材6)表面に厚めにコートし、厚み30nmからなるNb前駆体層(被覆層前駆体7)を母材6表面に形成させた後、温度条件を変えて、熱処理を行い、この熱処理工程を観察または面分析した場合、300℃では、高濃度のNbを主とした、粒子界面(複合酸化物粒子表面)から厚さ30nm程度の被覆層5が検出される。さらに、温度を600℃〜700℃に変更した場合、観察されていた被覆層5は減少し、面分析でも高濃度のNbが分散される様子が確認できる。ここから、Nbを高濃度で含む被覆層5は大幅に減少し、表層部3が形成されることが理解できる。なお、Nb前駆体層(被覆層前駆体7)を熱処理した場合、600℃以上に加熱しても、完全な拡散が行われずに表面には局所的に高濃度なNb層(被覆層5)が偏在することがある。このNb層(被覆層5)が残存する場合においても、熱処理により、被覆層5が形成されることで耐水性は改善され、表層部3の生成により放電容量は回復することができる。
As will be described later, the formation of the
一方、Al被覆層の効果(例えば、界面抵抗の改善や放電容量の回復)は、Nb被覆層と比較してより顕著に認められる傾向がある。例えば、300℃の熱処理をした場合、Alは粒子内部に拡散され、被覆層5は減少することがある。このとき正極活物質1表面をSEM観察することにより、正極活物質1表面には、Al反応物である微細組織が観察される。これらのNb被覆層との拡散挙動の違いは各元素の拡散速度の違いによるものが大きく、AlはNbに比べて拡散が相当早いためにより低温側で効果を発揮するといえる。Alの拡散により、正極活物質1表面からAl濃度が低下することで界面抵抗は低下し、放電容量も未被覆並みにまで回復する。
On the other hand, the effect of the Al coating layer (for example, improvement of interfacial resistance and recovery of discharge capacity) tends to be more remarkable as compared with the Nb coating layer. For example, when the heat treatment is performed at 300 ° C., Al may be diffused inside the particles and the
被覆層前駆体7は、上述のように、熱処理により表層部3に変化する。熱処理の際、リチウム複合酸化粒子(母材6)由来の過剰Li、NiまたはCo等と、被覆層前駆体7由来の成分との反応により化合物が生成し、被覆層前駆体7/被覆層5の形態変化が生じる。例えば、リチウム複合酸化粒子(母材6)は、焼成時にLiが欠損しないように化学量論組成よりやや過剰気味にLiを加えておくため、その過剰Li分と被覆層前駆体7由来の成分(M2を含む)との反応が起こることがある。また、正極活物質1粒子表面に局所的なLiの欠損した箇所が生じた場合、露出したNiやCoと被覆層前駆体7由来の成分(M2を含む)との反応により化合物を生成することがある。特にNi、CoとのNi−Al化合物や、Co−Al化合物においては比較的低温側で生成しやすいため、一部の表層部3又は被覆層5の内部にはこうした化合物が生じる。このような化合物は、例えば、組成式AB2O4(Aは、NiおよびCoのうち少なくとも1種の金属元素であり、Bは、M2である。)で表されるスピネル型結晶相を含む。スピネル型結晶相としては、例えば、NiAl2O4、CoAl2O4の生成相が挙げられる。
As described above, the
ただし熱処理温度が700℃を超える場合、母材6同士が焼結しはじめるだけでなく、Liの揮発が起こることがあるため、少なくとも熱処理温度は700℃以下にすることが好ましい。
However, when the heat treatment temperature exceeds 700 ° C., not only the
さらに被覆層前駆体7と母材6表面との反応状態は、XRD測定してRietvelt解析による格子定数の変化からも確認できる。例えば、Nb−Oの被覆材をリチウムニッケル複合酸化物粒子表面に30nmからなる厚めのコートを行い、熱処理温度を変えてLiNi0.85Co0.15O2相に由来する結晶相についてRietvelt解析すると、300℃近傍から格子定数のa軸長さ、c軸長さの増加が確認される。この格子定数の増加は格子の広がりを示し、被覆層の構成元素であるNb原子がニッケルイオンの3aサイトに置換されたことが確認できる。この現象は熱処理温度を高めるほどa軸長さ、c軸長さの増加が確認される。例えば、正極活物質1は、X線回折のリートベルト解析により求められるa軸長さが2.8647以上2.8655以下、c軸長さが14.1801以上14.890以下である。c軸長さの上限は、好ましくは14.3以下であり、より好ましくは14.2以下である。
Further, the reaction state between the
従来のリチウムニッケル複合酸化物粒子は、水に対する抵抗が低く、表面からリチウムイオンとして容易に溶出する。例えば、表層を有さないLiを過剰に含んだLi1.03Ni0.85Co0.12Al0.03O2粉末を0.1g、24℃の純水50mlに添加した場合、瞬時に多量のリチウムが溶出し始め、水溶液はアルカリ側に移行して、pHは13近傍に達する。一方、本実施形態の正極活物質1は、改質された表層の効果でリチウムの溶出は減少し、水溶液中のpHは11.2以下となる。pHが11.2以下に維持されることで、正極材製造に用いられる練合後のペースト組成物はアルカリ溶出が減少した結果、ペースト組成物の長期保存性は向上してゲル化がなくなる。
Conventional lithium-nickel composite oxide particles have low resistance to water and are easily eluted as lithium ions from the surface. For example, when 0.1 g of Li 1.03 Ni 0.85 Co 0.12 Al 0.03 O 2 powder containing an excess of Li having no surface layer is added to 50 ml of pure water at 24 ° C., it is instantaneous. A large amount of lithium begins to elute, the aqueous solution shifts to the alkaline side, and the pH reaches around 13. On the other hand, in the positive electrode
正極活物質1は、例えば、正極活物質9.5g、フッ化ビニリデン(PVDF)0.5g、N−メチル−2−ピロリジノン(NMP)5.5gと、ゲル化を促進するための水分0.2gを加えて混練してスラリーとし、24℃で3日間静止保管してもゲル化は見られず、流動性のあるスラリーを保つことができる。ゲル化の抑制により、正極集電体に塗布する際の不均一による充放電特性にバラツキが抑制されるとともに、ペーストの流動性の悪化による塗布膜の緻密性が低下する等の問題の発生も減少する。
The positive electrode
正極活物質1は、目的とする正極活物質に要求される特性によって選択することができる。例えば、正極活物質1の平均粒径は、高電池容量や高充填性の観点から、好ましくは3μm以上25μm以下である、より好ましくは3μm以上15μm以下である。ここで、平均粒径は、メジアン径(D50)を示し、レーザー回折・散乱法に基づく粒度分布測定装置によって測定する。
The positive electrode
正極活物質1は、練合したペースト組成物の長期保存性に優れるだけで無く、表層生成後の初期放電容量の変化が±3%に制御され、長期的なサイクル特性の向上が可能であることから、例えば、2032型コイン電池の正極に用いた際に、185mAh/g以上、より最適な条件では190mAh/g以上の初期放電容量が安定して得られる。また、電圧範囲3.0V−4.3V、レート0.5C、カーボン負極、電解液にはLiClO4/EC−DECを用いて電池セルを作製し、サイクル試験を100サイクル行った後の放電容量維持率は、初期容量に対して10%以内の低下であり、良好なサイクル特性を有する。
The positive electrode
正極活物質1の製造方法について、図3〜図4を参照して説明する。ただし、以下の説明は一例であって、製造方法を限定するものではない。図3に示すように、本実施形態の正極活物質1の製造方法は、Al及びNbのうち少なくとも1種を含む金属アルコキシドのモノマー又はそのオリゴマーと、有機溶媒と、を混合し混合液を得た後、前記混合液にキレート剤を添加して被覆液を得ることと(ステップS1)、リチウムニッケル複合酸化物粒子に、前記被覆液を混合し又は噴霧して、前記リチウムニッケル複合酸化物粒子の表面に被覆層前駆体7を形成することと(ステップS2)、被覆層前駆体7を形成した複合酸化物粒子を400℃以上700℃以下の酸素雰囲気中で熱処理することと(ステップS3)、を含む。
The method for producing the positive electrode
また、図4に示すように、被覆液は、Al及びNbのうち少なくとも1種を含む金属アルコキシドのモノマー又はそのオリゴマーと、有機溶媒と、を混合して混合液を得た後、混合液にキレート剤を添加し、その後、水を添加すること(ステップS1’)により得ることもできる。以下、各工程の詳細について説明する。 Further, as shown in FIG. 4, the coating liquid is prepared by mixing a metal alkoxide monomer or an oligomer thereof containing at least one of Al and Nb with an organic solvent to obtain a mixed liquid, and then using the mixed liquid. It can also be obtained by adding a chelating agent and then adding water (step S1'). The details of each step will be described below.
まず、被覆層前駆体7を形成するための被覆液を作製する(ステップ1)。被覆液は、Al及びNbのうち少なくとも一種を含んだ金属アルコキシドからなるモノマーまたはオリゴマーをアルコールなどの有機溶媒と混合した後、キレート剤を加えて得る。
First, a coating liquid for forming the
Al及びNbのうち少なくとも一種を含んだ金属アルコキシドは、従来公知のものを用いることができ、例えば、−エトキシド、−メトキシド、−イソプロポキシド、−ブトキシドからなる各モノマーの金属アルコキシドを用いることができる。また、金属アルコキシドに含有される金属元素は、被覆層中においてもそのまま含有されて酸化物を形成するため、容易に酸化物を形成する水酸化物を含むものが好ましい。金属アルコキシドは、Alを含む金属アルコキシド、Nbを含む金属アルコキシド又はAl及びNbを含む金属アルコキシドのいずれも用いることができる。具体的には、例えば、アルミニウムトリエトキシド、アルミニウムトリイソプロポキシド、アルミニウムトリブトキシド、ニオブエキシドからなるモノマーを用いることができる。また、オリゴマーであっても使用するアルコール溶媒に溶解することができれば使用可能である。 As the metal alkoxide containing at least one of Al and Nb, conventionally known metal alkoxides can be used, and for example, metal alkoxides of each monomer composed of -ethoxide, -methoxide, -isopropoxide, and -butoxide can be used. it can. Further, since the metal element contained in the metal alkoxide is contained as it is in the coating layer to form an oxide, it is preferable that the metal element contains a hydroxide that easily forms an oxide. As the metal alkoxide, any of a metal alkoxide containing Al, a metal alkoxide containing Nb, or a metal alkoxide containing Al and Nb can be used. Specifically, for example, a monomer composed of aluminum triethoxyde, aluminum triisopropoxide, aluminum tributoxide, and nioboxide can be used. Further, even an oligomer can be used as long as it can be dissolved in the alcohol solvent to be used.
溶媒は、例えば、アルコールを用いることができ、具体的には、エタノール、2−プロパノール、1−ブタノールから選択される1種類以上の低級アルコールを用いることができる。炭素数が5以上の高級アルコール類や炭化水素系の溶媒に用いて揮発乾燥させると、有害性や異臭の問題を生じるため好ましくない。前記低級アルコールの中でも、有機金属化合物、添加剤の溶解性やコストの観点から、エタノール及び/または2−プロパノールが好ましい。さらに、前記低級アルコールは、脱水したものを用いることが好ましい。脱水することにより、金属アルコキシドとの混合時の加水分解反応が抑制される。更にキレート剤添加後に加える水分との加水分解反応により、前記微粒子を形成させることができる。 As the solvent, for example, alcohol can be used, and specifically, one or more lower alcohols selected from ethanol, 2-propanol, and 1-butanol can be used. It is not preferable to volatilize and dry it by using it in a higher alcohol having 5 or more carbon atoms or a hydrocarbon solvent because it causes problems of harmfulness and offensive odor. Among the lower alcohols, ethanol and / or 2-propanol are preferable from the viewpoint of solubility and cost of organometallic compounds and additives. Further, it is preferable to use a dehydrated lower alcohol. Dehydration suppresses the hydrolysis reaction when mixed with the metal alkoxide. Further, the fine particles can be formed by a hydrolysis reaction with water added after the addition of the chelating agent.
溶媒は、金属アルコキシドと混合する際の溶液として用いるが、金属アルコキシドの濃度が好ましくは60質量%以下、より好ましくは0.1〜40質量%、さらに好ましくは0.1〜20質量%となるように配合する。金属アルコキシドの濃度が60質量%を超えると、キレート剤との反応が不均一となりやすく、分散液に適した濃度に希釈する溶媒を添加した際に白濁が生じることがある。0.1質量%未満になっても被覆液は作製できるが、アルコール使用量が増えることになる。 The solvent is used as a solution when mixed with the metal alkoxide, and the concentration of the metal alkoxide is preferably 60% by mass or less, more preferably 0.1 to 40% by mass, and further preferably 0.1 to 20% by mass. To mix. If the concentration of the metal alkoxide exceeds 60% by mass, the reaction with the chelating agent tends to be non-uniform, and white turbidity may occur when a solvent diluting to a concentration suitable for the dispersion is added. Although the coating liquid can be prepared even if it is less than 0.1% by mass, the amount of alcohol used will increase.
