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JP7747974B2 - Positive electrode active material, its manufacturing method, and non-aqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
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Positive electrode active material, its manufacturing method, and non-aqueous electrolyte secondary battery

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Description

本発明は、正極活物質、その製造方法及び非水電解液二次電池に関する。 The present invention relates to a positive electrode active material, a method for producing the same, and a nonaqueous electrolyte secondary battery.

リチウムイオン二次電池などの非水電解液二次電池は、エネルギー密度を容易に高くすることができる。かかる特性を活かし、近年では、携帯電話及びラップトップコンピュータ等の小型電子機器や、電気自動車及びハイブリッド自動車等の大型電気駆動装置等の幅広い用途に非水電解液二次電池が用いられている。 Non-aqueous electrolyte secondary batteries, such as lithium-ion secondary batteries, can easily achieve high energy density. Taking advantage of these characteristics, non-aqueous electrolyte secondary batteries have recently been used in a wide range of applications, including small electronic devices such as mobile phones and laptop computers, and large electric drive systems such as electric and hybrid vehicles.

非水電解液二次電池の正極活物質としては、Li(リチウム)、Ni(ニッケル)、Mn(マンガン)及びCo(コバルト)を含むLiNi0.33Mn0.33Co0.332(いわゆるNMC111)や、Li、Ni、Co及びAl(アルミニウム)を含むLiNi0.8Co0.15Al0.052(いわゆるNCA)などが実用化されている。しかし、これらの正極活物質よりもさらに放電容量の高い正極活物質が強く望まれている。また、これらの正極活物質は、希少元素であるCoを含有しているため、需給状況の変化等の種々の理由によって原料コストが上昇するリスクが比較的高い。 Positive electrode active materials for nonaqueous electrolyte secondary batteries include LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2 (commonly known as NMC111), which contains Li (lithium), Ni (nickel), Mn (manganese), and Co (cobalt), and LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 (commonly known as NCA), which contains Li, Ni, Co , and Al (aluminum). However, there is a strong demand for positive electrode active materials with even higher discharge capacities than these positive electrode active materials. Furthermore, because these positive electrode active materials contain Co, a rare element, there is a relatively high risk of raw material costs rising due to various reasons, such as changes in supply and demand.

Coを含まない正極活物質として、例えば特許文献1には、一般式LiaNibMn1-bc(但し1<a<1.2、0.5≦b≦0.7、0<c≦0.02)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物からなる非水電解液二次電池用正極活物質が記載されている。 As an example of a Co-free positive electrode active material, Patent Document 1 describes a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, which is composed of a lithium transition metal composite oxide represented by the general formula Li a Ni b Mn 1-b W c O 2 (where 1<a<1.2, 0.5≦b≦0.7, 0<c≦0.02).

特開2012-43637号公報JP 2012-43637 A

非水電解液二次電池の正極と負極とが何らかの原因で短絡した場合に、ジュール熱によって非水電解液二次電池の温度が上昇することがある。また、非水電解液二次電池の温度が過度に上昇すると、正極活物質の分解を招くおそれがある。かかる観点から、特許文献1に記載された正極活物質よりもさらに高い熱的安定性を有する正極活物質が望まれている。 If the positive and negative electrodes of a non-aqueous electrolyte secondary battery are short-circuited for some reason, the temperature of the non-aqueous electrolyte secondary battery may rise due to Joule heat. Furthermore, an excessive rise in the temperature of a non-aqueous electrolyte secondary battery may lead to decomposition of the positive electrode active material. From this perspective, there is a demand for a positive electrode active material with even higher thermal stability than the positive electrode active material described in Patent Document 1.

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、原料コストを低減することができ、高い放電容量を有し、熱的安定性及び出力特性に優れた正極活物質、その製造方法及びこの正極活物質を用いた非水電解液二次電池を提供しようとするものである。 The present invention was made in light of this background, and aims to provide a positive electrode active material that can reduce raw material costs, has a high discharge capacity, and is excellent in thermal stability and output characteristics, a method for producing the same, and a nonaqueous electrolyte secondary battery that uses this positive electrode active material.

本発明の一態様は、非水電解液二次電池に用いられる正極活物質であって、
LiaNibMncdMgefの組成式(ただし、前記組成式におけるa~fは、0.9<a<1.2、0.45<b<0.6、0.25<c<0.5、0<d<0.06、0<e<0.1、1.9<f<2.1の関係を満たす。)で表される組成を有するとともに、
空間群R-3mに帰属可能な層状岩塩型結晶構造を有する、正極活物質にある。
One aspect of the present invention is a positive electrode active material for use in a nonaqueous electrolyte secondary battery, comprising:
It has a composition represented by a composition formula of Li a Ni b Mn c W d Mg e O f (wherein a to f in the composition formula satisfy the relationships 0.9<a<1.2, 0.45<b<0.6, 0.25<c<0.5, 0<d<0.06, 0<e<0.1, 1.9<f<2.1),
The positive electrode active material has a layered rock salt type crystal structure that can be assigned to the space group R-3m.

本発明の他の態様は、正極と、負極と、非水電解液とを有する非水電解液二次電池であって、
前記正極は、前記の態様の正極活物質を含む、非水電解液二次電池にある。
Another aspect of the present invention is a non-aqueous electrolyte secondary battery having a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte,
The positive electrode is a non-aqueous electrolyte secondary battery containing the positive electrode active material of the above embodiment.

前記正極活物質は、前記特定の組成及び結晶構造を有している。前記正極活物質にはCoが含まれていないため、原料コスト上昇のリスクを低減することができる。また、前記正極活物質においては、Li-Ni-Mn系正極活物質におけるMnの一部がW及びMgにより置換されている。このように、Li-Ni-Mn系正極活物質にW及びMgを添加することにより、高い放電容量及び優れた出力特性を確保しつつ正極活物質の熱的安定性を向上させることができる。 The positive electrode active material has the specific composition and crystalline structure. Because the positive electrode active material does not contain Co, the risk of rising raw material costs can be reduced. Furthermore, in the positive electrode active material, some of the Mn in the Li-Ni-Mn-based positive electrode active material is replaced with W and Mg. In this way, by adding W and Mg to the Li-Ni-Mn-based positive electrode active material, it is possible to improve the thermal stability of the positive electrode active material while ensuring high discharge capacity and excellent output characteristics.

従って、前記正極活物質は、高い放電容量を有し、熱的安定性及び出力特性に優れているとともに、原料コストを容易に低減することができる。 As a result, the positive electrode active material has a high discharge capacity, excellent thermal stability and output characteristics, and can easily reduce raw material costs.

また、前記の態様の非水電解液二次電池は、前記特定の正極活物質を含む正極を有している。それ故、前記非水電解液二次電池は、原料コストを容易に低減することができ、高い放電容量を有し、熱的安定性及び出力特性に優れている。 Furthermore, the nonaqueous electrolyte secondary battery of the above embodiment has a positive electrode containing the specific positive electrode active material. Therefore, the nonaqueous electrolyte secondary battery can easily reduce raw material costs, has a high discharge capacity, and is excellent in thermal stability and output characteristics.

図1は、実施例における二次電池の内部構造を示す展開図である。FIG. 1 is a development view showing the internal structure of a secondary battery according to an embodiment of the present invention.

(正極活物質)
前記正極活物質は、LiaNibMncdMgefの組成式(ただし、前記組成式におけるa~fは、0.9<a<1.2、0.45<b<0.6、0.25<c<0.5、0<d<0.06、0<e<0.1、1.9<f<2.1の関係を満たす。)で表される組成を有している。
(Cathode active material)
The positive electrode active material has a composition represented by a composition formula of Li a Ni b Mn c W d Mg e O f (wherein a to f in the composition formula satisfy the relationships 0.9<a<1.2, 0.45<b<0.6, 0.25<c<0.5, 0<d<0.06, 0<e<0.1, and 1.9<f<2.1).

前記組成式におけるaの値、つまりLi、Ni、Mn、W、Mg及びOのモル数の合計に対するLiのモル比は0.9より大きく1.2より小さい。これにより、充放電時に前記結晶相の結晶構造が維持されやすくなり、前記正極活物質内にリチウムイオンの拡散経路を十分に形成することができる。その結果、前記正極活物質の放電容量及び出力特性を向上させることができる。 The value of a in the composition formula, i.e., the molar ratio of Li to the total number of moles of Li, Ni, Mn, W, Mg, and O, is greater than 0.9 and less than 1.2. This makes it easier to maintain the crystalline structure of the crystalline phase during charge and discharge, and sufficient diffusion paths for lithium ions can be formed within the positive electrode active material. As a result, the discharge capacity and output characteristics of the positive electrode active material can be improved.

