JP7772050B2 - Positive electrode active material, method for producing positive electrode active material, and lithium ion secondary battery - Google Patents
Positive electrode active material, method for producing positive electrode active material, and lithium ion secondary batteryInfo
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Description
本開示は、正極活物質、正極活物質の製造方法及びリチウムイオン二次電池に関する。 This disclosure relates to a positive electrode active material, a method for manufacturing a positive electrode active material, and a lithium-ion secondary battery.
リチウムイオン二次電池の正極活物質として、リチウムと遷移金属との複合酸化物(リチウム遷移金属複合酸化物)が知られている。リチウム遷移金属複合酸化物の正極活物質としての特性を改善するために、種々の異種元素を組み合わせたものが提案されている。例えば、特許文献1にはスピネル型リチウムマンガン複合酸化物の表面にタングステンを含む酸化物が添加された正極活物質が記載されている。 Composite oxides of lithium and transition metals (lithium transition metal composite oxides) are known as positive electrode active materials for lithium-ion secondary batteries. To improve the properties of lithium transition metal composite oxides as positive electrode active materials, combinations of various different elements have been proposed. For example, Patent Document 1 describes a positive electrode active material in which a tungsten-containing oxide is added to the surface of a spinel-type lithium manganese composite oxide.
リチウム遷移金属複合酸化物を正極活物質として用いたリチウムイオン二次電池は、高温保存後の劣化の抑制が望まれている。
本開示は、リチウムイオン二次電池の高温保存後の劣化が抑制される正極活物質、この正極活物質の製造方法、及びこの正極活物質を含む正極を備えるリチウムイオン二次電池を提供することを課題とする。
It is desirable to suppress the deterioration of lithium ion secondary batteries that use lithium transition metal composite oxides as the positive electrode active material after storage at high temperatures.
An object of the present disclosure is to provide a positive electrode active material that suppresses deterioration of a lithium ion secondary battery after high-temperature storage, a method for producing this positive electrode active material, and a lithium ion secondary battery including a positive electrode containing this positive electrode active material.
上記課題を解決するための手段には、以下の実施態様が含まれる。
<1>R-3mに帰属される複合酸化物からなる第1相と、斜方晶に帰属される複合酸化物からなる第2相と、を含み、
前記R-3mに帰属される複合酸化物はNi、Co及びMnから選択される少なくとも1種と、Liとを含み、
前記斜方晶に帰属される複合酸化物はWと、Li、Ni、Co及びMnから選択される少なくとも1種とを含む、正極活物質。
<2>R-3mに帰属される複合酸化物に相当するピークと、斜方晶に帰属される複合酸化物に相当するピークと、を含むX線回折パターンを示し、
前記R-3mに帰属される複合酸化物はNi、Co及びMnから選択される少なくとも1種と、Liとを含み、
前記斜方晶に帰属される複合酸化物はWと、Li、Ni、Co及びMnから選択される少なくとも1種とを含む、正極活物質。
<3>Ni、Co及びMnから選択される少なくとも1種を含む化合物と、Liを含む化合物と、Wを含む化合物と、を含む混合物を加熱する工程を含む、請求項1又は請求項2に記載の正極活物質の製造方法。
<4>前記混合物を加熱する工程は、混合物を温度Aで加熱する工程と、混合物を温度Aよりも高い温度Bで加熱する工程と、をこの順に含む、<3>に記載の正極活物質の製造方法。
<5><1>又は<2>に記載の正極活物質を含む正極を備える、リチウムイオン二次電池。
The means for solving the above problems include the following embodiments.
<1> A first phase made of a composite oxide belonging to R-3m and a second phase made of a composite oxide belonging to orthorhombic crystals,
The composite oxide belonging to R-3m contains at least one selected from Ni, Co, and Mn, and Li,
The composite oxide belonging to an orthorhombic crystal system contains W and at least one element selected from Li, Ni, Co, and Mn.
<2> Shows an X-ray diffraction pattern including a peak corresponding to a composite oxide attributable to R-3m and a peak corresponding to a composite oxide attributable to an orthorhombic crystal;
The composite oxide belonging to R-3m contains at least one selected from Ni, Co, and Mn, and Li,
The composite oxide belonging to an orthorhombic crystal system contains W and at least one element selected from Li, Ni, Co, and Mn.
<3> The method for producing a positive electrode active material according to claim 1 or 2, further comprising: a step of heating a mixture containing a compound containing at least one selected from Ni, Co, and Mn, a compound containing Li, and a compound containing W.
<4> The method for producing a positive electrode active material according to <3>, wherein the step of heating the mixture includes a step of heating the mixture at temperature A and a step of heating the mixture at temperature B higher than temperature A, in this order.
<5> A lithium ion secondary battery comprising a positive electrode containing the positive electrode active material according to <1> or <2>.
本開示によれば、リチウムイオン二次電池の高温保存後の劣化が抑制される正極活物質、この正極活物質の製造方法、及びこの正極活物質を含む正極を備えるリチウムイオン二次電池が提供される。 This disclosure provides a positive electrode active material that suppresses deterioration of lithium ion secondary batteries after high-temperature storage, a method for producing this positive electrode active material, and a lithium ion secondary battery equipped with a positive electrode containing this positive electrode active material.