次に、金属アルコキシドと溶媒とを混合した溶液に、キレート剤を添加する。前記金属アルコキシドは、加水分解速度が速く、外気中の湿気により水酸化物を生成しやすい。そこで、加水分解反応速度を制御するため、アルコキシド金属化合物中の官能基(アルコキシ基)の一部をキレート剤で修飾(キレート化)することが必要となる。 Next, a chelating agent is added to a solution in which the metal alkoxide and the solvent are mixed. The metal alkoxide has a high hydrolysis rate and easily forms a hydroxide due to the humidity in the outside air. Therefore, in order to control the hydrolysis reaction rate, it is necessary to modify (chelate) a part of the functional groups (alkoxy groups) in the alkoxide metal compound with a chelating agent.
アルコキシド金属化合物をキレート化することで、加水分解反応の制御が容易となる。これにより金属アルコキシドの官能基の一部を部分的に加水分解したオリゴマーにすることができ、加水分解基(水酸基)により粒子表面への吸着性が向上する。キレート剤としては、好ましくはアミノカルボン酸、又はその塩、もしくはジケトン類から選択される少なくとも1種を用いるが、その中でアセチルアセトンがより好ましい。他のキレート剤としては公知のアセト酢酸エチル、ニトリロトリ酢酸、メチルグリシンジ酢酸、ジカルボキシメチルグルタミン酸、L−アスパラギン酸等、又はその塩でも代用可能であるが、熱分解性に優れているアセチルアセトンが特に好ましい。使用法は、例えばアルミニウムトリイソプロポキシドの3個の官能基のうち、その1個の官能基を交換する分と同モル数のアセチルアセトンを加えて修飾してやることで加水分解速度を遅くし、水に対する耐性が大幅に改善される。 Chelation of the alkoxide metal compound facilitates the control of the hydrolysis reaction. As a result, a part of the functional group of the metal alkoxide can be partially hydrolyzed into an oligomer, and the hydrolyzing group (hydroxyl group) improves the adsorptivity to the particle surface. As the chelating agent, at least one selected from aminocarboxylic acid, a salt thereof, and diketones is preferably used, and acetylacetone is more preferable among them. As other chelating agents, known ethyl acetoacetate, nitrilotriacetic acid, methylglycine diacetic acid, dicarboxymethyl glutamic acid, L-aspartic acid and the like, or salts thereof can be substituted, but acetylacetone having excellent thermal decomposability can be used. Especially preferable. For example, out of the three functional groups of aluminum triisopropoxide, the hydrolysis rate is slowed down by adding the same number of moles of acetylacetone as the amount for exchanging one functional group to modify it, and water is used. Resistance to is greatly improved.
また、キレート化の際は、全てのアルコキシ基を修飾してしまうと、低級アルコール中に溶解しなくなるばかりか、複合酸化物粒子表面に吸着または化学反応しなくなり、被覆層の形成が不十分となるため、部分的に官能基を修飾することが重要である。そのため、上述したように3個のアルコキシ基を有するアルミニウムイソプロポキシドのうち、1個を修飾することで、外気に対する安定性を向上させ、かつ粒子への吸着性を維持することが可能となる。 In addition, during chelation, if all the alkoxy groups are modified, not only will they not dissolve in the lower alcohol, but they will not be adsorbed or chemically reacted on the surface of the composite oxide particles, resulting in insufficient formation of the coating layer. Therefore, it is important to partially modify the functional group. Therefore, by modifying one of the aluminum isopropoxides having three alkoxy groups as described above, it is possible to improve the stability to the outside air and maintain the adsorptivity to the particles. ..
キレート化の際、十分に修飾反応させるためには、例えば、2―プロパノール等の低級アルコールにアルコキシドモノマーを溶解して60質量%以下の濃度の溶液を作製し、その中にアセチルアセトン等のキレート剤を徐々に添加した後、20〜70℃で0.5〜4時間加熱し、前記アルコキシドモノマーのキレート化液を得ることが好ましい。このような操作により、修飾反応が促進され、水への安定性は増す。こうして得た液を更にアルコールで希釈して被覆液が完成する。 In order to carry out a sufficient modification reaction during chelation, for example, an alkoxide monomer is dissolved in a lower alcohol such as 2-propanol to prepare a solution having a concentration of 60% by mass or less, and a chelating agent such as acetylacetone is contained therein. Is gradually added and then heated at 20 to 70 ° C. for 0.5 to 4 hours to obtain a chelated solution of the alkoxide monomer. By such an operation, the modification reaction is promoted and the stability to water is increased. The liquid thus obtained is further diluted with alcohol to complete the coating liquid.
更にキレート化した溶液を部分的加水分解させて分散液を得る場合には、水滴下後に一瞬やや白濁が生じることがあるが、直ぐに透明感のある液体に戻る。更に20〜80℃で0.5〜25時間保持して安定化することで、その後、希釈するために多量の溶媒を加えても白濁や沈殿物の生成を抑制することができ、例えば、1ヶ月放置してもその様子は変わらない程度の保存性有する分散液を得ることができる。この現象は恐らく、有機物を含む状態で部分的加水分解することで、見かけ上は透明な液体になったと考えられる。 Further, when the chelated solution is partially hydrolyzed to obtain a dispersion liquid, a slight cloudiness may occur for a moment after dropping water, but the liquid immediately returns to a transparent liquid. Further, by holding and stabilizing at 20 to 80 ° C. for 0.5 to 25 hours, cloudiness and formation of a precipitate can be suppressed even if a large amount of solvent is added for dilution thereafter. For example, 1 It is possible to obtain a dispersion having a shelf life that does not change even if it is left for a month. This phenomenon is probably due to partial hydrolysis in the presence of organic matter, resulting in an apparently transparent liquid.
ここで、液の透明性とは、液中に浮遊する目に見える粒子が確認できる度合いであり、粗粒があれば光の散乱により白濁を示し、微粒(ナノ粒子)であれば光が透過するために液は透明性を得る。ナノ粒子とは、中心粒子径が100nm以下の粒子である。なお、中心粒子径(例えばD50)は、ナノ粒子の粒度分布において、ある粒子径より大きい粒子の個数または質量が、全粒子の個数または質量の50%を占めるときの粒子径である。粒子径は、動的光散乱法/レーザードップラー法によって測定される。 Here, the transparency of the liquid is the degree to which visible particles floating in the liquid can be confirmed. If there are coarse particles, they show cloudiness due to light scattering, and if they are fine particles (nanoparticles), light is transmitted. The liquid gains transparency to do so. Nanoparticles are particles with a central particle size of 100 nm or less. The central particle size (for example, D50) is the particle size when the number or mass of particles larger than a certain particle size occupies 50% of the total number or mass of particles in the particle size distribution of nanoparticles. The particle size is measured by the dynamic light scattering method / laser Doppler method.
また、図4に示すように、キレート剤を添加した後、さらに、水を添加して、金属アルコキシドを部分加水分解することで被覆液中に微粒子を生成させることができる(ステップS1’)。なお、上記ステップS1及びS1’は、どちらも水を添加し、加水分解するまでは同様の工程を経ることができるため、上記と同様の条件についての記載は省略する。 Further, as shown in FIG. 4, after adding the chelating agent, water can be further added to partially hydrolyze the metal alkoxide to generate fine particles in the coating liquid (step S1'). Since both steps S1 and S1'can undergo the same steps until water is added and hydrolyzed, the description of the same conditions as described above is omitted.
金属アルコキシドの部分加水分解により被覆液中に形成された微粒子は、扁平状または鱗片状の形状であることが好ましい。被覆液中の微粒子は、その形状を扁平状または鱗片状とすることで、この微粒子を複合酸化物の粒子表面に堆積させた際、複合酸化物の粒子表面の少なくとも一部で緻密な被覆層前駆体7を形成し、一方で、母材6の表面の少なくとも一部で微粒子間に微細な隙間を形成する。こうした微粒子を緻密に被覆層前駆体7として形成しておくことで、表層部3を得る熱処理工程においても低温かつ短時間で反応が進みやすくなり、良質な均一層として形成することが可能となる。これにより、正極活物質1の水分吸収を抑制しながら、正極活物質1と電解質との十分な接触を確保することができるだけでなく、二次電池の充放電時には、表層がリチウムイオンの移動を妨げることがないため、表面抵抗の増加による初期放電容量の低下が小さくできる。
The fine particles formed in the coating liquid by partial hydrolysis of the metal alkoxide preferably have a flat or scaly shape. The fine particles in the coating liquid have a flat or scaly shape, and when the fine particles are deposited on the particle surface of the composite oxide, a dense coating layer is formed on at least a part of the particle surface of the composite oxide. The
被覆液中に微粒子は、アスペクト比が0.3以上0.8以下であることが好ましく、0.4以上0.8以下であることがより好ましい。アスペクト比は、粒子の最小径を最大径で除したもので、被覆液中の微粒子の真球からの変形度を示すものであり、その値が小さくなるほど変形度が大きい。すなわち、前記微粒子のアスペクト比を上記範囲とすることで、前記被覆層の緻密度を高めて、さらに正極活物質1の水分吸収を抑制しながら、正極活物質と電解質の接触も確保することができる。
The fine particles in the coating liquid preferably have an aspect ratio of 0.3 or more and 0.8 or less, and more preferably 0.4 or more and 0.8 or less. The aspect ratio is obtained by dividing the minimum diameter of the particles by the maximum diameter, and indicates the degree of deformation of the fine particles in the coating liquid from a true sphere. The smaller the value, the larger the degree of deformation. That is, by setting the aspect ratio of the fine particles within the above range, it is possible to increase the density of the coating layer, further suppress the water absorption of the positive electrode
被覆液中の微粒子は、正極活物質1の被覆層5を形成する酸化物微粒子の前駆体であり、この酸化物の微粒子の形状に大きく影響する。また、被覆液中の微粒子の形状は、被覆層5を形成する酸化物微粒子においても維持される。被覆液中の微粒子は、平均粒径D50が100nm以下、好ましくは1nm以上12nm以下であり、より好ましくは3nm以上10nm以下、さらに好ましくは、5nm以上10nm以下である。これにより、平均粒径が上記範囲であることにより、前記被覆層を薄くかつ均一に形成することが可能となる。また、被覆層5を形成する酸化物微粒子も同様の形状を有し、正極活物質1と電解質との十分な接触を確保することができる。市販品としても、アルコキシド基を有する有機金属化合物を加水分解し、微細な粒子を分散させた液があるが、粗粒を含むものが多く、これを被覆液として用いても、本実施形態の正極活物質1の表層部3や被覆層5を得ることは困難である。
The fine particles in the coating liquid are precursors of oxide fine particles forming the
なお、キレート剤の添加により、加水分解速度の早い有機金属アルコキシドの加水分解性を制御することが可能となり、複合酸化物粒子への吸着性を高く維持することができる。一方、キレート剤を加えない場合、外気中の水分または加水分解用に添加する水分との反応が著しくなり、全てのアルコキシドは直ちに水酸化物化が行われて粗粒化による沈降が発生する。なお、Nbアルコキシドは加水分解が早く、キレート化がし難いことから、部分加水分解した後の保存安定性に欠けるため、加水分解せずに金属アルコキシドのまま被覆原料とした方が好ましい。一方、Alはキレート化の効果が高く、少量のキレート剤を加えておくと、アルコキシドの有する官能基はキレート環により置換されて、水分に対する応答性が低下する。これにより一部がキレート化された官能基は部分的に加水分解が生じるため、沈降することなく、微粒を維持したまま母材6表面に吸着することが容易となる。このためキレート化したAlアルコキシドは金属アルコキシドのまま使用もでき、部分加水分解させた微粒子状としても使用することができる。
By adding the chelating agent, it is possible to control the hydrolyzability of the organometallic alkoxide having a high hydrolysis rate, and it is possible to maintain high adsorptivity to the composite oxide particles. On the other hand, when the chelating agent is not added, the reaction with the water in the outside air or the water added for hydrolysis becomes remarkable, and all the alkoxides are immediately hydroxideed to cause precipitation due to coarse graining. Since Nb alkoxide is rapidly hydrolyzed and difficult to chelate, it lacks storage stability after partial hydrolysis. Therefore, it is preferable to use the metal alkoxide as a coating raw material without hydrolysis. On the other hand, Al has a high chelating effect, and when a small amount of chelating agent is added, the functional group of the alkoxide is replaced by the chelate ring, and the responsiveness to water is lowered. As a result, the partially chelated functional group is partially hydrolyzed, so that it can be easily adsorbed on the surface of the
なお、溶媒は加水分解時に使用するアルコール分以外に、被覆液を希釈するために用いるものも含める。被覆液、または分散液自体の濃度は高く、この状態で母材6表面に堆積すると局部的に厚くなり、極度な不均一を招く。薄くかつ均一な被覆層を得やすくするために、さらに希釈剤を加えて濃度を下げることを行う。希釈剤には水分を用いることもできるが、被覆時の乾燥が遅く、母材6の劣化が生じる場合がある。これを回避するために、低級アルコールを添加することにより、乾燥速度を向上させることが可能である。最も好ましいのは希釈剤全てをアルコールにすることであるが、少なくとも水を希釈剤とする場合は、全液中の30%以上のアルコールを含む混合液となるようにすることが必要である。ここで用いる低級アルコールとしては、乾燥時の異臭等を考慮すると、エタノールあるいは2−プロパノールが好ましい。
In addition to the alcohol content used during hydrolysis, the solvent also includes those used to dilute the coating liquid. The concentration of the coating liquid or the dispersion liquid itself is high, and if it is deposited on the surface of the
なお、部分的加水分解反応においては、金属アルコキシド100質量%に対して、水を5〜50質量%、好ましくは10〜30質量%を添加することが好ましく、水を加えた後、さらに加熱し部分的加水分解反応を終了させる。水の含有割合が50質量%を超えると加水分解が急激に進みすぎてゲル化を起こしやすく、5質量%以下では加水分解量が少ない。 In the partial hydrolysis reaction, it is preferable to add 5 to 50% by mass, preferably 10 to 30% by mass of water with respect to 100% by mass of the metal alkoxide, and after adding water, further heating is performed. Terminate the partial hydrolysis reaction. When the water content exceeds 50% by mass, hydrolysis proceeds too rapidly and gelation is likely to occur, and when it is 5% by mass or less, the amount of hydrolysis is small.