前記組成式におけるaの値が0.9以下である場合には、前記正極活物質の結晶格子において、リチウムイオンサイトが遷移金属イオンによって置換される、カチオンミキシングと呼ばれる現象が起こりやすくなる。そのため、この場合には、正極活物質中にリチウムイオンの拡散経路を十分に形成することが難しくなり、放電容量や出力特性の低下を招くおそれがある。また、前記組成式におけるaの値が1.2以上である場合には、正極活物質中に、空間群C2/mに帰属されるリチウム過剰層状岩塩型結晶構造が形成されやすくなり、出力特性の低下を招くおそれがある。 If the value of a in the composition formula is 0.9 or less, a phenomenon known as cation mixing, in which lithium ion sites are replaced by transition metal ions in the crystal lattice of the positive electrode active material, is likely to occur. Therefore, in this case, it becomes difficult to form sufficient diffusion paths for lithium ions in the positive electrode active material, which may result in a decrease in discharge capacity and output characteristics. Furthermore, if the value of a in the composition formula is 1.2 or more, a lithium-excess layered rock-salt crystal structure belonging to the space group C2/m is likely to form in the positive electrode active material, which may result in a decrease in output characteristics.

前記組成式におけるdの値、つまり、Li、Ni、Mn、W、Mg及びOのモル数の合計に対するWのモル比は0より大きく0.06未満である。また、前記組成式におけるeの値、つまりLi、Ni、Mn、W、Mg及びOのモル数の合計に対するMgのモル比は、0を超え0.1未満である。正極活物質中にWとMgとの両方を添加し、かつ、これらの元素の含有率を前記特定の範囲とすることにより、正極活物質の放電容量及び出力特性を損なうことなく、熱的安定性を向上させることができる。 The value of d in the composition formula, i.e., the molar ratio of W to the total number of moles of Li, Ni, Mn, W, Mg, and O, is greater than 0 and less than 0.06. Furthermore, the value of e in the composition formula, i.e., the molar ratio of Mg to the total number of moles of Li, Ni, Mn, W, Mg, and O, is greater than 0 and less than 0.1. By adding both W and Mg to the positive electrode active material and setting the contents of these elements within the specified ranges, it is possible to improve the thermal stability of the positive electrode active material without impairing the discharge capacity and output characteristics.

前記組成式におけるdの値が0の場合、つまり、例えばW及びMgのうちMgのみを前記正極活物質に添加する場合には、放電容量及び出力特性の低下を招くおそれがある。WとMgとの併用による効果をより確実に得る観点からは、前記組成式におけるdの値は、0.005以上であることが好ましく、0.01以上であることがより好ましい。 If the value of d in the composition formula is 0, that is, if, for example, only Mg is added to the positive electrode active material, this may result in a decrease in discharge capacity and output characteristics. From the perspective of more reliably obtaining the effects of using W and Mg in combination, the value of d in the composition formula is preferably 0.005 or greater, and more preferably 0.01 or greater.

前記組成式におけるdの値が0.06以上の場合には、正極活物質中に、前記特定の層状岩塩型結晶構造以外の結晶構造を有する結晶相が形成されやすくなり、放電容量及び熱的安定性の低下を招くおそれがある。 If the value of d in the composition formula is 0.06 or greater, a crystalline phase having a crystalline structure other than the specific layered rock salt crystalline structure is likely to form in the positive electrode active material, which may result in a decrease in discharge capacity and thermal stability.

また、前記組成式におけるeの値が0の場合、つまり、例えばW及びMgのうちWのみを前記正極活物質に添加する場合には、正極活物質の熱的安定性の低下を招くおそれがある。WとMgとの併用による効果をより確実に得る観点からは、前記組成式におけるeの値は、0.005以上であることが好ましく、0.01以上であることがより好ましい。 Furthermore, if the value of e in the composition formula is 0, that is, if, for example, only W is added to the positive electrode active material out of W and Mg, the thermal stability of the positive electrode active material may be reduced. From the perspective of more reliably obtaining the effects of the combined use of W and Mg, the value of e in the composition formula is preferably 0.005 or greater, and more preferably 0.01 or greater.

一方、前記組成式におけるeの値が0.1以上の場合には、正極活物質中に、前記特定の層状岩塩型結晶構造以外の結晶構造を有する結晶相が形成されやすくなり、放電容量の低下を招くおそれがある。 On the other hand, if the value of e in the composition formula is 0.1 or greater, a crystalline phase having a crystalline structure other than the specific layered rock salt crystalline structure is more likely to form in the positive electrode active material, which may result in a decrease in discharge capacity.

前記組成式におけるb、c及びfの値、つまり、Li、Ni、Mn、W、Mg及びOのモル数の合計に対するNi、MnまたはOのモル比は、それぞれ前記の関係を満たす範囲とする。前記組成式におけるb、c及びfの値が前記の関係を満たさない場合には、前記正極活物質中に前記特定の層状岩塩型結晶構造以外の結晶構造を有する結晶相が形成されやすくなり、放電容量の低下を招くおそれがある。 The values of b, c, and f in the composition formula, i.e., the molar ratio of Ni, Mn, or O to the total number of moles of Li, Ni, Mn, W, Mg, and O, are each within a range that satisfies the above relationship. If the values of b, c, and f in the composition formula do not satisfy the above relationship, a crystalline phase having a crystalline structure other than the specific layered rock salt-type crystalline structure is likely to form in the positive electrode active material, which may result in a decrease in discharge capacity.

優れた熱的安定性及び出力特性を確保しつつ、より放電容量を高める観点からは、前記組成式におけるbの値は0.5を超え0.6未満であることが好ましい。つまり、前記正極活物質は、LiaNibMncdMgefの組成式(ただし、前記組成式におけるa~fは、0.9<a<1.2、0.5<b<0.6、0.25<c<0.5、0<d<0.06、0<e<0.1、1.9<f<2.1の関係を満たす。)で表される組成を有していることが好ましい。 From the viewpoint of further increasing discharge capacity while ensuring excellent thermal stability and output characteristics, the value of b in the composition formula is preferably greater than 0.5 and less than 0.6. That is, the positive electrode active material preferably has a composition represented by a composition formula of Li a Ni b Mn c W d Mg e O f (wherein a to f in the composition formula satisfy the relationships 0.9<a<1.2, 0.5<b<0.6, 0.25<c<0.5, 0<d<0.06, 0<e<0.1, and 1.9<f<2.1).

同様の観点から、前記組成式におけるcの値は0.25を超え0.42未満であることが好ましい。つまり、前記正極活物質は、LiaNibMncdMgefの組成式(ただし、前記組成式におけるa~fは、0.9<a<1.2、0.45<b<0.6、0.25<c<0.42、0<d<0.06、0<e<0.1、1.9<f<2.1の関係を満たす。)で表される組成を有していることが好ましい。また、前記正極活物質は、LiaNibMncdMgefの組成式(ただし、前記組成式におけるa~fは、0.9<a<1.2、0.5<b<0.6、0.25<c<0.42、0<d<0.06、0<e<0.1、1.9<f<2.1の関係を満たす。)で表される組成を有していることがより好ましく、LiaNibMncdMgefの組成式(ただし、前記組成式におけるa~fは、0.9<a<1.2、0.5<b<0.6、0.25<c<0.42、0.01<d<0.06、0<e<0.08、1.9<f<2.1の関係を満たす。)で表される組成を有していることがさらに好ましい。 From the same viewpoint, the value of c in the composition formula is preferably greater than 0.25 and less than 0.42. In other words, the positive electrode active material preferably has a composition represented by a composition formula of Li a Ni b Mn c W d Mg e O f (wherein a to f in the composition formula satisfy the relationships 0.9<a<1.2, 0.45<b<0.6, 0.25<c<0.42, 0<d<0.06, 0<e<0.1, and 1.9<f<2.1). The positive electrode active material more preferably has a composition represented by the formula Li a Ni b Mn c W d Mg e O f (wherein a to f in the formula satisfy the relationships 0.9<a<1.2, 0.5<b<0.6, 0.25<c<0.42, 0<d<0.06, 0<e<0.1, and 1.9<f<2.1), and even more preferably has a composition represented by the formula Li a Ni b Mn c W d Mg e O f (wherein a to f in the formula satisfy the relationships 0.9<a<1.2, 0.5<b<0.6, 0.25<c<0.42, 0.01<d<0.06, 0<e<0.08, and 1.9<f<2.1).

