JP7731941B2 - Precursor of positive electrode active material and manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、正極活物質の前駆体及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a precursor for a positive electrode active material and a method for producing the same.
特許文献1には、非水電解質二次電池用の正極活物質の前駆体の製造方法が開示されている。この前駆体は、板状一次粒子が凝集された中心部と、該中心部の外側に、微細一次粒子が凝集して形成された低密度と、上記板状一次粒子が凝集して形成された高密度部とが積層した積層構造を備えていることを特徴の一つとしている。また、特許文献2には、多孔質な正極活物質を製造するための前駆体が開示されている。例えば、前駆体とLi化合物とを混合して焼成することで正極活物質を製造することができる。 Patent Document 1 discloses a method for producing a precursor of a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery. One of the features of this precursor is that it has a layered structure consisting of a central portion formed by the aggregation of plate-like primary particles, a low-density portion formed by the aggregation of fine primary particles outside the central portion, and a high-density portion formed by the aggregation of the plate-like primary particles. Patent Document 2 also discloses a precursor for producing a porous positive electrode active material. For example, a positive electrode active material can be produced by mixing the precursor with a Li compound and firing the mixture.
ところで、正極活物質の前駆体を焼成して正極活物質を製造する際に、Liとの反応が不十分となり、出力特性が不十分となる場合がある。 However, when producing a positive electrode active material by firing a precursor of the positive electrode active material, the reaction with Li may be insufficient, resulting in insufficient output characteristics.
そこで、本開示では出力特性に優れたリチウムイオン二次電池を実現し得る技術を提供することを主な目的とする。 Therefore, the main objective of this disclosure is to provide technology that can realize lithium-ion secondary batteries with excellent output characteristics.
ここに開示される技術の一態様は、リチウムイオン二次電池に用いられる正極活物質の前駆体である。この前駆体は、Niを有する遷移金属複合水酸化物粒子を含み、上記遷移金属複合水酸化物粒子は、SEM観察に基づく平均アスペクト比(長軸の長さ/短軸の長さ)が2以上の一次粒子が凝集した外殻部と、上記外殻部に囲まれた中空部とを備えている。上記一次粒子の50%以上は、上記遷移金属複合水酸化物粒子の中心から表面に向かって放射状に配向しており、上記遷移金属複合水酸化物粒子全体に含まれる一次粒子の90%以上が上記外殻部に存在している。 One aspect of the technology disclosed herein is a precursor for a positive electrode active material used in a lithium-ion secondary battery. This precursor contains Ni-containing transition metal composite hydroxide particles, and the transition metal composite hydroxide particles have an outer shell portion formed by aggregation of primary particles having an average aspect ratio (major axis length/minor axis length) of 2 or more based on SEM observation, and a hollow portion surrounded by the outer shell portion. 50% or more of the primary particles are oriented radially from the center of the transition metal composite hydroxide particle toward the surface, and 90% or more of the primary particles contained in the entire transition metal composite hydroxide particle are present in the outer shell portion.
上記前駆体に含まれる遷移金属複合水酸化物粒子(前駆体粒子ともいう)は、一次粒子の90%以上が外殻部に存在しており、一次粒子が少ない若しくは存在しない中空部を備えている。これにより、前駆体粒子の反応面積が増加するため、焼成時にLiと反応が良好になり、未反応のLiを抑制することができる。また、外殻部の一次粒子の50%以上が放射状に配向していることで、Liが拡散し易くなり、出力特性を向上させることができる。 The transition metal composite hydroxide particles (also referred to as precursor particles) contained in the precursor have 90% or more of the primary particles present in the outer shell, and have hollow sections with few or no primary particles. This increases the reactive surface area of the precursor particles, improving the reaction with Li during firing and suppressing unreacted Li. Furthermore, because 50% or more of the primary particles in the outer shell are radially oriented, Li can diffuse more easily, improving output characteristics.
以下、ここで開示される技術の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって、本技術の実施に必要な事柄(例えば、本技術を特徴付けないリチウムイオン二次電池の一般的な構成および製造プロセス等)は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本技術は、本明細書に開示されている内容と、当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。なお、各図面は模式的に描かれており、寸法関係(長さ、幅、厚み等)は実際の寸法関係を必ずしも反映するものではない。また、以下に説明する図面において、同じ作用を奏する部材、部位には同じ符号を付し、重複する説明は省略または簡略化することがある。 Embodiments of the technology disclosed herein are described below with reference to the drawings. Matters necessary for implementing the technology other than those specifically mentioned in this specification (for example, the general configuration and manufacturing process of lithium-ion secondary batteries that do not characterize the technology) can be understood as design matters for those skilled in the art based on conventional technology in the relevant field. The technology can be implemented based on the content disclosed in this specification and common technical knowledge in the relevant field. Note that the drawings are schematic, and dimensional relationships (length, width, thickness, etc.) do not necessarily reflect actual dimensional relationships. Furthermore, in the drawings described below, components and parts that perform the same function are designated by the same reference numerals, and redundant descriptions may be omitted or simplified.
本明細書において、数値範囲を「A~B(ここでA、Bは任意の数値)」と記載している場合は、「A以上B以下」を意味すると共に、「Aを超えてB未満」、「Aを超えてB以下」、および「A以上B未満」の意味を包含する。 In this specification, when a numerical range is stated as "A to B (where A and B are arbitrary numbers)," it means "greater than A and less than B," and also encompasses the meanings of "greater than A and less than B," "greater than A and less than B," and "greater than A and less than B."
本明細書において、「リチウムイオン二次電池」とは、電荷担体としてリチウムイオンを利用し、正負極間におけるリチウムイオンに伴う電荷の移動により充放電が実現される二次電池全般をいい、リチウムイオンキャパシタ等を包含する用語である。 In this specification, the term "lithium ion secondary battery" refers to all secondary batteries that use lithium ions as charge carriers and are charged and discharged by the transfer of charge associated with the lithium ions between positive and negative electrodes, and is a term that also encompasses lithium ion capacitors, etc.
本開示により、リチウムイオン二次電池に用いられる正極活物質の前駆体材料が提供される。前駆体材料は、例えば、粉末状である。前駆体材料は、複数の前駆体粒子を含む。図1は、一実施形態に係る正極活物質の前駆体粒子200の断面構造の模式図である。前駆体粒子200は、外殻部210と、中空部220とを含む中空構造を有する。 The present disclosure provides a precursor material for a positive electrode active material used in a lithium-ion secondary battery. The precursor material is, for example, in powder form. The precursor material includes a plurality of precursor particles. Figure 1 is a schematic diagram of the cross-sectional structure of a precursor particle 200 for a positive electrode active material according to one embodiment. The precursor particle 200 has a hollow structure including an outer shell portion 210 and a hollow portion 220.
前駆体材料は、主成分として前駆体粒子200を含む。前駆体粒子200は、例えば、前駆体材料の80wt%以上、90wt%以上、95wt%以上、または100wt%を占める。 The precursor material contains precursor particles 200 as a main component. The precursor particles 200 account for, for example, 80 wt% or more, 90 wt% or more, 95 wt% or more, or 100 wt% of the precursor material.
前駆体粒子200は、遷移金属複合水酸化物を含む粒子(「遷移金属複合水酸化物粒子200」ともいう。)である。前駆体粒子200は、遷移金属を含んでおり、好ましくは少なくともニッケル(Ni)を含んでいる。前駆体粒子200は、リチウム元素(Li元素)が供給された状態で焼成されることでリチウム遷移金属複合酸化物に変換される。かかるリチウム遷移金属複合酸化物は、正極活物質として使用することができる。 The precursor particles 200 are particles containing a transition metal composite hydroxide (also referred to as "transition metal composite hydroxide particles 200"). The precursor particles 200 contain a transition metal, and preferably contain at least nickel (Ni). The precursor particles 200 are converted into a lithium transition metal composite oxide by firing in the presence of lithium element (Li element). This lithium transition metal composite oxide can be used as a positive electrode active material.
いくつかの態様において、前駆体粒子200は、以下の一般式(i):
Ni(1-x-y-z)CoxMnyAz(OH)2+a (i)
で表される組成を有する。ただし、一般式(i)において、0≦x<0.5、0≦y<0.5、0≦z≦0.1、0≦a≦0.5、x+y+z<1を満たすものとする。また、一般式(i)においてAはMg、Ca、V、Cr、Al、Ti、Zr、Nb、Mo、Wから
なる群から選択される少なくとも1種の元素である。
In some embodiments, precursor particles 200 have the following general formula (i):
Ni (1-x-y-z) Co x Mn y A z (OH) 2+a (i)
It has a composition represented by the following formula (i): where, in general formula (i), 0≦x<0.5, 0≦y<0.5, 0≦z≦0.1, 0≦a≦0.5, and x+y+z<1 are satisfied. In general formula (i), A represents at least one element selected from the group consisting of Mg, Ca, V, Cr, Al, Ti, Zr, Nb, Mo, and W.
いくつかの態様では、Niの割合がCoおよびMnの合計割合よりも高い。即ち、一般式(i)において、x+y+z<0.5であり得る。 In some embodiments, the proportion of Ni is higher than the combined proportion of Co and Mn. That is, in general formula (i), x + y + z < 0.5.
いくつかの態様では、前駆体粒子200は、Ni、Co、およびMnを含む。即ち、一般式(i)において、0<x<0.5、かつ、0<y<0.5であり得る。また、いくつかの態様では、0<x<0.3、かつ、0<y<0.3であり得る。 In some embodiments, precursor particles 200 include Ni, Co, and Mn. That is, in general formula (i), 0 < x < 0.5 and 0 < y < 0.5 may be satisfied. In some embodiments, 0 < x < 0.3 and 0 < y < 0.3 may be satisfied.
いくつかの態様において、前駆体粒子200は、略球状である。また、いくつかの態様において前駆体粒子200は不定形状等であってもよい。
本明細書において「略球状」とは、全体として概ね球体とみなせる形態を示し、電子顕微鏡の断面観察画像に基づく平均アスペクト比が、概ね1~2、好ましくは1~1.5、より好ましくは1~1.2であることをいう。また、本明細書において「アスペクト比」とは、粒子の輪郭に外接する長方形のうち最も面積が小さくなる長方形の長辺を短辺で割った値のことをいう。また、「平均アスペクト比」とは、ランダムに選ばれた少なくとも100個の粒子におけるアスペクト比の算術平均のことをいう。
In some embodiments, the precursor particles 200 are generally spherical. In other embodiments, the precursor particles 200 may be irregularly shaped, etc.