本開示において、「~」を用いて示された数値範囲は、「~」の前後に記載される数値をそれぞれ最小値及び最大値として含む範囲を意味する。
本開示に段階的に記載されている数値範囲において、ある数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。本開示に記載されている数値範囲において、ある数値範囲で記載された上限値又は下限値は、実施例に示されている値に置き換えてもよい。
本開示において、「工程」という語は、独立した工程だけでなく、他の工程と明確に区別できない場合であっても、その工程の所期の目的が達成されれば、本用語に含まれる。
本開示において、2以上の好ましい態様の組み合わせは、より好ましい態様である。
本開示において、各成分の量は、各成分に該当する物質が複数種存在する場合には、特に断らない限り、複数種の物質の合計量を意味する。
In the present disclosure, a numerical range indicated using "to" means a range that includes the numerical values before and after "to" as the minimum and maximum values, respectively.
In the numerical ranges described in stages in this disclosure, the upper or lower limit value described in a certain numerical range may be replaced with the upper or lower limit value of another numerical range described in stages. In the numerical ranges described in this disclosure, the upper or lower limit value described in a certain numerical range may be replaced with the value shown in the examples.
In the present disclosure, the term "process" includes not only an independent process but also a process that cannot be clearly distinguished from other processes, as long as the intended purpose of the process is achieved.
In the present disclosure, a combination of two or more preferred aspects is a more preferred aspect.
In the present disclosure, when there are multiple substances corresponding to each component, the amount of each component means the total amount of the multiple substances unless otherwise specified.
<第1実施形態>
本開示の第1実施形態は、
R-3mに帰属される複合酸化物からなる第1相と、斜方晶に帰属される複合酸化物からなる第2相と、を含み、
前記R-3mに帰属される複合酸化物はNi、Co及びMnから選択される少なくとも1種と、Liとを含み、
前記斜方晶に帰属される複合酸化物はWと、Li、Ni、Co及びMnから選択される少なくとも1種とを含む、正極活物質である。
First Embodiment
The first embodiment of the present disclosure includes:
The first phase is made of a composite oxide belonging to R-3m, and the second phase is made of a composite oxide belonging to orthorhombic crystals,
The composite oxide belonging to R-3m contains at least one selected from Ni, Co, and Mn, and Li,
The composite oxide belonging to the orthorhombic crystal system is a positive electrode active material containing W and at least one element selected from Li, Ni, Co, and Mn.
本開示において「R-3mに帰属される複合酸化物からなる第1相と、斜方晶に帰属される複合酸化物からなる第2相とを含む正極活物質」とは、バルク内(例えば、同一粒子内)に第1相と第2相とが存在する正極活物質を意味する。したがって、例えば、R-3mに帰属される複合酸化物からなる粒子と斜方晶に帰属される複合酸化物からなる粒子との混合物は「第1相と第2相とを含む正極活物質」に該当しない。 In this disclosure, a "positive electrode active material comprising a first phase made of a composite oxide belonging to the R-3m crystal system and a second phase made of a composite oxide belonging to the orthorhombic crystal system" refers to a positive electrode active material in which the first and second phases exist within the bulk (e.g., within the same particle). Therefore, for example, a mixture of particles made of a composite oxide belonging to the R-3m crystal system and particles made of a composite oxide belonging to the orthorhombic crystal system does not fall under the category of a "positive electrode active material comprising a first and second phase."
後述する実施例に示すように、R-3mに帰属される特定の複合酸化物からなる第1相と、斜方晶に帰属される特定の複合酸化物からなる第2相と、を含む正極活物質を用いることで、リチウムイオン二次電池の高温保存後の劣化が抑制される。 As shown in the examples described below, the use of a positive electrode active material containing a first phase consisting of a specific complex oxide belonging to the R-3m crystal system and a second phase consisting of a specific complex oxide belonging to the orthorhombic crystal system suppresses the deterioration of lithium-ion secondary batteries after high-temperature storage.
(第1相)
正極活物質に含まれる第1相は、R-3mに帰属される結晶構造を有し、Ni、Co及びMnから選択される少なくとも1種と、Liとを含む複合酸化物からなる。この複合酸化物は、Ni、Co及びMnから選択される少なくとも1種の遷移金属と酸素とからなる遷移金属層と、リチウム層と、が交互に配置された層状の結晶構造を有する。
第1相を構成する複合酸化物として具体的には、LiMO2(MはNi、Co及びMnから選択される少なくとも1種である)の組成で表される化合物、前記化合物にドープ元素を添加した化合物などが挙げられる。
ドープ元素として具体的には、Al、B、Mg、Ti、V、Cr、Fe、Cu、Zn、Ga、Sr、Zr、Nb、In、Sn、Ta、La、W、B、Ru、Cd、Ag、Y、Sc、As、Sb、Pt、Au、Si等が挙げられる。
第1相は1種の複合酸化物のみからなっても、2種以上の複合酸化物からなってもよい。
第1相を構成する複合酸化物はWを含んでいても、Wを含んでいなくてもよい。
(Phase 1)
The first phase contained in the positive electrode active material has a crystal structure attributed to R-3m and is composed of a composite oxide containing at least one transition metal selected from Ni, Co, and Mn, and Li. This composite oxide has a layered crystal structure in which transition metal layers composed of at least one transition metal selected from Ni, Co, and Mn and oxygen, and lithium layers are arranged alternately.
