JP7675541B2 - Positive electrode active material particle mixture for lithium ion secondary batteries - Google Patents
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Description
本発明は、高容量で安全性に優れるリチウムイオン二次電池を得るための、リチウムイオン二次電池用正極活物質粒子混合物に関する。 The present invention relates to a mixture of positive electrode active material particles for lithium ion secondary batteries to obtain lithium ion secondary batteries that are high capacity and have excellent safety.
リチウムイオン二次電池等の二次電池は、携帯電話、デジタルカメラ、ノートPC、ハイブリッド自動車、電気自動車等広い分野に利用されている。こうしたリチウムイオン二次電池の正極材料として、その安全性の高さや容量の大きさから、LiMnxFe1-xPO4のようなリン酸マンガン鉄リチウム系粒子が有望視されている。その一方で、リン酸マンガン鉄リチウム系粒子は導電性が低く、得られるリチウムイオン二次電池において充分に電池特性を高めるには、依然として改善を要することから、従来より種々の開発がなされている。 Secondary batteries such as lithium ion secondary batteries are used in a wide range of fields, including mobile phones, digital cameras, notebook PCs, hybrid cars, and electric cars. As a positive electrode material for such lithium ion secondary batteries, lithium manganese iron phosphate particles such as LiMn x Fe 1-x PO 4 are considered promising due to their high safety and large capacity. On the other hand, lithium manganese iron phosphate particles have low electrical conductivity, and still require improvement in order to sufficiently improve the battery characteristics of the resulting lithium ion secondary battery, so various developments have been made in the past.
例えば、特許文献1には、エネルギー密度に優れた二次電池を得るべく、リン酸マンガン鉄リチウムとともにリチウム・ニッケル・コバルト・マンガン複合酸化物を含む二次電池用正極が開示されており、リン酸マンガン鉄リチウムを単独で含む場合よりも、リチウムイオン二次電池における初期クーロン効率の向上に効果を発揮している。 For example, Patent Document 1 discloses a positive electrode for a secondary battery that contains lithium-nickel-cobalt-manganese composite oxide together with lithium manganese iron phosphate in order to obtain a secondary battery with excellent energy density, and is more effective in improving the initial coulombic efficiency of a lithium-ion secondary battery than when lithium manganese iron phosphate is contained alone.
しかしながら、上記特許文献に記載の技術では、得られるリチウムイオン二次電池において高容量を発現させるべく、リン酸マンガン鉄リチウムとともに併用するリチウム・ニッケル・コバルト・マンガン複合酸化物のニッケル含有量を高めようとすると、安全性(熱的安定性、以下同義)を確保するのが困難であり、依然として改善を要する状況にある。 However, with the technology described in the above patent document, when attempting to increase the nickel content of the lithium-nickel-cobalt-manganese composite oxide used in combination with the lithium manganese iron phosphate in order to achieve high capacity in the resulting lithium-ion secondary battery, it is difficult to ensure safety (thermal stability, hereafter the same) and improvements are still required.
したがって、本発明の課題は、リン酸マンガン鉄リチウム系粒子を用いつつ、リチウムイオン二次電池において容量とともに安全性を充分に高めることのできるリチウムイオン二次電池用正極活物質粒子混合物を提供することにある。 Therefore, the object of the present invention is to provide a positive electrode active material particle mixture for lithium ion secondary batteries that uses lithium manganese iron phosphate-based particles and can sufficiently improve the capacity and safety of lithium ion secondary batteries.
そこで本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、粒子内部に多くの空隙を有する特定のリン酸マンガン鉄リチウム系粒子とともに、ニッケル含有量が高低異なる2種のリチウム・ニッケル・コバルト・マンガン系粒子を併用することにより、高容量でありながら優れた安全性を発現するリチウムイオン二次電池を実現することのできる正極材料が得られることを見出した。 The inventors conducted extensive research to solve the above problems and discovered that by combining specific lithium manganese iron phosphate particles with many voids inside the particles with two types of lithium-nickel-cobalt-manganese particles with different nickel contents, it is possible to obtain a positive electrode material that can realize a lithium-ion secondary battery that has high capacity and excellent safety.
すなわち、本発明は、下記式(A):
LiaMnbFecM1
xPO4・・・(A)
(式(A)中、M1はMg、Al、Ti、Cu、Zn、Nb、Co、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。a、b、c、及びxは、0<a≦1.2、0≦b≦1.2、0≦c≦1.2、0≦x≦0.3、及びb+c≠0を満たし、かつa+(Mnの価数)×b+(Feの価数)×c+(M1の価数)×x=3を満たす数を示す。)
で表され、タップ密度が0.3g/cm3~1.2g/cm3であり、かつ細孔径10nm~3000nmにおける細孔容積が0.2mL/g~0.7mL/gである粒子(A)と、
下記式(B):
LiNidCoeMnfM2
yO2・・・(B)
(式(B)中、M2はMg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Al、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。d、e、f、yは、0.6≦d≦0.95、0<e≦0.4、0<f≦0.4、0≦y≦0.3、かつ3d+3e+3f+(M2の価数)×y=3を満たす数を示す。)
で表される粒子(B)と、
下記式(C):
LiNigCohMniM3
zO2・・・(C)
(式(C)中、M3はMg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Al、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。g、h、i、zは、0.3≦g<0.6、0<h≦0.7、0<i≦0.7、0≦z≦0.3、かつ3g+3h+3i+(M3の価数)×z=3を満たす数を示す。)
で表される粒子(C)
とからなるリチウムイオン二次電池用正極活物質粒子混合物を提供するものである。
That is, the present invention relates to a compound represented by the following formula (A):
Li a Mn b Fe c M 1 x PO 4 ...(A)
(In formula (A), M1 represents Mg, Al, Ti, Cu, Zn, Nb, Co, Ni, Ca, Sr, Y, Zr, Mo, Ba, Pb, Bi, La, Ce, Nd, or Gd. a, b, c, and x represent numbers that satisfy 0<a≦1.2, 0≦b≦1.2, 0≦c≦1.2, 0≦x≦0.3, and b+c≠0, and a+(valence of Mn)×b+(valence of Fe)×c+(valence of M1 )×x=3.)
Particles (A) having a tap density of 0.3 g/cm 3 to 1.2 g/cm 3 and a pore volume of 0.2 mL/g to 0.7 mL/g at pore diameters of 10 nm to 3000 nm;
The following formula (B):
LiNidCoeMnfM2yO2 ... ( B )
(In formula (B), M2 represents one or more elements selected from Mg, Ti, Nb, Fe, Cr, Si, Al, Ga, V, Zn, Cu, Sr, Mo, Zr, Sn, Ta, W, La, Ce, Pb, Bi, and Ge. d, e, f, and y represent numbers satisfying 0.6≦d≦0.95, 0<e≦0.4, 0<f≦0.4, 0≦y≦0.3, and 3d+3e+3f+(valence of M2 )×y=3.)
Particles (B) represented by
The following formula (C):
LiNi g Co h Mn i M 3 z O 2 ...(C)
(In formula (C), M3 represents one or more elements selected from Mg, Ti, Nb, Fe, Cr, Si, Al, Ga, V, Zn, Cu, Sr, Mo, Zr, Sn, Ta, W, La, Ce, Pb, Bi, and Ge. g, h, i, and z represent numbers satisfying 0.3≦g<0.6, 0<h≦0.7, 0<i≦0.7, 0≦z≦0.3, and 3g+3h+3i+(valence of M3 )×z=3.)
Particles (C) represented by
and a positive electrode active material particle mixture for a lithium ion secondary battery, the positive electrode active material particle mixture comprising:
本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質粒子混合物によれば、粒子内部に空隙を多く有し、電池製造工程中のプレス工程の際に良好な崩壊性を示すリン酸マンガン鉄リチウム系粒子である粒子(A)を含むため、ニッケル含有量が高低異なる2種のリチウム・ニッケル・コバルト・マンガン系粒子である粒子(B)及び粒子(C)とも密接かつ効果的に絡み合い、有効に容量を高めつつ安全性(熱的安定性)にも優れるリチウムイオン二次電池を実現することができる。 The positive electrode active material particle mixture for lithium ion secondary batteries of the present invention contains particles (A), which are lithium manganese iron phosphate-based particles that have many voids inside the particles and exhibit good disintegration properties during the pressing step in the battery manufacturing process, and therefore closely and effectively entangles with particles (B) and (C), which are two types of lithium-nickel-cobalt-manganese-based particles with different nickel contents, making it possible to realize a lithium ion secondary battery that effectively increases capacity while also being excellent in safety (thermal stability).
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質粒子混合物は、下記式(A):
LiaMnbFecM1
xPO4・・・(A)
(式(A)中、M1はMg、Al、Ti、Cu、Zn、Nb、Co、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。a、b、c、及びxは、0<a≦1.2、0≦b≦1.2、0≦c≦1.2、0≦x≦0.3、及びb+c≠0を満たし、かつa+(Mnの価数)×b+(Feの価数)×c+(M1の価数)×x=3を満たす数を示す。)
で表され、タップ密度が0.3g/cm3~1.2g/cm3であり、かつ細孔径10nm~3000nmにおける細孔容積が0.2mL/g~0.7mL/gである粒子(A)と、
下記式(B):
LiNidCoeMnfM2
yO2・・・(B)
(式(B)中、M2はMg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Al、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。d、e、f、yは、0.6≦d≦0.95、0<e≦0.4、0<f≦0.4、0≦y≦0.3、かつ3d+3e+3f+(M2の価数)×y=3を満たす数を示す。)
で表される粒子(B)と、
下記式(C):
LiNigCohMniM3
zO2・・・(C)
(式(C)中、M3はMg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Al、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。g、h、i、zは、0.3≦g<0.6、0<h≦0.7、0<i≦0.7、0≦z≦0.3、かつ3g+3h+3i+(M3の価数)×z=3を満たす数を示す。)
で表される粒子(C)
とからなる。
The present invention will be described in detail below.
The positive electrode active material particle mixture for a lithium ion secondary battery of the present invention has the following formula (A):
Li a Mn b Fe c M 1 x PO 4 ...(A)
(In formula (A), M1 represents Mg, Al, Ti, Cu, Zn, Nb, Co, Ni, Ca, Sr, Y, Zr, Mo, Ba, Pb, Bi, La, Ce, Nd, or Gd. a, b, c, and x represent numbers that satisfy 0<a≦1.2, 0≦b≦1.2, 0≦c≦1.2, 0≦x≦0.3, and b+c≠0, and a+(valence of Mn)×b+(valence of Fe)×c+(valence of M1 )×x=3.)
Particles (A) having a tap density of 0.3 g/cm 3 to 1.2 g/cm 3 and a pore volume of 0.2 mL/g to 0.7 mL/g at pore diameters of 10 nm to 3000 nm;
The following formula (B):
LiNidCoeMnfM2yO2 ... ( B )
(In formula (B), M2 represents one or more elements selected from Mg, Ti, Nb, Fe, Cr, Si, Al, Ga, V, Zn, Cu, Sr, Mo, Zr, Sn, Ta, W, La, Ce, Pb, Bi, and Ge. d, e, f, and y represent numbers satisfying 0.6≦d≦0.95, 0<e≦0.4, 0<f≦0.4, 0≦y≦0.3, and 3d+3e+3f+(valence of M2 )×y=3.)