As used herein, "substantially spherical" refers to a shape that can be considered generally spherical overall, and the average aspect ratio based on a cross-sectional image observed under an electron microscope is approximately 1 to 2, preferably 1 to 1.5, and more preferably 1 to 1.2. Furthermore, as used herein, "aspect ratio" refers to the value obtained by dividing the long side of the rectangle with the smallest area among rectangles circumscribing the particle outline by the short side. Furthermore, "average aspect ratio" refers to the arithmetic mean of the aspect ratios of at least 100 randomly selected particles.
前駆体粒子200の平均粒径は、例えば3.0μm以上であって、好ましくは4.0μm以上、より好ましくは4.5μm以上である。また、前駆体粒子200の平均粒径は、例えば、9.0μm以下であって、好ましくは7.0μm以下、より好ましくは5.5μm以下である。
本明細書において、「平均粒径」とは、メジアン径(D50粒径)を指し、レーザ回折・散乱法に基づく体積基準の粒度分布において、粒径が小さい微粒子側からの累積頻度50体積%に相当する粒径をいう。
The average particle size of the precursor particles 200 is, for example, 3.0 μm or more, preferably 4.0 μm or more, and more preferably 4.5 μm or more. The average particle size of the precursor particles 200 is, for example, 9.0 μm or less, preferably 7.0 μm or less, and more preferably 5.5 μm or less.
In this specification, the term "average particle size" refers to the median diameter ( D50 particle size), which is the particle size corresponding to a cumulative frequency of 50% by volume from the side of fine particles with small particle sizes in a volume-based particle size distribution based on a laser diffraction/scattering method.
外殻部210は、複数の一次粒子212を含む。本実施形態において、外殻部210は、複数の一次粒子212が物理的または化学的な結合力によって凝集して形成されている。本明細書において、「一次粒子」とは、前駆体粒子200を構成する粒子の最小単位をいい、具体的には、外見上の幾何学的形態から判断した最小の単位をいう。 The outer shell 210 includes a plurality of primary particles 212. In this embodiment, the outer shell 210 is formed by agglomerating a plurality of primary particles 212 through physical or chemical bonding forces. In this specification, the term "primary particle" refers to the smallest unit of particles that make up the precursor particle 200, and more specifically, the smallest unit determined from the apparent geometric shape.
外殻部210は、単層構造であってよく、複数の層が重なった多層構造であってもよい。 The outer shell 210 may have a single-layer structure or a multi-layer structure with multiple layers stacked on top of each other.
外殻部210の平均厚みは、前駆体粒子200の平均粒径に対して、例えば、1/5以下であるとよく、好ましくは1/6以下である。また、外殻部210の平均厚みは、前駆体粒子200の平均粒径に対して、例えば、1/10以上、または1/8以上であってよい。外殻部210の平均厚みが前駆体粒子200の平均粒径に対して薄肉化することで、Liイオンの拡散抵抗が低減し、出力特性が向上する。
なお、本明細書において、外殻部210の厚みは、電子顕微鏡による前駆体粒子200の断面観察画像において測定されたものをいい、外殻部210の平均厚みは、少なくとも100個の前駆体粒子100において測定される外殻部210の厚みの算術平均のことをいう。
The average thickness of the outer shell 210 may be, for example, 1/5 or less, and preferably 1/6 or less, of the average particle size of the precursor particles 200. The average thickness of the outer shell 210 may be, for example, 1/10 or more, or 1/8 or more, of the average particle size of the precursor particles 200. By making the average thickness of the outer shell 210 thinner than the average particle size of the precursor particles 200, the diffusion resistance of Li ions is reduced, and the output characteristics are improved.
In this specification, the thickness of the outer shell 210 refers to the thickness measured in a cross-sectional observation image of the precursor particle 200 taken with an electron microscope, and the average thickness of the outer shell 210 refers to the arithmetic mean of the thicknesses of the outer shell 210 measured for at least 100 precursor particles 100.
一次粒子212の形状は、例えば、針状、板状、楕円状等であり得る。また、前駆体粒子200の電子顕微鏡の断面観察画像に基づく平均アスペクト比(長軸の長さ/短軸の長さ)は、例えば、2以上であって、好ましくは3以上、より好ましくは5以上である。一次粒子212の平均アスペクト比が長いほど、Liイオンの拡散抵抗が低減し得る。一次粒子212の平均アスペクト比は、例えば50以下、20以下、または10以下であり得る。 The shape of the primary particles 212 may be, for example, needle-like, plate-like, elliptical, or the like. Furthermore, the average aspect ratio (length of major axis/length of minor axis) of the precursor particles 200 based on a cross-sectional electron microscope image is, for example, 2 or more, preferably 3 or more, and more preferably 5 or more. The longer the average aspect ratio of the primary particles 212, the lower the diffusion resistance of Li ions. The average aspect ratio of the primary particles 212 may be, for example, 50 or less, 20 or less, or 10 or less.
一次粒子212の長軸の平均長さは、例えば、0.05μm以上、0.1μm以上、0.2μm以上、または0.3μm以上である。また、一次粒子212の長軸の平均長さは、例えば、1.2μm以下、1μm以下、または0.8μm以下である。 The average length of the major axes of the primary particles 212 is, for example, 0.05 μm or more, 0.1 μm or more, 0.2 μm or more, or 0.3 μm or more. Furthermore, the average length of the major axes of the primary particles 212 is, for example, 1.2 μm or less, 1 μm or less, or 0.8 μm or less.
一次粒子212の短軸の平均長さは、例えば、0.01μ以上、0.02μm以上、0.05μm以上、または0.1μm以上である。また、一次粒子212の短軸の平均長さは、例えば、0.6μm以下、0.4μm以下、または0.2μm以下である。 The average length of the minor axes of the primary particles 212 is, for example, 0.01 μm or more, 0.02 μm or more, 0.05 μm or more, or 0.1 μm or more. Furthermore, the average length of the minor axes of the primary particles 212 is, for example, 0.6 μm or less, 0.4 μm or less, or 0.2 μm or less.
一次粒子212の長軸及び短軸の平均長さは、前駆体粒子200の電子顕微鏡の断面観察画像に基づいて測定される。本明細書において、一次粒子212の長軸及び短軸の平均長さは、少なくとも100個の一次粒子212における長軸及び短軸の算術平均のことをいう。 The average lengths of the major and minor axes of the primary particles 212 are measured based on cross-sectional observation images of the precursor particles 200 taken with an electron microscope. In this specification, the average lengths of the major and minor axes of the primary particles 212 refer to the arithmetic mean of the major and minor axes of at least 100 primary particles 212.
外殻部210に含まれる一次粒子212の50%以上は、前駆体粒子200の中心から前駆体粒子200の表面に向かって放射状に配向している。好ましい態様では、上記配向している一次粒子212が60%以上であり、より好ましくは65%以上であり、さらに好ましくは70%以上である。より多くの一次粒子212が放射状に配向することにより、Liイオンの拡散抵抗が低減し、出力特性が向上し得る。なお、上述の一次粒子212の割合は、個数ベースの割合を示し、測定した一次粒子212の全体の個数(少なくとも100個)のうち、放射状に配向している一次粒子212の個数の割合を示している。
本明細書において、「一次粒子が放射状に配向している」とは、一次粒子212の中心と前駆体粒子200の中心とを結ぶ基準線に対して、当該一次粒子212の長軸方向がなす角度が30°以下であるものをいう。なお、かかる測定は、イオンビームで前駆体粒子200の断面加工を行い、かかる断面を電子顕微鏡で観察することにより行うことができる。なお、他の方法として、電子線後方散乱回折法(EBSD)により配向性を確認することもできる。
At least 50% of the primary particles 212 contained in the outer shell 210 are radially oriented from the center of the precursor particle 200 toward the surface of the precursor particle 200. In a preferred embodiment, the oriented primary particles 212 account for at least 60%, more preferably at least 65%, and even more preferably at least 70%. Radially oriented primary particles 212 in a larger number can reduce the diffusion resistance of Li ions and improve output characteristics. The percentage of the primary particles 212 mentioned above indicates a percentage based on the number, and indicates the percentage of radially oriented primary particles 212 out of the total number (at least 100) of measured primary particles 212.
In this specification, "primary particles are radially oriented" means that the angle formed by the long axis direction of the primary particle 212 with respect to a reference line connecting the center of the primary particle 212 and the center of the precursor particle 200 is 30° or less. Note that this measurement can be performed by processing a cross section of the precursor particle 200 with an ion beam and observing the cross section with an electron microscope. Note that as another method, the orientation can also be confirmed by electron backscatter diffraction (EBSD).
中空部220は、外殻部210に囲まれた空間である。中空部220は、外殻部210完全に囲まれていなくてもよく、外殻部210の一部が欠損している態様等を包含する。中空部220には、一次粒子の数が外殻部210よりも少ない若しくは存在していない。即ち、前駆体粒子200全体に含まれる一次粒子のうち、外殻部210に含まれる一次粒子212の割合は、例えば90%以上、95%以上、98%以上、または100%であり得る。これにより、焼成時にLiとの反応が良好な活物質を得ることができる。
なお、本明細書において、かかる一次粒子の割合は、断面SEMにおける面積比により測定される。
The hollow portion 220 is a space surrounded by the outer shell portion 210. The hollow portion 220 does not have to be completely surrounded by the outer shell portion 210, and includes embodiments in which a portion of the outer shell portion 210 is missing, etc. The number of primary particles in the hollow portion 220 is fewer than that in the outer shell portion 210, or there are no primary particles in the hollow portion 220. That is, the proportion of primary particles 212 contained in the outer shell portion 210 among the primary particles contained in the entire precursor particle 200 can be, for example, 90% or more, 95% or more, 98% or more, or 100%. This makes it possible to obtain an active material that reacts well with Li during firing.
In this specification, the proportion of such primary particles is measured by the area ratio in a cross-sectional SEM.
図2は、一態様におけるリチウムイオン二次電池に用いられる正極活物質の製造方法の概要を示すフロー図である。この製造方法は、原料準備工程S10、晶析工程S20、混合工程S30、および焼成工程S40を含む。原料準備工程S10および晶析工程は、上述した前駆体粒子200の製造工程に含まれる。なお、ここで開示される製造方法には、任意の段階でさらに他の工程を含んでもよい。 Figure 2 is a flow diagram showing an overview of one embodiment of a method for producing a positive electrode active material for use in a lithium-ion secondary battery. This production method includes a raw material preparation step S10, a crystallization step S20, a mixing step S30, and a firing step S40. The raw material preparation step S10 and the crystallization step are included in the production process for the precursor particles 200 described above. Note that the production method disclosed herein may further include other steps at any stage.