Specific examples of the composite oxide constituting the first phase include a compound represented by the composition LiMO 2 (where M is at least one selected from Ni, Co, and Mn), and a compound obtained by adding a doping element to the above compound.
Specific examples of doping elements include Al, B, Mg, Ti, V, Cr, Fe, Cu, Zn, Ga, Sr, Zr, Nb, In, Sn, Ta, La, W, B, Ru, Cd, Ag, Y, Sc, As, Sb, Pt, Au, and Si.
The first phase may consist of only one type of composite oxide, or may consist of two or more types of composite oxides.
The composite oxide constituting the first phase may or may not contain W.
第1相を構成する複合酸化物はNi、Co及びMnから選択されるいずれか1種の遷移金属を含んでも、2種又は3種の遷移金属を含んでもよい。
正極活物質に含まれる遷移金属の種類は、リチウムイオン二次電池の用途等に応じて選択してもよい。例えば、自動車用電池のような大容量のリチウムイオン二次電池の正極活物質として使用する場合、第1相は遷移金属としてNiを少なくとも含むことが好ましく、Niと、Co及びMnから選択される少なくとも一方とを含むことがより好ましく、Ni、Co及びMnをそれぞれ含む(NCM、ニッケルコバルトマンガン酸化物)ことがさらに好ましい。
The composite oxide constituting the first phase may contain any one transition metal selected from Ni, Co and Mn, or may contain two or three transition metals.
The type of transition metal contained in the positive electrode active material may be selected depending on the application of the lithium ion secondary battery, etc. For example, when used as a positive electrode active material for a large-capacity lithium ion secondary battery such as an automotive battery, the first phase preferably contains at least Ni as a transition metal, more preferably contains Ni and at least one selected from Co and Mn, and even more preferably contains Ni, Co, and Mn (NCM, nickel cobalt manganese oxide).
NCMは、Niを高比率(例えば、遷移金属全体の50モル%以上、60モル%以上、又は70モル%以上)で含有するものであってもよい。 The NCM may contain a high proportion of Ni (e.g., 50 mol% or more, 60 mol% or more, or 70 mol% or more of the total transition metals).
NCMに含まれるNi、Co及びMnのモル比は、例えば、NiとCoとのモル比(Ni:Co)を1:0.1~1:1の範囲から選択してもよく、NiとMnとのモル比(Ni:Mn)を1:0.1~1:1の範囲から選択してもよい。 The molar ratios of Ni, Co, and Mn contained in the NCM may be, for example, selected from the range of 1:0.1 to 1:1 for the Ni to Co molar ratio (Ni:Co), and 1:0.1 to 1:1 for the Ni to Mn molar ratio (Ni:Mn).
NiとCoとのモル比(Ni:Co)は、1:0.1~1:0.5、1:0.1~1:0.3、又は1:0.1~1:0.2の範囲から選択してもよい。
NiとMnとのモル比(Ni:Mn)は、1:0.1~1:0.5、1:0.1~1:0.3、又は1:0.1~1:0.2の範囲から選択してもよい。
The molar ratio of Ni to Co (Ni:Co) may be selected from the range of 1:0.1 to 1:0.5, 1:0.1 to 1:0.3, or 1:0.1 to 1:0.2.
The molar ratio of Ni to Mn (Ni:Mn) may be selected from the range of 1:0.1 to 1:0.5, 1:0.1 to 1:0.3, or 1:0.1 to 1:0.2.
(第2相)
正極活物質に含まれる第2相は、斜方晶に帰属される結晶構造を有し、Wと、Li、Ni、Co及びMnから選択される少なくとも1種と、を含む複合酸化物からなる。
第2相を構成する複合酸化物として具体的には、LiWO6等が挙げられる。
第2相は1種の複合酸化物のみからなっても、2種以上の複合酸化物からなってもよい。
(Phase 2)
The second phase contained in the positive electrode active material has a crystal structure belonging to an orthorhombic system and is made of a composite oxide containing W and at least one element selected from Li, Ni, Co, and Mn.
Specific examples of the composite oxide that constitutes the second phase include LiWO6 .
The second phase may consist of only one type of composite oxide, or may consist of two or more types of composite oxides.
正極活物質における第1相を構成する複合酸化物と第2相を構成する複合酸化物との構成比は、特に制限されない。
正極活物質としての機能を維持しながら電池の劣化を抑制する効果を発現する観点からは、第1相を構成する複合酸化物と第2相を構成する複合酸化物との合計に占める第2相を構成する複合酸化物の割合は、0.01モル%以上10モル%以下であることが好ましく、1モル%以上5モル%以下であることがより好ましい。
The composition ratio of the composite oxide constituting the first phase and the composite oxide constituting the second phase in the positive electrode active material is not particularly limited.
