JP2017098196A - Positive electrode active material for nonaqueous electrolyte secondary battery, method for manufacturing the same, and method for manufacturing coating liquid - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、非水系電解質二次電池用正極活物質とその製造方法、被覆液の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, a method for producing the same, and a method for producing a coating liquid.
近年、携帯電話やノート型コンピューターの高性能化及び急激な普及に伴って、これらに用いる二次電池に対して、小型、軽量化、高容量の要望が高まってきている。リチウム二次電池に代表される非水系電解質二次電池は、ニッケルカドミウム電池又はニッケル水素電池に比べて電池電圧が高く、高エネルギー密度であり、多様の分野で急速に普及している。また、非水系電解質二次電池は、最近の環境問題を背景に、電気自動車やハイブリッド自動車のモータ駆動用電源としても期待されている。特に、ハイブリッド自動車は、エネルギー貯蔵用の電池として高い出力密度を必要とし、これに用いられる非水系電解質二次電池は、高放電特性と高サイクル安定性が要求されている。 In recent years, with the high performance and rapid spread of mobile phones and notebook computers, there are increasing demands for small size, light weight, and high capacity for secondary batteries used in them. A non-aqueous electrolyte secondary battery represented by a lithium secondary battery has a higher battery voltage and higher energy density than a nickel cadmium battery or a nickel hydride battery, and is rapidly spreading in various fields. Nonaqueous electrolyte secondary batteries are also expected as a power source for driving motors of electric vehicles and hybrid vehicles against the background of recent environmental problems. In particular, a hybrid vehicle requires a high output density as a battery for energy storage, and a non-aqueous electrolyte secondary battery used for this is required to have high discharge characteristics and high cycle stability.
非水系電解質二次電池の正極活物質は、α−NaFeO2構造を有するコバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、スピネル型構造を有するマンガン酸リチウム(LiMn2O4)などに代表されるようなリチウム遷移金属複合酸化物の粉体が主に用いられている。これら正極活物質の合成は、一般にリチウム化合物(Li2CO3、LiOH等)粉末と遷移金属化合物(MnO2、NiO、Co3O4等)粉末を混合し、乾燥、焼成して得られたリチウム遷移金属酸化物を、解砕して正極活物質とする方法が広く採用されている。 Examples of the positive electrode active material of the non-aqueous electrolyte secondary battery include lithium cobaltate (LiCoO 2 ) having an α-NaFeO 2 structure, lithium nickelate (LiNiO 2 ), and lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) having a spinel structure. Lithium transition metal composite oxide powders as typified by are mainly used. Synthesis of these positive electrode active materials was generally obtained by mixing lithium compound (Li 2 CO 3 , LiOH, etc.) powder and transition metal compound (MnO 2 , NiO, Co 3 O 4 etc.) powder, drying and firing. A method of pulverizing a lithium transition metal oxide into a positive electrode active material has been widely adopted.
しかし、正極活物質は、電気伝導率が10−1S/cm2以上10−6S/cm2以下であり、一般の導体と比べて電気伝導率が低い。また、集電体と正極活物質との間の電気伝導および電気的接触状況は、電池のサイクル特性、放電レート特性に大きな影響を与える。 However, the positive electrode active material has an electric conductivity of 10 −1 S / cm 2 or more and 10 −6 S / cm 2 or less, and has a lower electric conductivity than a general conductor. In addition, the electrical conduction and electrical contact between the current collector and the positive electrode active material greatly affect the cycle characteristics and discharge rate characteristics of the battery.
そこで、特許文献1では、二次電池の内部抵抗をできるだけ低くして放電容量やサイクル特性を改善するため、組成式LiaMnxNiyMzO2(式中、Mは、Co、Alのうち少なくとも一種)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物に、Al、Mg、Sn、Ti、Zn、及びZrのうち少なくとも一つを含む有機金属化合物を添加して、機械的に解砕し、その後、400℃以上700℃以下の温度で熱処理を行って得られる正極活物質が提案されている。このように、複合酸化物粒子の表面には機械的な解砕により有機金属化合物を付着させた後に高温処理して得られる正極活物質は、添加物(有機金属化合物)の効果により複合酸化物の粒子表面が安定化され、サイクル特性の改善がみられることが記載されている。
Therefore, in
さらに特許文献2では、LiCoO2(LCO)粒子の表面抵抗を低くしてサイクル特性を改善するため、転動流動装置を用いてLiとNbアルコキシド溶液を噴霧し、熱処理によりLCO粒子表面にLiNbO3の層(被覆層)を形成する提案がされている。この効果により充放電サイクル中に生じるLCO粒子表面での電解質との反応が抑制されることで、初期からの充放電容量の低下が抑制できると記載されている。
Further, in
特許文献3では、被覆膜を安定して連続供給するため、転動流動装置により噴霧する被覆液と加水分解促進液を別々に投入し、噴射直後に加水分解反応を起こさせて、所望のLi化合物膜を粒子表面に形成する方法が提案されている。
In
しかし、特許文献1に記載される複合酸化物粒子は、粒子表面が安定化したことによりLi挿入/離脱が低下し、更に解砕時の粒子表面へのダメージから初期の充放電特性が低下してしまう問題があった。
However, the composite oxide particles described in
さらに特許文献2に記載される複合酸化物粒子は、表面抵抗の低いLi−Nb化合物膜を粒子表面に積層させる方法として、不安定なLiアルコキシド液とNbアルコキシド液とを混合した液を噴霧することが記載されているが、1)膜形成直後の反応でLi−Nb化合物膜となるには時間が短いために合成されず、乾燥の進行中にLiとNbに分離した複合化合物膜になってしまうこと、例えば、Li化合物は外気中有の湿気により変質を起こしやすいため、一旦、変質してしまうと所望の特性を得ることができなくなる、2)用いる2種類の液自体が外気中の湿気により加水分解反応を起こしやすく、調合中や噴霧処理中に液は白濁沈殿物を生じることがある、3)主溶媒には速乾性の高い低級アルコールを使用しているため、噴霧と同時に乾燥固化しやすく形成される膜は不均一となる、等の問題があった。
Further, the composite oxide particles described in
また、上記特許文献2で挙げた水分や湿気に対して不安定な液を用いるのではなく、安定かつ強固に膜生成できるように改善した特許文献3では、リチウム水溶液と金属アルコキシド溶液を別々に噴霧し、粒子表面に付着後の僅かな時間内で加水分解反応を起こして、所望の組成からなる被覆膜を形成することが記載されているが、1)金属アルコキシド溶液を単独で用いても、加水分解反応が起こりやすいことには変わりない、2)液は噴霧中に混合されるだけで、ミクロ的な合成がされていないため局所的な組成ムラが生じやすい、3)多量の水分を含んでいるためNi系芯材粒子に噴霧した場合には劣化が加速的に起こる等の問題があった。
Further, in
すなわち、上記した従来の方法というのは、サイクル特性低下に起因する抵抗の高い粒子表面を改善するためにイオン伝導性の高いLiと遷移金属からなる複合化合物を形成させ、かつ充放電時の電解液との反応を抑制するために、粒子表面にバリア性の高い被膜を得ようとするものであった。しかし、膜質はLi濃度の高い箇所が生じた不均一な膜のために、所望する低抵抗化やバリア性は不十分なものとなり、サイクル特性の改善には至らないことが多い。 That is, the conventional method described above is to form a composite compound composed of Li and a transition metal having high ion conductivity in order to improve the surface of particles having high resistance due to deterioration of cycle characteristics, and to perform electrolysis during charge / discharge. In order to suppress the reaction with the liquid, an attempt was made to obtain a coating film having a high barrier property on the particle surface. However, since the film quality is non-uniform with a portion having a high Li concentration, the desired low resistance and barrier properties are insufficient, and cycle characteristics are often not improved.
さらに、特許文献1や特許文献2で得られる酸化物膜は膜厚の不均一だけで無く、脱粒や剥離が生じ易いことや、酸化物膜が局所的に一定以上の厚みを持つために充放電時のLi挿入/離脱を低下させ、初期充放電容量の悪化が起こってしまうことがあった。これらを回避するために、被覆膜を均一かつ薄く形成することが求められるが、高度な技術と手間が掛かることから、工業的な面からは逆行することになる。
Furthermore, the oxide films obtained in
本発明は係る問題点に鑑み、本来持つ電池性能を維持しながら、正極活物質のサイクル特性や耐水性を向上させることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to improve the cycle characteristics and water resistance of a positive electrode active material while maintaining the original battery performance.
本発明の第1の態様の非水系電解質二次電池用正極活物質は、その表面の少なくとも一部にリチウム化合物層を有し、組成がLit1Ni1−x−yCoxM1 yM2 zO2(式中のM1及びM2は、Mg、Al、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Zr、Nb、MoおよびWからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素であり、0.97<t1≦1.10、0≦x≦0.22、0≦y≦0.15、0<z≦0.05である。)で表され、リチウムニッケル複合酸化物粒子からなり、前記リチウム化合物層は、Li及びM2を含むリチウム化合物を含有し、前記複合酸化物粒子の最表面から中心へ向かう方向において、その厚さが5nm以上500nm以下であり、かつ、M2の濃度が低くなるような濃度勾配を有する。 The positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to the first aspect of the present invention has a lithium compound layer on at least a part of its surface, and the composition is Li t1 Ni 1-xy Co x M 1 y M 2 z O 2 (wherein M 1 and M 2 are at least one element selected from the group consisting of Mg, Al, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Zr, Nb, Mo and W) 0.97 <t1 ≦ 1.10, 0 ≦ x ≦ 0.22, 0 ≦ y ≦ 0.15, and 0 <z ≦ 0.05. The lithium compound layer contains a lithium compound containing Li and M 2 and has a thickness of 5 nm to 500 nm in the direction from the outermost surface of the composite oxide particle toward the center, and M 2 It has a concentration gradient such that the concentration is low.
また、リチウム化合物層は、リチウム化合物から形成される被覆層を有してもよい。また、リチウム化合物層は、Li及びNiを少なくとも含むリチウムニッケル複合酸化物と、リチウム化合物と、を含有する表層部を有してもよい。また、リチウム化合物層は、複合酸化物粒子の最表面から中心へ向かう方向において、前記被覆層及び前記表層部をこの順で有してもよい。リチウム化合物層以外の部分は、組成がLit2Ni1−x−yCoxM1 yO2(式中のM1は、前記複合酸化物の組成のM1と同じ元素であり、0.97≦t2≦1.05、x及びyは、前記複合酸化物の組成のx及びyと同じ値である。)で表されてもよい。また、正極活物質1gを24℃に保った純水50g中に10分間撹拌混合しスラリーを得た後、前記スラリー30秒間静置して得られる水溶液のpHが11.2以下であってもよい。また、リチウムニッケル複合酸化物粒子は、組成がLit1Ni1−x−yCoxMyO2(式中のMは、Mg、Al、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Zr、Nb、MoおよびWからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素であり、0.97≦t1≦1.05、0≦x≦0.22、0≦y≦0.15である。)で表される母材の表面の少なくとも一部に、Li及び前記M2を含む被覆層前駆体を形成した後、熱処理により前記リチウム化合物層が形成されてもよい。リチウム化合物は、M2を、前記母材全体に対して、0.02〜2.0質量%の範囲で含有し、Liを、Li/M2モル比で0.1〜1.00の範囲内で含有してもよい。正極活物質は、コイン型電池に組み込んだ後、充電電位4.1Vで充電して交流インピーダンス法により測定し、ナイキストプロットからフィッティング計算を行って算出された表面抵抗値が、母材の前記表面抵抗値を1とした場合、2以下であってもよい。正極活物質は、コイン型電池に組み込んだ後の初期放電容量が、母材の初期放電容量に対して、±3%以内の範囲に有り、4.3V−3.0V、レート0.5Cで200サイクル後の放電容量維持率が、母材の初期放電容量維持率に対して、10%以上高くてもよい。 Moreover, the lithium compound layer may have a coating layer formed from a lithium compound. Further, the lithium compound layer may have a surface layer portion containing a lithium nickel composite oxide containing at least Li and Ni and a lithium compound. Moreover, the lithium compound layer may have the coating layer and the surface layer portion in this order in the direction from the outermost surface of the composite oxide particle toward the center. The portion other than the lithium compound layer has a composition of Li t2 Ni 1-xy Co x M 1 y O 2 (M 1 in the formula is the same element as M 1 of the composite oxide composition; 97 ≦ t2 ≦ 1.05, and x and y are the same values as x and y in the composition of the composite oxide. Further, even if 1 g of the positive electrode active material is stirred and mixed in 50 g of pure water kept at 24 ° C. for 10 minutes to obtain a slurry, the slurry is allowed to stand for 30 seconds, and the pH of the aqueous solution obtained is 11.2 or less. Good. Further, the lithium nickel composite oxide particles, M in the composition is Li t1 Ni 1-x-y Co x M y O 2 ( formula, Mg, Al, Ca, Ti , V, Cr, Mn, Zr, Nb And at least one element selected from the group consisting of Mo and W, 0.97 ≦ t1 ≦ 1.05, 0 ≦ x ≦ 0.22, and 0 ≦ y ≦ 0.15. The lithium compound layer may be formed by heat treatment after forming a coating layer precursor containing Li and the M 2 on at least a part of the surface of the base material. Lithium compound, a M 2, wherein for the entire base material, containing in the range of 0.02 to 2.0 wt%, the Li, the range of 0.1 to 1.00 in Li / M 2 molar ratio You may contain in. The positive electrode active material is incorporated into a coin-type battery, charged with a charging potential of 4.1 V, measured by the AC impedance method, and the surface resistance value calculated by fitting calculation from the Nyquist plot is the surface of the base material. When the resistance value is 1, it may be 2 or less. The positive electrode active material has an initial discharge capacity within a range of ± 3% relative to the initial discharge capacity of the base material after being incorporated in a coin-type battery, and is 4.3V-3.0V at a rate of 0.5C. The discharge capacity maintenance rate after 200 cycles may be higher by 10% or more than the initial discharge capacity maintenance rate of the base material.
本発明の第2の態様の非水系電解質二次電池用正極活物質の表面処理用被覆液の製造方法は、Liアルコキシドと、Mg、Al、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Zr、Nb、MoおよびWからなる群より選ばれた少なくとも1種以上の元素を含む金属アルコキシドのモノマーもしくはそのオリゴマーと、高沸点アルコールと、水分解抑制剤とを混合して混合液を得ること、前記混合液にアルコールと水分とを加えること、を含む。 The method for producing the coating liquid for surface treatment of the positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to the second aspect of the present invention includes Li alkoxide, Mg, Al, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Zr, and Nb. Mixing a metal alkoxide monomer or oligomer thereof containing at least one element selected from the group consisting of Mo and W, a high-boiling alcohol, and a water decomposition inhibitor to obtain a mixed solution, Adding alcohol and moisture to the liquid.
また、高沸点アルコールは、2メチル−1ブタノ−ル、1エトキシ−2プロパノール、2−イソプロポキシエタノールを使用してもよい。 Further, as the high boiling point alcohol, 2methyl-1-butanol, 1 ethoxy-2propanol, or 2-isopropoxyethanol may be used.
本発明の第3の態様の非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法は、攪拌装置を用いてリチウムニッケル複合酸化物粒子を揺動させながら前記粒子表面に請求項11又は12に記載の被覆液を噴霧した後、乾燥し、前記粒子表面に被覆層前駆体を形成させた後、酸素雰囲気下400℃以上700℃以下で熱処理をすることを含む。 The method for producing a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to a third aspect of the present invention is described in claim 11 or 12 on the particle surface while rocking the lithium nickel composite oxide particles using a stirrer. Spraying the coating liquid, and drying to form a coating layer precursor on the surface of the particles, followed by heat treatment at 400 ° C. to 700 ° C. in an oxygen atmosphere.
本発明の正極活物質は、ゲル化が抑制され、かつ、電池特性が良好である。
本発明の被覆液の製造方法は、大気中に一日放置しても白濁沈殿は見られず、加水分解に対しての安定性が高いために、良質な被覆膜が得られやすくなるばかりで無く、液の保管や被覆噴霧時の取り扱い等のハンドリング性も容易となる。さらに熱分解性の悪い有機物の添加量を抑制できるために、その形成した膜は熱分解性が高まった結果、熱処理時に発生する炭酸ガス成分による粒子表面への炭酸化を低減できる。また、本発明の製造方法により得られた被覆液は、リチウム複合酸化物粒子の表面に噴霧した際に速乾しないため、乾燥固化する前にこの粒子内部に十分に浸透することができ、かつ、被被覆処理装置による粒子の揺動時に粒子表面で展伸しやすく、この被覆液を用いて形成された被覆膜(被覆層前駆体)の均一性に非常に優れる。また、この被覆液を用いた正極活物質は、リチウム複合酸化物粒子が本来持つ充放電特性などの初期電池性能が阻害されず、かつ高いサイクル特性を得ることができる。この被覆液を非水系電解質二次電池用正極活物質の被覆膜形成に用いることにより、品質面だけで無く、作業の利便性、簡便性が上がるため、工業的規模の生産においても意味が大きい。
The positive electrode active material of the present invention is suppressed in gelation and has good battery characteristics.
