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JP6903900B2 - Manufacturing method of positive electrode for lithium ion secondary battery and manufacturing method of lithium ion secondary battery - Google Patents

Manufacturing method of positive electrode for lithium ion secondary battery and manufacturing method of lithium ion secondary battery Download PDF

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JP6903900B2
JP6903900B2 JP2016229135A JP2016229135A JP6903900B2 JP 6903900 B2 JP6903900 B2 JP 6903900B2 JP 2016229135 A JP2016229135 A JP 2016229135A JP 2016229135 A JP2016229135 A JP 2016229135A JP 6903900 B2 JP6903900 B2 JP 6903900B2
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secondary battery
lithium ion
ion secondary
reduction treatment
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薫 成田
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宜之 田村
亮太 弓削
亮太 弓削
直樹 河野
直樹 河野
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Description

本発明は、リチウムイオン二次電池、特に、リチウム遷移金属複合酸化物を正極活物質として用いたリチウムイオン二次電池に関する。 The present invention relates to a lithium ion secondary battery, particularly a lithium ion secondary battery using a lithium transition metal composite oxide as a positive electrode active material.

層状岩塩型構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物は、高容量、高エネルギー密度のリチウムイオン二次電池の正極材料として期待されている材料である。また、これと組み合わせて使用する負極材料としては、炭素材料や、高容量であるケイ素や酸化ケイ素を含む材料が検討されている。 The lithium transition metal composite oxide having a layered rock salt type structure is a material expected as a positive electrode material for a lithium ion secondary battery having a high capacity and a high energy density. Further, as a negative electrode material used in combination with this, a carbon material and a material containing high-capacity silicon and silicon oxide are being studied.

このような正極材料および負極材料を用いたリチウムイオン二次電池の技術が下記文献に開示されている。 A technique of a lithium ion secondary battery using such a positive electrode material and a negative electrode material is disclosed in the following documents.

特許文献1には、層状岩塩型構造を有するリチウム鉄マンガン系複合酸化物に、有機物を混合して焼成する還元処理を行うことで、充放電サイクル時の容量維持率を高めることが可能であることが示されている。 According to Patent Document 1, it is possible to increase the capacity retention rate during the charge / discharge cycle by performing a reduction treatment in which an organic substance is mixed with a lithium iron-manganese-based composite oxide having a layered rock salt type structure and fired. Is shown.

特許文献2には、リチウムを吸蔵および放出することが可能なリチウム遷移金属複合酸化物に対して、還元剤を混合し、焼成することにより、リチウム遷移金属複合酸化物中の酸素を引き抜いて得た脱酸素リチウム遷移金属複合酸化物が示され、この脱酸素リチウム遷移金属複合酸化物は、還元反応を経て得られたものであることが記載されている。そして、酸素を引き抜く前のリチウム遷移金属複合酸化物は、層状岩塩型構造を有し、具体的には、LiNi0.8Co0.15Al0.052、LiNiO2、LiNi0.5Mn0.25Co0.252、LiNi1/3Co1/3Al1/32、LiNi0.7Co0.19Al0.012、LiCoO2を使用している。また、発明の目的として、短絡時等の電池温度上昇時における正極からの酸素発生を抑制することが記載されている。 Patent Document 2 describes that oxygen in a lithium transition metal composite oxide is extracted by mixing a reducing agent with a lithium transition metal composite oxide capable of storing and releasing lithium and firing the oxide. A deoxidized lithium transition metal composite oxide is shown, and it is described that this deoxidized lithium transition metal composite oxide is obtained through a reduction reaction. Then, the lithium transition metal composite oxide before withdrawing the oxygen has a layered rock-salt structure, specifically, LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2, LiNiO 2, LiNi 0.5 Mn 0.25 Co 0.25 O 2, LiNi 1/3 Co 1/3 Al 1/3 O 2 , LiNi 0.7 Co 0.19 Al 0.01 O 2 , and LiCo O 2 are used. Further, as an object of the invention, it is described that oxygen generation from the positive electrode is suppressed when the battery temperature rises such as when a short circuit occurs.

特開2015−41583号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2015-415583 特開2014−86203号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-86203

特許文献1に記載の還元処理は容量維持率を高めることを目的とし、また特許文献2に記載の還元処理は酸素の発生の抑制を目的とするものであり、これらの技術では、正極の性能が十分に発揮されず、低コストで高エネルギー密度を有するリチウムイオン二次電池を形成することは困難であった。 The reduction treatment described in Patent Document 1 aims to increase the capacity retention rate, and the reduction treatment described in Patent Document 2 aims to suppress the generation of oxygen. In these techniques, the performance of the positive electrode However, it was difficult to form a lithium ion secondary battery having a high energy density at a low cost.

本発明の目的は、高容量、高エネルギー密度を有し、低コストで作製可能なリチウムイオン二次電池を提供することである。 An object of the present invention is to provide a lithium ion secondary battery having a high capacity, a high energy density, and can be manufactured at low cost.

本発明の一態様によれば、
リチウム遷移金属複合酸化物を含む正極と、負極と、電解質とを含むリチウムイオン二次電池であって、
前記リチウム遷移金属複合酸化物は層状岩塩型構造を有し、下記の式(1):
LixM1(y-p)MnpM2(z-q)Feq(2-δ) (1)
(ここでM1はTiおよびZrの少なくとも一方の元素、M2はCo、Ni及びMnからなる群から選択される少なくとも一種の元素、1.05≦x≦1.32,0.33≦y≦0.63,0.06≦z≦0.50,0<p≦0.63,0≦q≦0.50,0≦δ≦0.80,y≧p,z≧q)
で表される組成を有し、
前記正極は、上記の組成式(1)に当てはまる材料の一つA0に対して還元度の異なる還元処理を施した材料をそれぞれA1、A2、...とするとき、該還元処理を施した材料A1、A2、...のうち少なくとも1種を含み、
上記の還元処理を施した材料(A1、A2、...)の組成中の酸素量(原子数百分率)が、還元処理前の材料(A0)の組成中の酸素量に対して85%以上100%未満の範囲にある、リチウムイオン二次電池が提供される。
According to one aspect of the invention
A lithium ion secondary battery containing a positive electrode containing a lithium transition metal composite oxide, a negative electrode, and an electrolyte.
The lithium transition metal composite oxide has a layered rock salt type structure and has the following formula (1):
Li x M1 (yp) Mn p M2 (zq) Fe q O (2- δ ) (1)
(Here, M1 is at least one element of Ti and Zr, M2 is at least one element selected from the group consisting of Co, Ni and Mn, 1.05 ≦ x ≦ 1.32, 0.33 ≦ y ≦ 0. .63, 0.06 ≤ z ≤ 0.50, 0 <p ≤ 0.63, 0 ≤ q ≤ 0.50, 0 ≤ δ ≤ 0.80, y ≥ p, z ≥ q)
Has a composition represented by
As the positive electrode, A1, A2, and the like, which are obtained by subjecting A0, which is one of the materials applicable to the above composition formula (1), to a reduction treatment having a different degree of reduction, respectively. .. .. Then, the materials A1, A2, which have been subjected to the reduction treatment. .. .. Including at least one of
The amount of oxygen (atomic number percentage) in the composition of the material (A1, A2, ...) After the above reduction treatment is 85% or more of the amount of oxygen in the composition of the material (A0) before the reduction treatment. Lithium ion secondary batteries are provided that are in the range of less than 100%.

本発明の他の態様によれば、
リチウム遷移金属複合酸化物を含む正極と、負極と、電解質とを含むリチウムイオン二次電池であって、
前記リチウム遷移金属複合酸化物は層状岩塩型構造を有し、下記の式(1):
LixM1(y-p)MnpM2(z-q)Feq(2-δ) (1)
(ここでM1はTiおよびZrの少なくとも一方の元素、M2はCo、Ni及びMnからなる群から選択される少なくとも一種の元素、1.05≦x≦1.32,0.33≦y≦0.63,0.06≦z≦0.50,0<p≦0.63,0≦q≦0.50,0≦δ≦0.80,y≧p,z≧q)
で表される組成を有し、
前記正極は、上記の組成式(1)に当てはまる材料の一つA0に対して還元度の異なる還元処理を施した材料をそれぞれA1、A2、...とするとき、該還元処理を施した材料A1、A2、...のうち少なくとも1種を含み、
上記の還元処理を施した材料(A1、A2、...)のX線回折による(−3 3 1)ピークの回折角度(2θ)が64.9°から65.1°の範囲にある、リチウムイオン二次電池が提供される。
According to another aspect of the invention
A lithium ion secondary battery containing a positive electrode containing a lithium transition metal composite oxide, a negative electrode, and an electrolyte.
The lithium transition metal composite oxide has a layered rock salt type structure and has the following formula (1):
Li x M1 (yp) Mn p M2 (zq) Fe q O (2- δ ) (1)
(Here, M1 is at least one element of Ti and Zr, M2 is at least one element selected from the group consisting of Co, Ni and Mn, 1.05 ≦ x ≦ 1.32, 0.33 ≦ y ≦ 0. .63, 0.06 ≤ z ≤ 0.50, 0 <p ≤ 0.63, 0 ≤ q ≤ 0.50, 0 ≤ δ ≤ 0.80, y ≥ p, z ≥ q)
Has a composition represented by
As the positive electrode, A1, A2, and the like, which are obtained by subjecting A0, which is one of the materials applicable to the above composition formula (1), to a reduction treatment having a different degree of reduction, respectively. .. .. Then, the materials A1, A2, which have been subjected to the reduction treatment. .. .. Including at least one of
The diffraction angle (2θ) of the (-3 3 1) peak of the material (A1, A2, ...) subjected to the above reduction treatment by X-ray diffraction is in the range of 64.9 ° to 65.1 °. Lithium ion secondary batteries are provided.

本発明の他の態様によれば、
リチウム遷移金属複合酸化物を含む正極と、負極と、電解質とを含むリチウムイオン二次電池であって、
前記リチウム遷移金属複合酸化物は層状岩塩型構造を有し、下記の式(1):
LixM1(y-p)MnpM2(z-q)Feq(2-δ) 式(1)
(ここでM1はTiおよびZrの少なくとも一方の元素、M2はCo、Ni及びMnからなる群から選択される少なくとも一種の元素、1.05≦x≦1.32,0.33≦y≦0.63,0.06≦z≦0.50,0<p≦0.63,0≦q≦0.50,0≦δ≦0.80,y≧p,z≧q)
で表される組成を有し、
前記正極は、上記の組成式(1)に当てはまる材料の一つA0に対して還元度の異なる還元処理を施した材料をそれぞれA1、A2、...とするとき、該還元処理を施した材料A1、A2、...のうち少なくとも1種を含み、
上記の還元処理を施した材料(A1、A2、...)のX線回折データを空間群c2/mの結晶モデルによりリートベルト解析して得られる結果に基づいて、4hサイト、4gサイト、2bサイト、2cサイトの各サイトにおける遷移金属の占有率(g)をそれぞれ、g4h、g4g、g2b、g2cとしたとき、下記式(2):
total=(2g4h+g2c)/3+(2g4g+g2b)/3 式(2)
によって計算される遷移金属占有率和(gtotal)が0.72以上である、リチウムイオン二次電池が提供される。
According to another aspect of the invention
A lithium ion secondary battery containing a positive electrode containing a lithium transition metal composite oxide, a negative electrode, and an electrolyte.
The lithium transition metal composite oxide has a layered rock salt type structure and has the following formula (1):
Li x M1 (yp) Mn p M2 (zq) Fe q O (2- δ ) Equation (1)
(Here, M1 is at least one element of Ti and Zr, M2 is at least one element selected from the group consisting of Co, Ni and Mn, 1.05 ≦ x ≦ 1.32, 0.33 ≦ y ≦ 0. .63, 0.06 ≤ z ≤ 0.50, 0 <p ≤ 0.63, 0 ≤ q ≤ 0.50, 0 ≤ δ ≤ 0.80, y ≥ p, z ≥ q)
Has a composition represented by
As the positive electrode, A1, A2, and the like, which are obtained by subjecting A0, which is one of the materials applicable to the above composition formula (1), to a reduction treatment having a different degree of reduction, respectively. .. .. Then, the materials A1, A2, which have been subjected to the reduction treatment. .. .. Including at least one of
Based on the results obtained by Rietveld analysis of the X-ray diffraction data of the materials (A1, A2, ...) that have undergone the above reduction treatment using a crystal model of the space group c2 / m, 4h sites, 4g sites, When the occupancy rate (g) of the transition metal at each site of the 2b site and the 2c site is g 4h , g 4g , g 2b , and g 2c , respectively, the following equation (2):
g total = (2g 4h + g 2c ) / 3 + (2g 4g + g 2b ) / 3 Equation (2)
Provided is a lithium ion secondary battery having a transition metal occupancy sum (g total) of 0.72 or more calculated by.

本発明の他の態様によれば、
リチウム遷移金属複合酸化物を含む正極と、負極と、電解質とを含むリチウムイオン二次電池であって、
前記リチウム遷移金属複合酸化物は層状岩塩型構造を有し、下記の式(1):
LixM1(y-p)MnpM2(z-q)Feq(2-δ) (1)
(ここでM1はTiおよびZrの少なくとも一方の元素、M2はCo、Ni及びMnからなる群から選択される少なくとも一種の元素、1.05≦x≦1.32,0.33≦y≦0.63,0.06≦z≦0.50,0<p≦0.63,0≦q≦0.50,0≦δ≦0.80,y≧p,z≧q)
で表される組成を有し、
前記正極は、上記の組成式(1)に当てはまる材料の一つA0に対して還元度の異なる還元処理を施した材料をそれぞれA1、A2、...とし、
上記の組成式(1)に当てはまるもう一つの材料B0に対して還元度の異なる還元処理を施した材料をそれぞれB1、B2、...とするとき、
A1と、A1以外のA0、A2、...、B0、B1、B2、...からなる群から選択される少なくとも1種以上の材料との混合材料を含む、リチウムイオン二次電池が提供される。
According to another aspect of the invention
A lithium ion secondary battery containing a positive electrode containing a lithium transition metal composite oxide, a negative electrode, and an electrolyte.
The lithium transition metal composite oxide has a layered rock salt type structure and has the following formula (1):
Li x M1 (yp) Mn p M2 (zq) Fe q O (2- δ ) (1)
(Here, M1 is at least one element of Ti and Zr, M2 is at least one element selected from the group consisting of Co, Ni and Mn, 1.05 ≦ x ≦ 1.32, 0.33 ≦ y ≦ 0. .63, 0.06 ≤ z ≤ 0.50, 0 <p ≤ 0.63, 0 ≤ q ≤ 0.50, 0 ≤ δ ≤ 0.80, y ≥ p, z ≥ q)
Has a composition represented by
As the positive electrode, A1, A2, and the like, which are obtained by subjecting A0, which is one of the materials applicable to the above composition formula (1), to a reduction treatment having a different degree of reduction, respectively. .. .. age,
B1, B2, and the like, which are the other materials B0 applicable to the above composition formula (1), which have been subjected to reduction treatments having different degrees of reduction, respectively. .. .. When
A1 and A0, A2 other than A1 ,. .. .. , B0, B1, B2 ,. .. .. A lithium ion secondary battery comprising a mixed material with at least one material selected from the group consisting of is provided.

本発明の実施形態によれば、高容量、高エネルギー密度を有し、低コストで作製可能なリチウムイオン二次電池を提供することができる。 According to the embodiment of the present invention, it is possible to provide a lithium ion secondary battery having a high capacity, a high energy density, and can be manufactured at low cost.