From the viewpoint of exhibiting the effect of suppressing battery degradation while maintaining the function as a positive electrode active material, the proportion of the complex oxide constituting the second phase in the total of the complex oxide constituting the first phase and the complex oxide constituting the second phase is preferably 0.01 mol % or more and 10 mol % or less, and more preferably 1 mol % or more and 5 mol % or less.
正極活物質を構成する元素の構成比は、特に制限されない。
正極活物質としての機能を維持しながら電池の劣化を抑制する効果を発現する観点からは、正極活物質を構成する元素のうち、Ni、Co、Mn、Li及びWの合計に占めるWの割合は、0.01モル%以上10モル%以下であることが好ましく、1モル%以上5モル%以下であることがより好ましい。
The composition ratio of the elements constituting the positive electrode active material is not particularly limited.
From the viewpoint of exhibiting the effect of suppressing battery degradation while maintaining the function as a positive electrode active material, the proportion of W in the total of Ni, Co, Mn, Li, and W among the elements constituting the positive electrode active material is preferably 0.01 mol % or more and 10 mol % or less, and more preferably 1 mol % or more and 5 mol % or less.
正極活物質は、粒子状であってもよい。粒子状である正極活物質の体積平均粒子径は特に制限されず、例えば、5μm~30μmの範囲から選択できる。正極活物質が複数の一次粒子の集合体である二次粒子である場合、上記体積平均粒子径は二次粒子の体積平均粒子径である。
正極活物質粒子の体積平均粒子径は特に制限されず、例えば、5μm~30μmの範囲から選択できる。
The positive electrode active material may be in a particulate form. The volume average particle diameter of the particulate positive electrode active material is not particularly limited and can be selected, for example, from the range of 5 μm to 30 μm. When the positive electrode active material is in the form of secondary particles that are an aggregate of multiple primary particles, the volume average particle diameter is the volume average particle diameter of the secondary particles.
The volume average particle size of the positive electrode active material particles is not particularly limited and can be selected, for example, from the range of 5 μm to 30 μm.
本開示において、粒子の体積平均粒子径は、体積基準の粒度分布において体積の累積が50%となるときの粒子径(D50)である。体積基準の粒度分布は、例えば、レーザー回折・散乱法によって得られる。 In this disclosure, the volume average particle size of particles is the particle size (D50) at which the cumulative volume reaches 50% in the volume-based particle size distribution. The volume-based particle size distribution can be obtained, for example, by laser diffraction/scattering.
正極活物質が第1相を構成する複合酸化物と第2相を構成する複合酸化物とを含んでいるか否かは、XRD(X線回折)等の公知の分析手法で確認することができる。 Whether or not the positive electrode active material contains a composite oxide that constitutes the first phase and a composite oxide that constitutes the second phase can be confirmed using known analytical methods such as XRD (X-ray diffraction).
<第2実施形態>
本開示の第2実施形態は、
R-3mに帰属される複合酸化物に相当するピークと、斜方晶に帰属される複合酸化物に相当するピークと、を含むX線回折パターンを示し、
前記R-3mに帰属される複合酸化物はNi、Co及びMnから選択される少なくとも1種と、Liとを含み、
前記斜方晶に帰属される複合酸化物はWと、Li、Ni、Co及びMnから選択される少なくとも1種とを含む、正極活物質である。
Second Embodiment
A second embodiment of the present disclosure is
The X-ray diffraction pattern includes a peak corresponding to a composite oxide attributable to R-3m and a peak corresponding to a composite oxide attributable to an orthorhombic crystal;
The composite oxide belonging to R-3m contains at least one selected from Ni, Co, and Mn, and Li,
The composite oxide belonging to the orthorhombic crystal system is a positive electrode active material containing W and at least one element selected from Li, Ni, Co, and Mn.
後述する実施例に示すように、R-3mに帰属される特定の複合酸化物に相当するピークと、斜方晶に帰属される特定の複合酸化物に相当するピークと、を含むX線回折パターンを示す正極活物質を用いることで、リチウムイオン二次電池の高温保存後の劣化が抑制される。 As shown in the examples described below, the use of a positive electrode active material that exhibits an X-ray diffraction pattern including a peak corresponding to a specific complex oxide attributed to R-3m and a peak corresponding to a specific complex oxide attributed to orthorhombic crystals suppresses the deterioration of lithium-ion secondary batteries after high-temperature storage.
正極活物質のX線回折パターンを取得する方法は特に制限されず、公知の方法で実施することができる。 There are no particular restrictions on the method for obtaining the X-ray diffraction pattern of the positive electrode active material, and it can be performed using any known method.
第2実施形態の正極活物質の詳細及び好ましい態様は、第1実施形態の正極活物質の詳細及び好ましい態様と同様である。 The details and preferred aspects of the positive electrode active material of the second embodiment are the same as those of the positive electrode active material of the first embodiment.