分散液は、母材6粒子の表面に堆積させる前駆体微粒子を均一化するため、希釈して低濃度化する必要がある。上記部分的加水分解させたキレート化液は、液濃度が高いため、噴霧コート時に不均一な膜形成とならないようにアルコールまたは水とアルコールの混合溶媒で希釈して被覆液とする。母材6と混合する際の被覆液の量は、分散液を母材6の表面全体に吸着、かつ浸透させるだけの量は最低必要であり、粒子表面に堆積させる十分な量の前駆体微粒子を含有し、かつ微粒子付着量はICP分析で、母材6及び被覆層前駆体7全体に対して、0.02質量%以上3.0質量%以下の範囲となるように希釈することが好ましい。分散液の量が多くとも乾燥時間が長くなるだけであり、得られる正極活物質の粉体特性に支障はないが、乾燥時の効率を考慮して決定すればよい。0.02質量%未満になると、被覆層中に十分な量の微粒子を形成させることができないことがある。また、3.0質量%を越えると、複合酸化物粒子の表面全体に吸着させる量を混合した際に被覆層が厚くなりすぎて乾燥時に剥離が起きることがある。
The dispersion liquid needs to be diluted to reduce the concentration in order to homogenize the precursor fine particles deposited on the surface of the
また、被覆液中に含まれるAl、またはNb量は、ICP分析で0.02〜3.0質量%の範囲となるように調整される。添加量が少ないと、表層形成時に必要な被覆層を堆積することができない場合がある。 Further, the amount of Al or Nb contained in the coating liquid is adjusted to be in the range of 0.02 to 3.0% by mass by ICP analysis. If the amount added is small, it may not be possible to deposit the coating layer required for surface layer formation.
次に、図3及び4に示すように、母材6表面に被覆層前駆体7を形成する(ステップS2)。被覆方法としては、母材6表面に被覆液を均一に堆積(被覆)させる方法であればよい。例えば、転動流動装置のように噴霧することで心材粒子表面への前駆体微粒子の堆積と乾燥が同時に行われる方法がより好ましい。また、自転公転方式の混練ミキサーを用いて被覆液と母材6を混合した後、溶媒のみを揮発させて被覆処理することも可能である。
Next, as shown in FIGS. 3 and 4, a
転動流動装置を用いて被覆する方法は、母材6表面に損傷を与えることなく、粒子を流動させた状態で噴霧することが可能である。転動流動装置による被覆の特徴は、均一かつ薄く堆積させることが可能な点である。転動流動装置は、例えば、装置内底部に溜まった母材6をロータで攪拌しながら元々生じていた凝集をほぐし、装置内底部から導入する加熱空気により母材6は単粒子状で流動させる仕組みである。この流動中に2流体ノズル等にて被覆液を噴霧し、導入した空気により加水分解を進ませながら乾燥することで、母材6の表面に被覆層を均一に堆積させることができる。
In the method of coating using a rolling flow device, it is possible to spray the particles in a fluid state without damaging the surface of the
混練ミキサーは、自転公転により混合物に適度な剪断力を加えることで均一な混合が可能であり、短時間による処理で行える。混合時間は1〜5分とすることが好ましい。混練ミキサーによる短時間の混合は、粒子表面に与える損傷の抑制にも効果がある。一方、例えば、ビーズミル、ボールミル、ロッドミル、ホモジナイザー等のように母材6に直接大きな力が加わる装置を用いると、粒子自体が粉砕されたり、その粒子表面に大きな歪みが生じたりするため電池特性が低下することがある。
The kneading mixer can perform uniform mixing by applying an appropriate shearing force to the mixture by rotating and revolving, and can be performed in a short time. The mixing time is preferably 1 to 5 minutes. Mixing for a short time with a kneading mixer is also effective in suppressing damage to the particle surface. On the other hand, if a device such as a bead mill, a ball mill, a rod mill, a homogenizer, or the like in which a large force is directly applied to the
混練ミキサーによる処理後の混合物は、まず被覆液中の溶媒を蒸発させて乾燥する。この乾燥における過程で、心材粒子表面に被覆液が加水分解して吸着結合し、堆積が行われる。この際、混練ミキサーで得られた混合物の乾燥は、未だ液が多く残っているため、急激に一気に溶媒揮発させると乾燥と同時に粒子間の凝集が進みやすい。これを抑制するためには粒子間の粘着が発生しない程度にゆっくりと溶媒を蒸発させていくことが好ましい。また乾燥と平行して混合を繰り返すことも効果がある。蒸発速度は温度に強く依存するため、室温から徐々に高温下に晒すことが効果的である。
転動流動装置を使用した場合は、混合から乾燥まで行うことができるため、装置から取り出し後、直ちに次工程の熱処理に移行することができる。
The mixture after the treatment with the kneading mixer is first dried by evaporating the solvent in the coating liquid. In the process of this drying, the coating liquid is hydrolyzed and adsorbed and bonded to the surface of the core material particles, and deposition is performed. At this time, since a large amount of the liquid still remains in the drying of the mixture obtained by the kneading mixer, if the solvent is rapidly volatilized at once, the agglomeration between the particles tends to proceed at the same time as the drying. In order to suppress this, it is preferable to evaporate the solvent slowly so as not to cause adhesion between the particles. It is also effective to repeat mixing in parallel with drying. Since the evaporation rate strongly depends on the temperature, it is effective to gradually expose it to a high temperature from room temperature.
When the rolling flow device is used, the process from mixing to drying can be performed, so that the process can be immediately shifted to the heat treatment in the next step after being taken out from the device.
一方、従来から行われていたアルコール溶媒中に心材粒子を浸し、攪拌しながら金属アルコキシドと水分を滴下する湿式被覆方法では、添加した水分が母材6からリチウムイオンが溶出させる問題があった。また、金属アルコキシド中の水酸基の結合により被膜を形成するまでに長時間が必要であり、数時間の被膜形成時間とその後の乾燥時間は、電池特性の低下を発生させるのみならず、生産性の低下によるコスト的な面でも課題となっていた。
On the other hand, in the conventional wet coating method in which the core material particles are immersed in an alcohol solvent and the metal alkoxide and water are dropped while stirring, there is a problem that the added water elutes lithium ions from the
上述の混合、乾燥工程においては、溶媒に含まれる水分で正極活物質中のリチウムイオンの溶出が起こることはない。この理由は不明であるが、コーティング液中に含まれる遊離したキレート剤が混合、乾燥工程中に正極活物質極表面にあるリチウムに作用することで、正極活物質自体もキレート化され、水に対して安定化していると推察される。 In the above-mentioned mixing and drying steps, the moisture contained in the solvent does not cause elution of lithium ions in the positive electrode active material. The reason for this is unknown, but the liberated chelating agent contained in the coating liquid acts on the lithium on the electrode surface of the positive electrode active material during the mixing and drying process, so that the positive electrode active material itself is also chelated and becomes water. On the other hand, it is presumed that it is stable.
被覆層前駆体形成後の乾燥温度は50〜150℃とすることが好ましく、より好ましくは真空中がよい。一方、乾燥温度が200℃を超えると母材6が劣化しやすい。乾燥時間は、溶媒が蒸発して粒子間の粘着が発生しない程度になればよく、1〜24時間とすることが好ましい。1時間未満では、乾燥が不十分な場合があり、24時間を越えると生産性が低下する。
The drying temperature after forming the coating layer precursor is preferably 50 to 150 ° C., more preferably in vacuum. On the other hand, if the drying temperature exceeds 200 ° C., the
次に、400℃以上700℃以下の酸素雰囲気中で被覆層前駆体7を形成した母材6を熱処理して、被覆層前駆体7と母材6表面とで反応を起こさせる(ステップS3)。母材6表面に形成された被覆層前駆体7は、例えば、250℃以上300℃以下の温度範囲で該粒子表面に強固に結着するとともに、層内に存在する大部分の有機物が除去され、酸化物からなる被膜(被覆層5)が形成されることで膜質が向上する。これにより、母材6表面に形成される被覆層5はより緻密かつ強固となり、耐水性は向上してゲル化抑制にも一層の効果が上がる。この段階では母材6と被覆層5には顕著な反応は生じていない。一方、この段階で得られる被覆層は酸化物状となるため、界面抵抗が大幅に悪化することで初期放電容量は低下する傾向にある。
Next, the
従来の製造方法では、上記の温度域(例えば、250℃以上300℃以下)で熱処理は終了し、ゲル化効果の高い膜として評価を行っていた。この際の放電容量の低下を緩和するために、被覆層を3nm程度に極力薄くして充放電時のLiの挿入脱離を妨げない工夫が必要であった。こうした薄くかつ均一性を上げることで初期充電容量と耐水性とのバランスを保ち、また薄いことで生じる膜中の欠陥(有機物分解による空隙の発生)を抑制するため、時間を掛けて希薄液で処理する等の手間を掛けていた。 In the conventional production method, the heat treatment is completed in the above temperature range (for example, 250 ° C. or higher and 300 ° C. or lower), and the film is evaluated as having a high gelling effect. In order to alleviate the decrease in discharge capacity at this time, it was necessary to make the coating layer as thin as possible to about 3 nm so as not to prevent Li from being inserted and removed during charging and discharging. By increasing the thinness and uniformity, the balance between the initial charge capacity and the water resistance is maintained, and in order to suppress defects in the film (generation of voids due to decomposition of organic substances) caused by the thinness, a dilute solution is used over time. It took time and effort to process it.
本実施形態の製造方法ではさらに高温域である350℃以上700℃以下、好ましくは400℃以上700℃以下で熱処理する。このため、被覆層は粒子界面で反応を起こし、被覆層は表層となって放電容量の低下を回避しながらゲル化を抑制することができる。 In the production method of the present embodiment, heat treatment is further performed at a high temperature range of 350 ° C. or higher and 700 ° C. or lower, preferably 400 ° C. or higher and 700 ° C. or lower. Therefore, the coating layer reacts at the particle interface, and the coating layer becomes a surface layer to suppress gelation while avoiding a decrease in discharge capacity.
さらに公知の技術では低温処理で行うことで被覆層中の有機物を残留させ、界面抵抗の悪化を抑制することも行われている。しかし、車載用の高出力を求める正極活物質に使用すると、残留する有機物の一部が電解液と反応を起こし溶解することで、サイクル特性に影響を与えることがある。 Further, in a known technique, the organic matter in the coating layer is left to remain by performing the low temperature treatment, and the deterioration of the interfacial resistance is suppressed. However, when it is used as a positive electrode active material that requires high output for automobiles, a part of the remaining organic matter reacts with the electrolytic solution and dissolves, which may affect the cycle characteristics.
被覆層に含有される有機物の残留物は炭素として分析される、本発明では高温による処理で残留する有機物を分解するばかりで無く、熱処理時は酸素を豊富に含んだ雰囲気下で行うために炭素としての残留物は大幅に減少している。この炭素含有量は、酸素量以外に熱処理時の条件によっても行われ、熱処理に用いる炉に投入する混合物の量や、熱処理温度、昇温速度を制御することで達成できる。 The residue of the organic substance contained in the coating layer is analyzed as carbon. In the present invention, not only the residual organic substance is decomposed by the treatment at high temperature, but also the heat treatment is performed in an oxygen-rich atmosphere, so that carbon is used. The residue as is significantly reduced. This carbon content is determined not only by the amount of oxygen but also by the conditions at the time of heat treatment, and can be achieved by controlling the amount of the mixture to be charged into the furnace used for heat treatment, the heat treatment temperature, and the rate of temperature rise.
前記混合物を熱処理する際の条件としては、下記式(1)で求められる値を好ましくは33(g/分)以上1333(g/分)以下、より好ましくは60(g/分)以上400(g/分)以下の範囲内とする。
[混合物量(g)/炉容積(L)]×酸素ガス導入量(L/分)・・・・(1)
300℃以下の処理温度であれば、特に酸素ガス流量を抑えても効果は十分に得られるが、高温で行う場合、LiNiO2系の正極活物質はLiの飛散や酸素欠損を起こすため、それを回避するために多めに酸素ガスを流すことが必要となる。
As a condition for heat-treating the mixture, the value obtained by the following formula (1) is preferably 33 (g / min) or more and 1333 (g / min) or less, more preferably 60 (g / min) or more and 400 (. g / min) Within the following range.
[Mixture amount (g) / furnace volume (L)] x oxygen gas introduction amount (L / min) ... (1)
If the treatment temperature is 300 ° C. or lower, the effect can be sufficiently obtained even if the oxygen gas flow rate is suppressed, but when the treatment is performed at a high temperature, the positive electrode active material of the LiNiO 2 system causes Li scattering and oxygen deficiency. It is necessary to flow a large amount of oxygen gas in order to avoid the above.