正極材料のX線回折による(−3 3 1)ピーク角度(2θ)と酸素量との関係を示す図。The figure which shows the relationship between the (3 3 1) peak angle (2θ) by X-ray diffraction of a positive electrode material, and the amount of oxygen. 正極材料のX線回折による(−3 3 1)ピーク角度(2θ)と可逆容量、不可逆容量との関係を示す図(丸印は可逆容量を、三角印は不可逆容量を示す)。The figure which shows the relationship between the peak angle (2θ) by the X-ray diffraction of a positive electrode material, a reversible capacity, and an irreversible capacity (circle indicates a reversible capacity, and a triangle mark indicates an irreversible capacity). 正極材料のX線回折データをリートベルト解析することにより得られた遷移金属占有率和と可逆容量との関係を示す図。The figure which shows the relationship between the transition metal occupancy sum and the reversible capacity obtained by Rietveld analysis of the X-ray diffraction data of a positive electrode material. 本発明の実施形態によるリチウムイオン二次電池を示す図。The figure which shows the lithium ion secondary battery by embodiment of this invention. 図4のA−A’断面図。FIG. 4A'A'cross-sectional view of FIG. 本発明の実施形態によるリチウムイオン二次電池の正極に用いる集電体を示す平面図。The plan view which shows the current collector used for the positive electrode of the lithium ion secondary battery by embodiment of this invention. 本発明の実施形態によるリチウムイオン二次電池の正極を示す平面図。The plan view which shows the positive electrode of the lithium ion secondary battery by embodiment of this invention. 図7のA−A’断面図。FIG. 7A'A'cross-sectional view of FIG. 本発明の実施形態によるリチウムイオン二次電池の負極に用いる集電体を示す平面図。The plan view which shows the current collector used for the negative electrode of the lithium ion secondary battery by embodiment of this invention. 図9のA−A’断面図。FIG. 9 is a cross-sectional view taken along the line AA'. 本発明の実施形態によるリチウムイオン二次電池の負極を示す平面図。The plan view which shows the negative electrode of the lithium ion secondary battery by embodiment of this invention. 本発明の実施形態によるリチウムイオン二次電池の正極、負極、セパレータの積層体を示す図。The figure which shows the laminated body of the positive electrode, the negative electrode, and a separator of the lithium ion secondary battery by embodiment of this invention.

本発明の実施形態によるリチウムイオン二次電池は、リチウム遷移金属複合酸化物を含む正極と、負極と、電解質とを含み、
前記リチウム遷移金属複合酸化物は層状岩塩型構造を有し、下記の式(1):
LixM1(y-p)MnpM2(z-q)Feq(2-δ) (1)
(ここでM1はTiおよびZrの少なくとも一方の元素、M2はCo、Ni及びMnからなる群から選択される少なくとも一種の元素、1.05≦x≦1.32,0.33≦y≦0.63,0.06≦z≦0.50,0<p≦0.63,0≦q≦0.50,0≦δ≦0.80,y≧p,z≧q)
で表される組成を有する。
The lithium ion secondary battery according to the embodiment of the present invention includes a positive electrode containing a lithium transition metal composite oxide, a negative electrode, and an electrolyte.
The lithium transition metal composite oxide has a layered rock salt type structure and has the following formula (1):
Li x M1 (yp) Mn p M2 (zq) Fe q O (2- δ ) (1)
(Here, M1 is at least one element of Ti and Zr, M2 is at least one element selected from the group consisting of Co, Ni and Mn, 1.05 ≦ x ≦ 1.32, 0.33 ≦ y ≦ 0. .63, 0.06 ≤ z ≤ 0.50, 0 <p ≤ 0.63, 0 ≤ q ≤ 0.50, 0 ≤ δ ≤ 0.80, y ≥ p, z ≥ q)
It has a composition represented by.

上記組成において、qは0.06≦q≦0.50の範囲にあることが好ましい。また、M2はNiを含むことがより好ましい。 In the above composition, q is preferably in the range of 0.06 ≦ q ≦ 0.50. Further, it is more preferable that M2 contains Ni.

上記の正極は、以下の構成要件(i)、(ii)及び(iii)のすくなくとも1つを満たすことが好ましい。 The positive electrode preferably satisfies at least one of the following constituent requirements (i), (ii) and (iii).

構成要件(i)
前記正極は、上記の組成式(1)に当てはまる材料の一つA0に対して還元度の異なる還元処理を施した材料をそれぞれA1、A2、...とするとき、該還元処理を施した材料A1、A2、...のうち少なくとも1種を含み、
上記の還元処理を施した材料(A1、A2、...)の組成中の酸素量(原子数百分率)が、還元処理前の材料(A0)の組成中の酸素量に対して85%以上100%未満の範囲にある。
ここで、還元処理前の材料(A0)については、組成式(1)中のδが0であることが好ましい。
Configuration requirements (i)
As the positive electrode, A1, A2, and the like, which are obtained by subjecting A0, which is one of the materials applicable to the above composition formula (1), to a reduction treatment having a different degree of reduction, respectively. .. .. Then, the materials A1, A2, which have been subjected to the reduction treatment. .. .. Including at least one of
The amount of oxygen (percentage of atoms) in the composition of the material (A1, A2, ...) subjected to the above reduction treatment is 85% or more with respect to the amount of oxygen in the composition of the material (A0) before the reduction treatment. It is in the range of less than 100%.
Here, with respect to the material (A0) before the reduction treatment, it is preferable that δ in the composition formula (1) is 0.

構成要件(ii)
前記正極は、上記の組成式(1)に当てはまる材料の一つA0に対して還元度の異なる還元処理を施した材料をそれぞれA1、A2、...とするとき、該還元処理を施した材料A1、A2、...のうち少なくとも1種を含み、
上記の還元処理を施した材料(A1、A2、...)のX線回折による(−3 3 1)ピークの回折角度(2θ)が64.9°から65.1°の範囲にある。
Configuration requirements (ii)
As the positive electrode, A1, A2, and the like, which are obtained by subjecting A0, which is one of the materials applicable to the above composition formula (1), to a reduction treatment having a different degree of reduction, respectively. .. .. Then, the materials A1, A2, which have been subjected to the reduction treatment. .. .. Including at least one of
The diffraction angle (2θ) of the (-3 3 1) peak of the material (A1, A2, ...) subjected to the above reduction treatment by X-ray diffraction is in the range of 64.9 ° to 65.1 °.

構成要件(iii)
前記正極は、上記の組成式(1)に当てはまる材料の一つA0に対して還元度の異なる還元処理を施した材料をそれぞれA1、A2、...とするとき、該還元処理を施した材料A1、A2、...のうち少なくとも1種を含み、
上記の還元処理を施した材料(A1、A2、...)のX線回折データを空間群c2/mの結晶モデルによりリートベルト解析して得られる結果に基づいて、4hサイト、4gサイト、2bサイト、2cサイトの各サイトにおける遷移金属の占有率(g)をそれぞれ、g4h、g4g、g2b、g2cとしたとき、下記式(2):
total=(2g4h+g2c)/3+(2g4g+g2b)/3 式(2)
によって計算される遷移金属占有率和(gtotal)が0.72以上である。
Configuration requirements (iii)
As the positive electrode, A1, A2, and the like, which are obtained by subjecting A0, which is one of the materials applicable to the above composition formula (1), to a reduction treatment having a different degree of reduction, respectively. .. .. Then, the materials A1, A2, which have been subjected to the reduction treatment. .. .. Including at least one of
Based on the results obtained by Rietveld analysis of the X-ray diffraction data of the materials (A1, A2, ...) that have undergone the above reduction treatment using a crystal model of the space group c2 / m, 4h sites, 4g sites, When the occupancy rate (g) of the transition metal at each site of the 2b site and the 2c site is g 4h , g 4g , g 2b , and g 2c , respectively, the following equation (2):
g total = (2g 4h + g 2c ) / 3 + (2g 4g + g 2b ) / 3 Equation (2)
The sum of transition metal occupancy (g total ) calculated by is 0.72 or more.

また上記の正極は、他の形態として、次のように異なる正極材料を組み合わせた混合材料を含むことが好ましい。
すなわち、前記正極は、上記の組成式(1)に当てはまる材料の一つA0に対して還元度の異なる還元処理を施した材料をそれぞれA1、A2、...とし、
上記の組成式(1)に当てはまるもう一つの材料B0に対して還元度の異なる還元処理を施した材料をそれぞれB1、B2、...とするとき、
A1と、A1以外のA0、A2、...、B0、B1、B2、...からなる群から選択される少なくとも1種以上の材料との混合材料を含むことが好ましい。
Further, as another form, the above-mentioned positive electrode preferably contains a mixed material in which different positive electrode materials are combined as follows.
That is, as the positive electrode, A1, A2, and the like, which are obtained by subjecting A0, which is one of the materials applicable to the composition formula (1), to a reduction treatment having a different degree of reduction, respectively. .. .. age,
B1, B2, and the like, which are the other materials B0 applicable to the above composition formula (1), which have been subjected to reduction treatments having different degrees of reduction, respectively. .. .. When
A1 and A0, A2 other than A1 ,. .. .. , B0, B1, B2 ,. .. .. It is preferable to include a mixed material with at least one material selected from the group consisting of.

その際、この混合材料に含まれる2つの正極材料間で次の3つの条件の少なくとも1つを満たすことが好ましい。
条件(a)
上記混合材料を形成する前記材料のうち、A1とそれ以外の少なくとも1種の材料に関し、組成中の酸素量の差が5%以上異なっている。
条件(b)
前記混合材料を形成する前記材料のうち、A1とそれ以外の少なくとも1種の材料に関し、X線回折による(−3 3 1)ピークの回折角度(2θ)の差が0.05°以上である。
条件(c)
前記混合材料を形成する各材料のX線回折データを空間群c2/mの結晶モデルによりリートベルト解析して得られる結果に基づいて、4hサイト、4gサイト、2bサイト、2cサイトの各サイトにおける遷移金属の占有率(g)をそれぞれ、g4h、g4g、g2b、g2c)とし、下記式(2):
total=(2g4h+g2c)/3+(2g4g+g2b)/3 式(2)
によって遷移金属占有率和(gtotal)が計算されるものとしたとき、
上記混合材料を形成する前記材料のうち、A1とそれ以外の少なくとも1種の材料に関し、遷移金属占有率和(gtotal)の差が0.01以上である。
At that time, it is preferable that at least one of the following three conditions is satisfied between the two positive electrode materials contained in the mixed material.
Condition (a)
Among the materials forming the mixed material, the difference in the amount of oxygen in the composition differs by 5% or more with respect to A1 and at least one other material.
Condition (b)
Among the materials forming the mixed material, the difference in the diffraction angle (2θ) of the peak (3 3 1) by X-ray diffraction is 0.05 ° or more with respect to A1 and at least one other material. ..
Condition (c)
Based on the results obtained by Rietveld analysis of the X-ray diffraction data of each material forming the mixed material with a crystal model of the space group c2 / m, at each site of 4h site, 4g site, 2b site, and 2c site. The occupancy rate (g) of the transition metal is g 4h , g 4g , g 2b , g 2c, respectively ), and the following equation (2):
g total = (2g 4h + g 2c ) / 3 + (2g 4g + g 2b ) / 3 Equation (2)
When the sum of transition metal occupancy rates (g total ) is calculated by
Among the materials forming the mixed material, the difference in the sum of transition metal occupancy (g total ) is 0.01 or more with respect to A1 and at least one other material.

上記の負極は、負極活物質として、ケイ素または酸化ケイ素を含むことができる。 The above negative electrode may contain silicon or silicon oxide as the negative electrode active material.

上記のリチウムイオン二次電池は、前記電解質が、非水溶媒と電解質塩を含む非水系電解液であることが好ましい。この非水溶媒としては、環状カーボネート系溶媒および鎖状カーボネート系溶媒の少なくとも一方を含むことが好ましい。さらに、この非水溶媒は、フッ素化エーテル系溶媒、フッ素化カーボネート系溶媒、フッ素化リン酸エステルから選ばれる少なくとも一種のフッ素化溶媒を含むことができる。 In the above lithium ion secondary battery, the electrolyte is preferably a non-aqueous electrolyte solution containing a non-aqueous solvent and an electrolyte salt. The non-aqueous solvent preferably contains at least one of a cyclic carbonate-based solvent and a chain carbonate-based solvent. Further, the non-aqueous solvent can include at least one fluorinated solvent selected from a fluorinated ether-based solvent, a fluorinated carbonate-based solvent, and a fluorinated phosphate ester.

本発明者らは、層状岩塩型構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物のうち、組成式Li1.26Mn0.52Fe0.11Ni0.112で表されるリチウム鉄マンガン系複合酸化物に対して還元処理を施し、その還元後の材料を含む正極と、金属リチウム負極と、非水系電解液を用いて正極評価用の単極ラミネートセルを作製し、これを評価し、以下の関係を見出し、鋭意検討した結果、本発明を完成した。 Among the lithium transition metal composite oxides having a layered rock salt type structure, the present inventors perform reduction treatment on the lithium iron-manganese-based composite oxide represented by the composition formula Li 1.26 Mn 0.52 Fe 0.11 Ni 0.11 O 2. A unipolar laminate cell for evaluation of the positive electrode was prepared using a positive electrode containing the material after the reduction, a metallic lithium negative electrode, and a non-aqueous electrolyte solution, evaluated, and the following relationship was found and studied diligently. As a result, the present invention was completed.

(関係1)
還元度と正極材料のX線回折(XRD)ピーク位置のシフトとの関係
還元処理前後の正極材料(リチウム鉄マンガン系複合酸化物)のX線回折ピークを評価したところ、還元度が強いほど、つまり、正極材料の酸素量が減少するほど、XRDのピーク位置が低角度側にずれることが分かった。
(Relationship 1)
Relationship between the degree of reduction and the shift of the X-ray diffraction (XRD) peak position of the positive electrode material When the X-ray diffraction peaks of the positive electrode material (lithium iron-manganese-based composite oxide) before and after the reduction treatment were evaluated, the stronger the degree of reduction, the higher the degree of reduction. That is, it was found that the peak position of XRD shifts to the lower angle side as the amount of oxygen in the positive electrode material decreases.

図1は、正極材料の酸素量をIR燃焼法により測定し、還元処理前の酸素量を1としたときの酸素量と、XRDピークのうち(−3 3 1)ピーク角度(X線回折角度2θ)との関係をプロットしたものである。この図が示すように、還元度が強い程(酸素量が減少するほど)XRDピーク角度が低角度側に線型的に減少していた。 FIG. 1 shows the amount of oxygen when the amount of oxygen in the positive electrode material is measured by the IR combustion method and the amount of oxygen before the reduction treatment is 1, and the peak angle (X-ray diffraction angle) of the XRD peaks (3 3 1). It is a plot of the relationship with 2θ). As shown in this figure, the stronger the degree of reduction (the smaller the amount of oxygen), the more the XRD peak angle linearly decreased to the lower angle side.

(関係2)
容量(可逆容量)および不可逆容量と還元度(XRDピーク位置)との関係
正極の特性として、可逆容量と不可逆容量があり、通常の容量は可逆容量のことである。充放電効率が100%であれば、充電時に正極の結晶中から引き抜かれたリチウムイオンが放電時に全てもとに戻るが、実際は正極に戻ることができないリチウムイオンが存在し、その電荷分の容量が不可逆容量となる。特に、初回の充放電による不可逆容量が大きい。
(Relationship 2)
Relationship between capacity (reversible capacity) and irreversible capacity and degree of reduction (XRD peak position) There are reversible capacity and irreversible capacity as the characteristics of the positive electrode, and the normal capacity is the reversible capacity. If the charge / discharge efficiency is 100%, all the lithium ions extracted from the crystal of the positive electrode during charging will return to their original state during discharge, but in reality there are lithium ions that cannot return to the positive electrode, and the capacity of that charge. Is the irreversible capacity. In particular, the irreversible capacity due to the initial charge / discharge is large.

図2は、正極材料の還元度(横軸:(−3 3 1)ピーク角度(2θ)、すなわちXRDピーク位置)と容量(縦軸:可逆容量および不可逆容量)との関係を示している。 FIG. 2 shows the relationship between the degree of reduction of the positive electrode material (horizontal axis: (3 3 1) peak angle (2θ), that is, the XRD peak position) and the capacity (vertical axis: reversible capacity and irreversible capacity).

