JP7765028B2 - Coated positive electrode active material and method for producing same - Google Patents
Coated positive electrode active material and method for producing sameInfo
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Description
本発明は、リチウムイオン二次電池用の被覆正極活物質及びその製造方法に関し、より詳細には、高電位での作動時におけるガス発生が抑えられたリチウムイオン二次電池用の被覆正極活物質及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a coated positive electrode active material for lithium ion secondary batteries and a method for manufacturing the same. More specifically, the present invention relates to a coated positive electrode active material for lithium ion secondary batteries that suppresses gas generation during operation at high potentials and a method for manufacturing the same.
リチウムイオン二次電池の研究開発は、携帯機器、ハイブリット自動車、電気自動車、家庭用蓄電用途で盛んに行われている。これらの分野に用いられるリチウムイオン二次電池は、安全性の高さ、長期サイクル安定性、高エネルギー密度等が求められている。 Research and development of lithium-ion secondary batteries is being actively conducted for use in portable devices, hybrid vehicles, electric vehicles, and home energy storage. Lithium-ion secondary batteries used in these fields require high safety, long-term cycle stability, and high energy density.
近年、安全性の高さ、長期サイクル安定性の観点から、負極活物質にチタン酸リチウムを用いたリチウムイオン二次電池が提案されている。チタン酸リチウムの作動電位は一般的な負極活物質である黒鉛等よりも高いため、リチウム析出が起きにくく安全性が向上するものの、エネルギー密度の観点からは不利である。一方、正極活物質に関しては、Liの析出電位に対して4.5V以上の高電位で作動する材料が提案されている(例えば、特許文献1)。 In recent years, lithium-ion secondary batteries using lithium titanate as the negative electrode active material have been proposed from the perspectives of high safety and long-term cycle stability. Because the operating potential of lithium titanate is higher than that of common negative electrode active materials such as graphite, lithium deposition is less likely to occur, improving safety, but this is disadvantageous from the perspective of energy density. Meanwhile, materials have been proposed for the positive electrode active material that operate at a high potential of 4.5 V or more relative to the deposition potential of Li (see, for example, Patent Document 1).
チタン酸リチウムの作動電位の高さに起因するエネルギー密度の減少は、前記した特許文献1に示されるような高電位で作動する正極活物質と、チタン酸リチウムを組み合わせることで、改善することが期待される。他方、負極活物質に黒鉛を用いた従来のリチウムイオン二次電池においても、正極活物質表面で非水電解質の酸化分解によりガスが発生するが、従来の二次電池よりも正極活物質の作動電位がより高い二次電池の場合には、前記したガスの発生の問題がより顕著となる。 The reduction in energy density caused by the high operating potential of lithium titanate is expected to be improved by combining lithium titanate with a positive electrode active material that operates at a high potential, as shown in the aforementioned Patent Document 1. Meanwhile, even in conventional lithium-ion secondary batteries that use graphite as the negative electrode active material, gas is generated due to the oxidative decomposition of the non-aqueous electrolyte on the surface of the positive electrode active material. However, in secondary batteries with positive electrode active materials that have a higher operating potential than conventional secondary batteries, the problem of gas generation becomes more pronounced.
そこで、特許文献2のように、高電位で動作する正極材料表面に被覆層を形成し、ガス発生を抑制する手段も報告されている。しかし、被覆物質の粒子径が大きいこと等からガス発生は依然として確認されており、改善の余地があった。 As such, methods have been reported, such as in Patent Document 2, in which a coating layer is formed on the surface of a positive electrode material that operates at a high potential to suppress gas generation. However, gas generation was still confirmed due to factors such as the large particle size of the coating material, and there was room for improvement.
本発明では、高電位で作動する正極活物質を用いたリチウムイオン二次電池において、ガスの発生を更に抑制した正極活物質を提供することを目的とする。 The object of the present invention is to provide a positive electrode active material that further suppresses gas generation in a lithium-ion secondary battery that uses a positive electrode active material that operates at a high potential.
上記事情に鑑み、本発明者らは前記したガス発生を抑制する手段について検討を進めた結果、正極活物質がリチウムイオン伝導性酸化物で被覆された被覆正極活物質について、正極活物質は、作動電圧がリチウム金属の溶解析出電位基準である4.5V以上であり、上記リチウムイオン伝導性酸化物は600℃未満において非晶質であり、且つ、X線小角散乱法による粒子径が10nm以下に粉砕された透明ゾルであることによってガス発生を効果的に抑止できることを見出し、本発明を完成するに至った。 In light of the above circumstances, the inventors have continued to investigate means for suppressing the aforementioned gas generation. As a result, they have discovered that gas generation can be effectively suppressed for a coated positive electrode active material in which the positive electrode active material is coated with a lithium ion conductive oxide, if the positive electrode active material has an operating voltage of 4.5 V or higher, which is the standard dissolution and deposition potential of lithium metal, and the lithium ion conductive oxide is amorphous at temperatures below 600°C, and is a transparent sol that has been pulverized to a particle size of 10 nm or less as measured by small-angle X-ray scattering. This discovery led to the completion of the present invention.
本発明はまた、上記透明ゾルは、アルコールと、下記式(A):
Li1+p+q(Al,Ga)p(Ti,Ge)2-pSiqP3-qO12 ・・・(A)
(式(A)中、p、qは、それぞれ0≦p≦1、0≦q≦1を満たす。)
で表されるリチウムイオン伝導性酸化物の粉砕物とを含み、該粉砕物の含有量が全重量に対して15~30重量%であることが好ましい。
更に、上記正極活物質は、下記式(1):
Li1+xMyMn2-x-yO4 ・・・(1)
(式(1)中、x、yは、それぞれ0≦x≦0.2、0<y≦0.8を満たし、Mは、Al、Mg、Zn、Ni、Co、Fe、Ti、Cu及びCrからなる群より選ばれる少なくとも1種である。)
で表される置換型リチウムマンガン化合物であることが好ましい。
また、本発明は、別の形態として、リチウムイオン伝導性酸化物をX線小角散乱法による粒子径が10nm以下になるまで粉砕するステップと、上記粉砕されたリチウムイオン伝導性酸化物の粉末をアルコールに添加し透明ゾル状態にするステップと、上記リチウムイオン伝導性酸化物の粉末が添加された上記透明ゾルを、正極活物質に対してメカノケミカル法によって被覆するステップと、上記透明ゾルで被覆された正極活物質を100℃以上500℃以下で熱処理するステップとを含み、上記透明ゾル状態にするステップにおいて、上記リチウムイオン伝導性酸化物の上記粉末を、上記透明ゾルの全重量に対して15~30重量%の割合で添加することを特徴とする被覆正極活物質の製造方法に関する。
上記製造方法において、リチウムイオン伝導性酸化物は、下記式(A):
Li1+p+q(Al,Ga)p(Ti,Ge)2-pSiqP3-qO12 ・・・(A)
(式(A)中、p、qは、それぞれ0≦p≦1、0≦q≦1を満たす。)
で表されることが好ましい。
また、上記正極活物質が、下記式(1)で表される置換型リチウムマンガン化合物である正極活物質の製造方法であることも好ましい。
Li1+xMyMn2-x-yO4 ・・・(1)
(式(1)中、x、yは、それぞれ0≦x≦0.2、0<y≦0.8を満たし、Mは、Al、Mg、Zn、Ni、Co、Fe、Ti、Cu及びCrからなる群より選ばれる少なくとも1種である。)
The present invention also relates to a transparent sol comprising an alcohol and a compound represented by the following formula (A):
Li 1+p+q (Al, Ga) p (Ti, Ge) 2-p Si q P 3-q O 12 ...(A)
(In formula (A), p and q satisfy 0≦p≦1 and 0≦q≦1, respectively.)
and a pulverized product of a lithium ion conductive oxide represented by the formula (I) above, and the content of the pulverized product is preferably 15 to 30 wt % based on the total weight.
Furthermore, the positive electrode active material is a compound represented by the following formula (1):
Li 1+x M y Mn 2-x-y O 4 ...(1)
(In formula (1), x and y satisfy 0≦x≦0.2 and 0<y≦0.8, respectively, and M is at least one element selected from the group consisting of Al, Mg, Zn, Ni, Co, Fe, Ti, Cu, and Cr.)
It is preferable that the lithium manganese compound is a substituted lithium manganese compound represented by the following formula:
In another aspect, the present invention relates to a method for producing a coated positive electrode active material, the method comprising the steps of: pulverizing a lithium ion conductive oxide until the particle size measured by small-angle X-ray scattering is 10 nm or less; adding the pulverized lithium ion conductive oxide powder to alcohol to form a transparent sol; coating a positive electrode active material with the transparent sol to which the lithium ion conductive oxide powder has been added by a mechanochemical method; and heat-treating the positive electrode active material coated with the transparent sol at 100°C or higher and 500°C or lower, wherein in the step of forming the transparent sol, the lithium ion conductive oxide powder is added in an amount of 15 to 30 wt% based on the total weight of the transparent sol.