原料準備工程S10は、例えば前駆体材料の原料を準備する工程である。前駆体材料としては、例えば、前駆体粒子200に含まれる金属元素を含む金属化合物、アンモニウムイオン供給体が挙げられる。前駆体粒子200に含まれる金属元素を含む金属化合物は、例えば、水溶性塩であり得る。かかる水溶性塩は、例えば、硫酸塩、硝酸塩、シュウ酸塩等を適宜使用し得る。これらの水溶性塩は、1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。前駆体粒子200に含まれる金属元素は、例えば、上記一般式(1)に示される金属元素であり、少なくともNiを含む。 The raw material preparation step S10 is a step of preparing, for example, raw materials for the precursor material. Examples of precursor materials include a metal compound containing the metal element contained in the precursor particle 200 and an ammonium ion donor. The metal compound containing the metal element contained in the precursor particle 200 may be, for example, a water-soluble salt. Such water-soluble salts may include, for example, sulfates, nitrates, oxalates, etc., as appropriate. These water-soluble salts may be used alone or in combination of two or more. The metal element contained in the precursor particle 200 is, for example, a metal element represented by the above general formula (1) and includes at least Ni.
原料準備工程S10では、例えば、上記金属化合物を水に溶解して、前駆体粒子200に含まれる金属元素を有する原料金属水溶液を準備する。水としては、不純物の混入を防止する観点から、イオン交換水、蒸留水、限外濾過水、逆浸透水等を好適に用いることができる。 In the raw material preparation step S10, for example, the metal compound is dissolved in water to prepare a raw metal aqueous solution containing the metal elements contained in the precursor particles 200. From the perspective of preventing the incorporation of impurities, ion-exchanged water, distilled water, ultrafiltered water, reverse osmosis water, etc. can be suitably used as the water.
原料準備工程S10では、アンモニウムイオン供給体を準備する。アンモニウムイオン供給体は、例えば、アンモニアイオンを含む水溶液である。かかる水溶液は、例えば市販品(アンモニア水)を購入してもよいし、水を含む溶媒とアンモニウムイオンを供給する化合物を溶解させて準備してもよい。かかる化合物は、例えば、硫酸アンモニウム、硝酸アンモニウム、水酸化アンモニウム、ハロゲン化アンモニウム水、アンモニア等を適宜使用し得る。これらの化合物は、単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。アンモニウムイオンは、後述する晶析工程S20において、核の生成ないし成長を促進したり、一次粒子間の接着性ないし付着性を高めたりすることができる。限定されるものではないが、アンモニウムイオンを含む水溶液は、例えば、アンモニウムイオンを0.1wt~5wt%、好ましくは0.5wt%~2wt%含む。 In the raw material preparation step S10, an ammonium ion donor is prepared. The ammonium ion donor is, for example, an aqueous solution containing ammonia ions. Such an aqueous solution may be purchased commercially (ammonia water), or may be prepared by dissolving a compound that supplies ammonium ions in a solvent containing water. Examples of such compounds that can be used include ammonium sulfate, ammonium nitrate, ammonium hydroxide, aqueous ammonium halide, and ammonia. These compounds may be used alone or in combination. Ammonium ions can promote the formation or growth of nuclei and increase the adhesiveness or adhesion between primary particles in the crystallization step S20, described below. While not limited to these, the aqueous solution containing ammonium ions contains, for example, 0.1 wt% to 5 wt%, preferably 0.5 wt% to 2 wt%, of ammonium ions.
晶析工程S20では、晶析装置を用いて前駆体粒子を調製する。晶析装置は、反応場にテイラー渦流(Taylor Vortex Flow)を発生させることができる装置であることが好ましい。テイラー渦流を発生させる装置は市販品であってよい。図3は、晶析装置の大まかな構成を示す模式図である。図4は、図3に示すIV-IV線に沿った断面の模式図である。図3中のL、Rはそれぞれ左、右を示しているが、晶析装置の設置態様を限定するものではない。 In the crystallization step S20, precursor particles are prepared using a crystallizer. The crystallizer is preferably a device capable of generating a Taylor vortex flow in the reaction field. Devices that generate Taylor vortex flow may be commercially available. Figure 3 is a schematic diagram showing the general configuration of a crystallizer. Figure 4 is a schematic diagram of a cross section taken along line IV-IV shown in Figure 3. L and R in Figure 3 indicate left and right, respectively, but this does not limit the installation mode of the crystallizer.
図3に示す晶析装置300は、外筒310と、内筒320と、モータ322とを備える。晶析装置300は、外筒310と内筒320との間に反応室330を有する。反応室330は、晶析反応を行う領域であり、テイラー渦流が発生する領域である。なお、テイラー渦流とは、テイラー渦を生成した流体の流れを示す。テイラー渦とは環状に流れる渦の形態を示す。 The crystallization apparatus 300 shown in Figure 3 comprises an outer cylinder 310, an inner cylinder 320, and a motor 322. The crystallization apparatus 300 has a reaction chamber 330 between the outer cylinder 310 and the inner cylinder 320. The reaction chamber 330 is the region where the crystallization reaction takes place and where Taylor vortices are generated. Note that Taylor vortices refer to the flow of fluid that generates Taylor vortices. Taylor vortices refer to the form of vortices that flow in a circular pattern.
外筒310は、本実施形態では円筒状である。外筒310の中心軸は、図3の左右方向に延びている。ここでは、外筒310は中心軸を中心に回転しないように固定されている。 In this embodiment, the outer cylinder 310 is cylindrical. The central axis of the outer cylinder 310 extends in the left-right direction in Figure 3. Here, the outer cylinder 310 is fixed so that it does not rotate around its central axis.
本実施形態では、外筒310には、第1供給口312、第2供給口314、第3供給口316、および排出口318が設けられている。これらはいずれも反応室330と連通している。 In this embodiment, the outer cylinder 310 is provided with a first supply port 312, a second supply port 314, a third supply port 316, and an exhaust port 318. All of these are connected to the reaction chamber 330.
本実施形態では、第1供給口312は、原料金属水溶液を反応室330へ供給する部分である。また、第2供給口314は、pH調整剤を反応室330へ供給する部分である。また、第3供給口316は、アンモニウムイオン供給体を反応室330へ供給する部分である。なお、本実施形態では、供給口が3つ設けられているが、その数は特に限定されるものでなく、1つ、2つ、または4以上であってよい。供給口ごとに供給物の種類を分けてもよいが、2種以上の供給物を1つの供給口から供給してもよい。 In this embodiment, the first supply port 312 is a portion that supplies the raw metal aqueous solution to the reaction chamber 330. The second supply port 314 is a portion that supplies the pH adjuster to the reaction chamber 330. The third supply port 316 is a portion that supplies the ammonium ion supplier to the reaction chamber 330. Note that in this embodiment, three supply ports are provided, but the number is not particularly limited and may be one, two, or four or more. The type of supply may be different for each supply port, or two or more types of supply may be supplied from a single supply port.
排出口318は、反応室330内の流体を排出するために設けられている。排出口318から排出された流体には、晶析反応により得られた前駆体粒子200が含まれる。これにより、反応室330から前駆体粒子200を回収することができる。 The outlet 318 is provided for discharging the fluid within the reaction chamber 330. The fluid discharged from the outlet 318 contains the precursor particles 200 obtained by the crystallization reaction. This allows the precursor particles 200 to be recovered from the reaction chamber 330.
内筒320は、本実施形態では円筒状である。なお、内筒320は、円柱状であってもよい。内筒320の直径は、外筒310の直径よりも小さくなるように設計されている。外筒310の内径と内筒320の外径との間の空間は反応室330である。内筒320の直径は、反応室330にテイラー渦流を発生可能な大きさに設計されている。内筒320の中心軸は、図3の左右方向に延びている。本実施形態では、内筒320の中心軸は、外筒310の中心軸と重なるように配置されている。 In this embodiment, the inner cylinder 320 is cylindrical. However, the inner cylinder 320 may also be cylindrical. The diameter of the inner cylinder 320 is designed to be smaller than the diameter of the outer cylinder 310. The space between the inner diameter of the outer cylinder 310 and the outer diameter of the inner cylinder 320 forms the reaction chamber 330. The diameter of the inner cylinder 320 is designed to be large enough to generate a Taylor vortex flow in the reaction chamber 330. The central axis of the inner cylinder 320 extends in the left-right direction in Figure 3. In this embodiment, the central axis of the inner cylinder 320 is positioned so as to overlap with the central axis of the outer cylinder 310.
内筒320は、モータ322と連結しており、モータ322により、内筒320がその中心軸を中心として時計回りまたは反時計回りに回転可能なように設計されている。内筒320を回転させることで、反応室330の流体(例えば液相)にテイラー渦を生成することができる。 The inner cylinder 320 is connected to a motor 322 and is designed so that the motor 322 can rotate the inner cylinder 320 clockwise or counterclockwise around its central axis. By rotating the inner cylinder 320, Taylor vortices can be generated in the fluid (e.g., liquid phase) in the reaction chamber 330.
内筒320の中心軸を中心とした回転の回転数は、テイラー渦流を生成することができれば特に限定されないが、例えば、300rpm以上、500rpm以上、1000rpm以上、1500rpm以上、または2000rpm以上である。また、内筒320中心軸を中心とした回転の回転数は、例えば、3000rpm以下、2800rpm以下、または2600rpm以下である。 The rotation speed of the inner cylinder 320 around its central axis is not particularly limited as long as it can generate a Taylor vortex flow, but is, for example, 300 rpm or more, 500 rpm or more, 1000 rpm or more, 1500 rpm or more, or 2000 rpm or more. Furthermore, the rotation speed of the inner cylinder 320 around its central axis is, for example, 3000 rpm or less, 2800 rpm or less, or 2600 rpm or less.
晶析装置300を用いて前駆体粒子200を調製するために、例えば、反応室330に前駆体粒子に含まれる金属元素を含む金属化合物と、アンモニウムイオン供給体とを含む反応液を準備する。かかる反応液は、例えば、原料金属水溶液と、アンモニウムイオン供給体とをそれぞれ反応室330に供給することで準備される。なお、原料金属水溶液とアンモニウムイオン供給体との混合液を反応室330に供給してもよい。 To prepare precursor particles 200 using the crystallizer 300, for example, a reaction solution containing a metal compound containing the metal element contained in the precursor particles and an ammonium ion donor is prepared in the reaction chamber 330. This reaction solution is prepared, for example, by supplying a raw metal aqueous solution and an ammonium ion donor to the reaction chamber 330. Alternatively, a mixture of the raw metal aqueous solution and the ammonium ion donor may be supplied to the reaction chamber 330.