<第3実施形態>
本開示の第3実施形態は、上述した第1実施形態又は第2実施形態の正極活物質の製造方法であって、
Ni、Co及びMnから選択される少なくとも1種を含む化合物と、Liを含む化合物と、Wを含む化合物と、を含む混合物を加熱する工程を含む。
Third Embodiment
A third embodiment of the present disclosure is a method for producing the positive electrode active material of the first or second embodiment described above,
The method includes a step of heating a mixture containing a compound containing at least one selected from Ni, Co, and Mn, a compound containing Li, and a compound containing W.
本開示の方法において、Ni、Co及びMnから選択される少なくとも1種を含む化合物、Liを含む化合物、及びWを含む化合物としては、水酸化物、炭酸塩、酸化物等が挙げられる。
Ni、Co及びMnから選択される少なくとも1種を含む化合物は、Ni、Co及びMnから選択される2種以上を含む複合化合物であってもよく、Niを含む化合物、Coを含む化合物、Mnを含む化合物、又はこれらの組み合わせであってもよい。
In the method of the present disclosure, examples of the compound containing at least one selected from Ni, Co, and Mn, the compound containing Li, and the compound containing W include hydroxides, carbonates, oxides, and the like.
The compound containing at least one selected from Ni, Co, and Mn may be a composite compound containing two or more selected from Ni, Co, and Mn, or may be a compound containing Ni, a compound containing Co, a compound containing Mn, or a combination thereof.
本開示の方法において、Ni、Co及びMnから選択される少なくとも1種を含む化合物と、Liを含む化合物と、Wを含む化合物と、を含む混合物を加熱する工程は、混合物を温度Aで加熱する工程と、混合物を温度Aよりも高い温度Bで加熱する工程と、をこの順に含むことがより好ましい。
混合物を温度Aで加熱し、次いで温度Aよりも高い温度Bで加熱することにより、第1実施形態又は第2実施形態の正極活物質を効率的に製造することができる。
In the method of the present disclosure, the step of heating a mixture containing a compound containing at least one selected from Ni, Co, and Mn, a compound containing Li, and a compound containing W more preferably includes, in this order, a step of heating the mixture at temperature A and a step of heating the mixture at temperature B higher than temperature A.
The mixture is heated at temperature A and then heated at temperature B higher than temperature A, thereby efficiently producing the positive electrode active material of the first embodiment or the second embodiment.
加熱工程を実施する際の温度は、混合物中の元素を含む所望の複合酸化物が得られる温度であれば特に制限されない。加熱の温度は、例えば、600℃~980℃の範囲から選択してもよい。
加熱工程が混合物を温度Aで加熱する工程と、混合物を温度Aよりも高い温度Bで加熱する工程とをこの順に含む場合、温度Aは600℃~800℃の範囲から選択することが好ましく、600℃~750℃の範囲から選択することがより好ましく、600℃~700℃の範囲から選択することがさらに好ましい。
混合物を温度Aで加熱する工程の時間は特に制限されず、例えば、1時間~10時間の間から選択してもよい。
加熱工程が混合物を温度Aで加熱する工程と、混合物を温度Aよりも高い温度Bで加熱する工程とをこの順に含む場合、温度Bは680℃~950℃の範囲から選択することが好ましく、750℃~920℃の範囲から選択することがより好ましく、800℃~900℃の範囲から選択することがさらに好ましい。
混合物を温度Bで加熱する工程の時間は特に制限されず、例えば、1時間~10時間の間から選択してもよい。
The temperature at which the heating step is carried out is not particularly limited as long as it is a temperature at which a desired composite oxide containing the elements in the mixture can be obtained. The heating temperature may be selected, for example, from the range of 600°C to 980°C.
When the heating step includes a step of heating the mixture at temperature A and a step of heating the mixture at temperature B higher than temperature A, in this order, temperature A is preferably selected from the range of 600°C to 800°C, more preferably selected from the range of 600°C to 750°C, and even more preferably selected from the range of 600°C to 700°C.
The time for the step of heating the mixture at temperature A is not particularly limited, and may be selected, for example, from between 1 hour and 10 hours.
When the heating step includes a step of heating the mixture at temperature A and a step of heating the mixture at temperature B higher than temperature A, in this order, temperature B is preferably selected from the range of 680°C to 950°C, more preferably selected from the range of 750°C to 920°C, and even more preferably selected from the range of 800°C to 900°C.
The time for the step of heating the mixture at temperature B is not particularly limited, and may be selected, for example, from between 1 hour and 10 hours.
加熱工程は、例えば、酸素含有率が40体積%~100体積%の雰囲気中で行うことができる。
加熱工程を実施する際の酸素含有率は、加熱工程の開始から終了まで一定であっても、変化させてもよい。
The heating step can be carried out, for example, in an atmosphere having an oxygen content of 40% by volume to 100% by volume.
The oxygen content during the heating step may be constant from the start to the end of the heating step, or may be varied.
<第4実施形態>
本開示の第4実施形態は、上述した第1実施形態又は第2実施形態の正極活物質を含む正極を備えるリチウムイオン二次電池である。
正極は、例えば、集電体と、集電体の上に配置される正極層とを備え、正極層は本開示の正極活物質を含む。
正極層は、集電体の片面に配置されても両面に配置されてもよい。
Fourth Embodiment
A fourth embodiment of the present disclosure is a lithium ion secondary battery including a positive electrode containing the positive electrode active material of the first or second embodiment described above.