The method for producing a coating liquid of the present invention does not show white turbid precipitation even when left in the atmosphere for one day, and has high stability against hydrolysis, so that a good quality coating film is easily obtained. In addition, handling such as storage of liquid and handling during coating spraying becomes easy. Furthermore, since the amount of the organic substance having poor thermal decomposability can be suppressed, the formed film has increased thermal decomposability, and as a result, carbonation to the particle surface by the carbon dioxide component generated during the heat treatment can be reduced. Further, since the coating liquid obtained by the production method of the present invention does not quickly dry when sprayed on the surface of the lithium composite oxide particles, it can sufficiently penetrate the inside of the particles before being dried and solidified, and When the particles are swung by the coating apparatus, the particles easily spread on the surface of the particles, and the uniformity of the coating film (coating layer precursor) formed using this coating solution is extremely excellent. Moreover, the positive electrode active material using this coating liquid does not hinder the initial battery performance such as the charge / discharge characteristics inherent to the lithium composite oxide particles, and can obtain high cycle characteristics. By using this coating solution for forming a coating film of a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, not only in terms of quality, but also convenience and convenience of work are improved. large.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。また、図面においては、各構成をわかりやすくするために、一部を強調して、あるいは一部を簡略化して表しており、実際の構造または形状、縮尺等が異なっている場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Further, in the drawings, in order to make each configuration easy to understand, a part of the structure is emphasized or a part of the structure is simplified, and an actual structure, shape, scale, or the like may be different.
1.非水系電解質二次電池用正極活物質
図1は、本実施形態に係る非水系電解質二次電池用正極活物質(以下、「正極活物質」ともいう。)1の一例を示す模式図である。図1(A)〜(C)に示すように、正極活物質1は、リチウムニッケル複合酸化物粒子2(以下、「複合酸化物粒子」ともいう。)からなり、複合酸化物粒子2は、その表面にLiと、Mg、Al、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Zr、Nb、MoおよびWからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素(以下、「M2」ともいう。)と、を含むリチウム化合物を含有するリチウム化合物層3(以下、単に「Li化合物層3」ともいう)と、それ以外の中心部4とを有する。リチウム化合物層3は、後述するように、複合酸化物粒子(母材5)の表面の少なくとも一部を改質して形成され、Li及びM2を含む化合物(以下、単に「リチウム化合物」ともいう。)を含む。Li化合物層3(3a、3bの少なくとも一方)は、複合酸化物粒子2表面のイオン伝導性を向上させ、これにより放電容量が高い正極活物質を得ることができる。また、Li化合物層3は、複合酸化物粒子2表面の安定性を保持し、これにより表面抵抗の上昇が緩和されサイクル特性が向上した正極活物質を得ることができる。
1. FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a positive electrode active material for a nonaqueous electrolyte secondary battery (hereinafter also referred to as “positive electrode active material”) 1 according to the present embodiment. . As shown in FIGS. 1A to 1C, the positive electrode
また、Li化合物層3は、図1(A)、(B)に示すように、被覆層3aを有してもよい。被覆層3aは、リチウム化合物(Li及びM2を含む)から形成される層である。また、Li化合物層3は、図1(B)、(C)に示すように、表層部3bを有してもよい。表層部3bは、Li及びNiを少なくとも含むリチウムニッケル複合酸化物と、リチウム化合物(Li及びM2を含む)と、を含有する部分である。なお、Li化合物層3は、図1(A)に示すように、被覆層3aから形成されてもよく、図1(B)に示すように、複合酸化物粒子2の最表面から中心へ向かう方向において、被覆層3a及び表層部3bをこの順で有してもよく、図1(C)に示すように、表層部3bから形成されてもよい。なお、Li化合物層3は、後述する被覆液の被覆量、熱処理条件等を適宜調整することにより、種々の形態(被覆層3a及び/又は表層部3b)に形成することができる。
Further, the
複合酸化物粒子2は、この粒子全体の組成がLit1Ni1−x−y−zCoxM1 yM2 zO2(式中のM1及びM2は、Mg、Al、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Zr、Nb、MoおよびWからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素であり、0.97<t1≦1.10、0≦x≦0.22、0≦y≦0.15、0<z≦0.05である。)で表される。上記組成は、ICP発光分光分析により測定できる。
The
複合酸化物粒子2の上記組成において、Liの組成比を示すt1の下限は、0.97を超え、好ましくは0.98以上であり、より好ましくは1.01以上である。また、複合酸化物粒子2中のLi量は化学量論組成より過剰に検出されることが好ましい。t1の上限は、1.10以下であり、好ましくは1.08以下であり、より好ましくは1.05以下である。
In the above composition of the
複合酸化物粒子2の上記組成において、Coの組成比を示すxは、0≦x≦0.22であり、正極活物質1を用いた二次電池における高容量化とサイクル特性改善の観点から、好ましくは0.05≦x≦0.20であり、より好ましくは0.05≦x≦0.15である。
In the above composition of the
複合酸化物粒子2の上記組成において、M1は、Mg、Al、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Zr、Nb、MoおよびWからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素であり、正極活物質の熱安定性の観点から、少なくともAlを含むことが好ましい。M1の組成比を示すyは0≦y≦0.15であり、好ましくは0.01≦y≦0.10、より好ましくは0.02≦y≦0.08である。yは、後述するように、正極活物質1の原料である母材6中の添加金属M1の組成比と同様の値を示す。
In the composition of the
複合酸化物粒子2の上記組成において、M2は、Mg、Al、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Zr、Nb、MoおよびWからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素である。また、M2は、M1と同一の元素であってもよく、異なる元素であってもよい。M2の組成比を示すzは0を超え0.05以下、好ましくは、0.0001≦z≦0.02、より好ましくは、0.0001≦z≦0.01である。M2は、Li化合物層3に含まれる。M2は、後述する被覆層前駆体7に含まれる元素に由来する元素である。
In the composition of the
Li化合物層3に含まれるM2量は、複合酸化物粒子2全体100質量%に対して、好ましくは、0.01〜2.0質量%、より好ましくは0.03〜1.0質量%の範囲とすることができる。
The amount of M 2 contained in the
Li化合物層3の厚さは、複合酸化物粒子2の最表面から深さ方向に5nm以上500nm以下である。Li化合物層3は、複合酸化物粒子2の断面側から、TEM−EDS線分析、SEM−EDS、またはTOF−SIMS(飛行時間型二次イオン質量分析法:Time−of−Flight Secondary Mass Spectrometry)により、膜表面から粒子界面、粒子内部に渡って各元素を測定することにより確認することができ、勾配を有する部位の厚さを特定することにより、Li化合物層3の厚さを測定することができる。
The thickness of the
Li化合物層3は、後述するように、Li及びM2を含む被覆液を複合酸化物粒子(母材5)表面に噴霧して被覆層前駆体7を形成した後、酸素雰囲気下で熱処理を行うことにより得られる。これにより複合酸化物粒子2表面のLi化合物層3(被覆層3a及び/又は表層部3b)は、複合酸化物粒子2の最表面から中心へ向かう方向(深さ方向)において、濃度勾配を有すようにM2が分布する。また、M2は、深さ方向において、その濃度が低くなるような濃度勾配を有する。この濃度勾配の様子はTEM−EDS線分析やTOF−SIMSを用いることにより、複合酸化物粒子の最表面から粒子界面、粒子内部に渡って各元素を測定することで明らかとなる。
As will be described later, the
中心部4は、後述するように、例えば、製造過程において、熱処理により被覆層前駆体7に含まれるLi及びM2が拡散していない芯材6(母材5)の部位であり、複合酸化物粒子2において、Li化合物層3が形成されていない部位である。中心部4は、その組成がLit2Ni1−x−yCoxM1 yO2(式中のM1は、前記複合酸化物の組成のM1と同じ元素であり、0.97≦t2≦1.05、x及びyは、前記複合酸化物の組成のx及びyと同じ値である。)で表すことができる。この組成は、後述する母材5の組成とほぼ同様である。
As will be described later, the
複合酸化物粒子2は、Li化合物層3をその表面に形成することにより、粒子表面のイオン伝導性が向上する。この複合酸化物粒子2からなる正極活物質1を用いた二次電池は、高い放電容量を有する。また、この正極活物質1の表面は、常に安定に保たれており、正極活物質1を用いた二次電池は、表面抵抗の上昇が緩和されサイクル特性が向上する。
The
正極活物質1は、正極活物質1粒子表面の改質により、ゲル化の抑制及び耐水性の向上と、表面抵抗の増加の抑制及び200サイクルに渡るような長期的なサイクル特性の改善とを両立させるため、Li化合物層3中の金属アルコキシド由来の有機物は、熱処理により熱分解しておくことが好ましい。熱処理はLiの飛散を考慮して、低温側で処理することが好ましく、また、芯材6表面と被覆層前駆体7との反応を生じさせるために、後述するような好適な温度範囲で処理することができる。本発明者らは、適切な温度処理により、ペースト組成物のゲル化を抑制するだけでなく表面抵抗の増加を抑制しつつ長期的なサイクル特性がより向上することを見出した。
The positive electrode
一般的にリチウムニッケル複合酸化物粒子は、水に対する抵抗が低く、表面からリチウムが容易に溶出する。例えば、被覆層を有さない複合酸化物粒子(組成がLi1.03Ni0.85Co0.12Al0.03O2)1gを24℃に保った純水50g中に加えた後、10分間攪拌混合してスラリーを作製し、このスラリーを30秒静置した場合、水溶液のpHは13近傍に達する。これは、複合酸化物粒子を純水に加えて瞬時に多量のリチウムがこの粒子から溶出し、水溶液(スラリー)がアルカリ側に移行するためである。一方、本実施形態の正極活物質1は、水分吸収が抑制され、かつ、耐水性が改善されているため、1gの正極活物質1を24℃に保った純水50g中に10分間撹拌混合しスラリーを得た後、このスラリーを30秒間静置して得られる水溶液のpHを11.2以下とすることができる。スラリーのpHが11.2以下に維持されることで、二次電池の正極製造の際、ペースト組成物のアルカリ溶出がより抑制され、ペースト組成物のゲル化が抑制される。例えば、正極活物質9.5g、フッ化ビニリデン(PVDF)0.5g、N−メチル−2−ピロリジノン(NMP)5.5gと、ゲル化を促進するための水分0.2gを加えて混練してペースト組成物(スラリー)を作製し、このペースト組成物を24℃で1〜3日間静止保管してもゲル化せず、流動性のあるスラリーに保つことができる。ペースト組成物のゲル化の抑制により、正極集電体に塗布する際の不均一性による充放電特性のバラツキが抑制されるとともに、ペースト組成物の流動性が悪化することにより塗布膜の緻密性が低下する等の問題の発生が抑制される。
Generally, lithium nickel composite oxide particles have low resistance to water, and lithium is easily eluted from the surface. For example, after adding 1 g of composite oxide particles having a coating layer (composition: Li 1.03 Ni 0.85 Co 0.12 Al 0.03 O 2 ) in 50 g of pure water maintained at 24 ° C., When stirring and mixing for 10 minutes to prepare a slurry and the slurry is allowed to stand for 30 seconds, the pH of the aqueous solution reaches around 13. This is because when the composite oxide particles are added to pure water, a large amount of lithium is instantly eluted from the particles, and the aqueous solution (slurry) moves to the alkali side. On the other hand, since the positive electrode
図2(A)〜(C)は、正極活物質1の製造方法の一例を示す模式図である。図2(A)は、正極活物質1の母材5となるリチウムニッケル複合酸化物粒子を示す。母材5は、組成がLit2Ni1−x−yCoxMyO2(式中Mは、Mg、Al、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Zr、Nb、MoおよびWからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素であり、0.97≦t2≦1.05、0≦x≦0.22、0≦y≦0.15)で表される。
2A to 2C are schematic views illustrating an example of a method for producing the positive electrode
母材5の上記組成において、Liの組成比を示すt2は、0.97≦t2≦1.05であり、好ましくは0.98≦t2≦1.01、より好ましくは0.98≦t2≦1.00である。ここで、通常は、焼成等で欠損した複合酸化物粒子表面のLiを補うため、例えば、上記組成において、t2を1.01≦t2≦1.20程度とし、若干過剰気味にLiを配合することにより、正極活物質として高特性を得るが、母材5の上記組成においては、後述するように欠損した複合酸化物粒子表面のLiをLi化合物層3(3a、3b)として補うことが可能であるため、通常より低いLi量でも十分な電池特性を得ることができる。
In the above composition of the
母材5中のLiの組成比が化学量論組成より過剰量が多い場合(例えば、t2>1.05)、過剰なLiが複合酸化物粒子表面にLiOH等の形態で存在するため、大気中の湿気、炭酸ガス等と反応し変質(炭酸化)が生じることがある。これを防止するため、正極活物質を作製する際にはドライルームで取り扱う必要がある等の手間がかかる。一方、Liの組成比がt2≦1.05である場合、過剰なLiが少なくなる分、大気との反応も緩和されて取り扱い性が向上する。そのため、母材5のLiの組成比は、Li過剰分が少ない方が望ましい。一方、t2が0.97未満の場合、Li化合物層3を形成しても十分な電池特性が得られないことがある。
When the composition ratio of Li in the
図2(B)は、Li及びM2を含む被覆層前駆体7をその表面に有する複合酸化物粒子(芯材6)を示す。被覆層前駆体7を有する芯材6は、複合酸化物粒子(母材5)に、後述する被覆液(Li及びM2を含む)を噴霧などして、その表面に被覆層前駆体7を形成することにより得られる。その後、被覆層前駆体7を有する芯材6を、熱処理することにより、図2(C)に示すようなLi化合物層3を有する複合酸化物粒子2を得ることができる。
Figure 2 (B) shows a composite oxide particles (core material 6) having a
被覆層前駆体7の構造は、深さ方向に連続的な多孔質とすることができる。被覆層前駆体7は、透過型電子顕微鏡の断面観察より測定される被覆面積が、芯材6表面全体の面積に対して、好ましくは70%以上90%以下である。被覆面積が上記範囲であることにより、熱処理後に芯材6表面との均等な反応が期待できる。ここで、被覆面積は、断面観察において、被覆層前駆体7が芯材6の外周上に付着している割合として算出される。
The structure of the
Liを含まない化合物から形成された膜、例えば、従来用いられてきた被覆層(酸化物被膜)を表面に形成した複合酸化物粒子の場合、酸化物被膜は絶縁性が高いために、この正極活物質を用いた二次電池の表面抵抗は上昇する。この影響により、二次電池の放電容量やサイクル特性は低下する。特に、酸化物被膜の膜厚が厚い程、その影響は大きくなる傾向にある。これを改善するために、従来技術では、例えば、酸化物被膜を形成した複合酸化物粒子を高温加熱して、芯材表面に存在するLi成分と酸化物被膜(又はその前駆体)の成分とを反応させて酸化物膜中にLiを拡散させることが行われる場合がある。しかし、この方法では、Liが酸化物被膜中に拡散する分、芯材表面から部分的にLiが欠損するため、予め母材にLiを過剰に配合しておくことが必要となる。また、Liを過剰に配合した母材は、保管時や被覆処理の際、過剰に含有されるLi成分が大気中の湿気などと反応し変質しやすくなる。また、これを防ぐため、その取り扱いをドライルーム下で行う必要が生じ、製造工程が煩雑となりやすい。 In the case of a composite oxide particle formed on the surface of a film formed from a compound not containing Li, for example, a conventionally used coating layer (oxide film), the oxide film has high insulating properties. The surface resistance of the secondary battery using the active material increases. Due to this influence, the discharge capacity and cycle characteristics of the secondary battery are lowered. In particular, the greater the thickness of the oxide film, the greater the effect. In order to improve this, in the prior art, for example, the composite oxide particles on which the oxide film is formed are heated at a high temperature, and the Li component existing on the surface of the core material and the component of the oxide film (or its precursor) In some cases, Li is diffused in the oxide film by reacting with. However, in this method, since Li is partially lost from the surface of the core material due to the diffusion of Li into the oxide film, it is necessary to preliminarily mix Li in the base material. In addition, a base material containing an excessive amount of Li is liable to deteriorate due to reaction of excessive Li components with moisture in the air during storage or coating treatment. Moreover, in order to prevent this, the handling needs to be performed in a dry room, and the manufacturing process tends to be complicated.
また、従来の酸化物被膜は、膜自体が導電性に乏しいため、その表面抵抗の増加を回避するため、膜自体を薄く形成する場合がある。この場合、酸化物被膜の膜厚は、3nm程度が最適であり、厚くても10nm以下が要求される。従来、酸化物膜の導電性を改善するため、酸化物被膜の被覆厚みを薄くかつ膜欠陥がないように被覆する工夫等が行われているが、手間と時間を要する。なお、酸化物被膜中に導電性を付与して、導電性を改善させる場合、低温で熱処理し、酸化物被膜中の導電率の向上に寄与する有機物を微量残留させるという方法も考えられるが、残留する有機物がサイクル試験時に悪影響を与える可能性がある。 In addition, since the conventional oxide film has poor conductivity, the film itself may be formed thin in order to avoid an increase in surface resistance. In this case, the thickness of the oxide film is optimally about 3 nm, and at most 10 nm or less is required. Conventionally, in order to improve the conductivity of the oxide film, a device for covering the oxide film so that the thickness of the oxide film is thin and there is no film defect has been performed, but it takes time and effort. In addition, when imparting conductivity to the oxide film to improve conductivity, a method of heat treating at a low temperature to leave a small amount of organic matter that contributes to improving the conductivity in the oxide film is also conceivable. Residual organic substances may adversely affect the cycle test.