In the above production method, the lithium ion conductive oxide is represented by the following formula (A):
Li 1+p+q (Al, Ga) p (Ti, Ge) 2-p Si q P 3-q O 12 ...(A)
(In formula (A), p and q satisfy 0≦p≦1 and 0≦q≦1, respectively.)
It is preferable that the formula be represented by the following formula:
In addition, the method for producing a positive electrode active material is also preferable, in which the positive electrode active material is a substituted lithium manganese compound represented by the following formula (1).
Li 1+x M y Mn 2-x-y O 4 ...(1)
(In formula (1), x and y satisfy 0≦x≦0.2 and 0<y≦0.8, respectively, and M is at least one element selected from the group consisting of Al, Mg, Zn, Ni, Co, Fe, Ti, Cu, and Cr.)
本発明によれば、高電位で作動する正極活物質であって、非水電解質の酸化分解によるガスの発生を抑制できる正極活物質を提供することができる。 The present invention provides a positive electrode active material that operates at a high potential and can suppress the generation of gas due to oxidative decomposition of the non-aqueous electrolyte.
本発明の一実施形態について以下に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。 One embodiment of the present invention is described below, but the present invention is not limited to this.
本発明の被覆正極活物質は、正極活物質がリチウムイオン伝導性酸化物で被覆された被覆正極活物質であって、
上記正極活物資は、作動電圧がリチウム金属の溶解析出電位基準である4.5V以上のリチウム伝導性活物質であり、
上記リチウムイオン伝導性酸化物は、600℃未満において非晶質であり、且つ、X線小角散乱法による粒子径が10nm以下に粉砕された透明ゾルである。
上記被覆正極活物質は、例えば、
リチウムイオン伝導性酸化物をX線小角散乱法による粒子径が10nm以下になるまで粉砕するステップと、
上記粉砕されたリチウムイオン伝導性酸化物の粉末をアルコールに添加し透明ゾル状態にするステップと、
上記リチウムイオン伝導性酸化物の粉末が添加された上記透明ゾルを、正極活物質に対してメカノケミカル法によって被覆するステップと、
上記透明ゾルで被覆された正極活物質を100℃以上500℃以下で熱処理するステップとを含み、
上記透明ゾル状態にするステップにおいて、上記リチウムイオン伝導性酸化物の上記粉末を、上記透明ゾルの全重量に対して15~30重量%の割合で添加する、製造方法により得られる。
The coated positive electrode active material of the present invention is a coated positive electrode active material in which a positive electrode active material is coated with a lithium ion conductive oxide,
The positive electrode active material is a lithium conductive active material having an operating voltage of 4.5 V or more based on the dissolution and deposition potential of lithium metal,
The lithium ion conductive oxide is amorphous at temperatures below 600° C. and is a transparent sol that has been pulverized to a particle size of 10 nm or less as measured by small-angle X-ray scattering.
The coated positive electrode active material may be, for example,
a step of pulverizing the lithium ion conductive oxide until the particle size measured by small angle X-ray scattering is 10 nm or less;
adding the pulverized lithium ion conductive oxide powder to alcohol to form a transparent sol;
a step of coating the transparent sol to which the lithium ion conductive oxide powder has been added onto a positive electrode active material by a mechanochemical method;
and heat-treating the positive electrode active material coated with the transparent sol at 100° C. or higher and 500° C. or lower,
In the step of forming the transparent sol, the powder of the lithium ion conductive oxide is added in an amount of 15 to 30% by weight based on the total weight of the transparent sol.
一般的に、リチウムイオン二次電池には、非水電解質が用いられており、詳細は後述するが、非水溶媒にリチウム塩を溶解させた、液体状態の非水電解質が使用されている。一方、非水溶媒とリチウム塩の両方の機能を併せ持つ、固体状態の固体電解質が存在する。固体電解質は、液体状態の非水電解質よりも酸化耐性が高いため、高電位での酸化分解は抑えられる。しかし、液体よりも固体のほうが、リチウムイオン伝導度が低いため、電解質全てを固体電解質に置き換えてしまうと、電池としての性能は大きく低下してしまう。 Lithium-ion secondary batteries generally use non-aqueous electrolytes. (Details will be provided later.) These are liquid non-aqueous electrolytes, consisting of a lithium salt dissolved in a non-aqueous solvent. On the other hand, there are solid electrolytes that combine the functions of both a non-aqueous solvent and a lithium salt. Solid electrolytes have higher oxidation resistance than liquid non-aqueous electrolytes, suppressing oxidative decomposition at high potentials. However, because lithium ion conductivity is lower in solids than in liquids, replacing the entire electrolyte with a solid electrolyte significantly reduces battery performance.
そこで、高電位の正極活物質の表面のみを、固体電解質であるリチウムイオン伝導性酸化物で被覆することで、非水電解質は従来のままでもガス抑制できる。
被覆方法は特に限定されないがメカニカルコーティング等の均一被覆が可能な方法が好ましい。メカニカルコーティングは、本発明では透明ゾル状態のリチウムイオン伝導性酸化物を使用するから、溶媒により接着性、展延性が付与され、均一に被覆することが可能であることから好ましい。また、熱処理により溶媒を揮発させる際、熱処理温度を調整し、好ましくはリチウムイオン伝導性酸化物の粒径や正極活物質との混合比を制御して、正極活物質の抵抗を上げることなく、電池性能も低下せずに、リチウムイオン伝導性酸化物を正極活物質に被覆できる。
本発明で用いるリチウムイオン伝導性酸化物は、透明ゾル状態であるが固体の正極活物質を被覆するためには、ある程度のエネルギーを要する。したがって、せん断力及び圧縮力を付与できるメカノケミカル法を使ったメカニカルコーティング法が好ましく、固体電解質が正極活物質を被覆することで、従来の非水電解質と正極活物質との接触を低減し、ガス発生を抑制できる。
更に、詳細は後述するが、熱処理温度を調整し、好ましくはリチウムイオン伝導性酸化物の粒径や正極活物質との混合比を制御して、正極活物質の抵抗を上げることなく、電池性能も低下せずに、リチウムイオン伝導性酸化物を正極活物質に被覆できる。
Therefore, by covering only the surface of the high-potential positive electrode active material with a lithium ion conductive oxide, which is a solid electrolyte, gas generation can be suppressed even if the non-aqueous electrolyte remains the same.
The coating method is not particularly limited, but a method capable of achieving uniform coating, such as mechanical coating, is preferred. Mechanical coating is preferred because, in the present invention, a lithium ion conductive oxide in a transparent sol state is used, and the solvent provides adhesiveness and ductility, enabling uniform coating. Furthermore, when volatilizing the solvent by heat treatment, the heat treatment temperature is adjusted, and preferably the particle size of the lithium ion conductive oxide and the mixing ratio with the positive electrode active material are controlled, so that the lithium ion conductive oxide can be coated on the positive electrode active material without increasing the resistance of the positive electrode active material or reducing battery performance.
The lithium ion conductive oxide used in the present invention is in a transparent sol state, but a certain amount of energy is required to coat the solid positive electrode active material. Therefore, a mechanical coating method using a mechanochemical method that can apply shearing force and compressive force is preferred. By coating the positive electrode active material with a solid electrolyte, contact between the conventional nonaqueous electrolyte and the positive electrode active material can be reduced, and gas generation can be suppressed.
Furthermore, as will be described in detail later, by adjusting the heat treatment temperature and preferably controlling the particle size of the lithium ion conductive oxide and the mixing ratio with the positive electrode active material, it is possible to coat the positive electrode active material with the lithium ion conductive oxide without increasing the resistance of the positive electrode active material or reducing the battery performance.
<メカニカルコーティング法>
メカニカルコーティングとは、せん断力、圧縮力、衝突力及び遠心力の少なくとも1種のエネルギーを母材及び/又は被覆剤に付与(せん断力及び圧縮力を付与できることが好ましく、せん断力、圧縮力及び衝突力を付与できることがより好ましい)しつつ、母材及び被覆剤を機械的に接触させることにより、母材と被覆剤を混合して母材表面に被覆材を被覆する手段を表す。本発明においては、正極活物質が母材に相当し、被覆剤が透明ゾル状態のリチウムイオン伝導性酸化物に相当する。用いる装置としては、特に限定されないが、例えば、ホソカワミクロン社製のノビルタに代表される摩砕式ミルや、遊星ボールミル(例えばフリッチュ社製)を好適に用いることができる。この中では、操作が簡便であり、ボールミルのように処理後にボールを分離する必要もないという観点から、摩砕式ミルが好ましい。
<Mechanical coating method>
Mechanical coating refers to a method of applying at least one type of energy, selected from shear force, compression force, impact force, and centrifugal force, to a base material and/or coating agent while mechanically contacting the base material and coating agent, mixing the base material and coating agent, and coating the surface of the base material with the coating agent. In the present invention, the positive electrode active material corresponds to the base material, and the coating agent corresponds to the lithium ion conductive oxide in a transparent sol state. The apparatus used is not particularly limited, but examples include a grinding mill, such as the Nobilta manufactured by Hosokawa Micron Corporation, and a planetary ball mill (e.g., manufactured by Fritsch). Among these, a grinding mill is preferred from the viewpoints of simple operation and the absence of the need to separate the balls after processing, as in a ball mill.