晶析工程S20では、反応場の酸素濃度を調整して行われることが好ましい。反応室330における酸素濃度は、例えば、20vol%以上であるとよく、好ましくは22vol%以上である。また、反応室330における酸素濃度は、例えば、40vol%以下であって、好ましくは35vol%以下、より好ましくは30vol%以下、さらに好ましくは25vol%以下である。反応室330における酸素の供給が多いほど、前駆体粒子の中空部の割合が高くなる傾向にある。即ち、反応室330における酸素の供給が多いほど、前駆体粒子の平均粒径に対する外殻部の厚みを小さくすることができる。 The crystallization step S20 is preferably carried out by adjusting the oxygen concentration in the reaction field. The oxygen concentration in the reaction chamber 330 is, for example, 20 vol% or higher, and preferably 22 vol% or higher. The oxygen concentration in the reaction chamber 330 is, for example, 40 vol% or lower, preferably 35 vol% or lower, more preferably 30 vol% or lower, and even more preferably 25 vol% or lower. The greater the supply of oxygen in the reaction chamber 330, the higher the proportion of hollow portions in the precursor particles tends to be. In other words, the greater the supply of oxygen in the reaction chamber 330, the smaller the thickness of the outer shell relative to the average particle size of the precursor particles can be.
反応液の25℃におけるpHは、例えば9以上であって、好ましくは10.5以上、より好ましくは10.8以上、さらに好ましくは11以上、特に好ましくは11.4以上である。また、特に限定されないが、反応液の25℃におけるpHは、例えば13.5以下であって、好ましくは13以下、より好ましくは12.5以下、さらに好ましくは12以下である。好ましいいくつかの態様では、反応液のpHは晶析反応の開始から終了までpHを一定に維持する。かかる条件であれば、晶析反応の途中でpHを変化させないため、前駆体粒子200の生産効率が向上する。なお、一定のpHとは、厳密に同じ値のpHでなくてもよく、例えば、晶析反応の開始時のpHの±0.3、好ましくは±0.2のpHの変化は許容されるものとする。 The pH of the reaction solution at 25°C is, for example, 9 or higher, preferably 10.5 or higher, more preferably 10.8 or higher, even more preferably 11 or higher, and particularly preferably 11.4 or higher. Furthermore, although not particularly limited, the pH of the reaction solution at 25°C is, for example, 13.5 or lower, preferably 13 or lower, more preferably 12.5 or lower, and even more preferably 12 or lower. In some preferred embodiments, the pH of the reaction solution is maintained constant from the start to the end of the crystallization reaction. Under these conditions, the pH does not change during the crystallization reaction, improving the production efficiency of the precursor particles 200. Note that a constant pH does not have to be exactly the same pH value; for example, a pH change of ±0.3, preferably ±0.2, from the pH at the start of the crystallization reaction is acceptable.
反応液のpHの調整には、例えば、pH調整剤を用いることができる。pH調整剤としては、例えば、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の炭酸塩、水酸化塩、硫酸塩等を適宜使用し得る。これらのpH調整剤は、1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。この中でもアルカリ金属またはアルカリ土類金属の水酸化塩の使用が好ましく、水酸化ナトリウムの使用が特に好ましい。 To adjust the pH of the reaction solution, for example, a pH adjuster can be used. Examples of pH adjusters that can be used include carbonates, hydroxides, and sulfates of alkali metals or alkaline earth metals. These pH adjusters may be used alone or in combination of two or more. Among these, hydroxides of alkali metals or alkaline earth metals are preferred, with sodium hydroxide being particularly preferred.
反応室330に収容された反応液は、中心軸を中心として内筒320を回転させることで撹拌される。内筒320を回転させることで、反応液にテイラー渦を生成することができる。テイラー渦は、反応室330内の反応液の少なくとも一部に生成される。テイラー渦は、反応液全体に生成されてもよい。テイラー渦は、例えば、第1のテイラー渦332と、これに隣接する第2のテイラー渦334とをペアとして生成させる。第1のテイラー渦332は、内筒320の円周に沿って生成され、円周方向に向かって時計回りの渦を有している。第2のテイラー渦334は、内筒320の円周に沿って生成され、円周方向に向かって第1のテイラー渦とは反対周り(反時計回り)の渦を有している。テイラー渦自体は、内筒320の円周に沿ってリング上に生成されているが、テイラー渦を形成している流体自体は隣接するテイラー渦に移動する(図3では、左側から右側に向かって移動する)。そのため、テイラー渦により撹拌された反応液は、供給口312、314,316から排出口318に向かって移動すると共に晶析が進行し、排出口318から前駆体粒子200を回収することができる。 The reaction solution contained in the reaction chamber 330 is agitated by rotating the inner tube 320 around the central axis. Rotating the inner tube 320 generates Taylor vortices in the reaction solution. The Taylor vortices are generated in at least a portion of the reaction solution in the reaction chamber 330. They may also be generated throughout the entire reaction solution. For example, a pair of a first Taylor vortex 332 and an adjacent second Taylor vortex 334 are generated. The first Taylor vortex 332 is generated along the circumference of the inner tube 320 and has a clockwise vortex in the circumferential direction. The second Taylor vortex 334 is generated along the circumference of the inner tube 320 and has a vortex that rotates in the opposite direction (counterclockwise) to the first Taylor vortex in the circumferential direction. The Taylor vortices themselves are generated in a ring shape along the circumference of the inner tube 320, but the fluid forming the Taylor vortices moves to the adjacent Taylor vortex (moving from left to right in Figure 3). Therefore, the reaction liquid stirred by the Taylor vortex moves from the supply ports 312, 314, and 316 toward the outlet 318, and crystallization progresses, allowing the precursor particles 200 to be recovered from the outlet 318.
反応室330から回収した前駆体粒子200は、例えば、濾過などの固液分離法により分離し、水等で洗浄し乾燥させることで回収することができる。 The precursor particles 200 recovered from the reaction chamber 330 can be separated, for example, by a solid-liquid separation method such as filtration, washed with water, etc., and dried to recover them.
特に限定されないが、晶析反応の反応時間は、例えば、0.1時間~5時間であって、好ましくは0.3時間~2時間、より好ましくは0.5時間~1時間である。ここで、晶析反応の反応時間とは、例えば、アンモニウムイオン供給体が反応室330に収容された状態において、第1供給口312から原料金属水溶液を反応室330に供給してから、排出口318から前駆体粒子200を初めて回収できたときまでの時間として測定することができる。 Although not particularly limited, the reaction time of the crystallization reaction is, for example, 0.1 to 5 hours, preferably 0.3 to 2 hours, and more preferably 0.5 to 1 hour. Here, the reaction time of the crystallization reaction can be measured, for example, as the time from when the raw metal aqueous solution is supplied to the reaction chamber 330 through the first supply port 312 with the ammonium ion donor contained in the reaction chamber 330 to when the precursor particles 200 are first recovered through the discharge port 318.
好ましいいくつかの態様では、反応室330に原料金属水溶液を供給する前に、アンモニウムイオン供給体を反応室330に供給する。このとき、アンモニウムイオン供給体は、上述した反応室330の酸素濃度および反応液のpHとなるように調整することが好ましい。これにより、原料金属水溶液を第1供給口312から反応室330に供給したときから晶析反応を開始させることができるため、晶析反応の開始から排出口318から前駆体粒子200が回収されるまでの時間を制御することができるため、前駆体粒子の粒度分布をより均一にすることができる。 In some preferred embodiments, an ammonium ion supplier is supplied to the reaction chamber 330 before the aqueous raw metal solution is supplied to the reaction chamber 330. At this time, the ammonium ion supplier is preferably adjusted to achieve the oxygen concentration and pH of the reaction solution in the reaction chamber 330 described above. This allows the crystallization reaction to begin when the aqueous raw metal solution is supplied to the reaction chamber 330 from the first supply port 312, making it possible to control the time from the start of the crystallization reaction to the recovery of the precursor particles 200 from the outlet 318, thereby achieving a more uniform particle size distribution of the precursor particles.
好ましいいくつかの態様では、反応室330に原料金属水溶液を供給する前に、反応室330内の内筒320を回転させ、アンモニウムイオン供給体にテイラー渦を生成しておくことが好ましい。これにより、晶析反応の開始から前駆体粒子が回収されるまでの反応室330における撹拌条件が一定になるため、前駆体粒子の品質をより均一とすることができる。 In some preferred embodiments, before supplying the raw metal aqueous solution to the reaction chamber 330, it is preferable to rotate the inner cylinder 320 inside the reaction chamber 330 to generate Taylor vortices in the ammonium ion supplier. This ensures consistent stirring conditions in the reaction chamber 330 from the start of the crystallization reaction until the precursor particles are recovered, thereby making the quality of the precursor particles more uniform.
好ましいいくつかの態様では、晶析反応の開始から終了まで内筒320の回転数を一定とする。これにより、前駆体粒子200の品質のばらつきが抑制されるとともに、煩雑な操作が不要となり、生産効率が向上する。 In some preferred embodiments, the rotation speed of the inner cylinder 320 is kept constant from the start to the end of the crystallization reaction. This reduces variation in the quality of the precursor particles 200, eliminates the need for complicated operations, and improves production efficiency.
好ましいいくつかの態様では、反応室330内の反応液に原料金属水溶液を連続的に供給する。これにより、晶析反応により得られた前駆体粒子200を排出口318から連続的に回収することができるため、前駆体粒子の生産効率が向上する。また、好ましくは、反応室330内の反応液にアンモニウムイオン供給体を連続的に供給する。これにより、反応室330内の反応液中の金属化合物とアンモニウムイオンとの濃度バランスを維持することができる。 In some preferred embodiments, the raw metal aqueous solution is continuously supplied to the reaction solution in the reaction chamber 330. This allows the precursor particles 200 obtained by the crystallization reaction to be continuously collected from the outlet 318, improving the production efficiency of the precursor particles. Also, preferably, an ammonium ion donor is continuously supplied to the reaction solution in the reaction chamber 330. This allows the concentration balance between the metal compounds and ammonium ions in the reaction solution in the reaction chamber 330 to be maintained.
混合工程S30では、得られた前駆体粒子200と、リチウム化合物とを混合する。混合方法は特に限定されず、例えば、公知の混合装置(例、シェーカミキサ、Vブレンダ、リボンミキサ、ジュリアミキサ、レーディゲミキサ等)を用いて混合し、混合物を得ることができる。リチウム化合物としては、焼成により酸化物に変換される化合物を用いることができ、例えば、炭酸リチウム、硝酸リチウム、水酸化リチウム等を適宜用いることができる。 In the mixing step S30, the obtained precursor particles 200 are mixed with a lithium compound. The mixing method is not particularly limited, and for example, a known mixing device (e.g., a shaker mixer, V blender, ribbon mixer, Julia mixer, Lödige mixer, etc.) can be used to mix and obtain a mixture. As the lithium compound, a compound that is converted to an oxide by firing can be used, and for example, lithium carbonate, lithium nitrate, lithium hydroxide, etc. can be used as appropriate.