一方、本実施形態の複合酸化物粒子2は、その製造過程において、被覆層前駆体7の厚み(層厚)を、例えば、3nm以上100nm以下の範囲とすることができる。また、複合酸化物粒子2は、被覆層前駆体7の厚みの下限を、例えば10nm以上、20nm以上、さらに30nm以上とすることもでき、これらの範囲であれば、熱処理後に所望の厚さを有するLi化合物層3を生成することができる。また、被覆層前駆体7の層厚の上限は、100nm以下程度である。膜厚が大きすぎる場合、熱処理時の熱分解量が低下し、Li化合物層3中に有機残渣が生じてサイクル特性が向上しない場合がある。また、この場合、熱処理温度や到達温度の保持時間が増加し、コスト面でデメリットとなる。
On the other hand, the
従来技術のように、Liを含まない被覆液により複合酸化物粒子を被覆する場合、複合酸化物粒子表面に存在するLi過剰分に対して、必要量のM2成分を用いて被覆する必要がある。一方、本実施形態の方法では、例えば、Li及びM2を含む被覆液として調合したものを噴霧し、効率的に被覆層前駆体7を形成することができ、通常の被覆層形成時より噴霧量を抑えることが可能となる。また、本実施形態の方法は、必要以上にLiとM2成分が反応して芯材6表面がLi不足となることを抑制できる。また、Li化合物層3は、被覆層前駆体7由来のLiを含み、芯材6表面のLiを補い、電池特性を良好に維持することができる。よって、被覆液を調合する際は、Li/M2モル比を、好ましくは0.1以上1.00以下の範囲内で調整する。Li/M2モル比が上記範囲であることにより、安定性の高い液、被覆層前駆体7及びLi化合物層3が得られる。一方、Li/M2モル比が1.00超である場合、過剰分のLiが熱分解時に炭酸化しやすくなる。また、Li/Mモル比が0.1未満である場合、上述した所望の特性を得ることができない。なお、被覆液のLi/M2モル比は、被覆層前駆体7中及びLi化合物層3中のリチウム化合物においても維持される。よって、Li化合物層3に含有されるリチウム化合物は、Liを、Li/M2モル比で0.1以上1.00以下の範囲内で含有することができる。また、リチウム化合物は、M2を、母材5全体に対して、好ましくは0.02質量%以上2.0質量%以下の範囲で含有する。
When the composite oxide particles are coated with a coating solution that does not contain Li as in the prior art, it is necessary to cover the excess amount of Li existing on the surface of the composite oxide particles with a necessary amount of M 2 component. is there. On the other hand, in the method of the present embodiment, for example, a mixture prepared as a coating solution containing Li and M 2 can be sprayed to efficiently form the
2.被覆液及び正極活物質の製造方法
本実施形態の被覆液及び正極活物質の具体的な製造方法について、図3〜図4を参照して説明する。図3は、被覆液の製造方法の一例を示す図であり、図4は、正極活物質の製造方法の一例を示す図である。
2. Manufacturing method of coating liquid and positive electrode active material A specific manufacturing method of the coating liquid and positive electrode active material of the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a method for producing a coating liquid, and FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a method for producing a positive electrode active material.
本発明者は安定したLi化合物層を形成するために、被覆層(前駆体)の形成に用いられる被覆液に着目し、1)被覆液の段階でLiアルコキシドと金属アルコキシドを反応させLi化合物を合成する、2)合成時に用いる溶媒に高沸点アルコール(例えば、沸点120℃以上のアルコール)を用いること、が従来技術の問題点を解決するのに有効であることを見出した。すなわち、被覆層(前駆体)形成による表面抵抗の悪化、充放電時のLi挿入/離脱の低下を抑制するための手段として、複合酸化物粒子表面に被膜形成を施し、複合酸化物粒子全面を酸化物被膜で覆う際の被覆液として、原料であるLiアルコキシドと金属アルコキシド液を高沸点アルコール中に溶解し、例えば、時間を掛けて加熱環流することでLiアルコキシドと金属アルコキシドとの合成を行い、かつ高沸点アルコ−ルとのアルコール置換反応を起こさせることで、大気中に一日放置しても白濁沈殿しなくなることがわかった。これにより液の保管や被覆の噴霧時の取り扱いが容易となったばかりでなく、予め液中でLiアルコキシドと金属アルコキシドとを反応させLi化合物を合成させているため、ミクロ的に均一なLi化合物を含む液となり、成分の均一性が非常に高い被覆層(前駆体)を作成できる。 In order to form a stable Li compound layer, the present inventor pays attention to a coating solution used for forming a coating layer (precursor), and 1) reacts a Li alkoxide with a metal alkoxide at the coating solution stage to form a Li compound. It was found that 2) using a high-boiling alcohol (for example, an alcohol having a boiling point of 120 ° C. or higher) as a solvent used in the synthesis is effective in solving the problems of the prior art. That is, as a means for suppressing deterioration of surface resistance due to the formation of a coating layer (precursor) and a decrease in Li insertion / extraction during charge / discharge, a film is formed on the surface of the composite oxide particle, As a coating solution for covering with an oxide film, a Li alkoxide and a metal alkoxide solution, which are raw materials, are dissolved in a high boiling point alcohol, and for example, Li alkoxide and a metal alkoxide are synthesized by heating and refluxing over time. In addition, it was found that by causing an alcohol substitution reaction with a high-boiling alcohol, white cloudy precipitation does not occur even if left in the atmosphere for one day. This not only facilitates storage of the liquid and handling during spraying of the coating, but also synthesizes the Li compound by reacting Li alkoxide and metal alkoxide in the liquid in advance, so that a microscopically uniform Li compound can be obtained. A coating layer (precursor) having a very high uniformity of components can be produced.
さらに、複合酸化物粒子表面上に被覆層前駆体を形成する際も、噴霧した被覆液は速乾しないため、乾燥固化する前に粒子内部に十分に浸透することができ、かつ被覆層前駆体は被覆処理装置による粒子の揺動時に複合酸化物粒子表面で展伸され、膜の均一性が向上しやすい。これによりリチウムニッケル複合酸化物が本来持つ充放電特性などの初期電池性能を阻害せず、高いサイクル特性を得ることができる正極活物質に用いる被覆液及びその簡便な製造方法を提供することができる。 Furthermore, when the coating layer precursor is formed on the surface of the composite oxide particle, the sprayed coating liquid does not quickly dry, so that it can sufficiently penetrate into the particles before being dried and solidified, and the coating layer precursor. Is spread on the surface of the composite oxide particles when the particles are swung by the coating apparatus, and the uniformity of the film tends to be improved. Accordingly, it is possible to provide a coating liquid used for a positive electrode active material that can obtain high cycle characteristics without impairing initial battery performance such as charge / discharge characteristics inherent to lithium nickel composite oxide, and a simple manufacturing method thereof. .
図3に示すように、被覆液は、リチウムアルコキシド(Liアルコキシド)とM2(すなわち、Mg、Al、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Zr、Nb、MoおよびWからなる群より選ばれた少なくとも1種以上の元素)を含むアルコキシド(M2アルコキシド)とを高沸点アルコールと加水分解抑制剤とを混合して混合液を得ることと、この混合液に溶媒及び水を加えることと、を含むことにより製造できる(ステップS1)。また、図4に示すように、この被覆液を、母材表面に噴霧して被覆層前駆体7の形成を行い(ステップS2)、被覆層前駆体7形成後の芯材6を熱処理して(ステップS3)、被覆層前駆体7と芯材6表面とを反応させてLi化合物層3を有する複合酸化物粒子2を得ることができる。以下、各工程の詳細について説明する。
As shown in FIG. 3, the coating liquid is selected from the group consisting of lithium alkoxide (Li alkoxide) and M 2 (ie, Mg, Al, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Zr, Nb, Mo and W). and obtaining the alkoxide (M 2 alkoxide) and are mixed with a high boiling alcohol and a hydrolysis inhibitor mixture containing at least one element) of the adding solvent and water to the mixture, Can be manufactured (step S1). Further, as shown in FIG. 4, the coating liquid is sprayed on the surface of the base material to form the coating layer precursor 7 (step S2), and the
被覆液の製造方法は、図3に示すように、まず、Liアルコキシドと、M2アルコキシドのモノマー又はそのオリゴマー(図3中「金属Mアルコキシド」)と、高沸点アルコールと、加水分解抑制剤と、を混合して混合液を得る(ステップS1−1)。 As shown in FIG. 3, the method for producing the coating liquid is as follows: first, Li alkoxide, a monomer of M 2 alkoxide or an oligomer thereof (“metal M alkoxide” in FIG. 3), a high-boiling alcohol, a hydrolysis inhibitor, Are mixed to obtain a mixed solution (step S1-1).
Liアルコキシドは、特に限定されず公知のものを用いることができる。Liアルコキシドは、例えば、Li金属をアルコール溶媒に任意の濃度となるように添加し、不活性ガス中で加熱溶解することにより作製できる。Liアルコキシド種は、例えば、−エトキシド、−メトキシド、−イソプロポキシド、−ブトキシドのモノマー又はそのオリゴマー−を使用できる。また、Liアルコキシドは、市販のものを用いてもよい。市販品としては、リチウムメトキシド、リチウムエトキシドが容易に入手可能である。 The Li alkoxide is not particularly limited, and a known one can be used. The Li alkoxide can be produced, for example, by adding Li metal to an alcohol solvent so as to have an arbitrary concentration and heating and dissolving in an inert gas. As the Li alkoxide species, for example, -ethoxide, -methoxide, -isopropoxide, -butoxide monomer or oligomer thereof can be used. A commercially available Li alkoxide may be used. As commercially available products, lithium methoxide and lithium ethoxide are readily available.
Liアルコキシドは、加水分解性が高く、大気中で作業すれば外気の湿気により瞬間に白濁沈殿物が生じる場合がある。これはLiアルコキシドが加水分解されて水酸化物の生成物を経由し、外気中の二酸化炭素ガスにより炭酸化して不溶成分を生成し、この不溶成分により白濁沈殿物が発生するためである。これを抑制するために、Liアルコキシドは、M2アルコキシドとの合成(反応)が完了するまでの間、不活性ガス雰囲気下で取り扱うことが好ましい。LiアルコキシドとM2アルコキシドとの合成(反応)は、例えば、不活性ガス雰囲気下のグローブボックスで行うことや、合成容器中に不活性ガスをフローした環境下で処理することができる。 Li alkoxide is highly hydrolyzable, and when working in the atmosphere, a cloudy precipitate may be generated instantaneously due to the humidity of the outside air. This is because the Li alkoxide is hydrolyzed and passes through a hydroxide product, and is carbonated by carbon dioxide gas in the outside air to generate an insoluble component, and a cloudy precipitate is generated by the insoluble component. In order to suppress this, the Li alkoxide is preferably handled in an inert gas atmosphere until the synthesis (reaction) with the M 2 alkoxide is completed. The synthesis (reaction) of Li alkoxide and M 2 alkoxide can be performed, for example, in a glove box under an inert gas atmosphere or in an environment where an inert gas is flowed into a synthesis container.
M2アルコキシドは、−エトキシド、−メトキシド以外に、−イソプロポキシド、−ブトキシドなどのアルコキシドのモノマー、またはそのオリゴマーを用いることができる。このM2アルコキシドもLiアルコキシドと同様に水との反応が著しいため、基本的な取り扱い方は、Liアルコキシドと同様、不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。 As the M 2 alkoxide, in addition to -ethoxide and -methoxide, monomers of alkoxide such as -isopropoxide and -butoxide, or oligomers thereof can be used. Since this M 2 alkoxide reacts remarkably with water like the Li alkoxide, the basic handling is preferably carried out in an inert gas atmosphere like the Li alkoxide.
M2アルコキシドは、水を加えることにより加水分解反応を生じるものであれば特に限定されず、公知のものを使用できる。M2アルコキシドモノマーは、例えば、−エトキシド、−メトキシド、−イソプロポキシド、−ブトキシドからなる各モノマーを用いることができる。これらの中でも、好ましくは、リチウムメトキシド、リチウムエトキシド、リチウムイソプロポキシド、リチウムブトキシド、マグネシウムメトキシド、マグネシウムエトキシド、マグネシウムイソプロポキシド、アルミニウムエトキシド、アルミニウムイソプロポキシド、アルミニウムブトキシド、カルシウムメトキシド、カルシウムエトキシド、チタニウムイソプロポキシド、チタニウムブトキシド、バナジウムメトキシド、バナジウムエトキシド、バナジウムイソプロポキシド、バナジウムブトキシド、クロムメトキシド、クロムエトキシド、クロムイソプロポキシド、クロムブトキシド、マンガンメトキシド、マンガンエトキシド、マンガンイソプロポキシド、マンガンブトキシド、ジルコニウムエトキシド、ジルコニウムイソプロポキシド、ジルコニウムブトキシド、ニオブエトキシド、ニオブイソプロポキシド、ニオブブトキシド、モリブデンエトキシド、モリブデンイソプロポキシド、モリブデンブトキシド、タングステンエトキシド、タングステンイソプロポキシド、タングステンブトキシドなどからなるモノマーを用いることができる。また、これらのモノマーから得られたオリゴマーであっても、後述するアルコール溶媒に分散及び溶解することができれば使用することができる。 The M 2 alkoxide is not particularly limited as long as it causes a hydrolysis reaction by adding water, and a known one can be used. As the M 2 alkoxide monomer, for example, monomers composed of -ethoxide, -methoxide, -isopropoxide, and -butoxide can be used. Of these, lithium methoxide, lithium ethoxide, lithium isopropoxide, lithium butoxide, magnesium methoxide, magnesium ethoxide, magnesium isopropoxide, aluminum ethoxide, aluminum isopropoxide, aluminum butoxide, calcium methoxy are preferable. Calcium ethoxide, titanium isopropoxide, titanium butoxide, vanadium methoxide, vanadium ethoxide, vanadium isopropoxide, vanadium butoxide, chromium methoxide, chromium ethoxide, chromium isopropoxide, chromium butoxide, manganese methoxide, Manganese ethoxide, manganese isopropoxide, manganese butoxide, zirconium ethoxide, zirconium isoprop Kishido, zirconium butoxide, niobium ethoxide, niobium isopropoxide, Niobubutokishido, molybdenum ethoxide, molybdenum isopropoxide, molybdenum butoxide, tungsten ethoxide, tungsten isopropoxide, can be used a monomer consisting of tungsten butoxide. Even oligomers obtained from these monomers can be used as long as they can be dispersed and dissolved in an alcohol solvent described later.
高沸点アルコールは、1−ブタノ−ル(117℃)より沸点が高いものを用いることができ、例えば、沸点が120℃以上のものが挙げられる。高沸点アルコールは、好ましくは沸点が130℃以上150℃以下程度である、沸点がこの範囲であることにより、より効果を得やすく、扱いやすい。高沸点アルコールとしては、例えば、2メチル−1ブタノ−ル(沸点:128℃)、1エトキシ−2プロパノール(沸点:132℃)、2−イソプロポキシエタノール(沸点:144℃)等が挙げられる。 As the high boiling point alcohol, those having a boiling point higher than that of 1-butanol (117 ° C.) can be used, and examples thereof include those having a boiling point of 120 ° C. or higher. The high boiling alcohol preferably has a boiling point of about 130 ° C. or higher and 150 ° C. or lower. When the boiling point is within this range, it is easier to obtain an effect and it is easy to handle. Examples of the high boiling point alcohol include 2-methyl-1-butanol (boiling point: 128 ° C.), 1 ethoxy-2-propanol (boiling point: 132 ° C.), 2-isopropoxyethanol (boiling point: 144 ° C.), and the like.
一般的に、金属アルコキシドの耐水性を高めるため、金属アルコキシドを含む溶液中に、キレート剤(例えば、アセチルアセトン)を加えて、金属アルコキシドを改質することが行われる。キレート剤の添加により、金属アルコキシドは、キレート化される。キレート化された金属アルコキシドは、官能基の一部をキレート環で修飾されるため、加水分解反応が抑制される。キレート化した金属アルコキシドを含む溶液は、黄色い安定な液として耐水性、保存性が高くなることが知られている。しかし、キレート化のみで、金属アルコキシドの加水分解反応を抑制する場合、キレート剤を多量に添加する必要があり、添加した分だけ金属アルコキシドの安定性は増すが、反面、複合酸化物粒子の表面に噴霧した際の付着性が悪化したり、低級アルコールに溶けなかったりする問題があった。また、キレート剤としてアセチルアセトンを大量に添加した場合、熱処理する際に300℃近傍でアセチルアセトンが一部熱分解し燃焼するため、CO2が発生し、複合酸化物粒子表面が炭酸化を起こし、放電特性が低下する問題があった。 Generally, in order to increase the water resistance of a metal alkoxide, a chelating agent (for example, acetylacetone) is added to a solution containing the metal alkoxide to modify the metal alkoxide. By adding a chelating agent, the metal alkoxide is chelated. Since the chelated metal alkoxide is partially modified with a chelate ring, the hydrolysis reaction is suppressed. It is known that a solution containing a chelated metal alkoxide has high water resistance and storage stability as a yellow stable solution. However, if the hydrolysis reaction of the metal alkoxide is suppressed only by chelation, it is necessary to add a large amount of chelating agent, and the stability of the metal alkoxide increases by the added amount, but on the other hand, the surface of the composite oxide particle There was a problem that the adhesion when sprayed on the surface deteriorates or does not dissolve in the lower alcohol. In addition, when a large amount of acetylacetone is added as a chelating agent, acetylacetone is partially pyrolyzed and burned at around 300 ° C. during heat treatment, so that CO 2 is generated, and the surface of the composite oxide particle is carbonated, causing discharge. There was a problem that the characteristics deteriorated.