本発明の製造方法において、有底円筒容器と、先端翼を備えるローターとを備え、前記先端翼と前記容器内周との間に所定のクリアランスを設け、前記ローターを回転させることで、前記正極活物質及び前記透明ゾル状態のリチウムイオン伝導性酸化物を含む混合物に圧縮力とせん断力を与えて、メカニカルコーティングを実施することが好ましい。 In the manufacturing method of the present invention, it is preferable to provide a bottomed cylindrical container and a rotor with tip blades, provide a predetermined clearance between the tip blades and the inner periphery of the container, and rotate the rotor to apply compressive and shear forces to the mixture containing the positive electrode active material and the lithium ion conductive oxide in the transparent sol state, thereby performing mechanical coating.
メカニカルコーティング法による処理は、湿式の場合、用いる溶媒は特に限定されず、水、有機溶媒を用いることができる。有機溶媒としては、例えばエタノール等のアルコールを使用できる。湿式の場合の溶媒の添加タイミングは特に限定されないが、透明ゾル状態のリチウムイオン伝導性酸化物を溶媒で希釈してメカニカルコーティング法に用いてもよく、スラリー中の透明ゾル状態のリチウムイオン伝導性酸化物の濃度は、特に限定されないが、全重量に対して、例えば10~30重量%であり、15~30重量%が好ましく、15~25重量%がより好ましい。 When wet mechanical coating is used, the solvent used is not particularly limited, and water or an organic solvent can be used. Examples of organic solvents that can be used include alcohols such as ethanol. There are no particular limitations on the timing of adding the solvent in wet coating, but a transparent sol of lithium ion conductive oxide can be diluted with a solvent before use in the mechanical coating process. The concentration of the transparent sol of lithium ion conductive oxide in the slurry is not particularly limited, but is, for example, 10 to 30 wt %, preferably 15 to 30 wt %, and more preferably 15 to 25 wt %, based on the total weight.
メカニカルコーティングの処理温度は好ましくは5~100℃であり、より好ましくは8~80℃であり、更に好ましくは10~50℃であり、処理時間は好ましくは5~90分、より好ましくは10~60分である。処理雰囲気は、特に限定されず、不活性ガス雰囲気下あるいは空気雰囲気下とすればよい。 The mechanical coating treatment temperature is preferably 5 to 100°C, more preferably 8 to 80°C, and even more preferably 10 to 50°C, and the treatment time is preferably 5 to 90 minutes, more preferably 10 to 60 minutes. The treatment atmosphere is not particularly limited, and can be an inert gas atmosphere or an air atmosphere.
メカニカルコーティング後の試料をそのまま使用することも可能だが、熱処理を行うことが好ましい。これにより、前記正極活物質とリチウムイオン伝導性酸化物の密着性が向上し、繰り返し充放電を行っても前記リチウムイオン伝導性酸化物が前記正極活物質から剥離することが抑えられ、電池の長期信頼性が向上する。熱処理温度が高くなりすぎると前記リチウムイオン伝導性酸化物の結晶構造が変化し、Liイオン伝導度が低下して電池の充放電が正常に行われなくなる場合があるため、熱処理温度は500℃以下であることが好ましく、より好ましくは100℃以上500℃以下である。熱処理時間は、30分以上が好ましく、より好ましくは1時間以上であり、上限は特に限定されないが、例えば3時間以下である。 While the sample after mechanical coating can be used as is, it is preferable to perform heat treatment. This improves the adhesion between the positive electrode active material and the lithium ion conductive oxide, preventing the lithium ion conductive oxide from peeling off from the positive electrode active material even during repeated charge and discharge, improving the long-term reliability of the battery. If the heat treatment temperature is too high, the crystal structure of the lithium ion conductive oxide may change, reducing Li ion conductivity and preventing normal battery charge and discharge. Therefore, the heat treatment temperature is preferably 500°C or less, and more preferably 100°C or more and 500°C or less. The heat treatment time is preferably 30 minutes or more, more preferably 1 hour or more. There is no upper limit, but it is, for example, 3 hours or less.
<正極活物質>
本発明の製造方法に用いる正極活物質は特に限定されないが、リチウムの脱離及び挿入の平均電位がLi+/Liに対して、すなわちLiの析出電位に対して(vs.Li+/Liと表す場合がある)、好ましくは4.5V以上であり、より好ましくは4.5V以上5.0V以下である。リチウムイオン挿入・脱離反応の電位(以下、電圧ともいう)(vs.Li+/Li)は、例えば、正極活物質を用いた動作極、リチウム金属を対極とした半電池の充放電特性を測定し、プラトー開始時、及び終了時の電圧値を読み取ることによって求めることができる。プラトーが2箇所以上あった場合は、もっとも低い電圧値のプラトーが4.5V(vs.Li+/Li)以上であればよく、もっとも高い電圧値のプラトーが5.0V(vs.Li+/Li)以下であればよい。
<Cathode active material>
The positive electrode active material used in the manufacturing method of the present invention is not particularly limited, but the average potential of lithium deintercalation and intercalation relative to Li + /Li, i.e., the deposition potential of Li (sometimes expressed as vs. Li + /Li), is preferably 4.5 V or more, more preferably 4.5 V or more and 5.0 V or less. The potential (hereinafter also referred to as voltage) of the lithium ion intercalation and intercalation reaction (vs. Li + /Li) can be determined, for example, by measuring the charge/discharge characteristics of a half cell using a working electrode using the positive electrode active material and lithium metal as the counter electrode, and reading the voltage values at the start and end of the plateau. When there are two or more plateaus, it is sufficient that the plateau with the lowest voltage value is 4.5 V (vs. Li + /Li) or more, and the plateau with the highest voltage value is 5.0 V (vs. Li + /Li) or less.
リチウムイオンの挿入・脱離反応が、Liの析出電位に対して4.5V以上5.0V以下で進行する正極活物質は特に限定されないが、下記式(1)で表される置換型リチウムマンガン化合物が従来から検討されており、好ましい。 There are no particular limitations on the positive electrode active material in which the lithium ion insertion/extraction reaction proceeds at a potential between 4.5 V and 5.0 V relative to the Li deposition potential, but substituted lithium manganese compounds represented by the following formula (1) have been studied and are preferred.
Li1+xMyMn2-x-yO4 ・・・(1)
前記式(1)中、x、yはそれぞれ0≦x≦0.2、0<y≦0.8を満たし、MはAl、Mg、Zn、Ni、Co、Fe、Ti、Cu及びCrよりなる群から選ばれる少なくとも1種である。
Li 1+x M y Mn 2-x-y O 4 ...(1)
In the formula (1), x and y satisfy the conditions 0≦x≦0.2 and 0<y≦0.8, respectively, and M is at least one element selected from the group consisting of Al, Mg, Zn, Ni, Co, Fe, Ti, Cu, and Cr.
上記式(1)の中でも、MがNiであるNi置換リチウムマンガン化合物が好ましく、特にx=0、y=0.5、M=Niである、すなわちLiNi0.5Mn1.5O4が充放電サイクルの安定性効果が高いことから特に好ましい。 Among the compounds of the formula (1), Ni-substituted lithium manganese compounds in which M is Ni are preferred, and in particular, LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 in which x=0, y=0.5, and M=Ni is particularly preferred because of its high charge-discharge cycle stability.
正極活物質の粒径については特に限定されないが、粒径が小さすぎると、後述する酸化物系固体電解質の粒径との差が小さくなって被覆が難しくなるため、メジアン径d50は5μm以上が好ましく、10μm以上がより好ましく、更に好ましくは20μm以上である。またメジアン径d50は100μm以下であることが好ましく、80μm以下がより好ましく、50μm以下が更に好ましい。電極に加工する際の厚み範囲も考慮すると、前記d50は10~50μmであることが好ましく、20~50μmがより好ましい。 There are no particular restrictions on the particle size of the positive electrode active material, but if the particle size is too small, the difference with the particle size of the oxide-based solid electrolyte (described below) will be small, making coating difficult. Therefore, the median diameter d50 is preferably 5 μm or more, more preferably 10 μm or more, and even more preferably 20 μm or more. Furthermore, the median diameter d50 is preferably 100 μm or less, more preferably 80 μm or less, and even more preferably 50 μm or less. Taking into account the thickness range when processing into an electrode, the d50 is preferably 10 to 50 μm, and more preferably 20 to 50 μm.