焼成工程S40では、上記得られた混合物を焼成し、リチウム遷移金属複合酸化物である正極活物質を得る。焼成は、従来公知の焼成炉で行うことができる。特に限定されるものではないが、焼成温度は、例えば、600~1000℃程度とするとよい。なお、焼成温度は、焼成炉内の温度のことをいう。焼成時間は、概ね1時間以上、例えば1~48時間、好ましくは5~24時間とするとよい。焼成雰囲気は、得られる酸化物の結晶性を高める観点から、酸素含有雰囲気、例えば、酸素雰囲気ないし大気雰囲気とすることが好ましい。酸素含有雰囲気の酸素濃度は、10体積%以上が好ましく、18~100体積%がより好ましい。 In the calcination step S40, the resulting mixture is calcined to obtain a positive electrode active material that is a lithium transition metal composite oxide. Calcination can be carried out in a conventionally known calcination furnace. While not particularly limited, the calcination temperature is preferably about 600 to 1000°C. The calcination temperature refers to the temperature inside the calcination furnace. The calcination time is generally 1 hour or more, for example, 1 to 48 hours, and preferably 5 to 24 hours. To enhance the crystallinity of the resulting oxide, the calcination atmosphere is preferably an oxygen-containing atmosphere, such as an oxygen atmosphere or air atmosphere. The oxygen concentration of the oxygen-containing atmosphere is preferably 10% by volume or more, and more preferably 18 to 100% by volume.
焼成によって得られたリチウム遷移金属複合酸化物を用いたリチウムイオン二次電池は、出力特性およびサイクル特性に優れたものになる。以下、リチウムイオン二次電池の具体的な構成例を、図面を参照しながら説明する。 Lithium-ion secondary batteries using the lithium transition metal composite oxide obtained by firing have excellent output characteristics and cycle characteristics. Specific configuration examples of lithium-ion secondary batteries are described below with reference to the drawings.
図5は、一実施形態に係る前駆体粒子200の焼成物を用いたリチウムイオン二次電池100の構成を模式的に示す断面図である。図5のリチウムイオン二次電池100は、扁平形状の捲回電極体20と、非水電解質(図示せず)とが、扁平な角形の電池ケース(即ち外装容器)30に収容されてなる密閉型電池である。電池ケース30には、外部接続用の正極端子42および負極端子44と、電池ケース30の内圧が所定レベル以上に上昇した場合に該内圧を開放するように設定された薄肉の安全弁36とが設けられている。正負極端子42,44はそれぞれ正負極集電板42a,44aと電気的に接続されている。電池ケース30の材質には、例えば、アルミニウム等の軽量で熱伝導性の良い金属材料が用いられる。 Figure 5 is a cross-sectional view schematically illustrating the configuration of a lithium-ion secondary battery 100 using a fired product of precursor particles 200 according to one embodiment. The lithium-ion secondary battery 100 in Figure 5 is a sealed battery comprising a flat wound electrode assembly 20 and a nonaqueous electrolyte (not shown) housed in a flat, rectangular battery case (i.e., outer container) 30. The battery case 30 is provided with a positive electrode terminal 42 and a negative electrode terminal 44 for external connection, as well as a thin-walled safety valve 36 designed to release internal pressure if the internal pressure of the battery case 30 rises above a predetermined level. The positive and negative electrode terminals 42, 44 are electrically connected to positive and negative electrode current collector plates 42a, 44a, respectively. The battery case 30 is made of a lightweight metal material with good thermal conductivity, such as aluminum.
図6は、捲回電極体20の構成を示す模式分解図である。図5および図6に示すように、捲回電極体20は、正極シート50と、負極シート60とが、2枚の長尺状のセパレータ70を介して重ね合わされて長手方向に捲回された形態を有する。正極シート50は、長尺状の正極集電体52の片面または両面(ここでは両面)に長手方向に沿って正極活物質層54が形成された構成を有する。負極シート60は、長尺状の負極集電体62の片面または両面(ここでは両面)に長手方向に沿って負極活物質層64が形成されている構成を有する。正極集電体露出部52a(すなわち、正極活物質層54が形成されずに正極集電体52が露出した部分)および負極集電体露出部62a(すなわち、負極活物質層64が形成されずに負極集電体62が露出した部分)は、捲回電極体20の捲回軸方向(すなわち、上記長手方向に直交するシート幅方向)の両端から外方にはみ出すように形成されている。正極集電体露出部52aおよび負極集電体露出部62aには、それぞれ正極集電板42aおよび負極集電板44aが接合されている。 Figure 6 is a schematic exploded view showing the configuration of the wound electrode assembly 20. As shown in Figures 5 and 6, the wound electrode assembly 20 has a configuration in which a positive electrode sheet 50 and a negative electrode sheet 60 are stacked with two long separators 70 interposed between them and wound in the longitudinal direction. The positive electrode sheet 50 has a configuration in which a positive electrode active material layer 54 is formed along the longitudinal direction on one or both sides (both sides in this case) of a long positive electrode current collector 52. The negative electrode sheet 60 has a configuration in which a negative electrode active material layer 64 is formed along the longitudinal direction on one or both sides (both sides in this case) of a long negative electrode current collector 62. The positive electrode current collector exposed portion 52a (i.e., the portion where the positive electrode current collector 52 is exposed because the positive electrode active material layer 54 is not formed) and the negative electrode current collector exposed portion 62a (i.e., the portion where the negative electrode current collector 62 is exposed because the negative electrode active material layer 64 is not formed) are formed to protrude outward from both ends of the wound electrode body 20 in the winding axis direction (i.e., the sheet width direction perpendicular to the longitudinal direction). The positive electrode current collector exposed portion 52a and the negative electrode current collector exposed portion 62a are joined to the positive electrode current collector plate 42a and the negative electrode current collector plate 44a, respectively.
正極シート50を構成する正極集電体52としては、例えばアルミニウム箔等が挙げられる。正極活物質層54は、正極活物質として、上述の本実施形態に係る前駆体粒子の焼成物であるリチウム遷移金属複合酸化物を少なくとも含む。また正極活物質層54は、導電材、バインダ等をさらに含み得る。導電材としては、例えばアセチレンブラック(AB)等のカーボンブラックやその他(グラファイト等)の炭素材料を好適に使用し得る。バインダとしては、例えばポリフッ化ビニリデン(PVDF)等を使用し得る。 The positive electrode current collector 52 constituting the positive electrode sheet 50 can be, for example, aluminum foil. The positive electrode active material layer 54 contains, as the positive electrode active material, at least a lithium transition metal composite oxide, which is a fired product of the precursor particles according to the present embodiment described above. The positive electrode active material layer 54 can further contain a conductive material, a binder, etc. Suitable conductive materials include, for example, carbon black such as acetylene black (AB) and other carbon materials (such as graphite). Suitable binders include, for example, polyvinylidene fluoride (PVDF).
負極シート60を構成する負極集電体62としては、例えば銅箔等が挙げられる。負極活物質層64は、負極活物質を含む。負極活物質としては、例えば黒鉛、ハードカーボン、ソフトカーボン等の炭素材料を使用し得る。負極活物質層64は、バインダ、増粘剤等をさらに含み得る。バインダとしては、例えばスチレンブタジエンラバー(SBR)等を使用し得る。増粘剤としては、例えばカルボキシメチルセルロース(CMC)等を使用し得る。 The negative electrode current collector 62 constituting the negative electrode sheet 60 may be, for example, copper foil. The negative electrode active material layer 64 contains a negative electrode active material. Examples of the negative electrode active material that can be used include carbon materials such as graphite, hard carbon, and soft carbon. The negative electrode active material layer 64 may further contain a binder, a thickener, and the like. Examples of the binder that can be used include styrene butadiene rubber (SBR). Examples of the thickener that can be used include carboxymethyl cellulose (CMC).
セパレータ70としては、従来からリチウムイオン二次電池に用いられるものと同様の各種多孔質シートを用いることができ、その例としては、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)等の樹脂から成る多孔質樹脂シートが挙げられる。かかる多孔質樹脂シートは、単層構造であってもよく、二層以上の複層構造(例えば、PE層の両面にPP層が積層された三層構造)であってもよい。セパレータ70は、耐熱層(HRL)を備えていてもよい。 Separator 70 can be made of various porous sheets similar to those conventionally used in lithium-ion secondary batteries, including porous resin sheets made of resins such as polyethylene (PE) and polypropylene (PP). Such porous resin sheets may have a single-layer structure or a multi-layer structure of two or more layers (for example, a three-layer structure in which PP layers are laminated on both sides of a PE layer). Separator 70 may also have a heat-resistant layer (HRL).
非水電解質としては、従来のリチウムイオン二次電池と同様のものを使用可能であり、典型的には有機溶媒(非水溶媒)中に、支持塩を含有させたものを用いることができる。非水溶媒としては、カーボネート類、エステル類、エーテル類等の非プロトン性溶媒を用いることができる。なかでも、正極材料による低温抵抗の低減効果が特に高くなることから、カーボネート類が好ましい。カーボネート類の例としては、エチレンカーボネート(EC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、モノフルオロエチレンカーボネート(MFEC)、ジフルオロエチレンカーボネート(DFEC)、モノフルオロメチルジフルオロメチルカーボネート(F-DMC)、トリフルオロジメチルカーボネート(TFDMC)等が挙げられる。このような非水溶媒は、1種を単独で、あるいは2種以上を適宜組み合わせて用いることができる。支持塩としては、例えば、LiPF6、LiBF4、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(LiFSI)等のリチウム塩を好適に用いることができる。支持塩の濃度は、0.7mol/L以上1.3mol/L以下が好ましい。 The nonaqueous electrolyte can be the same as that used in conventional lithium-ion secondary batteries, and typically, a nonaqueous solvent containing a supporting salt can be used. Nonaqueous solvents that can be used include aprotic solvents such as carbonates, esters, and ethers. Among these, carbonates are preferred because they are particularly effective in reducing low-temperature resistance due to the positive electrode material. Examples of carbonates include ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), monofluoroethylene carbonate (MFEC), difluoroethylene carbonate (DFEC), monofluoromethyl difluoromethyl carbonate (F-DMC), and trifluorodimethyl carbonate (TFDMC). These nonaqueous solvents can be used alone or in appropriate combinations of two or more. As the supporting salt, for example, lithium salts such as LiPF 6 , LiBF 4 , lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI) can be suitably used. The concentration of the supporting salt is preferably 0.7 mol/L or more and 1.3 mol/L or less.
なお、非水電解質は、本発明の効果を著しく損なわない限りにおいて、上述した非水溶媒および支持塩以外の成分、例えば、ガス発生剤、被膜形成剤、分散剤、増粘剤等の各種添加剤を含み得る。 The non-aqueous electrolyte may contain components other than the non-aqueous solvent and supporting salt described above, such as various additives such as gas generating agents, film-forming agents, dispersants, and thickeners, as long as the effects of the present invention are not significantly impaired.