従来、M2アルコキシドを含む溶液の調整の際は、キレート剤の添加量を、アルコキシドが持つ官能基の1つないし2つ分をキレート化する量に制限することにより、上記問題に対応してきた。しかし、Liアルコキシドはキレート化されにくいため、キレート剤のみで加水分解を抑制する場合、多量のキレート剤を投入する必要がある。このため、上述のような問題が特に生じやすく、従来のキレート剤のみを添加する方法に変わる、金属アルコキシドを安定化する方法が望まれていた。 Conventionally, when preparing a solution containing M 2 alkoxide, the above-mentioned problem has been addressed by limiting the amount of chelating agent added to the amount of chelating one or two functional groups of the alkoxide. . However, since Li alkoxide is difficult to be chelated, it is necessary to add a large amount of chelating agent when the hydrolysis is suppressed only by the chelating agent. For this reason, the above problems are particularly likely to occur, and there has been a demand for a method for stabilizing a metal alkoxide, which replaces the conventional method of adding only a chelating agent.
本実施形態では、Liアルコキシドと加水分解抑制剤(キレート剤を含む)とM2アルコキシドとを高沸点アルコールに溶解した後、環流して混合液を作製することにより、アルコキシドのもつ官能基をアルコール置換反応で変化させると同時に、2種類のアルコキシドを合成させて液の安定化を図ることができる。なお、Li及びM2アルコキシドは、高沸点アルコール以外の様々な溶媒に溶解することができるが、例えば、低級アルコールのみに溶解した場合、その性状は変わらず、加水分解しやすい不安定な状態が続く。 In this embodiment, after dissolving Li alkoxide, a hydrolysis inhibitor (including a chelating agent) and M 2 alkoxide in a high-boiling alcohol, the mixture is refluxed to prepare a mixed solution, whereby the functional group of the alkoxide is converted to alcohol. Simultaneously with the substitution reaction, the liquid can be stabilized by synthesizing two kinds of alkoxides. Li and M 2 alkoxides can be dissolved in various solvents other than high-boiling alcohols. For example, when dissolved only in lower alcohols, the properties thereof do not change and an unstable state that is easily hydrolyzed is present. Continue.
混合液の製造方法は、例えば、Liアルコキシド(例えば、Liメトキシド)を高沸点アルコール(例えば、2メチル−1ブタノ−ル)中に投入し、1hr環流させた後、1官能基をアセチルアセトンでキレート化しておいたM2アルコキシド(例えばAlイソプロポキシド)をさらに投入して、再度、1hr環流させて合成液とする。この際、Liメトキシドを溶解した液中にAlイソプロポキシドを直接加えると、LiイオンのpHの影響で白濁が起こることがある。このためAlイソプロポキシドを1官能基分キレート化した後に、Li溶液中に投入する方法を採ることが好ましい。キレート剤の添加量は、Alアルコキシドをキレート化する程度の量であれば、Liへの影響は小さい。また、還流時間は、0.3〜4時間、好ましくは0.5〜2時間程度とすることができる。
For example, a mixed solution is produced by adding Li alkoxide (for example, Li methoxide) into a high-boiling point alcohol (for example, 2-methyl-1-butanol), refluxing for 1 hr, and chelating one functional group with acetylacetone. The M 2 alkoxide (for example, Al isopropoxide) that has been converted is further added and refluxed again for 1 hr to obtain a synthesis solution. At this time, if Al isopropoxide is directly added to a solution in which Li methoxide is dissolved, white turbidity may occur due to the influence of the pH of Li ions. For this reason, it is preferable to employ a method in which Al isopropoxide is chelated by one functional group and then charged into the Li solution. If the addition amount of the chelating agent is an amount that can chelate the Al alkoxide, the influence on Li is small. The reflux time can be about 0.3 to 4 hours, preferably about 0.5 to 2 hours.
高沸点アルコールは、通常、キレート剤等の高沸点有機溶媒より熱分解性が高く、低温側で分解するため、被覆液が高沸点アルコールを含有することによる複合酸化物粒子表面の炭酸化による電池特性への影響は少ない。例えば、アセチルアセトンの熱分解温度は280℃近傍であるが、高沸点アルコールは、200℃以下で熱分解が可能である。 High-boiling point alcohol is usually more thermally decomposable than high-boiling point organic solvents such as chelating agents, and decomposes on the low temperature side, so the battery by carbonation of the composite oxide particle surface due to the coating liquid containing high-boiling point alcohol. There is little effect on the characteristics. For example, the thermal decomposition temperature of acetylacetone is around 280 ° C., but high-boiling alcohol can be thermally decomposed at 200 ° C. or lower.
また、高沸点アルコールは、熱分解性が高いだけで無く、高沸点アルコール(溶媒)自体が疎水性を示すため、この性状をアルコキシドに転化することで、Li及びM2アルコキシド自体の水に対する安定性をより改質することができる。なお、沸点が高すぎるアルコールを用いると、環流するのに手間が掛かるため、高沸点アルコールの沸点の上限の目安としては、1−ブタノ−ル(117℃)より高い120℃以上、好ましくは130℃から150℃前後のものが効果を得やすく、扱いやすい。 In addition, high-boiling point alcohol has not only high thermal decomposability, but also high-boiling point alcohol (solvent) itself exhibits hydrophobicity. By converting this property to alkoxide, the stability of Li and M 2 alkoxide itself to water can be improved. The property can be further modified. If an alcohol having a boiling point that is too high is used, it takes time to circulate, and therefore, the upper limit of the boiling point of the high boiling alcohol is 120 ° C. or higher, preferably 130 ° C. higher than 1-butanol (117 ° C.). A temperature of from about 150 ° C. to about 150 ° C. is easy to obtain an effect and easy to handle.
Liアルコキシド、M2アルコキシド、高沸点アルコール及び加水分解抑制剤を上述のような条件で混合して得られる混合液は、安定性が増し、1日〜2日程の放置なら大気中に置いても白濁沈殿することは無くなる。なお、混合液は、高沸点アルコールの上述した効果を阻害しない限り、高沸点アルコール以外の溶媒を含むこともでき、例えば、低級アルコールや疎水性を有する溶媒である炭素数が5以上の高級アルコールや酢酸エステル類などを含むことができる。炭素数が5以上の高級アルコールや酢酸エステル類などの場合、好ましくは、混合液全体の10質量%以下添加する。ただし、これらの溶媒は、それ自体の異臭、分解ガスからの刺激臭が激しく、排ガス処理に問題が起こりやすい。なお、混合液は、溶媒として一般的に多く用いられるトルエン、THF、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ等は用いない。これらの溶媒は有害性が高く、噴霧乾燥時の危険性も高いためである。 Li alkoxide, M 2 alkoxide, a mixed solution obtained by mixing the system under the above high boiling alcohols and hydrolysis inhibitor, stability is increased, be placed if standing about 1 day to 2 days in air No cloudy precipitation occurs. The mixed solution can also contain a solvent other than the high-boiling point alcohol as long as the above-described effects of the high-boiling point alcohol are not impaired. For example, the mixed alcohol is a lower alcohol or a higher alcohol having 5 or more carbon atoms that is a hydrophobic solvent. And acetates. In the case of higher alcohols or acetates having 5 or more carbon atoms, it is preferably added in an amount of 10% by mass or less based on the entire mixture. However, these solvents have a strong odor of their own and an irritating odor from the decomposition gas, and problems are likely to occur in exhaust gas treatment. The mixed solution does not use toluene, THF, methyl cellosolve, ethyl cellosolve or the like that is generally used as a solvent. This is because these solvents are highly harmful and have a high risk of spray drying.
高沸点アルコールは、被覆液の全溶媒として使用することもできるが、高沸点アルコールの価格、乾燥速度の観点から、アルコキシドを改質する時のみに使用するのが好ましい。具体的には、上述したように、LiアルコキシドとM2アルコキシドとを混合する際に用いることができる。得られた混合液は噴霧し易いように低級アルコールなどの溶媒を用いて低濃度に希釈することができる。希釈用の溶媒としては、高沸点アルコールと混和しやすい低級アルコールが好ましい。低級アルコールは、例えば、エタノール、または2−プロパノール等を挙げることができる。高沸点アルコールは、混合液中、10%以上40%以下の範囲で含有されることが好ましい。 Although the high boiling point alcohol can be used as the total solvent of the coating solution, it is preferably used only when modifying the alkoxide from the viewpoint of the price of the high boiling point alcohol and the drying rate. Specifically, as described above, it can be used when mixing Li alkoxide and M 2 alkoxide. The obtained liquid mixture can be diluted to a low concentration using a solvent such as a lower alcohol so that it can be easily sprayed. As a solvent for dilution, a lower alcohol that is easily miscible with a high-boiling alcohol is preferable. Examples of the lower alcohol include ethanol and 2-propanol. The high boiling point alcohol is preferably contained in the mixed solution in the range of 10% to 40%.
被覆液は、その原料であるLi及びM2アルコキシドに、高沸点アルコールやキレート剤などを添加し、アルコール交換反応やキレート化することにより、加水分解反応の制御が容易となる。これは金属アルコキシドの官能基の一部を部分的に加水分解したオリゴマーにすることで、加水分解基(水酸基)が導入されて粒子表面への吸着性が向上させるために行う。加水分解抑制剤としては、キレート剤を用いる場合、キレート剤は、好ましくはアミノカルボン酸、又はその塩、もしくはジケトン類から選択される少なくとも1種を用いる。これらの中でも、アセチルアセトンがより好ましい。他のキレート剤としては公知のアセト酢酸エチル、ニトリロトリ酢酸、メチルグリシンジ酢酸、ジカルボキシメチルグルタミン酸、L−アスパラギン酸等、又はその塩でも代用可能であるが、熱分解性に優れているアセチルアセトンが好ましい。使用法は、例えばジルコニウムテトラブトキシドの4個の官能基(ブトキシ基)のうち、その1個以上の官能基を補う分の同モル数のアセチルアセトンを加えて修飾してやることで安定性が大幅に改善される。 The coating liquid can easily control the hydrolysis reaction by adding a high-boiling point alcohol or a chelating agent to the raw materials Li and M 2 alkoxide, and performing an alcohol exchange reaction or chelation. This is performed in order to improve the adsorptivity to the particle surface by introducing a hydrolyzable group (hydroxyl group) by forming a partially hydrolyzed oligomer of a part of the functional group of the metal alkoxide. When a chelating agent is used as the hydrolysis inhibitor, the chelating agent is preferably at least one selected from aminocarboxylic acids, salts thereof, or diketones. Among these, acetylacetone is more preferable. As other chelating agents, known ethyl acetoacetate, nitrilotriacetic acid, methylglycine diacetic acid, dicarboxymethylglutamic acid, L-aspartic acid and the like, or salts thereof can be substituted, but acetylacetone having excellent thermal decomposability is used. preferable. For example, among the four functional groups (butoxy group) of zirconium tetrabutoxide, the stability is greatly improved by modifying it by adding the same number of moles of acetylacetone to compensate for one or more functional groups. Is done.
キレート化の際、十分に修飾反応させるためには、例えば、2―プロパノール等の低級アルコールにアルコキシドモノマーを溶解して60質量%以下の濃度の溶液を作製し、その中にアセチルアセトン等のキレート剤を徐々に添加した後、20℃以上100℃以下、0.5時間以上4時間以下で加熱し、M2アルコキシドモノマーのキレート化液を得ることが好ましい。このような操作により、修飾反応が促進され、水への安定性は増す。 In order to perform a sufficient modification reaction at the time of chelation, for example, an alkoxide monomer is dissolved in a lower alcohol such as 2-propanol to prepare a solution having a concentration of 60% by mass or less, and a chelating agent such as acetylacetone is contained therein. Is gradually added, followed by heating at 20 ° C. or higher and 100 ° C. or lower and 0.5 hour or longer and 4 hours or shorter, to obtain a chelating solution of M 2 alkoxide monomer. Such an operation promotes the modification reaction and increases the stability to water.
さらに混合液は、低級アルコール等の溶媒に加えて、加水分解用の水分を添加することが好ましい。水の添加は、Li及び金属M2アルコキシドを部分加水分解させるために添加するもので、アルコキシド重量に対して10〜30%加えておくと効果が高い。アルコキシドは部分加水分解しておかないと粒子表面に吸着しないため、水分は必要である。アルコキシドは官能基の一部が加水分解されることで、粒子表面にある水酸基と水素結合を起こして吸着され、これを繰り返すことで立体的な堆積物となり膜形成される。このため水分は、キレート化されていないまたは疎水化されていない官能基の一部を加水分解するだけの水分量を添加すれば良く、これ以上加えると粒子自体に影響を与えて劣化を起こすこともある。水分は適量であれば、加水分解反応時に消費されるため、粒子に影響はない。さらに、Liアルコキシドと遷移金属アルコキシドとを完全に合成しておかないと、添加した水分によりどちらかのアルコキシドが積極的に加水分解されて白濁沈殿を起こすことになる。 Furthermore, it is preferable to add water for hydrolysis to the mixed solution in addition to a solvent such as a lower alcohol. The addition of water is intended to be added in order to partially hydrolyze Li and a metal M 2 alkoxide, is highly effective idea in addition 10-30% relative alkoxide weight. Since alkoxide is not adsorbed on the particle surface unless it is partially hydrolyzed, moisture is necessary. Alkoxide is adsorbed by causing hydrogen bonds with hydroxyl groups on the particle surface by hydrolysis of a part of functional groups, and by repeating this, a three-dimensional deposit is formed to form a film. For this reason, it is only necessary to add an amount of water sufficient to hydrolyze a part of the functional group that is not chelated or hydrophobized, and adding more than this will affect the particles themselves and cause deterioration. There is also. If the amount of water is an appropriate amount, it is consumed during the hydrolysis reaction, so there is no effect on the particles. Furthermore, if the Li alkoxide and the transition metal alkoxide are not completely synthesized, one of the alkoxides is actively hydrolyzed by the added water, resulting in cloudy precipitation.
部分的加水分解反応においては、金属アルコキシド100質量%に対して、水を5質量%以上50質量%以下、好ましくは15質量%以上30質量%以下を添加することが好ましく、水を加えた後、さらに加熱し部分的加水分解反応を終了させる。水の含有割合が50質量%を超えると加水分解が急激に進みすぎてゲル化を起こしやすく、5質量%以下では加水分解量として少なく、効果が薄い。 In the partial hydrolysis reaction, it is preferable to add 5% by mass to 50% by mass, preferably 15% by mass to 30% by mass of water with respect to 100% by mass of the metal alkoxide, and after adding water. Further heating is performed to complete the partial hydrolysis reaction. If the water content exceeds 50% by mass, hydrolysis proceeds too rapidly and gelation tends to occur, and if it is 5% by mass or less, the hydrolysis amount is small and the effect is poor.
図4に示すように、複合酸化物粒子からなる母材5は、上述の方法により得られた被覆液の噴霧等により被覆され、表面に被覆層前駆体7が形成された芯材6が得られ(ステップS2)、その後、熱処理する(ステップS3)。以下、各工程について説明する。
As shown in FIG. 4, the
(被覆層前駆体の形成)
被覆層前駆体は、上記被覆液と母材5とを混合または噴霧して被覆液中に含まれる前駆体微粒子を芯材6の表面に堆積させて、形成される。
(Formation of coating layer precursor)
The coating layer precursor is formed by mixing or spraying the coating liquid and the
母材5として用いるリチウムニッケル複合酸化物粒子は、電池特性を良好なものとするため、一般式LitNi1−x−yCoxMyO2(式中Mは、Mg、Al、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Zr、Nb、MoおよびWからなる群より選ばれた少なくとも1種以上の元素であり、0.97≦t≦1.05、0≦x≦0.22、0≦y≦0.15である。)が好ましく用いられる。このような複合酸化物粒子は、Liの過剰が少ないものの未だ水分に対する感度が高く、リチウムが溶出しやすい性質を有する。これに、本実施形態の被覆液を用いてリチウム化合物層3を形成した複合酸化物粒子2は、水分によるリチウムの溶出が抑制されることでペースト組成物のゲル化が抑制され、かつ、二次電池の正極として用いた場合、初期放電量を低下せずに、長期的に高いサイクル特性を有するものとなる。
The lithium nickel composite oxide particles used as the
噴霧により被覆されたときの前記M2量は、分析で芯材全体100質量%に対して、0.01〜2.0質量%の範囲となるように調整される。前駆体微粒子の量が少なくなり過ぎると、表層形成時に十分な量の反応層を生成させることができないことがある。 The amount of M 2 when coated by spraying is adjusted to be in the range of 0.01 to 2.0% by mass with respect to 100% by mass of the entire core material in the analysis. If the amount of the precursor fine particles is too small, a sufficient amount of the reaction layer may not be generated when the surface layer is formed.