<透明ゾル状態のリチウムイオン伝導性酸化物>
本発明に用いる透明ゾル状態のリチウムイオン伝導性酸化物は特に限定されないが、化学的な安定性を考慮して酸化物系固体電解質を用いることが好ましい。酸化物系固体電解質は結晶構造別に逆蛍石型、NASICON型、ペロブスカイト型、ガーネット型等があるが、特に限定されない。酸化物系固体電解質としては、例えば下記式(A):
Li1+p+q(Al,Ga)p(Ti,Ge)2-pSiqP3-qO12 ・・・(A)
(式(A)中、p、qは、それぞれ0≦p≦1、0≦q≦1を満たす。)
で表されるLATPを用いることができ、特に下記式(A1):
Li1+pAlpTi2-pP3O12 ・・・(A1)
(式(A1)中、pは、0≦p≦1を満たす。)
で表される酸化物系固体電解質が好ましい。
<Lithium ion conductive oxide in a transparent sol state>
The lithium ion conductive oxide in a transparent sol state used in the present invention is not particularly limited, but it is preferable to use an oxide-based solid electrolyte in consideration of chemical stability. Oxide-based solid electrolytes include antifluorite type, NASICON type, perovskite type, garnet type, etc. according to their crystal structure, but are not particularly limited. Examples of oxide-based solid electrolytes include those of the following formula (A):
Li 1+p+q (Al, Ga) p (Ti, Ge) 2-p Si q P 3-q O 12 ...(A)
(In formula (A), p and q satisfy 0≦p≦1 and 0≦q≦1, respectively.)
LATP represented by the following formula (A1):
Li 1+p Al p Ti 2-p P 3 O 12 ...(A1)
(In formula (A1), p satisfies 0≦p≦1.)
An oxide-based solid electrolyte represented by the following formula is preferred.
前記透明ゾル状態のリチウムイオン伝導性酸化物の粒径については非晶質且つ透明ゾル状態となるまで粉砕を行うことから、必然として微細粒子となる。具体的にはBET比表面積換算径(dBET)を、好ましくは10nm以下、より好ましくは8nm以下、更に好ましくは6nm以下まで微粒子化することが望ましい。
微粒子化処理の方法としては、ボールミル、ビーズミル等の公知の手段が使用され得る。なお、BET比表面積換算径(dBET)は、JIS-Z8830(2013)に規定された方法に従って、窒素吸着法一点法により、窒素吸着BET比表面積を求め、dBET=6/(密度×BET比表面積)の式により求められる粒径である。
The lithium ion conductive oxide in the transparent sol state is pulverized until it becomes amorphous and transparent, so that it inevitably becomes fine particles. Specifically, it is desirable to microparticle the BET specific surface area equivalent diameter (dBET) to preferably 10 nm or less, more preferably 8 nm or less, and even more preferably 6 nm or less.
As a method for microparticulation treatment, known means such as a ball mill, a bead mill, etc. The BET specific surface area equivalent diameter (dBET) is a particle size calculated by determining the nitrogen adsorption BET specific surface area by the nitrogen adsorption single-point method in accordance with the method specified in JIS-Z8830 (2013), and then calculating the particle size from the formula dBET = 6/(density × BET specific surface area).
前記正極活物質のメジアン径d50と、前記透明ゾル状態のリチウムイオン伝導性酸化物のBET比表面積換算径dBETの比は10000:1~100:1であることが好ましく、より好ましくは5000:1~300:1であり、更に好ましくは2000:1~500:1であり、特に1000:1~500:1が好ましい。 The ratio of the median diameter d50 of the positive electrode active material to the BET specific surface area equivalent diameter dBET of the lithium ion conductive oxide in the transparent sol state is preferably 10,000:1 to 100:1, more preferably 5,000:1 to 300:1, even more preferably 2,000:1 to 500:1, and particularly preferably 1,000:1 to 500:1.
また前記正極活物質100質量部に対する前記透明ゾル状態のリチウムイオン伝導性酸化物(スラリーで用いる場合は固形分)の割合は、0.5質量部以上が好ましく、より好ましくは1質量部以上であり、更に好ましくは2質量部以上であり、また10質量部以下が好ましく、より好ましくは5質量部以下であり、更に好ましくは4質量部以下である。前記割合は、1質量部以上、5質量部以下が好ましく(すなわち、前記正極活物質と前記透明ゾル状態のリチウムイオン伝導性酸化物の質量比が100:1~20:1)、2質量部以上、4質量部以下である(すなわち、前記正極活物質と前記透明ゾル状態のリチウムイオン伝導性酸化物の質量比が、50:1~25:1)ことも好ましい。 The ratio of the lithium ion conductive oxide in a transparent sol state (solid content when used as a slurry) to 100 parts by mass of the positive electrode active material is preferably 0.5 parts by mass or more, more preferably 1 part by mass or more, even more preferably 2 parts by mass or more, and is preferably 10 parts by mass or less, more preferably 5 parts by mass or less, and even more preferably 4 parts by mass or less. The ratio is preferably 1 part by mass or more and 5 parts by mass or less (i.e., the mass ratio of the positive electrode active material to the lithium ion conductive oxide in a transparent sol state is 100:1 to 20:1), and also preferably 2 parts by mass or more and 4 parts by mass or less (i.e., the mass ratio of the positive electrode active material to the lithium ion conductive oxide in a transparent sol state is 50:1 to 25:1).
<リチウムイオン二次電池>
リチウムイオン二次電池は、主に、正極、負極、非水電解質で構成される。正極は、例えば、正極活物質、導電助剤及びバインダー等を含む正極合剤を正極集電体に塗布することで作製され、負極は、例えば、負極活物質、導電助剤及びバインダー等を含む負極合剤を負極集電体に塗布することで作製される。本発明の製造方法により得られる被覆正極活物質は、リチウムイオン二次電池の正極活物質として好適に用いられ、具体的には本発明の製造方法により得られる被覆正極活物質を含む正極合剤を正極集電体に塗布して正極を作製することができる。正極合剤を正極集電体に塗布した後、及び負極合剤を負極集電体に塗布した後は、100~200℃程度で乾燥させればよい。
<Lithium-ion secondary battery>
Lithium-ion secondary batteries are primarily composed of a positive electrode, a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte. The positive electrode is fabricated, for example, by applying a positive electrode mixture containing a positive electrode active material, a conductive additive, a binder, etc. to a positive electrode current collector. The negative electrode is fabricated, for example, by applying a negative electrode mixture containing a negative electrode active material, a conductive additive, a binder, etc. to a negative electrode current collector. The coated positive electrode active material obtained by the manufacturing method of the present invention is suitable for use as the positive electrode active material of a lithium-ion secondary battery. Specifically, a positive electrode can be fabricated by applying a positive electrode mixture containing the coated positive electrode active material obtained by the manufacturing method of the present invention to a positive electrode current collector. After applying the positive electrode mixture to the positive electrode current collector and the negative electrode mixture to the negative electrode current collector, they can be dried at approximately 100 to 200°C.
前記被覆正極活物質を用いたリチウムイオン二次電池の構成、及び被覆正極活物質以外に使用する材料、リチウムイオン二次電池の製造装置及び条件は、従来公知のものが適用でき、特に限定されない。 The configuration of a lithium-ion secondary battery using the coated positive electrode active material, the materials used other than the coated positive electrode active material, and the manufacturing equipment and conditions for the lithium-ion secondary battery may be conventionally known and are not particularly limited.
<負極活物質>
負極活物質としては、上述した通り、リチウム析出が起きにくく安全性が向上するという観点からチタン酸リチウムを使用することが好ましい。チタン酸リチウムの中でも、リチウムイオンの挿入・脱離の反応における活物質の膨張収縮が小さい点から、スピネル構造のチタン酸リチウムが特に好ましい。チタン酸リチウムには、例えばNb等のリチウム、チタン以外の元素が微量含まれていてもよい。
<Negative electrode active material>
As described above, lithium titanate is preferably used as the negative electrode active material because it is less susceptible to lithium deposition and improves safety. Among lithium titanates, lithium titanate with a spinel structure is particularly preferred because it exhibits small expansion and contraction of the active material during the lithium ion insertion and desorption reactions. Lithium titanate may contain trace amounts of elements other than lithium and titanium, such as Nb.
<導電助剤>
導電助剤としては、特に限定されないが、正極及び負極のいずれについても、例えば、炭素材料が好ましい。炭素材料としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、気相成長炭素繊維、カーボンナノチューブ、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、及びファーネスブラック等が挙げられる。これら炭素材料は1種類でもよいし、2種類以上用いてもよい。正極に含まれる導電助剤の量は、正極活物質100重量部に対して、好ましくは1重量部以上30重量部以下、より好ましくは2重量部以上15重量部以下である。上記範囲であれば、正極の伝導性が確保される。また、後述のバインダーとの接着性が維持され、集電体との接着性が十分に得ることができる。また負極に含まれる導電助剤の量は、負極活物質100重量部に対して、好ましくは1重量部以上30重量部以下、より好ましくは2重量部以上15重量部以下である。
<Conductive additive>
The conductive additive is not particularly limited, but is preferably, for example, a carbon material for both the positive electrode and the negative electrode. Examples of carbon materials include natural graphite, artificial graphite, vapor-grown carbon fiber, carbon nanotubes, acetylene black, ketjen black, and furnace black. These carbon materials may be used alone or in combination. The amount of conductive additive contained in the positive electrode is preferably 1 part by weight to 30 parts by weight, more preferably 2 parts by weight to 15 parts by weight, per 100 parts by weight of the positive electrode active material. Within this range, the conductivity of the positive electrode is ensured. Furthermore, adhesion with the binder described below is maintained, and sufficient adhesion with the current collector can be obtained. The amount of conductive additive contained in the negative electrode is preferably 1 part by weight to 30 parts by weight, more preferably 2 parts by weight to 15 parts by weight, per 100 parts by weight of the negative electrode active material.