Particles (B) represented by
The following formula (C):
LiNi g Co h Mn i M 3 z O 2 ...(C)
(In formula (C), M3 represents one or more elements selected from Mg, Ti, Nb, Fe, Cr, Si, Al, Ga, V, Zn, Cu, Sr, Mo, Zr, Sn, Ta, W, La, Ce, Pb, Bi, and Ge. g, h, i, and z represent numbers satisfying 0.3≦g<0.6, 0<h≦0.7, 0<i≦0.7, 0≦z≦0.3, and 3g+3h+3i+(valence of M3 )×z=3.)
Particles (C) represented by
It consists of:
このように、本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質粒子混合物は、上記式(A)で表される、いわゆるリン酸マンガン鉄リチウム系粒子である粒子(A)を含むとともに、ニッケル含有量が高いリチウム・ニッケル・コバルト・マンガン系粒子である粒子(B)と、ニッケル含有量が低いリチウム・ニッケル・コバルト・マンガン系粒子である粒子(C)を含む、3種の粒子が混在してなる粒子混合物である。
粒子(A)は、タップ密度及び細孔容積が上記特定の範囲内の値を示すように、その粒子内部に空隙を多く有するため、電池製造工程中のプレス工程の際に適度に崩壊して、粒子(B)や粒子(C)とも良好かつ均一に混在して粒子同士が密接かつ効果的に絡み合うこととなり、得られるリチウムイオン二次電池において、有効に容量を高めながら、充放電を繰り返しても各粒子の結晶構造の破壊を効果的に抑制することができ、優れた安全性をも兼ね備えることを可能とする。
In this manner, the positive electrode active material particle mixture for a lithium ion secondary battery of the present invention is a particle mixture containing three types of particles, including particles (A) which are so-called lithium manganese iron phosphate-based particles represented by the above formula (A), particles (B) which are lithium-nickel-cobalt-manganese-based particles having a high nickel content, and particles (C) which are lithium-nickel-cobalt-manganese-based particles having a low nickel content.
Particle (A) has many voids therein so that the tap density and pore volume are within the above-mentioned specific ranges. Therefore, the particles (A) are appropriately collapsed during the pressing step in the battery production process, and are well and uniformly mixed with particles (B) and particles (C), and the particles are closely and effectively entangled with each other. In the obtained lithium ion secondary battery, the capacity can be effectively increased while effectively suppressing destruction of the crystal structure of each particle even when charging and discharging are repeated, and it is possible to combine excellent safety.
本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質粒子混合物は、粒子(A)として、下記式(A):
LiaMnbFecM1
xPO4・・・(A)
(式(A)中、M1はMg、Al、Ti、Cu、Zn、Nb、Co、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。a、b、c、及びxは、0<a≦1.2、0≦b≦1.2、0≦c≦1.2、0≦x≦0.3、及びb+c≠0を満たし、かつa+(Mnの価数)×b+(Feの価数)×c+(M1の価数)×x=3を満たす数を示す。)
で表される粒子を含む。
The positive electrode active material particle mixture for a lithium ion secondary battery of the present invention contains particles (A) represented by the following formula (A):
Li a Mn b Fe c M 1 x PO 4 ...(A)
(In formula (A), M1 represents Mg, Al, Ti, Cu, Zn, Nb, Co, Ni, Ca, Sr, Y, Zr, Mo, Ba, Pb, Bi, La, Ce, Nd, or Gd. a, b, c, and x represent numbers that satisfy 0<a≦1.2, 0≦b≦1.2, 0≦c≦1.2, 0≦x≦0.3, and b+c≠0, and a+(valence of Mn)×b+(valence of Fe)×c+(valence of M1 )×x=3.)
The particle includes particles represented by:
上記式(A)で表される粒子(A)は、少なくともマンガン(Mn)又は鉄(Fe)を含むオリビン型リン酸マンガン鉄リチウム系粒子であって、一次粒子が凝集することにより形成される二次粒子である。式(A)中、M1は、Mg、Al、Ti、Cu、Zn、Nb、Co、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示し、好ましくはMg、又はZrである。aは、0<a≦1.2であって、好ましくは0.6≦a≦1.2であり、より好ましくは0.65≦a≦1.15であり、さらに好ましくは0.7≦a≦1.1である。bは、0≦b≦1.2であって、好ましくは0.25≦b≦0.8であり、より好ましくは0.35≦b≦0.8である。cは、0≦c≦1.2であって、好ましくは0.2≦c≦0.75であり、より好ましくは0.2≦c≦0.65である。そして、これらb及びcは、b+c≠0を満たす。xは、0≦x≦0.3であって、好ましくは0≦x≦0.15であり、より好ましくは0≦x≦0.1である。そして、これらa、b、c及びxは、a+(Mnの価数)×b+(Feの価数)×c+(Mの価数)×x=3を満たす数である。
かかる粒子(A)としては、より具体的には、例えばLiMnPO4、LiFePO4、LiMn0.8Fe0.2PO4、LiMn0.1Fe0.9PO4、LiMn0.8Fe0.1Mg0.1PO4、LiMn0.8Fe0.1Zr0.05PO4等が挙げられる。
The particles (A) represented by the above formula (A) are olivine-type lithium manganese iron phosphate particles containing at least manganese (Mn) or iron (Fe), and are secondary particles formed by agglomeration of primary particles. In formula (A), M 1 represents Mg, Al, Ti, Cu, Zn, Nb, Co, Ni, Ca, Sr, Y, Zr, Mo, Ba, Pb, Bi, La, Ce, Nd or Gd, and is preferably Mg or Zr. a is 0<a≦1.2, preferably 0.6≦a≦1.2, more preferably 0.65≦a≦1.15, and even more preferably 0.7≦a≦1.1. b is 0≦b≦1.2, preferably 0.25≦b≦0.8, and more preferably 0.35≦b≦0.8. c is 0≦c≦1.2, preferably 0.2≦c≦0.75, and more preferably 0.2≦c≦0.65. These b and c satisfy b+c≠0. x is 0≦x≦0.3, preferably 0≦x≦0.15, and more preferably 0≦x≦0.1. These a, b, c, and x are numbers that satisfy a+(valence of Mn)×b+(valence of Fe)×c+(valence of M)×x=3.
More specifically , examples of such particles (A) include LiMnPO4 , LiFePO4 , LiMn0.8Fe0.2PO4 , LiMn0.1Fe0.9PO4 , LiMn0.8Fe0.1Mg0.1PO4 , LiMn0.8Fe0.1Zr0.05PO4 , and the like .
粒子(A)のタップ密度は、金属の不要な溶出を有効に抑制しつつ、良好な崩壊性を発現する観点から、0.3g/cm3~1.2g/cm3であって、好ましくは0.3g/cm3~1.0g/cm3であり、より好ましくは0.3g/cm3~0.8g/cm3である。
なお、タップ密度とは、以下同様、JIS R 1628「ファインセラミックス粉末のかさ密度測定方法」に規定される方法により測定される「タップかさ密度」を意味する。
The tap density of the particles (A) is, from the viewpoint of effectively suppressing unnecessary elution of metals while exhibiting good disintegrability, 0.3 g/cm 3 to 1.2 g/cm 3 , preferably 0.3 g/cm 3 to 1.0 g/cm 3 , and more preferably 0.3 g/cm 3 to 0.8 g/cm 3 .
In the following description, the tap density means the "tap bulk density" measured by the method specified in JIS R 1628 "Method for measuring bulk density of fine ceramic powders."
粒子(A)の細孔径10nm~3000nmにおける細孔容積は、上記タップ密度と相まって、粒子(A)に良好な崩壊性を発現させ、得られる電池において有効に安全性を高める観点から、0.2mL/g~0.7mL/gであって、好ましくは0.3mL/g~0.7mL/gであり、より好ましくは0.4mL/g~0.7mL/gである。
なお、細孔容積とは、水銀圧入式ポロシメータにより測定される値を意味する。
The pore volume of the particles (A) having a pore diameter of 10 nm to 3000 nm is, in combination with the tap density, 0.2 mL/g to 0.7 mL/g, preferably 0.3 mL/g to 0.7 mL/g, and more preferably 0.4 mL/g to 0.7 mL/g, from the viewpoint of allowing the particles (A) to exhibit good disintegratability and effectively enhancing the safety of the resulting battery.
The pore volume refers to a value measured by a mercury intrusion porosimeter.
粒子(A)の平均粒径は、電池製造工程中のプレス工程の際に適度に崩壊して、リチウムイオン二次電池用正極活物質粒子混合物に含まれる他の粒子とも良好かつ均一に混在させる観点から、好ましくは6μm~20μmであり、より好ましくは8μm~20μmであり、さらに好ましくは10μm~20μmである。
なお、平均粒径とは、レーザー回折・散乱法に基づく体積基準の粒度分布により得られるD50値(累積50%での粒径(メジアン径))を意味する。
The average particle size of the particles (A) is preferably 6 μm to 20 μm, more preferably 8 μm to 20 μm, and even more preferably 10 μm to 20 μm, from the viewpoint of being appropriately disintegrated during the pressing step in the battery production process and being mixed well and uniformly with other particles contained in the positive electrode active material particle mixture for lithium ion secondary batteries.
The average particle size means the D 50 value (particle size at 50% cumulative (median size)) obtained from the volume-based particle size distribution based on the laser diffraction/scattering method.
なお、粒子(A)は、優れた容量を確保する観点から、その粒子の表面に、適宜セルロースナノファイバー由来の炭素及び/又は水溶性炭素材料由来の炭素を担持されてなる粒子としてもよい。
セルロースナノファイバーの繊維径は、1nm~1000nmであり、水への良好な分散性も有しており、電子導電パスの低下を有効に抑制して、得られる電池において優れた容量の発現を確保することができる。
水溶性炭素材料としては、例えば、糖類、ポリオール、ポリエーテル、及び有機酸から選ばれる1種又は2種以上が挙げられる。より具体的には、例えば、グルコース、フルクトース、ガラクトース、マンノース等の単糖類;マルトース、スクロース、セロビオース等の二糖類;デンプン、デキストリン等の多糖類;エチレングリコール、プロピレングリコール、ジエチレングリコール、ポリエチレングリコール、ブタンジオール、プロパンジオール、ポリビニルアルコール、グリセリン等のポリオールやポリエーテル;クエン酸、酒石酸、アスコルビン酸等の有機酸が挙げられる。
In addition, from the viewpoint of ensuring an excellent capacity, the particles (A) may be particles having carbon derived from cellulose nanofibers and/or carbon derived from a water-soluble carbon material supported on the surface of the particles.
The fiber diameter of cellulose nanofibers is 1 nm to 1,000 nm and they have good dispersibility in water, so they can effectively suppress the deterioration of the electronic conductive path and ensure that the resulting battery exhibits excellent capacity.