前記正極活物質の結晶格子におけるa軸の長さは2.880Å以上2.900Å以下であり、c軸の長さは14.290Å以上14.360Å以下であることが好ましい。この場合には、熱的安定性及び出力特性に優れた正極活物質をより確実に得ることができる。同様の観点から、前記正極活物質は、θ-2θ法により得られるX線回折パターンにおける、回折角44.4±1°の範囲に現れるピークの半値幅w44に対する回折角64.5±1°の範囲に現れるピークの半値幅w64の比w64/w44が1.10以上1.30以下となる結晶構造を有していることが好ましい。 The length of the a-axis in the crystal lattice of the positive electrode active material is preferably 2.880 Å or more and 2.900 Å or less, and the length of the c-axis is preferably 14.290 Å or more and 14.360 Å or less. In this case, a positive electrode active material with excellent thermal stability and output characteristics can be more reliably obtained. From the same viewpoint, the positive electrode active material preferably has a crystal structure in which the ratio w 64 /w 44 of the half-width w 64 of the peak appearing in a diffraction angle range of 64.5±1° to the half-width w 44 of the peak appearing in a diffraction angle range of 44.4 ± 1 ° in an X-ray diffraction pattern obtained by the θ-2θ method is 1.10 or more and 1.30 or less.

前記正極活物質中には、前述した効果を損なわない範囲で、前記特定の層状岩塩型結晶構造以外の結晶構造を有する結晶相が含まれていてもよい。前記特定の層状岩塩型結晶構造以外の結晶構造を有する結晶相の含有率は、20質量%以下であることが好ましく、15質量%以下であることがより好ましく、90質量%以下であることがさらに好ましい。 The positive electrode active material may contain a crystalline phase having a crystalline structure other than the specific layered rock salt crystal structure, as long as the above-mentioned effects are not impaired. The content of the crystalline phase having a crystalline structure other than the specific layered rock salt crystal structure is preferably 20% by mass or less, more preferably 15% by mass or less, and even more preferably 90% by mass or less.

なお、前述した正極活物質中の結晶相の含有率は、粉末X線回折法により得られたX線回折パターンに基づいて算出することができる。より具体的には、粉末X線回折法における回折角2θの走査範囲は10°~90°とし、走査速度は2°/分とし、サンプリング幅は0.02°とし、X線光源はCuKα線とする。このような測定条件で得られるX線回折パターンに基づいてリートベルト解析を行うことにより、正極活物質中の結晶相の種類を同定するとともに各結晶相の含有率を算出することができる。 The content of the crystalline phases in the positive electrode active material can be calculated based on the X-ray diffraction pattern obtained by powder X-ray diffraction. More specifically, the scanning range of the diffraction angle 2θ in powder X-ray diffraction is 10° to 90°, the scanning speed is 2°/min, the sampling width is 0.02°, and the X-ray source is CuKα radiation. By performing Rietveld analysis based on the X-ray diffraction pattern obtained under these measurement conditions, it is possible to identify the type of crystalline phase in the positive electrode active material and calculate the content of each crystalline phase.

前記正極活物質は、正極活物質中におけるリチウムイオンの拡散距離をより短くする観点から、通常、粉末の状態で使用される。前記正極活物質は、粒子径10μm以下の粒子から構成されていることが好ましい。すなわち、前記正極活物質は、例えば、最大粒子径が10μm以下となる粒径分布を有する一次粒子から構成されていてもよいし、一次粒子が凝集してなり、最大粒子径が10μm以下となる粒径分布を有する二次粒子であってもよい。この場合には、正極活物質中におけるリチウムイオンの拡散距離をより短くし、非水電解液二次電池における内部抵抗をより容易に低減することができる。正極活物質中におけるリチウムイオンの拡散距離をより短くする観点からは、正極活物質は、粒子径1μm以下の一次粒子から構成されていることが好ましい。 The positive electrode active material is typically used in powder form to shorten the diffusion distance of lithium ions in the positive electrode active material. It is preferable that the positive electrode active material be composed of particles with a particle diameter of 10 μm or less. That is, the positive electrode active material may be composed of, for example, primary particles having a particle diameter distribution with a maximum particle diameter of 10 μm or less, or may be secondary particles formed by aggregation of primary particles and having a particle diameter distribution with a maximum particle diameter of 10 μm or less. In this case, the diffusion distance of lithium ions in the positive electrode active material can be shortened, and the internal resistance of the non-aqueous electrolyte secondary battery can be more easily reduced. To shorten the diffusion distance of lithium ions in the positive electrode active material, it is preferable that the positive electrode active material be composed of primary particles with a particle diameter of 1 μm or less.

なお、前述した正極活物質の一次粒子の粒子径は、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて正極活物質を観察して得られる、拡大写真に基づいて測定することができる。より具体的には、SEMで観察した拡大写真から無作為に選択した50個以上の正極活物質の粒子について、個々の粒子に対する外接円を決定し、その直径を個々の粒子の粒子径とする。そして、これらの粒子径の最大値を正極活物質の粒子径とする。また、前述した正極活物質の二次粒子の粒子径は、レーザ散乱方式の粒度分布測定装置を用いて測定することができる。 The particle size of the primary particles of the positive electrode active material described above can be measured based on a magnified photograph obtained by observing the positive electrode active material using a scanning electron microscope (SEM). More specifically, 50 or more particles of the positive electrode active material are randomly selected from the magnified photograph observed with the SEM, and the circumscribing circle for each particle is determined, and the diameter is taken as the particle size of the individual particle. The maximum value of these particle diameters is then taken as the particle size of the positive electrode active material. The particle size of the secondary particles of the positive electrode active material described above can be measured using a laser scattering particle size distribution analyzer.

(正極活物質の製造方法)
前記正極活物質の製造方法としては、例えば、固相法を採用することができる。具体的には、Li源となる化合物、Ni源となる化合物、Mn源となる化合物、W源となる化合物及びMg源となる化合物を含む混合物を作製した後、前記混合物を酸化性ガス雰囲気下で焼成すればよい。混合物中における各化合物の比率は、所望する正極活物質中の結晶相の組成式に応じて適宜設定すればよい。
(Method for producing positive electrode active material)
The positive electrode active material can be produced by, for example, a solid-phase method. Specifically, a mixture containing a Li source compound, a Ni source compound, a Mn source compound, a W source compound, and a Mg source compound is prepared, and then the mixture is fired in an oxidizing gas atmosphere. The ratio of each compound in the mixture can be appropriately set depending on the composition formula of the desired crystalline phase in the positive electrode active material.

前記混合物は、粉末であることが好ましい。混合物を粉末とすることにより、混合物中において、各原料化合物を均一に分散させることができる。その結果、焼成後における焼成体の組成の偏りをより低減し、前記結晶相の含有率をより高くすることができる。 The mixture is preferably in the form of a powder. By forming the mixture into a powder, the raw material compounds can be uniformly dispersed within the mixture. As a result, the compositional bias of the fired body after firing can be further reduced, and the content of the crystalline phase can be further increased.

粉末状の混合物を作製するにあたっては、必要に応じて原料化合物を粉砕してもよい。粉砕方法としては、乳鉢による手粉砕、ボールミル等による機械式粉砕等が採用できる。 When preparing a powdered mixture, the raw material compounds may be pulverized as needed. Pulverization methods that can be used include manual pulverization in a mortar and mortar, and mechanical pulverization using a ball mill, etc.

また、粉末状の混合物を作製するにあたっては、篩などを用いて原料化合物を分級することにより、混合物の粒度調整をおこなってもよい。これらの手法によって混合物の粒度をできるだけ小さくすることにより、原料化合物をより均一に分散させることができる。その結果、焼成後における焼成体の組成の偏りをより低減し、前記結晶相の含有率をより高くすることができる。 When preparing a powdered mixture, the particle size of the mixture may be adjusted by classifying the raw material compounds using a sieve or the like. By using these methods to make the particle size of the mixture as small as possible, the raw material compounds can be dispersed more uniformly. As a result, the compositional bias of the fired body after firing can be reduced and the content of the crystalline phase can be increased.

混合物を作製した後、酸化性ガス雰囲気下で混合物を焼成することにより、前記特定の結晶相を含む正極活物質の焼成体を得ることができる。酸化性ガスとしては、例えば、大気等を使用することができる。焼成時の焼成温度は800~1100℃の範囲から適宜設定することができる。焼成時の保持時間は0.5~50時間の範囲から適宜設定することができる。 After preparing the mixture, the mixture can be fired in an oxidizing gas atmosphere to obtain a fired positive electrode active material containing the specific crystalline phase. The oxidizing gas can be, for example, air. The firing temperature can be set appropriately from a range of 800 to 1100°C. The holding time during firing can be set appropriately from a range of 0.5 to 50 hours.

焼成が完了した後、得られた焼成体を解砕することにより、粉末状の正極活物質を得ることができる。焼成体の解砕方法は特に限定されることはない。例えば、粉砕方法としては、乳鉢による手粉砕、ボールミル等による機械式粉砕等の種々の方法を採用することができる。また、焼成体を解砕した後、必要に応じて粉末を分級し、正極活物質の粒度を調整してもよい。 After the firing is complete, the resulting fired body can be crushed to obtain powdered positive electrode active material. The method for crushing the fired body is not particularly limited. For example, various methods can be used, such as manual crushing in a mortar or mechanical crushing using a ball mill or the like. After crushing the fired body, the powder can be classified as needed to adjust the particle size of the positive electrode active material.