<バインダー>
バインダーは、特に限定されないが、正極及び負極のいずれについても、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、スチレン-ブタジエンゴム、ポリイミド、及びそれらの誘導体からなる群より選ばれる少なくとも1種を用いることができる。バインダーは正極及び負極の作製しやすさから、非水溶媒又は水に溶解又は分散されていることが好ましい。非水溶媒は、特に限定されないが、例えば、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、酢酸メチル、酢酸エチル、及びテトラヒドロフラン等を挙げることができる。これらに分散剤、増粘剤を加えてもよい。本発明の正極に含まれるバインダーの量は、正極活物質100重量部に対して、好ましくは1重量部以上30重量部以下、より好ましくは2重量部以上15重量部以下である。上記範囲であれば、正極活物質と導電助材との接着性が維持され、集電体との接着性が十分に得ることができる。また負極に含まれるバインダーの量は、負極活物質100重量部に対して、好ましくは1重量部以上30重量部以下、より好ましくは2重量部以上15重量部以下である。
<Binder>
The binder is not particularly limited, but for both the positive electrode and the negative electrode, at least one selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene-butadiene rubber, polyimide, and derivatives thereof can be used. The binder is preferably dissolved or dispersed in a non-aqueous solvent or water for ease of preparation of the positive electrode and the negative electrode. The non-aqueous solvent is not particularly limited, but examples include N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylformamide, dimethylacetamide, methyl ethyl ketone, methyl acetate, ethyl acetate, and tetrahydrofuran. A dispersant or thickener may be added to these. The amount of binder contained in the positive electrode of the present invention is preferably 1 part by weight to 30 parts by weight, more preferably 2 parts by weight to 15 parts by weight, per 100 parts by weight of the positive electrode active material. Within the above range, adhesion between the positive electrode active material and the conductive additive is maintained, and sufficient adhesion to the current collector can be obtained. The amount of binder contained in the negative electrode is preferably 1 part by weight to 30 parts by weight, more preferably 2 parts by weight to 15 parts by weight, per 100 parts by weight of the negative electrode active material.
<集電体>
正極集電体及び負極集電体のいずれも特に限定されないが、アルミニウム又はアルミニウム合金であることが好ましい。アルミニウム又はアルミニウム合金は、正極及び負極反応雰囲気下で安定であることから、特に限定されないが、JIS規格1030、1050、1085、1N90、1N99等に代表される高純度アルミニウムであることが好ましい。集電体の厚みは、特に限定されないが、10μm以上100μm以下であることが好ましい。この範囲内であれば、電池作製時の取扱い性、コスト、得られる電池特性の点でバランスが取り易い。なお、集電体は、アルミニウム以外の金属(銅、SUS、ニッケル、チタン、及びそれらの合金)の表面に正極及び負極の電位で反応しない金属を被覆したものも用いることもできる。
<Current collector>
The positive electrode current collector and the negative electrode current collector are not particularly limited, but are preferably aluminum or an aluminum alloy. Since aluminum or an aluminum alloy is stable under the positive and negative electrode reaction atmosphere, it is not particularly limited, but high-purity aluminum such as JIS standards 1030, 1050, 1085, 1N90, and 1N99 is preferred. The thickness of the current collector is not particularly limited, but is preferably 10 μm or more and 100 μm or less. Within this range, it is easy to balance the handling during battery production, cost, and obtained battery characteristics. It is also possible to use current collectors in which the surface of a metal other than aluminum (copper, SUS, nickel, titanium, and alloys thereof) is coated with a metal that does not react at the positive and negative electrode potentials.
<非水電解質>
非水電解質は、特に限定されないが、例えば、非水溶媒に溶質を溶解させた非水電解液、非水溶媒に溶質を溶解させた非水電解液を高分子に含浸させたゲル電解質等を用いることができる。
<Non-aqueous electrolyte>
The non-aqueous electrolyte is not particularly limited, but examples thereof include a non-aqueous electrolytic solution in which a solute is dissolved in a non-aqueous solvent, and a gel electrolyte in which a polymer is impregnated with a non-aqueous electrolytic solution in which a solute is dissolved in a non-aqueous solvent.
非水溶媒としては、例えば、環状の非プロトン性溶媒及び/又は鎖状の非プロトン性溶媒を含むことが好ましい。環状の非プロトン性溶媒としては、環状カーボネート、環状エステル、環状スルホン及び環状エーテル等が例示される。鎖状の非プロトン性溶媒としては、鎖状カーボネート、鎖状カルボン酸エステル、鎖状エーテル、及びアセトニトリル等の一般的に非水電解質の溶媒として用いられる溶媒を用いても良い。より具体的には、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、γ-ブチルラクトン、1,2-ジメトキシエタン、スルホラン、ジオキソラン、プロピオン酸メチル等を用いることができる。これら溶媒は1種類で用いてもよいし、2種類以上混合しても用いてもよいが、後述の溶質の溶解させやすさ、リチウムイオンの伝導性の高さから、2種類以上混合した溶媒を用いることが好ましい。 The non-aqueous solvent preferably includes, for example, a cyclic aprotic solvent and/or a chain aprotic solvent. Examples of cyclic aprotic solvents include cyclic carbonates, cyclic esters, cyclic sulfones, and cyclic ethers. Chain aprotic solvents may include solvents commonly used as solvents for non-aqueous electrolytes, such as chain carbonates, chain carboxylic acid esters, chain ethers, and acetonitrile. More specifically, dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, diethyl carbonate, dipropyl carbonate, methyl propyl carbonate, ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, γ-butyrolactone, 1,2-dimethoxyethane, sulfolane, dioxolane, and methyl propionate. These solvents may be used alone or in combination; however, a mixture of two or more solvents is preferred due to the ease of dissolving the solute (described below) and the high lithium ion conductivity.
2種類以上混合する場合、高温時の安定性が高く、且つ低温時のリチウム伝導性が高いことから、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、及びメチルプロピルカーボネートに例示される鎖状カーボネートのうち1種類以上、と、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、γ-ブチルラクトンに例示される環状化合物のうち1種類以上との混合が好ましく、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、及びジエチルカーボネートに例示される鎖状カーボネートのうち1種類以上と、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネートに例示される環状カーボネートのうち1種類以上との混合が特に好ましい。 When mixing two or more types, due to their high stability at high temperatures and high lithium conductivity at low temperatures, it is preferable to mix one or more chain carbonates such as dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, diethyl carbonate, dipropyl carbonate, and methyl propyl carbonate with one or more cyclic compounds such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, and γ-butyrolactone. It is particularly preferable to mix one or more chain carbonates such as dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, and diethyl carbonate with one or more cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, and butylene carbonate.
前記溶質は、特に限定されないが、例えば、LiClO4、LiBF4、LiPF6、LiAsF6、LiCF3SO3、LiBOB(Lithium Bis (Oxalato) Borate)、LiN(SO2CF3)2等は溶媒に溶解しやすいことから好ましい。非水電解質に含まれる溶質の濃度は、0.5mol/L以上2.0mol/L以下であることが好ましい。0.5mol/L以上であると、所望のリチウムイオン伝導性が発現しやすく、一方、2.0mol/L以下であると、溶質が溶解しやすい。 The solute is not particularly limited, but examples thereof include LiClO4 , LiBF4 , LiPF6 , LiAsF6 , LiCF3SO3 , LiBOB (Lithium Bis(Oxalato)Borate), and LiN( SO2CF3 ) 2 , which are preferred because they are easily dissolved in the solvent. The concentration of the solute contained in the non-aqueous electrolyte is preferably 0.5 mol/L or more and 2.0 mol/L or less. When the concentration is 0.5 mol/L or more, the desired lithium ion conductivity is easily exhibited, while when the concentration is 2.0 mol/L or less, the solute is easily dissolved.
本発明のリチウムイオン二次電池に用いる非水電解質の量は、特に限定されないが、電池容量1Ahあたり、0.1mL以上であることが好ましい。この量であれば、電極反応に伴うリチウムイオンの伝導を確保でき、所望の電池性能が発現する。 The amount of nonaqueous electrolyte used in the lithium-ion secondary battery of the present invention is not particularly limited, but is preferably 0.1 mL or more per 1 Ah of battery capacity. This amount ensures the conduction of lithium ions involved in the electrode reaction, resulting in the desired battery performance.