Examples of the water-soluble carbon material include one or more selected from sugars, polyols, polyethers, and organic acids. More specifically, examples of the water-soluble carbon material include monosaccharides such as glucose, fructose, galactose, and mannose; disaccharides such as maltose, sucrose, and cellobiose; polysaccharides such as starch and dextrin; polyols and polyethers such as ethylene glycol, propylene glycol, diethylene glycol, polyethylene glycol, butanediol, propanediol, polyvinyl alcohol, and glycerin; and organic acids such as citric acid, tartaric acid, and ascorbic acid.
粒子(A)の表面にセルロースナノファイバー由来の炭素及び水溶性炭素材料由来の炭素が担持してなる場合、セルロースナノファイバー由来の炭素の原子換算量及び水溶性炭素材料由来の炭素の原子換算量の合計、すなわちセルロースナノファイバー由来の炭素の担持量及び水溶性炭素材料由来の炭素の担持量の合計は、粒子(A)100質量%中に、好ましくは0.8質量%~10.0質量%であり、より好ましくは1.0質量%~7.0質量%であり、さらに好ましくは1.2質量%~5.0質量%である。
なお、粒子(A)中に存在するセルロースナノファイバー由来の炭素の原子換算量(担持量)、及び水溶性炭素材料由来の炭素の原子換算量(担持量)は、炭素・硫黄分析装置を用いた測定により求められる値を意味する。
When carbon derived from cellulose nanofibers and carbon derived from a water-soluble carbon material are supported on the surface of the particles (A), the sum of the atomic equivalent amount of carbon derived from the cellulose nanofibers and the atomic equivalent amount of carbon derived from the water-soluble carbon material, i.e., the sum of the supported amount of carbon derived from the cellulose nanofibers and the supported amount of carbon derived from the water-soluble carbon material, is preferably 0.8% by mass to 10.0% by mass, more preferably 1.0% by mass to 7.0% by mass, and even more preferably 1.2% by mass to 5.0% by mass, based on 100% by mass of the particles (A).
The atomic equivalent amount (supported amount) of carbon derived from the cellulose nanofibers present in the particles (A) and the atomic equivalent amount (supported amount) of carbon derived from the water-soluble carbon material refer to values determined by measurement using a carbon/sulfur analyzer.
粒子(A)の含有量は、得られる電池において高容量かつ優れた安全性を発現させる観点から、本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質粒子混合物中に、好ましくは10質量%~30質量%であり、より好ましくは10質量%~25質量%であり、さらに好ましくは10質量%~20質量%である。
なお、粒子(A)が、その表面にセルロースナノファイバー由来の炭素及び/又は水溶性炭素材料由来の炭素を担持してなる場合、粒子(A)の含有量には、これらの炭素の担持量も含むものとする。
From the viewpoint of achieving high capacity and excellent safety in the resulting battery, the content of the particles (A) in the positive electrode active material particle mixture for lithium ion secondary batteries of the present invention is preferably 10 mass % to 30 mass %, more preferably 10 mass % to 25 mass %, and even more preferably 10 mass % to 20 mass %.
In addition, when the particles (A) support carbon derived from cellulose nanofibers and/or carbon derived from a water-soluble carbon material on their surfaces, the content of the particles (A) also includes the amount of these carbons supported.
粒子(A)は、例えば、以下の製造方法により得ることができる。具体的には、次の工程(I)~(III):
(I)リチウム化合物、マンガン化合物及び/又は鉄化合物を含む金属化合物、リン酸化合物、並びに水を混合して得たスラリー水i、或いはリン酸三リチウム粒子、マンガン化合物及び/又は鉄化合物を含む金属化合物、並びに水を混合して得たスラリー水i'を水熱反応に付して、粉末aを得る工程、
(II)得られた粉末a、発泡剤及び水を添加及び混合して得られたスラリー水iiを噴霧乾燥して、造粒体bを得る工程、
(III)得られた造粒体bを焼成する工程
を備える製造方法により得ることができる。
The particles (A) can be obtained, for example, by the following production method. Specifically, the method comprises the following steps (I) to (III):
(I) a step of subjecting a slurry water i obtained by mixing a lithium compound, a metal compound including a manganese compound and/or an iron compound, a phosphate compound, and water, or a slurry water i' obtained by mixing trilithium phosphate particles, a metal compound including a manganese compound and/or an iron compound, and water, to a hydrothermal reaction to obtain a powder a;
(II) A step of adding and mixing the obtained powder a, a blowing agent and water to obtain a slurry water ii, and spray-drying the slurry water ii to obtain a granule b;
(III) It can be obtained by a production method including a step of firing the obtained granules b.
工程(I)は、リチウム化合物、マンガン化合物及び/又は鉄化合物を含む金属化合物、リン酸化合物、並びに水を混合して得たスラリー水i、或いはリン酸三リチウム粒子、マンガン化合物及び/又は鉄化合物を含む金属化合物、並びに水を混合して得たスラリー水i'を水熱反応に付して、粉末aを得る工程、すなわちスラリー水i又はスラリー水i'を水熱反応に付して、粉末aを得る工程である。 Step (I) is a step of subjecting slurry water i obtained by mixing a lithium compound, a metal compound including a manganese compound and/or an iron compound, a phosphate compound, and water, or slurry water i' obtained by mixing trilithium phosphate particles, a metal compound including a manganese compound and/or an iron compound, and water, to a hydrothermal reaction to obtain powder a, i.e., a step of subjecting slurry water i or slurry water i' to a hydrothermal reaction to obtain powder a.
工程(I)においてスラリー水iを用いる場合、リチウム化合物としては、水酸化物(例えばLiOH・H2O、LiOH)、炭酸塩、硫酸塩、酢酸塩、が挙げられる。なかでも、炭酸塩が好ましい。
マンガン化合物及び/又は鉄化合物を含む金属化合物としては、マンガン化合物及び鉄化合物のほか、金属(M1)化合物を用いることができる。
マンガン化合物としては、酢酸マンガン、硝酸マンガン、硫酸マンガン等が挙げられる。これらは1種単独で用いてもよく、2種以上組み合わせて用いてもよい。なかでも、電池特性を高める観点から、硫酸マンガンが好ましい。
鉄化合物としては、酢酸鉄、硝酸鉄、硫酸鉄等が挙げられる。これらは1種単独で用いてもよく、2種以上組み合わせて用いてもよい。なかでも、電池特性を高める観点から、硫酸鉄が好ましい。
金属(M1)化合物としては、上記式(A)中のM1と同義の金属を含む硫酸塩や硝酸塩等が挙げられる。
リン酸化合物としては、オルトリン酸(H3PO4、リン酸)、メタリン酸、ピロリン酸、三リン酸、四リン酸、リン酸アンモニウム、リン酸水素アンモニウム等が挙げられる。なかでもリン酸を用いるのが好ましく、70質量%~90質量%濃度の水溶液として用いるのが好ましい。
When slurry water i is used in step (I), examples of the lithium compound include hydroxides (e.g., LiOH.H2O , LiOH), carbonates, sulfates, and acetates. Of these, carbonates are preferred.
As the metal compound containing a manganese compound and/or an iron compound, in addition to manganese compounds and iron compounds, metal (M 1 ) compounds can be used.
Examples of the manganese compound include manganese acetate, manganese nitrate, manganese sulfate, etc. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, manganese sulfate is preferred from the viewpoint of improving the battery characteristics.
Examples of the iron compound include iron acetate, iron nitrate, iron sulfate, etc. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, iron sulfate is preferred from the viewpoint of improving the battery characteristics.
Examples of the metal (M 1 ) compound include sulfates and nitrates containing a metal having the same meaning as M 1 in the above formula (A).
Examples of the phosphoric acid compound include orthophosphoric acid (H 3 PO 4 , phosphoric acid), metaphosphoric acid, pyrophosphoric acid, triphosphoric acid, tetraphosphoric acid, ammonium phosphate, ammonium hydrogen phosphate, etc. Among these, it is preferable to use phosphoric acid, and it is preferable to use it as an aqueous solution with a concentration of 70% by mass to 90% by mass.
工程(I)においてスラリー水iを調製するにあたり、リチウム化合物、マンガン化合物及び/又は鉄化合物を含む金属化合物、リン酸化合物、並びに水の添加順序は特に限定されず、リチウム化合物、リン酸化合物、並びに水を添加した後、マンガン化合物及び/又は鉄化合物を添加してもよく、或いはこれらリチウム化合物、マンガン化合物及び/又は鉄化合物を含む金属化合物、リン酸化合物、並びに水を一括して添加してもよい。
リチウム化合物、マンガン化合物及び/又は鉄化合物を含む金属化合物、リン酸化合物、並びに水を混合して得たスラリー水iにおけるリチウム化合物の含有量は、水100質量部に対し、好ましくは5質量部~50質量部であり、より好ましくは7質量部~45質量部である。
In preparing the slurry water i in the step (I), the order of adding the lithium compound, the metal compound containing a manganese compound and/or an iron compound, the phosphate compound, and the water is not particularly limited. The lithium compound, the phosphate compound, and the water may be added first, and then the manganese compound and/or the iron compound may be added. Alternatively, the lithium compound, the metal compound containing a manganese compound and/or an iron compound, the phosphate compound, and the water may be added all at once.
The content of the lithium compound in the slurry water i obtained by mixing a lithium compound, a metal compound including a manganese compound and/or an iron compound, a phosphate compound, and water is preferably 5 parts by mass to 50 parts by mass, and more preferably 7 parts by mass to 45 parts by mass, relative to 100 parts by mass of water.
例えば、工程(I)において、リン酸化合物としてリン酸を用いる場合、リチウム化合物及び水を添加したスラリー水にリン酸を添加した後、マンガン化合物及び/又は鉄化合物を添加して、スラリー水iを得るのが好ましい。この際、リン酸化合物を添加する前に、予めスラリー水を撹拌しておくのが好ましい。かかるスラリー水の撹拌時間は、好ましくは1分~15分であり、より好ましくは3分~10分である。また、スラリー水の温度は、好ましくは20℃~90℃であり、より好ましくは20℃~70℃である。 For example, when phosphoric acid is used as the phosphate compound in step (I), it is preferable to add phosphoric acid to the slurry water to which the lithium compound and water have been added, and then add a manganese compound and/or an iron compound to obtain slurry water i. In this case, it is preferable to stir the slurry water in advance before adding the phosphate compound. The stirring time for the slurry water is preferably 1 to 15 minutes, more preferably 3 to 10 minutes. The temperature of the slurry water is preferably 20°C to 90°C, more preferably 20°C to 70°C.
さらにリン酸を添加するにあたり、スラリー水を撹拌しながらリン酸を滴下するのが好ましい。リン酸の上記スラリー水への滴下速度は、好ましくは15mL/分~50mL/分であり、より好ましくは20mL/分~45mL/分であり、さらに好ましくは28mL/分~40mL/分である。また、リン酸を滴下しながらのスラリー水の撹拌時間は、好ましくは0.5時間~24時間であり、より好ましくは3時間~12時間である。さらに、リン酸を滴下しながらのスラリー水の撹拌速度は、好ましくは200rpm~700rpmであり、より好ましくは250rpm~600rpmであり、さらに好ましくは300rpm~500rpmである。
なお、スラリー水を撹拌する際、さらにスラリー水の沸点温度以下に冷却するのが好ましい。具体的には、80℃以下に冷却するのが好ましく、20℃~60℃に冷却するのがより好ましい。
Furthermore, when phosphoric acid is added, it is preferable to drop phosphoric acid while stirring the slurry water. The dropping speed of phosphoric acid into the slurry water is preferably 15 mL/min to 50 mL/min, more preferably 20 mL/min to 45 mL/min, and even more preferably 28 mL/min to 40 mL/min. The stirring time of the slurry water while dropping phosphoric acid is preferably 0.5 hours to 24 hours, more preferably 3 hours to 12 hours. The stirring speed of the slurry water while dropping phosphoric acid is preferably 200 rpm to 700 rpm, more preferably 250 rpm to 600 rpm, and even more preferably 300 rpm to 500 rpm.