このようなリチウムイオン二次電池100は、上記製造方法によって製造された正極活物質(リチウム遷移金属複合酸化物)を用いて正極シート50を作製する正極作製工程を含む製造方法によって製造することができる。 Such a lithium-ion secondary battery 100 can be manufactured by a manufacturing method that includes a positive electrode manufacturing process in which a positive electrode sheet 50 is made using the positive electrode active material (lithium transition metal composite oxide) manufactured by the above manufacturing method.
以上、一好適例として、扁平形状の捲回電極体を備える角型のリチウムイオン二次電池について説明した。しかしながら、本実施形態に係る前駆体粒子の焼成物であるリチウム遷移金属複合酸化物は、公知方法に従い、他の種類のリチウムイオン二次電池にも使用可能である。例えば、本実施形態に係る前駆体粒子の焼成物であるリチウム遷移金属複合酸化物を用いて、積層型電極体(すなわち、複数の正極と、複数の負極とが交互に積層された電極体)を備えるリチウムイオン二次電池を構築することもできる。また、本実施形態に係る前駆体粒子の焼成物であるリチウム遷移金属複合酸化物を用いて、円筒型リチウムイオン二次電池、コイン型リチウムイオン二次電池、ラミネート型リチウムイオン二次電池等を構築することもできる。さらに、電解質を固体電解質とした全固体二次電池を構築することもできる。 The foregoing describes a preferred example of a prismatic lithium-ion secondary battery equipped with a flat wound electrode assembly. However, the lithium transition metal composite oxide, which is a product of calcining the precursor particles according to this embodiment, can also be used in other types of lithium-ion secondary batteries using known methods. For example, a lithium-ion secondary battery equipped with a stacked electrode assembly (i.e., an electrode assembly in which multiple positive electrodes and multiple negative electrodes are alternately stacked) can be constructed using the lithium transition metal composite oxide, which is a product of calcining the precursor particles according to this embodiment. Furthermore, a cylindrical lithium-ion secondary battery, a coin-type lithium-ion secondary battery, a laminated lithium-ion secondary battery, etc. can also be constructed using the lithium transition metal composite oxide, which is a product of calcining the precursor particles according to this embodiment. Furthermore, an all-solid-state secondary battery using a solid electrolyte can also be constructed.
リチウムイオン二次電池100は、各種用途に利用可能である。好適な用途としては、電気自動車(BEV;Battery Electric Vehicle)、ハイブリッド自動車(HEV;Hybrid Electric Vehicle)、プラグインハイブリッド自動車(PHEV;Plug-in Hybrid Electric Vehicle)等の車両に搭載される駆動用電源が挙げられる。また、リチウムイオン二次電池100は、小型電力貯蔵装置等の蓄電池として使用することができる。リチウムイオン二次電池100は、複数個を直列および/または並列に接続してなる組電池の形態でも使用され得る。 The lithium-ion secondary battery 100 can be used for a variety of purposes. Suitable applications include a driving power source mounted on vehicles such as battery electric vehicles (BEVs), hybrid electric vehicles (HEVs), and plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs). The lithium-ion secondary battery 100 can also be used as a storage battery for small power storage devices. The lithium-ion secondary battery 100 can also be used in the form of a battery pack in which multiple batteries are connected in series and/or parallel.
以上のとおり、ここに開示される技術の具体的な態様として、以下の各項に記載のものが挙げられる。
項1:
リチウムイオン二次電池に用いられる正極活物質の前駆体であって、
Niを有する遷移金属複合水酸化物粒子を含み、
上記遷移金属複合水酸化物粒子は、SEM観察に基づく平均アスペクト比(長軸の長さ/短軸の長さ)が2以上の一次粒子が凝集した外殻部と、上記外殻部に囲まれた中空部とを備え、
上記一次粒子の50%以上が上記遷移金属複合水酸化物粒子の中心から表面に向かって放射状に配向しており、
上記遷移金属複合水酸化物粒子全体に含まれる一次粒子の90%以上が上記外殻部に存在する、前駆体。
項2:上記遷移金属複合水酸化物粒子の平均粒径に対する上記外殻部の平均厚さが6分の1以下である、項1に記載の前駆体。
項3:上記遷移金属複合水酸化物粒子が、一般式:
Ni(1-x-y-z)CoxMnyAz(OH)2+a
(ただし、0≦x<0.5、0≦y<0.5、0≦z≦0.1、0≦a≦0.5、x+y+z<1AはMg、Ca、V、Cr、Al、Ti、Zr、Nb、Mo、Wからなる群から選択される少なくとも1種の元素)
で表される化合物である、項1または2に記載の前駆体。
項4:上記一次粒子の長軸の平均長さが、0.05μm以上1.2μm以下である、項1~3のいずれか一項に記載の前駆体。
項5:
リチウムイオン二次電池に用いられる正極活物質の前駆体の製造方法であって:
Niを含む金属化合物と、アンモニウムイオン供給体とを準備すること;
外筒と、該外筒の内側に配置されている内筒と、該外筒と該内筒との間に位置する反応室とを含む装置を準備し、上記内筒の軸方向を中心に上記内筒を回転させることで、上記反応室に収容された上記金属化合物と上記アンモニウムイオン供給体とを含む反応液にテイラー渦を生成させて、遷移金属複合水酸化物を晶析させること;
を含み、
上記反応液の25℃におけるpHが9以上であり、
上記反応室における酸素濃度が20vol%以上50vol%以下であり、
上記内筒の回転数が300rpm以上3000rpm以下である、
製造方法。
項6:上記反応液の25℃におけるpHが10.5以上13以下である、請求項5に記載の製造方法。
項7:
リチウムイオン二次電池に用いられる正極活物質の製造方法であって:
項5または6に記載の製造方法で得られた上記前駆体とリチウム化合物とを混合すること;および
上記混合した混合物を焼成すること;
を包含する、製造方法。
項8:項7に記載の製造方法によって得られた正極活物質を含む正極を作製することを含む、リチウムイオン二次電池の製造方法。
As described above, specific aspects of the technology disclosed herein include those described in the following sections.
Item 1:
A precursor of a positive electrode active material used in a lithium ion secondary battery,
The composite hydroxide particles contain Ni.
The transition metal composite hydroxide particles have an outer shell portion formed by aggregation of primary particles having an average aspect ratio (length of major axis/length of minor axis) of 2 or more based on SEM observation, and a hollow portion surrounded by the outer shell portion,
50% or more of the primary particles are oriented radially from the center toward the surface of the transition metal composite hydroxide particles,
A precursor in which 90% or more of the primary particles contained in the entire transition metal composite hydroxide particle are present in the outer shell portion.
Item 2: The precursor according to Item 1, wherein the average thickness of the outer shell portion is one-sixth or less of the average particle size of the transition metal composite hydroxide particles.
Item 3: The transition metal composite hydroxide particles are represented by the general formula:
Ni (1-x-y-z) Co x Mn y A z (OH) 2+a
(wherein 0≦x<0.5, 0≦y<0.5, 0≦z≦0.1, 0≦a≦0.5, and x+y+z<1; A is at least one element selected from the group consisting of Mg, Ca, V, Cr, Al, Ti, Zr, Nb, Mo, and W).
Item 3. The precursor according to item 1 or 2, which is a compound represented by the formula:
Item 4: The precursor according to any one of Items 1 to 3, wherein the average length of the major axis of the primary particles is 0.05 μm or more and 1.2 μm or less.
Item 5:
A method for producing a precursor of a positive electrode active material used in a lithium ion secondary battery, comprising:
Preparing a metal compound containing Ni and an ammonium ion donor;
preparing an apparatus including an outer cylinder, an inner cylinder disposed inside the outer cylinder, and a reaction chamber disposed between the outer cylinder and the inner cylinder, and rotating the inner cylinder around the axial direction of the inner cylinder to generate Taylor vortices in a reaction solution that contains the metal compound and the ammonium ion donor and is contained in the reaction chamber, thereby crystallizing a transition metal composite hydroxide;
Including,
The pH of the reaction solution at 25°C is 9 or higher,
The oxygen concentration in the reaction chamber is 20 vol% or more and 50 vol% or less,
The rotation speed of the inner cylinder is 300 rpm or more and 3000 rpm or less.
Manufacturing method.
Item 6: The method according to item 5, wherein the pH of the reaction solution at 25°C is 10.5 or more and 13 or less.
Item 7:
A method for producing a positive electrode active material for use in a lithium ion secondary battery, comprising:
Item 7. Mixing the precursor obtained by the production method according to Item 5 or 6 with a lithium compound; and calcining the mixed mixture;
The manufacturing method includes the steps of:
Item 8: A method for producing a lithium ion secondary battery, comprising producing a positive electrode containing the positive electrode active material obtained by the production method according to Item 7.
以下、本技術に関する試験例を説明する。ただし、本技術は、以下の試験例に示すものに限定されるものではない。 Test examples related to this technology are described below. However, this technology is not limited to the test examples shown below.
(実施例1)
[前駆体晶析]
反応室にテイラー渦を発生させることができる晶析装置を使用した。晶析装置の大まかな構成は、上述した晶析装置300と同様である。
0.1Lの反応室内の酸素濃度を25vol%に調整し、1wt%アンモニア水を加え、上記装置の内円筒を2000rpmで回転させ、反応室内のアンモニア水にテイラー渦を発生させた。次に、30wt%の水酸化ナトリウム水溶液を反応室に供給し、反応室内の混合液が液温25℃基準でpH12となるように調整した。
硫酸ニッケル、硫酸コバルト、硫酸マンガンを水に溶解し、1mol/Lの原料金属水溶液を調製した。このとき、硫酸ニッケル:硫酸コバルト:硫酸マンガンのモル比が、60:20:20とした。
上記反応室内のテイラー渦が生じている混合液に、上記原料金属水溶液、30wt%水酸化ナトリウム水溶液、および1wt%アンモニア水溶液を体積基準で1:1:1の比率になるように供給し、pH12の条件で30分間の晶析を行った。その後、晶析した生成物を、水洗、濾過および乾燥させることにより、粉末状の複合水酸化物(前駆体)を得た。
ICP発光分光装置により、上記得られた複合水酸化物がNi0.6Co0.2Mn0.2(OH)2であることを確認した。
Example 1
[Precursor crystallization]
A crystallizer capable of generating Taylor vortices in the reaction chamber was used. The general configuration of the crystallizer was similar to that of the crystallizer 300 described above.
The oxygen concentration in a 0.1 L reaction chamber was adjusted to 25 vol%, 1 wt% aqueous ammonia was added, and the inner cylinder of the apparatus was rotated at 2000 rpm to generate a Taylor vortex in the aqueous ammonia in the reaction chamber. Next, a 30 wt% aqueous sodium hydroxide solution was supplied to the reaction chamber, and the pH of the mixture in the reaction chamber was adjusted to 12 at a liquid temperature of 25°C.