また、前記正極活物質の製造方法としては、共沈法を採用してもよい。共沈法により前記正極活物質を作製する場合、例えば、アルカリ性の反応溶液と、前記正極活物質を構成する金属元素のうちLiを除く2種以上の金属元素のイオンを含む原料溶液と、アルカリ性のpH調整溶液とを準備する。反応溶液中に、前記イオンを含む原料溶液を滴下すると同時に、原料溶液を滴下した後の反応溶液のpHを調整するためにpH調整溶液を滴下する。これにより、反応溶液中に、前述した金属元素を含む前駆体を析出させる。原料溶液中における各イオンの濃度は、所望する正極活物質中の結晶相の組成式に応じて適宜設定すればよい。 Coprecipitation may also be used as a method for producing the positive electrode active material. When producing the positive electrode active material by coprecipitation, for example, an alkaline reaction solution, a raw material solution containing ions of two or more metal elements excluding Li among the metal elements constituting the positive electrode active material, and an alkaline pH-adjusting solution are prepared. The raw material solution containing the ions is added dropwise to the reaction solution, and at the same time, a pH-adjusting solution is added dropwise to adjust the pH of the reaction solution after the raw material solution has been added dropwise. This causes a precursor containing the aforementioned metal element to precipitate in the reaction solution. The concentration of each ion in the raw material solution may be appropriately set depending on the composition formula of the desired crystalline phase in the positive electrode active material.

次に、前駆体に、Li源となる化合物及び必要に応じて添加される他の原料を混合し、混合物を作製する。酸化性ガス雰囲気下で混合物を焼成することにより、前記特定の結晶相を含む正極活物質の焼成体を得ることができる。酸化性ガスとしては、例えば、大気等を使用することができる。焼成時の焼成温度は800~1100℃の範囲から適宜設定することができる。焼成時の保持時間は0.5~50時間の範囲から適宜設定することができる。 Next, the precursor is mixed with a Li source compound and other raw materials, if necessary, to produce a mixture. The mixture is fired in an oxidizing gas atmosphere to obtain a fired cathode active material containing the specific crystalline phase. The oxidizing gas can be, for example, air. The firing temperature can be set appropriately within the range of 800 to 1100°C. The firing holding time can be set appropriately within the range of 0.5 to 50 hours.

焼成が完了した後、得られた焼成体を解砕することにより、粉末状の正極活物質を得ることができる。焼成体の解砕方法は特に限定されることはない。例えば、粉砕方法としては、乳鉢による手粉砕、ボールミル等による機械式粉砕等の種々の方法を採用することができる。また、焼成体を解砕した後、必要に応じて粉末を分級し、正極活物質の粒度を調整してもよい。 After the firing is complete, the resulting fired body can be crushed to obtain powdered positive electrode active material. The method for crushing the fired body is not particularly limited. For example, various methods can be used, such as manual crushing in a mortar or mechanical crushing using a ball mill or the like. After crushing the fired body, the powder can be classified as needed to adjust the particle size of the positive electrode active material.

前記正極活物質の製造方法においては、共沈法により前記組成のうちLi以外の全ての金属元素を含む前駆体を作製し、前記前駆体と、Liを含む化合物とを混合して混合物を作製し、
前記混合物を酸化性ガス雰囲気中で焼成することにより前記正極活物質を得ることが好ましい。
In the method for producing the positive electrode active material, a precursor containing all metal elements in the composition except for Li is prepared by a coprecipitation method, and the precursor is mixed with a compound containing Li to prepare a mixture;
The positive electrode active material is preferably obtained by firing the mixture in an oxidizing gas atmosphere.

このように、共沈法によってLi以外の全ての金属元素を含む前駆体を作製することにより、前駆体中における各金属元素の分布をより均一にすることができる。そして、かかる前駆体とLi源となる化合物とを混合した後、混合物を焼成することにより、より均質な正極活物質を得ることができる。そして、かかる方法によれば、正極活物質の放電容量、出力特性及び熱的安定性をよりバランスよく向上させることができる。 In this way, by using the coprecipitation method to prepare a precursor containing all metal elements except Li, it is possible to achieve a more uniform distribution of each metal element in the precursor. Then, by mixing this precursor with a Li source compound and then firing the mixture, a more uniform positive electrode active material can be obtained. Furthermore, this method can improve the discharge capacity, output characteristics, and thermal stability of the positive electrode active material in a more balanced manner.

共沈法によりLi以外の全ての金属元素を含む前駆体を作製する場合、反応溶液中に滴下する原料溶液は、1種類であってもよいし、2種類以上であってもよい。しかし、原料溶液に溶解させる化合物の組み合わせによっては、原料溶液にいずれかの化合物が溶解しにくくなり、前駆体中の金属元素の比率を所望の範囲に調整しにくくなる場合がある。かかる問題をより確実に回避する観点からは、2種類以上の原料溶液を準備することが好ましい。2種類以上の原料溶液を準備することにより、各原料溶液中に、金属元素を含む化合物を容易に溶解させることができる。その結果、前駆体中の金属元素の比率をより容易に所望の範囲に調整することができる。 When preparing a precursor containing all metal elements except Li using the coprecipitation method, one or more types of raw material solutions may be added dropwise to the reaction solution. However, depending on the combination of compounds dissolved in the raw material solutions, some of the compounds may be less soluble in the raw material solutions, making it difficult to adjust the ratio of metal elements in the precursor to the desired range. To more reliably avoid such problems, it is preferable to prepare two or more types of raw material solutions. By preparing two or more types of raw material solutions, compounds containing metal elements can be easily dissolved in each raw material solution. As a result, it is easier to adjust the ratio of metal elements in the precursor to the desired range.

2種類以上の原料溶液を準備する場合、例えば、いずれか1種の原料溶液中に他の原料溶液を滴下した後、この原料溶液を反応溶液に滴下してもよい。より具体的には、前記前駆体を作製する際に、アルカリ性を示す反応溶液と、Wを含む第1原料溶液と、前記組成のうちLi及びW以外の金属元素を含む第2原料溶液と、を準備し、
前記第1原料溶液を前記第2原料溶液中に滴下して混合溶液を作製し、
その後、前記混合溶液を前記反応溶液中に滴下して前記前駆体を作製することができる。
When two or more kinds of raw material solutions are prepared, for example, one of the raw material solutions may be dropped into the other raw material solution, and then the other raw material solution may be dropped into the reaction solution. More specifically, when producing the precursor, an alkaline reaction solution, a first raw material solution containing W, and a second raw material solution containing metal elements other than Li and W in the composition are prepared,
adding the first raw material solution dropwise to the second raw material solution to prepare a mixed solution;
Thereafter, the mixed solution can be added dropwise to the reaction solution to prepare the precursor.

また、例えば、全ての原料溶液を同時に反応溶液中に滴下してもよい。より具体的には、前記前駆体を作製する際に、アルカリ性を示す反応溶液と、Wを含む第1原料溶液と、前記組成のうちLi及びW以外の金属元素を含む第2原料溶液と、を準備し、
前記第1原料溶液と前記第2原料溶液とを前記反応溶液中に同時に滴下して前記前駆体を作製することもできる。
In addition, for example, all of the raw material solutions may be dropped into the reaction solution at the same time. More specifically, when producing the precursor, an alkaline reaction solution, a first raw material solution containing W, and a second raw material solution containing metal elements other than Li and W in the composition are prepared,
The precursor can also be prepared by simultaneously dropping the first raw material solution and the second raw material solution into the reaction solution.

さらに、原料溶液及び反応溶液に加えて、アルカリ性を示すpH調整溶液を準備し、前記pH調整溶液を、前記第1原料溶液、前記第2原料溶液または前記混合溶液とともに前記反応溶液中に滴下して前記前駆体を作製してもよい。この場合には、原料溶液の滴下に伴う反応溶液のpHの変化を抑制し、所望の組成を有する前駆体をより確実に生成することができる。 Furthermore, in addition to the raw material solution and the reaction solution, an alkaline pH-adjusted solution may be prepared, and the pH-adjusted solution may be added dropwise to the reaction solution together with the first raw material solution, the second raw material solution, or the mixed solution to produce the precursor. In this case, changes in the pH of the reaction solution caused by the addition of the raw material solution can be suppressed, making it possible to more reliably produce a precursor having the desired composition.