When the slurry water is stirred, it is preferable to cool the slurry water to a temperature below its boiling point, specifically, to 80° C. or below, and more preferably to 20° C. to 60° C.
リン酸化合物を混合した後のスラリー水は、リン酸1モルに対し、リチウムを2.0モル~4.0モル含有するのが好ましく、2.0モル~3.1モル含有するのがより好ましく、このような量となるよう、上記リチウム化合物とリン酸化合物を用いればよい。より具体的には、リン酸化合物を混合した後のスラリー水は、リン酸1モルに対し、リチウムを2.7モル~3.3モル含有するのが好ましく、2.8モル~3.1モル含有するのがより好ましい。 The slurry water after mixing with the phosphoric acid compound preferably contains 2.0 to 4.0 moles of lithium per mole of phosphoric acid, more preferably 2.0 to 3.1 moles, and the lithium compound and phosphoric acid compound may be used in such amounts. More specifically, the slurry water after mixing with the phosphoric acid compound preferably contains 2.7 to 3.3 moles of lithium per mole of phosphoric acid, more preferably 2.8 to 3.1 moles.
リン酸化合物を混合した後のスラリー水に対して窒素をパージすることにより、かかるスラリー水中での反応を完了させて、粒子(A)の前駆体である粉末a'をスラリーとして得る。窒素がパージされると、スラリー水中の溶存酸素濃度が低減された状態で反応を進行させることができ、また得られる粉末a'を含有するスラリー水の溶存酸素濃度も効果的に低減されるため、次いで添加する金属化合物の酸化を抑制することができる。かかる粉末a'を含有するスラリー水中において、粒子(A)の前駆体は、微細な分散粒子であるリン酸三リチウム(Li3PO4)として存在する。 By purging nitrogen into the slurry water after mixing with the phosphoric acid compound, the reaction in the slurry water is completed to obtain a powder a', which is a precursor of the particles (A), as a slurry. Purging nitrogen allows the reaction to proceed in a state where the dissolved oxygen concentration in the slurry water is reduced, and the dissolved oxygen concentration of the resulting slurry water containing the powder a' is also effectively reduced, so that the oxidation of the metal compound to be added next can be suppressed. In the slurry water containing the powder a', the precursor of the particles (A) exists as fine dispersed particles of trilithium phosphate (Li 3 PO 4 ).
次いで、上記スラリー水にマンガン化合物及び鉄化合物を添加すればよい。かかるマンガン化合物及び鉄化合物の使用モル比(マンガン化合物:鉄化合物)は、好ましくは90:10~50:50であり、より好ましくは85:15~55:45であり、さらに好ましくは80:20~60:40である。また、これら金属化合物の合計添加量は、上記スラリー水中に含有されるリン酸イオン1モルに対し、好ましくは0.99モル~1.01モルであり、より好ましくは0.995モル~1.005モルである。 Next, a manganese compound and an iron compound are added to the slurry water. The molar ratio of the manganese compound and the iron compound (manganese compound:iron compound) used is preferably 90:10 to 50:50, more preferably 85:15 to 55:45, and even more preferably 80:20 to 60:40. The total amount of these metal compounds added is preferably 0.99 mol to 1.01 mol, more preferably 0.995 mol to 1.005 mol, per mol of phosphate ions contained in the slurry water.
なお、スラリー水iを調製するにあたり、リチウム化合物、マンガン化合物及び/又は鉄化合物を含む金属化合物、リン酸化合物、並びに水を一括して添加する場合、これらリチウム化合物、マンガン化合物及び/又は鉄化合物を含む金属化合物、リン酸化合物、並びに水が上記のような量的関係を有していればよく、必ずしもスラリー水i中に、粒子(A)の前駆体としてのリン酸三リチウム(Li3PO4)が存在しなくともよい。 In addition, when preparing the slurry water i, if the lithium compound, the metal compound containing a manganese compound and/or an iron compound, the phosphate compound, and the water are added all at once, it is sufficient that these lithium compounds, the metal compound containing a manganese compound and/or an iron compound, the phosphate compound, and the water have the quantitative relationship described above, and it is not necessary for trilithium phosphate ( Li3PO4 ) as a precursor of particles ( A ) to be present in the slurry water i.
工程(I)においてスラリー水i'を用いる場合、リン酸三リチウム粒子及び水を混合して得たスラリー水に、マンガン化合物及び鉄化合物を含む金属化合物を添加すればよい。スラリー水i'中におけるリン酸三リチウム粒子の含有量は、好ましくは7質量%~60質量%であり、より好ましくは9質量%~50質量%である。マンガン化合物及び鉄化合物の使用モル比、及び金属化合物の合計添加量は上記と同様である。 When slurry water i' is used in step (I), metal compounds including a manganese compound and an iron compound may be added to the slurry water obtained by mixing trilithium phosphate particles and water. The content of trilithium phosphate particles in the slurry water i' is preferably 7% by mass to 60% by mass, more preferably 9% by mass to 50% by mass. The molar ratio of the manganese compound and the iron compound used, and the total amount of the metal compounds added are the same as above.
マンガン化合物、鉄化合物及び金属(M1)化合物の添加順序は特に制限されない。また、これらの金属化合物を添加するとともに、必要に応じて酸化防止剤を添加してもよい。かかる酸化防止剤としては、亜硫酸ナトリウム(Na2SO3)、ハイドロサルファイトナトリウム(Na2S2O4)、アンモニア水等を使用することができる。酸化防止剤の添加量は、マンガン化合物、鉄化合物及び必要に応じて用いる金属(M1)化合物の合計1モルに対し、好ましくは0.01モル~1モルであり、より好ましくは0.03モル~0.5モルである。 The order of addition of the manganese compound, iron compound, and metal (M 1 ) compound is not particularly limited. In addition to adding these metal compounds, an antioxidant may be added as necessary. As such an antioxidant, sodium sulfite (Na 2 SO 3 ), sodium hydrosulfite (Na 2 S 2 O 4 ), aqueous ammonia, etc. can be used. The amount of the antioxidant added is preferably 0.01 mol to 1 mol, more preferably 0.03 mol to 0.5 mol, per 1 mol of the total of the manganese compound, iron compound, and metal (M 1 ) compound used as needed.
スラリー水i'を用いる場合において、マンガン化合物、鉄化合物及び金属(M1)化合物を添加し、必要に応じて酸化防止剤等を添加することにより得られるスラリー水i中における粉末a'の含有量は、好ましくは10質量%~50質量%であり、より好ましくは15質量%~45質量%であり、さらに好ましくは20質量%~40質量%である。 When slurry water i' is used, the content of powder a' in the slurry water i obtained by adding a manganese compound, an iron compound and a metal (M 1 ) compound, and optionally adding an antioxidant, etc., is preferably 10% by mass to 50% by mass, more preferably 15% by mass to 45% by mass, and even more preferably 20% by mass to 40% by mass.
次いで工程(I)では、得られた粉末a'、及び少なくともマンガン化合物及び鉄化合物を含む金属化合物を含有するスラリー水i、或いはスラリー水i'を水熱反応に付して、粉末aを得る。 Next, in step (I), the obtained powder a' and slurry water i containing metal compounds including at least a manganese compound and an iron compound, or slurry water i', are subjected to a hydrothermal reaction to obtain powder a.
水熱反応に付する際に用いる水の使用量は、金属化合物の溶解性、撹拌の容易性、及び合成の効率等の観点から、スラリー水i(又はスラリー水i')中に含有されるリン酸イオン1モルに対し、好ましくは10モル~50モルであり、より好ましくは12.5モル~45モルである。 The amount of water used in the hydrothermal reaction is preferably 10 to 50 moles, and more preferably 12.5 to 45 moles, per mole of phosphate ions contained in the slurry water i (or slurry water i'), from the standpoints of the solubility of the metal compound, ease of stirring, and synthesis efficiency.
水熱反応は、100℃以上であればよく、130℃~200℃が好ましい。水熱反応は耐圧容器中で行うのが好ましく、130℃~200℃で反応を行う場合、この時の圧力は0.3MPa~1.6MPaであるのが好ましく、140℃~160℃で反応を行う場合の圧力は0.3MPa~0.6MPaであるのが好ましい。水熱反応時間は0.1時間~48時間が好ましく、さらに0.2時間~24時間が好ましい。
得られた粉末aは、ろ過後、水で洗浄し、乾燥することにより単離する。乾燥手段は、凍結乾燥、真空乾燥が用いられる。
The hydrothermal reaction may be carried out at a temperature of 100° C. or higher, preferably 130° C. to 200° C. The hydrothermal reaction is preferably carried out in a pressure-resistant vessel, and when the reaction is carried out at 130° C. to 200° C., the pressure is preferably 0.3 MPa to 1.6 MPa, and when the reaction is carried out at 140° C. to 160° C., the pressure is preferably 0.3 MPa to 0.6 MPa. The hydrothermal reaction time is preferably 0.1 hours to 48 hours, more preferably 0.2 hours to 24 hours.
The obtained powder a is isolated by filtration, washing with water, and drying, for example, by freeze drying or vacuum drying.
工程(II)は、工程(I)で得られた粉末a、発泡剤及び水を添加及び混合して得られたスラリー水iiを噴霧乾燥して、造粒体bを得る工程である。ここで発泡剤を用いることによりガスが発生し、かかるガスを造粒体bに内在することとなる。造粒体bに内在するガスは、後述する工程(III)を経ることにより焼失し、得られる粒子(A)内に空隙として存在させることができる。 In step (II), the powder a obtained in step (I), a foaming agent, and water are added and mixed to obtain slurry water ii, which is then spray-dried to obtain granules b. The use of a foaming agent here generates gas, which then becomes present in the granules b. The gas present in the granules b is burned off through step (III) described below, and can be made to exist as voids in the resulting particles (A).
発泡剤としては、具体的には、炭酸水素アンモニウム、炭酸アンモニウム、炭酸ナトリウム、炭酸リチウム、及び炭酸カリウムから選ばれる1種又は2種以上が挙げられる。なかでも、粒子(A)内部に多くの空隙を効果的に内在させる観点から、炭酸水素アンモニウム、炭酸アンモニウムが好ましい。
発泡剤の添加量は、粒子(A)内部に多くの空隙を効果的に内在させる観点から、100質量部の粉末aに対し、好ましくは0.005質量部~1.25質量部であり、より好ましくは0.006質量部~0.6質量部であり、さらに好ましくは0.01質量部~0.3質量部である。
Specific examples of the foaming agent include one or more selected from ammonium hydrogen carbonate, ammonium carbonate, sodium carbonate, lithium carbonate, and potassium carbonate. Among these, ammonium hydrogen carbonate and ammonium carbonate are preferred from the viewpoint of effectively forming many voids inside the particles (A).