上記範囲内に熱処理条件を制御することにより、正極活物質中のLiの飛散や酸素欠損を起こすことがなくなる。なお、この数値の範囲内であれば、炉内容積、混合物の処理量、酸素ガス流量の比を任意に変えて同様な効果を得ることができる。 By controlling the heat treatment conditions within the above range, it is possible to prevent Li from scattering and oxygen deficiency in the positive electrode active material. Within the range of this numerical value, the same effect can be obtained by arbitrarily changing the ratio of the furnace volume, the processing amount of the mixture, and the oxygen gas flow rate.
例えば、30Lの容積を持つ熱処理炉中にアルミナ容器に充填した500〜2000gの混合物を投入し、3〜20L/分(ガス圧0.1MPa)で純酸素ガスを導入しながら、3℃/minから20℃/min、好ましくは5℃/minから10℃/minで昇温し、400〜700℃で0.5〜5時間、好ましくは500℃から600℃で0.5〜2時間保持することで、本発明にある高性能な正極活物質を得ることができる。 For example, a mixture of 500 to 2000 g filled in an alumina container is put into a heat treatment furnace having a volume of 30 L, and pure oxygen gas is introduced at 3 to 20 L / min (gas pressure 0.1 MPa) at 3 ° C./min. The temperature is raised from 20 ° C./min, preferably 5 ° C./min to 10 ° C./min, and maintained at 400 to 700 ° C. for 0.5 to 5 hours, preferably 500 ° C. to 600 ° C. for 0.5 to 2 hours. As a result, the high-performance positive electrode active material according to the present invention can be obtained.
熱処理温度は350℃以上700℃以下の範囲とする。本実施形態では複合酸化物粒子2表面に酸化物層を形成し、水を弾くような保護層を設けることを目的とはしてないため、従来のような低温による熱処理ではなく、350℃以上にすることで母材6/被覆層前駆体7界面間で反応を起こしてLi化合物層から表層を生成することを主としている。さらに本発明では微粒子の堆積物からなる被覆層を出発としているため、心材を作製する際のような高温(800℃から900℃)に晒すことはない。より高温側に晒されると、母材6表面から酸素やLiが欠乏しやすくなり、表面は劣化することがある。また被覆した粒子同士が焼成反応により固着が進み、凝集体を生成することも一因となっている。このため、電池特性が低下しないように700℃以下で処理する必要がある。本実施形態では非晶質からなる被覆層前駆体7を出発としているため母材6との反応も容易であり、比較的低温側での処理が可能となっている。これにより前述したような母材6へのダメージも極力少なく処理できる。
こうした比較的容易な工程で母材6表面に酸化物層を形成させ、比較的低温側からLi化合物層を経由し表層を生成できるのは、母材6中にLi過剰分あるためである。これが反応を促進させている一因となり、恐らく過剰リチウムは心材粒子表面にLiOH・nH2Oの状態で析出しており、その上に酸化物微粒子が積層されることで反応を容易にしていると考えている。
The heat treatment temperature is in the range of 350 ° C. or higher and 700 ° C. or lower. Since the present embodiment does not aim to form an oxide layer on the surface of the
The reason why the oxide layer can be formed on the surface of the
一方、被覆層5中に残渣する不要な有機溶媒などの成分を除去も、高温処理にすることでより低減することができる。熱処理温度が250℃未満であると、被覆層中に不要な有機溶媒が残渣し、電池セル後に充放電するとガス発生が問題となる。300℃以上となれば大部分の有機物は熱分解するが、ごく少量の残渣は存在する。これが長期的なサイクル劣化を引き起こしており、低減することが重要である。
On the other hand, the removal of unnecessary components such as an organic solvent remaining in the
初期放電容量においても温度依存性を調査すると、熱処理温度が300℃になると被覆層から有機物が除去されるために酸化物層として形成される。そのため界面抵抗は未被覆時を1とした場合、被覆品は2倍以上に増加するため、この結果、初期放電容量は低下傾向にある。また酸化物層は厚ければその傾向は更に強まり、被覆層で10nm以上になると界面抵抗は2〜3倍を超える。これが300℃以上になると母材6と被覆層前駆体7が反応を開始し、さらに高温になると被覆層前駆体7と母材6との構成元素は相互拡散され、粒子表面には表層として温度上昇とともに生成されていく。これと平行して界面抵抗は徐々に改善され、初期放電容量は回復傾向となる。この際の界面抵抗は2倍以下、好ましくは1.5倍を下回る。
When the temperature dependence of the initial discharge capacity is investigated, it is formed as an oxide layer because organic substances are removed from the coating layer when the heat treatment temperature reaches 300 ° C. Therefore, when the interfacial resistance is 1 when uncoated, the number of coated products increases more than twice, and as a result, the initial discharge capacity tends to decrease. Further, the thicker the oxide layer, the stronger the tendency, and when the thickness of the coating layer is 10 nm or more, the interfacial resistance exceeds 2 to 3 times. When the temperature rises to 300 ° C. or higher, the reaction between the
表層3の生成は、例えば、粒子断面からTEMによる電子像やTEM−EDSによる面分析を用いて確認することができる。例えば、Nb−Oの被覆層前駆体7をリチウムニッケル複合酸化物粒子(母材6)表面に30nmとなるようにコートして、熱処理温度を変えて観察又は面分析すると、300℃では正極活物質1表面に被膜(被覆層5)が形成されている様子が観察され、また、面分析では、高濃度のNbを主とした粒子界面から30nmからなる被覆層5として検出される。さらに、700℃に達するまでに被覆層5は減少する。さらに、700℃では、観察されていた被膜(被覆層5)は局所的に消失し、面分析でも高濃度のNbは分散され、被覆層が大幅に減少する様子が確認できる。300℃で熱処理した場合、得られた正極活物質を用いた二次電池では、界面抵抗の増加や放電容量の低下が観察されるが、このような放電容量の低下は、熱処理温が600℃〜700℃程度に達することで界面抵抗や放電容量は回復する。一方、800℃になると被覆層はさらに減少するために表層効果は薄れ、初期充放電容量だけで無く、耐水性やサイクル特性への改善効果が徐々に低下する。上記の観察結果から、正極活物質表面の30nmからなる被膜に、これらの電池特性の低下の原因あることが推察される。また、本実施形態において、電池特性が改善されるのは、抵抗層であった被膜が350℃以上の熱処理により複合酸化物粒子2内部に適度に拡散され、表層部3及び被覆層5が生成したことが一因といえる。
The formation of the
表層部3の形成状態は構成元素の違いによっても異なる。例えばAl−Oを被覆層5とした場合、300℃近傍の熱処理時点から表層部3が生成されて被覆層前駆体7/被覆層5は徐々に消失する。これからAl−Oを被覆層5とした場合はより低温である600℃から700℃が最適な熱処理となる。これはNbに比べてAlの拡散速度が速いためで有り、被覆材の持つ価数、イオン半径が関係する。さらに、熱処理温度が700℃を超えると母材6自体が焼結し始めるだけでなく、表層部3は拡散の進行でほぼ消失してしまう。これにより表層部3の上記効果は薄れ、初期充放電容量だけでなく、耐水性やサイクル特性への改善効果が小さくなる。よって、被覆層前駆体7由来の構成元素(Al及びNbのうち少なくとも一種)が一定の濃度で表層部3に残存しないと上述の顕著な効果は得られない。
The formation state of the
熱処理時間は、所定の温度まで昇温した後、0.2時間以上5時間以下とすることが好ましく、0.5時間以上5時間以下とすることがより好ましく、0.5時間以上2時間以下がさらに好ましい。これにより複合酸化物粒子表面への固着と不要な有機溶媒の除去を十分に行うことができる。熱処理時間が0.5時間未満であると、有機溶媒が残渣することがある。また、高温下で5時間を越えると母材6からの酸素欠損が起こりやすいため、初期放電容量が低下することがある。熱処理時の雰囲気は純酸素雰囲気が選択され、複合酸化物粒子表面が還元されないようにすることが好ましい。
The heat treatment time is preferably 0.2 hours or more and 5 hours or less, more preferably 0.5 hours or more and 5 hours or less, and 0.5 hours or more and 2 hours or less after the temperature is raised to a predetermined temperature. Is even more preferable. This makes it possible to sufficiently adhere to the surface of the composite oxide particles and remove unnecessary organic solvents. If the heat treatment time is less than 0.5 hours, the organic solvent may remain. Further, if it exceeds 5 hours at a high temperature, oxygen deficiency from the
本実施形態の製造方法は、ほぼ全ての正極活物質に対して適応することが可能であり、原材料として用いる母材として上述のリチウムニッケル複合酸化物粒子以外にも、例えば、リチウムコバルト複合酸化物、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物、リチウムマンガン複合酸化物などからなる粒子を用いることができる。また、得られる正極活物質の粒度分布は、被覆前後でほぼ同等に維持される。したがって、被覆前の複合酸化物粒子の平均粒径は、最終的に得ようとする正極活物質と同等とすればよく、3μm以上25μm以下とすることが好ましく、5μm以上20μm以下とすることがより好ましい。ここで、平均粒径はメジアン径(d50)であり、レーザー回折・散乱法に基づく粒度分布測定装置によって測定できる。熱処理する電気炉としては特にマッフル炉、管状炉を使用することが好ましく、炉内に純酸素を満たした状態で常にガス循環することで、熱処理中は有機物等の分解による酸素不足状態にはならず、母材6表層を健全な酸化状態にすることができる。
The production method of the present embodiment can be applied to almost all positive electrode active materials, and in addition to the above-mentioned lithium nickel composite oxide particles as a base material used as a raw material, for example, lithium cobalt composite oxide. , Lithium nickel cobalt manganese composite oxide, lithium manganese composite oxide and the like can be used. In addition, the particle size distribution of the obtained positive electrode active material is maintained almost the same before and after coating. Therefore, the average particle size of the composite oxide particles before coating may be the same as that of the positive electrode active material to be finally obtained, preferably 3 μm or more and 25 μm or less, and 5 μm or more and 20 μm or less. More preferred. Here, the average particle size is the median diameter (d50), and can be measured by a particle size distribution measuring device based on a laser diffraction / scattering method. It is particularly preferable to use a muffle furnace or a tube furnace as the electric furnace for heat treatment, and by constantly circulating gas while the furnace is filled with pure oxygen, oxygen deficiency due to decomposition of organic substances etc. does not occur during heat treatment. Instead, the surface layer of the
2.非水系電解質二次電池
本実施形態の非水系電解質二次電池の一例について、以下、構成要素ごとにそれぞれ詳しく説明する。非水系電解質二次電池は、一般のリチウムイオン二次電池と同様に、正極、負極、非水電解液等構成要素から構成され、上記した本発明の正極活物質を正極に用いたことを特徴とするものである。なお、以下で説明する実施形態は例示に過ぎず、本実施形態に係る非水系電解質二次電池は、下記実施形態をはじめとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。また、本実施形態に係る非水系電解質二次電池は、その用途を特に限定するものではない。
2. Non-Aqueous Electrolyte Secondary Battery An example of the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present embodiment will be described in detail below for each component. The non-aqueous electrolyte secondary battery is composed of components such as a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte solution, like a general lithium ion secondary battery, and is characterized in that the positive electrode active material of the present invention described above is used as the positive electrode. Is to be. The embodiments described below are merely examples, and the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present embodiment includes the following embodiments and various modifications and improvements based on the knowledge of those skilled in the art. Can be carried out at. Further, the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present embodiment is not particularly limited in its use.
(正極)
正極を形成する正極合材およびそれを構成する各材料について説明する。本発明の粉末状の正極活物質と、導電材、結着剤とを混合し、さらに必要に応じて活性炭、粘度調整等の目的の溶剤を添加し、これを混練して正極合材ペースト(ペースト状組成物)を作製する。正極合材中のそれぞれの混合比も、リチウム二次電池の性能を決定する重要な要素となる。
(Positive electrode)
The positive electrode mixture forming the positive electrode and each material constituting the positive electrode mixture will be described. The powdered positive electrode active material of the present invention is mixed with a conductive material and a binder, and if necessary, activated carbon, a solvent for viscosity adjustment, etc. is added, and the mixture is kneaded to form a positive electrode mixture paste ( A paste-like composition) is prepared. The mixing ratio of each in the positive electrode mixture is also an important factor in determining the performance of the lithium secondary battery.
溶剤を除いた正極合材の固形分の全質量を100質量%とした場合、一般のリチウム二次電池の正極と同様、それぞれ、正極活物質の含有量を60〜95質量%、導電材の含有量を1〜20質量%、結着剤の含有量を1〜20質量%とすることが望ましい。 When the total mass of the solid content of the positive electrode mixture excluding the solvent is 100% by mass, the content of the positive electrode active material is 60 to 95% by mass and that of the conductive material, as in the case of the positive electrode of a general lithium secondary battery. It is desirable that the content is 1 to 20% by mass and the content of the binder is 1 to 20% by mass.