還元度を強める(ピーク角度2θが小さくなる)と可逆容量は増加するが、還元度をさらに強くすると可逆容量は逆に減少するため、XRDピーク位置(X線回折角度2θ)として65°付近に最大値が存在する。そのときの正極材料は、還元処理後の正極材料の組成の酸素量が還元処理前の材料の組成の酸素量の約90%となっている。 When the degree of reduction is increased (the peak angle 2θ becomes smaller), the reversible capacitance increases, but when the degree of reduction is further increased, the reversible capacitance decreases, so the XRD peak position (X-ray diffraction angle 2θ) is set to around 65 °. There is a maximum value. In the positive electrode material at that time, the amount of oxygen in the composition of the positive electrode material after the reduction treatment is about 90% of the amount of oxygen in the composition of the material before the reduction treatment.

一方、不可逆容量については、可逆容量とは逆で、還元度を強めると減少していき、さらに強くすると不可逆容量は増加し、可逆容量が最大になる還元度で不可逆容量が最小となった。 On the other hand, the irreversible capacity is the opposite of the reversible capacity, and decreases as the degree of reduction is increased. When the degree of reduction is further increased, the irreversible capacity increases, and the irreversible capacity becomes the minimum at the degree of reduction at which the reversible capacity is maximized.

図2より、可逆容量が240mAh/g以上であるためには、還元処理後のX線回折ピークのうち、(−3 3 1)ピークの回折角度(2θ)は64.9°から65.1°の範囲にある必要があるといえる。十分な還元処理の効果を得る点から、この回折角度(2θ)は64.94〜65.06°の範囲にあることが好ましく、64.95〜65.05°の範囲にあることがより好ましく、64.96〜65.04°の範囲にあることがさらに好ましい。 From FIG. 2, in order for the reversible capacitance to be 240 mAh / g or more, the diffraction angle (2θ) of the (3 3 1) peak among the X-ray diffraction peaks after the reduction treatment is 64.9 ° to 65.1. It can be said that it needs to be in the range of °. This diffraction angle (2θ) is preferably in the range of 64.94 to 65.06 °, more preferably in the range of 64.95 to 65.05 °, from the viewpoint of obtaining a sufficient reduction treatment effect. , 64.96 to 65.04 °, more preferably.

また、図1から、その回折角度(2θ)の範囲の材料を得るためには、還元処理後の正極材料の組成の酸素量が還元前の材料の組成の酸素量に対して、85%以上が必要であることが分かる。なお、還元処理前の正極材の酸素量は100%であるため、還元処理後の正極材料の組成の酸素量の上限は100%未満である。十分な還元処理の効果を得る点から、この酸素量は、上限側で97%以下が好ましく、95%以下がより好ましく、93%以下がさらに好ましく、一方、下限側では、88%以上が好ましい。 Further, from FIG. 1, in order to obtain a material in the range of the diffraction angle (2θ), the amount of oxygen in the composition of the positive electrode material after the reduction treatment is 85% or more with respect to the amount of oxygen in the composition of the material before reduction. Turns out to be necessary. Since the amount of oxygen in the positive electrode material before the reduction treatment is 100%, the upper limit of the amount of oxygen in the composition of the positive electrode material after the reduction treatment is less than 100%. From the viewpoint of obtaining a sufficient reduction treatment effect, the amount of oxygen is preferably 97% or less on the upper limit side, more preferably 95% or less, further preferably 93% or less, and preferably 88% or more on the lower limit side. ..

(関係3)
可逆容量と結晶格子中のリチウムサイトにおける遷移金属占有率の関係
XRDのデータをリートベルト解析(フィッティング)することで、結晶格子のパラメータの情報が得られる。フィッティングモデルとして、C2/m対称群に属するLi2MnO3結晶構造モデルを用いて還元処理後の材料を解析した結果、図3に示すように、遷移金属の占有率和(gtotal)が大きい程、可逆容量が大きいことが分かった。
totalは、上記結晶モデルにおける各サイト(4hサイト、4gサイト、2bサイト、2cサイト)における遷移金属占有率(g4h、g4g、g2b、g2c)から、次式によって計算された値である。
total = (2g4h+g2c)/3+(2g4g+g2b)/3
(Relationship 3)
Relationship between reversible capacitance and transition metal occupancy at lithium sites in the crystal lattice By Rietveld analysis (fitting) of XRD data, information on crystal lattice parameters can be obtained. As a result of analyzing the material after the reduction treatment using the Li 2 MnO 3 crystal structure model belonging to the C2 / m symmetric group as the fitting model, as shown in FIG. 3, the sum of the occupancy rates (g total ) of the transition metals is large. It was found that the reversible capacity was large.
g total is a value calculated by the following equation from the transition metal occupancy rates (g4h, g4g, g2b, g2c) at each site (4h site, 4g site, 2b site, 2c site) in the above crystal model.
g total = (2g 4h + g 2c ) / 3 + (2g 4g + g 2b ) / 3

図3から、可逆容量が240mAh/g以上であるためには、還元処理後のgtotalが0.72以上である必要があるとが分かる。十分な還元処理の効果を得る点から、還元処理後のgtotalが0.735以上が好ましく、0.74以上がさらに好ましく、可逆容量が最大となる還元度によって還元処理を施した材料のgtotalは、0.75以上であったため、0.75以上が特に好ましい。 From FIG. 3, it can be seen that in order for the reversible capacity to be 240 mAh / g or more, the g total after the reduction treatment must be 0.72 or more. From the viewpoint of obtaining a sufficient effect of the reduction treatment, the g total after the reduction treatment is preferably 0.735 or more, more preferably 0.74 or more, and the g of the material subjected to the reduction treatment according to the degree of reduction that maximizes the reversible capacity. Since the total was 0.75 or more, 0.75 or more is particularly preferable.

(リチウムイオン二次電池の評価/電池の容量)
次に、以上のような正極材料の評価をもとに、高エネルギー密度のセルを得るため、酸化ケイ素を主成分とする高容量の負極を用い、リチウムイオン二次電池を作製して評価を行った。
(Evaluation of lithium-ion secondary battery / battery capacity)
Next, based on the evaluation of the positive electrode material as described above, in order to obtain a cell having a high energy density, a lithium ion secondary battery is manufactured and evaluated using a high-capacity negative electrode containing silicon oxide as a main component. went.

表1に、還元処理前の正極材料(A0)を用いた場合と還元処理によって可逆容量が最大となる正極材料(A1)を用いた場合との比較を示す。 Table 1 shows a comparison between the case where the positive electrode material (A0) before the reduction treatment is used and the case where the positive electrode material (A1) whose reversible capacity is maximized by the reduction treatment is used.

Figure 0006903900
Figure 0006903900

表1に示すように、還元処理した正極材料(A1)を用いることにより、還元処理していない正極材料(A0)を用いた場合に比べて、セルの容量値が向上していることが分かる。 As shown in Table 1, it can be seen that by using the reduction-treated positive electrode material (A1), the cell capacity value is improved as compared with the case where the reduction-treated positive electrode material (A0) is used. ..

また、表1の正極の容量値とセルの容量値を見ると、A0とA1の可逆容量値の差が50mAh/gもあるにもかかわらず、酸化ケイ素を用いた負極によるセルの容量の差は5mAh/gしかなく、改善効果が少ないことが分かる。この原因は、負極材料にも不可逆容量が存在し、特に、ケイ素や酸化ケイ素を含む高容量負極の不可逆容量が大きいことに起因する。 Looking at the capacity value of the positive electrode and the capacity value of the cell in Table 1, although the difference between the reversible capacity values of A0 and A1 is as much as 50 mAh / g, the difference in cell capacity due to the negative electrode using silicon oxide. Is only 5 mAh / g, and it can be seen that the improvement effect is small. This is because the negative electrode material also has an irreversible capacity, and in particular, the irreversible capacity of a high-capacity negative electrode containing silicon or silicon oxide is large.

本発明の実施形態によるリチウムイオン二次電池は、組成式(1)で示される低コスト材料を用い、それを還元処理することにより、可逆容量と不可逆容量を制御し、その還元処理後の材料を用いて正極を形成することで、高容量の負極、たとえば、ケイ素や酸化ケイ素を含む負極との組み合わせによる電池性能を効果的に得ることができる。 The lithium ion secondary battery according to the embodiment of the present invention uses a low-cost material represented by the composition formula (1), and by reducing the material, the reversible capacity and the irreversible capacity are controlled, and the material after the reduction treatment. By forming the positive electrode using the above, it is possible to effectively obtain the battery performance in combination with a high-capacity negative electrode, for example, a negative electrode containing silicon or silicon oxide.

一つの例として、還元処理によって可逆容量が最大となる材料(A1)と還元処理前の材料(A0)を混合した材料を正極材料とし、酸化ケイ素を含む材料を負極に用いてセルを形成して容量を評価した結果を表2に示す(後述の実施例1〜3の結果に相当)。 As one example, a material obtained by mixing a material (A1) having the maximum reversible capacity by the reduction treatment and a material (A0) before the reduction treatment is used as a positive electrode material, and a material containing silicon oxide is used as a negative electrode to form a cell. The results of evaluating the capacity are shown in Table 2 (corresponding to the results of Examples 1 to 3 described later).

表2では、A0とA1の混合比率を30%:70%、50%:50%、70%:30%に変えた結果を示している。この結果によると、混合比率50%:50%のときに最も高いセルの容量(265mAh/g)が得られており、この値は、A0やA1を単独で正極材料とした場合の値(表1)よりも大きくなっている。 Table 2 shows the results of changing the mixing ratio of A0 and A1 to 30%: 70%, 50%: 50%, and 70%: 30%. According to this result, the highest cell capacity (265 mAh / g) was obtained when the mixing ratio was 50%: 50%, and this value is the value when A0 or A1 is used alone as the positive electrode material (Table). It is larger than 1).

最も効果的な混合比率や還元度は負極の特性、主に不可逆容量によって変わってくるが、混合する正極材料としては、少なくとも2種類の材料を用い、その2材料間の可逆容量値または不可逆容量値の差が十分に大きいことが好ましく、例えば20mAh/g以上あることが望ましい。 The most effective mixing ratio and degree of reduction vary depending on the characteristics of the negative electrode, mainly the irreversible capacity, but at least two types of materials are used as the positive electrode material to be mixed, and the reversible capacity value or irreversible capacity between the two materials is used. It is preferable that the difference between the values is sufficiently large, for example, 20 mAh / g or more.

その2材料間の可逆容量値または不可逆容量値の差が十分に大きく、好ましくは20mAh/g以上あるための条件は、その2つの材料間で、前述した下記の3つの条件(a)、(b)及び(c)の少なくとも1つを満たすことが好ましい。
(a)(−3 3 1)ピークのX線回折角度(2θ)の差が0.05°以上
(b)酸素量の差が5%以上
(c)遷移金属の占有率和(gtotal)の差が0.01以上
条件(a)については、2つの材料の上記X線回折角度(2θ)の差が0.06°以上がより好ましい。
条件(b)については、前記酸素量の差が6%以上がより好ましい。
条件(c)については、前記遷移金属の占有率和(gtotal)の差が0.015以上がより好ましい。
The conditions for the difference between the reversible capacity value or the irreversible capacity value between the two materials to be sufficiently large, preferably 20 mAh / g or more, are the following three conditions (a), (a), described above, between the two materials. It is preferable to satisfy at least one of b) and (c).
(A) (-3 3 1) Difference in X-ray diffraction angle (2θ) of peak is 0.05 ° or more (b) Difference in oxygen amount is 5% or more (c) Sum of occupancy of transition metals (g total ) The difference between the two materials is 0.01 or more, and the difference between the X-ray diffraction angles (2θ) of the two materials is more preferably 0.06 ° or more.
Regarding the condition (b), it is more preferable that the difference in the amount of oxygen is 6% or more.
Regarding the condition (c), it is more preferable that the difference in the sum of occupancy rates (g total) of the transition metals is 0.015 or more.

図2によると、X線回折のピークのうち、(−3 3 1)ピークのX線回折角度(2θ)の差が0.05°以上あると十分な容量差が得られ、さらに、図1から、酸素量の差が5%以上あると十分な容量差が得られ、また、図3から、遷移金属の占有率和(gtotal)の差が0.01以上であると十分な容量差が得られることが分かる。
つまり、上記3条件のどれかを満たす少なくとも2種類の材料を混合した材料を正極の主成分とすることでより効果的な結果を得ることができる。
According to FIG. 2, among the peaks of X-ray diffraction, when the difference in the X-ray diffraction angle (2θ) of the (-3 3 1) peak is 0.05 ° or more, a sufficient capacitance difference is obtained, and further, FIG. Therefore, a sufficient volume difference can be obtained when the difference in oxygen content is 5% or more, and from FIG. 3, a sufficient volume difference is obtained when the difference in the sum of occupancy rates (g total ) of the transition metals is 0.01 or more. Can be obtained.
That is, more effective results can be obtained by using a material obtained by mixing at least two kinds of materials satisfying any of the above three conditions as the main component of the positive electrode.

Figure 0006903900
Figure 0006903900

上の例は、還元処理により可逆容量が最大となる材料A1と還元処理前の材料A0を混合して用いた結果であるが、還元処理が施されている材料であれば、特に可逆容量が最大でなくともよい。また上の例では、A1と混合する材料としてA1を還元する前の材料A0を用いたが、組成式(1)を満たす還元処理前の別の材料(B0)やそれを還元処理した材料B1、B2、...と混合しても良い。 The above example is the result of using a mixture of the material A1 having the maximum reversible capacity by the reduction treatment and the material A0 before the reduction treatment. However, if the material has been reduced, the reversible capacity is particularly high. It does not have to be the maximum. Further, in the above example, the material A0 before the reduction of A1 was used as the material to be mixed with A1, but another material (B0) before the reduction treatment satisfying the composition formula (1) and the material B1 obtained by the reduction treatment thereof. , B2 ,. .. .. May be mixed with.

つまり、組成式(1)をみたす還元処理前の材料をA0、その還元処理後の材料をA1、A2、...とし、組成式(1)を満たす還元処理前の別の材料B0とその還元処理後の材料をB1、B2....とするとき、A1と、A0、A2、...、B0、B1、B2、...からなる群から選択される少なくとも1種の材料との混合材料を正極材料の主成分とすることで有効な効果が期待できる。 That is, the material before the reduction treatment satisfying the composition formula (1) is A0, and the material after the reduction treatment is A1, A2 ,. .. .. Then, another material B0 before the reduction treatment and the material after the reduction treatment satisfying the composition formula (1) are referred to as B1 and B2. .. .. .. Then, A1 and A0, A2 ,. .. .. , B0, B1, B2 ,. .. .. An effective effect can be expected by using a mixed material with at least one material selected from the group consisting of the above as the main component of the positive electrode material.

前述の例で、混合比率が50%:50%の場合、混合材料の可逆容量と不可逆容量はA0とA1の中間の値となっているが、A0を還元処理する際に還元度を調節して、可逆容量と不可逆容量をこの混合材料に近い値とすれば、その還元度で還元された材料(A2)のみでも同じ特性を出すことが可能である。 In the above example, when the mixing ratio is 50%: 50%, the reversible capacity and the irreversible capacity of the mixed material are intermediate values between A0 and A1, but the degree of reduction is adjusted when A0 is reduced. Therefore, if the reversible capacity and the irreversible capacity are set to values close to this mixed material, the same characteristics can be obtained only with the material (A2) reduced by the degree of reduction.

混合材料を用いるか、還元度を調節した単独材料を用いるかは、還元処理にかかるコストによって決めることができる。 Whether to use a mixed material or a single material having an adjusted degree of reduction can be determined by the cost of the reduction treatment.

例えば、多くのケースがそれにあたるが、還元処理にかかるコストが、還元する材料の量に大きく依存し、還元度にはほとんど依存しない場合、混合比率が50%:50%の混合材料を用いれば、還元度を調節した材料を単独で用いる場合に比べ、必要な還元材料の量が半分で済むことから、還元処理にかかるコストを半分におさえることができることになる。 For example, in many cases, when the cost of the reduction treatment largely depends on the amount of the material to be reduced and hardly depends on the degree of reduction, a mixed material having a mixing ratio of 50%: 50% can be used. Since the amount of the required reducing material is halved as compared with the case where the material having the adjusted degree of reduction is used alone, the cost required for the reduction treatment can be suppressed to halving.