The amount of the foaming agent added is preferably 0.005 parts by mass to 1.25 parts by mass, more preferably 0.006 parts by mass to 0.6 parts by mass, and even more preferably 0.01 parts by mass to 0.3 parts by mass, relative to 100 parts by mass of powder a, from the viewpoint of effectively forming many voids inside the particles (A).
スラリー水iiの固形分濃度は、タップ密度及び細孔容積が上記特定の範囲内の値を示すよう、発泡剤によって粒子(A)内部に多くの空隙を効果的に内在させる観点から、好ましくは35質量%~65質量%であり、より好ましくは40質量%~65質量%であり、さらに好ましくは45質量%~65質量%である。 The solids concentration of the slurry water ii is preferably 35% to 65% by mass, more preferably 40% to 65% by mass, and even more preferably 45% to 65% by mass, from the viewpoint of effectively creating many voids inside the particles (A) by the foaming agent so that the tap density and pore volume are within the above-mentioned specific ranges.
水を添加した後、噴霧乾燥に付す前にスラリー水iiを予め撹拌するのが好ましい。かかるスラリー水iiの撹拌時間は、好ましくは3分~60分であり、より好ましくは5分~30分である。また、スラリー水iiの温度は、好ましくは10℃~60℃であり、より好ましくは20℃~40℃である。
なお、優れた容量を確保する観点から、粒子(A)の粒子の表面にセルロースナノファイバー由来の炭素及び/又は水溶性炭素材料由来の炭素を担持させる場合、スラリー水i(又はスラリー水i')及び/又はスラリー水iiに、上記炭素の担持量となるような量で、セルロースナノファイバー及び/又は水溶性炭素材料を添加すればよい。
After the water is added, it is preferable to pre-stir the slurry water II before subjecting it to spray drying. The stirring time of the slurry water II is preferably 3 to 60 minutes, more preferably 5 to 30 minutes. The temperature of the slurry water II is preferably 10°C to 60°C, more preferably 20°C to 40°C.
In addition, from the viewpoint of ensuring excellent capacity, when carbon derived from cellulose nanofibers and/or carbon derived from a water-soluble carbon material is supported on the surface of the particles (A), the cellulose nanofibers and/or the water-soluble carbon material may be added to the slurry water i (or slurry water i') and/or slurry water ii in an amount sufficient to achieve the above-mentioned carbon support amount.
次いで、得られたスラリー水iiを噴霧乾燥に付して造粒体bを得る。噴霧乾燥では、用いる装置に応じて適宜運転条件を設定すればよい。
例えば、4流体ノズルを備えたマイクロミストドライヤー(藤崎電気(株)製 MDL-050M)での処理条件としては、熱風温度が110℃~300℃であるのが好ましく、110℃~180℃であるのがより好ましい。また、熱風の供給量とスラリー水の供給量の容積比(熱風の供給量/スラリー水の供給量)が、500~10000であるのが好ましく、1000~9000であるのがより好ましい。
The resulting slurry water II is then subjected to spray drying to obtain granules B. In the spray drying, the operating conditions may be appropriately set depending on the apparatus used.
For example, as treatment conditions in a micromist dryer equipped with a four-fluid nozzle (MDL-050M manufactured by Fujisaki Electric Co., Ltd.), the hot air temperature is preferably 110° C. to 300° C., and more preferably 110° C. to 180° C. The volume ratio of the supply amount of hot air to the supply amount of slurry water (supply amount of hot air/supply amount of slurry water) is preferably 500 to 10,000, and more preferably 1,000 to 9,000.
工程(III)は、工程(II)で得られた造粒体bを焼成する工程である。これにより、粒子(A)を得ることができる。
かかる工程(III)の焼成条件は、還元雰囲気又は不活性雰囲気中であるのが好ましく、焼成温度は、好ましくは500℃~1000℃であり、より好ましくは550℃~900℃であり、焼成時間は、好ましくは0.5時間~12時間であり、より好ましくは1時間~6時間である。
Step (III) is a step of firing the granules b obtained in step (II), thereby obtaining particles (A).
The firing conditions in step (III) are preferably a reducing atmosphere or an inert atmosphere, the firing temperature is preferably 500° C. to 1000° C., more preferably 550° C. to 900° C., and the firing time is preferably 0.5 hours to 12 hours, more preferably 1 hour to 6 hours.
本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質粒子混合物は、粒子(B)として、下記式(B):
LiNidCoeMnfM2
yO2・・・(B)
(式(B)中、M2はMg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Al、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。d、e、f、yは、0.6≦d≦0.95、0<e≦0.4、0<f≦0.4、0≦y≦0.3、かつ3d+3e+3f+(M2の価数)×y=3を満たす数を示す。)
で表される粒子を含み、かつ粒子(C)として、下記式(C):
LiNigCohMniM3
zO2・・・(C)
(式(C)中、M3はMg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Al、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。g、h、i、zは、0.3≦g<0.6、0<h≦0.7、0<i≦0.7、0≦z≦0.3、かつ3g+3h+3i+(M3の価数)×z=3を満たす数を示す。)
で表される粒子を含む。
The positive electrode active material particle mixture for a lithium ion secondary battery of the present invention contains particles (B) represented by the following formula (B):
LiNidCoeMnfM2yO2 ... ( B )
(In formula (B), M2 represents one or more elements selected from Mg, Ti, Nb, Fe, Cr, Si, Al, Ga, V, Zn, Cu, Sr, Mo, Zr, Sn, Ta, W, La, Ce, Pb, Bi, and Ge. d, e, f, and y represent numbers satisfying 0.6≦d≦0.95, 0<e≦0.4, 0<f≦0.4, 0≦y≦0.3, and 3d+3e+3f+(valence of M2 )×y=3.)
The particle (C) is represented by the following formula (C):
LiNi g Co h Mn i M 3 z O 2 ...(C)
(In formula (C), M3 represents one or more elements selected from Mg, Ti, Nb, Fe, Cr, Si, Al, Ga, V, Zn, Cu, Sr, Mo, Zr, Sn, Ta, W, La, Ce, Pb, Bi, and Ge. g, h, i, and z represent numbers satisfying 0.3≦g<0.6, 0<h≦0.7, 0<i≦0.7, 0≦z≦0.3, and 3g+3h+3i+(valence of M3 )×z=3.)
The particle includes particles represented by:
上記粒子(B)及び粒子(C)は、双方とも少なくともニッケル(Ni)、コバルト(Co)、及びマンガン(Mn)を含む層状岩塩構造を有し、電子伝導性に優れるリチウム・ニッケル・コバルト・マンガン系粒子(いわゆるLi-Ni-Co-Mn酸化物粒子(NCM粒子)であって、一次粒子が凝集することにより形成される二次粒子であり、粒子(B)はニッケル含有量が高く、粒子(C)はニッケル含有量が低い粒子である。このように、本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質粒子混合物は、ニッケル含有量が高低異なる2種の粒子(B)及び粒子(C)を併用することにより、これらの粒子が電池製造工程中のプレス工程の際に適度に崩壊した微細な粒子(A)と均一に混在することと相まって、得られる電池において容量を高めるのに大いに寄与することができる。 Both of the above particles (B) and particles (C) have a layered rock salt structure containing at least nickel (Ni), cobalt (Co), and manganese (Mn), and are lithium-nickel-cobalt-manganese-based particles (so-called Li-Ni-Co-Mn oxide particles (NCM particles)) with excellent electronic conductivity. They are secondary particles formed by agglomeration of primary particles, with particles (B) having a high nickel content and particles (C) having a low nickel content. In this way, the positive electrode active material particle mixture for lithium ion secondary batteries of the present invention can greatly contribute to increasing the capacity of the resulting battery by using two types of particles (B) and particles (C) with different nickel contents in combination, combined with the fact that these particles are uniformly mixed with fine particles (A) that have been appropriately disintegrated during the pressing process in the battery manufacturing process.
粒子(B)を表す上記式(B)中、M2はMg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Al、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示し、dは、0.6≦d≦0.95であって、好ましくは0.7≦d≦0.9である。e、f、yは、0<e≦0.4、0<f≦0.4、0≦y≦0.3であり、かつ3d+3e+3f+(M2の価数)×y=3を満たす数を示す。 In the above formula (B) representing the particle (B), M2 represents one or more elements selected from Mg, Ti, Nb, Fe, Cr, Si, Al, Ga, V, Zn, Cu, Sr, Mo, Zr, Sn, Ta, W, La, Ce, Pb, Bi, and Ge, d represents 0.6≦d≦0.95, preferably 0.7≦d≦0.9, and e, f, and y represent numbers satisfying 0<e≦0.4, 0<f≦0.4, and 0≦y≦0.3, and 3d+3e+3f+(valence of M2 )×y=3.
上記式(B)で表される粒子(B)としては、具体的には、例えばLiNi0.94Co0.03Mn0.03O2、LiNi0.9Co0.05Mn0.05O2、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2等が挙げられる。なかでも、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2が好ましい。 Specific examples of the particles (B) represented by the above formula (B ) include LiNi0.94Co0.03Mn0.03O2 , LiNi0.9Co0.05Mn0.05O2 , LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 , and LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 . Of these , LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 and LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 are preferred .
粒子(B)の平均粒径は、粒子(C)とともに、電池製造工程中のプレス工程の際に適度に崩壊する粒子(A)と良好かつ均一に混在させる観点から、好ましくは4μm~13μmであり、より好ましくは6μm~13μmであり、さらに好ましくは8μm~13μmである。
なお、平均粒径とは、粒子(A)と同様、レーザー回折・散乱法に基づく体積基準の粒度分布により得られるD50値(累積50%での粒径(メジアン径))を意味する。
The average particle size of the particles (B) is preferably 4 μm to 13 μm, more preferably 6 μm to 13 μm, and even more preferably 8 μm to 13 μm, from the viewpoint of favorably and uniformly mixing with the particles (A) that disintegrate appropriately during the pressing step in the battery production process, together with the particles (C).
As with the particles (A), the average particle size refers to the D 50 value (particle size at 50% cumulative (median size)) obtained from the volume-based particle size distribution based on the laser diffraction/scattering method.
粒子(B)の含有量は、得られる電池において高容量かつ優れた安全性を発現させる観点から、本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質粒子混合物中に、好ましくは50質量%~80質量%であり、より好ましくは60質量%~80質量%であり、さらに好ましくは70質量%~80質量%である。 From the viewpoint of achieving high capacity and excellent safety in the resulting battery, the content of particles (B) in the positive electrode active material particle mixture for lithium ion secondary batteries of the present invention is preferably 50% by mass to 80% by mass, more preferably 60% by mass to 80% by mass, and even more preferably 70% by mass to 80% by mass.