The positive electrode includes, for example, a current collector and a positive electrode layer disposed on the current collector, and the positive electrode layer includes the positive electrode active material of the present disclosure.
The positive electrode layer may be disposed on one or both sides of the current collector.
正極の集電体を構成する材質としては、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、チタン、ステンレス鋼等が挙げられる。集電体の形状としては、箔、メッシュ等が挙げられる。 Examples of materials that can be used to construct the positive electrode current collector include aluminum, aluminum alloys, nickel, titanium, and stainless steel. Examples of the current collector shape include foil and mesh.
集電体の上への正極層の配置は、例えば、スラリー状の正極材料を集電体の片面又は両面に塗工して行う。必要に応じ、正極層の密度を調整するための加圧処理を行ってもよい。正極層の厚みは特に制限されず、例えば、10μm~100μmの範囲から選択できる。 The positive electrode layer is disposed on the current collector by, for example, applying a slurry of positive electrode material to one or both sides of the current collector. If necessary, pressure treatment may be performed to adjust the density of the positive electrode layer. There are no particular restrictions on the thickness of the positive electrode layer, and it can be selected, for example, from the range of 10 μm to 100 μm.
正極材料は、導電助剤、バインダー等の、正極活物質以外の成分を含む混合物の状態であってもよい。必要に応じ、混合物に溶剤を添加して混合物の粘度を調整してもよい。 The positive electrode material may be in the form of a mixture containing components other than the positive electrode active material, such as a conductive additive or binder. If necessary, a solvent may be added to the mixture to adjust the viscosity of the mixture.
導電助剤として具体的には、カーボンブラック(アセチレンブラック、サーマルブラック、ファーネスブラック等)、カーボンナノチューブ、黒鉛等の炭素材料が挙げられる。
正極材料に含まれる導電材は、1種単独であっても2種以上であってもよい。
Specific examples of the conductive aid include carbon materials such as carbon black (acetylene black, thermal black, furnace black, etc.), carbon nanotubes, and graphite.
The conductive material contained in the positive electrode material may be one type alone or two or more types.
バインダーとして具体的には、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、セルロース、ニトロセルロース、カルボキシメチルセルロース、ポリエチレンオキサイド、ポリエピクロロヒドリン、ポリアクリロニトリル、スチレン-ブタジエンゴム(SBR)、アクリロニトリル-ブタジエンゴム(NBR)、ポリアクリレート、ポリメタクリレート等が挙げられる。
正極材料に含まれるバインダーは、1種単独であっても2種以上であってもよい。
Specific examples of binders include polyvinylidene fluoride (PVDF), polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, cellulose, nitrocellulose, carboxymethyl cellulose, polyethylene oxide, polyepichlorohydrin, polyacrylonitrile, styrene-butadiene rubber (SBR), acrylonitrile-butadiene rubber (NBR), polyacrylate, and polymethacrylate.
The binder contained in the positive electrode material may be one type alone or two or more types.
リチウムイオン二次電池は、例えば、正極と、負極と、電解質と、を備える。
負極は、例えば、集電体と、集電体の上に配置され、負極活物質を含む負極層とを備える。
負極活物質の種類としては、黒鉛、ハードカーボン、ソフトカーボン、活性炭等の炭素材料、シリコン、金属リチウム、リチウム合金、チタン酸リチウム(LTO)等が挙げられる。
負極の集電体を構成する材質としては、銅、銅合金、ニッケル、チタン、ステンレス鋼等が挙げられる。負極の集電体の形状としては、箔、メッシュ等が挙げられる。
A lithium ion secondary battery includes, for example, a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte.
The negative electrode includes, for example, a current collector and a negative electrode layer that is disposed on the current collector and contains a negative electrode active material.
Examples of the negative electrode active material include carbon materials such as graphite, hard carbon, soft carbon, and activated carbon, silicon, metallic lithium, lithium alloys, and lithium titanate (LTO).
Examples of materials constituting the negative electrode current collector include copper, copper alloy, nickel, titanium, stainless steel, etc. Examples of the shape of the negative electrode current collector include foil, mesh, etc.
電解質は、液体又は固体のいずれであってもよい。液体の電解質(電解液)としては、LiPF6のような公知の電解質を有機溶媒に溶解したものを特に制限なく使用できる。
有機溶媒として具体的には、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)等の環状又は鎖状のカーボネート類が挙げられる。溶媒は2種以上の溶媒の混合物であってもよく、環状カーボネートと鎖状カーボネートとを含む混合物であってもよい。
溶媒は、ビニレンカーボネート(VC)等の添加剤を含んでいてもよい。
固体の電解質としては、硫化物固体電解質、酸化物固体電解質、ハロゲン化物固体電解質等の公知の固体電解質を特に制限なく使用できる。
The electrolyte may be either liquid or solid. As the liquid electrolyte (electrolytic solution), a known electrolyte such as LiPF6 dissolved in an organic solvent can be used without any particular limitation.