被覆方法としては、母材5表面に均一に被覆できる方法であればよい。例えば、転動流動装置のように母材粒子を流動させながら、被覆液を噴霧して膜を形成する方法がより好ましいが、本発明にある被覆液を用いれば、僅かな粒子の揺動が可能な簡便な機能と、噴霧、乾燥ができれば容易に均一な被覆が可能である。
Any coating method may be used as long as the surface of the
攪拌は粒子が解砕、脱粒、衝撃によるダメージが無ければどのような方法でも構わず、簡便な装置を用いることが可能である。転動流動装置以外には、粒子を入れる容器自体が回転するタイプや容器の内側に攪拌羽根を要するタイプ等、横型のドラム式攪拌容器が好ましい。攪拌は粒子が揺動する程度であれば良く、ドラム式の50L攪拌容器程度であれば100rpm以下の低速で稼働できるため、粒子へのダメージが低減される。 Any method may be used for stirring as long as the particles are not crushed, crushed, or damaged by impact, and a simple apparatus can be used. Other than the rolling flow device, a horizontal drum type stirring container such as a type in which the container itself in which particles are put rotates or a type in which a stirring blade is required inside the container is preferable. The stirring may be performed so long as the particles are oscillated. If the drum-type 50 L stirring vessel is used, the operation can be performed at a low speed of 100 rpm or less, so that damage to the particles is reduced.
噴霧はスプレーノズルを用いる。1流体ノズルでも構わないが、20L〜50Lの小規模な装置の容量に対してはミスト径が大きく、かつ噴霧速度の少量制御ができないために被覆の均一性が劣る。ミスト径は数μmからなる微細な噴霧とするのが好ましく、その点から気体圧力を利用した2流体ノズルが好ましい。噴霧は噴霧量と噴霧速度で制御され、例えば20L〜50Lの装置容量であれば、3〜50g/min程の噴霧量と、噴霧速度0.2〜3L/minで攪拌中の粒子に噴霧することができる。 A spray nozzle is used for spraying. A single fluid nozzle may be used, but the coating uniformity is inferior because the mist diameter is large and the spray rate cannot be controlled in a small amount with respect to the capacity of a small apparatus of 20 L to 50 L. The mist diameter is preferably a fine spray consisting of several μm, and from this point, a two-fluid nozzle utilizing gas pressure is preferred. The spraying is controlled by the spraying amount and the spraying speed. For example, if the apparatus capacity is 20 L to 50 L, the spraying amount is sprayed on the particles being stirred at a spraying amount of about 3 to 50 g / min and the spraying speed 0.2 to 3 L / min. be able to.
被覆層前駆体の被覆後の乾燥は、装置容器外部を加熱することで行われ、実温で40〜100℃間で乾燥することが好ましい。加熱方法は内部に熱風を導入する方法もあるが、送風によりアルコール溶媒の回収が難しくなることや、粒子の舞上がりで排気口に設けるフィルタが目詰まりしやすくなることから容器外部を加熱する方法が適用される。容器外部の加熱は、熱線ヒータやドライヤ、温調ジャケットを設けることで行われる。アルコール溶媒を回収する際は排気口にコールドトラップを有する真空回収装置、活性炭吸着剤の入ったボックスを付けた集塵機等を設けることにより乾燥時に発生したアルコール蒸気を回収することができる。本発明で用いる溶媒は高沸点アルコールが含まれているため、乾燥し難いばかりか、噴霧速度も比較的速いため、実温設定は60〜90℃にするのが特に好ましい。実温が低すぎると、噴霧した液が乾燥せずに攪拌されるため、粉末同士の付着による凝集の発生や、装置壁面や攪拌羽に付着して膜の均一性が大幅に低下する。一方、110℃を超えて高温で乾燥すると、溶媒の揮発が早すぎて、被膜の剥離、膜の均一性が低下する。 Drying after the coating of the coating layer precursor is performed by heating the outside of the device container, and it is preferable to dry at 40 to 100 ° C. at the actual temperature. There is also a method of introducing hot air inside, but there are methods of heating the outside of the container because it becomes difficult to recover the alcohol solvent by blowing air and the filter provided at the exhaust port becomes clogged easily due to the rising of particles. Applied. The outside of the container is heated by providing a hot wire heater, a dryer, and a temperature control jacket. When the alcohol solvent is recovered, alcohol vapor generated during drying can be recovered by providing a vacuum recovery device having a cold trap at the exhaust port, a dust collector with a box containing activated carbon adsorbent, or the like. Since the solvent used in the present invention contains a high-boiling point alcohol, it is difficult to dry and the spraying speed is relatively fast. Therefore, the actual temperature setting is particularly preferably 60 to 90 ° C. If the actual temperature is too low, the sprayed liquid is agitated without being dried, and therefore, the occurrence of agglomeration due to adhesion between powders, adhesion to the apparatus wall surface and agitation blades, and the uniformity of the film is greatly reduced. On the other hand, when it is dried at a high temperature exceeding 110 ° C., the solvent is volatilized too early, and the peeling of the film and the uniformity of the film are lowered.
乾燥は、処理中の加熱により溶媒が揮発することにより行われ(処理中の乾燥)、その結果、さらさらの状態の粒子が得られる。しかし、膜中の有機物、溶媒や水分が処理の乾燥だけでは完全に抜けきれないことがある。そこで被覆装置から取り出した粒子を再度、真空中で乾燥することが好ましい。乾燥温度を110〜150℃にすると、膜中の残留物が除去できる。乾燥温度は200℃を超えると芯材粒子が劣化しやすい。乾燥時間は1〜24時間とすることが好ましく、1時間未満では乾燥が不十分な場合があり、24時間を越えると生産性が低下する。 Drying is performed by volatilization of the solvent by heating during processing (drying during processing), and as a result, particles in a free-flowing state are obtained. However, organic substances, solvents, and moisture in the film may not be completely removed only by drying the treatment. Therefore, it is preferable to dry the particles taken out from the coating apparatus again in a vacuum. When the drying temperature is set to 110 to 150 ° C., the residue in the film can be removed. When the drying temperature exceeds 200 ° C., the core material particles tend to deteriorate. The drying time is preferably 1 to 24 hours. If the drying time is less than 1 hour, drying may be insufficient. If the drying time exceeds 24 hours, productivity decreases.
(熱処理)
熱処理は、被覆層前駆体7を熱処理して芯材6表面と反応を起こさせる工程である(ステップS3)。上述した芯材6表面に形成された被覆層前駆体7は、250℃以上300℃以下の熱処理により芯材6表面に強固に結着(結合)するとともに、膜中に存在する大部分の不要物が除去され、その結果、酸化物に近い膜を形成し、膜質が向上する。更に高温での熱処理により形成されたリチウム化合物層3(被覆層3a、表層部3b)は、被覆層前駆体7と比較して、より強固となり、耐水性が向上してゲル化抑制にも一層の効果が上がる。300℃以下の熱処理の段階では芯材6界面にある被覆膜には顕著な反応は生じていない。一方、この段階で得られる被覆層3aは酸化物であるため、表面抵抗が悪化することで初期放電容量は低下する傾向がある。これを回避するために、従来技術では被覆層を5nm程度に極力薄くして充放電時のLiの挿入脱離を妨げない工夫が必要であった。従来の被覆層は、薄くかつ均一性を上げることにより、初期充電容量と耐水性とのバランスを保ち、また薄いことで生じる膜中の欠陥(有機物分解による空隙の発生)を抑制することができたが、一方で、その製造工程においては、時間を掛けながら希薄液を用いて被覆液を処理する必要があった。本実施形態において用いる被覆液は、Liが含まれているため、高温処理した場合においても、芯材6からLiが欠損し、Li量が減少することがない。熱処理温度は、400℃以上700℃以下が好ましい。700℃を超えるとLiの揮発が始まるので放電容量の低下原因になることがある。400℃未満では有機物が除去できていない、あるいは被覆膜の反応が十分でないなどにより、サイクル特性は改善できないことがある。
(Heat treatment)
The heat treatment is a step in which the
熱処理時の雰囲気は、酸素ガスを導入することが好ましい。空気ガスを導入して熱処理を行うと、ガス中に混ざっている湿気やCO2ガスにより放電容量が低下することがある。熱処理時の雰囲気として、純酸素ガスを用いることにより、有機物の分解もスムーズに行うことができる。 The atmosphere during the heat treatment is preferably oxygen gas. When heat treatment is performed by introducing air gas, the discharge capacity may decrease due to moisture or CO 2 gas mixed in the gas. By using pure oxygen gas as the atmosphere during the heat treatment, organic substances can be decomposed smoothly.
リチウム化合物層3に含有される残留物は、主に炭素を分析することにより検出できる。この炭素含有量の制御は、熱処理時の条件によって行われ、熱処理に用いる炉に投入する混合物の量や、熱処理温度、該炉に供給する酸素ガス流量、昇温速度を制御することで抑制することができる。
Residues contained in the
被覆層前駆体7を有する芯材6を熱処理する際の条件としては、下記式(1)で求められる値が、好ましくは60.0(g/分)以上434.8(g/分)以下、より好ましくは100(g/分)以上217(g/分)以下の範囲内とする。
[混合物量(g)/炉容積(L)]×酸素ガス導入量(L/分)・・・・(1)
これらの範囲で行うことで正極活物質の炭素含有量が、正極活物質全体100質量%に対して、0.01〜0.2質量%であり、かつ水分量が0.01〜0.15質量%となる膜質を得ることができる。300℃以下の処理温度であれば、特に酸素ガス流量を抑えても効果は十分に得られるが、高温で行う場合、LiNiO2系の正極活物質はLiの飛散や酸素欠損を起こすため、それを回避するために多めに酸素ガスを流すことが必要となる。これにより有機物残留量をより減少させることができる。
As a condition for heat-treating the
[Mixture amount (g) / furnace volume (L)] × oxygen gas introduction amount (L / min) (1)
By carrying out in these ranges, the carbon content of the positive electrode active material is 0.01 to 0.2% by mass with respect to 100% by mass of the entire positive electrode active material, and the water content is 0.01 to 0.15. A film quality of mass% can be obtained. If the treatment temperature is 300 ° C. or lower, the effect can be obtained sufficiently even if the oxygen gas flow rate is suppressed. However, when performed at a high temperature, the LiNiO 2 -based positive electrode active material causes Li scattering and oxygen deficiency. In order to avoid this, it is necessary to flow a large amount of oxygen gas. Thereby, the residual amount of organic matter can be further reduced.
上記範囲内に熱処理条件を制御することにより、被覆膜の炭素含有量の削減することができる。なお、上記条件の範囲内であれば、炉内容積、混合物の処理量、酸素ガス流量の比を任意に変えて同様な効果を得ることができる。 By controlling the heat treatment conditions within the above range, the carbon content of the coating film can be reduced. In addition, if it is in the range of the said conditions, the same effect can be acquired by changing arbitrarily the ratio of the furnace internal volume, the processing amount of a mixture, and oxygen gas flow rate.
例えば、50Lの容積を持つ熱処理炉中にアルミナ容器に充填した1000g以上2000g以下の混合物を投入し、3L/分以上10L/分以下(ガス圧0.1MPa)で純酸素ガスを導入しながら、3℃/min以上20℃/min以下、好ましくは5℃/min以上10℃/min以下で昇温し、300℃以上700℃以下で0.5時間以上5時間以下、好ましくは400℃以上600℃以下で0.5時間以上2時間以下保持することで、より高性能な正極活物質を得ることができる。 For example, a mixture of 1000 g to 2000 g filled in an alumina container is put into a heat treatment furnace having a volume of 50 L, and pure oxygen gas is introduced at 3 L / min to 10 L / min (gas pressure 0.1 MPa), The temperature is raised from 3 ° C./min to 20 ° C./min, preferably from 5 ° C./min to 10 ° C./min, from 300 ° C. to 700 ° C. from 0.5 hours to 5 hours, preferably from 400 ° C. to 600 ° C. By maintaining at 0.5 ° C. or lower for 0.5 hour or longer and 2 hours or shorter, a higher performance positive electrode active material can be obtained.
初期放電容量においても温度依存性を調査すると、熱処理温度が300℃であってもLi含有の効果で表面抵抗が大幅に増加しないため、初期放電容量は大きく低下しない傾向にある。これが400℃以上になると芯材6と被覆層3aが反応を開始し、芯材との相互拡散が行われることで粒子表面には表層部3bとしてLi化合物層3が生成される。これと平行して表面抵抗は未被覆時に近い状態となり、初期放電容量は回復する。一方、耐水性は改善されているため、ゲル化の問題はない。
When the temperature dependency of the initial discharge capacity is also investigated, even if the heat treatment temperature is 300 ° C., the surface resistance does not increase significantly due to the effect of Li content, and therefore the initial discharge capacity does not tend to decrease greatly. When the temperature is 400 ° C. or higher, the
有機物が除去されているかは、ICP分析によりT−C量を測定することで判断できる。この際のC量は有機物以外に、炭酸化で生じたものも含まれている。残留するC量は、複合酸化物粒子全体に対して0.03質量%以下が好ましく、これ以上含まれると特性に影響を与える。 Whether or not organic substances are removed can be determined by measuring the amount of TC by ICP analysis. The amount of C at this time includes not only organic substances but also those produced by carbonation. The remaining amount of C is preferably 0.03% by mass or less with respect to the entire composite oxide particles, and if more than this is included, the properties are affected.
表層部3b生成の確認はTEM、TEM−EDS、TOF−SIMS、SEM−EDS、ICP分析を用いて行うことができる。例えば、Li−Nb−Oを含む被覆液を母材5表面に30nmとなるようにコートして、熱処理温度を変えて深さ方向に濃度勾配を分析すると、300℃では高濃度のNbを主とした母材界面から20nmからなる被覆層3aとして検出(濃度100%とする)されるが、600℃に達すると被覆層3aは減少し、複合酸化物粒子2表面から深さ方向に100nmの位置で50%のNb元素が検出されるようになる。これにより300℃で見られる表面抵抗の増加が、600℃に変えることで表面抵抗が回復を示し、放電容量も未被覆の場合並みに改善される。一方、この熱処理温度が700℃を超えるとNbの拡散はさらに広がり、複合酸化物粒子2表面から深さ方向に500nmの位置でNb元素は10%以下になってしまう。これにより表層効果は薄れ、耐水性やサイクル特性への改善効果が低下する。よって被覆膜として存在した構成元素が芯材6内部に拡散しながら、一定の高濃度で芯材6表層近傍に止まっている(留まっている)ことが重要となる。
The generation of the
熱処理時間は、上記の所定の温度まで昇温した後、0.5時間以上5時間以下とすることが好ましく、0.5時間以上2時間以下がより好ましい。これにより複合酸化物粒子2表面への固着と不要な有機溶媒の除去を十分に行うことができる。熱処理時間が0.5時間未満であると、有機溶媒が残渣することがある。また、高温下で熱処理時間が5時間を越えると母材5粒子からの酸素欠損が起こりやすいため、初期放電容量が低下することがある。熱処理時の雰囲気は純酸素雰囲気が選択され、芯材6又は複合酸化物粒子2表面が還元されないようにすることが好ましい。
The heat treatment time is preferably 0.5 hours or more and 5 hours or less, more preferably 0.5 hours or more and 2 hours or less, after raising the temperature to the predetermined temperature. Thereby, it is possible to sufficiently adhere to the surface of the
熱処理する電気炉としては特にマッフル炉を使用することが好ましく、炉内に純酸素を満たした状態で常にガス循環することで、熱処理中は有機物等の分解による酸素不足状態にはならず、芯材粒子表層を健全な酸化状態にすることができる。 As the electric furnace to be heat-treated, it is particularly preferable to use a muffle furnace. By constantly circulating gas in a state where pure oxygen is filled in the furnace, an oxygen-deficient state due to decomposition of organic substances or the like does not occur during the heat treatment, and the core The material particle surface layer can be brought into a sound oxidation state.