(非水電解液二次電池)
前記正極活物質は、非水電解液二次電池に用いられ、特にリチウムイオン二次電池に好適である。二次電池は、前記正極活物質を含有する正極、負極、セパレータ、非水電解液、添加剤、及びこれらを収容するケース等を主要な構成部材として備えることができる。二次電池の形状としては、例えばコイン型、円筒型、積層型、角型等がある。
(Nonaqueous electrolyte secondary battery)
The positive electrode active material is used in non-aqueous electrolyte secondary batteries, and is particularly suitable for lithium-ion secondary batteries. The secondary battery can include, as its main components, a positive electrode containing the positive electrode active material, a negative electrode, a separator, a non-aqueous electrolyte, an additive, and a case for accommodating these components. The secondary battery can be, for example, coin-shaped, cylindrical, stacked, or rectangular.

二次電池の正極は、正極活物質と、正極活物質を保持する正極集電体とを有している。正極集電体としては、例えば、銅箔、ステンレス鋼メッシュ、アルミニウム箔、ニッケル箔等の金属箔、パンチングメタル、エキスパンデッドメタル及び金属メッシュ等の種々の導体を使用することができる。 The positive electrode of a secondary battery has a positive electrode active material and a positive electrode current collector that holds the positive electrode active material. Various conductors can be used as the positive electrode current collector, including metal foils such as copper foil, stainless steel mesh, aluminum foil, and nickel foil, as well as punched metal, expanded metal, and metal mesh.

正極には、正極活物質と正極集電体との間に介在する結着剤が含まれていてもよい。結着剤としては、例えばポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート等の熱可塑性樹脂を用いることができる。 The positive electrode may contain a binder interposed between the positive electrode active material and the positive electrode current collector. Examples of binders that can be used include fluorine-containing resins such as polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, and fluororubber, and thermoplastic resins such as polypropylene, polyethylene, and polyethylene terephthalate.

また、正極には、電気伝導性を高めるための導電剤や導電助剤が含まれていてもよい。導電剤としては、例えば黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、コークス類等を用いることができる。 The positive electrode may also contain a conductive agent or conductive aid to enhance electrical conductivity. Examples of conductive agents that can be used include graphite, carbon black, acetylene black, and cokes.

正極は、例えば、以下の方法により作製することができる。まず、正極活物質を含むペースト状の正極合材を作製する。正極合材には、必要に応じて、正極活物質等の固形分を分散または溶解させるための有機溶媒が含まれていてもよい。次に、正極合材を正極集電体の表面に塗布した後、乾燥させることにより、正極集電体の表面に正極活物質層を形成する。正極活物質層を形成した後、必要に応じて正極活物質層をプレスし、正極活物質層の密度を高めてもよい。以上により正極を得ることができる。 The positive electrode can be produced, for example, by the following method. First, a paste-like positive electrode mixture containing the positive electrode active material is produced. The positive electrode mixture may contain an organic solvent for dispersing or dissolving solid components such as the positive electrode active material, as needed. Next, the positive electrode mixture is applied to the surface of a positive electrode current collector and then dried to form a positive electrode active material layer on the surface of the positive electrode current collector. After the positive electrode active material layer is formed, it may be pressed, if necessary, to increase the density of the positive electrode active material layer. This completes the process of producing a positive electrode.

二次電池の負極は、負極活物質と、負極活物質を保持する負極集電体とを有している。負極活物質としては、例えば、グラファイトやハードカーボン等のグラファイト構造を有する炭素材料や、チタン酸リチウム(Li4Ti512)等のリチウム系酸化物を用いることができる。また、負極集電体としては、前述した正極集電体と同様の導体を使用することができる。 The negative electrode of the secondary battery includes a negative electrode active material and a negative electrode current collector that holds the negative electrode active material. Examples of the negative electrode active material include carbon materials with a graphite structure, such as graphite and hard carbon, and lithium-based oxides, such as lithium titanate ( Li4Ti5O12 ). The negative electrode current collector can be made of the same conductor as the positive electrode current collector.

負極は、正極と同様に、結着剤や導電剤、導電助剤を含んでいてもよい。負極に使用し得る結着剤、導電剤及び導電助剤は、正極と同様である。 The negative electrode, like the positive electrode, may contain a binder, conductive agent, and conductive additive. The binders, conductive agents, and conductive additives that can be used in the negative electrode are the same as those in the positive electrode.

負極の作製方法は、正極と同様である。すなわち、まず、負極活物質を含むペースト状の負極合材を作製する。負極合材には、必要に応じて、負極活物質等の固形分を分散または溶解させるための有機溶媒が含まれていてもよい。次に、負極合材を負極集電体の表面に塗布した後、乾燥させることにより、負極集電体の表面に負極活物質層を形成する。負極活物質層を形成した後、必要に応じて負極活物質層をプレスし、負極活物質層の密度を高めてもよい。以上により負極を得ることができる。 The method for producing the negative electrode is the same as for the positive electrode. That is, first, a paste-like negative electrode mixture containing the negative electrode active material is produced. The negative electrode mixture may contain an organic solvent for dispersing or dissolving solid components such as the negative electrode active material, as needed. Next, the negative electrode mixture is applied to the surface of the negative electrode current collector and then dried to form a negative electrode active material layer on the surface of the negative electrode current collector. After forming the negative electrode active material layer, the negative electrode active material layer may be pressed, as needed, to increase the density of the negative electrode active material layer. This completes the process of producing the negative electrode.

非水電解液は、有機溶媒と、リチウム塩からなる電解質とを含有することができる。リチウム塩としては、例えばLiPF6等が挙げられる。また、有機溶媒は、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、及びエチルメチルカーボネートからなるグループから選ばれる少なくとも1種とすることができる。これらの有機溶媒は、極性が高く、電解質を大量に溶解することができる。そのため、これらの有機溶媒を非水電解液として使用することにより、二次電池における例えばリチウムイオン等の電荷担体の輸率を容易に高くすることができる。 The non-aqueous electrolyte solution may contain an organic solvent and an electrolyte made of a lithium salt. Examples of the lithium salt include LiPF6 . The organic solvent may be at least one selected from the group consisting of ethylene carbonate, dimethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate. These organic solvents have high polarity and can dissolve large amounts of electrolyte. Therefore, by using these organic solvents as the non-aqueous electrolyte solution, the transport number of charge carriers, such as lithium ions, in the secondary battery can be easily increased.

前記正極活物質、及び前記正極活物質を備えた非水電解液二次電池の実施例を説明する。本例の正極活物質は、LiaNibMncdMgefの組成式(ただし、前記組成式におけるa~fは、0.9<a<1.2、0.45<b<0.6、0.25<c<0.5、0<d<0.06、0<e<0.1、1.9<f<2.1の関係を満たす。)で表される組成を有している。また、正極活物質は、空間群R-3mに帰属可能な層状岩塩型結晶構造を有している。 Examples of the positive electrode active material and a nonaqueous electrolyte secondary battery including the positive electrode active material will now be described. The positive electrode active material in this example has a composition represented by the formula Li a Ni b Mn c W d Mg e O f (where a to f in the formula satisfy the relationships 0.9<a<1.2, 0.45<b<0.6, 0.25<c<0.5, 0<d<0.06, 0<e<0.1, and 1.9<f<2.1). The positive electrode active material also has a layered rock salt crystal structure that can be assigned to the space group R-3m.

本例における正極活物質(試験材S1~S9)は、具体的には、表1に示す組成を有している。なお、表1の試験材R1~R8は、試験材S1~S9との比較のための正極活物質である。本例の正極活物質の作製方法を以下に説明する。 The positive electrode active materials in this example (test materials S1 to S9) specifically have the compositions shown in Table 1. Note that test materials R1 to R8 in Table 1 are positive electrode active materials for comparison with test materials S1 to S9. The method for producing the positive electrode active materials in this example is described below.

(試験材S1)
2Lの反応容器に蒸留水200mLを入れ、水酸化ナトリウムを溶解させてpH12の反応溶液を調製した。この反応溶液とは別に、蒸留水に硫酸ニッケル及び硫酸マンガンを溶解させた原料溶液と、水酸化ナトリウム水溶液とアンモニア水とを混合してなるpH調整溶液とを調製した。
(Test material S1)
200 mL of distilled water was placed in a 2 L reaction vessel, and sodium hydroxide was dissolved therein to prepare a reaction solution with a pH of 12. Separately from this reaction solution, a raw material solution was prepared by dissolving nickel sulfate and manganese sulfate in distilled water, and a pH-adjusted solution was prepared by mixing an aqueous sodium hydroxide solution with aqueous ammonia.

次に、反応溶液を50℃まで加熱した。反応溶液の温度を保持した状態で、反応溶液を攪拌しながら原料溶液とpH調整溶液とを反応溶液中に同時に滴下することにより、反応溶液中にNi及びMnを含む前駆体を析出させた。 Next, the reaction solution was heated to 50°C. While maintaining the reaction solution temperature, the raw material solution and pH-adjusted solution were simultaneously added dropwise to the reaction solution while stirring, thereby precipitating a precursor containing Ni and Mn in the reaction solution.