非水電解質は、あらかじめ正極、負極及びセパレータに含ませてもよいし、正極側と負極側との間にセパレータを配置したものを倦回、あるいは積層した後に添加してもよい。 The non-aqueous electrolyte may be pre-mixed with the positive electrode, negative electrode, and separator, or may be added after the separator is placed between the positive electrode and negative electrode and then wound or stacked.
リチウムイオン二次電池は、上記した構成の他、通常、更にセパレータ、外装材を含む。 In addition to the above components, lithium-ion secondary batteries typically also include a separator and an exterior material.
(セパレータ)
セパレータは、正極と負極との間に設置され、絶縁性且つ後述の非水電解質を含むことが出来る構造であればよく、例えば、ナイロン、セルロース、ポリスルホン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリアミド、ポリエチレンテレフタラート、及びそれらを2種類以上複合したものの織布、不織布、微多孔膜等が挙げられる。サイクル特性の安定性が優れることから、ナイロン、セルロース、ポリスルホン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリアミド、ポリエチレンテレフタラート、及びそれらを2種類以上複合したものの不織布であることが好ましい。
(separator)
The separator may be disposed between the positive electrode and the negative electrode, and may have any structure as long as it is insulating and capable of containing the non-aqueous electrolyte described below, and examples thereof include woven fabrics, nonwoven fabrics, microporous membranes, etc. made of nylon, cellulose, polysulfone, polyethylene, polypropylene, polybutene, polyacrylonitrile, polyimide, polyamide, polyethylene terephthalate, and composites of two or more of these. Nylon, cellulose, polysulfone, polyethylene, polypropylene, polybutene, polyacrylonitrile, polyimide, polyamide, polyethylene terephthalate, and nonwoven fabrics made of composites of two or more of these are preferred because they provide excellent stability in cycle characteristics.
セパレータには、各種可塑剤、酸化防止剤、難燃剤が含まれてもよいし、金属酸化物等が被覆されていてもよい。セパレータの厚みは、特に限定されないが、10μm以上100μm以下であることが好ましい。この範囲内であれば、正極と負極が短絡することを防ぎつつ、電池の抵抗が高くなることを抑えることが出来る。経済性、取り扱いの観点から、15μm以上50μm以下であることが更に好ましい。 The separator may contain various plasticizers, antioxidants, and flame retardants, and may be coated with metal oxides, etc. There are no particular restrictions on the thickness of the separator, but it is preferable that it be between 10 μm and 100 μm. Within this range, it is possible to prevent short-circuiting between the positive and negative electrodes while suppressing an increase in battery resistance. From the standpoints of economy and ease of handling, it is even more preferable that it be between 15 μm and 50 μm.
前記セパレータの空隙率は、30%以上、90%以下であることが好ましい。30%以上であると、リチウムイオンの拡散性が低下しにくいためサイクル特性を維持しやすく、一方、90%以下であると、電極の凹凸がセパレータを貫通しショートする恐れを効果的に抑えることができる。リチウムイオンの拡散性の確保、及びショートの防止のバランスの観点から、35%以上、85%以下がより好ましく、前記バランスが特に優れていることから、40%以上、80%以下が特に好ましい。 The porosity of the separator is preferably 30% or more and 90% or less. If it is 30% or more, the diffusibility of lithium ions is less likely to decrease, making it easier to maintain cycle characteristics. On the other hand, if it is 90% or less, the risk of electrode irregularities penetrating the separator and causing a short circuit can be effectively reduced. From the perspective of balancing the diffusibility of lithium ions and the prevention of short circuits, a porosity of 35% or more and 85% or less is more preferable, and a porosity of 40% or more and 80% or less is particularly preferable as this balance is particularly excellent.
(外装材)
外装材は、正極、負極及びセパレータを交互に積層又は捲回してなる積層体、ならびに積層体を電気的に接続する端子を封入する部材である。外装材としては、金属箔にヒートシール用の熱可塑性樹脂層を設けた複合フィルム、蒸着やスパッタリングによって形成された金属層、又は角形、楕円形、円筒形、コイン形、ボタン形もしくはシート形の金属缶が好適に用いられる。
(exterior material)
The exterior packaging material is a member that encloses a laminate formed by alternately stacking or winding positive electrodes, negative electrodes, and separators, as well as terminals that electrically connect the laminate. Suitable exterior packaging materials include composite films in which a thermoplastic resin layer for heat sealing is provided on a metal foil, metal layers formed by vapor deposition or sputtering, and metal cans in the shape of a square, oval, cylinder, coin, button, or sheet.
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。本発明は以下の実施例によって制限を受けるものではなく、前記、後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。 The present invention will be explained in more detail below using examples. The present invention is not limited to the following examples, and it is of course possible to implement the invention with appropriate modifications within the scope of the above-mentioned and below-mentioned aims, and all such modifications are within the technical scope of the present invention.
下記実施例及び比較例で得られた被覆正極をもとにして作製したリチウムイオン二次電池を以下の方法により評価した。 Lithium-ion secondary batteries fabricated using the coated positive electrodes obtained in the following examples and comparative examples were evaluated using the following methods.
(ガス発生量)
サイクル特性評価前後のリチウムイオン二次電池のガス発生量の評価は、アルキメデス法、すなわちリチウムイオン二次電池の浮力を用いて評価した。評価は下記の通りに行った。
(gas generation amount)
The amount of gas generated from the lithium ion secondary battery before and after the cycle performance evaluation was evaluated using the Archimedes method, that is, the buoyancy of the lithium ion secondary battery. The evaluation was performed as follows.
最初に、リチウムイオン二次電池の重量を電子天秤で測定した。次に、比重計(アルファミラージュ株式会社製、品番:MDS-3000)を用いて水中での重量を測定し、これら重量の差をとることによって浮力を算出した。この浮力を水の密度(1.0g/cm
3)で除することによって、リチウムイオン二次電池の体積を算出した。エージング後の体積と、サイクル特性評価後の体積を比較することによって、発生したガス量を算出した。ガス発生量が20ml未満を良好と判断した。ガス発生量は15ml以下であることがより好ましい。
First, the weight of the lithium ion secondary battery was measured using an electronic balance. Next, the weight in water was measured using a hydrometer (manufactured by Alpha Mirage, product number: MDS-3000), and the buoyancy was calculated by taking the difference between these weights. This buoyancy was calculated based on the density of water (1.0 g/cm
The volume of the lithium ion secondary battery was calculated by dividing the volume by the volume of the battery after aging. The volume after aging and the volume after cycle performance evaluation were compared to calculate the amount of gas generated. A gas generation amount of less than 20 ml was considered to be good. A gas generation amount of 15 ml or less is more preferable.
(リチウムイオン二次電池のサイクル特性評価)
作製したリチウムイオン二次電池を、充放電装置(HJ1005SD8、北斗電工社製)に接続し、サイクル運転を行った。60℃の環境下で、1.0C相当の電流値で電池電圧が終止電圧3.4Vに到達するまで定電流充電を行い、充電を停止した。続いて1.0C相当の電流値で定電流放電を行い、電池電圧が2.5Vに達した時点で放電を停止した。これを1サイクルとして充放電を繰り返した。サイクル特性の安定性は、1回目の放電容量を100としたときの500回目の放電容量を、放電容量維持率(%)として評価した。500回目の放電容量維持率が80%以上を良好、80%未満を不良とした。
(Evaluation of cycle characteristics of lithium-ion secondary batteries)
The fabricated lithium-ion secondary battery was connected to a charge/discharge device (HJ1005SD8, manufactured by Hokuto Denko Corporation) and cycled. Constant-current charging was performed at a current value equivalent to 1.0 C in a 60°C environment until the battery voltage reached a cut-off voltage of 3.4 V, and charging was then stopped. Subsequently, constant-current discharging was performed at a current value equivalent to 1.0 C, and discharging was stopped when the battery voltage reached 2.5 V. This constituted one cycle, and charging and discharging were repeated. The stability of the cycle characteristics was evaluated as the discharge capacity retention rate (%), where the discharge capacity at the 500th discharge was defined as 100. A discharge capacity retention rate of 80% or more at the 500th discharge was rated as good, and a rate of less than 80% was rated as poor.