上述した複合酸化物粒子表面の被覆方法は、ほぼ全ての正極活物質に対して適応することが可能であり、原材料として用いる母材としてリチウムニッケル複合酸化物以外にも、例えば、リチウムコバルト複合酸化物、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物、リチウムマンガン複合酸化物などからなる粒子を用いることができる。また、得られる正極活物質の粒度分布は、被覆前後でほぼ同等に維持される。したがって、被覆前の母材5の平均粒径は、最終的に得ようとする正極活物質1と同等とすればよく、3μm以上25μm以下とすることが好ましく、5μm以上20μm以下とすることがより好ましい。ここで、平均粒径はメジアン径(d50)であり、レーザー回折・散乱法に基づく粒度分布測定装置によって測定できる。
The above-described coating method of the surface of the composite oxide particles can be applied to almost all positive electrode active materials. In addition to the lithium nickel composite oxide as a base material used as a raw material, for example, lithium cobalt composite oxidation Particles made of an oxide, lithium nickel cobalt manganese composite oxide, lithium manganese composite oxide, or the like can be used. Further, the particle size distribution of the obtained positive electrode active material is maintained substantially the same before and after coating. Therefore, the average particle diameter of the
2.非水系電解質二次電池
本実施形態の非水系電解質二次電池の一例について、以下、構成要素ごとにそれぞれ詳しく説明する。非水系電解質二次電池は、一般のリチウムイオン二次電池と同様に、正極、負極、非水系電解液等構成要素から構成され、上記した本発明の正極活物質を正極に用いたことを特徴とするものである。なお、以下で説明する実施形態は例示に過ぎず、本実施形態に係る非水系電解質二次電池は、下記実施形態をはじめとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。また、本実施形態に係る非水系電解質二次電池は、その用途を特に限定するものではない。
2. Non-aqueous electrolyte secondary battery An example of the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present embodiment will be described in detail below for each component. The non-aqueous electrolyte secondary battery is composed of components such as a positive electrode, a negative electrode, a non-aqueous electrolyte solution, and the like, and the above-described positive electrode active material of the present invention is used for the positive electrode, like a general lithium ion secondary battery. It is what. The embodiment described below is merely an example, and the nonaqueous electrolyte secondary battery according to this embodiment includes various modifications and improvements based on the knowledge of those skilled in the art including the following embodiment. Can be implemented. Moreover, the use of the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present embodiment is not particularly limited.
(正極)
正極を形成する正極合材およびそれを構成する各材料について説明する。本発明の粉末状の正極活物質と、導電材、結着剤とを混合し、さらに必要に応じて活性炭、粘度調整等の目的の溶剤を添加し、これを混練して正極合材ペースト(ペースト状組成物)を作製する。正極合材中のそれぞれの混合比も、リチウム二次電池の性能を決定する重要な要素となる。
(Positive electrode)
The positive electrode mixture forming the positive electrode and each material constituting the positive electrode mixture will be described. The powdered positive electrode active material of the present invention, a conductive material, and a binder are mixed, and if necessary, a target solvent such as activated carbon and viscosity adjustment is added, and this is kneaded and mixed with a positive electrode mixture paste ( A paste-like composition) is prepared. The respective mixing ratios in the positive electrode mixture are also important factors that determine the performance of the lithium secondary battery.
溶剤を除いた正極合材の固形分の全質量を100質量%とした場合、一般のリチウム二次電池の正極と同様、それぞれ、正極活物質の含有量を60〜95質量%、導電材の含有量を1〜20質量%、結着剤の含有量を1〜20質量%とすることが望ましい。 When the total mass of the solid content of the positive electrode mixture excluding the solvent is 100% by mass, the content of the positive electrode active material is 60 to 95% by mass, respectively, as in the case of the positive electrode of a general lithium secondary battery. It is desirable that the content is 1 to 20% by mass and the content of the binder is 1 to 20% by mass.
得られた正極合材ペースト(ペースト状組成物)を、例えば、アルミニウム箔製の集電体の表面に塗布し、乾燥して溶剤を飛散させる。必要に応じ、電極密度を高めるべくロールプレス等により加圧することもある。このようにしてシート状の正極を作製することができる。シート状の正極は、目的とする電池に応じて適当な大きさに裁断等し、電池の作製に供することができる。ただし、正極の作製方法は、前記例示のものに限られることなく、他の方法に依ってもよい。 The obtained positive electrode mixture paste (paste-like composition) is applied to the surface of a current collector made of, for example, aluminum foil, and dried to scatter the solvent. If necessary, pressurization may be performed by a roll press or the like to increase the electrode density. In this way, a sheet-like positive electrode can be produced. The sheet-like positive electrode can be cut into an appropriate size according to the intended battery and used for battery production. However, the manufacturing method of the positive electrode is not limited to the above-described examples, and may depend on other methods.
正極の作製にあたって、導電剤としては、例えば、黒鉛(天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛など)やアセチレンブラック、ケッチェンブラックなどのカーボンブラック系材料などを用いることができる。また、バインダー(結着剤)としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、エチレンプロピレンジエンゴム、ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、スチレンブタジエン、セルロース系樹脂、ポリアクリル酸などを用いることができる。 In producing the positive electrode, as the conductive agent, for example, graphite (natural graphite, artificial graphite, expanded graphite, etc.), carbon black materials such as acetylene black, ketjen black, and the like can be used. Examples of binders (binders) include fluorine-containing resins such as polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, and fluorine rubber, thermoplastic resins such as ethylene propylene diene rubber, polypropylene, and polyethylene, styrene butadiene, and cellulose resins. Polyacrylic acid or the like can be used.
必要に応じ、正極活物質、導電材、活性炭を分散させ、結着剤を溶解する溶剤を正極合材に添加する。溶剤としては、具体的にはN−メチル−2−ピロリドン、ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルスルフォキシド、ヘキサメチルフォスフォアミド、等の有機溶剤を用いることができる。また、正極合材には電気二重層容量を増加させるために活性炭を添加することができる。 If necessary, a positive electrode active material, a conductive material, and activated carbon are dispersed, and a solvent that dissolves the binder is added to the positive electrode mixture. Specifically, organic solvents such as N-methyl-2-pyrrolidone, dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylsulfoxide, hexamethylphosphoamide, etc. can be used as the solvent. . Moreover, activated carbon can be added to the positive electrode mixture in order to increase the electric double layer capacity.
(負極)
負極には、金属リチウム、リチウム合金等、また、リチウムイオンを吸蔵・脱離できる負極活物質に結着剤を混合し、適当な溶剤を加えてペースト状にした負極合材を、銅等の金属箔集電体の表面に塗布、乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成したものを使用する。
負極活物質としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、フェノール樹脂等の有機化合物焼成体、コークス等の炭素物質の粉状体、リチウム・チタン酸化物(Li4Ti5O12)等の酸化物材料を用いることができる。この場合、負極結着剤としては、正極同様、ポリフッ化ビニリデン等の含フッ素樹脂等を用いることができ、これら活物質および結着剤を分散させる溶剤としてはN−メチル−2−ピロリドン等の有機溶剤を用いることができる。
(Negative electrode)
For the negative electrode, metallic lithium, lithium alloy, or the like, and a negative electrode mixture made by mixing a binder with a negative electrode active material capable of absorbing and desorbing lithium ions, and adding a suitable solvent, such as copper The metal foil current collector is coated, dried, and compressed to increase the electrode density as necessary.
Examples of the negative electrode active material include a fired organic compound such as natural graphite, artificial graphite, and a phenol resin, a powdery carbon material such as coke, and an oxide such as lithium / titanium oxide (Li 4 Ti 5 O 12 ). Materials can be used. In this case, as the negative electrode binder, a fluorine-containing resin such as polyvinylidene fluoride can be used as in the case of the positive electrode, and the active material and the solvent for dispersing the binder include N-methyl-2-pyrrolidone. Organic solvents can be used.
(セパレータ)
正極と負極との間にはセパレータを挟み込んで配置する。セパレータは、正極と負極とを分離し電解質を保持するものであり、ポリエチレン、ポリプロピレン等の薄い膜で、微少な穴を多数有する膜を用いることができる。
(Separator)
A separator is interposed between the positive electrode and the negative electrode. The separator separates the positive electrode and the negative electrode and retains the electrolyte, and a thin film such as polyethylene or polypropylene and a film having many fine holes can be used.
(非水系電解液)
非水系電解液は、支持塩としてのリチウム塩を有機溶媒に溶解したものである。有機溶媒としては、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、トリフルオロプロピレンカーボネート等の環状カーボネート、また、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジプロピルカーボネート等の鎖状カーボネート、さらに、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジメトキシエタン等のエーテル化合物、エチルメチルスルホン、ブタンスルトン等の硫黄化合物、リン酸トリエチル、リン酸トリオクチル等のリン化合物等から選ばれる1種を単独で、あるいは2種以上を混合して用いることができる。
支持塩としては、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiN(CF3SO2)2等、およびそれらの複合塩を用いることができる。
さらに、非水系電解液は、ラジカル補足剤、界面活性剤および難燃剤等を含んでいてもよい。
(Non-aqueous electrolyte)
The nonaqueous electrolytic solution is obtained by dissolving a lithium salt as a supporting salt in an organic solvent. Examples of the organic solvent include cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, and trifluoropropylene carbonate; chain carbonates such as diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, and dipropyl carbonate; and tetrahydrofuran, 2- One kind selected from ether compounds such as methyltetrahydrofuran and dimethoxyethane, sulfur compounds such as ethylmethylsulfone and butanesultone, phosphorus compounds such as triethyl phosphate and trioctyl phosphate, etc. are used alone or in admixture of two or more. be able to.
As the supporting salt, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , or a composite salt thereof can be used.
Furthermore, the non-aqueous electrolyte solution may contain a radical scavenger, a surfactant, a flame retardant, and the like.
(電池の形状、構成)
以上説明してきた正極、負極、セパレータおよび非水系電解液で構成される本発明に係るリチウム二次電池の形状は、円筒型、積層型等、種々のものとすることができる。
いずれの形状を採る場合であっても、正極および負極を、セパレータを介して積層させ電極体とし、この電極体に上記非水系電解液を含浸させる。正極集電体と外部に通ずる正極端子との間、並びに負極集電体と外部に通ずる負極端子との間を、集電用リード等を用いて接続する。以上の構成のものを電池ケース(容器)に密閉して電池を完成させることができる。
(Battery shape and configuration)
The shape of the lithium secondary battery according to the present invention composed of the positive electrode, negative electrode, separator, and non-aqueous electrolyte described above can be various, such as a cylindrical type and a laminated type.
In any case, the positive electrode and the negative electrode are laminated via a separator to form an electrode body, and the electrode body is impregnated with the non-aqueous electrolyte solution. The positive electrode current collector and the positive electrode terminal that communicates with the outside, and the negative electrode current collector and the negative electrode terminal that communicates with the outside are connected using a current collecting lead or the like. The battery having the above configuration can be sealed in a battery case (container) to complete the battery.
以下、本発明について実施例を用いて具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例によって何ら限定されるものではない。なお、本発明の実施例における各評価は、下記方法によって実施した。
(評価方法)
1.正極材活物質の諸物性
(1)熱処理による被覆層前駆体の反応及び構成元素の拡散状態測定
被覆処理した粒子をφ16mmの金型に入れて、4MPaで圧粉した後、圧粉体表面をTOF−SIMS(アルバックファイ社製PHI TOFII、セシウムスパッタ銃付属)にて深さ方向に濃度分布を求めた。
(2)被覆層組成
組成はICP分析にて求めた。
(3)正極活物質の耐水性評価
耐水性は、24℃の純水50mlに正極活物質1gを加えて撹拌し、10分経過後のpHを測定することにより評価した。
(4)ゲル化評価
ゲル化評価は、正極活物質9.5gと、バインダーとしてフッ化ビニリデン(PVDF)0.5g、溶剤としてN−メチル−2−ピロリジノン(NMP)5.5g、さらに水0.2gを自公転練り込み機によりスラリー状にした後、24℃で4日間静止保管し、目視観察によるゲル化状況を確認した。
(5)混合液の保存性
Li−M2金属混合液を24℃×60%RHの大気中に1日放置して白濁沈殿物がないか評価した。
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated concretely using an Example, this invention is not limited at all by these Examples. In addition, each evaluation in the Example of this invention was implemented with the following method.
(Evaluation method)
1. Various physical properties of positive electrode active material (1) Reaction of coating layer precursor by heat treatment and measurement of diffusion state of constituent elements Put the coated particles in a φ16 mm mold and compact it at 4 MPa. The concentration distribution in the depth direction was determined with TOF-SIMS (PHI TOFII manufactured by ULVAC-PHI, Inc., attached with a cesium sputtering gun).
(2) Coating layer composition The composition was determined by ICP analysis.
(3) Water resistance evaluation of positive electrode active material Water resistance was evaluated by adding 1 g of the positive electrode active material to 50 ml of pure water at 24 ° C and stirring, and measuring the pH after 10 minutes.
(4) Gelation Evaluation Gelation evaluation was performed using 9.5 g of a positive electrode active material, 0.5 g of vinylidene fluoride (PVDF) as a binder, 5.5 g of N-methyl-2-pyrrolidinone (NMP) as a solvent, and water 0 .2 g was made into a slurry by a self-rotating kneading machine, and then statically stored at 24 ° C. for 4 days, and the gelation state was confirmed by visual observation.
(5) Preservability of the mixed solution The Li-M 2 metal mixed solution was left in the atmosphere of 24 ° C x 60% RH for 1 day to evaluate whether there was a cloudy precipitate.
2.電池の製造および電池特性の評価
(電池の製造)
正極活物質の評価には、図5に示す2032型コイン電池CBA(以下、コイン型電池と称す)を使用した。図5に示すように、コイン型電池は、ケースCAと、このケースCA内に収容された電極ELとから構成されている。ケースCAは、中空かつ一端が開口された正極缶PCと、この正極缶PELの開口部に配置される負極缶NCとを有しており、負極缶NCを正極缶PCの開口部に配置すると、負極缶NCと正極缶PCとの間に電極ELを収容する空間が形成されるように構成されている。
2. Battery manufacturing and battery characteristics evaluation (Battery manufacturing)
For the evaluation of the positive electrode active material, a 2032 type coin battery CBA (hereinafter referred to as a coin type battery) shown in FIG. 5 was used. As shown in FIG. 5, the coin-type battery includes a case CA and an electrode EL accommodated in the case CA. The case CA has a positive electrode can PC that is hollow and open at one end, and a negative electrode can NC that is disposed at the opening of the positive electrode can PEL. When the negative electrode can NC is disposed at the opening of the positive electrode can PC. A space for accommodating the electrode EL is formed between the negative electrode can NC and the positive electrode can PC.
電極ELは、正極PE、セパレータSEおよび負極NEとからなり、この順で並ぶように積層されており、正極PEが正極缶PCの内面に接触し、負極NEが負極缶NCの内面に接触するようにケースCAに収容されている。なお、ケースCAはガスケットGAを備えており、このガスケットGAによって、正極缶PCと負極缶NCとの間が非接触の状態を維持するように相対的な移動が固定されている。また、ガスケットGAは、正極缶PCと負極缶NCとの隙間を密封してケースCA内と外部との間を気密液密に遮断する機能も有している。 The electrode EL is composed of a positive electrode PE, a separator SE, and a negative electrode NE, and is stacked so as to be arranged in this order. The positive electrode PE is in contact with the inner surface of the positive electrode can PC, and the negative electrode NE is in contact with the inner surface of the negative electrode can NC. Thus, it is accommodated in the case CA. The case CA includes a gasket GA, and relative movement is fixed by the gasket GA so that the positive electrode can PC and the negative electrode can NC are kept in a non-contact state. Further, the gasket GA also has a function of sealing the gap between the positive electrode can PC and the negative electrode can NC so as to block the inside and outside of the case CA in an airtight and liquidtight manner.
コイン型電池は、以下のようにして製作した。
まず、非水系電解質二次電池用正極活物質52.5mg、アセチレンブラック15mg、およびポリテトラフッ化エチレン樹脂(PTFE)7.5mgを混合し、100MPaの圧力で直径11mm、厚さ100μmにプレス成形して、正極PEを作製した。作製した正極PEを真空乾燥機中120℃で12時間乾燥した。この正極PEと、負極NE、セパレータSEおよび電解液とを用いて、上述したコイン型電池を、露点が−80℃に管理されたAr雰囲気のグローブボックス内で作製した。なお、負極NEには、直径14mmの円盤状に打ち抜かれた平均粒径20μm程度の黒鉛粉末とポリフッ化ビニリデンが銅箔に塗布された負極シートを用いた。セパレータSEには膜厚25μmのポリエチレン多孔膜を用いた。電解液には、1MのLiClO4を支持電解質とするエチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)の等量混合液(富山薬品工業株式会社製)を用いた。
The coin-type battery was manufactured as follows.
First, 52.5 mg of a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, 15 mg of acetylene black, and 7.5 mg of polytetrafluoroethylene resin (PTFE) are mixed, and press-molded to a diameter of 11 mm and a thickness of 100 μm at a pressure of 100 MPa. A positive electrode PE was prepared. The produced positive electrode PE was dried at 120 ° C. for 12 hours in a vacuum dryer. Using the positive electrode PE, the negative electrode NE, the separator SE, and the electrolytic solution, the above-described coin-type battery was fabricated in an Ar atmosphere glove box in which the dew point was controlled at −80 ° C. As the negative electrode NE, a negative electrode sheet in which graphite powder with an average particle diameter of about 20 μm punched into a disk shape with a diameter of 14 mm and polyvinylidene fluoride were applied to a copper foil was used. As the separator SE, a polyethylene porous film having a film thickness of 25 μm was used. As the electrolytic solution, an equivalent mixed solution (manufactured by Toyama Pharmaceutical Co., Ltd.) of ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) using 1M LiClO 4 as a supporting electrolyte was used.
(電池特性の評価)
製造したコイン型電池の性能を示す初期放電容量、正極抵抗およびサイクル特性は、以下のように評価した。
初期放電容量は、コイン型電池を製作してから24時間程度放置後、0.05Cにてカットオフ電圧4.3Vまで充電し、1時間の休止後、カットオフ電圧3.0Vまで放電したときの容量を初期放電容量とした。
(Evaluation of battery characteristics)
The initial discharge capacity, the positive electrode resistance and the cycle characteristics showing the performance of the manufactured coin-type battery were evaluated as follows.