得られた正極合材ペースト(ペースト状組成物)を、例えば、アルミニウム箔製の集電体の表面に塗布し、乾燥して溶剤を飛散させる。必要に応じ、電極密度を高めるべくロールプレス等により加圧することもある。このようにしてシート状の正極を作製することができる。シート状の正極は、目的とする電池に応じて適当な大きさに裁断等し、電池の作製に供することができる。ただし、正極の作製方法は、前記例示のものに限られることなく、他の方法に依ってもよい。 The obtained positive electrode mixture paste (paste-like composition) is applied to the surface of a current collector made of aluminum foil, for example, and dried to disperse the solvent. If necessary, pressurization may be performed by a roll press or the like to increase the electrode density. In this way, a sheet-shaped positive electrode can be produced. The sheet-shaped positive electrode can be cut into an appropriate size according to the target battery and used for manufacturing the battery. However, the method for producing the positive electrode is not limited to the above-exemplified one, and other methods may be used.
前記正極の作製にあたって、導電剤としては、例えば、黒鉛(天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛など)やアセチレンブラック、ケッチェンブラックなどのカーボンブラック系材料などを用いることができる。また、バインダー(結着剤)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、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、エチレンプロピレンジエンゴム、ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、スチレンブタジエン、セルロース系樹脂、ポリアクリル酸などを用いることができる。 In producing the positive electrode, for example, graphite (natural graphite, artificial graphite, expanded graphite, etc.), carbon black materials such as acetylene black, and Ketjen black can be used as the conductive agent. Examples of the binder (binding agent) include fluororesins such as polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, and fluororubber, thermoplastic resins such as ethylene propylene diene rubber, polypropylene, and polyethylene, styrene butadiene, and cellulose-based resins. , Polyacrylic acid and the like can be used.
必要に応じ、正極活物質、導電材、活性炭を分散させ、結着剤を溶解する溶剤を正極合材に添加する。溶剤としては、具体的にはN−メチル−2−ピロリドン、ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルスルフォキシド、ヘキサメチルフォスフォアミド、等の有機溶剤を用いることができる。また、正極合材には電気二重層容量を増加させるために活性炭を添加することができる。 If necessary, the positive electrode active material, the conductive material, and the activated carbon are dispersed, and a solvent for dissolving the binder is added to the positive electrode mixture. As the solvent, specifically, an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone, dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylsulfoxide, hexamethylphosphoamide and the like can be used. .. In addition, activated carbon can be added to the positive electrode mixture in order to increase the electric double layer capacity.
(負極)
負極には、金属リチウム、リチウム合金等、また、リチウムイオンを吸蔵・脱離できる負極活物質に結着剤を混合し、適当な溶剤を加えてペースト状にした負極合材を、銅等の金属箔集電体の表面に塗布、乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成したものを使用する。
負極活物質としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、フェノール樹脂等の有機化合物焼成体、コークス等の炭素物質の粉状体、リチウム・チタン酸化物(Li4Ti5O12)等の酸化物材料を用いることができる。この場合、負極結着剤としては、正極同様、ポリフッ化ビニリデン等の含フッ素樹脂等を用いることができ、これら活物質および結着剤を分散させる溶剤としてはN−メチル−2−ピロリドン等の有機溶剤を用いることができる。
(Negative electrode)
For the negative electrode, metallic lithium, lithium alloy, etc., or a negative electrode mixture that is made into a paste by mixing a binder with a negative electrode active material that can occlude and desorb lithium ions and adding an appropriate solvent, is made of copper, etc. A metal foil collector is coated on the surface, dried, and compressed to increase the electrode density as needed.
Examples of the negative electrode active material include calcined organic compounds such as natural graphite, artificial graphite, and phenolic resin, powdered carbon substances such as coke, and oxides such as lithium-titanium oxide (Li 4 Ti 5 O 12 ). Materials can be used. In this case, as the negative electrode binder, a fluororesin such as polyvinylidene fluoride can be used as in the positive electrode, and as a solvent for dispersing these active substances and the binder, N-methyl-2-pyrrolidone or the like can be used. An organic solvent can be used.
(セパレータ)
正極と負極との間にはセパレータを挟み込んで配置する。セパレータは、正極と負極とを分離し電解質を保持するものであり、ポリエチレン、ポリプロピレン等の薄い膜で、微少な穴を多数有する膜を用いることができる。
(Separator)
A separator is sandwiched between the positive electrode and the negative electrode. The separator separates the positive electrode and the negative electrode to retain the electrolyte, and a thin film such as polyethylene or polypropylene, which has a large number of minute holes, can be used.
(非水系電解液)
非水系電解液は、支持塩としてのリチウム塩を有機溶媒に溶解したものである。有機溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、トリフルオロプロピレンカーボネート等の環状カーボネート、また、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジプロピルカーボネート等の鎖状カーボネート、さらに、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジメトキシエタン等のエーテル化合物、エチルメチルスルホン、ブタンスルトン等の硫黄化合物、リン酸トリエチル、リン酸トリオクチル等のリン化合物等から選ばれる1種を単独で、あるいは2種以上を混合して用いることができる。
支持塩としては、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiN(CF3SO2)2等、およびそれらの複合塩を用いることができる。
さらに、非水系電解液は、ラジカル補足剤、界面活性剤および難燃剤等を含んでいてもよい。
(Non-aqueous electrolyte)
The non-aqueous electrolyte solution is obtained by dissolving a lithium salt as a supporting salt in an organic solvent. Examples of the organic solvent include cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate and trifluoropropylene carbonate, chain carbonates such as diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethylmethyl carbonate and dipropyl carbonate, and tetrahydrofuran and 2-. One selected from ether compounds such as methyl tetrahydrofuran and dimethoxyethane, sulfur compounds such as ethyl methyl sulfone and butane sulton, and phosphorus compounds such as triethyl phosphate and trioctyl phosphate are used alone or in combination of two or more. be able to.
As the supporting salt, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2, etc., and a composite salt thereof can be used.
Further, the non-aqueous electrolyte solution may contain a radical catching agent, a surfactant, a flame retardant and the like.
(電池の形状、構成)
以上説明してきた正極、負極、セパレータおよび非水系電解液で構成される本発明に係るリチウム二次電池の形状は、円筒型、積層型等、種々のものとすることができる。
いずれの形状を採る場合であっても、正極および負極を、セパレータを介して積層させ電極体とし、この電極体に上記非水系電解液を含浸させる。正極集電体と外部に通ずる正極端子との間、並びに負極集電体と外部に通ずる負極端子との間を、集電用リード等を用いて接続する。以上の構成のものを電池ケース(容器)に密閉して電池を完成させることができる。
(Battery shape and configuration)
The shape of the lithium secondary battery according to the present invention, which is composed of the positive electrode, the negative electrode, the separator, and the non-aqueous electrolyte solution described above, can be various, such as a cylindrical type and a laminated type.
Regardless of which shape is adopted, the positive electrode and the negative electrode are laminated via a separator to form an electrode body, and the electrode body is impregnated with the non-aqueous electrolytic solution. The positive electrode current collector and the positive electrode terminal that communicates with the outside, and the negative electrode current collector and the negative electrode terminal that communicates with the outside are connected by using a current collector reed or the like. The battery can be completed by sealing the above configuration in a battery case (container).
以下、本発明について実施例を用いて具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例によって何ら限定されるものではない。なお、本発明の実施例における各評価は、下記方法によって実施した。
(評価方法)
1.被覆液および正極活物質の物性
(1)被覆液(分散液)中の前駆体微粒子および正極活物質の粒径測定:
微粒子の粒径(D50)は、粒度分布計(日機装(株)製、ナノトラックWave)を用いて測定した。また、リチウムニッケル複合酸化物粉末および正極活性物質の粒径(D50)は、粒度分布計(日機装(株)製、マイクロトラックMT3300)を用いて測定した。
(2)被覆層前駆体の厚みおよび被覆面積の測定
被覆層前駆体を有する母材をクロスセクションポリッシャー(CP)で断面加工し、透過型電子顕微鏡(TEM:HITACHI社製HF−2200)による断面側から観察した画像から被覆層厚を直接求めた。被覆面積については、TEM観察の画像から画像処理により面積を算出した。なお、被覆面積の測定は、観察場所を変えて5視野で行った。分散液中の前駆体微粒子および被覆層中の微粒子の形態もTEM観察して直接画像から縦/横(アスペクト比)を算出した。
(3)粒子表面の組織観察
熱処理した正極活物質の粒子表表面を走査型電子顕微鏡(SEM:JEOL社製JSM−7001F)にて粒子表面側から観察した。なお微細組織中の粒子径は、断面側からTEMまたはCs−TEMにより直接求めた。
(4)被覆層の反応及び構成元素の拡散状態測定
断面加工した試料を用いてTEM―EDS(NORAN社製VANTAGE)により断面側から面または点分析を実施して被覆層の確認や複合酸化物粒子内部への拡散状態を調べた。
またX線回折装置(XRD:PANalytical製X’PertPRO)により広域測定の簡易同定を行い、LiNi0.85Co0.15O2相に由来する結晶相について得た。更に広域測定結果を基に、外部標準法(同じ時期に測定したSi標準試料(NIST640c)を同条件で測定し、Rietvelt解析を行った際に得られたゼロシフト値、および半価幅パラメータを装置パラメータと決めて精密化する方法)により、簡易同定で確認した結晶相のRietvelt解析を行った。
(5)正極活物質の組成
組成はICP分析にて求めた。
(6)正極活物質の耐水性評価
耐水性は、24℃の純水50mlに正極活物質1gを加えて撹拌し、10分経過後のpHを測定することにより評価した。
(7)ゲル化評価
ゲル化評価は、被正極活物質9.5gと、バインダーとしてフッ化ビニリデン(PVDF)0.5g、溶剤としてN−メチル−2−ピロリジノン(NMP)5.5g、さらに水0.2gを自公転練り込み機によりスラリー状にした後、24℃で3日間静止保管し、目視観察によるゲル化状況を確認した。
Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples. Each evaluation in the examples of the present invention was carried out by the following method.
(Evaluation methods)
1. 1. Physical properties of coating liquid and positive electrode active material (1) Measurement of particle size of precursor fine particles and positive electrode active material in coating liquid (dispersion liquid):
The particle size (D50) of the fine particles was measured using a particle size distribution meter (Nanotrack Wave, manufactured by Nikkiso Co., Ltd.). The particle size (D50) of the lithium nickel composite oxide powder and the positive electrode active substance was measured using a particle size distribution meter (Microtrac MT3300, manufactured by Nikkiso Co., Ltd.).
(2) Measurement of thickness and coating area of coating layer precursor A cross-section of the base material having the coating layer precursor is cross-sectioned with a cross-section polisher (CP) and cross-sectioned with a transmission electron microscope (TEM: HF-2200 manufactured by HITACHI). The coating layer thickness was directly obtained from the image observed from the side. Regarding the covering area, the area was calculated by image processing from the image observed by TEM. The covering area was measured in five visual fields at different observation locations. The morphology of the precursor fine particles in the dispersion liquid and the fine particles in the coating layer was also observed by TEM, and the length / width (aspect ratio) was calculated directly from the image.
(3) Observation of particle surface structure The particle surface surface of the heat-treated positive electrode active material was observed from the particle surface side with a scanning electron microscope (SEM: JSM-7001F manufactured by JEOL Ltd.). The particle size in the microstructure was directly determined from the cross-sectional side by TEM or Cs-TEM.
(4) Reaction of coating layer and measurement of diffusion state of constituent elements Using a sample whose cross section has been processed, surface or point analysis is performed from the cross section side by TEM-EDS (VANTAGE manufactured by NORAN) to confirm the coating layer and to confirm the composite oxide. The state of diffusion inside the particles was investigated.
Further, a simple identification of wide area measurement was performed by an X-ray diffractometer (XRD: X'PertPRO manufactured by PANalytical), and a crystal phase derived from LiNi 0.85 Co 0.15 O 2 phase was obtained. Furthermore, based on the wide area measurement results, the zero shift value and half-value range parameter obtained when the Si standard sample (NIST640c) measured at the same time was measured under the same conditions and the Crystal analysis was performed are used as an apparatus. Rietvelt analysis of the crystal phase confirmed by simple identification was performed by the method of determining the parameters and refining them.
(5) Composition of positive electrode active material The composition was determined by ICP analysis.
(6) Water resistance evaluation of the positive electrode active material The water resistance was evaluated by adding 1 g of the positive electrode active material to 50 ml of pure water at 24 ° C., stirring the mixture, and measuring the pH after 10 minutes.
(7) Evaluation of gelation In the evaluation of gelation, 9.5 g of the active material to be positive, 0.5 g of vinylidene fluoride (PVDF) as a binder, 5.5 g of N-methyl-2-pyrrolidinone (NMP) as a solvent, and water. After 0.2 g was made into a slurry by a self-conversion kneading machine, it was statically stored at 24 ° C. for 3 days, and the gelation state was confirmed by visual observation.
2.電池の製造および電池特性の評価
(電池の製造)
正極活物質の評価には、図5に示す2032型コイン電池BA(以下、コイン型電池と称す)を使用した。図5に示すように、コイン型電池BAは、ケースCAと、このケースCA内に収容された電極ELとから構成されている。ケースCAは、中空かつ一端が開口された正極缶PCと、この正極缶PELの開口部に配置される負極缶NCとを有しており、負極缶NCを正極缶PCの開口部に配置すると、負極缶NCと正極缶PCとの間に電極ELを収容する空間が形成されるように構成されている。
2. Battery manufacturing and evaluation of battery characteristics (battery manufacturing)
A 2032 type coin battery BA (hereinafter referred to as a coin type battery) shown in FIG. 5 was used for the evaluation of the positive electrode active material. As shown in FIG. 5, the coin-type battery BA is composed of a case CA and an electrode EL housed in the case CA. The case CA has a positive electrode can PC that is hollow and has one end opened, and a negative electrode can NC that is arranged in the opening of the positive electrode can PEL. When the negative electrode can NC is arranged in the opening of the positive electrode can PC, , The space for accommodating the electrode EL is formed between the negative electrode can NC and the positive electrode can PC.