合成例1 リチウムイオン伝導性酸化物の作製
リチウムイオン伝導性酸化物として、Li1.3A10.3Ti1.7(PO4)3(以下、LATPともいう)を調製した。出発原料として、Li2CO3、AlPO4、TiO2、NH4H2PO4、溶剤となるエタノールを所定量混合し、直径3mmのジルコニア球を用いて150Gで1時間遊星ボールミル処理を行った。処理後の混合物からジルコニア球を篩で取り除いた後、120℃で乾燥してエタノールを除去した。その後、800℃で2時間処理を行い、LATP粉末を得た。
Synthesis Example 1 Preparation of Lithium Ion Conductive Oxide Li 1.3 A 10.3 Ti 1.7 (PO 4 ) 3 (hereinafter also referred to as LATP) was prepared as a lithium ion conductive oxide. As starting materials, Li 2 CO 3 , AlPO 4 , TiO 2 , NH 4 H 2 PO 4 , and a solvent of ethanol were mixed in predetermined amounts, and then subjected to a planetary ball mill treatment at 150 G for 1 hour using zirconia balls with a diameter of 3 mm. After removing the zirconia balls from the mixture after the treatment with a sieve, the mixture was dried at 120 ° C to remove the ethanol. Then, the mixture was treated at 800 ° C for 2 hours to obtain LATP powder.
(被覆正極活物質の作製)
実施例1
(i) リチウムイオン伝導性酸化物の粉砕、アルコールへの添加
得られたLATP粉末に溶剤となるエタノールを所定量混合し、直径0.5mmのジルコニア球を用いて3~6時間遊星ボールミル処理を行った。処理後のジルコニア球を篩で除去したのち、エタノールを混合し前記LATP固形分が16.4重量%とした。これにより、X線結晶回折測定においてLATP由来のピークを持たない、dBETが3~10nmの透明ゾル状態のLATPを得た。
(Preparation of coated positive electrode active material)
Example 1
(i) Pulverization of lithium ion conductive oxide and addition to alcohol. The obtained LATP powder was mixed with a predetermined amount of ethanol as a solvent, and treated in a planetary ball mill using zirconia balls with a diameter of 0.5 mm for 3 to 6 hours. After the treatment, the zirconia balls were removed with a sieve, and ethanol was added to adjust the LATP solid content to 16.4 wt%. This resulted in LATP in a transparent sol state with a dBET of 3 to 10 nm and no peaks derived from LATP in X-ray crystal diffraction measurements.
(ii) 被覆処理、熱処理
正極活物質として、メジアン径が20μmのスピネル型のニッケルマンガン酸リチウム(LiNi0.5Mn1.5O4、以下、LNMOともいう)を用いた。
(ii) Coating Treatment and Heat Treatment As the positive electrode active material, spinel-type lithium nickel manganese oxide (LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 , hereinafter also referred to as LNMO) having a median diameter of 20 μm was used.
LNMO40gを摩砕式ミル(ホソカワミクロン社製、ノビルタ)に投入し、クリアランス0.6mm、ローター負荷動力1.5kW、2600rpmで回転させながら、3時間粉砕を施した透明ゾル状態のLATPの6.1gを二回に分けて投入した。その後、前記ローター回転数を2600~3000rpmの範囲に保って空気雰囲気下、室温で10分間処理し、LATPで表面を被覆したLNMOを得た。得られた表面被覆LNMOを350℃で1時間熱処理して、被覆正極活物質を得た。 40 g of LNMO was placed in a grinding mill (Hosokawa Micron Corporation, Nobilta) and rotated at 2600 rpm with a clearance of 0.6 mm and a rotor load power of 1.5 kW. 6.1 g of LATP, which had been ground for 3 hours and had been in a transparent sol state, was then added in two batches. The rotor rotation speed was then maintained between 2600 and 3000 rpm, and the mixture was treated at room temperature in an air atmosphere for 10 minutes to obtain LNMO with its surface coated with LATP. The resulting surface-coated LNMO was then heat-treated at 350°C for 1 hour to obtain a coated positive electrode active material.
実施例2
被覆正極活物質の作製において、透明ゾル状態のLATP被覆量を9.1gとした以外は、実施例1と同様の操作を実施して、被覆正極活物質を作製した。
Example 2
A coated positive electrode active material was produced in the same manner as in Example 1, except that the amount of LATP coated in a transparent sol state was changed to 9.1 g.
比較例1
被覆正極活物質の作製において、LATPの粒径は同等であるが、得られた表面被覆LNMOを600℃で1時間熱処理したものを使用する以外は、実施例1と同様の操作を実施して、被覆正極活物質を作製した。
Comparative Example 1
In preparing the coated positive electrode active material, the particle size of the LATP was the same, but the surface-coated LNMO obtained was heat-treated at 600°C for 1 hour. The same operation as in Example 1 was carried out to prepare the coated positive electrode active material.
比較例2
被覆正極活物質の作製において、LATPの粒径は同等であるが、得られた表面被覆LNMOを50℃で1時間熱処理したものを使用する以外は、実施例1と同様の操作を実施して、被覆正極活物質を作製した。
Comparative Example 2
In preparing the coated positive electrode active material, the particle size of the LATP was the same, but the surface-coated LNMO obtained was heat-treated at 50°C for 1 hour. The same operation as in Example 1 was carried out to prepare the coated positive electrode active material.
比較例3
リチウムイオン伝導性酸化物の粉砕において、LATPの粉砕時間を1時間とし、X線結晶回折測定においてLATP由来のピークを持つ粒子径が20nm程度のものを使用する以外は、実施例1と同様の操作を実施して、被覆正極活物質を作製した。
Comparative Example 3
A coated positive electrode active material was prepared by carrying out the same operation as in Example 1, except that in the grinding of the lithium ion conductive oxide, the grinding time of LATP was set to 1 hour and that particles having a particle diameter of about 20 nm and having a peak derived from LATP in X-ray crystal diffraction measurement were used.
比較例4
リチウムイオン伝導性酸化物の粉砕において、LATPの粉砕時間を2時間とし、X線結晶回折測定においてLATP由来のピークをもたないが、透明ゾル状態でない粒子径が15nm程度のものを使用する以外は、実施例1と同様の操作を実施して、被覆正極活物質を作製した。
Comparative Example 4
A coated positive electrode active material was prepared by carrying out the same operations as in Example 1, except that in the grinding of the lithium ion conductive oxide, the grinding time of LATP was set to 2 hours, and that the particle diameter of the LATP was about 15 nm, which did not have a peak derived from LATP in the X-ray crystal diffraction measurement but was not in a transparent sol state, was used.
比較例5
表面被覆を行わないLNMOを使用する以外は、実施例1と同様の操作を行い、正極活物質を作製した。
Comparative Example 5
A positive electrode active material was prepared in the same manner as in Example 1, except that LNMO without surface coating was used.
実施例1~2及び比較例1~5で得られた正極活物質を用いて、以下の操作により正極合剤、正極、負極、及びリチウムイオン二次電池を作製し、上記評価方法に従い、リチウムイオン二次電池のガス発生量とサイクル特性の評価を行った。評価結果を表1に示す。 Positive electrode mixtures, positive electrodes, negative electrodes, and lithium-ion secondary batteries were prepared using the positive electrode active materials obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 5 according to the procedures described below. The gas generation rate and cycle characteristics of the lithium-ion secondary batteries were evaluated according to the evaluation methods described above. The evaluation results are shown in Table 1.
(正極の作製)
得られた表面被覆LNMO、導電助剤としてのアセチレンブラック、及びバインダーとしてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)を、それぞれ固形分濃度で90重量部、6重量部、及び4重量部含む混合物を、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)に分散させた正極合剤を作製した。なお、前記バインダーは固形分濃度5重量%のN-メチル-2-ピロリドン(NMP)溶液に調整したものを使用し、後述の塗工をしやすいように、更にNMPを加えて粘度調整した。
(Preparation of Positive Electrode)
A mixture containing the obtained surface-coated LNMO, acetylene black as a conductive additive, and polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder in solid concentrations of 90 parts by weight, 6 parts by weight, and 4 parts by weight, respectively, was dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) to prepare a positive electrode mixture. The binder was prepared as an N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) solution with a solid concentration of 5% by weight, and NMP was further added to adjust the viscosity to facilitate coating, as described below.
前記正極合剤を20μmのアルミニウム箔に塗工した後に、120℃のオーブンで乾燥させた。この操作をアルミニウム箔の両面に対して実施した後、更に170℃で真空乾燥することによって正極を作製した。 The positive electrode mixture was applied to a 20 μm thick aluminum foil and then dried in an oven at 120°C. This process was repeated on both sides of the aluminum foil, and the foil was then further dried in a vacuum at 170°C to produce a positive electrode.
(負極の作製)
負極活物質として、スピネル型のチタン酸リチウム(Li4Ti5O12、以下、LTOともいう)を用いた。前記LTO、導電助剤としてのアセチレンブラック、及びバインダーとしてのPVdFを、それぞれ固形分濃度で100重量部、5重量部、及び5重量部含む混合物を、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)に分散させた負極合剤を作製した。なお、前記バインダーは固形分濃度5重量%のNMP溶液に調製したものを使用し、後述の塗工をしやすいように、更にNMPを加えて粘度調整した。
(Preparation of negative electrode)
Spinel-type lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 , hereinafter also referred to as LTO) was used as the negative electrode active material. A mixture containing the LTO, acetylene black as a conductive additive, and PVdF as a binder in solid concentrations of 100 parts by weight, 5 parts by weight, and 5 parts by weight, respectively, was dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) to prepare a negative electrode mixture. The binder was prepared as an NMP solution with a solid concentration of 5% by weight, and NMP was further added to adjust the viscosity to facilitate coating, as described below.