粒子(C)を表す上記式(C)中、M3はMg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Al、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。gは、0.3≦g<0.6であって、好ましくは0.32≦g≦0.5である。h、i、zは、0<h≦0.7、0<i≦0.7、0≦z≦0.3であり、かつ3g+3h+3i+(M3の価数)×z=3を満たす数を示す。 In the above formula (C) representing the particle (C), M3 represents one or more elements selected from Mg, Ti, Nb, Fe, Cr, Si, Al, Ga, V, Zn, Cu, Sr, Mo, Zr, Sn, Ta, W, La, Ce, Pb, Bi and Ge. g is 0.3≦g<0.6, preferably 0.32≦g≦0.5. h, i and z represent numbers that satisfy 0<h≦0.7, 0<i≦0.7, 0≦z≦0.3 and 3g+3h+3i+(valence of M3 )×z=3.
上記式(C)で表される粒子(C)としては、具体的には、例えばLiNi0.33Co0.33 Mn0.34O2、LiNi0.4Co0.3Mn0.3O2、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2、LiNi0.33Co0.31Mn0.33Mg0.03O2、LiNi0.33Co0.31Mn0.33Zn0.03O2等が挙げられる。なかでも、LiNi0.33Co0.33 Mn0.34O2、LiNi0.33Co0.31Mn0.33Mg0.03O2が好ましい。 Specific examples of the particles (C) represented by the above formula ( C ) include LiNi0.33Co0.33Mn0.34O2 , LiNi0.4Co0.3Mn0.3O2 , LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 , LiNi0.33Co0.31Mn0.33Mg0.03O2 , LiNi0.33Co0.31Mn0.33Zn0.03O2 , and the like . Of these , LiNi0.33Co0.33Mn0.34O2 and LiNi0.33Co0.31Mn0.33Mg0.03O2 are preferable .
粒子(C)の平均粒径は、粒子(B)とともに、電池製造工程中のプレス工程の際に適度に崩壊する粒子(A)と良好かつ均一に混在させる観点から、好ましくは4μm~13μmであり、より好ましくは4μm~11μmであり、さらに好ましくは4μm~9μmである。
なお、平均粒径とは、粒子(A)及び粒子(B)と同様、レーザー回折・散乱法に基づく体積基準の粒度分布により得られるD50値(累積50%での粒径(メジアン径))を意味する。
The average particle size of the particles (C) is preferably 4 μm to 13 μm, more preferably 4 μm to 11 μm, and even more preferably 4 μm to 9 μm, from the viewpoint of favorably and uniformly mixing with the particles (A) that disintegrate appropriately during the pressing step in the battery production process, together with the particles (B).
As with particles (A) and (B), the average particle size refers to the D50 value (particle size at 50% cumulative (median diameter)) obtained from a volume-based particle size distribution based on a laser diffraction/scattering method.
粒子(C)の含有量は、得られる電池において高容量かつ優れた安全性を発現させる観点から、本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質粒子混合物中に、好ましくは10質量%~40質量%であり、より好ましくは10質量%~30質量%であり、さらに好ましくは10質量%~20質量%である。 The content of particles (C) in the positive electrode active material particle mixture for lithium ion secondary batteries of the present invention is preferably 10% by mass to 40% by mass, more preferably 10% by mass to 30% by mass, and even more preferably 10% by mass to 20% by mass, from the viewpoint of achieving high capacity and excellent safety in the resulting battery.
なお、上記粒子(B)及び粒子(C)は、いずれも上記粒子(A)と同様、その粒子の表面に、適宜セルロースナノファイバー由来の炭素及び/又は水溶性炭素材料由来の炭素を担持されてなる粒子としてもよい。また、これら粒子(B)及び粒子(C)は、公知の方法により製造すればよく、例えば実施例に記載の方法により製造することができる。 The above-mentioned particles (B) and particles (C) may be particles having cellulose nanofiber-derived carbon and/or water-soluble carbon material-derived carbon supported on their surfaces, similar to the above-mentioned particles (A). Furthermore, these particles (B) and particles (C) may be produced by known methods, for example, by the methods described in the Examples.
本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質粒子混合物は、上記粒子(A)とともに、上記粒子(B)及び粒子(C)を常法にしたがって混合することにより得ることができる。 The positive electrode active material particle mixture for a lithium ion secondary battery of the present invention can be obtained by mixing the above particles (B) and particles (C) together with the above particles (A) in a conventional manner.
本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質粒子混合物を正極材料として適用し、正極と負極と電解液とセパレータ、又は正極と負極と固体電解質を必須構成とするリチウムイオン二次電池を構築することができる。具体的には、例えばリチウムイオン二次電池用正極活物質粒子混合物と、アセチレンブラックやケッチェンブラック、ポリフッ化ビニリデン、N-メチル-2-ピロリドン等とを混練して正極スラリーを調製した後、集電体に塗工し、次いでプレス成形して正極を作製する。
本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質粒子混合物であれば、上記粒子(A)が適度に崩壊し、リチウムイオン二次電池用正極活物質粒子混合物に含まれる上記粒子(B)や粒子(C)と密接かつ効果的に絡み合って良好かつ均一に混在し、これらの粒子を被覆するように崩壊して微細化した粒子(A)が散在することとなり、高容量で優れた安全性を発現し得る有用性の高い正極を得ることができる。
The positive electrode active material particle mixture for lithium ion secondary batteries of the present invention can be used as a positive electrode material to construct a lithium ion secondary battery having a positive electrode, a negative electrode, an electrolyte, and a separator, or a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte as essential components. Specifically, for example, the positive electrode active material particle mixture for lithium ion secondary batteries is kneaded with acetylene black, ketjen black, polyvinylidene fluoride, N-methyl-2-pyrrolidone, or the like to prepare a positive electrode slurry, which is then applied to a current collector and press-molded to produce a positive electrode.
In the case of the positive electrode active material particle mixture for a lithium ion secondary battery of the present invention, the above-mentioned particles (A) disintegrate appropriately, and are intimately and effectively entangled with the above-mentioned particles (B) and particles (C) contained in the positive electrode active material particle mixture for a lithium ion secondary battery, so that they are well and uniformly mixed together, and the particles (A) disintegrate so as to cover these particles and become finely divided are scattered, so that a highly useful positive electrode that can exhibit high capacity and excellent safety can be obtained.
ここで、負極については、リチウムイオンを充電時には吸蔵し、かつ放電時には放出することができれば、その材料構成で特に限定されるものではなく、公知の材料構成のものを用いることができる。たとえば、リチウム金属、グラファイト、シリコン系(Si、SiOx)、チタン酸リチウム又は非晶質炭素等の炭素材料等を用いることができる。そしてリチウムイオンを電気化学的に吸蔵・放出し得るインターカレート材料で形成された電極、特に炭素材料を用いることが好ましい。さらに、2種以上の上記の負極材料を併用してもよく、たとえばグラファイトとシリコン系の組み合わせを用いることができる。 Here, the negative electrode is not particularly limited in terms of its material composition, and any known material composition can be used as long as it can absorb lithium ions during charging and release them during discharging. For example, lithium metal, graphite, silicon-based (Si, SiOx), lithium titanate, or carbon materials such as amorphous carbon can be used. It is preferable to use an electrode formed of an intercalating material that can electrochemically absorb and release lithium ions, particularly a carbon material. Furthermore, two or more of the above negative electrode materials may be used in combination, for example, a combination of graphite and silicon-based materials can be used.
電解液は、有機溶媒に支持塩を溶解させたものである。有機溶媒は、通常リチウムイオン二次電池の電解液に用いられる有機溶媒であれば特に限定されるものではなく、例えば、カーボネート類、ハロゲン化炭化水素、エーテル類、ケトン類、ニトリル類、ラクトン類、オキソラン化合物等を用いることができる。 The electrolyte is a solution of a supporting salt dissolved in an organic solvent. The organic solvent is not particularly limited as long as it is an organic solvent that is normally used in electrolytes for lithium ion secondary batteries. For example, carbonates, halogenated hydrocarbons, ethers, ketones, nitriles, lactones, oxolane compounds, etc. can be used.
支持塩は、その種類が特に限定されるものではないが、LiPF6、LiBF4、LiClO4及びLiAsF6から選ばれる無機塩、該無機塩の誘導体、LiSO3CF3、LiC(SO3CF3)2及びLiN(SO3CF3)2、LiN(SO2C2F5)2及びLiN(SO2CF3)(SO2C4F9)から選ばれる有機塩、並びに該有機塩の誘導体の少なくとも1種であることが好ましい。 The supporting salt is not particularly limited in type, but is preferably at least one of inorganic salts selected from LiPF6 , LiBF4 , LiClO4 , and LiAsF6 , derivatives of such inorganic salts, organic salts selected from LiSO3CF3 , LiC( SO3CF3 ) 2 , LiN( SO3CF3 ) 2 , LiN ( SO2C2F5 ) 2 , and LiN (SO2CF3 ) ( SO2C4F9 ) , and derivatives of such organic salts .
セパレータは、正極及び負極を電気的に絶縁し、電解液を保持する役割を果たすものである。たとえば、多孔性合成樹脂膜、特にポリオレフィン系高分子(ポリエチレン、ポリプロピレン)の多孔膜を用いればよい。 The separator serves to electrically insulate the positive and negative electrodes and retain the electrolyte. For example, a porous synthetic resin membrane, particularly a porous membrane made of a polyolefin polymer (polyethylene, polypropylene), may be used.
固体電解質は、正極及び負極を電気的に絶縁し、高いリチウムイオン電導性を示すものである。たとえば、La0.51Li0.34TiO2.94、Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3、Li7La3Zr2O12、50Li4SiO4・50Li3BO3、Li2.9PO3.3N0.46、Li3.6Si0.6P0.4O4、Li1.07Al0.69Ti1.46(PO4)3、Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3、Li10GeP2S12、Li3.25Ge0.25P0.75S4、30Li2S・26B2S3・44LiI、63Li2S・36SiS2・1Li3PO4、57Li2S・38SiS2・5Li4SiO4、70Li2S・30P2S5、50Li2S・50GeS2、Li7P3S11、Li3.25P0.95S4を用いればよい。 The solid electrolyte electrically insulates the positive electrode and the negative electrode and exhibits high lithium ion conductivity. For example, La 0.51 Li 0.34 TiO 2.94 , Li 1.3 Al 0.3 Ti 1.7 (PO 4 ) 3 , Li 7 La 3 Zr 2 O 12 , 50Li 4 SiO 4・50Li 3 BO 3 , Li 2.9 PO 3.3 N 0.46 , Li 3.6 Si 0.6 P 0.4 O 4 , Li 1.07 Al 0.69 Ti 1.46 (PO 4 ) 3 , Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 , Li 10 GeP 2 S 12 , Li3.25Ge 0.25 P 0.75 S 4 , 30Li 2 S・26B 2 S 3・44LiI, 63Li 2 S・36SiS 2・1Li 3 PO 4 , 57Li 2 S・38SiS 2・5Li 4 SiO 4 , 70Li 2 S・30P 2 S 5 , 50Li 2 S·50GeS 2 , Li 7 P 3 S 11 , and Li 3.25 P 0.95 S 4 may be used.
上記の構成を有するリチウムイオン二次電池の形状としては、特に制限を受けるものではなく、コイン型、円筒型、角型等種々の形状や、ラミネート外装体に封入した不定形状であってもよい。 The shape of the lithium ion secondary battery having the above configuration is not particularly limited, and may be a variety of shapes such as coin type, cylindrical type, or square type, or may be an irregular shape enclosed in a laminated exterior body.