(本発明の実施形態による効果)
本発明の実施形態によれば、高容量ではあるが、不可逆容量が大きいため、そのままでは使用することが難しかったケイ素や酸化ケイ素を含む負極材料を用いても、本来の正極の容量を十分に発揮できる。そのため、300Wh/kgを超えるような高エネルギー密度を有するリチウムイオン二次電池セルを提供することができる。
(Effects of Embodiments of the present invention)
According to the embodiment of the present invention, even if a negative electrode material containing silicon or silicon oxide, which is difficult to use as it is because of its high capacity but large irreversible capacity, is used, the capacity of the original positive electrode is sufficiently sufficient. Can be demonstrated. Therefore, it is possible to provide a lithium ion secondary battery cell having a high energy density exceeding 300 Wh / kg.

また、本発明の実施形態によれば、リチウムイオン二次電池における正極と負極にかかるコストを抑えることができる。 Further, according to the embodiment of the present invention, it is possible to reduce the cost of the positive electrode and the negative electrode in the lithium ion secondary battery.

まず正極についていえば、組成式(1)で示される材料は元来非常に低コスト化が可能な材料である。その理由は遷移金属として含まれる元素Mn、Ni、Fe、Coのうち、高コストなCoの比率を減らすことが可能で、Coの含有量がたとえゼロであっても高容量なリチウムイオン二次電池を形成することが可能であるからである。また、上述のように、混合材料を用いれば、還元処理にかかるコストを抑えることが可能である。 First, regarding the positive electrode, the material represented by the composition formula (1) is originally a material capable of extremely low cost. The reason is that it is possible to reduce the ratio of high-cost Co among the elements Mn, Ni, Fe, and Co contained as transition metals, and even if the Co content is zero, high-capacity lithium ion secondary This is because it is possible to form a battery. Further, as described above, if the mixed material is used, the cost required for the reduction treatment can be suppressed.

負極のコストについては、ケイ素や酸化ケイ素を含む負極材料の不可逆容量を減少させる技術は提案されているが、それらは材料に対して付加的な処理が必要であり、余分なコストがかかってしまうが、本発明の実施形態によれば、特に特殊な処理を施す必要がないため、負極にかかるコストも抑えることが可能である。 Regarding the cost of the negative electrode, techniques for reducing the irreversible capacity of the negative electrode material containing silicon and silicon oxide have been proposed, but they require additional treatment for the material, resulting in extra cost. However, according to the embodiment of the present invention, since it is not necessary to perform a special treatment, it is possible to suppress the cost of the negative electrode.

(リチウムイオン二次電池の構造およびその製造方法)
次に、本発明の実施の形態によるリチウムイオン二次電池及びその製造方法ついて、さらに、図面を参照して説明する。
(Structure of lithium ion secondary battery and its manufacturing method)
Next, the lithium ion secondary battery according to the embodiment of the present invention and the method for manufacturing the lithium ion secondary battery will be further described with reference to the drawings.

図4は、本発明の実施形態によるリチウムイオン二次電池を示し、図5は、図4のA−A’線に沿った断面図である。 FIG. 4 shows a lithium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line AA'of FIG.

図4において、符号410は正極タブ、符号420は負極タブを示し、正極タブに接続される正極、負極タブに接続される負極、これらの間に配置されるセパレータ、及び電解液が、金属ラミネートシート550によりパッキングされている。 In FIG. 4, reference numeral 410 indicates a positive electrode tab, reference numeral 420 indicates a negative electrode tab, and the positive electrode connected to the positive electrode tab, the negative electrode connected to the negative electrode tab, the separator arranged between them, and the electrolytic solution are metal laminated. It is packed by sheet 550.

図5において、符号510は集電体の両面に正極活物質層を形成した正極、符号520は集電体の両面に正極活物質層を形成した負極であり、符号530はセパレータを示している。正極活物質層は、本発明の実施形態によるリチウム遷移金属複合酸化物を、負極活物質層は、酸化ケイ素を主成分としている。上記正極と負極はセパレータを挟んで交互に積層された構造となっている。正極と負極の積層構造全体は金属のラミネートシート(550)によりパッキングされ、電解液(540)が注入されている。 In FIG. 5, reference numeral 510 is a positive electrode having positive electrode active material layers formed on both sides of the current collector, reference numeral 520 is a negative electrode having positive electrode active material layers formed on both sides of the current collector, and reference numeral 530 is a separator. .. The positive electrode active material layer contains a lithium transition metal composite oxide according to the embodiment of the present invention, and the negative electrode active material layer contains silicon oxide as a main component. The positive electrode and the negative electrode have a structure in which the positive electrode and the negative electrode are alternately laminated with a separator in between. The entire laminated structure of the positive electrode and the negative electrode is packed with a metal laminate sheet (550), and an electrolytic solution (540) is injected.

次に、図6から図12を参照して本実施形態によるリチウムイオン二次電池の製造方法を説明する。 Next, a method of manufacturing a lithium ion secondary battery according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 6 to 12.

正極材料(正極活物質)は、組成式(1)を満たす粉末状のリチウム遷移金属複合酸化物(A0)に対して還元処理を施すことによって得られる。 The positive electrode material (positive electrode active material) is obtained by subjecting a powdered lithium transition metal composite oxide (A0) satisfying the composition formula (1) to a reduction treatment.

還元処理は、例えば上記粉末に有機物を混合し、熱焼成することによって可能である。上記有機物は、例えば酢酸リチウム、ショ糖、ポリエチレングリコール(PEG)などを用いることができる。この場合、熱焼成は窒素やアルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気中で行うことができる。 The reduction treatment is possible, for example, by mixing an organic substance with the above powder and heat-baking. As the organic substance, for example, lithium acetate, sucrose, polyethylene glycol (PEG) and the like can be used. In this case, thermal firing can be performed in an atmosphere of an inert gas such as nitrogen or argon gas.

還元度は、この場合、混合する有機物の濃度と熱焼成の温度で決まり、有機物の濃度が高いほど、熱焼成の温度が高いほど還元度は高くなる。 In this case, the degree of reduction is determined by the concentration of the organic matter to be mixed and the temperature of the heat firing. The higher the concentration of the organic matter and the higher the temperature of the heat firing, the higher the degree of reduction.

図2より、240mAh/g以上の可逆容量を有する正極材料を得るためには、X線回折ピークのうち、(−3 3 1)ピークの回折角度(2θ)が64.9°から65.1°である必要がある。
また、図1から、その回折角度(2θ)の範囲の材料を得るためには、還元処理後の材料の組成の酸素量が還元前の材料の組成の酸素量に対して、85%以上100%未満の範囲であることが必要である。
また、還元処理後の図3から、可逆容量が240mAh/g以上であるためには、還元処理後の材料のX線回折データをリートベルト解析して得られる遷移金属占有率和(gtotal)が0.72以上である必要がある。
From FIG. 2, in order to obtain a positive electrode material having a reversible capacity of 240 mAh / g or more, among the X-ray diffraction peaks, the diffraction angle (2θ) of the (3 3 1) peak is 64.9 ° to 65.1. Must be °.
Further, from FIG. 1, in order to obtain a material in the range of the diffraction angle (2θ), the amount of oxygen in the composition of the material after the reduction treatment is 85% or more and 100% of the amount of oxygen in the composition of the material before the reduction. Must be in the range less than%.
Further, from FIG. 3 after the reduction treatment, in order for the reversible capacity to be 240 mAh / g or more, the transition metal occupancy sum (g total ) obtained by Rietveld analysis of the X-ray diffraction data of the material after the reduction treatment. Must be 0.72 or higher.

さらに、最も可逆容量が多く、最も不可逆容量が小さい材料(A1)を得るためには、還元処理後の組成中における酸素量が還元処理前の組成中の酸素量に対して約90%程度となるように還元度を設定するのが望ましく、例えば、88〜97%が好ましく、88〜95%がより好ましく、89〜93%がさらに好ましい。
材料A1のX線回折ピークのうち(−3 3 1)面からの回折によるピークの位置は65°付近にあることが望ましく、例えば、64.94°〜65.06°が好ましく、64.95°〜65.05°がより好ましく、64.96°〜65.04°がさらに好ましい。
また、X線回折データをリートベルト解析することによって得られる遷移金属占有率和(gtotal)は、0.735以上が好ましく、0.74以上がより好ましく、0.75以上であることがさらに好ましい。
Further, in order to obtain the material (A1) having the largest reversible capacity and the smallest irreversible capacity, the amount of oxygen in the composition after the reduction treatment is about 90% of the amount of oxygen in the composition before the reduction treatment. It is desirable to set the degree of reduction so as to be, for example, 88 to 97% is preferable, 88 to 95% is more preferable, and 89 to 93% is further preferable.
Of the X-ray diffraction peaks of the material A1, the position of the peak due to diffraction from the (-3 3 1) plane is preferably around 65 °, for example, 64.94 ° to 65.06 ° is preferable, and 64.95 ° is preferable. ° to 65.05 ° is more preferred, and 64.96 ° to 65.04 ° is even more preferred.
Further, the total transition metal occupancy (g total) obtained by Rietveld analysis of the X-ray diffraction data is preferably 0.735 or more, more preferably 0.74 or more, and further preferably 0.75 or more. preferable.

上述で得られた材料A1と還元処理前の材料A0とを混合して正極材料の主成分とすることができる。この場合、A1の組成中の酸素量はA0の組成中の酸素量の90%であるから、A1とA0の酸素量の差は10%(=100−90)であり、前述の望ましい条件である、酸素量が5%以上の差を有するという条件(b)を満たしている。 The material A1 obtained above and the material A0 before the reduction treatment can be mixed and used as the main component of the positive electrode material. In this case, since the amount of oxygen in the composition of A1 is 90% of the amount of oxygen in the composition of A0, the difference in the amount of oxygen between A1 and A0 is 10% (= 100-90) under the above-mentioned desirable conditions. A certain condition (b) that the amount of oxygen has a difference of 5% or more is satisfied.

また、還元処理前の材料A0のX線回折ピークのうち(−3 3 1)面からの回折によるピークの位置は65.09°であったので、A1とA0の(−3 3 1)ピーク角度の差は0.09°(=65.09−65)あり、前述の望ましい条件である、0.05°以上の差を有するという条件(a)を満たしている。 Further, among the X-ray diffraction peaks of the material A0 before the reduction treatment, the position of the peak due to diffraction from the (3 3 1) plane was 65.09 °, so that the (-3 3 1) peaks of A1 and A0 The difference in angle is 0.09 ° (= 65.09-65), which satisfies the above-mentioned desirable condition (a) of having a difference of 0.05 ° or more.

また、材料粉末のX線回折データを対称群C2/mに属するLi2MnO3結晶構造モデルによってリートベルト解析することによって、遷移金属の占有率和(gtotal)を求めたところ、還元処理前の材料(A0)のgtotalが0.72であるのに対し、還元処理後の材料(A1)のものは0.76程度に増加していたので、A1とA0の遷移金属の占有率和(gtotal)の差は0.04(=0.76−0.72)であり、前述の望ましい条件である、0.01以上という条件(c)を満たしている。 Further, when the X-ray diffraction data of the material powder was Rietveld analyzed by the Li 2 MnO 3 crystal structure model belonging to the symmetric group C2 / m, the sum of the occupancy of the transition metals (g total ) was obtained. While the g total of the previous material (A0) was 0.72, that of the material (A1) after the reduction treatment increased to about 0.76, so that the occupancy of the transition metals between A1 and A0 The difference in sum (g total ) is 0.04 (= 0.76-0.72), which satisfies the above-mentioned desirable condition (c) of 0.01 or more.

上記の例はA1とA0を用いた場合であるが、A0に代えて、還元度の異なる他の材料(A0、A2、...、B0、B1、B2、...)とA1を用いることができる。例えば、A0に代えてA2(A0を還元処理した材料)を用いる場合は、A2の組成中の酸素量(還元処理前のA0の組成中の酸素量に対するA2の組成中の酸素量の原子数百分率)は、条件(a)、(b)、(c)を満たす点から、97%より大きいことが好ましく、98%以上がより好ましく、99%以上がさらに好ましい。また、A0に代えて、B0(式(1)の組成を有するがA0と異なる組成をもつ還元処理前の材料)を還元処理した材料(B1、B2、...)を用いる場合も酸素量が大きい(還元度が低い)材料を用いることが好ましい。 The above example is the case where A1 and A0 are used, but instead of A0, other materials having different degrees of reduction (A0, A2, ..., B0, B1, B2, ...) And A1 are used. be able to. For example, when A2 (a material obtained by reducing A0) is used instead of A0, the amount of oxygen in the composition of A2 (the number of atoms of the amount of oxygen in the composition of A2 relative to the amount of oxygen in the composition of A0 before the reduction treatment). Percentage) is preferably greater than 97%, more preferably 98% or more, and even more preferably 99% or more, from the viewpoint of satisfying the conditions (a), (b), and (c). Further, when a material (B1, B2, ...) obtained by reducing B0 (a material having a composition of the formula (1) but having a composition different from that of A0 before the reduction treatment) is used instead of A0, the amount of oxygen is also used. It is preferable to use a material having a large value (low degree of reduction).

正極は、例えば次のようにして形成することができる。まず、正極材料(例えばA1とA0を混合した材料)にさらに少量のバインダーと導電助剤を混合して有機溶媒を混ぜて練ることにより正極材料のスラリーとする。上記バインダーとしてはポリフッ化ビニリデン(PVDF)等が、導電助剤としてはカーボンブラック等が使用できる。上記スラリーを、図6に示した集電体601である金属箔上の両面に塗布し、図7の符号701に示す正極活物質層を形成し、図7、図8に示す正極を得る。図8は図7のA−A’断面図であり、集電体802の両側に正極活物質層801−1、801−2が形成されている。 The positive electrode can be formed, for example, as follows. First, a slurry of a positive electrode material is obtained by mixing a small amount of a binder and a conductive auxiliary agent with a positive electrode material (for example, a material obtained by mixing A1 and A0), mixing an organic solvent, and kneading. Polyvinylidene fluoride (PVDF) or the like can be used as the binder, and carbon black or the like can be used as the conductive auxiliary agent. The slurry is applied to both sides of the metal foil of the current collector 601 shown in FIG. 6 to form the positive electrode active material layer shown by reference numeral 701 in FIG. 7, and the positive electrodes shown in FIGS. 7 and 8 are obtained. FIG. 8 is a cross-sectional view taken along the line AA'in FIG. 7, in which positive electrode active material layers 801-1 and 801-2 are formed on both sides of the current collector 802.

負極は、例えば次のようにして形成することができる。まず、負極材料、例えば酸化ケイ素の粉末とバインダーを混合し、有機溶媒を混ぜて練ることにより負極材料のスラリーとする。このスラリーを図9に示した集電体902である金属箔上の両面に塗布し、図10の符号1001に示す正極活物質層を形成し、図10、図11に示す負極を得る。図11は図10のA−A’断面図であり、集電体1102の両側に正極活物質層1101−1、1101−2が形成されている。 The negative electrode can be formed, for example, as follows. First, a negative electrode material, for example, silicon oxide powder and a binder are mixed, and an organic solvent is mixed and kneaded to obtain a slurry of the negative electrode material. This slurry is applied to both sides of the metal foil of the current collector 902 shown in FIG. 9 to form a positive electrode active material layer shown by reference numeral 1001 in FIG. 10, and a negative electrode shown in FIGS. 10 and 11 is obtained. FIG. 11 is a cross-sectional view taken along the line AA'in FIG. 10, in which positive electrode active material layers 1101-1 and 1101-2 are formed on both sides of the current collector 1102.

次に、図12に示すように、得られた負極と正極をセパレータを挟んで交互に積層することにより、積層体を形成する。 Next, as shown in FIG. 12, the obtained negative electrode and the positive electrode are alternately laminated with the separator sandwiched between them to form a laminated body.

次に、正極集電体の取り出し部分と負極集電体の取り出し部分をまとめて金属によるタブと共に超音波溶接機により溶接する。図4のように、タブの一部(410、420)が外部に出るようにして、全体を金属ラミネートシート(450)によりパッキングし、電解液を注入することにより、図4で示したセル構造を得ることができる。 Next, the take-out portion of the positive electrode current collector and the take-out portion of the negative electrode current collector are collectively welded together with a metal tab by an ultrasonic welder. As shown in FIG. 4, the cell structure shown in FIG. 4 is formed by packing the entire tab with a metal laminate sheet (450) and injecting an electrolytic solution so that a part of the tab (410, 420) is exposed to the outside. Can be obtained.