電極ELは、正極PE、セパレータSEおよび負極NEとからなり、この順で並ぶように積層されており、正極PEが正極缶PCの内面に接触し、負極NEが負極缶NCの内面に接触するようにケースCAに収容されている。なお、ケースCAはガスケットGAを備えており、このガスケットGAによって、正極缶PCと負極缶NCとの間が非接触の状態を維持するように相対的な移動が固定されている。また、ガスケットGAは、正極缶PCと負極缶NCとの隙間を密封してケースCA内と外部との間を気密液密に遮断する機能も有している。 The electrode EL is composed of a positive electrode PE, a separator SE, and a negative electrode NE, and is laminated so as to be arranged in this order. The positive electrode PE contacts the inner surface of the positive electrode can PC, and the negative electrode NE contacts the inner surface of the negative electrode can NC. It is housed in the case CA. The case CA is provided with a gasket GA, and the relative movement is fixed by the gasket GA so as to maintain a non-contact state between the positive electrode can PC and the negative electrode can NC. Further, the gasket GA also has a function of sealing the gap between the positive electrode can PC and the negative electrode can NC to airtightly and liquidally shut off the inside and the outside of the case CA.
前記コイン型電池1は、以下のようにして製作した。
まず、非水系電解質二次電池用正極活物質52.5mg、アセチレンブラック15mg、およびポリテトラフッ化エチレン樹脂(PTFE)7.5mgを混合し、100MPaの圧力で直径11mm、厚さ100μmにプレス成形して、正極3aを作製した。作製した正極3aを真空乾燥機中120℃で12時間乾燥した。この正極3aと、負極3b、セパレータ3cおよび電解液とを用いて、上述したコイン型電池1を、露点が−80℃に管理されたAr雰囲気のグローブボックス内で作製した。なお、負極3bには、直径14mmの円盤状に打ち抜かれた平均粒径20μm程度の黒鉛粉末とポリフッ化ビニリデンが銅箔に塗布された負極シートを用いた。セパレータ3cには膜厚25μmのポリエチレン多孔膜を用いた。電解液には、1MのLiClO4を支持電解質とするエチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)の等量混合液(富山薬品工業株式会社製)を用いた。
The coin-
First, 52.5 mg of the positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, 15 mg of acetylene black, and 7.5 mg of polytetrafluoroethylene resin (PTFE) were mixed and press-molded to a diameter of 11 mm and a thickness of 100 μm at a pressure of 100 MPa. , Positive electrode 3a was prepared. The prepared positive electrode 3a was dried in a vacuum dryer at 120 ° C. for 12 hours. Using the positive electrode 3a, the negative electrode 3b, the separator 3c, and the electrolytic solution, the above-mentioned coin-
(電池特性の評価)
製造したコイン型電池1の性能を示す初期放電容量、正極抵抗およびサイクル特性は、以下のように評価した。
初期放電容量は、コイン型電池1を製作してから24時間程度放置後、0.05Cにてカットオフ電圧4.3Vまで充電し、1時間の休止後、カットオフ電圧3.0Vまで放電したときの容量を初期放電容量とした。
(Evaluation of battery characteristics)
The initial discharge capacity, positive electrode resistance, and cycle characteristics indicating the performance of the manufactured coin-
The initial discharge capacity was as follows: after the coin-
また、正極抵抗(界面抵抗)は、交流インピーダンス法により評価した。すなわち、コイン型電池1を充電電位4.1Vで充電して、周波数応答アナライザおよびポテンショガルバノスタット(ソーラトロン製、1255B)を使用して交流インピーダンス法により測定し、ナイキストプロットを得た。このナイキストプロットは、溶液抵抗、負極抵抗とその容量、および、正極抵抗とその容量を示す特性曲線の和として表しているため、このナイキストプロットに基づき等価回路を用いてフィッティング計算を行い、正極抵抗の値(Ω)を算出した。算出した抵抗値は被覆前(未被覆品)を1として次式で表した。
界面抵抗 = [熱処理品の界面抵抗値/未被覆品の界面抵抗値]
The positive electrode resistance (interfacial resistance) was evaluated by the AC impedance method. That is, the coin-
Interface resistance = [Interfacial resistance value of heat-treated product / Interface resistance value of uncoated product]
サイクル特性評価は、コイン型電池1を製作してから24時間程度放置後、0.5Cにてカットオフ電圧4.3Vまで充電し、1時間の休止後、カットオフ電圧3.0Vまで放電し、これを1サイクルとして100回繰り返し行った。この際の評価方法として容量維持率を求めるが、1サイクル目で得られる放電容量を100%として次式で表される。
容量維持率(%)=[100サイクル目の放電容量/1サイクル目の放電容量]×100
In the cycle characteristic evaluation, after the coin-
Capacity retention rate (%) = [Discharge capacity in 100th cycle / Discharge capacity in 1st cycle] x 100
(実施例1)
(母材の作製)
公知技術で得られた下記のリチウムニッケル複合酸化物粉末を母材として用いた。すなわち、Niを主成分とし、Co及びAlを含む酸化ニッケル粉末と水酸化リチウムを混合して焼成し、Li1.02Ni0.82Co0.15Al0.03O2で表されるリチウムニッケル複合酸化物粉末を得た。このリチウムニッケル複合酸化物粉末の平均粒径D50は11.3μmであり、比表面積は0.27m2/gであった。
(Example 1)
(Making the base material)
The following lithium nickel composite oxide powder obtained by a known technique was used as a base material. That is, nickel oxide powder containing Ni as a main component and containing Co and Al and lithium hydroxide are mixed and fired, and lithium represented by Li 1.02 Ni 0.82 Co 0.15 Al 0.03 O 2. A nickel composite oxide powder was obtained. The average particle size D50 of this lithium nickel composite oxide powder was 11.3 μm, and the specific surface area was 0.27 m 2 / g.
(Nb−O被覆液の作製)
予め2−プロパノール20mlにペンタニオブエトキシド(和光純薬製)1.59gを加えて攪拌し、溶液(A)を作製した。別容器に2−プロパノール5mlにアセチルアセトン(関東化学製)1.00gを加えて攪拌し,溶液(B)を作製した。溶液(A)中に溶液(B)を投入し、攪拌混合後に溶液(C)を作製した。密栓した容器中に溶液(C)を入れ、攪拌しながら24℃で1時間放置後、溶液(D)を作製した。
さらに溶液(D)に希釈用の2−プロパノール100mlを加えて、ニオブを含む被覆液を得た。
(被覆層の形成)
上記母材600gを、転動流動装置((株)パウレック製、MP−01)を用いて出口温度30℃、送風量0.3m3/時で撹拌しながら30分掛けて上記被覆液全量を噴霧して、表面に被覆層前駆体を有する母材を得た。得られた被覆層前駆体の厚さを表1に示す
(熱処理)
混合物600gを、容積の30Lのマッフル炉を用い、10L/分で純酸素ガスを導入しながら3℃/分で400℃まで昇温した後、0.5時間保持して表層及び被覆層を有する正極活物質を得た。正極活物質の評価結果を表1、2にまとめて示す。
(Preparation of Nb-O coating liquid)
To 20 ml of 2-propanol in advance, 1.59 g of pentaniobium ethoxide (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added and stirred to prepare a solution (A). A solution (B) was prepared by adding 1.00 g of acetylacetone (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) to 5 ml of 2-propanol in a separate container and stirring. The solution (B) was put into the solution (A), and the solution (C) was prepared after stirring and mixing. The solution (C) was placed in a tightly closed container and left at 24 ° C. for 1 hour with stirring to prepare a solution (D).
Further, 100 ml of 2-propanol for dilution was added to the solution (D) to obtain a coating solution containing niobium.
(Formation of coating layer)
600 g of the base material was stirred for 30 minutes at an outlet temperature of 30 ° C. and an air volume of 0.3 m 3 / hour using a rolling fluid device (manufactured by Paulek Co., Ltd., MP-01) to measure the total amount of the coating liquid. By spraying, a base material having a coating layer precursor on the surface was obtained. The thickness of the obtained coating layer precursor is shown in Table 1 (heat treatment).
600 g of the mixture is heated to 400 ° C. at 3 ° C./min while introducing pure oxygen gas at 10 L / min using a muffle furnace having a volume of 30 L, and then held for 0.5 hour to have a surface layer and a coating layer. A positive electrode active material was obtained. The evaluation results of the positive electrode active material are summarized in Tables 1 and 2.
(実施例2)
(Nb−O被覆液の作製)
実施例1と同条件で得た有機ニオブを含む被覆液(E)を得た。
(被覆層の形成)
実施例1で作製した母材600gを取り分け、実施例4と同条件で噴霧して被覆層を得た。この混合物600gを、容積の30Lのマッフル炉を用い、10L/分で純酸素ガスを導入しながら3℃/分で600℃まで昇温した後、0.5時間保持して表層を有する正極活物質を得た。正極活物質の評価結果を表1、2にまとめて示す。
(Example 2)
(Preparation of Nb-O coating liquid)
A coating liquid (E) containing organic niobium obtained under the same conditions as in Example 1 was obtained.
(Formation of coating layer)
600 g of the base material prepared in Example 1 was separately sprayed under the same conditions as in Example 4 to obtain a coating layer. 600 g of this mixture was heated to 600 ° C. at 3 ° C./min while introducing pure oxygen gas at 10 L / min using a muffle furnace with a volume of 30 L, and then held for 0.5 hours for positive electrode activity having a surface layer. Obtained the substance. The evaluation results of the positive electrode active material are summarized in Tables 1 and 2.
(実施例3)
(Nb−O被覆液の作製)
予め2−プロパノール100mlにペンタニオブエトキシド(和光純薬製)7.95gを加えて攪拌し、溶液(A)を作製した。別容器に2−プロパノール30mlにアセチルアセトン(関東化学製)5.00gを加えて攪拌し,溶液(B)を作製した。溶液(A)中に溶液(B)を投入し、攪拌混合後に溶液(C)を作製した。密栓した容器中に溶液(C)を入れ、攪拌しながら24℃で1時間放置後、溶液(D)を作製した。さらに溶液(D)に希釈用の2−プロパノール500mlを加えて、有機ニオブを含む被覆液(E)を得た。
(被覆層前駆体の形成)
実施例1で作製した母材600gを取り分け、転動流動装置((株)パウレック製、MP−01)を用いて出口温度30℃、送風量0.3m3/時で撹拌しながら2.5時間分掛けて被覆液(E)全量を噴霧して、被覆層前駆体を得た。この混合物600gを、容積の30Lのマッフル炉を用い、10L/分で純酸素ガスを導入しながら3℃/分で600℃まで昇温した後、0.5時間保持して表層を有する正極活物質を得た。正極活物質の評価結果を表1、2にまとめて示す。また、図6(A)は、正極活物質の粒子表面側からSEM観察を行い、得られた表面組織を示す。図6(B)は、正極活物質の粒子断面側からTEM観察を行い、微細組織で観察された微粒の粒形状を示す。TEM観察から、被覆層に平均粒径10nm以上20nmの微粒子が観察された。
(Example 3)
(Preparation of Nb-O coating liquid)
To 100 ml of 2-propanol in advance, 7.95 g of pentaniobium ethoxide (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added and stirred to prepare a solution (A). A solution (B) was prepared by adding 5.00 g of acetylacetone (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) to 30 ml of 2-propanol in a separate container and stirring. The solution (B) was put into the solution (A), and the solution (C) was prepared after stirring and mixing. The solution (C) was placed in a tightly closed container and left at 24 ° C. for 1 hour with stirring to prepare a solution (D). Further, 500 ml of 2-propanol for dilution was added to the solution (D) to obtain a coating liquid (E) containing organic niobium.
(Formation of coating layer precursor)
Separate 600 g of the base metal prepared in Example 1 and use a rolling fluid device (manufactured by Paulek Co., Ltd., MP-01) at an outlet temperature of 30 ° C. and an air flow rate of 0.3 m 3 / hour while stirring 2.5. The entire amount of the coating liquid (E) was sprayed over an hour to obtain a coating layer precursor. 600 g of this mixture was heated to 600 ° C. at 3 ° C./min while introducing pure oxygen gas at 10 L / min using a muffle furnace with a volume of 30 L, and then held for 0.5 hours for positive electrode activity having a surface layer. Obtained the substance. The evaluation results of the positive electrode active material are summarized in Tables 1 and 2. Further, FIG. 6A shows the surface structure obtained by SEM observation from the particle surface side of the positive electrode active material. FIG. 6B shows the grain shape of the fine particles observed in the microstructure by TEM observation from the particle cross-sectional side of the positive electrode active material. From TEM observation, fine particles having an average particle size of 10 nm or more and 20 nm were observed in the coating layer.