このようにして得られた前駆体に、Li源としてのLiOH、W源としてのWO3及びMg源としてのMgOを混合して混合物を作製した。この混合物を大気中において950℃の温度で5時間焼成し、次いで、700℃の温度で12時間アニールすることにより、塊状の正極活物質を得た。乳鉢を用いて塊状の正極活物質を解砕することにより、粉末状の正極活物質(試験材S1)を得た。なお、前述した方法により作製された正極活物質については、表1の「作製方法」欄に記号「M1」を記載した。 The precursor thus obtained was mixed with LiOH as a Li source, WO3 as a W source, and MgO as an Mg source to prepare a mixture. This mixture was fired in air at 950°C for 5 hours and then annealed at 700°C for 12 hours to obtain a lump of positive electrode active material. The lump of positive electrode active material was crushed using a mortar to obtain a powdered positive electrode active material (test material S1). The positive electrode active material prepared by the above-mentioned method is indicated by the symbol "M1" in the "Preparation Method" column of Table 1.

(試験材R1~R3)
試験材R1~R3は、W及びMgのうち少なくとも一方の元素が含まれていない以外は、試験材S1と同様の構成を有している。試験材R1~R3の作製方法は、前駆体にWO及び/またはMgOを添加しない以外は試験材S1の作製方法と同様である。
(Test materials R1 to R3)
Test materials R1 to R3 have the same structure as test material S1, except that they do not contain at least one of the elements W and Mg. The method for producing test materials R1 to R3 is the same as the method for producing test material S1, except that WO3 and/or MgO is not added to the precursor.

(試験材S2~S9)
2Lの反応容器に蒸留水200mLを入れ、水酸化ナトリウムを溶解させてpH12の反応溶液を調製した。この反応溶液とは別に、蒸留水にタングステン酸アンモニウムを溶解させた第1原料溶液と、蒸留水に硫酸ニッケル、硫酸マンガン及び硫酸マグネシウムを溶解させた第2原料溶液と、水酸化ナトリウム水溶液とアンモニア水とを混合してなるpH調整溶液とを調製した。
(Test materials S2 to S9)
200 mL of distilled water was placed in a 2 L reaction vessel, and sodium hydroxide was dissolved therein to prepare a reaction solution with a pH of 12. Separately from this reaction solution, a first raw material solution was prepared by dissolving ammonium tungstate in distilled water, a second raw material solution was prepared by dissolving nickel sulfate, manganese sulfate, and magnesium sulfate in distilled water, and a pH-adjusted solution was prepared by mixing an aqueous sodium hydroxide solution and aqueous ammonia.

次に、反応溶液を50℃まで加熱した。反応溶液の温度を保持した状態で、反応溶液を攪拌しながら第1原料溶液、第2原料溶液及びpH調整溶液を反応溶液中に同時に滴下することにより、反応溶液中にNi、Mn、W及びMgを含む前駆体を析出させた。 Next, the reaction solution was heated to 50°C. While maintaining the reaction solution temperature, the first raw material solution, the second raw material solution, and the pH adjustment solution were simultaneously added dropwise to the reaction solution while stirring, thereby precipitating a precursor containing Ni, Mn, W, and Mg in the reaction solution.

次に、前駆体にLi源としてのLiOHを混合して混合物を作製した。この混合物を大気中において950℃の温度で5時間焼成し、次いで、700℃の温度で12時間アニールすることにより、塊状の正極活物質を得た。乳鉢を用いて塊状の正極活物質を解砕することにより、粉末状の正極活物質(試験材S2~S9)を得た。なお、前述した方法により作製された正極活物質については、表1の「作製方法」欄に記号「M2」を記載した。 Next, LiOH was mixed with the precursor as a Li source to prepare a mixture. This mixture was fired in air at 950°C for 5 hours, and then annealed at 700°C for 12 hours to obtain a lump of positive electrode active material. The lump of positive electrode active material was crushed using a mortar to obtain powdered positive electrode active material (test materials S2 to S9). Note that the positive electrode active material prepared by the above-mentioned method is indicated by the symbol "M2" in the "Preparation Method" column of Table 1.

(試験材R4~R8)
試験材R4~R8は、W及びMgのうち少なくとも一方の元素が含まれていない以外は、試験材S2~S9と同様の構成を有している。試験材R4~R8の作製方法は、前駆体にWO及び/またはMgOを添加しない以外は試験材S2~S9の作製方法と同様である。
(Test materials R4 to R8)
Test materials R4 to R8 have the same structure as test materials S2 to S9, except that they do not contain at least one of the elements W and Mg. The method for producing test materials R4 to R8 is the same as the method for producing test materials S2 to S9, except that WO3 and/or MgO is not added to the precursor.

次に、試験材S1~S9及び試験材R1~S8の組成及び結晶構造の同定を行った。 Next, the composition and crystal structure of test materials S1 to S9 and test materials R1 to S8 were identified.

・正極活物質の組成
誘導結合プラズマ発光分析(つまり、ICP-AES)により正極活物質中の各金属元素のモル比を測定した。酸素原子のモル比を2とした場合における各試験材の組成は、表1の「正極活物質の組成」欄に示す通りであった。
Composition of Positive Electrode Active Material The molar ratio of each metal element in the positive electrode active material was measured by inductively coupled plasma atomic emission spectrometry (ICP-AES). The composition of each test material when the molar ratio of oxygen atoms was set to 2 was as shown in the "Composition of Positive Electrode Active Material" column in Table 1.

・正極活物質の結晶構造
粉末X線回折により、正極活物質の結晶構造の同定及び格子定数の測定を行った。X線回折装置としては、株式会社リガク製「SmartLab(登録商標)」を使用し、照射した特性X線はCuKα線とした。また、回折角2θの走査範囲は10°~90°とし、走査速度は2°/分とし、サンプリング幅は0.02°とした。
Crystal structure of the positive electrode active material: The crystal structure of the positive electrode active material was identified and its lattice constant was measured by powder X-ray diffraction. The X-ray diffraction apparatus used was a "SmartLab (registered trademark)" manufactured by Rigaku Corporation, and the characteristic X-rays used were CuKα rays. The scanning range of the diffraction angle 2θ was 10° to 90°, the scanning speed was 2°/min, and the sampling width was 0.02°.

得られたX線回折パターンに基づき、正極活物質の結晶構造を同定したところ、試験材S1~S9及び試験材R1~R8は、いずれも空間群R-3mに帰属可能な層状岩塩型結晶構造を有していた。表1に、各正極活物質の結晶格子におけるa軸の長さ及びc軸の長さを示す。また、表2に、各正極活物質中の層状岩塩型結晶構造の含有率、及び回折角44.4±1°の範囲に現れるピークの半値幅w44に対する回折角64.5±1°の範囲に現れるピークの半値幅w64の比w64/w44を示す。 The crystalline structures of the positive electrode active materials were identified based on the obtained X-ray diffraction patterns. Test materials S1 to S9 and test materials R1 to R8 all had a layered rock-salt crystalline structure that could be assigned to the space group R-3m. Table 1 shows the lengths of the a-axis and c-axis in the crystal lattice of each positive electrode active material. Table 2 also shows the content of the layered rock-salt crystalline structure in each positive electrode active material, and the ratio w64 / w44 of the half-width w64 of the peak appearing in a diffraction angle range of 64.5 ±1° to the half-width w44 of the peak appearing in a diffraction angle range of 44.4±1°.

・評価用二次電池の構成及び作製方法
次に、得られた正極活物質を用いて非水電解液二次電池(テストセル)を作製した。図1に示すごとく、本例の非水電解液二次電池1は、正極2、負極3、セパレータ4及び非水電解液5を備えたCR2032型コイン電池である。
Next, a nonaqueous electrolyte secondary battery (test cell) was fabricated using the obtained positive electrode active material. As shown in Figure 1, the nonaqueous electrolyte secondary battery 1 of this example is a CR2032 coin battery including a positive electrode 2, a negative electrode 3, a separator 4, and a nonaqueous electrolyte 5.

より具体的には、二次電池1は、高さの比較的小さな有底円筒形状であるケース11と、ケース11の開口を閉鎖する上蓋12とを有している。ケース11と上蓋12との間には空間が形成されている。上蓋12は、かしめ加工によりケース11に接合されている。 More specifically, the secondary battery 1 has a cylindrical case 11 with a relatively small height and a bottom, and a top lid 12 that closes the opening of the case 11. A space is formed between the case 11 and the top lid 12. The top lid 12 is joined to the case 11 by crimping.