上記の正極材料は、その表面の一部が少なくとも1種類以上の金属の酸化物で被覆されたものを用いることができる。少なくとも一部に少なくとも1種類以上の金属の酸化物を被覆(コーティング)してもよい。これにより、充放電サイクル中における正極と電解液の反応を抑え、ガス発生を抑制し、容量維持率の低下を防ぐことが可能である。上記金属酸化物としては、La、Pr、Nd、Sm、およびEu、からなる群から選択される少なくとも1種の金属の酸化物、または、La、Pr、Nd、Sm、およびEuからなる群から選択される少なくとも1種の金属とGe、Mo、Zr、AlおよびVからなる群から選択される少なくとも1種の金属との複合酸化物を用いることができる。 As the above-mentioned positive electrode material, a material whose surface is partially coated with an oxide of at least one kind of metal can be used. At least a part thereof may be coated with an oxide of at least one kind of metal. This makes it possible to suppress the reaction between the positive electrode and the electrolytic solution during the charge / discharge cycle, suppress gas generation, and prevent a decrease in the capacity retention rate. The metal oxide includes an oxide of at least one metal selected from the group consisting of La, Pr, Nd, Sm, and Eu, or a group consisting of La, Pr, Nd, Sm, and Eu. A composite oxide of at least one metal selected and at least one metal selected from the group consisting of Ge, Mo, Zr, Al and V can be used.

上記電解液中にイオン液体を添加してもよい。これにより、充放電サイクル中におけるガス発生を抑制し、容量維持率の低下をさらに防ぐことが可能である。イオン液体としては、ピリジニウム塩、イミダゾリウム塩等を用いることができる。 An ionic liquid may be added to the electrolytic solution. As a result, it is possible to suppress gas generation during the charge / discharge cycle and further prevent a decrease in the capacity retention rate. As the ionic liquid, a pyridinium salt, an imidazolium salt, or the like can be used.

以下、本発明の実施の形態について、さらに説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be further described.

<正極>
リチウムイオン二次電池の正極は、正極活物質と結着剤を含む正極活物質層が正極集電体上に形成されたものを用いることができる。
<Positive electrode>
As the positive electrode of the lithium ion secondary battery, one in which a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material and a binder is formed on a positive electrode current collector can be used.

正極活物質としては、上述した正極材料(リチウム遷移金属複合酸化物)を用いる。正極活物質は、一種を単独で、または二種以上を組み合わせて使用することができる。 As the positive electrode active material, the above-mentioned positive electrode material (lithium transition metal composite oxide) is used. The positive electrode active material may be used alone or in combination of two or more.

正極活物質層には、インピーダンスを低下させる目的で、導電補助剤を添加してもよい。導電補助剤としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛等のグラファイト類、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック類が挙げられる。導電補助剤は、複数の種類を適宜混合して用いてもよい。導電補助剤の量は、正極活物質に対して、1〜10質量%が好ましい。 A conductive auxiliary agent may be added to the positive electrode active material layer for the purpose of lowering the impedance. Examples of the conductive auxiliary agent include graphites such as natural graphite and artificial graphite, and carbon blacks such as acetylene black, ketjen black, furnace black, channel black, and thermal black. As the conductive auxiliary agent, a plurality of types may be appropriately mixed and used. The amount of the conductive auxiliary agent is preferably 1 to 10% by mass with respect to the positive electrode active material.

正極用結着剤としては、特に制限されるものではないが、例えば、ポリフッ化ビニリデンやビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ビニリデンフルオライド−テトラフルオロエチレン共重合体等が挙げられる。また、スチレン−ブタジエン共重合ゴム、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリイミド、ポリアミドイミド等を正極用結着剤として用いてもよい。特に、汎用性や低コストの観点から、ポリフッ化ビニリデンを正極用結着剤として使用することが好ましい。使用する正極用結着剤の量は、トレードオフの関係にある「十分な結着力」と「高エネルギー化」との観点から、正極活物質100質量部に対して2〜10質量部が好ましい。 The binder for the positive electrode is not particularly limited, and examples thereof include polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene copolymer and the like. Further, styrene-butadiene copolymer rubber, polytetrafluoroethylene, polypropylene, polyethylene, polyimide, polyamideimide and the like may be used as the binder for the positive electrode. In particular, from the viewpoint of versatility and low cost, it is preferable to use polyvinylidene fluoride as a binder for the positive electrode. The amount of the positive electrode binder used is preferably 2 to 10 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the positive electrode active material from the viewpoint of "sufficient binding force" and "high energy", which are in a trade-off relationship. ..

正極集電体としては、一般的なものを任意に用いることができるが、例えば、アルミニウム箔やステンレス製のラス板等を用いることができる。 As the positive electrode current collector, a general one can be arbitrarily used, and for example, an aluminum foil, a lath plate made of stainless steel, or the like can be used.

正極は、例えば、正極活物質、導電補助剤および結着剤を混合した混合物にN−メチルピロリドン等の溶媒を加えて混練したものを、ドクターブレード法やダイコーター法等によって集電体に塗布し、乾燥することによって作製できる。 For the positive electrode, for example, a mixture of a positive electrode active material, a conductive auxiliary agent, and a binder, to which a solvent such as N-methylpyrrolidone is added and kneaded, is applied to a current collector by a doctor blade method, a die coater method, or the like. It can be produced by drying.

<負極>
リチウムイオン二次電池の負極は、例えば、負極極活物質と結着剤を含む負極極活物質層が負極極集電体上に形成されたものを用いることができる。
<Negative electrode>
As the negative electrode of the lithium ion secondary battery, for example, one in which a negative electrode polar active material layer containing a negative electrode polar active material and a binder is formed on a negative electrode electrode current collector can be used.

負極活物質としては、リチウム金属や、リチウムとの合金化が可能な金属または合金、リチウムの吸蔵及び放出が可能な酸化物、炭素材料、ケイ素を含む負極活物質等が挙げられる。 Examples of the negative electrode active material include lithium metal, a metal or alloy capable of alloying with lithium, an oxide capable of storing and releasing lithium, a carbon material, and a negative electrode active material containing silicon.

リチウムとの合金化が可能な金属または合金としては、例えば、リチウム−シリコンやリチウム−スズ等が挙げられる。また、リチウムの吸蔵及び放出が可能な酸化物としては、例えば、五酸化ニオブ(Nb25)、リチウムチタン複合酸化物(Li4/3Ti5/34)、二酸化チタン(TiO2)等が挙げられる。また、リチウムの吸蔵及び放出が可能な炭素材料としては、例えば、黒鉛材料、カーボンブラック、コークス、メソカーボンマイクロビーズ、ハードカーボン、グラファイト等の炭素質材料が挙げられる。なお、黒鉛材料としては、人造黒鉛や天然黒鉛等が挙げられる。また、カーボンブラックとしては、アセチレンブラックやファーネスブラック等が挙げられる。 Examples of the metal or alloy that can be alloyed with lithium include lithium-silicon and lithium-tin. Examples of oxides capable of storing and releasing lithium include niobium pentoxide (Nb 2 O 5 ), titanium titanium composite oxide (Li 4/3 Ti 5/3 O 4 ), and titanium dioxide (Tio 2). ) Etc. can be mentioned. Examples of the carbon material capable of occluding and releasing lithium include a carbonaceous material such as graphite material, carbon black, coke, mesocarbon microbeads, hard carbon, and graphite. Examples of the graphite material include artificial graphite and natural graphite. Examples of carbon black include acetylene black and furnace black.

上述の負極活物質の中では、サイクル特性及び安全性が良好であるとともに、連続充電特性が優れている点から、炭素質材料が好ましい。なお、負極活物質は、上述の1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。 Among the above-mentioned negative electrode active materials, a carbonaceous material is preferable because it has good cycle characteristics and safety, and also has excellent continuous charging characteristics. As the negative electrode active material, the above-mentioned one type may be used alone, or two or more types may be used in combination in any combination and ratio.

また、本実施形態においては、ケイ素を含む負極活物質を使用してもよい。例えば、ケイ素を含む負極活物質としては、シリコンやシリコン化合物等が挙げられる。シリコンとしては、例えば、単体ケイ素が挙げられる。シリコン化合物としては、例えば、シリコン酸化物やケイ酸塩、ニッケルシリサイド、コバルトシリサイドなどの遷移金属とケイ素との化合物等が挙げられる。 Further, in the present embodiment, a negative electrode active material containing silicon may be used. For example, examples of the negative electrode active material containing silicon include silicon and a silicon compound. Examples of silicon include simple substance silicon. Examples of the silicon compound include a compound of silicon and a transition metal such as a silicon oxide, a silicate, a nickel silicide, and a cobalt silicide.

シリコン化合物は、負極活物質自体の繰り返し充放電に対する膨脹収縮を緩和するため、充放電サイクル特性の観点から好ましく用いられる。さらに、シリコン化合物の種類によっては、シリコン間の導通を確保する機能がある。このような観点から、負極活物質のシリコン化合物としては、シリコン酸化物が好ましく用いられる。 The silicon compound is preferably used from the viewpoint of charge / discharge cycle characteristics because it relaxes the expansion / contraction of the negative electrode active material itself due to repeated charge / discharge. Further, depending on the type of silicon compound, there is a function of ensuring continuity between silicons. From this point of view, a silicon oxide is preferably used as the silicon compound of the negative electrode active material.

シリコン酸化物は、特に限定されるものではないが、例えば、SiOx(0<x≦2)で表される。シリコン酸化物は、リチウムを含んでもよい。リチウムを含むシリコン酸化物は、例えばSiLiyz(y>0、2>z>0)で表される。 The silicon oxide is not particularly limited, but is represented by, for example, SiO x (0 <x ≦ 2). The silicon oxide may contain lithium. Silicon oxide containing lithium is expressed by e.g. SiLi y O z (y> 0,2 >z> 0).

また、シリコン酸化物は、微量の金属元素や非金属元素を含んでも良い。シリコン酸化物は、例えば、窒素、ホウ素およびイオウの中から選ばれる一種または二種以上の元素を、例えば0.1〜5質量%含有することができる。微量の金属元素や非金属元素をシリコン酸化物に含有させることによって、シリコン酸化物の電気伝導性を向上させることができる。また、シリコン酸化物は、結晶であってもよく、非晶質であってもよい。 Further, the silicon oxide may contain a trace amount of metal element or non-metal element. The silicon oxide can contain, for example, 0.1 to 5% by mass of one or more elements selected from among nitrogen, boron and sulfur. By containing a trace amount of metal element or non-metal element in the silicon oxide, the electric conductivity of the silicon oxide can be improved. Further, the silicon oxide may be crystalline or amorphous.

また、負極活物質は、シリコンまたはシリコン酸化物に加えて、リチウムイオンを吸蔵・放出し得る炭素材料を含むことが好ましい。炭素材料は、シリコンやシリコン酸化物と複合化させた状態で含有させることもできる。炭素材料は、シリコン酸化物と同様に、負極活物質自体の繰り返し充放電に対する膨脹収縮を緩和し、負極活物質であるシリコン間の導通を確保する機能をもつ。シリコン又は/及びシリコン酸化物と、炭素材料とが共存することにより、より良好なサイクル特性が得られる。 Further, the negative electrode active material preferably contains a carbon material capable of occluding and releasing lithium ions in addition to silicon or silicon oxide. The carbon material can also be contained in a composite state with silicon or silicon oxide. Similar to silicon oxide, the carbon material has a function of alleviating expansion and contraction of the negative electrode active material itself due to repeated charging and discharging, and ensuring continuity between silicon, which is the negative electrode active material. The coexistence of silicon and / and silicon oxide with the carbon material provides better cycle characteristics.

炭素材料としては、黒鉛や非晶質炭素、ダイヤモンド状炭素、カーボンナノチューブ等を単独もしくは組み合わせて用いることができる。結晶性の高い黒鉛は、電気伝導性が高く、銅などの金属からなる正極集電体との接着性および電圧平坦性が優れている。一方、結晶性の低い非晶質炭素は、体積膨張が比較的小さいため、負極全体の体積膨張を緩和する効果が高く、かつ結晶粒界や欠陥といった不均一性に起因する劣化が起きにくい。負極活物質中の炭素材料の含有率は、2質量%以上50質量%以下とすることが好ましく、2質量%以上30質量%以下とすることがより好ましい。 As the carbon material, graphite, amorphous carbon, diamond-like carbon, carbon nanotubes and the like can be used alone or in combination. Graphite with high crystallinity has high electrical conductivity, and is excellent in adhesiveness to a positive electrode current collector made of a metal such as copper and voltage flatness. On the other hand, amorphous carbon having low crystallinity has a relatively small volume expansion, so that it has a high effect of alleviating the volume expansion of the entire negative electrode, and deterioration due to non-uniformity such as grain boundaries and defects is unlikely to occur. The content of the carbon material in the negative electrode active material is preferably 2% by mass or more and 50% by mass or less, and more preferably 2% by mass or more and 30% by mass or less.

シリコンとシリコン化合物とを含有する負極活物質は、シリコン化合物としてシリコン酸化物を用いる場合には、例えば、単体ケイ素とシリコン酸化物とを混合し、高温減圧下にて焼結させることによって作製することができる。また、シリコン化合物として遷移金属とケイ素との化合物を用いる場合には、例えば、単体ケイ素と遷移金属を混合して溶融させたり、単体ケイ素の表面に遷移金属を蒸着等によって被覆させたりすることによって作製できる。 When silicon oxide is used as the silicon compound, the negative electrode active material containing silicon and a silicon compound is produced, for example, by mixing simple silicon and silicon oxide and sintering them under high temperature and reduced pressure. be able to. When a compound of a transition metal and silicon is used as the silicon compound, for example, the elemental silicon and the transition metal are mixed and melted, or the surface of the elemental silicon is coated with the transition metal by vapor deposition or the like. Can be made.

上述の負極活物質の作製方法に加えて、炭素との複合化を組み合わせることもできる。例えば、高温非酸素雰囲気下において、有機化合物の気体雰囲気中に単体ケイ素とシリコン化合物の混合焼結物を導入することによって、単体ケイ素とシリコン酸化物の核の周囲に炭素を含む被覆層を形成することができる。また、例えば、高温非酸素雰囲気下において、単体ケイ素とシリコン酸化物の混合焼結物と炭素の前駆体樹脂を混合することによって、単体ケイ素とシリコン酸化物の核の周囲に炭素からなる被覆層を形成することができる。このように、単体ケイ素とシリコン酸化物の核の周囲に炭素を含む被覆層を形成することによって、充放電に対する体積膨張の抑制及びサイクル特性のさらなる改善効果が得られる。 In addition to the above-mentioned method for producing a negative electrode active material, a composite with carbon can also be combined. For example, in a high-temperature non-oxygen atmosphere, a coating layer containing carbon is formed around the core of elemental silicon and silicon oxide by introducing a mixed sintered product of elemental silicon and a silicon compound into the gas atmosphere of an organic compound. can do. Further, for example, by mixing a mixed sintered product of elemental silicon and silicon oxide and a carbon precursor resin in a high-temperature non-oxygen atmosphere, a coating layer composed of carbon is formed around the core of elemental silicon and silicon oxide. Can be formed. By forming a coating layer containing carbon around the cores of elemental silicon and silicon oxide in this way, it is possible to obtain the effect of suppressing volume expansion and further improving the cycle characteristics with respect to charge and discharge.

負極活物質としてシリコンを用いる場合は、シリコン、シリコン酸化物および炭素材料を含む複合体(以下「Si/SiO/C複合体」とも称す)が好ましい。 When silicon is used as the negative electrode active material, a composite containing silicon, a silicon oxide, and a carbon material (hereinafter, also referred to as “Si / SiO / C complex”) is preferable.