Nickel sulfate, cobalt sulfate, and manganese sulfate were dissolved in water to prepare a 1 mol/L aqueous solution of raw metals, with a molar ratio of nickel sulfate:cobalt sulfate:manganese sulfate of 60:20:20.
The raw metal aqueous solution, 30 wt % sodium hydroxide aqueous solution, and 1 wt % ammonia aqueous solution were supplied to the mixed solution in which Taylor vortices were generated in the reaction chamber in a volume ratio of 1:1:1, and crystallization was carried out for 30 minutes under a condition of pH 12. Thereafter, the crystallized product was washed with water, filtered, and dried to obtain a powdery composite hydroxide (precursor).
The composite hydroxide obtained above was confirmed to be Ni 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 (OH) 2 by ICP emission spectroscopy.
[活物質焼成]
リチウム(Li)と、リチウム以外の金属元素(M)とのモル比(Li:M)が1.1:1となるように、リチウム化合物を上記複合水酸化物に混合した。この混合物を700℃の焼成炉で酸化性雰囲気下で5時間保持して焼成した。これにより、正極活物質を得た。
[Active material firing]
A lithium compound was mixed with the composite hydroxide so that the molar ratio (Li:M) of lithium (Li) to a metal element other than lithium (M) was 1.1:1. This mixture was calcined in an oxidizing atmosphere in a calcination furnace at 700°C for 5 hours. This produced a positive electrode active material.
[正極板の作製]
上記得られた正極活物質:導電材:バインダ=100:1:1(重量基準)となるようにN-メチルー2-ピロリドン(NMP)に混合し、正極合剤ペーストを調製した。導電材はアセチレンブラックを使用した。バインダはPVDFを使用した。調製した正極合剤ペーストを15μmのアルミニウム箔上に塗布して乾燥させた後、所定の厚みまでプレスし、所定のサイズに加工することで正極板を作製した。
[Preparation of positive electrode plate]
The obtained positive electrode active material, conductive material, and binder were mixed with N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) in a ratio of 100:1:1 (by weight) to prepare a positive electrode mixture paste. Acetylene black was used as the conductive material. PVDF was used as the binder. The prepared positive electrode mixture paste was applied to a 15 μm aluminum foil and dried, and then pressed to a predetermined thickness and processed to a predetermined size to produce a positive electrode plate.
[負極板の作製]
黒鉛:SBR:CMC=100:1:1(重量基準)となるように水に混合し、負極合剤ペーストを調製した。調製した負極合剤ペーストを銅箔上に塗布して乾燥させた後、所定の厚みまでプレスし、所定のサイズに切り出すことで負極板を作製した。
[Preparation of negative electrode plate]
The graphite, SBR, and CMC were mixed with water in a ratio of 100:1:1 (by weight) to prepare a negative electrode mixture paste. The prepared negative electrode mixture paste was applied to a copper foil, dried, pressed to a predetermined thickness, and cut to a predetermined size to prepare a negative electrode plate.
[非水電解質二次電池の作製]
作製した正極板および負極板をセパレータを介して相互に積層し、積層型電極体を作製した。正極板と負極板とにそれぞれリードを取り付けた。作製した積層型電極体をアルミニウムラミネートシートで構成される外装体に収容した後、非水電解液を注入し、外装体の開口部を封止して試験セルを作製した。なお、非水電解液は、EC:FEC:EMC:DMC=15:5:40:40(体積基準)からなる溶媒と、Li塩として1MのLiPF6とを含むものを使用した。
[Fabrication of Non-Aqueous Electrolyte Secondary Battery]
The prepared positive and negative electrodes were stacked on top of each other with a separator interposed therebetween to prepare a laminated electrode assembly. Leads were attached to each of the positive and negative electrodes. The prepared laminated electrode assembly was then housed in an exterior housing made of an aluminum laminate sheet, after which a nonaqueous electrolyte was poured in and the opening of the exterior housing was sealed to prepare a test cell. The nonaqueous electrolyte used contained a solvent consisting of EC:FEC:EMC:DMC = 15:5:40:40 (by volume) and 1M LiPF6 as a Li salt.
<前駆体のSEM観察>
上記得られた複合水酸化物の粒子(前駆体粒子)をイオンビームで断面加工した後、粒子の断面をSEMで観察した。SEM観察により前駆体粒子の構造を評価した。図7に実施例1で得られた前駆体粒子の断面SEM画像を示す。
<SEM Observation of Precursor>
The cross-sections of the composite hydroxide particles (precursor particles) obtained above were processed with an ion beam, and then the cross-sections of the particles were observed with an SEM. The structure of the precursor particles was evaluated by SEM observation. Figure 7 shows a cross-sectional SEM image of the precursor particles obtained in Example 1.
また、複合水酸化物の粒子の断面のSEM観察により、外殻部に含まれる一次粒子の配向性について確認した。具体的には、一次粒子の中心と複合水酸化物粒子の中心とを結ぶ基準線に対して、当該一次粒子の長軸方向がなす角度が30°以下であるものを放射状に配向していると評価した。外殻部に含まれる一次粒子をランダムに100個以上観察し、放射状に配向している一次粒子の割合を求めた。結果を表1に示す、 The orientation of the primary particles contained in the outer shell was also confirmed by SEM observation of the cross section of the composite hydroxide particle. Specifically, particles were evaluated as being radially oriented if the angle between the long axis of the primary particle and the reference line connecting the center of the primary particle and the center of the composite hydroxide particle was 30° or less. More than 100 primary particles contained in the outer shell were randomly observed, and the percentage of radially oriented primary particles was determined. The results are shown in Table 1.
また、複合水酸化物の粒子の断面のSEM観察により、外殻部の厚さを測定した。ランダムに100個以上の粒子の外殻部の厚さを測定し、その算術平均を求めた。外殻部の厚さの算術平均を、下記に示す複合水酸化物粒子の平均粒径で割った値を「平均粒径に対する外殻部の厚さ」として表1に示す。 The thickness of the outer shell was also measured by SEM observation of the cross section of the composite hydroxide particles. The thickness of the outer shell of 100 or more randomly selected particles was measured, and the arithmetic average was calculated. The arithmetic average of the outer shell thicknesses was divided by the average particle size of the composite hydroxide particles shown below, and the value obtained is shown in Table 1 as the "shell thickness relative to the average particle size."
<前駆体の平均粒径解析>
複合水酸化物粒子の平均粒径は、レーザ回折散乱式の粒度分析計により測定される体積基準の粒度分布において、累積50%に相当する粒径(D50)とした。
<Analysis of the average particle size of precursor>
The average particle size of the composite hydroxide particles was defined as the particle size (D50) corresponding to 50% cumulative particle size in the volume-based particle size distribution measured by a laser diffraction scattering particle size analyzer.
<IV抵抗測定>
25℃環境下にて、試験セルをSOC(state of charge)が50%となるように充電し、1時間静置した。その後、5Cの電流で10秒間放電を行った。放電直前のOCV電圧をV0、10秒放電時点の電圧をV1としたとき、
式:IV抵抗=(V0-V1)/5C電流値
により、IV抵抗値を求めた。表1には、後述の比較例1を基準とした比率で結果を示す。
<IV resistance measurement>
The test cell was charged to a state of charge (SOC) of 50% in a 25°C environment and left to stand for 1 hour. Then, it was discharged for 10 seconds at a current of 5 C. The OCV voltage immediately before discharge was V0, and the voltage at the time of 10 seconds of discharge was V1.
The IV resistance value was calculated using the formula: IV resistance = (V0 - V1)/current value of 5 C. Table 1 shows the results as a ratio based on Comparative Example 1 described below.
<サイクル容量維持率の測定>
25℃環境下にて、CCCV充電0.4C_4.2V_0.1Cカットを行った後、CC放電0.4C_2.5Vカットを行うことを1サイクルとし、250サイクル繰り返した。
式:250サイクル目の容量/1サイクル目の容量×100(%)
により、容量維持率を算出した。結果を表1に示す。
<Measurement of cycle capacity retention rate>
In an environment of 25° C., one cycle consisted of CCCV charging at 0.4 C, 4.2 V, and 0.1 C cut, followed by CC discharging at 0.4 C, 2.5 V cut, and this cycle was repeated 250 times.
Formula: Volume at 250th cycle/Volume at 1st cycle×100(%)
The capacity retention rate was calculated by the following equation. The results are shown in Table 1.
(実施例2)
実施例1の前駆体晶析の条件から、反応室内の酸素濃度を30vol%に変更した。また、晶析装置の内円筒の回転数を700rpmに変更した。また、反応室内の混合液が液温25℃基準でpH10.8となるように30wt%の水酸化ナトリウム水溶液を反応室に供給した。これら以外は実施例1と同様にして、粉末状の複合水酸化物を得た。
その後の試験セルの準備までの手順、及び、前駆体ならびに試験セルの評価についても実施例1と同様とした(以下の例において同じ)。
Example 2
The oxygen concentration in the reaction chamber was changed to 30 vol% from the precursor crystallization conditions of Example 1. The rotation speed of the inner cylinder of the crystallizer was also changed to 700 rpm. A 30 wt% aqueous sodium hydroxide solution was supplied to the reaction chamber so that the mixed liquid in the reaction chamber had a pH of 10.8 at a liquid temperature of 25°C. A powdery composite hydroxide was obtained in the same manner as in Example 1, except for these points.
The subsequent procedures up to the preparation of the test cell, and the evaluation of the precursor and the test cell were the same as in Example 1 (the same applies to the following examples).
(実施例3)
実施例1の前駆体晶析の条件から、反応室内の酸素濃度を22vol%に変更した。また、晶析装置の内円筒の回転数を2600rpmに変更した。また、反応室内の混合液が液温25℃基準でpH11.4となるように30wt%の水酸化ナトリウム水溶液を反応室に供給した。また、1mol/Lの原料金属水溶液は、硫酸ニッケル:硫酸コバルト:硫酸マンガン:硫酸ジルコニウムが、モル比で59.9:19.9:19.9:0.3となるように調製した。これら以外は実施例1と同様にして、粉末状の複合水酸化物を得た。ICP発光分光装置により、得られた複合水酸化物がNi0.599Co0.199Mn0.199Zr0.003(OH)2であることを確認した。
Example 3
The oxygen concentration in the reaction chamber was changed from the precursor crystallization conditions of Example 1 to 22 vol%. The rotation speed of the inner cylinder of the crystallizer was also changed to 2600 rpm. A 30 wt% aqueous sodium hydroxide solution was supplied to the reaction chamber so that the mixed solution in the reaction chamber had a pH of 11.4 at a liquid temperature of 25°C. A 1 mol/L aqueous solution of raw metals was prepared so that the molar ratio of nickel sulfate, cobalt sulfate, manganese sulfate, and zirconium sulfate was 59.9:19.9:19.9:0.3. A powdered composite hydroxide was obtained in the same manner as in Example 1, except for these points. The obtained composite hydroxide was confirmed to be Ni0.599Co0.199Mn0.199Zr0.003 (OH) 2 using an ICP emission spectrometer .