Specific examples of the organic solvent include cyclic or chain carbonates such as ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), etc. The solvent may be a mixture of two or more solvents, or may be a mixture containing a cyclic carbonate and a chain carbonate.
The solvent may contain an additive such as vinylene carbonate (VC).
As the solid electrolyte, known solid electrolytes such as sulfide solid electrolytes, oxide solid electrolytes, and halide solid electrolytes can be used without any particular limitation.
リチウムイオン二次電池は、正極と負極との間に配置されるセパレータを備えてもよい。セパレータとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンを主成分とした不織布、クロス、微多孔フィルム等が挙げられる。 The lithium-ion secondary battery may include a separator placed between the positive electrode and the negative electrode. Examples of separators include nonwoven fabrics, cloths, and microporous films primarily composed of polyolefins such as polyethylene and polypropylene.
以下、実施例により本開示をさらに詳細に説明するが、本開示の発明はこれら実施例に限定されるものではない。 The present disclosure will be explained in more detail below using examples, but the invention of the present disclosure is not limited to these examples.
<正極活物質の調製>
NiSO4、CoSO4及びMnSO4をイオン交換水に溶解して、濃度が30質量%の原料溶解液を得た。原料溶解液中のNi、Co及びMnのモル比は表1に示す値とした。
<Preparation of Positive Electrode Active Material>
NiSO 4 , CoSO 4 , and MnSO 4 were dissolved in ion-exchanged water to obtain a raw material solution with a concentration of 30 mass %. The molar ratios of Ni, Co, and Mn in the raw material solution were as shown in Table 1.
反応容器内にNH3水溶液を投入し、撹拌しながら窒素置換を行った。次いで、反応容器内にNaOHを加えて水溶液がアルカリ性になるように調整した。
反応容器内のpHが一定に維持されるように制御しながら、原料溶解液とNH3とを滴下し、Ni、Co及びMnの水酸化物を沈殿させた。得られた沈殿物をろ過により取り出し、イオン交換水に分散させた。イオン交換水に分散させた沈殿物をろ過し、120℃で16時間乾燥させて水分を除去し、正極活物質の前駆体としての遷移金属水酸化物を得た。
An aqueous NH3 solution was added to the reaction vessel, and nitrogen substitution was performed while stirring. Next, NaOH was added to the reaction vessel to adjust the aqueous solution to alkaline.
While controlling the pH in the reaction vessel to maintain a constant value, the raw material solution and NH3 were added dropwise to precipitate hydroxides of Ni, Co, and Mn. The resulting precipitate was filtered and dispersed in ion-exchanged water. The precipitate dispersed in ion-exchanged water was filtered and dried at 120°C for 16 hours to remove moisture, yielding transition metal hydroxides as precursors of the positive electrode active material.
得られた前駆体にLiを含む化合物としての水酸化リチウムと、Wを含む化合物としての酸化タングステンとを加えて混合し、正極活物質の原料を得た。
水酸化リチウムの量は、前駆体中の遷移金属(Ni、Co及びMn)の合計1モルに対するLiの量が1モルとなるように調整した。
酸化タングステンの量は、前駆体中の遷移金属(Ni、Co及びMn)とWとの合計に対するWの含有率が表1に示す値(モル%)となるように調整した。
Lithium hydroxide as a compound containing Li and tungsten oxide as a compound containing W were added to the obtained precursor and mixed to obtain a raw material for the positive electrode active material.
The amount of lithium hydroxide was adjusted so that the amount of Li was 1 mole per mole of the total of the transition metals (Ni, Co, and Mn) in the precursor.
The amount of tungsten oxide was adjusted so that the content of W relative to the total of the transition metals (Ni, Co, and Mn) and W in the precursor would be the value (mol %) shown in Table 1.
正極活物質の原料に対し、680℃、2時間の加熱処理を行った。次いで、900℃、5時間の加熱処理を行った。以上の工程を経て、正極活物質を得た。 The raw materials for the positive electrode active material were subjected to a heat treatment at 680°C for 2 hours. Then, they were subjected to a heat treatment at 900°C for 5 hours. Through these steps, the positive electrode active material was obtained.
<電池の評価>
正極活物質(88質量部)、導電材としてのアセチレンブラック(10質量部)及びバインダーとしてのポリフッ化ビニリデン(2質量部)を混合し、溶剤で粘度を調整して正極合材を得た。正極合材をアルミニウム箔の上に塗工し、80℃で5分間乾燥させて、正極を得た。
得られた正極、セパレータ(ポリエチレン微多孔フィルム)、及び黒鉛を活物質として含む負極がこの順に積層してなる電極体と、電解液とを用いてラミネート型の評価用電池を作製した。
電解液としては、LiPF6(濃度:1M)を溶解したエチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)及びエチルメチルカーボネート(EMC)の混合溶媒(EC/DMC/EMCの体積比は3/4/3)を使用した。
<Battery evaluation>
A positive electrode active material (88 parts by mass), acetylene black (10 parts by mass) as a conductive material, and polyvinylidene fluoride (2 parts by mass) as a binder were mixed, and the viscosity was adjusted with a solvent to obtain a positive electrode mixture. The positive electrode mixture was coated on aluminum foil and dried at 80°C for 5 minutes to obtain a positive electrode.