さらに、シリコン酸化物は、その全部または一部がアモルファス構造を有することが好ましい。アモルファス構造のシリコン酸化物は、他の負極活物質である炭素材料やシリコンの体積膨張を抑制することができる。このメカニズムは明確ではないが、シリコン酸化物がアモルファス構造であることによって、炭素材料と電解液の界面への皮膜形成に何らかの影響があるものと推定される。また、アモルファス構造は、結晶粒界や欠陥といった不均一性に起因する要素が比較的少ないと考えられる。 Further, the silicon oxide preferably has an amorphous structure in whole or in part. The amorphous structure silicon oxide can suppress the volume expansion of other negative electrode active materials such as carbon material and silicon. Although this mechanism is not clear, it is presumed that the amorphous structure of the silicon oxide has some effect on the formation of a film at the interface between the carbon material and the electrolytic solution. Further, it is considered that the amorphous structure has relatively few elements due to non-uniformity such as grain boundaries and defects.

なお、シリコン酸化物の全部または一部がアモルファス構造を有することは、エックス線回折測定によって確認することができる。シリコン酸化物がアモルファス構造を有しない場合には、エックス線回折測定において、シリコン酸化物に固有のピークが強く観測される。一方、シリコン酸化物の全部または一部がアモルファス構造を有する場合は、エックス線回折測定において、シリコン酸化物に固有のピークがブロードとなる。 It can be confirmed by X-ray diffraction measurement that all or part of the silicon oxide has an amorphous structure. When the silicon oxide does not have an amorphous structure, a peak peculiar to the silicon oxide is strongly observed in the X-ray diffraction measurement. On the other hand, when all or a part of the silicon oxide has an amorphous structure, the peak peculiar to the silicon oxide becomes broad in the X-ray diffraction measurement.

Si/SiO/C複合体において、シリコンは、その全部または一部がシリコン酸化物中に分散していることが好ましい。シリコンの少なくとも一部をシリコン酸化物中に分散させることによって、負極全体としての体積膨張をより抑制することができるとともに、電解液の分解も抑制することができる。なお、シリコンの全部または一部がシリコン酸化物中に分散していることは、透過型電子顕微鏡観察とエネルギー分散型X線分光法測定とを併用することによって確認することができる。具体的には、サンプルの断面を透過型電子顕微鏡によって観察し、シリコン酸化物中に分散しているシリコン部分の酸素濃度をエネルギー分散型X線分光法測定によって測定する。その結果、シリコン酸化物中に分散されたシリコンが酸化物となっていないことを確認することができる。 In the Si / SiO / C complex, it is preferable that all or part of silicon is dispersed in the silicon oxide. By dispersing at least a part of silicon in the silicon oxide, the volume expansion of the negative electrode as a whole can be further suppressed, and the decomposition of the electrolytic solution can also be suppressed. It should be noted that the fact that all or part of the silicon is dispersed in the silicon oxide can be confirmed by using the transmission electron microscope observation and the energy dispersive X-ray spectroscopy measurement together. Specifically, the cross section of the sample is observed with a transmission electron microscope, and the oxygen concentration of the silicon portion dispersed in the silicon oxide is measured by energy dispersive X-ray spectroscopy measurement. As a result, it can be confirmed that the silicon dispersed in the silicon oxide is not an oxide.

Si/SiO/C複合体において、例えば、シリコン酸化物の全部または一部がアモルファス構造であり、シリコンはその全部または一部がシリコン酸化物中に分散している。このようなSi/SiO/C複合体は、例えば、特開2004−47404号公報で開示されているような方法で作製することができる。すなわち、Si/SiO/C複合体は、例えば、シリコン酸化物をメタンガスなどの有機物ガスを含む雰囲気下でCVD処理を行うことで得ることができる。このような方法で得られるSi/SiO/C複合体は、シリコンを含むシリコン酸化物からなる粒子の表面がカーボンで被覆された形態となる。また、シリコンはシリコン酸化物中にナノクラスター化している。 In the Si / SiO / C complex, for example, all or part of the silicon oxide has an amorphous structure, and all or part of the silicon is dispersed in the silicon oxide. Such a Si / SiO / C complex can be produced, for example, by a method as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-47404. That is, the Si / SiO / C complex can be obtained, for example, by performing a CVD treatment on a silicon oxide in an atmosphere containing an organic gas such as methane gas. The Si / SiO / C composite obtained by such a method has a form in which the surface of particles made of silicon oxide containing silicon is coated with carbon. In addition, silicon is nanoclustered in silicon oxide.

Si/SiO/C複合体において、シリコン、シリコン酸化物および炭素材料の割合は、特に制限されるものではないが、以下のような組成とすることが好適である。シリコンは、Si/SiO/C複合体に対し、5質量%以上90質量%以下とすることが好ましく、20質量%以上50質量%以下とすることがより好ましい。シリコン酸化物は、Si/SiO/C複合体に対し、5質量%以上90質量%以下とすることが好ましく、40質量%以上70質量%以下とすることがより好ましい。炭素材料は、Si/SiO/C複合体に対し、2質量%以上50質量%以下とすることが好ましく、2質量%以上30質量%以下とすることがより好ましい。 The ratio of silicon, silicon oxide, and carbon material in the Si / SiO / C complex is not particularly limited, but the composition is preferably as follows. The amount of silicon is preferably 5% by mass or more and 90% by mass or less, and more preferably 20% by mass or more and 50% by mass or less, based on the Si / SiO / C complex. The silicon oxide is preferably 5% by mass or more and 90% by mass or less, and more preferably 40% by mass or more and 70% by mass or less with respect to the Si / SiO / C complex. The carbon material is preferably 2% by mass or more and 50% by mass or less, and more preferably 2% by mass or more and 30% by mass or less with respect to the Si / SiO / C complex.

また、Si/SiO/C複合体は、単体ケイ素、シリコン酸化物及び炭素材料の混合物であってもよく、単体ケイ素とシリコン酸化物と炭素材料とをメカニカルミリングで混合することでも作製することができる。例えば、Si/SiO/C複合体は、それぞれの単体ケイ素、シリコン酸化物および炭素材料が、粒子状のものを混合して得ることができる。 Further, the Si / SiO / C composite may be a mixture of elemental silicon, silicon oxide and carbon material, and may also be produced by mixing elemental silicon, silicon oxide and carbon material by mechanical milling. it can. For example, the Si / SiO / C complex can be obtained by mixing a simple substance silicon, a silicon oxide, and a carbon material in the form of particles.

例えば、単体ケイ素の平均粒子径を、炭素材料およびシリコン酸化物の平均粒子径よりも小さい構成とすることができる。このようにすれば、充放電時において体積変化の大きい単体ケイ素が相対的に小粒径となり、体積変化の小さい炭素材料やシリコン酸化物が相対的に大粒径となるため、デンドライト生成および合金の微粉化がより効果的に抑制される。また、充放電の過程において、大粒径の粒子、小粒径の粒子、大粒径の粒子の順にリチウムが吸蔵、放出されることとなり、この点からも、残留応力、残留歪みの発生が抑制される。 For example, the average particle size of elemental silicon can be smaller than the average particle size of carbon materials and silicon oxides. In this way, elemental silicon with a large volume change has a relatively small particle size during charging and discharging, and carbon materials and silicon oxides with a small volume change have a relatively large particle size. Micronization of silicon is suppressed more effectively. Further, in the process of charging and discharging, lithium is occluded and released in the order of large particle size particles, small particle size particles, and large particle size particles, and from this point as well, residual stress and residual strain are generated. It is suppressed.

単体ケイ素の平均粒子径は、例えば20μm以下とすることが好ましく、15μm以下とすることがより好ましい。また、シリコン酸化物の平均粒子径が炭素材料の平均粒子径の1/2以下であることが好ましく、単体ケイ素の平均粒子径がシリコン酸化物の平均粒子径の1/2以下であることが好ましい。さらには、シリコン酸化物の平均粒子径が炭素材料の平均粒子径の1/2以下であり、かつ単体ケイ素の平均粒子径がシリコン酸化物の平均粒子径の1/2以下であることがより好ましい。平均粒子径を上記の範囲に制御すれば、体積膨脹の緩和効果をより有効に得ることができるため、エネルギー密度、サイクル寿命および効率のバランスに優れた二次電池を得ることができる。より具体的には、炭素材料として黒鉛を用い、シリコン酸化物の平均粒子径を黒鉛の平均粒子径の1/2以下とし、単体ケイ素の平均粒子径をシリコン酸化物の平均粒子径の1/2以下とすることが好ましい。なお、単体ケイ素やシリコン酸化物などの平均粒子径は、レーザー回折散乱法や動的光散乱法などの測定法によって測定される。 The average particle size of elemental silicon is preferably, for example, 20 μm or less, and more preferably 15 μm or less. Further, the average particle size of silicon oxide is preferably 1/2 or less of the average particle size of carbon material, and the average particle size of elemental silicon is 1/2 or less of the average particle size of silicon oxide. preferable. Furthermore, the average particle size of silicon oxide is 1/2 or less of the average particle size of carbon material, and the average particle size of elemental silicon is 1/2 or less of the average particle size of silicon oxide. preferable. If the average particle size is controlled within the above range, the effect of alleviating volume expansion can be obtained more effectively, so that a secondary battery having an excellent balance of energy density, cycle life and efficiency can be obtained. More specifically, graphite is used as the carbon material, the average particle size of silicon oxide is 1/2 or less of the average particle size of graphite, and the average particle size of elemental silicon is 1/1 of the average particle size of silicon oxide. It is preferably 2 or less. The average particle size of simple silicon, silicon oxide, etc. is measured by a measuring method such as a laser diffraction scattering method or a dynamic light scattering method.

また、負極活物質として、上述のSi/SiO/C複合体の表面をシランカップリング剤等によって処理したものを用いてもよい。 Further, as the negative electrode active material, a material obtained by treating the surface of the above-mentioned Si / SiO / C complex with a silane coupling agent or the like may be used.

負極の活物質層は、上記のリチウムイオンを吸蔵放出可能な負極活物質を主成分として含むことが好ましい。具体的には、上記負極活物質の含有量が、負極活物質、負極用結着剤および必要に応じて各種の助剤等を含む活物質層の総重量の55%以上であることが好ましく、65%以上であることがより好ましい。 The active material layer of the negative electrode preferably contains the above-mentioned negative electrode active material capable of occluding and releasing lithium ions as a main component. Specifically, the content of the negative electrode active material is preferably 55% or more of the total weight of the active material layer containing the negative electrode active material, the binder for the negative electrode, and various auxiliary agents as needed. , 65% or more is more preferable.

負極用結着剤としては、特に制限されるものではないが、例えば、ポリフッ化ビニリデンやビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ビニリデンフルオライド−テトラフルオロエチレン共重合体、スチレン−ブタジエン共重合ゴム(SBR)やポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリイミド、ポリアミドイミド等を用いることができる。また、負極用結着剤として、アルカリで中和されたリチウム塩やナトリウム塩、カリウム塩を含む、ポリアクリル酸またはカルボキシメチルセルロースを用いることができる。中でも、結着性が強いことから、ポリイミドやポリアミドイミド、SBR、さらには、アルカリで中和されたリチウム塩、ナトリウム塩、カリウム塩を含むポリアクリル酸またはカルボキシメチルセルロースが好ましい。使用する負極用結着剤の量は、トレードオフの関係にある「十分な結着力」と「高エネルギー化」との観点から、負極活物質100質量部に対して5〜25質量部が好ましい。 The binder for the negative electrode is not particularly limited, but for example, polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene copolymer, and styrene-butadiene copolymer. Rubber (SBR), polytetrafluoroethylene, polypropylene, polyethylene, polyimide, polyamideimide and the like can be used. Further, as the binder for the negative electrode, polyacrylic acid or carboxymethyl cellulose containing an alkali-neutralized lithium salt, sodium salt or potassium salt can be used. Of these, polyimide, polyamide-imide, SBR, and polyacrylic acid or carboxymethyl cellulose containing an alkali-neutralized lithium salt, sodium salt, and potassium salt are preferable because of their strong binding property. The amount of the negative electrode binder used is preferably 5 to 25 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material from the viewpoint of "sufficient binding force" and "high energy", which are in a trade-off relationship. ..

負極の集電体の材質としては、一般的なものを任意に用いることができ、例えば、銅やニッケル、ステンレス鋼等の金属材料が用いられる。中でも、加工し易さおよびコストの点から銅が特に好ましい。また、負極の集電体の表面は、予め粗面化処理しておくのが好ましい。さらに、集電体の形状は任意であり、箔状や平板状、メッシュ状等が挙げられる。また、エキスパンドメタルやパンチングメタルのような穴あきタイプの集電体を使用することもできる。 Any general material can be used as the material of the current collector of the negative electrode, and for example, a metal material such as copper, nickel, or stainless steel is used. Of these, copper is particularly preferable from the viewpoint of ease of processing and cost. Further, it is preferable that the surface of the current collector of the negative electrode is roughened in advance. Further, the shape of the current collector is arbitrary, and examples thereof include a foil shape, a flat plate shape, and a mesh shape. It is also possible to use a perforated type current collector such as expanded metal or punching metal.

負極は、例えば、正極活物質層の場合と同様に、上述の負極活物質と、結着剤と、必要に応じて各種の助剤等との混合物に溶媒を加えて混練してスラリー化した塗布液を集電体に塗布し、乾燥することにより製造することができる。 The negative electrode was made into a slurry by adding a solvent to a mixture of the above-mentioned negative electrode active material, a binder, and various auxiliary agents as needed, as in the case of the positive electrode active material layer, and kneading the mixture. It can be produced by applying the coating liquid to the current collector and drying it.

<非水電解液>
本発明の実施形態によるリチウムイオン二次電池に用いられる電解液は、主に非水系有機溶媒(「非水溶媒」とも呼ぶ)および電解質塩を含む。
<Non-aqueous electrolyte>
The electrolytic solution used in the lithium ion secondary battery according to the embodiment of the present invention mainly contains a non-aqueous organic solvent (also referred to as “non-aqueous solvent”) and an electrolyte salt.

この非水溶媒としては、一般的なものを適宜選択できる。例えば、非水溶媒としては、環状カーボネート類や鎖状カーボネート類、鎖状エステル類、ラクトン類、エーテル類、スルホン類、ニトリル類、リン酸エステル類等が挙げられる。これらの中でも、環状カーボネート類、鎖状カーボネート類が好ましい。 As the non-aqueous solvent, a general solvent can be appropriately selected. For example, examples of the non-aqueous solvent include cyclic carbonates, chain carbonates, chain esters, lactones, ethers, sulfones, nitriles, phosphate esters and the like. Among these, cyclic carbonates and chain carbonates are preferable.

環状カーボネート類の具体例としては、プロピレンカーボネートやエチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート等が挙げられる。 Specific examples of cyclic carbonates include propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate, vinyl ethylene carbonate and the like.

鎖状カーボネート類の具体例としては、ジメチルカーボネートやジエチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、ジブチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、メチルイソプロピルカーボネート、メチルブチルカーボネート等が挙げられる。 Specific examples of chain carbonates include dimethyl carbonate, diethyl carbonate, dipropyl carbonate, dibutyl carbonate, ethylmethyl carbonate, methylpropyl carbonate, methylisopropyl carbonate, methylbutyl carbonate and the like.

鎖状エステル類の具体例としては、ギ酸メチルや酢酸メチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、ピバリン酸メチル、ピバリン酸エチル等が挙げられる。 Specific examples of chain esters include methyl formate, methyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, methyl pivalate, ethyl pivalate and the like.

ラクトン類の具体例としては、γ−ブチロラクトンやδ−バレロラクトン、α−メチル−γ−ブチロラクトン等が挙げられる。 Specific examples of lactones include γ-butyrolactone, δ-valerolactone, α-methyl-γ-butyrolactone and the like.

エーテル類の具体例としては、テトラヒドロフランや2−メチルテトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、1,3−ジオキサン、1,4−ジオキサン、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、1,2−ジブトキシエタン等が挙げられる。 Specific examples of ethers include tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,3-dioxolane, 1,3-dioxane, 1,4-dioxane, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, 1, 2-Dibutoxyethane and the like can be mentioned.

スルホン類の具体例としては、スルホランや3−メチルスルホラン、2,4−ジメチルスルホラン等が挙げられる。 Specific examples of sulfones include sulfolanes, 3-methylsulfolanes, 2,4-dimethylsulfolanes and the like.