ケース11と上蓋12との間の空間内には、正極2、負極3、セパレータ4、非水電解液5が収容されている。正極2とセパレータ4との間には、ゴム製のパッキン15が配置されている。また、上蓋12と正極2との間には、スペーサ13及びワッシャ14が設けられている。スペーサ13は、正極2と当接するように配置されている。ワッシャ14は、スペーサ13と上蓋12との間に配置されている。本例のスペーサ13は、具体的には、円盤状のステンレス鋼板である。 The space between the case 11 and the top lid 12 contains a positive electrode 2, a negative electrode 3, a separator 4, and a non-aqueous electrolyte 5. A rubber gasket 15 is disposed between the positive electrode 2 and the separator 4. A spacer 13 and a washer 14 are disposed between the top lid 12 and the positive electrode 2. The spacer 13 is disposed so as to abut against the positive electrode 2. The washer 14 is disposed between the spacer 13 and the top lid 12. In this example, the spacer 13 is specifically a disk-shaped stainless steel plate.

正極2は、正極集電体21と、表1に示した正極活物質のうちいずれかの正極活物質を含み正極集電体21上に設けられた正極活物質層22とを有している。本例の正極集電体21は、具体的には、直径16mmの円盤状を呈するアルミニウム箔である。負極3は、具体的には、円盤状の金属リチウム箔である。 The positive electrode 2 has a positive electrode current collector 21 and a positive electrode active material layer 22 provided on the positive electrode current collector 21, the positive electrode active material layer 22 containing one of the positive electrode active materials shown in Table 1. In this example, the positive electrode current collector 21 is specifically a disk-shaped aluminum foil with a diameter of 16 mm. The negative electrode 3 is specifically a disk-shaped lithium metal foil.

セパレータ4は、ポリプロピレンからなり、正極2と負極3との間に介在している。非水電解液5は、二次電池1内における少なくとも正極2と負極3との間に充填されている。本例の非水電解液5は、具体的には濃度1mol/LのLiPF6を含むエチレンカーボネート系の有機溶媒からなる。 The separator 4 is made of polypropylene and is interposed between the positive electrode 2 and the negative electrode 3. A nonaqueous electrolyte 5 is filled at least between the positive electrode 2 and the negative electrode 3 in the secondary battery 1. Specifically, the nonaqueous electrolyte 5 in this example is made of an ethylene carbonate-based organic solvent containing LiPF6 at a concentration of 1 mol/L.

次に、二次電池1の作製方法について説明する。まず、正極活物質と、導電助剤としての黒鉛と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンとを、質量比において、正極活物質:導電助剤:結着剤=85:10:5となるように混合し、正極合材を得た。この正極合材を正極集電体21上に塗布し、正極活物質層22を形成した。塗布直後の正極活物質層22の厚みは約220μmとした。 Next, the method for fabricating the secondary battery 1 will be described. First, a positive electrode active material, graphite as a conductive additive, and polyvinylidene fluoride as a binder were mixed in a mass ratio of positive electrode active material:conductive additive:binder = 85:10:5 to obtain a positive electrode mixture. This positive electrode mixture was applied to a positive electrode current collector 21 to form a positive electrode active material layer 22. The thickness of the positive electrode active material layer 22 immediately after application was approximately 220 μm.

次いで、正極集電体21上の正極活物質層22を約100MPaの圧力でプレスした。その後、正極活物質層22を正極集電体21とともに直径16mmの円盤状に打ち抜くことにより、正極2を得た。また、リチウム箔を円盤状に打ち抜くことにより、負極3を作製した。 Next, the positive electrode active material layer 22 on the positive electrode current collector 21 was pressed at a pressure of approximately 100 MPa. The positive electrode active material layer 22 and the positive electrode current collector 21 were then punched out into a disk with a diameter of 16 mm, thereby obtaining a positive electrode 2. Furthermore, a negative electrode 3 was produced by punching out a lithium foil into a disk shape.

次いで、ケース11内に、負極3、セパレータ4、パッキン15、正極2、スペーサ13及びワッシャ14を順次重ね合わせるとともに、ケース11内に非水電解液5を注入した。その後、上蓋12をケース11の開口に重ね合わせ、かしめ加工を行うことによりケース11と上蓋12との間の空間を密閉した。以上により、二次電池1を得た。 Next, the negative electrode 3, separator 4, gasket 15, positive electrode 2, spacer 13, and washer 14 were stacked in this order inside the case 11, and the non-aqueous electrolyte 5 was poured into the case 11. After that, the top lid 12 was placed over the opening of the case 11 and crimped to seal the space between the case 11 and the top lid 12. In this way, the secondary battery 1 was obtained.

次に、得られた電池を用い、放電容量測定及び出力特性の評価を行った。なお、放電容量測定及び出力特性の評価には、充放電装置(Bio-Logic社製「BCS-815」)を用いた。 Next, the resulting battery was used to measure the discharge capacity and evaluate its output characteristics. A charge/discharge device (Bio-Logic's "BCS-815") was used to measure the discharge capacity and evaluate its output characteristics.

・放電容量測定
まず、25℃の温度において、定電流モードで二次電池を充電した。定電流モードにおける電流密度は11mA/gとし、充電終止電圧は4.5Vとした。充電が完了した後、11mA/gの電流密度の定電流で2.5Vまで放電させ、このときの放電曲線を取得した。このようにして得られた放電曲線に基づいて、二次電池の放電容量を算出した。表2に各正極活物質を用いた二次電池の放電容量を示す。
Discharge Capacity Measurement First, the secondary battery was charged in constant current mode at a temperature of 25°C. The current density in the constant current mode was 11 mA/g, and the end-of-charge voltage was 4.5 V. After charging was completed, the battery was discharged to 2.5 V at a constant current density of 11 mA/g, and a discharge curve was obtained. The discharge capacity of the secondary battery was calculated based on the discharge curve obtained in this manner. Table 2 shows the discharge capacity of the secondary battery using each positive electrode active material.

・出力特性の評価
二次電池の開回路電圧(つまり、OCV)を4.4Vに調整した後、放電電流が5C相当(具体的には、およそ10mA)となるようにして二次電池を放電させ、放電中の二次電池の電圧を測定した。そして、放電開始から0.1秒後における二次電池の電圧と、10秒後における二次電池の電圧との電位差を放電電流で除することにより、二次電池の直流抵抗を算出した。表2の「直流抵抗」欄に、このようにして算出された二次電池の直流抵抗の値を示す。
Evaluation of Output Characteristics After adjusting the open circuit voltage (i.e., OCV) of the secondary battery to 4.4 V, the secondary battery was discharged so that the discharge current was equivalent to 5 C (specifically, approximately 10 mA), and the voltage of the secondary battery was measured during discharge. The DC resistance of the secondary battery was calculated by dividing the potential difference between the voltage of the secondary battery 0.1 seconds after the start of discharge and the voltage of the secondary battery 10 seconds after the start of discharge by the discharge current. The DC resistance values of the secondary battery calculated in this manner are shown in the "DC Resistance" column of Table 2.

・熱的安定性の評価
まず、25℃の温度において、定電流-定電圧モードで二次電池を充電した。定電流モードにおける電流密度は11mA/gとした。また、定電圧モードにおける充電終止電圧は4.5Vとし、二次電池の電圧が充電終止電圧に達してから5時間にわたり、適切な充電電流を流して充電終止電圧を保持した。
Evaluation of Thermal Stability First, the secondary battery was charged in a constant current-constant voltage mode at a temperature of 25°C. The current density in the constant current mode was 11 mA/g. The end-of-charge voltage in the constant voltage mode was 4.5 V, and an appropriate charging current was applied for 5 hours after the voltage of the secondary battery reached the end-of-charge voltage to maintain the end-of-charge voltage.

充電が完了した後の二次電池をアルゴン雰囲気で満たしたグローブボックス内で解体し、正極を取り出した。この正極をジメチルカーボネートで洗浄した後、グローブボックス内で乾燥させた。乾燥後の正極から正極活物質層を採取し、示差走査熱量分析を行った。なお、示差走査熱量分析の条件は以下の通りとした。 After charging was complete, the secondary battery was disassembled in a glove box filled with argon, and the positive electrode was removed. This positive electrode was washed with dimethyl carbonate and then dried in the glove box. The positive electrode active material layer was sampled from the dried positive electrode and subjected to differential scanning calorimetry. The conditions for differential scanning calorimetry were as follows:

測定開始温度:室温
測定終了温度:500℃
昇温速度:10℃/分
Measurement start temperature: room temperature Measurement end temperature: 500°C
Temperature increase rate: 10°C/min

示差走査熱量分析により得られたDSCカーブに現れる発熱ピークのピーク温度及び当該発熱ピークにおける発熱量を表2に示す。 The peak temperatures of the exothermic peaks appearing in the DSC curve obtained by differential scanning calorimetry and the heat release values at those exothermic peaks are shown in Table 2.