以下、本発明について、実施例に基づき具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。 The present invention will be described in detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
《粒子(二次粒子)の平均粒径の測定》
粒子の粒度分布は、レーザー回折装置(マイクロトラックMT3000II、MicrotracBEL社製)を用いて測定した。
測定条件は、粒子透過性:透過、粒子形状:非球形、粒子屈折率:1.52とした。溶媒にはエタノールを用い、溶媒屈折率:1.36とした。
<<Measurement of average particle size of particles (secondary particles)>>
The particle size distribution of the particles was measured using a laser diffraction device (Microtrac MT3000II, manufactured by MicrotracBEL).
The measurement conditions were as follows: particle transmittance: transmission, particle shape: non-spherical, particle refractive index: 1.52. Ethanol was used as the solvent, and the solvent refractive index: 1.36.
《タップ密度(g/cm3)の測定》
JIS R 1628「ファインセラミックス粉末のかさ密度測定方法」に規定される方法にしたがってタップかさ密度を測定し、これをタップ密度(g/cm3)とした。
<Measurement of tap density (g/cm 3 )>
The tapped bulk density was measured according to the method specified in JIS R 1628 "Method for measuring bulk density of fine ceramic powders", and this was taken as the tapped density (g/cm 3 ).
《細孔容積(mL/g)の測定》
粒子の細孔容積は、水銀圧入式ポロシメーター(AutoPoreIV9520、micrometritics社製)を用いて水銀圧入法により測定を行った。粉末用試料セルを用い、測定圧力範囲は大気圧~414MPaとした。得られた細孔径分布から細孔径10nm~3000nmにおける細孔容積を求めた。
Measurement of pore volume (mL/g)
The pore volume of the particles was measured by mercury intrusion porosimeter (AutoPoreIV9520, manufactured by Micrometrics) by mercury intrusion method. A powder sample cell was used, and the measurement pressure range was atmospheric pressure to 414 MPa. From the obtained pore size distribution, the pore volume in the pore size range of 10 nm to 3000 nm was obtained.
[製造例1:粒子(A-1)の製造]
LiOH・H2O 1272g、及び水4Lを混合してスラリー水xiを得た。次いで、得られたスラリー水xiを、25℃の温度に保持しながら3分間撹拌しつつ85%のリン酸水溶液1153gを35mL/分で滴下し、続いてセルロースナノファイバー(セリッシュKY-100G、ダイセルファインケム社製、繊維径4nm~100nm)1650gを添加して、速度400rpmで12時間撹拌し、Li3PO4を含むスラリー水yiを得た。得られたスラリー水yiに窒素パージして、スラリー水yiの溶存酸素濃度を0.5mg/Lとした後、スラリー水yi全量に対し、MnSO4・5H2O 1610g、FeSO4・7H2O 834gを添加してスラリー水ziを得た。添加したMnSO4とFeSO4のモル比(マンガン化合物:鉄化合物)は、70:30であった。
[Production Example 1: Production of Particles (A-1)]
LiOH.H 2 O 1272g and water 4L were mixed to obtain slurry water xi. Next, the obtained slurry water xi was stirred for 3 minutes while maintaining the temperature at 25 ° C., while 1153g of 85% phosphoric acid aqueous solution was dropped at 35mL / min, followed by adding 1650g of cellulose nanofiber (Celish KY-100G, manufactured by Daicel FineChem, fiber diameter 4nm to 100nm) and stirring at a speed of 400 rpm for 12 hours to obtain slurry water yi containing Li 3 PO 4. The obtained slurry water yi was purged with nitrogen to adjust the dissolved oxygen concentration of the slurry water yi to 0.5mg / L, and then 1610g of MnSO 4.5H 2 O and 834g of FeSO 4.7H 2 O were added to the total amount of the slurry water yi to obtain slurry water zi. The molar ratio of added MnSO4 to FeSO4 (manganese compound:iron compound) was 70:30.
次いで、得られたスラリー水ziをオートクレーブに投入し、180℃で1時間水熱反応を行った。オートクレーブ内の圧力は1.0MPaであった。水熱反応後、生成した結晶をろ過し、次いで結晶1質量部に対し12質量部の水により洗浄した。洗浄した結晶を-50℃で12時間凍結乾燥して粉末a1を得た。得られた粉末a1を1000g分取し、これに炭酸アンモニウム0.3g(100質量部の粉末a1に対し、0.03質量部)、及び水800mLを添加して、スラリー水ziiを得た。得られたスラリーziiを超音波撹拌機(T25、IKA社製)で1分間分散処理して、全体を均一に呈色させた後、スプレードライ装置(MDL-050M、藤崎電機株式会社製)を用いてスプレードライ(ノズルエアー流量40L/min、給気温度160℃)に付して造粒体b1を得た。得られた造粒体b1を、アルゴン水素雰囲気下(水素濃度3%)、700℃で1時間焼成して、粒子(A-1)(LiMn0.7Fe0.3PO4)を得た。
得られた粒子(A-1)のタップ密度は1.0g/cm3、細孔容積は0.3mL/g、平均粒径は14μm、炭素の担持量は4.5質量%であった。
The obtained slurry water zi was then put into an autoclave and subjected to a hydrothermal reaction at 180 ° C. for 1 hour. The pressure inside the autoclave was 1.0 MPa. After the hydrothermal reaction, the generated crystals were filtered and then washed with 12 parts by mass of water per 1 part by mass of the crystals. The washed crystals were freeze-dried at -50 ° C. for 12 hours to obtain powder a1. 1000 g of the obtained powder a1 was taken, and 0.3 g of ammonium carbonate (0.03 parts by mass per 100 parts by mass of powder a1) and 800 mL of water were added thereto to obtain slurry water zii. The obtained slurry zii was dispersed for 1 minute with an ultrasonic agitator (T25, manufactured by IKA Co., Ltd.) to uniformly color the whole, and then spray-dried (nozzle air flow rate 40 L / min, supply air temperature 160 ° C.) using a spray dryer (MDL-050M, manufactured by Fujisaki Electric Co., Ltd.) to obtain granules b1. The obtained granules b1 were fired at 700° C. for 1 hour in an argon-hydrogen atmosphere (hydrogen concentration 3%) to obtain particles (A-1) (LiMn 0.7 Fe 0.3 PO 4 ).
The resulting particles (A-1) had a tap density of 1.0 g/cm 3 , a pore volume of 0.3 mL/g, an average particle size of 14 μm, and a carbon loading of 4.5% by mass.
[製造例2:粒子(A-2)の製造]
粉末a1に添加する炭酸アンモニウムを12.2gとした(100質量部の粉末a1に対し、1.22質量部)以外、製造例1と同様にして、粒子(A-2)(LiMn0.7Fe0.3PO4)を得た。
得られた粒子(A-2)のタップ密度は0.3g/cm3、細孔容積は0.7mL/g、平均粒径は15μm、炭素の担持量は4.5質量%であった。
[Production Example 2: Production of Particles (A-2)]
Particles (A-2) (LiMn 0.7 Fe 0.3 PO 4 ) were obtained in the same manner as in Production Example 1, except that the amount of ammonium carbonate added to powder a1 was 12.2 g (1.22 parts by mass per 100 parts by mass of powder a1 ).
The resulting particles (A-2) had a tap density of 0.3 g/cm 3 , a pore volume of 0.7 mL/g, an average particle size of 15 μm, and a carbon loading of 4.5% by mass.
[製造例3:粒子(A-3)の製造]
粉末a1に添加する炭酸アンモニウムを0.06gとした(100質量部の粉末a1に対し、0.006質量部)以外、製造例1と同様にして、粒子(A-3)(LiMn0.7Fe0.3PO4)を得た。
得られた粒子(A-3)のタップ密度は1.2g/cm3、細孔容積は0.2mL/g、平均粒径は13μm、炭素の担持量は4.5質量%であった。
[Production Example 3: Production of particles (A-3)]
Particles (A-3) (LiMn 0.7 Fe 0.3 PO 4 ) were obtained in the same manner as in Production Example 1, except that the amount of ammonium carbonate added to powder a1 was 0.06 g (0.006 part by mass per 100 parts by mass of powder a1 ).
The resulting particles (A-3) had a tap density of 1.2 g/cm 3 , a pore volume of 0.2 mL/g, an average particle size of 13 μm, and a carbon loading of 4.5% by mass.
[製造例4:粒子(A-4)の製造]
粉末a1に添加する炭酸アンモニウムを15.2gとした(100質量部の粉末a1に対し、1.52質量部)以外、製造例1と同様にして、粒子(A-4)(LiMn0.7Fe0.3PO4)を得た。
得られた粒子(A-4)のタップ密度は0.2g/cm3、細孔容積は0.8mL/g、平均粒径は15μm、炭素の担持量は4.5質量%であった。
[Production Example 4: Production of particles (A-4)]
Particles (A-4) (LiMn 0.7 Fe 0.3 PO 4 ) were obtained in the same manner as in Production Example 1, except that the amount of ammonium carbonate added to powder a1 was 15.2 g (1.52 parts by mass per 100 parts by mass of powder a1 ).
The resulting particles (A-4) had a tap density of 0.2 g/cm 3 , a pore volume of 0.8 mL/g, an average particle size of 15 μm, and a carbon loading of 4.5% by mass.
[製造例5:粒子(A-5)の製造]
粉末a1に添加する炭酸アンモニウムを0.03gとした(100質量部の粉末a1に対し、0.003質量部)以外、製造例1と同様にして、粒子(A-5)(LiMn0.7Fe0.3PO4)を得た。
得られた粒子(A-5)のタップ密度は1.4g/cm3、細孔容積は0.1mL/g、平均粒径は13μm、炭素の担持量は4.5質量%であった。
[Production Example 5: Production of Particles (A-5)]
Particles (A-5) (LiMn 0.7 Fe 0.3 PO 4 ) were obtained in the same manner as in Production Example 1, except that the amount of ammonium carbonate added to powder a1 was 0.03 g (0.003 part by mass per 100 parts by mass of powder a1 ).
The resulting particles (A-5) had a tap density of 1.4 g/cm 3 , a pore volume of 0.1 mL/g, an average particle size of 13 μm, and a carbon loading of 4.5% by mass.
[製造例6:粒子(B-1)の製造]
Ni:Co:Mnのモル比が8:1:1となるように、硫酸ニッケル六水和物631g、硫酸コバルト七水和物84g、硫酸マンガン五水和物72g、及び水3Lを混合した後、かかる混合液に25%アンモニア水を、滴下速度300mL/分で滴下して、pHが11の金属複合水酸化物を含むスラリーを得た。
次いで、得られたスラリーをろ過、乾燥して、金属複合水酸化物の混合物を得た後、かかる混合物に炭酸リチウム111gをボールミルで混合して粉末混合物を得た。得られた粉末混合物を、空気雰囲気下で800℃×4時間仮焼成して解砕した後、本焼成として空気雰囲気下で800℃×11時間焼成し、粒子(B-1)(LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2、平均粒径:10μm)を得た。
[Production Example 6: Production of particles (B-1)]
631 g of nickel sulfate hexahydrate, 84 g of cobalt sulfate heptahydrate, 72 g of manganese sulfate pentahydrate, and 3 L of water were mixed so that the molar ratio of Ni:Co:Mn was 8:1:1, and then 25% aqueous ammonia was added dropwise to the mixture at a rate of 300 mL/min to obtain a slurry containing a metal composite hydroxide having a pH of 11.