ニトリル類の具体例としては、アセトニトリルやプロピオニトリル、スクシノニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル等が挙げられる。 Specific examples of nitriles include acetonitrile, propionitrile, succinonitrile, glutaronitrile, adiponitrile, and the like.

リン酸エステル類の具体例としては、リン酸トリメチルやリン酸トリエチル、リン酸トリブチル、リン酸トリオクチル等が挙げられる。 Specific examples of the phosphate esters include trimethyl phosphate, triethyl phosphate, tributyl phosphate, trioctyl phosphate and the like.

なお、上記非水溶媒は、一種を単独または二種以上を組み合わせて使用することができる。複数種類の非水溶媒の組み合わせとしては、例えば、環状カーボネート類と鎖状カーボネート類との組み合わせ、環状カーボネート類と鎖状カーボネート類に、第3溶媒として、鎖状エステル類や、ラクトン類、エーテル類、ニトリル類、スルホン類、リン酸エステル類を加える組合せが挙げられる。中でも、優れた電池特性を実現する上では、環状カーボネート類と鎖状カーボネート類とを少なくとも含む組み合わせがより好ましい。 The non-aqueous solvent may be used alone or in combination of two or more. Examples of the combination of a plurality of types of non-aqueous solvents include a combination of cyclic carbonates and chain carbonates, cyclic carbonates and chain carbonates, and as a third solvent, chain esters, lactones, and ethers. , Nitriles, sulfones, and phosphate esters are added. Above all, in order to realize excellent battery characteristics, a combination containing at least cyclic carbonates and chain carbonates is more preferable.

また、環状カーボネート類と鎖状カーボネート類との組み合わせに、第3溶媒として、フッ素化エーテル系溶媒、フッ素化カーボネート系溶媒、フッ素化リン酸エステル類等を加えてもよい。 Further, a fluorinated ether solvent, a fluorinated carbonate solvent, a fluorinated phosphate ester and the like may be added as a third solvent to the combination of the cyclic carbonates and the chain carbonates.

フッ素化エーテル系溶媒としては、下記一般式(3)で表されるフッ素化エーテルが挙げられる。 Examples of the fluorinated ether solvent include fluorinated ether represented by the following general formula (3).

Figure 0006903900
Figure 0006903900

(式中、R1、R2は、それぞれ独立に、アルキル基またはふっ素含有アルキル基であり、R1、R2の少なくとも1方はふっ素含有アルキル基である。) (In the formula, R 1 and R 2 are independently alkyl groups or fluorine-containing alkyl groups, and at least one of R 1 and R 2 is a fluorine-containing alkyl group.)

そのフッ素化エーテル系溶媒の具体例としては、CF3OCH3、CF3OC25、F(CF22OCH3、F(CF22OC25、F(CF23OCH3、F(CF23OC25、F(CF24OCH3、F(CF24OC25、F(CF25OCH3、F(CF25OC25、F(CF28OCH3、F(CF28OC25、F(CF29OCH3、CF3CH2OCH3、CF3CH2OCHF2、CF3CF2CH2OCH3、CF3CF2CH2OCHF2、CF3CF2CH2O(CF22H,CF3CF2CH2O(CF22F、HCF2CH2OCH3,H(CF22OCH2CH3、H(CF22OCH2CF3,H(CF22CH2OCHF2、H(CF22CH2O(CF22H、H(CF22CH2O(CF23H、H(CF23CH2O(CF22H、H(CF24CH2O(CF22H、(CF32CHOCH3、(CF32CHCF2OCH3、CF3CHFCF2OCH3、CF3CHFCF2OCH2CH3、CF3CHFCF2CH2OCHF2、CF3CHFCF2CH2OCH2CF2CF3、H(CF22CH2OCF2CHFCF3、CHF2CH2OCF2CFHCF3、F(CF22CH2OCF2CFHCF3、CF3(CF23OCHF2などのフッ素化エーテル類が挙げられる。 Specific examples of the fluorinated ether-based solvent include CF 3 OCH 3 , CF 3 OC 2 H 5 , F (CF 2 ) 2 OCH 3 , F (CF 2 ) 2 OC 2 H 5 , F (CF 2 ) 3 OCH 3 , F (CF 2 ) 3 OC 2 H 5 , F (CF 2 ) 4 OCH 3 , F (CF 2 ) 4 OC 2 H 5 , F (CF 2 ) 5 OCH 3 , F (CF 2 ) 5 OC 2 H 5 , F (CF 2 ) 8 OCH 3 , F (CF 2 ) 8 OC 2 H 5 , F (CF 2 ) 9 OCH 3 , CF 3 CH 2 OCH 3 , CF 3 CH 2 OCHF 2 , CF 3 CF 2 CH 2 OCH 3 , CF 3 CF 2 CH 2 OCHF 2 , CF 3 CF 2 CH 2 O (CF 2 ) 2 H, CF 3 CF 2 CH 2 O (CF 2 ) 2 F, HCF 2 CH 2 OCH 3 , H (CF 2 ) 2 OCH 2 CH 3 , H (CF 2 ) 2 OCH 2 CF 3 , H (CF 2 ) 2 CH 2 OCHF 2 , H (CF 2 ) 2 CH 2 O (CF 2 ) 2 H, H (CF 2 ) 2 CH 2 O (CF 2 ) 3 H, H (CF 2 ) 3 CH 2 O (CF 2 ) 2 H, H (CF 2 ) 4 CH 2 O (CF 2 ) 2 H, (CF 3) ) 2 CHOCH 3, (CF 3 ) 2 CHCF 2 OCH 3, CF 3 CHFCF 2 OCH 3, CF 3 CHFCF 2 OCH 2 CH 3, CF 3 CHFCF 2 CH 2 OCHF 2, CF 3 CHFCF 2 CH 2 OCH 2 CF 2 CF 3, H (CF 2) 2 CH 2 OCF 2 CHFCF 3, CHF 2 CH 2 OCF 2 CFHCF 3, F (CF 2) 2 CH 2 OCF 2 CFHCF 3, CF 3 (CF 2) 3 fluorine such as OCHF 2 Examples include ethers.

また、フッ素化カーボネート系溶媒としては、フルオロエチレンカーボネート、フルオロメチルメチルカーボネート、2−フルオロエチルメチルカーボネート、エチル−(2−フルオロエチル)カーボネート、(2,2−ジフルオロエチル)エチルカーボネート、ビス(2−フルオロエチル)カーボネート、エチル−(2,2,2−トリフルオロエチル)カーボネート等のフッ素化カーボネート類が挙げられる。 Examples of the fluorinated carbonate solvent include fluoroethylene carbonate, fluoromethylmethyl carbonate, 2-fluoroethylmethyl carbonate, ethyl- (2-fluoroethyl) carbonate, (2,2-difluoroethyl) ethyl carbonate, and bis (2). Examples thereof include fluorinated carbonates such as −fluoroethyl) carbonate and ethyl- (2,2,2-trifluoroethyl) carbonate.

フッ素化リン酸エステル系溶媒としては、リン酸トリス(2,2,2−トリフルオロエチル)、リン酸トリス(トリフルオロメチル)、リン酸トリス(2,2,3,3−テトラフルオロプロピル)等のフッ素化リン酸エステル類が挙げられる。 As the fluorinated phosphate ester solvent, tris phosphate (2,2,2-trifluoroethyl), tris phosphate (trifluoromethyl), tris phosphate (2,2,3,3-tetrafluoropropyl) Fluorinated phosphoric acid esters such as.

また、ピリジニウム塩以外に用いる電解質塩の具体例としては、特に制限されるものではないが、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiN(SO2F)2、LiN(SO2CF32、LiN(SO2252、CF3SO3Li、C49SO3Li、LiAsF6、LiAlCl4、LiSbF6、LiPF4(CF32、LiPF3(C253、LiPF3(CF33、(CF22(SO22NLi、(CF23(SO22Li、リチウムビスオキサラトボレート(Lithium bis(oxalate)borate)、リチウムオキサラトジフルオロボレート(Lithium difluoro(oxalato)borate)等が挙げられる。上述の電解質中で特に好ましいのは、LiPF6、LiBF4、LiN(SO2F)2、LiN(SO2CF32、LiN(SO2252である。上述の電解質塩は、一種を単独または二種以上を組み合わせて使用することができる。 Specific examples of the electrolyte salt used other than the pyridinium salt are not particularly limited, but LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiN (SO 2 F) 2 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiN (SO 2 CF 3) 2, LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 , CF 3 SO 3 Li, C 4 F 9 SO 3 Li, LiAsF 6 , LiAlCl 4 , LiSbF 6 , LiPF 4 (CF 3 ) 2 , LiPF 3 (C 2 F 5 ) 3 , LiPF 3 (CF 3 ) 3 , (CF 2 ) 2 (SO 2 ) 2 NLi, (CF 2 ) 3 (SO 2 ) 2 Li, Lithium bis (oxate) boronate, Lithium oxa Examples thereof include lithium difluoro (oxalato) boronate. Among the above-mentioned electrolytes, LiPF 6 , LiBF 4 , LiN (SO 2 F) 2 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , and LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 are particularly preferable. The above-mentioned electrolyte salts may be used alone or in combination of two or more.

非水溶媒に溶解している上述の電解質塩の非水電解液中の濃度は、非水溶媒に対して0.1〜3M(mol/L)であることが好ましく、0.5〜2Mであることがより好ましい。 The concentration of the above-mentioned electrolyte salt dissolved in the non-aqueous solvent in the non-aqueous electrolyte solution is preferably 0.1 to 3 M (mol / L) with respect to the non-aqueous solvent, and is 0.5 to 2 M. More preferably.

また、非水電解液には、その他の成分として一般的な成分を任意に含むことができる。例えば、ビニレンカーボネートやマレイン酸無水物、エチレンサルファイト、ボロン酸エステル、1,3−プロパンスルトン、1,5,2,4−ジオキサジチアン−2,2,4,4−テトラオキシド等がその他の成分として挙げられる。 In addition, the non-aqueous electrolytic solution can optionally contain general components as other components. For example, vinylene carbonate, maleic anhydride, ethylene sulfate, boronic acid ester, 1,3-propanesulton, 1,5,2,4-dioxadithian-2,2,4,4-tetraoxide and the like are other components. Is listed as.

<セパレータ>
セパレータとしては、特に制限されるものではないが、ポリプロピレンやポリエチレン等のポリオレフィンやアラミド、ポリイミド等の単層または積層の多孔性フィルムや不織布を用いることができる。また、無機材料ではガラス繊維を用いたセパレータが挙げられる。また、ポリオレフィンへの異種素材のコーティングや積層フィルムも用いることができる。ポリオレフィンへの異種素材のコーティングの一例としては、ポリオレフィン基材にフッ素化合物や無機微粒子をコーティングしたものが挙げられる。また、積層フィルムの一例としては、ポリエチレン基材とポリプロピレ層とを積層したものや、ポリオレフィン基材とアラミド層とを積層したものが挙げられる。
<Separator>
The separator is not particularly limited, but a polyolefin such as polypropylene or polyethylene, a single-layer or laminated porous film such as aramid or polyimide, or a non-woven fabric can be used. Further, as an inorganic material, a separator using glass fiber can be mentioned. Further, coating of different materials on polyolefin or laminated film can also be used. An example of coating a polyolefin with a different material is a polyolefin base material coated with a fluorine compound or inorganic fine particles. Moreover, as an example of the laminated film, the one in which the polyethylene base material and the polypropire layer are laminated, and the one in which the polyolefin base material and the aramid layer are laminated are mentioned.

セパレータの厚みは、電池のエネルギー密度とセパレータの機械的強度との面から5〜50μmが好ましく、10〜40μmがより好ましい。 The thickness of the separator is preferably 5 to 50 μm, more preferably 10 to 40 μm in terms of the energy density of the battery and the mechanical strength of the separator.

<リチウムイオン二次電池の構造>
リチウムイオン二次電池の構造には特に限定はなく、単層または積層のセパレータを有するコイン電池や円筒型電池、ラミネート式電池等に上述の構成を使用できる。
<Structure of lithium-ion secondary battery>
The structure of the lithium ion secondary battery is not particularly limited, and the above configuration can be used for a coin battery having a single-layer or laminated separator, a cylindrical battery, a laminated battery, and the like.

例えば、図4及び図5に示した前述の例のように、積層ラミネート型のリチウムイオン電池の場合、正極、セパレータ、負極を交互に積層し、それぞれの電極をタブといわれる金属端子に接続し、外装体であるラミネートフィルムで構成した容器の中に入れ、電解液を注入してシールした形態をとることができる。 For example, as in the above-mentioned example shown in FIGS. 4 and 5, in the case of a laminated laminate type lithium ion battery, a positive electrode, a separator, and a negative electrode are alternately laminated, and each electrode is connected to a metal terminal called a tab. It can be put in a container made of a laminated film, which is an exterior body, and sealed by injecting an electrolytic solution.

ラミネートフィルムとしては、電解液に安定でかつ十分な水蒸気バリア性を持つものであれば、適宜選択することができる。例えば、アルミニウム、シリカ、アルミナをコーティングしたポリプロピレン、ポリエチレン等をラミネートフィルムとして用いることができる。特に、体積膨張を抑制する観点から、アルミニウムをコーティングしたラミネートフィルムとして用いることが好ましい。 The laminated film can be appropriately selected as long as it is stable in the electrolytic solution and has sufficient water vapor barrier properties. For example, aluminum, silica, polypropylene coated with alumina, polyethylene, or the like can be used as the laminate film. In particular, from the viewpoint of suppressing volume expansion, it is preferable to use it as a laminated film coated with aluminum.

ラミネートフィルムの代表的な層構成としては、金属薄膜層と熱融着性樹脂層とが積層された構成が挙げられる。また、その他にも、ラミネートフィルムの代表的な層構成として、金属薄膜層の熱融着樹脂層に対して反対側の面に、さらにポリエチレンテレフタレートなどのポリエステルやポリアミド等のフィルムからなる保護層が積層された層構成を挙げられる。電池要素を封止する場合、熱融着性樹脂層を対向させて電池要素を包囲する。金属薄膜層としては、例えば、厚さ10〜100μmのAlやTi、Ti合金、Fe、ステンレス、Mg合金などの箔が用いられる。 A typical layer structure of the laminated film includes a structure in which a metal thin film layer and a heat-sealing resin layer are laminated. In addition, as a typical layer structure of the laminated film, a protective layer made of a film such as polyester or polyamide such as polyethylene terephthalate is further provided on the surface opposite to the heat-sealed resin layer of the metal thin film layer. A laminated layer structure can be mentioned. When sealing the battery element, the heat-sealing resin layers are opposed to each other to surround the battery element. As the metal thin film layer, for example, a foil having a thickness of 10 to 100 μm, such as Al, Ti, Ti alloy, Fe, stainless steel, or Mg alloy, is used.

ラミネートフィルムの熱融着性樹脂層に用いられる樹脂は、熱融着が可能な樹脂であれば特に制限はない。例えば、ポリプロピレンやポリエチレン、ポリプロピレンまたはポリエチレンの酸変成物、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンテレフタレートなどのポリエステル、ポリアミド、エチレン−酢酸ビニル共重合体などが熱融着性樹脂層として用いられる。また、エチレン−メタクリル酸共重合体やエチレン−アクリル酸共重合体を金属イオンで分子間結合させたアイオノマー樹脂なども熱融着性樹脂層として用いられる。熱融着性樹脂層の厚さは10〜200μmが好ましく、30〜100μmであることがより好ましい。 The resin used for the heat-sealing resin layer of the laminated film is not particularly limited as long as it is a resin capable of heat-sealing. For example, polypropylene, polyethylene, an acid modified product of polypropylene or polyethylene, polyester such as polyphenylene sulfide and polyethylene terephthalate, polyamide, ethylene-vinyl acetate copolymer and the like are used as the heat-sealing resin layer. Further, an ethylene-methacrylic acid copolymer or an ionomer resin in which an ethylene-acrylic acid copolymer is intermolecularly bonded with a metal ion is also used as the heat-sealing resin layer. The thickness of the heat-sealing resin layer is preferably 10 to 200 μm, more preferably 30 to 100 μm.