表1に示したように、試験材S1~S8は、前記特定の組成式で表される組成を有するとともに、空間群R-3mで表される層状岩塩型結晶構造を有している。そのため、表2に示すように、これらの試験材は、優れた熱的安定性及び出力特性を有している。 As shown in Table 1, test materials S1 to S8 have compositions represented by the specific composition formula described above, and also have a layered rock-salt crystal structure represented by the space group R-3m. Therefore, as shown in Table 2, these test materials have excellent thermal stability and output characteristics.

これに対し、Niの含有率が試験材S1~S8と同程度であり、W及びMgの両方を含まない試験材R1は、試験材S1~S8に比べて直流抵抗が高く、出力特性に劣っている。また、試験材R1は、試験材S1~S8に比べて発熱量が大きく、熱的安定性に劣っている。 In contrast, test material R1, which has a Ni content similar to that of test materials S1 to S8 but does not contain either W or Mg, has higher DC resistance and inferior output characteristics than test materials S1 to S8. Furthermore, test material R1 generates more heat than test materials S1 to S8 and has inferior thermal stability.

Niの含有率が試験材S1~S8と同程度であり、Mgを含まない試験材R2は、試験材S1~S8に比べて発熱ピーク温度が低く、比較的低い温度で分解するおそれがある。さらに、試験材R2は、発熱量が大きく、熱的安定性に劣っている。 Test material R2, which has a Ni content similar to that of test materials S1 to S8 but does not contain Mg, has a lower exothermic peak temperature than test materials S1 to S8 and may decompose at a relatively low temperature. Furthermore, test material R2 generates a large amount of heat and has poor thermal stability.

Niの含有率が試験材S1~S8と同程度であり、Mgを含まない試験材R4は、試験材S1~S8に比べて発熱量が大きく、熱的安定性に劣っている。 Test material R4, which has a Ni content similar to that of test materials S1 to S8 but does not contain Mg, generates more heat and has poorer thermal stability than test materials S1 to S8.

Niの含有率が試験材S1~S8と同程度であり、Wを含まない試験材R3及び試験材R5は、試験材S1~S8に比べて直流抵抗が高く、出力特性に劣っている。 Test materials R3 and R5, which have a Ni content similar to that of test materials S1 to S8 but do not contain W, have higher DC resistance and inferior output characteristics than test materials S1 to S8.

また、試験材S9は、前記特定の組成式で表される組成を有するとともに、空間群R-3mで表される層状岩塩型結晶構造を有している。そのため、試験材S9は、優れた熱的安定性及び出力特性を有している。 In addition, test material S9 has a composition represented by the specific composition formula and a layered rock-salt crystal structure represented by the space group R-3m. Therefore, test material S9 has excellent thermal stability and output characteristics.

これに対し、Niの含有率が試験材S9と同程度であり、W及びMgの両方を含まない試験材R6は、試験材S9に比べて直流抵抗が高く、出力特性に劣っている。また、試験材R6は、試験材S9に比べて発熱ピーク温度が低く、比較的低い温度で分解するおそれがある。さらに、試験材R6は、発熱量が大きく、熱的安定性に劣っている。 In contrast, test material R6, which has a Ni content similar to that of test material S9 but does not contain either W or Mg, has higher DC resistance and inferior output characteristics than test material S9. Furthermore, test material R6 has a lower heat generation peak temperature than test material S9, and there is a risk of decomposition at a relatively low temperature. Furthermore, test material R6 generates a large amount of heat and has poor thermal stability.

Niの含有率が試験材S9と同程度であり、Mgを含まない試験材R7は、試験材S9に比べて発熱量が大きく、熱的安定性に劣っている。 Test material R7, which has a Ni content similar to that of test material S9 but does not contain Mg, generates more heat and has poorer thermal stability than test material S9.

Niの含有率が試験材S9と同程度であり、Wを含まない試験材R8は、試験材S9に比べて直流抵抗が高く、出力特性に劣っている。 Test material R8, which has a Ni content similar to that of test material S9 but does not contain W, has higher DC resistance and inferior output characteristics compared to test material S9.

以上のように、Niの含有率が同程度である試験材S1~S8と試験材R1~R5との比較、及び試験材S9と試験材R6~R8との比較から、Li-Ni-Mn系正極活物質にWとMgとの両方を添加することにより、放電容量、出力特性及び熱的安定性をバランスよく向上可能であることが理解できる。 As described above, by comparing test materials S1-S8 with test materials R1-R5, which have similar Ni contents, and test material S9 with test materials R6-R8, it can be seen that adding both W and Mg to a Li-Ni-Mn-based positive electrode active material can improve discharge capacity, output characteristics, and thermal stability in a balanced manner.

本発明に係る正極活物質及び非水電解液二次電池の具体的な構成は、前述した実施例の構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を損なわない範囲で適宜変更することができる。 The specific configurations of the positive electrode active material and nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention are not limited to those of the above-described examples, and can be modified as appropriate within the scope of the present invention.

1 非水電解液二次電池
2 正極
21 正極集電体
22 正極活物質層
3 負極
4 セパレータ
5 非水電解液
1 Nonaqueous electrolyte secondary battery 2 Positive electrode 21 Positive electrode current collector 22 Positive electrode active material layer 3 Negative electrode 4 Separator 5 Nonaqueous electrolyte

Claims (6)

非水電解液二次電池に用いられる正極活物質であって、
LiaNibMncdMgefの組成式(ただし、前記組成式におけるa~fは、0.9<a<1.2、0.45<b<0.6、0.25<c<0.5、0<d<0.06、0<e<0.1、1.9<f<2.1の関係を満たす。)で表される組成を有するとともに、
空間群R-3mに帰属可能な層状岩塩型結晶構造を有する、正極活物質。
A positive electrode active material for use in a non-aqueous electrolyte secondary battery,
It has a composition represented by a composition formula of Li a Ni b Mn c W d Mg e O f (wherein a to f in the composition formula satisfy the relationships 0.9<a<1.2, 0.45<b<0.6, 0.25<c<0.5, 0<d<0.06, 0<e<0.1, 1.9<f<2.1),
A positive electrode active material having a layered rock salt crystal structure that can be assigned to space group R-3m.
前記正極活物質の結晶格子におけるa軸の長さが2.880Å以上2.900Å以下であり、c軸の長さが14.290Å以上14.360Å以下である、請求項1に記載の正極活物質。 The positive electrode active material according to claim 1, wherein the length of the a-axis of the crystal lattice of the positive electrode active material is 2.880 Å or more and 2.900 Å or less, and the length of the c-axis is 14.290 Å or more and 14.360 Å or less. 正極と、負極と、非水電解液とを有する非水電解液二次電池であって、
前記正極は、請求項1または2に記載の正極活物質を含む、非水電解液二次電池。
A non-aqueous electrolyte secondary battery having a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte,
A non-aqueous electrolyte secondary battery, wherein the positive electrode comprises the positive electrode active material according to claim 1 or 2.
請求項1または2に記載の正極活物質の製造方法であって、
共沈法により前記組成のうちLi以外の全ての金属元素を含む前駆体を作製し、
前記前駆体と、Liを含む化合物とを混合して混合物を作製し、
前記混合物を酸化性ガス雰囲気中で焼成することにより前記正極活物質を得る、正極活物質の製造方法。
3. The method for producing a positive electrode active material according to claim 1 or 2,
A precursor containing all metal elements in the composition except for Li is prepared by a coprecipitation method;
mixing the precursor with a compound containing Li to prepare a mixture;
The method for producing a positive electrode active material includes calcining the mixture in an oxidizing gas atmosphere to obtain the positive electrode active material.
前記前駆体を作製する際に、アルカリ性を示す反応溶液と、Wを含む第1原料溶液と、前記組成のうちLi及びW以外の金属元素を含む第2原料溶液と、を準備し、
前記第1原料溶液と前記第2原料溶液とを前記反応溶液中に同時に滴下して前記前駆体を作製する、請求項4に記載の正極活物質の製造方法。
When preparing the precursor, an alkaline reaction solution, a first raw material solution containing W, and a second raw material solution containing metal elements other than Li and W in the composition are prepared;
The method for producing a positive electrode active material according to claim 4 , wherein the precursor is produced by simultaneously dropping the first raw material solution and the second raw material solution into the reaction solution.
前記前駆体を作製する際に、さらに、アルカリ性を示すpH調整溶液を準備し、
前記pH調整溶液を、前記第1原料溶液及び前記第2原料溶液とともに前記反応溶液中に滴下して前記前駆体を作製する、請求項5に記載の正極活物質の製造方法。
When preparing the precursor, a pH-adjusted solution exhibiting alkaline properties is further prepared,
The method for producing a positive electrode active material according to claim 5 , wherein the precursor is produced by adding the pH-adjusted solution dropwise to the reaction solution together with the first raw material solution and the second raw material solution.
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