前記負極合剤を20μmのアルミニウム箔に塗工した後に、120℃のオーブンで乾燥させた。この操作をアルミニウム箔の両面に対して実施した後、更に170℃で真空乾燥することによって負極を作製した。 The negative electrode mixture was applied to a 20 μm thick aluminum foil and then dried in an oven at 120°C. This process was repeated on both sides of the aluminum foil, and the foil was then further dried in a vacuum at 170°C to produce a negative electrode.
(リチウムイオン二次電池の作製)
上記で作製した正極及び負極と、20μmのポリプロピレン製セパレータを用いて、以下の手順で電池を作製した。まず初めに、前記正極及び負極を80℃で12時間、減圧乾燥した。次に、負極/セパレータ/正極の順に正極を15枚、負極を16枚使用して積層した。最外層はどちらもセパレータとなるようにした。次に、両端の正極及び負極にアルミニウムタブを振動溶着させた。
(Fabrication of lithium ion secondary battery)
A battery was fabricated using the positive and negative electrodes fabricated above and a 20 μm polypropylene separator according to the following procedure. First, the positive and negative electrodes were dried under reduced pressure at 80°C for 12 hours. Next, 15 positive electrodes and 16 negative electrodes were stacked in the order of negative electrode/separator/positive electrode. Both outermost layers were separators. Next, aluminum tabs were vibration-welded to both ends of the positive and negative electrodes.
外装材となる二枚のアルミニウムラミネートフィルムを準備し、プレスにより電池部となる窪みとガス捕集部となる窪みを形成後、前記電極積層体を入れた。非水電解質注液用のスペースを残した外周部を180℃×7秒でヒートシールし、未シール箇所から、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート及びエチルメチルカーボネートを、体積基準でエチレンカーボネート/プロピレンカーボネート/エチルメチルカーボネート=15/15/70の割合で混合した溶媒に、LiPF6を1mol/Lとなる割合で溶解させた非水電解質を入れた後に、減圧しながら未シール箇所を180℃×7秒でヒートシールした。得られた電池を0.2C相当の電流値で電池電圧が終止電圧3.4Vに到達するまで定電流充電を行い、充電を停止した。その後、60℃の環境で24時間静置した後、0.2C相当の電流値で定電流放電を行い、電池電圧が2.5Vに達した時点で放電を停止した。放電停止後、ガス捕集部に溜まったガスを抜き取り、再シールを行った。以上の操作により、評価用のリチウムイオン二次電池を作製した。 Two aluminum laminate films were prepared as exterior materials, and a depression for the battery section and a depression for the gas collection section were formed by pressing. The electrode laminate was then inserted. The outer periphery, leaving a space for non-aqueous electrolyte injection, was heat-sealed at 180 ° C for 7 seconds. A non-aqueous electrolyte prepared by dissolving LiPF6 at a concentration of 1 mol/L in a solvent containing ethylene carbonate, propylene carbonate, and ethyl methyl carbonate in a volume ratio of 15/15/70 was then introduced from the unsealed portion. The unsealed portion was then heat-sealed at 180 ° C for 7 seconds while reducing the pressure. The resulting battery was charged at a constant current equivalent to 0.2 C until the battery voltage reached a cut-off voltage of 3.4 V, and the charging was then stopped. After that, the battery was left to stand in an environment of 60°C for 24 hours, and then constant current discharge was performed at a current value equivalent to 0.2 C, and discharge was stopped when the battery voltage reached 2.5 V. After discharging was stopped, the gas accumulated in the gas collection section was removed and the battery was resealed. Through the above operations, a lithium ion secondary battery for evaluation was produced.
実施例1~2のリチウムイオン二次電池は、サイクル特性評価によって発生したガス量が少なく、容量維持率も高い結果となった。 The lithium-ion secondary batteries of Examples 1 and 2 generated a small amount of gas during cycle performance evaluation and had a high capacity retention rate.
一方、粒子径は実施例1、2と同等であるが熱処理温度を600℃とした比較例1は発生ガス量が多く、容量維持率も低い結果となった。これは、LATPの再結晶化が原因と考えられる。 On the other hand, although the particle size was equivalent to Examples 1 and 2, Comparative Example 1, in which the heat treatment temperature was 600°C, produced a large amount of gas and had a low capacity retention rate. This is thought to be due to recrystallization of LATP.
更に、粒子径は実施例1、2と同等であるが熱処理温度を50℃とした比較例2も発生ガス量が多く、容量維持率も低い結果となった。これは、スプレーコーティング時の溶媒の残留が原因と考えられる。 Furthermore, although the particle size was similar to Examples 1 and 2, Comparative Example 2, in which the heat treatment temperature was set to 50°C, also generated a large amount of gas and had a low capacity retention rate. This is thought to be due to residual solvent remaining during spray coating.
LATP粉砕時間を1時間とし、X線結晶回折測定においてLATP由来のピークを持つ比較例3も発生ガス量が多く、容量維持率も低い結果となった。 Comparative Example 3, in which the LATP grinding time was 1 hour and the X-ray crystal diffraction measurement showed a peak derived from LATP, also produced a large amount of gas and had a low capacity retention rate.
LATP粉砕時間を2時間とし、X線結晶回折測定においてLATP由来のピークをもたないが、ゾル状態でない比較例4も発生ガス量が多く、容量維持率も低い結果となった。 The LATP was crushed for 2 hours, and although X-ray crystal diffraction measurements showed no peaks attributable to LATP, Comparative Example 4, which was not in a sol state, also produced a large amount of gas and had a low capacity retention rate.
以上の結果から、高電位で作動する正極活物質の表面に、非晶質且つ透明ゾル状態となるまで粉砕したリチウムイオン伝導性酸化物を正極活物質表面に被覆した正極活物質を用いたリチウムイオン二次電池は、高電位で充放電を行ってもガス発生量が少なく、サイクル特性も良好であることが明らかとなった。 These results demonstrate that lithium-ion secondary batteries using a positive electrode active material that operates at high potential and has its surface coated with a lithium-ion conductive oxide that has been pulverized until it becomes an amorphous, transparent sol have low gas generation even when charged and discharged at high potential, and also have good cycle characteristics.
本発明の被覆正極活物質は、リチウムイオン二次電池の正極活物質として好適に用いられる。
The coated positive electrode active material of the present invention is suitably used as a positive electrode active material for lithium ion secondary batteries.
Claims (3)
前記正極活物質は、作動電圧がリチウム金属の溶解析出電位基準である4.5V以上のリチウム伝導性活物質であり、
前記リチウムイオン伝導性酸化物は、非晶質であり、且つ、BET比表面積換算による粒子径が3nm以下に粉砕された微細粒子であることを特徴とする、被覆正極活物質。 A coated positive electrode active material in which the positive electrode active material is coated with a lithium ion conductive oxide,
The positive electrode active material is a lithium conductive active material having an operating voltage of 4.5 V or more based on the dissolution and deposition potential of lithium metal,
The coated positive electrode active material is characterized in that the lithium ion conductive oxide is amorphous and is in the form of fine particles that have been pulverized to have a particle diameter of 3 nm or less as calculated by BET specific surface area.
Li1+p+q(Al,Ga)p(Ti,Ge)2-pSiqP3-qO12 ・・・(A)
(式(A)中、p、qは、それぞれ0≦p≦1、0≦q≦1を満たす。)
で表されるリチウムイオン伝導性酸化物の粉砕物を含む、請求項1に記載の被覆正極活物質。 The fine particles are represented by the following formula (A):
Li 1+p+q (Al, Ga) p (Ti, Ge) 2-p Si q P 3-q O 12 ...(A)
(In formula (A), p and q satisfy 0≦p≦1 and 0≦q≦1, respectively.)
The coated positive electrode active material according to claim 1 , comprising a pulverized lithium ion conductive oxide represented by the formula:
Li1+xMyMn2-x-yO4 ・・・(1)
(式(1)中、x、yは、それぞれ0≦x≦0.2、0<y≦0.8を満たし、Mは、Al、Mg、Zn、Ni、Co、Fe、Ti、Cu及びCrからなる群より選ばれる少なくとも1種である。)
で表される置換型リチウムマンガン化合物である、請求項1又は2に記載の被覆正極活物質。 The positive electrode active material is a compound represented by the following formula (1):
Li 1+x M y Mn 2-x-y O 4 ...(1)
(In formula (1), x and y satisfy 0≦x≦0.2 and 0<y≦0.8, respectively, and M is at least one element selected from the group consisting of Al, Mg, Zn, Ni, Co, Fe, Ti, Cu, and Cr.)
3. The coated positive electrode active material according to claim 1, which is a substituted lithium manganese compound represented by the formula:
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