The initial discharge capacity is about 24 hours after the coin-type battery is manufactured, then charged at 0.05 C to a cut-off voltage of 4.3 V, discharged after 1 hour of rest and discharged to a cut-off voltage of 3.0 V Was defined as the initial discharge capacity.
また、正極抵抗は、交流インピーダンス法により評価した。すなわち、コイン型電池を充電電位4.1Vで充電して、周波数応答アナライザおよびポテンショガルバノスタット(ソーラトロン製、1255B)を使用して交流インピーダンス法により測定し、ナイキストプロットを得た。このナイキストプロットは、溶液抵抗、負極抵抗とその容量、および、正極抵抗とその容量を示す特性曲線の和として表しているため、このナイキストプロットに基づき等価回路を用いてフィッティング計算を行い、正極抵抗の値(Ω)を算出した。 The positive electrode resistance was evaluated by the AC impedance method. That is, a coin-type battery was charged at a charging potential of 4.1 V, and measured by an AC impedance method using a frequency response analyzer and a potentiogalvanostat (manufactured by Solartron, 1255B) to obtain a Nyquist plot. Since this Nyquist plot is represented as the sum of the solution resistance, the negative electrode resistance and its capacity, and the characteristic curve indicating the positive electrode resistance and its capacity, the fitting calculation was performed using an equivalent circuit based on this Nyquist plot, and the positive resistance The value (Ω) was calculated.
サイクル特性評価は、コイン型電池を製作してから24時間程度放置後、0.5Cにてカットオフ電圧4.3Vまで充電し、1時間の休止後、カットオフ電圧3.0Vまで放電し、これを1サイクルとして200回繰り返し行った。この際の評価方法として容量維持率を求めるが、1サイクル目で得られる放電容量を100%として次式で表される。
容量維持率(%)=[200サイクル目の放電容量/1サイクル目の放電容量]×100
Cycle characteristics evaluation was made after leaving a coin-type battery for about 24 hours, charging to a cutoff voltage of 4.3 V at 0.5 C, and after discharging for 1 hour, discharging to a cutoff voltage of 3.0 V. This was repeated 200 times as one cycle. As an evaluation method at this time, the capacity maintenance ratio is obtained. The discharge capacity obtained in the first cycle is defined as 100%, and is expressed by the following formula.
Capacity maintenance ratio (%) = [discharge capacity at the 200th cycle / discharge capacity at the first cycle] × 100
(実施例1)
(リチウムニッケル複合酸化物粉末の作製)
公知技術で得られたリチウムニッケル複合酸化物粉末を母材として用いた。すなわち、Niを主成分とし、Co及びAlを含む酸化ニッケル粉末と水酸化リチウムを混合して焼成することにより、Li0.99Ni0.82Co0.15Al0.03O2で表されるリチウムニッケル複合酸化物粉末を得た。このリチウムニッケル複合酸化物粉末の平均粒径D50は11.9μmであり、比表面積は0.41m2/gであった。
Example 1
(Preparation of lithium nickel composite oxide powder)
Lithium nickel composite oxide powder obtained by a known technique was used as a base material. That is, it is expressed as Li 0.99 Ni 0.82 Co 0.15 Al 0.03 O 2 by mixing nickel oxide powder containing Ni and Co and Al and lithium hydroxide and firing. Lithium nickel composite oxide powder was obtained. This lithium nickel composite oxide powder had an average particle diameter D50 of 11.9 μm and a specific surface area of 0.41 m 2 / g.
(Li−Ti混合液の作製)
丸底セパラブルフラスコに4口セパラブルカバーを取り付け、冷却器、分液ロート2つとガス導入管を接続した。この中にメタノール5mlとLiメトキシド(和光純薬製)0.057g(0.0015モル)を加えた後、Arガスを導入しながら溶解を行い、Li溶液を得た。別の容器に2−プロパノール10mlとTiイソプロポキシド(関東化学製)1.5g(0.0052モル)を加えた後、アセチルアセトン(関東化学製)0.3gを加えて攪拌し、Ti溶液を得た。次に、Li溶液中に2−メチル−1−ブタノール(和光純薬製)30mlを加え、この中にTi溶液を加えて、Arガスを導入しながら1時間環流し、混合液aを得た。得られた混合液aを室温に戻すと透明な黄色い混合液bが作製できた。この混合液bを一部取りだし、水分を1滴垂らした直後に加水分解性を確認すると、白濁沈殿は生じず、透明な液を維持した。
(被覆液の調合)
混合液b中に希釈用の2−プロパノール100mlと部分加水分解用の水0.15gを加えて、リチウムとチタニウムとが反応(合成)した被覆液を得た。
(Preparation of Li-Ti mixed solution)
A four-neck separable cover was attached to the round bottom separable flask, and a cooler, two separatory funnels, and a gas introduction tube were connected. In this, 5 ml of methanol and 0.057 g (0.0015 mol) of Li methoxide (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were added, followed by dissolution while introducing Ar gas to obtain a Li solution. In another container, 10 ml of 2-propanol and 1.5 g (0.0052 mol) of Ti isopropoxide (manufactured by Kanto Chemical) were added, and 0.3 g of acetylacetone (manufactured by Kanto Chemical) was added and stirred, and the Ti solution was stirred. Obtained. Next, 30 ml of 2-methyl-1-butanol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added to the Li solution, and the Ti solution was added thereto, and refluxed for 1 hour while introducing Ar gas to obtain a mixed solution a. . When the obtained mixed solution a was returned to room temperature, a transparent yellow mixed solution b could be produced. A part of this mixed liquid b was taken out, and when hydrolyzability was confirmed immediately after dropping one drop of water, no cloudy precipitation was produced and a transparent liquid was maintained.
(Preparation of coating solution)
100 ml of 2-propanol for dilution and 0.15 g of water for partial hydrolysis were added to the mixed solution b to obtain a coating solution in which lithium and titanium reacted (synthesized).
(表層の形成)
母材600gを取り分け、ロッキングミキサ(愛知電機製)を用いてドライヤで実温度60℃としながら撹拌、乾燥を交互に繰り返し、160分間掛けて上記の被覆液全量を噴霧して、被覆層前駆体(被覆膜)を有する芯材を得た。さらに120℃真空中で1昼夜掛けて乾燥を行った。この乾燥物200gを、容積の30Lのマッフル炉を用い、5L/分で純酸素ガスを導入しながら3℃/分で400℃まで昇温した後、0.5時間保持して、正極活物質を得た。正極活物質の評価結果等を表1、2に示す。
(Formation of surface layer)
Separately, 600 g of the base material is used, and stirring and drying are alternately repeated using a rocking mixer (manufactured by Aichi Electric Co., Ltd.) with a dryer at an actual temperature of 60 ° C., and the total amount of the above coating liquid is sprayed over 160 minutes to form a coating layer precursor. A core material having (coating film) was obtained. Further, drying was carried out in a vacuum at 120 ° C. for 1 day. 200 g of this dried product was heated up to 400 ° C. at 3 ° C./min while introducing pure oxygen gas at 5 L / min using a 30 L muffle furnace, and held for 0.5 hour to obtain a positive electrode active material Got. Tables 1 and 2 show the evaluation results and the like of the positive electrode active material.
(実施例2)
(Li−Al混合液の作製)
丸底セパラブルフラスコに4口セパラブルカバーを取り付け、冷却器、分液ロート2つとガス導入管を接続した。この中に5mlのメタノールとLiメトキシド(和光純薬製)0.019g(0.0005モル)を加えた後、Arガスを導入しながら溶解を行った。
別の容器に2−プロパノール10mlにAlイソプロポキシド(関東化学製)1.02g(0.005モル)を溶解した後、アセチルアセトン(関東化学製)0.4gを加えて攪拌した。次に作製したLi溶液中に2−メチル−1−ブタノール(和光純薬製)30mlを加え、この中に作製したAl溶液を加えて、Arガスを導入しながら1時間環流した。液を室温に戻すと透明な黄色い合成液(混合液)が作製できた。この合成液を一部取りだし、水分を1滴垂らした後に加水分解性を確認すると、白濁沈殿は生じず、透明な液を維持した。
(被覆液の調合)
合成液中に希釈用の2−プロパノール100mlと部分加水分解用の水0.1gを加えて、リチウムとアルミニウムが合成された被覆液を得た。
(Example 2)
(Preparation of Li-Al mixed liquid)
A four-neck separable cover was attached to the round bottom separable flask, and a cooler, two separatory funnels, and a gas introduction tube were connected. 5 ml of methanol and 0.019 g (0.0005 mol) of Li methoxide (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were added thereto, and then dissolved while introducing Ar gas.
In another container, 1.02 g (0.005 mol) of Al isopropoxide (manufactured by Kanto Chemical) was dissolved in 10 ml of 2-propanol, and 0.4 g of acetylacetone (manufactured by Kanto Chemical) was added and stirred. Next, 30 ml of 2-methyl-1-butanol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added to the produced Li solution, and the produced Al solution was added thereto, and refluxed for 1 hour while introducing Ar gas. When the liquid was returned to room temperature, a transparent yellow synthetic liquid (mixed liquid) could be produced. A part of this synthetic solution was taken out, and when hydrolyzability was confirmed after dropping one drop of water, white turbid precipitation did not occur and a transparent solution was maintained.
(Preparation of coating solution)
To the synthesis solution, 100 ml of 2-propanol for dilution and 0.1 g of water for partial hydrolysis were added to obtain a coating solution in which lithium and aluminum were synthesized.
(表層の形成)
実施例1で作製した母材600gを取り分け、ロッキングミキサ(愛知電機製)を用いてドライヤで実温度50℃としながら撹拌、乾燥を交互に繰り返し、160分間掛けて実施例4で作製した被覆液全量を噴霧して、被覆膜を得た。さらに120℃真空中で1昼夜掛けて乾燥を行った。この乾燥物200gを、容積の30Lのマッフル炉を用い、5L/分で純酸素ガスを導入しながら3℃/分で400℃まで昇温した後、0.5時間保持して正極活物質を得た。正極活物質の評価結果等を表1、2に示す。
(Formation of surface layer)
Separately, 600 g of the base material prepared in Example 1 was used, and stirring and drying were alternately repeated while using a rocking mixer (manufactured by Aichi Electric) at an actual temperature of 50 ° C. with a dryer, and the coating liquid prepared in Example 4 was applied for 160 minutes. The entire amount was sprayed to obtain a coating film. Further, drying was carried out in a vacuum at 120 ° C. for 1 day. Using a 30 L muffle furnace with a volume of 30 L, the dried product was heated to 400 ° C. at 3 ° C./min while introducing pure oxygen gas at 5 L / min, and then held for 0.5 hour to obtain the positive electrode active material. Obtained. Tables 1 and 2 show the evaluation results and the like of the positive electrode active material.
(実施例3)
(Li−Nb混合液の作製)
丸底セパラブルフラスコに4口セパラブルカバーを取り付け、冷却器、分液ロート2つとガス導入管を接続した。この中に10mlのメタノールとLiメトキシド(和光純薬製)0.056g(0.0015モル)を加えた後、Arガスを導入しながら溶解を行った。
別の容器に2−プロパノール10mlにNbエトキシド(和光純薬製)1.59g(0.005モル)を溶解した後、アセチルアセトン(関東化学製)0.3gを加えて攪拌した。次に作製したLi溶液中に2−メチル−1−ブタノール(和光純薬製)30mlを加え、この中に作製したNb溶液を加えて、Arガスを導入しながら1時間環流した。液を室温に戻すと透明な黄色い合成液が作製できた。この合成液を一部取りだし、水分を1滴垂らした後に加水分解性を確認すると、白濁沈殿は生じず、透明な液を維持した。
(被覆液の調合)
合成液中に希釈用の2−プロパノール100mlと部分加水分解用の水0.15gを加えて、リチウムとニオブが合成された被覆液を得た。
(Example 3)
(Preparation of Li-Nb mixed solution)
A four-neck separable cover was attached to the round bottom separable flask, and a cooler, two separatory funnels, and a gas introduction tube were connected. 10 ml of methanol and 0.056 g (0.0015 mol) of Li methoxide (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were added thereto, and then dissolved while introducing Ar gas.
In another container, 1.59 g (0.005 mol) of Nb ethoxide (manufactured by Wako Pure Chemical Industries) was dissolved in 10 ml of 2-propanol, and 0.3 g of acetylacetone (manufactured by Kanto Chemical) was added and stirred. Next, 30 ml of 2-methyl-1-butanol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added to the produced Li solution, and the produced Nb solution was added thereto, and refluxed for 1 hour while introducing Ar gas. When the liquid was returned to room temperature, a transparent yellow synthetic liquid could be produced. A part of this synthetic solution was taken out, and when hydrolyzability was confirmed after dropping one drop of water, white turbid precipitation did not occur and a transparent solution was maintained.
(Preparation of coating solution)
Into the synthesis solution, 100 ml of 2-propanol for dilution and 0.15 g of water for partial hydrolysis were added to obtain a coating solution in which lithium and niobium were synthesized.
(表層の形成)
実施例1で作製した母材600gを取り分け、ロッキングミキサ(愛知電機製)を用いてドライヤにて実温度50℃にしながら撹拌、乾燥を交互に繰り返し、160分間掛けて実施例6で作製した被覆液全量を噴霧して、被覆膜を得た。さらに120℃真空中で1昼夜掛けて乾燥を行った。この乾燥物200gを、容積の30Lのマッフル炉を用い、5L/分で純酸素ガスを導入しながら3℃/分で400℃まで昇温した後、0.5時間保持して正極活物質を得た。正極活物質の評価結果等を表1、2にまとめて示す。
(Formation of surface layer)
Separately, 600 g of the base material prepared in Example 1 was used, and stirring and drying were alternately repeated while using a rocking mixer (manufactured by Aichi Electric) at an actual temperature of 50 ° C. with a dryer, and the coating prepared in Example 6 was applied for 160 minutes. The whole liquid was sprayed to obtain a coating film. Further, drying was carried out in a vacuum at 120 ° C. for 1 day. Using a 30 L muffle furnace with a volume of 30 L, the dried product was heated to 400 ° C. at 3 ° C./min while introducing pure oxygen gas at 5 L / min, and then held for 0.5 hour to obtain the positive electrode active material. Obtained. The evaluation results of the positive electrode active material are summarized in Tables 1 and 2.
(実施例4)
(Li−Mo混合液の作製)
丸底セパラブルフラスコに4口セパラブルカバーを取り付け、冷却器、分液ロート2つとガス導入管を接続した。この中に10mlのメタノールとLiメトキシド(和光純薬製)0.056g(0.0015モル)を加えた後、Arガスを導入しながら溶解を行った。
別の容器に2−プロパノール10mlにMoエトキシド(和光純薬製)1.60g(0.005モル)を溶解した後、アセチルアセトン(関東化学製)0.4gを加えて攪拌した。次に作製したLi溶液中に1エトキシ−2プロパノール(和光純薬製)30mlを加え、この中に作製したMo溶液を加えて、Arガスを導入しながら1時間環流した。液を室温に戻すと透明な黄色い合成液が作製できた。この合成液を一部取りだし、水分を1滴垂らして加水分解性を確認すると、白濁沈殿は生じず、透明な液を維持した。
(被覆液の調合)
合成液中に希釈用の2−プロパノール100mlと部分加水分解用の水0.15gを加えて、リチウムとモリブデンが合成された被覆液を得た。
Example 4
(Preparation of Li-Mo mixture)
A four-neck separable cover was attached to the round bottom separable flask, and a cooler, two separatory funnels, and a gas introduction tube were connected. 10 ml of methanol and 0.056 g (0.0015 mol) of Li methoxide (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were added thereto, and then dissolved while introducing Ar gas.
In another container, 1.60 g (0.005 mol) of Mo ethoxide (manufactured by Wako Pure Chemical Industries) was dissolved in 10 ml of 2-propanol, and 0.4 g of acetylacetone (manufactured by Kanto Chemical) was added and stirred. Next, 30 ml of 1 ethoxy-2-propanol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added to the prepared Li solution, and the prepared Mo solution was added thereto, and refluxed for 1 hour while introducing Ar gas. When the liquid was returned to room temperature, a transparent yellow synthetic liquid could be produced. A part of this synthetic solution was taken out and one drop of water was dropped to confirm the hydrolyzability. As a result, white turbid precipitation did not occur and a transparent solution was maintained.
(Preparation of coating solution)
To the synthesis solution, 100 ml of 2-propanol for dilution and 0.15 g of water for partial hydrolysis were added to obtain a coating solution in which lithium and molybdenum were synthesized.