The resulting slurry was then filtered and dried to obtain a mixture of metal composite hydroxides, which was then mixed with 111 g of lithium carbonate in a ball mill to obtain a powder mixture. The resulting powder mixture was pre-calcined at 800°C for 4 hours in an air atmosphere and crushed, and then calcined at 800°C for 11 hours in an air atmosphere to obtain particles (B-1) ( LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 , average particle size : 10 μm).
[製造例7:粒子(C-1)の製造]
Ni:Co:Mnのモル比が5:2:3となるように、硫酸ニッケル六水和物394g、硫酸コバルト七水和物169g、硫酸マンガン五水和物217g、及び水3Lを混合した後、かかる混合液に25%アンモニア水を、滴下速度300mL/分で滴下して、pHが11の金属複合水酸化物を含むスラリーを得た。
次いで、得られたスラリーをろ過、乾燥して、金属複合水酸化物の混合物を得た後、かかる混合物に炭酸リチウム111gをボールミルで混合して粉末混合物を得た。得られた粉末混合物を、空気雰囲気下で800℃×4時間仮焼成して解砕した後、本焼成として空気雰囲気下で800℃×11時間焼成し、粒子(C-1)(LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2、平均粒径:10μm)を得た。
[Production Example 7: Production of particles (C-1)]
394 g of nickel sulfate hexahydrate, 169 g of cobalt sulfate heptahydrate, 217 g of manganese sulfate pentahydrate, and 3 L of water were mixed so that the molar ratio of Ni:Co:Mn was 5:2:3, and then 25% aqueous ammonia was added dropwise to the mixture at a rate of 300 mL/min to obtain a slurry containing a metal composite hydroxide having a pH of 11.
The resulting slurry was then filtered and dried to obtain a mixture of metal composite hydroxides, which was then mixed with 111 g of lithium carbonate in a ball mill to obtain a powder mixture. The resulting powder mixture was pre-calcined at 800°C for 4 hours in an air atmosphere and crushed, and then calcined at 800°C for 11 hours in an air atmosphere to obtain particles (C-1) ( LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 , average particle size : 10 μm ).
[実施例1~6、比較例1~6]
表1~2に示す処方にしたがって、乳棒及び乳鉢を用いて所定の粒子を混合し、正極活物質粒子混合物を得た。
次いで、下記方法にしたがってリチウムイオン電池を作製し、電池特性について測定及び評価を行った。
結果を表1~2に示す。
[Examples 1 to 6, Comparative Examples 1 to 6]
According to the formulations shown in Tables 1 and 2, the specified particles were mixed using a pestle and mortar to obtain a positive electrode active material particle mixture.
Next, a lithium ion battery was produced according to the following method, and the battery characteristics were measured and evaluated.
The results are shown in Tables 1 and 2.
《リチウムイオン電池の電池特性》
得られた各正極活物質粒子混合物を正極材料として用い、リチウムイオン二次電池の正極を作製した。具体的には、得られた各正極活物質粒子混合物、ケッチェンブラック、ポリフッ化ビニリデンを質量比90:5:5の配合割合で混合し、これにN-メチル-2-ピロリドンを加えて充分混練し、正極スラリーを調製した。正極スラリーを厚さ20μmのアルミニウム箔からなる集電体に塗工機を用いて塗布し、80℃で12時間の真空乾燥を行った。その後、ロールプレスを用いて20kNでプレスし、φ14mmの円盤状に打ち抜いて正極とした。
<Characteristics of lithium-ion batteries>
The positive electrode of a lithium ion secondary battery was prepared by using each of the obtained positive electrode active material particle mixtures as a positive electrode material. Specifically, each of the obtained positive electrode active material particle mixtures, Ketjen black, and polyvinylidene fluoride were mixed in a mass ratio of 90:5:5, and N-methyl-2-pyrrolidone was added thereto and thoroughly kneaded to prepare a positive electrode slurry. The positive electrode slurry was applied to a current collector made of aluminum foil having a thickness of 20 μm using a coating machine, and vacuum dried at 80° C. for 12 hours. Thereafter, the mixture was pressed at 20 kN using a roll press, and punched into a disk shape of φ14 mm to obtain a positive electrode.
次いで、上記正極を用いてコイン型二次電池を構築した。負極には、φ15mmに打ち抜いたリチウム箔を用いた。電解液には、エチレンカーボネート及びエチルメチルカーボネートを体積比3:7の割合で混合した混合溶媒に、LiPF6を1mol/Lの濃度で溶解したものを用いた。セパレータには、高分子多孔フィルムを用いた。これらの電池部品を露点が-50℃以下の雰囲気で常法により組み込み収容し、コイン型二次電池(CR-2032)を得た。 Next, a coin-type secondary battery was constructed using the above positive electrode. A lithium foil punched to φ15 mm was used for the negative electrode. The electrolyte was a mixed solvent of ethylene carbonate and ethyl methyl carbonate in a volume ratio of 3: 7 , in which LiPF6 was dissolved at a concentration of 1 mol/L. A polymer porous film was used for the separator. These battery components were assembled and housed in an atmosphere with a dew point of −50° C. or less by a conventional method, to obtain a coin-type secondary battery (CR-2032).
得られたコイン型二次電池を用い、放電容量測定装置(HJ-1001SD8、北斗電工社製)にて気温30℃環境での、0.2C(34mA/g)の放電容量を測定した。
また、下記式(x)により、電極密度を算出した。
電極密度(g/cm3)=
正極中の正極活物質粒子混合物の質量(mg)/電極体積(φ14mm×厚さ(μm))
・・・(x)
さらに得られたコイン型二次電池を、気温30℃環境で0.2C(34mA/g)、上限電圧4.3Vで定電流充電した後、コイン型二次電池を解体し、炭酸ジメチル及びエタノールを用いて正極を洗浄した。次いで、洗浄した正極から正極合材層を剥離し、得られた正極合材を用いて示差走査熱量計(DSC、NETZSCH社製DSC3100SR)により熱安定性を測定した。DSCの測定条件は、昇温 4℃/min、測定範囲30~400℃とした。
得られたDSCプロファイルにおいて発熱が始まる熱分解開始温度(℃)を求めた。
The resulting coin-type secondary battery was used to measure the discharge capacity at 0.2 C (34 mA/g) in an environment at an air temperature of 30° C. using a discharge capacity measuring device (HJ-1001SD8, manufactured by Hokuto Denko Corporation).
In addition, the electrode density was calculated by the following formula (x).
Electrode density (g/cm 3 )=
Mass of positive electrode active material particle mixture in positive electrode (mg) / electrode volume (φ14 mm × thickness (μm))
... (x)
The obtained coin-type secondary battery was charged at a constant current of 0.2 C (34 mA/g) and an upper limit voltage of 4.3 V in an environment at an air temperature of 30° C., and then the coin-type secondary battery was disassembled and the positive electrode was washed with dimethyl carbonate and ethanol. Next, the positive electrode composite layer was peeled off from the washed positive electrode, and the thermal stability was measured using a differential scanning calorimeter (DSC, DSC3100SR manufactured by NETZSCH) using the obtained positive electrode composite. The measurement conditions for DSC were a temperature rise of 4° C./min and a measurement range of 30 to 400° C.
The thermal decomposition onset temperature (° C.) at which heat generation began was determined from the obtained DSC profile.
Claims (4)
LiaMnbFecM1 xPO4・・・(A)
(式(A)中、M1はMg、Al、Ti、Cu、Zn、Nb、Co、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。a、b、c、及びxは、0<a≦1.2、0≦b≦1.2、0≦c≦1.2、0≦x≦0.3、及びb+c≠0を満たし、かつa+(Mnの価数)×b+(Feの価数)×c+(M1の価数)×x=3を満たす数を示す。)
で表され、タップ密度が0.3g/cm3~1.2g/cm3であり、かつ細孔径10nm~3000nmにおける細孔容積が0.2mL/g~0.7mL/gであり、10質量%~30質量%の含有量である粒子(A)と、
下記式(B):
LiNidCoeMnfM2 yO2・・・(B)
(式(B)中、M2はMg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Al、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。d、e、f、yは、0.6≦d≦0.95、0<e≦0.4、0<f≦0.4、0≦y≦0.3、かつ3d+3e+3f+(M2の価数)×y=3を満たす数を示す。)
で表され、50質量%~80質量%の含有量である粒子(B)と、
下記式(C):
LiNigCohMniM3 zO2・・・(C)
(式(C)中、M3はMg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Al、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。g、h、i、zは、0.3≦g<0.6、0<h≦0.7、0<i≦0.7、0≦z≦0.3、かつ3g+3h+3i+(M3の価数)×z=3を満たす数を示す。)
で表され、10質量%~40質量%の含有量である粒子(C)
とからなるリチウムイオン二次電池用正極活物質粒子混合物。 The following formula (A):
Li a Mn b Fe c M 1 x PO 4 ...(A)
(In formula (A), M1 represents Mg, Al, Ti, Cu, Zn, Nb, Co, Ni, Ca, Sr, Y, Zr, Mo, Ba, Pb, Bi, La, Ce, Nd, or Gd. a, b, c, and x represent numbers that satisfy 0<a≦1.2, 0≦b≦1.2, 0≦c≦1.2, 0≦x≦0.3, and b+c≠0, and a+(valence of Mn)×b+(valence of Fe)×c+(valence of M1 )×x=3.)
Particles (A) having a tap density of 0.3 g/cm 3 to 1.2 g/cm 3 and a pore volume of 0.2 mL/g to 0.7 mL/g at a pore diameter of 10 nm to 3000 nm, and a content of 10 mass % to 30 mass % ,
The following formula (B):
LiNidCoeMnfM2yO2 ... ( B )
(In formula (B), M2 represents one or more elements selected from Mg, Ti, Nb, Fe, Cr, Si, Al, Ga, V, Zn, Cu, Sr, Mo, Zr, Sn, Ta, W, La, Ce, Pb, Bi, and Ge. d, e, f, and y represent numbers satisfying 0.6≦d≦0.95, 0<e≦0.4, 0<f≦0.4, 0≦y≦0.3, and 3d+3e+3f+(valence of M2 )×y=3.)
Particles (B) having a content of 50% by mass to 80% by mass ;
The following formula (C):
LiNi g Co h Mn i M 3 z O 2 ...(C)
(In formula (C), M3 represents one or more elements selected from Mg, Ti, Nb, Fe, Cr, Si, Al, Ga, V, Zn, Cu, Sr, Mo, Zr, Sn, Ta, W, La, Ce, Pb, Bi, and Ge. g, h, i, and z represent numbers satisfying 0.3≦g<0.6, 0<h≦0.7, 0<i≦0.7, 0≦z≦0.3, and 3g+3h+3i+(valence of M3 )×z=3.)
Particles (C) having a content of 10% by mass to 40% by mass.
and a positive electrode active material particle mixture for a lithium ion secondary battery comprising the above.
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