(実施例4)
(Al−O分散液の作製)
予め2−プロパノール20mlにトリアルミニウムイソプロポキシド(和光純薬製)1.20gを加えて攪拌し、溶液(A)を作製した。別容器に2−プロパノール5mlにアセチルアセトン(関東化学製)0.50gを加えて攪拌し,溶液(B)を作製した。溶液(A)中に溶液(B)を投入し、攪拌混合後に溶液(C)を作製した。密栓した容器中に溶液(C)を入れ、攪拌しながら50℃で0.5時間加熱後、冷却して室温に戻し、溶液(D)を作製した。2−プロパノール5mlと純水0.40gの混合液を溶液(D)に投入後、攪拌しながら24℃で3時間保持後、室温に戻し、透明な黄色い分散液(F)を作製した。さらに溶液(F)に希釈用の2−プロパノール100mlを加えて、加水分解した有機アルミニウムを含む被覆液(E)を得た。被覆液(E)の粒度を測定するとD50 =11nmであった。
(被覆層の形成)
実施例1で作製した母材600gを取り分け、転動流動装置((株)パウレック製、MP−01)を用いて出口温度30℃、送風量0.3m3/時で撹拌しながら30分間掛けて被覆液(E)全量を噴霧して、被覆層を得た。この混合物600gを、容積の30Lのマッフル炉を用い、10L/分で純酸素ガスを導入しながら3℃/分で600℃まで昇温した後、0.5時間保持して表層を有する正極活物質を得た。正極活物質の評価結果を表1、2にまとめて示す。
(Example 4)
(Preparation of Al—O dispersion)
1.20 g of trialuminum isopropoxide (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added to 20 ml of 2-propanol in advance and stirred to prepare a solution (A). 0.50 g of acetylacetone (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) was added to 5 ml of 2-propanol in a separate container and stirred to prepare a solution (B). The solution (B) was put into the solution (A), and the solution (C) was prepared after stirring and mixing. The solution (C) was placed in a tightly closed container, heated at 50 ° C. for 0.5 hours with stirring, cooled and returned to room temperature to prepare a solution (D). A mixed solution of 5 ml of 2-propanol and 0.40 g of pure water was added to the solution (D), kept at 24 ° C. for 3 hours with stirring, and then returned to room temperature to prepare a transparent yellow dispersion (F). Further, 100 ml of 2-propanol for dilution was added to the solution (F) to obtain a coating liquid (E) containing hydrolyzed organoaluminum. The particle size of the coating liquid (E) was measured and found to be D50 = 11 nm.
(Formation of coating layer)
Separate 600 g of the base material prepared in Example 1 and apply it for 30 minutes while stirring at an outlet temperature of 30 ° C. and an air flow rate of 0.3 m3 / hour using a rolling fluid device (manufactured by Paulek Co., Ltd., MP-01). The entire amount of the coating liquid (E) was sprayed to obtain a coating layer. 600 g of this mixture was heated to 600 ° C. at 3 ° C./min while introducing pure oxygen gas at 10 L / min using a muffle furnace with a volume of 30 L, and then held for 0.5 hours for positive electrode activity having a surface layer. Obtained the substance. The evaluation results of the positive electrode active material are summarized in Tables 1 and 2.
(実施例5)
(Al−O被覆液の作製)
予め2−プロパノール20mlにトリアルミニウムイソプロポキシド(高純度化学製)1.20gを加えて溶解攪拌し、溶液(A)を作製した。別容器に2−プロパノール5mlにアセチルアセトン(関東化学製)0.50gを加えて攪拌し,溶液(B)を作製した。溶液(A)中に溶液(B)を投入し、攪拌混合後に溶液(C)を作製した。密栓した容器中に溶液(C)を入れ、攪拌しながら24℃で1時間放置後、溶液(D)を作製した。さらに溶液(F)に希釈用の2−プロパノール100mlを加えて、有機アルミニウムを含む被覆液(E)を得た。
(被覆層の形成)
実施例1で作製した母材600gを取り分け、転動流動装置((株)パウレック製、MP−01)を用いて出口温度30℃、送風量0.3m3/時で撹拌しながら0.5時間掛けて被覆液(E)全量を噴霧して、被覆層を得た。
この混合物600gを、容積の30Lのマッフル炉を用い、10L/分で純酸素ガスを導入しながら3℃/分で400℃まで昇温した後、0.5時間保持して表層を有する正極活物質を得た。正極活物質の評価結果を表1、2にまとめて示す。
(実施例6)
(Al−O被覆液の作製)
実施例5と同条件で得た有機アルミニウムを含む被覆液(E)を得た。
(被覆層の形成)
実施例1で作製した母材600gを取り分け、実施例6と同条件で噴霧して被覆層を得た。この混合物600gを、容積の30Lのマッフル炉を用い、10L/分で純酸素ガスを導入しながら3℃/分で600℃まで昇温した後、0.5時間保持して表層を有する正極活物質を得た。正極活物質の評価結果を表1、2にまとめて示す。
(Example 5)
(Preparation of Al—O coating liquid)
1.20 g of trialuminum isopropoxide (manufactured by High Purity Chemicals) was added to 20 ml of 2-propanol in advance, dissolved and stirred to prepare a solution (A). 0.50 g of acetylacetone (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) was added to 5 ml of 2-propanol in a separate container and stirred to prepare a solution (B). The solution (B) was put into the solution (A), and the solution (C) was prepared after stirring and mixing. The solution (C) was placed in a tightly closed container and left at 24 ° C. for 1 hour with stirring to prepare a solution (D). Further, 100 ml of 2-propanol for dilution was added to the solution (F) to obtain a coating liquid (E) containing organoaluminum.
(Formation of coating layer)
Separate 600 g of the base metal prepared in Example 1 and use a rolling fluid device (manufactured by Paulek Co., Ltd., MP-01) at an outlet temperature of 30 ° C. and an air flow rate of 0.3 m3 / hour for 0.5 hours while stirring. A coating layer was obtained by spraying the entire amount of the coating liquid (E).
600 g of this mixture was heated to 400 ° C. at 3 ° C./min while introducing pure oxygen gas at 10 L / min using a muffle furnace with a volume of 30 L, and then held for 0.5 hours for positive electrode activity having a surface layer. Obtained the substance. The evaluation results of the positive electrode active material are summarized in Tables 1 and 2.
(Example 6)
(Preparation of Al—O coating liquid)
A coating liquid (E) containing organoaluminum obtained under the same conditions as in Example 5 was obtained.
(Formation of coating layer)
600 g of the base material prepared in Example 1 was separately sprayed under the same conditions as in Example 6 to obtain a coating layer. 600 g of this mixture was heated to 600 ° C. at 3 ° C./min while introducing pure oxygen gas at 10 L / min using a muffle furnace with a volume of 30 L, and then held for 0.5 hours for positive electrode activity having a surface layer. Obtained the substance. The evaluation results of the positive electrode active material are summarized in Tables 1 and 2.
(実施例7)
(Al−O被覆液の作製)
予め2−プロパノール100mlにトリアルミニウムイソプロポキシド(高純度化学製)6.00gを加えて溶解攪拌し、溶液(A)を作製した。別容器に2−プロパノール30mlにアセチルアセトン(関東化学製)2.50gを加えて攪拌し,溶液(B)を作製した。溶液(A)中に溶液(B)を投入し、攪拌混合後に溶液(C)を作製した。密栓した容器中に溶液(C)を入れ、攪拌しながら24℃で1時間放置後、溶液(D)を作製した。さらに溶液(F)に希釈用の2−プロパノール500mlを加えて、有機アルミニウムを含む被覆液(E)を得た。
(被覆層の形成)
実施例1で作製した母材600gを取り分け、転動流動装置((株)パウレック製、MP−01)を用いて出口温度30℃、送風量0.3m3/時で撹拌しながら6時間掛けて被覆液(E)全量を噴霧して、被覆層を得た。この混合物600gを、容積の30Lのマッフル炉を用い、10L/分で純酸素ガスを導入しながら3℃/分で600℃まで昇温した後、0.5時間保持して表層を有する正極活物質を得た。正極活物質の評価結果を表1,2にまとめて示す。また、図7(A)は、正極活物質の粒子表面側からSEM観察を行い、得られた表面組織を示す。図7(B)は、正極活物質の粒子断面側からTEM観察を行い、微細組織で観察された微粒の粒形状を示す。TEM観察により、被覆層に平均粒径1nm以上2nm以下の微粒子が観察された。
(Example 7)
(Preparation of Al—O coating liquid)
To 100 ml of 2-propanol in advance, 6.00 g of trialuminum isopropoxide (manufactured by High Purity Chemicals) was added and dissolved and stirred to prepare a solution (A). 2.50 g of acetylacetone (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) was added to 30 ml of 2-propanol in a separate container and stirred to prepare a solution (B). The solution (B) was put into the solution (A), and the solution (C) was prepared after stirring and mixing. The solution (C) was placed in a tightly closed container and left at 24 ° C. for 1 hour with stirring to prepare a solution (D). Further, 500 ml of 2-propanol for dilution was added to the solution (F) to obtain a coating liquid (E) containing organoaluminum.
(Formation of coating layer)
Separate 600 g of the base metal prepared in Example 1 and use a rolling fluid device (manufactured by Paulek Co., Ltd., MP-01) to take 6 hours while stirring at an outlet temperature of 30 ° C. and an air volume of 0.3 m 3 / hour. The entire amount of the coating liquid (E) was sprayed to obtain a coating layer. 600 g of this mixture was heated to 600 ° C. at 3 ° C./min while introducing pure oxygen gas at 10 L / min using a muffle furnace with a volume of 30 L, and then held for 0.5 hours for positive electrode activity having a surface layer. Obtained the substance. The evaluation results of the positive electrode active material are summarized in Tables 1 and 2. Further, FIG. 7A shows the surface structure obtained by SEM observation from the particle surface side of the positive electrode active material. FIG. 7B shows the grain shape of the fine particles observed in the microstructure by TEM observation from the particle cross-sectional side of the positive electrode active material. By TEM observation, fine particles having an average particle size of 1 nm or more and 2 nm or less were observed in the coating layer.
(実施例8)
(Al−O被覆液の作製)
実施例7と同条件で得た有機アルミニウムを含む被覆液(E)を得た。
(被覆層の形成)
実施例1で作製した母材600gを取り分け、実施例7と同条件で噴霧して被覆層を得た。この混合物600gを、容積の30Lのマッフル炉を用い、10L/分で純酸素ガスを導入しながら3℃/分で700℃まで昇温した後、0.5時間保持して表層を有する正極活物質を得た。正極活物質の評価結果を表1、2にまとめて示す。
(Example 8)
(Preparation of Al—O coating liquid)
A coating liquid (E) containing organoaluminum obtained under the same conditions as in Example 7 was obtained.
(Formation of coating layer)
600 g of the base material prepared in Example 1 was separately sprayed under the same conditions as in Example 7 to obtain a coating layer. 600 g of this mixture was heated to 700 ° C. at 3 ° C./min while introducing pure oxygen gas at 10 L / min using a muffle furnace with a volume of 30 L, and then held for 0.5 hours for positive electrode activity having a surface layer. Obtained the substance. The evaluation results of the positive electrode active material are summarized in Tables 1 and 2.
(比較例1)
実施例1で作製した母材600gを被覆処理せずに、正極活物質の評価を行った。結果を表1、2にまとめて示す。また、図8(A)は、正極活物質の粒子表面側からSEM観察を行い、得られた表面組織を示す。図8(B)は、正極活物質の粒子断面側からTEM観察を行い、微細組織で観察された微粒の粒形状を示す。TEM観察により、被覆層は観察されなかった。
(Comparative Example 1)
The positive electrode active material was evaluated without coating 600 g of the base material produced in Example 1. The results are summarized in Tables 1 and 2. Further, FIG. 8A shows the surface structure obtained by SEM observation from the particle surface side of the positive electrode active material. FIG. 8B shows the grain shape of the fine particles observed in the microstructure by TEM observation from the particle cross-sectional side of the positive electrode active material. No coating layer was observed by TEM observation.
(比較例2)
実施例1で作製した母材600gを被覆処理せずに、容積の30Lのマッフル炉を用い、10L/分で純酸素ガスを導入しながら3℃/分で600℃まで昇温して正極活物質を得た。正極活物質の評価結果を表1、2にまとめて示す。
(Comparative Example 2)
Without coating 600 g of the base metal prepared in Example 1, a muffle furnace having a volume of 30 L was used, and the temperature was raised to 600 ° C. at 3 ° C./min while introducing pure oxygen gas at 10 L / min to activate the positive electrode. Obtained the substance. The evaluation results of the positive electrode active material are summarized in Tables 1 and 2.
(比較例3)
(Ti−O被覆液の作製)
予め2−プロパノール50mlにチタニウムブトキシド(関東化学製)1.66gを加えて密栓した容器中で攪拌し、被覆液(A)を作製した。
(被覆層の形成)
実施例1で作製した母材20gを取り分け、被覆液(A)中に添加して6hr攪拌後、被覆層を得た。この混合物20gを、容積の30Lのマッフル炉を用い、10L/分で純酸素ガスを導入しながら3℃/分で300℃まで昇温した後、0.5時間保持して正極活物質を得た。正極活物質の評価結果を表1、2にまとめて示す。
(Comparative Example 3)
(Preparation of Ti-O coating liquid)
1.66 g of titanium butoxide (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) was added to 50 ml of 2-propanol in advance and stirred in a tightly closed container to prepare a coating liquid (A).