(実施例4)
実施例1の前駆体晶析の条件から、反応室内の酸素濃度を22vol%に変更した。また、反応室内の混合液が液温25℃基準でpH13.5となるように30wt%の水酸化ナトリウム水溶液を反応室に供給した。これら以外は実施例1と同様にして、粉末状の複合水酸化物を得た。
Example 4
The oxygen concentration in the reaction chamber was changed to 22 vol% from the conditions for precursor crystallization in Example 1. In addition, a 30 wt% aqueous sodium hydroxide solution was supplied to the reaction chamber so that the mixed liquid in the reaction chamber had a pH of 13.5 at a liquid temperature of 25° C. A powdery composite hydroxide was obtained in the same manner as in Example 1, except for these points.
(実施例5)
実施例1の前駆体晶析の条件から、反応室内の混合液が液温25℃基準でpH9となるように30wt%の水酸化ナトリウム水溶液を反応室に供給した。これ以外は実施例1と同様にして、粉末状の複合水酸化物を得た。
Example 5
Based on the conditions for precursor crystallization in Example 1, a 30 wt % aqueous solution of sodium hydroxide was supplied to the reaction chamber so that the mixed liquid in the reaction chamber had a pH of 9 at a liquid temperature of 25° C. A powdery composite hydroxide was obtained in the same manner as in Example 1 except for this.
(比較例1)
実施例1の前駆体晶析の条件から、反応室内の酸素濃度を10vol%に変更した。また、晶析装置の内円筒の回転数を1000rpmに変更した。また、反応室内の混合液が液温25℃基準でpH11.8となるように30wt%の水酸化ナトリウム水溶液を反応室に供給した。これら以外は実施例1と同様にして、粉末状の複合水酸化物を得た。
(Comparative Example 1)
The oxygen concentration in the reaction chamber was changed to 10 vol% from the precursor crystallization conditions of Example 1. The rotation speed of the inner cylinder of the crystallizer was also changed to 1000 rpm. A 30 wt% aqueous sodium hydroxide solution was supplied to the reaction chamber so that the mixed solution in the reaction chamber had a pH of 11.8 at a liquid temperature of 25°C. A powdery composite hydroxide was obtained in the same manner as in Example 1, except for these points.
(比較例2)
実施例1の前駆体晶析の条件から、晶析装置の内円筒の回転数を3500rpmに変更した。これら以外は実施例1と同様にして、粉末状の複合水酸化物得た。また、反応室内の混合液が液温25℃基準でpH12.6となるように30wt%の水酸化ナトリウム水溶液を反応室に供給した。これら以外は実施例1と同様にして、粉末状の複合水酸化物を得た。
(Comparative Example 2)
The rotation speed of the inner cylinder of the crystallizer was changed to 3500 rpm from the conditions for precursor crystallization in Example 1. Except for this, a powdery composite hydroxide was obtained in the same manner as in Example 1. In addition, a 30 wt % aqueous sodium hydroxide solution was supplied to the reaction chamber so that the mixed liquid in the reaction chamber had a pH of 12.6 at a liquid temperature of 25°C. Except for this, a powdery composite hydroxide was obtained in the same manner as in Example 1.
(比較例3)
実施例1の前駆体晶析の条件から、反応室内の酸素濃度を22vol%に変更した。また、晶析装置の内円筒の回転数を200rpmに変更した。また、反応室内の混合液が液温25℃基準でpH10.8となるように30wt%の水酸化ナトリウム水溶液を反応室に供給した。これら以外は実施例1と同様にして、粉末状の複合水酸化物を得た。
(Comparative Example 3)
The oxygen concentration in the reaction chamber was changed to 22 vol% from the precursor crystallization conditions in Example 1. The rotation speed of the inner cylinder of the crystallizer was also changed to 200 rpm. A 30 wt% aqueous sodium hydroxide solution was supplied to the reaction chamber so that the mixed liquid in the reaction chamber had a pH of 10.8 at a liquid temperature of 25°C. A powdery composite hydroxide was obtained in the same manner as in Example 1, except for these points.
表1および図7に示すように、酸化性雰囲気下(例えば、酸素濃度が20vol%以上)において、テイラー渦流による撹拌を伴う晶析反応を行うことで、中空構造を有する前駆体粒子が製造できることがわかる。また、かかる方法で製造される前駆体粒子は、前駆体粒子の外殻部を構成する一次粒子は放射状に配向する傾向にあることがわかる。そして、このような構造を有する前駆体粒子を用いて製造された正極活物質を備えるリチウムイオン二次電池では、抵抗が抑制されており、出力特性が向上していることがわかる。 As shown in Table 1 and Figure 7, precursor particles with a hollow structure can be produced by performing a crystallization reaction accompanied by stirring using Taylor vortex currents in an oxidizing atmosphere (e.g., an oxygen concentration of 20 vol% or higher). Furthermore, it can be seen that the primary particles that make up the outer shell of precursor particles produced by this method tend to be radially oriented. Furthermore, it can be seen that lithium-ion secondary batteries equipped with a positive electrode active material produced using precursor particles with such a structure have reduced resistance and improved output characteristics.
以上、本技術の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。 Specific examples of the present technology have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and variations of the specific examples given above.
20 捲回電極体
30 電池ケース
36 安全弁
42 正極端子
42a 正極集電板
44 負極端子
44a 負極集電板
50 正極シート
52 正極集電体
52a 正極集電体露出部
54 正極活物質層
60 負極シート
62 負極集電体
62a 負極集電体露出部
64 負極活物質層
70 セパレータ
100 リチウムイオン二次電池
200 前駆体粒子(遷移金属複合水酸化物粒子)
210 外殻部
212 一次粒子
220 中空部
300 晶析装置
310 外筒
320 内筒
330 反応室
20 Wound electrode body 30 Battery case 36 Safety valve 42 Positive electrode terminal 42a Positive electrode current collector 44 Negative electrode terminal 44a Negative electrode current collector 50 Positive electrode sheet 52 Positive electrode current collector 52a Positive electrode current collector exposed portion 54 Positive electrode active material layer 60 Negative electrode sheet 62 Negative electrode current collector 62a Negative electrode current collector exposed portion 64 Negative electrode active material layer 70 Separator 100 Lithium ion secondary battery 200 Precursor particles (transition metal composite hydroxide particles)
210 Outer shell 212 Primary particles 220 Hollow portion 300 Crystallizer 310 Outer cylinder 320 Inner cylinder 330 Reaction chamber
Claims (8)
Niを有する遷移金属複合水酸化物粒子を含み、
前記遷移金属複合水酸化物粒子は、SEM観察に基づく平均アスペクト比(長軸の長さ/短軸の長さ)が2以上の一次粒子が凝集した外殻部と、前記外殻部に囲まれた中空部とを備え、
前記一次粒子の50%以上が前記遷移金属複合水酸化物粒子の中心から表面に向かって放射状に配向しており、
前記遷移金属複合水酸化物粒子全体に含まれる一次粒子の90%以上が前記外殻部に存在する、
前駆体。 A precursor of a positive electrode active material used in a lithium ion secondary battery,
The composite hydroxide particles contain Ni.
the transition metal composite hydroxide particles have an outer shell portion formed by aggregation of primary particles having an average aspect ratio (length of major axis/length of minor axis) of 2 or more based on SEM observation, and a hollow portion surrounded by the outer shell portion;
50% or more of the primary particles are oriented radially from the center toward the surface of the transition metal composite hydroxide particle,
90% or more of the primary particles contained in the entire transition metal composite hydroxide particles are present in the outer shell portion.
Precursor.
Ni(1-x-y-z)CoxMnyAz(OH)2+a
(ただし、0≦x<0.5、0≦y<0.5、0≦z≦0.1、0≦a≦0.5、x+y+z<1AはMg、Ca、V、Cr、Al、Ti、Zr、Nb、Mo、Wからなる群から選択される少なくとも1種の元素)
で表される化合物である、請求項1に記載の前駆体。 The transition metal composite hydroxide particles have the general formula:
Ni (1-x-y-z) Co x Mn y A z (OH) 2+a
(wherein 0≦x<0.5, 0≦y<0.5, 0≦z≦0.1, 0≦a≦0.5, and x+y+z<1; A is at least one element selected from the group consisting of Mg, Ca, V, Cr, Al, Ti, Zr, Nb, Mo, and W).
The precursor according to claim 1, which is a compound represented by the formula:
Niを含む金属化合物と、アンモニウムイオン供給体とを準備すること;
外筒と、該外筒の内側に配置されている内筒と、該外筒と該内筒との間に位置する反応室とを含む装置を準備し、前記内筒の軸方向を中心に前記内筒を回転させることで、前記反応室に収容された前記金属化合物と前記アンモニウムイオン供給体とを含む反応液にテイラー渦を生成させて、遷移金属複合水酸化物を晶析させること;
を含み、
前記反応液の25℃におけるpHが9以上であり、
前記反応室における酸素濃度が20vol%以上50vol%以下であり、
前記内筒の回転数が300rpm以上3000rpm以下である、
製造方法。 A method for producing a precursor of a positive electrode active material used in a lithium ion secondary battery, comprising:
Preparing a metal compound containing Ni and an ammonium ion donor;
an apparatus including an outer cylinder, an inner cylinder disposed inside the outer cylinder, and a reaction chamber disposed between the outer cylinder and the inner cylinder is prepared, and the inner cylinder is rotated around the axial direction of the inner cylinder to generate Taylor vortices in a reaction solution containing the metal compound and the ammonium ion donor contained in the reaction chamber, thereby crystallizing a transition metal composite hydroxide;
Including,
the pH of the reaction solution at 25°C is 9 or higher,
the oxygen concentration in the reaction chamber is 20 vol% or more and 50 vol% or less,
The rotation speed of the inner cylinder is 300 rpm or more and 3000 rpm or less.
Manufacturing method.
請求項5または6に記載の製造方法で得られた前記前駆体とリチウム化合物とを混合すること;および
前記混合した混合物を焼成すること;
を包含する、製造方法。 A method for producing a positive electrode active material for use in a lithium ion secondary battery, comprising:
mixing the precursor obtained by the method according to claim 5 or 6 with a lithium compound; and calcining the mixed mixture;
The manufacturing method includes the steps of:
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