(表層の形成)
実施例1で作製した母材600gを取り分け、ロッキングミキサ(愛知電機製)を用いてドライヤにて実温度50℃にしながら撹拌、乾燥を交互に繰り返し、160分間掛けて実施例8で作製した被覆液全量を噴霧して、被覆膜を得た。さらに120℃真空中で1昼夜掛けて乾燥を行った。この乾燥物200gを、容積の30Lのマッフル炉を用い、5L/分で純酸素ガスを導入しながら3℃/分で400℃まで昇温した後、0.5時間保持して正極活物質を得た。正極活物質の評価結果等を表1、2にまとめて示す。
(Formation of surface layer)
Separately, 600 g of the base material prepared in Example 1 is used, and stirring and drying are alternately repeated while using a rocking mixer (manufactured by Aichi Electric) at an actual temperature of 50 ° C. with a dryer, and the coating prepared in Example 8 is applied over 160 minutes. The whole liquid was sprayed to obtain a coating film. Further, drying was carried out in a vacuum at 120 ° C. for 1 day. Using a 30 L muffle furnace with a volume of 30 L, the dried product was heated to 400 ° C. at 3 ° C./min while introducing pure oxygen gas at 5 L / min, and then held for 0.5 hour to obtain the positive electrode active material. Obtained. The evaluation results of the positive electrode active material are summarized in Tables 1 and 2.
(実施例5)
(Li−Ti−Mg混合液の作製)
丸底セパラブルフラスコに4口セパラブルカバーを取り付け、冷却器、分液ロート2つとガス導入管を接続した。この中に15mlのメタノールとLiメトキシド(和光純薬製)0.11g(0.003モル)、Mgメトキシド0.06g(0.0007モル)を加えた後、Arガスを導入しながら溶解を行った。
別の容器に2−プロパノール10mlにTiイソプロポキシド(関東化学製)2.5g(0.0087モル)を加えた後、アセチルアセトン(関東化学製)0.5gを加えて攪拌した。次に作製したLi―Mg溶液中に2−メチル−1−ブタノール(和光純薬製)30mlを加え、この中に作製したTi溶液を加えて、Arガスを導入しながら1時間環流した。液を室温に戻すと透明な黄色い合成液が作製できた。この合成液を一部取りだし、水分を1滴垂らした後に加水分解性を確認すると、白濁沈殿は生じず、透明な液を維持した。
(被覆液の調合)
合成液中に希釈用の2−プロパノール100mlと部分加水分解用の水0.15gを加えて、リチウムとチタニウムが合成された被覆液を得た。
(Example 5)
(Preparation of Li-Ti-Mg mixed solution)
A four-neck separable cover was attached to the round bottom separable flask, and a cooler, two separatory funnels, and a gas introduction tube were connected. 15 ml of methanol, 0.11 g (0.003 mol) of Li methoxide (manufactured by Wako Pure Chemical Industries) and 0.06 g (0.0007 mol) of Mg methoxide were added to this, and then dissolved while introducing Ar gas. It was.
In another container, 2.5 g (0.0087 mol) of Ti isopropoxide (manufactured by Kanto Chemical) was added to 10 ml of 2-propanol, and then 0.5 g of acetylacetone (manufactured by Kanto Chemical) was added and stirred. Next, 30 ml of 2-methyl-1-butanol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added to the produced Li—Mg solution, and the produced Ti solution was added thereto and refluxed for 1 hour while introducing Ar gas. When the liquid was returned to room temperature, a transparent yellow synthetic liquid could be produced. A part of this synthetic solution was taken out, and when hydrolyzability was confirmed after dropping one drop of water, white turbid precipitation did not occur and a transparent solution was maintained.
(Preparation of coating solution)
Into the synthesis solution, 100 ml of 2-propanol for dilution and 0.15 g of water for partial hydrolysis were added to obtain a coating solution in which lithium and titanium were synthesized.
(表層の形成)
実施例1で作製した母材600gを取り分け、転動流動装置((株)パウレック製、MP−01)を用いて実温度60℃、送風量0.3m3/時で撹拌しながら40分間掛けて、実施例10で作製した被覆液全量を噴霧して、被覆膜を得た。さらに120℃真空中で1昼夜掛けて乾燥を行った。この乾燥物200gを、容積の30Lのマッフル炉を用い、5L/分で純酸素ガスを導入しながら3℃/分で600℃まで昇温した後、0.5時間保持して正極活物質を得た。正極活物質の評価結果等を表1、2にまとめて示す。
(Formation of surface layer)
Separately, 600 g of the base material prepared in Example 1 was used and stirred for 40 minutes while stirring at an actual temperature of 60 ° C. and an air flow rate of 0.3 m 3 / hour using a rolling fluidizer (manufactured by POWREC Co., Ltd., MP-01). Then, the entire coating liquid produced in Example 10 was sprayed to obtain a coating film. Further, drying was carried out in a vacuum at 120 ° C. for 1 day. Using a 30 L muffle furnace with a volume of 30 L, the dried product was heated to 600 ° C. at 3 ° C./min while introducing pure oxygen gas at 5 L / min, and then held for 0.5 hour to obtain a positive electrode active material. Obtained. The evaluation results of the positive electrode active material are summarized in Tables 1 and 2.
(比較例1)
(Li液の調合)
丸底セパラブルフラスコに4口セパラブルカバーを取り付け、冷却器、分液ロート2つとガス導入管を接続した。この中に10mlのメタノールとLiメトキシド(和光純薬製)0.19g(0.005モル)を加えた後、Arガスを導入しながら溶解を行った。このLi溶液中に希釈用の2−プロパノール140mlに加えて攪拌していると、時間経過と共に白濁が生じ、容器底に沈殿物が見られたため、作業を中止した。
(Comparative Example 1)
(Li preparation)
A four-neck separable cover was attached to the round bottom separable flask, and a cooler, two separatory funnels, and a gas introduction tube were connected. 10 ml of methanol and 0.19 g (0.005 mol) of Li methoxide (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were added thereto, and then dissolved while introducing Ar gas. When this Li solution was stirred in addition to 140 ml of 2-propanol for dilution, the operation was stopped because white turbidity occurred with the passage of time and a precipitate was observed at the bottom of the container.
(比較例2)
(キレート材を加えたLi液の調合)
丸底セパラブルフラスコに4口セパラブルカバーを取り付け、冷却器、分液ロート2つとガス導入管を接続した。この中に10mlのメタノール、Liメトキシド(和光純薬製)0.19g(0.005モル)とアセチルアセトン0.6gを加えた後、Arガスを導入しながら50℃で加熱しながら溶解を行った。このLi溶液中に希釈用の2−プロパノール140mlに加えて攪拌し、被覆液を得た。なお被覆液の一部に部加水分解反応を見るために水分を一滴加えると、徐々に白濁沈殿を生じたので、被覆液は部分加水分解しないでそのまま用いることにした。
(Comparative Example 2)
(Preparation of Li liquid with chelating agent added)
A four-neck separable cover was attached to the round bottom separable flask, and a cooler, two separatory funnels, and a gas introduction tube were connected. 10 ml of methanol, 0.19 g (0.005 mol) of Li methoxide (manufactured by Wako Pure Chemical Industries) and 0.6 g of acetylacetone were added thereto, followed by dissolution while heating at 50 ° C. while introducing Ar gas. . In this Li solution, 140 ml of 2-propanol for dilution was added and stirred to obtain a coating solution. When a drop of water was added to see a partial hydrolysis reaction in a part of the coating solution, a cloudy precipitate was gradually formed. Therefore, the coating solution was used as it was without partial hydrolysis.
(表層の形成)
実施例1で作製した母材600gを取り分け、転動流動装置((株)パウレック製、MP−01)を用いて実温度60℃、送風量0.3m3/時で撹拌しながら40分間掛けて、比較例2で作製した被覆液全量を噴霧して、被覆膜を得た。さらに120℃真空中で1昼夜掛けて乾燥を行った。乾燥物の表面には剥離した白色の粉末が多く観察された。
この乾燥物200gを、容積の30Lのマッフル炉を用い、5L/分で純酸素ガスを導入しながら3℃/分で600℃まで昇温した後、0.5時間保持して正極活物質を得た。正極活物質の評価結果等を表1、2にまとめて示す。
(Formation of surface layer)
Separately, 600 g of the base material prepared in Example 1 was used and stirred for 40 minutes while stirring at an actual temperature of 60 ° C. and an air flow rate of 0.3 m 3 / hour using a rolling fluidizer (manufactured by POWREC Co., Ltd., MP-01). Then, the entire coating liquid prepared in Comparative Example 2 was sprayed to obtain a coating film. Further, drying was carried out in a vacuum at 120 ° C. for 1 day. Many peeled white powders were observed on the surface of the dried product.
Using a 30 L muffle furnace with a volume of 30 L, the dried product was heated to 600 ° C. at 3 ° C./min while introducing pure oxygen gas at 5 L / min, and then held for 0.5 hour to obtain a positive electrode active material. Obtained. The evaluation results of the positive electrode active material are summarized in Tables 1 and 2.
(比較例3)
(Li液、Al液の混合液の調合)
丸底セパラブルフラスコに4口セパラブルカバーを取り付け、冷却器、分液ロート2つとガス導入管を接続した。この中に10mlのメタノールとLiメトキシド(和光純薬製)0.019g(0.0005モル)を加えた後、Arガスを導入しながら溶解を行った。
別の容器に2−プロパノール10mlにAlイソプロポキシド(関東化学製)1.02g(0.005モル)を溶解した。
まず、Li溶液を希釈用の2−プロパノール130mlに加えて攪拌後、さらに作製しておいたAl溶液を加えた。時間経過と共に白濁が生じ、容器底に沈殿物が見られたため、作業を中止した。
(Comparative Example 3)
(Preparation of mixed liquid of Li liquid and Al liquid)
A four-neck separable cover was attached to the round bottom separable flask, and a cooler, two separatory funnels, and a gas introduction tube were connected. 10 ml of methanol and 0.019 g (0.0005 mol) of Li methoxide (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were added thereto, and then dissolved while introducing Ar gas.
In another container, 1.02 g (0.005 mol) of Al isopropoxide (manufactured by Kanto Chemical) was dissolved in 10 ml of 2-propanol.
First, the Li solution was added to 130 ml of 2-propanol for dilution and stirred, and then the prepared Al solution was added. The operation was stopped because white turbidity occurred with the passage of time and a precipitate was observed at the bottom of the container.
(比較例4)
(Li液、Nb液の混合液の調合)
丸底セパラブルフラスコに4口セパラブルカバーを取り付け、冷却器、分液ロート2つとガス導入管を接続した。この中に10mlのメタノールとLiメトキシド(和光純薬製)0.019g(0.0005モル)を加えた後、Arガスを導入しながら溶解を行った。別の容器に2−プロパノール10mlにNbエトキシド(和光純薬製)1.59g(0.005モル)を溶解した後、アセチルアセトン(関東化学製)0.3gを加えて攪拌した。まず、Li溶液を希釈用の2−プロパノール130mlに加えて攪拌後、さらに作製しておいたNb溶液を加えた。Nbアルコキシドに加えたアセチルアセトンの影響で放置しても白濁は見られなかったが、部分加水分解用の水0.15gを加えると、瞬時に白濁し始めたため、被覆液中には水分を加えずに噴霧することにした。
(Comparative Example 4)
(Preparation of mixed liquid of Li liquid and Nb liquid)
A four-neck separable cover was attached to the round bottom separable flask, and a cooler, two separatory funnels, and a gas introduction tube were connected. 10 ml of methanol and 0.019 g (0.0005 mol) of Li methoxide (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were added thereto, and then dissolved while introducing Ar gas. In another container, 1.59 g (0.005 mol) of Nb ethoxide (manufactured by Wako Pure Chemical Industries) was dissolved in 10 ml of 2-propanol, and 0.3 g of acetylacetone (manufactured by Kanto Chemical) was added and stirred. First, the Li solution was added to 130 ml of 2-propanol for dilution and stirred, and then the prepared Nb solution was added. No white turbidity was observed even when allowed to stand due to the influence of acetylacetone added to the Nb alkoxide, but when 0.15 g of water for partial hydrolysis was added, it immediately began to become cloudy, so no water was added to the coating solution. Decided to spray on.
(表層の形成)
実施例1で作製した母材600gを取り分け、転動流動装置((株)パウレック製、MP−01)を用いて実温度60℃、送風量0.3m3/時で撹拌しながら40分間掛けて、比較例5で作製した被覆液全量を噴霧した。途中、液を噴霧していたスプレーノズルの先が白濁して目詰まりし始め、正常に噴霧することができなくなったため作業を中止した。
(Formation of surface layer)
Separately, 600 g of the base material prepared in Example 1 was used and stirred for 40 minutes while stirring at an actual temperature of 60 ° C. and an air flow rate of 0.3
(比較例5)
(Li液、Nb液の混合液の調合)
丸底セパラブルフラスコに4口セパラブルカバーを取り付け、冷却器、分液ロート2つとガス導入管を接続した。この中に10mlのメタノール、Liメトキシド(和光純薬製)0.019g(0.0005モル)とアセチルアセトン0.6gを加えた後、Arガスを導入しながら50℃で溶解を行った。別の容器に2−プロパノール10mlにNbエトキシド(和光純薬製)1.59g(0.005モル)とアセチルアセトン0.5gを加えて溶解した後、50℃で攪拌した。まず、Li溶液を希釈用の2−プロパノール130mlに加えて攪拌後、さらに作製しておいたNb溶液を加えた。これに部分加水分解用の水0.15gを加えて被覆液とした。
(Comparative Example 5)
(Preparation of mixed liquid of Li liquid and Nb liquid)
A four-neck separable cover was attached to the round bottom separable flask, and a cooler, two separatory funnels, and a gas introduction tube were connected. 10 ml of methanol, 0.019 g (0.0005 mol) of Li methoxide (manufactured by Wako Pure Chemical Industries) and 0.6 g of acetylacetone were added thereto, followed by dissolution at 50 ° C. while introducing Ar gas. In a separate container, 1.59 g of Nb ethoxide (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and 0.5 g of acetylacetone were added to 10 ml of 2-propanol and dissolved, and then stirred at 50 ° C. First, the Li solution was added to 130 ml of 2-propanol for dilution and stirred, and then the prepared Nb solution was added. To this, 0.15 g of water for partial hydrolysis was added to form a coating solution.
(表層の形成)
実施例1で作製した母材600gを取り分け、転動流動装置((株)パウレック製、MP−01)を用いて実温度60℃、送風量0.3m3/時で撹拌しながら40分間掛けて、比較例7で作製した被覆液全量を噴霧して被覆膜を得た。さらに120℃真空中で1昼夜掛けて乾燥を行った。この乾燥物200gを、容積の30Lのマッフル炉を用い、5L/分で純酸素ガスを導入しながら3℃/分で600℃まで昇温した後、0.5時間保持して正極活物質を得た。正極活物質の評価結果等を表1、2にまとめて示す。
(Formation of surface layer)
Separately, 600 g of the base material prepared in Example 1 was used and stirred for 40 minutes while stirring at an actual temperature of 60 ° C. and an air flow rate of 0.3 m 3 / hour using a rolling fluidizer (manufactured by POWREC Co., Ltd., MP-01). Then, the entire coating liquid prepared in Comparative Example 7 was sprayed to obtain a coating film. Further, drying was carried out in a vacuum at 120 ° C. for 1 day. Using a 30 L muffle furnace with a volume of 30 L, the dried product was heated to 600 ° C. at 3 ° C./min while introducing pure oxygen gas at 5 L / min, and then held for 0.5 hour to obtain a positive electrode active material. Obtained. The evaluation results of the positive electrode active material are summarized in Tables 1 and 2.
(比較例6)
実施例1で作製した母材を未被覆、未加熱の状態で正極活物質とした。正極活物質の評価結果を表1、2にまとめて示す。
(Comparative Example 6)
The base material produced in Example 1 was used as a positive electrode active material in an uncoated and unheated state. The evaluation results of the positive electrode active material are summarized in Tables 1 and 2.
1……正極活物質
2……リチウムニッケル複合酸化物粒子
3……リチウム化合物層
3a……被覆層
3b……表層部
4……中心部
5……母材
6……芯材
7……被覆層前駆体
CBA……コイン型電池
CA……ケース
PC……正極
NC……負極
GA……ガスケット
PE……正極
NE……負極
SE……セパレータ
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記リチウム化合物層は、Li及びM2を含むリチウム化合物を含有し、前記複合酸化物粒子の最表面から中心へ向かう方向において、その厚さが5nm以上500nm以下であり、かつ、M2の濃度が低くなるような濃度勾配を有する、
ことを特徴とする非水系電解質二次電池用正極活物質。 At least a part of the surface has a lithium compound layer, and the composition is Li t1 Ni 1-xy Co x M 1 y M 2 z O 2 (wherein M 1 and M 2 are Mg, Al, Ca , Ti, V, Cr, Mn, Zr, Nb, Mo and W, at least one element selected from the group consisting of 0.97 <t1 ≦ 1.10, 0 ≦ x ≦ 0.22, 0 ≦ y ≦ 0.15, 0 <z ≦ 0.05.), And composed of lithium nickel composite oxide particles,
The lithium compound layer contains a lithium compound containing Li and M 2, has a thickness of 5 nm to 500 nm in a direction from the outermost surface of the composite oxide particle toward the center, and a concentration of M 2 Has a concentration gradient such that
A positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery.
The coating liquid according to claim 11 or 12 is sprayed on the particle surface while rocking the lithium nickel composite oxide particles using a stirrer, and then dried to form a coating layer precursor on the particle surface. Thereafter, a heat treatment is performed at 400 ° C. or higher and 700 ° C. or lower in an oxygen atmosphere, and a method for producing a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery.
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