(Formation of coating layer)
20 g of the base material prepared in Example 1 was separately added to the coating liquid (A) and stirred for 6 hours to obtain a coating layer. 20 g of this mixture was heated to 300 ° C. at 3 ° C./min while introducing pure oxygen gas at 10 L / min using a muffle furnace having a volume of 30 L, and then held for 0.5 hour to obtain a positive electrode active material. It was. The evaluation results of the positive electrode active material are summarized in Tables 1 and 2.
(比較例4)
(Ti−O被覆液の作製)
比較例3と同条件で得た有機チタニウムを含む被覆液(A)を得た。
(被覆層の形成)
実施例1で作製した母材20gを取り分け、被覆液(A)中に添加して6hr攪拌後、被覆層を得た。この混合物20gを、容積の30Lのマッフル炉を用い、10L/分で純酸素ガスを導入しながら3℃/分で400℃まで昇温した後、0.5時間保持して正極活物質を得た。正極活物質の評価結果を表1、2にまとめて示す。
(Comparative Example 4)
(Preparation of Ti-O coating liquid)
A coating liquid (A) containing organic titanium obtained under the same conditions as in Comparative Example 3 was obtained.
(Formation of coating layer)
20 g of the base material prepared in Example 1 was separately added to the coating liquid (A) and stirred for 6 hours to obtain a coating layer. 20 g of this mixture is heated to 400 ° C. at 3 ° C./min while introducing pure oxygen gas at 10 L / min using a muffle furnace with a volume of 30 L, and then held for 0.5 hour to obtain a positive electrode active material. It was. The evaluation results of the positive electrode active material are summarized in Tables 1 and 2.
(比較例5)
(Ti−O被覆液の作製)
比較例3と同条件で得た有機チタニウムを含む被覆液(A)を得た。
(被覆層の形成)
実施例1で作製した母材20gを取り分け、被覆液(A)中に添加して6hr攪拌後、被覆層を得た。この混合物20gを、容積の30Lのマッフル炉を用い、10L/分で純酸素ガスを導入しながら3℃/分で600℃まで昇温した後、0.5時間保持して正極活物質を得た。正極活物質の評価結果を表1、2にまとめて示す。
(Comparative Example 5)
(Preparation of Ti-O coating liquid)
A coating liquid (A) containing organic titanium obtained under the same conditions as in Comparative Example 3 was obtained.
(Formation of coating layer)
20 g of the base material prepared in Example 1 was separately added to the coating liquid (A) and stirred for 6 hours to obtain a coating layer. 20 g of this mixture was heated to 600 ° C. at 3 ° C./min while introducing pure oxygen gas at 10 L / min using a muffle furnace having a volume of 30 L, and then held for 0.5 hour to obtain a positive electrode active material. It was. The evaluation results of the positive electrode active material are summarized in Tables 1 and 2.
(比較例6)
(Nb−O被覆液の作製)
予め2−プロパノール50mlにペンタニオブエトキシド(関東化学製)1.59gを加えて密栓した容器中で攪拌し、被覆液(A)を作製した。
(被覆層の形成)
実施例1で作製した母材20gを取り分け、被覆液(A)中に添加して6hr攪拌後、被覆層を得た。この混合物20gを、容積の30Lのマッフル炉を用い、10L/分で純酸素ガスを導入しながら3℃/分で300℃まで昇温した後、0.5時間保持して正極活物質を得た。正極活物質の評価結果を表1、2にまとめて示す。
(Comparative Example 6)
(Preparation of Nb-O coating liquid)
1.59 g of pentaniobium ethoxide (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) was added to 50 ml of 2-propanol in advance and stirred in a tightly closed container to prepare a coating liquid (A).
(Formation of coating layer)
20 g of the base material prepared in Example 1 was separately added to the coating liquid (A) and stirred for 6 hours to obtain a coating layer. 20 g of this mixture was heated to 300 ° C. at 3 ° C./min while introducing pure oxygen gas at 10 L / min using a muffle furnace having a volume of 30 L, and then held for 0.5 hour to obtain a positive electrode active material. It was. The evaluation results of the positive electrode active material are summarized in Tables 1 and 2.
(比較例7)
(Nb−O被覆液の作製)
比較例5と同条件で得た有機ニオブを含む被覆液(A)を得た。
(被覆層の形成)
実施例1で作製した母材20gを取り分け、被覆液(A)中に添加して6hr攪拌後、被覆層を得た。この混合物20gを、容積の30Lのマッフル炉を用い、10L/分で純酸素ガスを導入しながら3℃/分で600℃まで昇温した後、0.5時間保持して正極活物質を得た。正極活物質の評価結果を表1、2にまとめて示す。
(Comparative Example 7)
(Preparation of Nb-O coating liquid)
A coating liquid (A) containing organic niobium obtained under the same conditions as in Comparative Example 5 was obtained.
(Formation of coating layer)
20 g of the base material prepared in Example 1 was separately added to the coating liquid (A) and stirred for 6 hours to obtain a coating layer. 20 g of this mixture was heated to 600 ° C. at 3 ° C./min while introducing pure oxygen gas at 10 L / min using a muffle furnace having a volume of 30 L, and then held for 0.5 hour to obtain a positive electrode active material. It was. The evaluation results of the positive electrode active material are summarized in Tables 1 and 2.
(比較例8)
(Al−O被覆液の作製)
予め2−プロパノール50mlにトリアルミニウムイソプロポキシド(関東化学製)1.20gを加えて密栓した容器中で攪拌し、被覆液(A)を作製した。
(被覆層の形成)
実施例1で作製した母材20gを取り分け、被覆液(A)中に添加して6hr攪拌後、被覆層を得た。この混合物20gを、容積の30Lのマッフル炉を用い、10L/分で純酸素ガスを導入しながら3℃/分で300℃まで昇温した後、0.5時間保持して正極活物質を得た。正極活物質の評価結果を表1、2にまとめて示す。
(Comparative Example 8)
(Preparation of Al—O coating liquid)
1.20 g of trialuminum isopropoxide (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) was added to 50 ml of 2-propanol in advance and stirred in a tightly closed container to prepare a coating liquid (A).
(Formation of coating layer)
20 g of the base material prepared in Example 1 was separately added to the coating liquid (A) and stirred for 6 hours to obtain a coating layer. 20 g of this mixture was heated to 300 ° C. at 3 ° C./min while introducing pure oxygen gas at 10 L / min using a muffle furnace having a volume of 30 L, and then held for 0.5 hour to obtain a positive electrode active material. It was. The evaluation results of the positive electrode active material are summarized in Tables 1 and 2.
(比較例9)
(Al−O被覆液の作製)
比較例7と同条件で得た有機アルミニウムを含む被覆液(A)を得た。
(被覆層の形成)
実施例1で作製した母材20gを取り分け、被覆液(A)中に添加して6hr攪拌後、被覆層を得た。この混合物20gを、容積の30Lのマッフル炉を用い、10L/分で純酸素ガスを導入しながら3℃/分で600℃まで昇温した後、0.5時間保持して正極活物質を得た。正極活物質の評価結果を表1、2にまとめて示す。
(Comparative Example 9)
(Preparation of Al—O coating liquid)
A coating liquid (A) containing organoaluminum obtained under the same conditions as in Comparative Example 7 was obtained.
(Formation of coating layer)
20 g of the base material prepared in Example 1 was separately added to the coating liquid (A) and stirred for 6 hours to obtain a coating layer. 20 g of this mixture was heated to 600 ° C. at 3 ° C./min while introducing pure oxygen gas at 10 L / min using a muffle furnace having a volume of 30 L, and then held for 0.5 hour to obtain a positive electrode active material. It was. The evaluation results of the positive electrode active material are summarized in Tables 1 and 2.
(比較例10)
(Al−O被覆液の作製)
比較例7と同条件で得た有機アルミニウムを含む被覆液(A)を得た。
(被覆層の形成)
実施例1で作製した母材20gを取り分け、被覆液(A)中に添加して6hr攪拌後、被覆層を得た。この混合物20gを、容積の30Lのマッフル炉を用い、10L/分で純酸素ガスを導入しながら3℃/分で800℃まで昇温した後、0.5時間保持して正極活物質を得た。正極活物質の評価結果を表1、2にまとめて示す。
(Comparative Example 10)
(Preparation of Al—O coating liquid)
A coating liquid (A) containing organoaluminum obtained under the same conditions as in Comparative Example 7 was obtained.
(Formation of coating layer)
20 g of the base material prepared in Example 1 was separately added to the coating liquid (A) and stirred for 6 hours to obtain a coating layer. 20 g of this mixture was heated to 800 ° C. at 3 ° C./min while introducing pure oxygen gas at 10 L / min using a muffle furnace having a volume of 30 L, and then held for 0.5 hour to obtain a positive electrode active material. It was. The evaluation results of the positive electrode active material are summarized in Tables 1 and 2.
1……正極活物質
2……リチウムニッケル複合酸化物粒子
3……表層部
4……中心部
5……被覆層
6……母材
7……被覆層前駆体
CBA……コイン型電池
CA……ケース
PC……正極
NC……負極
GA……ガスケット
PE……正極
NE……負極
SE……セパレータ
1 ... Positive electrode
Claims (22)
前記リチウムニッケル複合酸化物粒子の表面の少なくとも一部を被覆した被覆層をさらに有し、前記被覆層は、前記M 2 を前記表層部よりも高濃度で含む、
ことを特徴とする非水系電解質二次電池用正極活物質。 And a surface layer portion and the other central portion disposed on the surface, in the composition is Li t Ni 1-x-y Co x M 1 y M 2 z O 2 + α ( wherein, M 1 is, Mg, Al, At least one element selected from the group consisting of Ca, Ti, V, Cr, Mn, Zr, Nb, Mo and W, M 2 is Nb, 1.01 ≦ t ≦ 1.20, It is composed of lithium nickel composite oxide particles represented by 0 ≦ x ≦ 0.22, 0 ≦ y ≦ 0.15, 0 <z ≦ 0.03, 0 ≦ α ≦ 0.1). 2 is contained in the surface layer portion,
It further has a coating layer that covers at least a part of the surface of the lithium nickel composite oxide particles, and the coating layer contains the M 2 at a higher concentration than the surface layer portion.
A positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery.
前記M2の少なくとも一部は、前記複合酸化物粒子中のNi、Coの少なくとも一部と反応して生成物を形成してなり、
前記生成物の少なくとも一部は、組成式AB2O4(Aは、NiおよびCoのうち少なくとも1種の金属元素であり、Bは、M2である。)で表されるスピネル型結晶相からなる、
ことを特徴とする非水系電解質二次電池用正極活物質。 And a surface layer portion and the other central portion disposed on the surface, in the composition is Li t Ni 1-x-y Co x M 1 y M 2 z O 2 + α ( wherein, M 1 is, Mg, Al, 1. At least one element selected from the group consisting of Ca, Ti, V, Cr, Mn, Zr, Nb, Mo and W, and M 2 is at least one element among Al and Nb. 01 ≦ t ≦ 1.20, 0 ≦ x ≦ 0.22, 0 ≦ y ≦ 0.15, 0 <z ≦ 0.03, 0 ≦ α ≦ 0.1) It is composed of oxide particles, and the M 2 is contained in the surface layer portion.
At least a part of the M 2 reacts with at least a part of Ni and Co in the composite oxide particles to form a product.
At least a part of the product is a spinel-type crystal phase represented by the composition formula AB 2 O 4 (A is at least one metal element of Ni and Co, and B is M 2). Consists of
A positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery.
Al及びNbのうち少なくとも1種を含む金属アルコキシドのモノマー又はそのオリゴマーと、有機溶媒と、を混合し混合液を得た後、前記混合液にキレート剤を添加して被覆液を得ることと、
リチウムニッケル複合酸化物粒子に、前記被覆液を混合し又は噴霧して、前記リチウムニッケル複合酸化物粒子の表面に膜厚が3nm以上100nm以下の被覆層前駆体を形成することと、
前記被覆層前駆体を形成した複合酸化物粒子を350℃以上700℃以下の酸素雰囲気中で熱処理することと、
を含むことを特徴とする非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法。 And a surface layer portion and the other central portion disposed on the surface, in the composition is Li t Ni 1-x-y Co x M 1 y M 2 z O 2 + α ( wherein, M 1 is, Mg, Al, At least one element selected from the group consisting of Ca, Ti, V, Cr, Mn, Zr, Nb, Mo and W, M 2 is at least one element of Al and Nb, and 1 Lithium nickel represented by 0.01 ≦ t ≦ 1.20, 0 ≦ x ≦ 0.22, 0 ≦ y ≦ 0.15, 0 <z ≦ 0.03, 0 ≦ α ≦ 0.1) The M 2 is a method for producing a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, which is composed of composite oxide particles and is contained in the surface layer portion.
A metal alkoxide monomer or oligomer containing at least one of Al and Nb is mixed with an organic solvent to obtain a mixed solution, and then a chelating agent is added to the mixed solution to obtain a coating solution.
The coating liquid is mixed or sprayed with the lithium nickel composite oxide particles to form a coating layer precursor having a film thickness of 3 nm or more and 100 nm or less on the surface of the lithium nickel composite oxide particles.
The composite oxide particles forming the coating layer precursor are heat-treated in an oxygen atmosphere of 350 ° C. or higher and 700 ° C. or lower.
A method for producing a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, which comprises.
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