A laminated test battery was fabricated using an electrode assembly formed by laminating the obtained positive electrode, a separator (a polyethylene microporous film), and a negative electrode containing graphite as an active material in this order, and an electrolyte solution.
The electrolyte used was a mixed solvent of ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC) and ethyl methyl carbonate (EMC) (volume ratio of EC/DMC/EMC: 3/4/3) in which LiPF 6 (concentration: 1 M) was dissolved.
評価用電池を充電率(SOC)90%の状態で、50℃で100日間保存した。保存前の電池の容量と、保存後の電池の容量とから下記式により容量維持率を求めた。結果を表1に示す。
容量維持率(%)=(保存後の容量/保存前の容量)×100
比較例1の電池は、正極活物質の原料に酸化タングステンを混合せず、加熱処理を700℃、10時間の1段階で実施したこと以外は実施例の評価用電池と同様にして作製した。
The test battery was stored at 50°C for 100 days at a state of charge (SOC) of 90%. The capacity retention rate was calculated from the capacity of the battery before and after storage using the following formula. The results are shown in Table 1.
Capacity maintenance rate (%) = (capacity after storage/capacity before storage) x 100
The battery of Comparative Example 1 was fabricated in the same manner as the evaluation battery of the Examples, except that tungsten oxide was not mixed into the raw material of the positive electrode active material, and the heat treatment was carried out in one step at 700° C. for 10 hours.
<XRD分析>
実施例1~5で得られた正極活物質のX線回折パターンを、リガクホールディングス社の全自動多目的X線回折装置SmartLabを用いて取得した。その結果、第1相を構成する複合酸化物としてのR-3mに帰属される複合酸化物に相当するピークと、第2相を構成する複合酸化物としてのLi6WO6に相当するピークとがそれぞれXRDパターン中に観察された。以上の結果から、実施例1~5で得られた正極活物質は第1相を構成する特定の複合酸化物と、第2相を構成する特定の複合酸化物とを含むことがわかった。
<XRD analysis>
The X-ray diffraction patterns of the positive electrode active materials obtained in Examples 1 to 5 were obtained using a fully automated multipurpose X-ray diffractometer, SmartLab, manufactured by Rigaku Holdings Corporation. As a result, a peak corresponding to the complex oxide attributed to R-3m as the complex oxide constituting the first phase and a peak corresponding to Li 6 WO 6 as the complex oxide constituting the second phase were observed in the XRD patterns. From the above results, it was found that the positive electrode active materials obtained in Examples 1 to 5 contain a specific complex oxide constituting the first phase and a specific complex oxide constituting the second phase.
表1に示すように、第1相を構成する特定の複合酸化物と、第2相を構成する特定の複合酸化物とを含む正極活物質を用いて作製した実施例1~5の電池は、第2相を構成する特定の複合酸化物を含まない比較例1の正極活物質を用いて作製した電池に比べて高温保存後の容量維持率が高く、劣化がより抑制されていた。この理由は明らかではないが、たとえば、第1相を構成する複合酸化物が活物質として機能する一方で、第2相を構成する複合酸化物が粒子の表面付近において正極活物質と電解液との反応を阻害することが考えられる。 As shown in Table 1, the batteries of Examples 1 to 5, which were fabricated using a cathode active material containing a specific composite oxide that constitutes the first phase and a specific composite oxide that constitutes the second phase, had a higher capacity retention rate after high-temperature storage and more suppressed deterioration than the battery fabricated using the cathode active material of Comparative Example 1, which did not contain the specific composite oxide that constitutes the second phase. The reason for this is not clear; however, it is thought that, for example, while the composite oxide that constitutes the first phase functions as an active material, the composite oxide that constitutes the second phase inhibits the reaction between the cathode active material and the electrolyte near the surface of the particles.
Claims (7)
前記R-3mに帰属される複合酸化物はNi、Co及びMnから選択される少なくとも1種と、Liとを含み、
前記斜方晶に帰属される複合酸化物はWと、Li、Ni、Co及びMnから選択される少なくとも1種とを含む、正極活物質。 The first phase is made of a composite oxide belonging to R-3m, and the second phase is made of a composite oxide belonging to orthorhombic crystals,
The composite oxide belonging to R-3m contains at least one selected from Ni, Co, and Mn, and Li,
The composite oxide belonging to an orthorhombic crystal system contains W and at least one element selected from Li, Ni, Co, and Mn.
前記R-3mに帰属される複合酸化物はNi、Co及びMnから選択される少なくとも1種と、Liとを含み、
前記斜方晶に帰属される複合酸化物はWと、Li、Ni、Co及びMnから選択される少なくとも1種とを含む、正極活物質。 The X-ray diffraction pattern includes a peak corresponding to a composite oxide attributable to R-3m and a peak corresponding to a composite oxide attributable to an orthorhombic crystal;
The composite oxide belonging to R-3m contains at least one selected from Ni, Co, and Mn, and Li,
The composite oxide belonging to an orthorhombic crystal system contains W and at least one element selected from Li, Ni, Co, and Mn.
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