以下に、本発明の実施の形態について実施例を挙げて具体的に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to examples.

(実施例1)
まず、正極材料(正極活物質)は、組成式(1)を満たす粉末状のリチウム遷移金属複合酸化物(A0)に対して還元処理を施すことによって得た。
(Example 1)
First, the positive electrode material (positive electrode active material) was obtained by subjecting a powdery lithium transition metal composite oxide (A0) satisfying the composition formula (1) to a reduction treatment.

上記材料(A0)として、Li1.26Mn0.52Fe0.11Ni0.112で表されるリチウム鉄マンガン系複合酸化物の粉末を準備した。 As the material (A0), a powder of a lithium iron-manganese-based composite oxide represented by Li 1.26 Mn 0.52 Fe 0.11 Ni 0.11 O 2 was prepared.

これに還元処理を行うため、有機物の水溶液を作製した。有機物としては、ポリエチレングリコールを用い、上記複合酸化物(A0)の100質量部に対し、ポリエチレングリコールの6質量部を100質量部の水に溶かした水溶液を作製した。 An aqueous solution of an organic substance was prepared in order to carry out a reduction treatment. As an organic substance, polyethylene glycol was used, and an aqueous solution was prepared in which 6 parts by mass of polyethylene glycol was dissolved in 100 parts by mass of water with respect to 100 parts by mass of the composite oxide (A0).

この水溶液を上記複合酸化物(A0)の粉末に混合して撹拌し、乾燥させ、その後、350℃の窒素雰囲気中で60分熱焼成した。これによって、最も可逆容量が多く、不可逆容量の小さい材料(A1)を得ることができる。 This aqueous solution was mixed with the powder of the composite oxide (A0), stirred, dried, and then heat-calculated in a nitrogen atmosphere at 350 ° C. for 60 minutes. Thereby, the material (A1) having the largest reversible capacity and the smallest irreversible capacity can be obtained.

還元処理前後の粉末の酸素量をIR燃焼法により測定したところ、還元処理後の組成中における酸素量(原子数百分率)は還元処理前に対して10%程度減少していた。A0とA1の組成中の酸素量の差は10%であり、前述の望ましい条件である、5%以上の酸素量の差を有するという条件を満たしていた。 When the oxygen content of the powder before and after the reduction treatment was measured by the IR combustion method, the oxygen content (atomic number percentage) in the composition after the reduction treatment was reduced by about 10% as compared with that before the reduction treatment. The difference in the amount of oxygen in the compositions of A0 and A1 was 10%, which satisfied the above-mentioned desirable condition of having a difference in the amount of oxygen of 5% or more.

また、還元処理前後の粉末をX線回折により解析すると、還元処理後のピーク位置(X線回折角度2θ)が低角度側にシフトしているのが観測され、ピークのうち(−3 3 1)面からの回折によるピークの位置は、還元処理前の材料A0のものが65.09°であったのに対し、還元処理後は65.00°に減少していた。A0とA1の(−3 3 1)ピーク角度の差は0.09°であり、前述の望ましい条件である0.05°以上の角度差を有するという条件を満たしていた。 Further, when the powder before and after the reduction treatment was analyzed by X-ray diffraction, it was observed that the peak position (X-ray diffraction angle 2θ) after the reduction treatment was shifted to the low angle side, and among the peaks (3 3 1). The position of the peak due to diffraction from the plane was 65.09 ° for the material A0 before the reduction treatment, but decreased to 65.000 ° after the reduction treatment. The difference between the (-3 3 1) peak angles of A0 and A1 was 0.09 °, which satisfied the condition of having an angle difference of 0.05 ° or more, which is the above-mentioned desirable condition.

また、X線回折データを対称群C2/mに属するLi2MnO3結晶構造モデルによってリートベルト解析することによって、遷移金属の占有率和(gtotal)を求めたところ、還元処理前の材料(A0)のgtotalが0.72であるのに対し、還元処理後の材料(A1)のgtotalは0.76程度に増加していた。A0とA1のgtotalの差は0.04であり、前述の望ましい条件である、0.01以上のgtotalの差を有するという条件を満たしていた。 Further, when the X-ray diffraction data was Rietveld analyzed by the Li 2 MnO 3 crystal structure model belonging to the symmetric group C2 / m, the sum of the occupancy rates (g total ) of the transition metals was obtained. g tota l of A0) whereas a 0.72, g total material after the reduction treatment (A1) had increased to about 0.76. The difference in g total between A0 and A1 was 0.04, which satisfied the above-mentioned desirable condition of having a difference in g total of 0.01 or more.

上述で得られた材料A1と還元処理前の材料A0とを質量比1:1で混合し、さらに全体の質量に対して4質量%のポリフッ化ビニリデン(PVDF)と4質量%のカーボンブラックを混合して、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)を加えて混ぜて練ることにより正極材料のスラリーとした。このスラリーを、図6に示すような、厚さ20μmのアルミニウム箔の集電体上に塗布し、乾燥し、正極活物質層を形成した。塗布領域は図7の701に示す領域の両面とし、塗布厚は片面で50μmとした。以上の方法により、図7、図8に示すような正極を形成した。 The material A1 obtained above and the material A0 before the reduction treatment are mixed at a mass ratio of 1: 1, and 4% by mass of polyvinylidene fluoride (PVDF) and 4% by mass of carbon black are further added to the total mass. After mixing, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) was added, mixed and kneaded to obtain a slurry of positive electrode material. This slurry was applied onto a current collector of an aluminum foil having a thickness of 20 μm as shown in FIG. 6 and dried to form a positive electrode active material layer. The coating area was set to both sides of the area shown in FIG. 701, and the coating thickness was set to 50 μm on one side. By the above method, a positive electrode as shown in FIGS. 7 and 8 was formed.

負極に関しては、酸化ケイ素(SiO)の粉末85質量%と、ポリアミック酸15質量%の混合物に、有機溶媒を混ぜて練ることにより負極材料のスラリーとした。このスラリーを図9に示すような厚さ10μmの銅箔の集電体上に塗布した。塗布領域は図10の1001に示す領域の両面とし、塗布厚は片面で20μmとした。塗布後の負極を窒素雰囲気下350℃で3時間熱処理することで、ポリアミック酸を硬化させることにより、図10、図11に示すような負極を形成した。 Regarding the negative electrode, a slurry of a negative electrode material was prepared by mixing an organic solvent with a mixture of 85% by mass of silicon oxide (SiO) powder and 15% by mass of polyamic acid. This slurry was applied onto a current collector of a copper foil having a thickness of 10 μm as shown in FIG. The coating area was both sides of the area shown in 1001 of FIG. 10, and the coating thickness was 20 μm on one side. The negative electrode after coating was heat-treated at 350 ° C. for 3 hours in a nitrogen atmosphere to cure the polyamic acid, thereby forming the negative electrode as shown in FIGS. 10 and 11.

次に、図12に示すように、得られた負極と正極をセパレータを挟んで交互に積層することにより、積層体を形成した。セパレータは、厚さ25μmのポリプロピレン製の多孔性薄膜を用いた。 Next, as shown in FIG. 12, the obtained negative electrode and the positive electrode were alternately laminated with the separator sandwiched between them to form a laminated body. As the separator, a porous thin film made of polypropylene having a thickness of 25 μm was used.

次に、上記積層体の正極集電体の取り出し部分と負極集電体の取り出し部分をまとめて金属によるタブと共に超音波溶接機により溶接した。図4に示すように、正極と負極のタブの一部(410、420)が外部に出るようにして、全体を金属ラミネートシート(450)で包み、内部に電解液を注入し、熱融着によって封止することによって、図5で示したセル構造を得た。金属ラミネートシートとしては、両面をポリエチレンでコーティングされたアルミニウム箔を用いた。電解液としてはエチレンカーボネートとジエチルカーボネートの溶媒中に六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を1mol/l程度の濃度に溶解したものを使用した。 Next, the taken-out portion of the positive electrode current collector and the taken-out portion of the negative electrode current collector of the laminated body were collectively welded together with a metal tab by an ultrasonic welding machine. As shown in FIG. 4, a part (410, 420) of the tabs of the positive electrode and the negative electrode is exposed to the outside, the whole is wrapped with a metal laminate sheet (450), an electrolytic solution is injected into the inside, and heat fusion is performed. The cell structure shown in FIG. 5 was obtained by sealing with. As the metal laminate sheet, an aluminum foil coated on both sides with polyethylene was used. As the electrolytic solution, a solution prepared by dissolving lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) in a solvent of ethylene carbonate and diethyl carbonate at a concentration of about 1 mol / l was used.

<活性化処理>
前記活性化処理前のリチウムイオン二次電池について、正極材料あたり20mA/gの電流で4.5Vまで充電した後、正極材料あたり20mA/gの電流で1.5Vまで放電するサイクルを4回繰り返した。その後、一旦外装体の封止部を破り、減圧することで二次電池内部のガスを抜き、再封止することによりリチウムイオン二次電池を作製した。
<Activation treatment>
The lithium ion secondary battery before the activation treatment is charged to 4.5 V with a current of 20 mA / g per positive electrode material, and then discharged to 1.5 V with a current of 20 mA / g per positive electrode material, which is repeated four times. It was. Then, the sealing portion of the exterior body was once broken, the gas inside the secondary battery was released by reducing the pressure, and the lithium ion secondary battery was manufactured by resealing.

<リチウムイオン二次電池の評価>
前記リチウムイオン二次電池を、45℃の恒温槽中で、0.1Cの定電流で4.5Vまで充電し、さらに0.25Cの電流になるまで4.5Vの定電圧で充電した。その後、該リチウムイオン二次電池を0.1Cの電流で1.5Vまで放電することで、二次電池の容量を得た。得られた容量は265mAh/gであった。
<Evaluation of lithium-ion secondary battery>
The lithium ion secondary battery was charged to 4.5 V with a constant current of 0.1 C in a constant temperature bath at 45 ° C., and further charged with a constant voltage of 4.5 V until the current reached 0.25 C. Then, the lithium ion secondary battery was discharged to 1.5 V with a current of 0.1 C to obtain the capacity of the secondary battery. The volume obtained was 265 mAh / g.

(実施例2)
材料A0と材料A1とを質量比3:7(A0:A1)で混合した以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。形成したリチウムイオン二次電池の容量を測定したところ、257mAh/gという値を得た。
(Example 2)
A lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the material A0 and the material A1 were mixed at a mass ratio of 3: 7 (A0: A1). When the capacity of the formed lithium ion secondary battery was measured, a value of 257 mAh / g was obtained.

(実施例3)
材料A0と材料A1とを質量比7:3(A0:A1)で混合した以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。形成したリチウムイオン二次電池の容量を測定したところ、255mAh/gという値を得た。
(Example 3)
A lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the material A0 and the material A1 were mixed at a mass ratio of 7: 3 (A0: A1). When the capacity of the formed lithium ion secondary battery was measured, a value of 255 mAh / g was obtained.

(実施例4)
正極活物質としてA1のみを用いた(A0は使用しない)以外は、実施例1と同様にして、リチウムイオン二次電池を作製した。形成したリチウムイオン二次電池の容量を測定したところ、245mAh/gという値を得た。
(Example 4)
A lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that only A1 was used as the positive electrode active material (A0 was not used). When the capacity of the formed lithium ion secondary battery was measured, a value of 245 mAh / g was obtained.

(比較例1)
正極活物質としてA0のみを用いた(A1は使用しない)以外は、実施例1と同様にして、リチウムイオン二次電池を作製した。形成したリチウムイオン二次電池の容量を測定したところ、240mAh/gという値を得た。
(Comparative Example 1)
A lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that only A0 was used as the positive electrode active material (A1 was not used). When the capacity of the formed lithium ion secondary battery was measured, a value of 240 mAh / g was obtained.

Figure 0006903900
Figure 0006903900

表3示すように、還元処理をした正極活物質材料(A1)を用いた実施例1〜4は、還元処理をしなかった正極活物質材料(A0)のみを用いた比較例1に比べて、容量値が高いことが分かる。
また、実施例1〜3のように、還元処理をした正極活物質材料(A1)と還元処理をしなかった正極活物質(A0)を混合すると、正極活物質材料(A1)のみを用いた実施例4に比べて、容量値がさらに向上することが分かる。
As shown in Table 3, Examples 1 to 4 using the positive electrode active material material (A1) subjected to the reduction treatment are compared with Comparative Example 1 using only the positive electrode active material material (A0) not subjected to the reduction treatment. , It can be seen that the capacity value is high.
Further, as in Examples 1 to 3, when the positive electrode active material (A1) subjected to the reduction treatment and the positive electrode active material (A0) not subjected to the reduction treatment were mixed, only the positive electrode active material material (A1) was used. It can be seen that the capacity value is further improved as compared with Example 4.

A1とA0の混合系正極を用いたセルの容量が、A1又はA0の単独系正極を用いたセルの容量より大きい理由は、SiO負極の不可逆容量と関係があり、次のように考えられる。
A0は、可逆容量が小さく、不可逆容量が大きい。この大きな不可逆容量の一部がSiO負極の不可逆容量になる。そのため、A0単独系正極とSiO負極を用いたセル(比較例1)では、A0の可逆容量(240mAh/g)に相当する容量が得られる。
一方、A1は、可逆容量が大きく、不可逆容量が小さい。不可逆容量が小さいため、A1の不可逆容量に加えて、可逆容量に相当するLiイオンの一部がSiO負極の不可逆容量にとられてしまう。そのため、A1単独系正極とSiO負極を用いたセル(実施例4)の容量は、A1の可逆容量(290mAh/g)より小さな容量(245mAh/g)になる。
これらの場合に対して、A1とA0の混合系正極は、A1の混合により、A0単独よりも可逆容量が向上し、そして、A0の存在により、ある程度の不可逆容量が存在する。ある程度の不可逆容量が存在すると、可逆容量に相当するLiイオンがSiO負極の不可逆容量にとられない(実施例1及び3:正極の容量値がセルの容量値と同じ)又はとられる量が小さくなる(実施例2:正極の容量値よりセルの容量値がやや小さい)。そのため、A1とA0の混合系正極とSiO負極を用いたセル(実施例1〜3)は、A1の混合による可逆容量増加の効果が十分に反映されて、A1又はA0の単独系正極を用いたセル(実施例4、比較例1)に対してセルの容量が大きくなると考えられる。
The reason why the capacity of the cell using the mixed positive electrode of A1 and A0 is larger than the capacity of the cell using the single positive electrode of A1 or A0 is related to the irreversible capacity of the SiO negative electrode, and is considered as follows.
A0 has a small reversible capacity and a large irreversible capacity. A part of this large irreversible capacitance becomes the irreversible capacitance of the SiO negative electrode. Therefore, in the cell using the A0 single positive electrode and the SiO negative electrode (Comparative Example 1), a capacity corresponding to the reversible capacity (240 mAh / g) of A0 can be obtained.
On the other hand, A1 has a large reversible capacity and a small irreversible capacity. Since the irreversible capacity is small, in addition to the irreversible capacity of A1, a part of Li ions corresponding to the reversible capacity is taken by the irreversible capacity of the SiO negative electrode. Therefore, the capacity of the cell (Example 4) using the A1 single positive electrode and the SiO negative electrode is smaller (245 mAh / g) than the reversible capacity (290 mAh / g) of A1.
In contrast to these cases, the positive electrode of the mixed system of A1 and A0 has a reversible capacity improved by mixing A1 as compared with A0 alone, and has a certain degree of irreversible capacity due to the presence of A0. When a certain amount of irreversible capacitance is present, the amount of Li ions corresponding to the reversible capacitance is not taken by the irreversible capacitance of the SiO negative electrode (Examples 1 and 3: the capacitance value of the positive electrode is the same as the capacitance value of the cell) or the amount taken is small. (Example 2: The capacity value of the cell is slightly smaller than the capacity value of the positive electrode). Therefore, in the cell using the mixed positive electrode of A1 and A0 and the SiO negative electrode (Examples 1 to 3), the effect of increasing the reversible capacity by mixing A1 is sufficiently reflected, and the single positive electrode of A1 or A0 is used. It is considered that the capacity of the cell is larger than that of the existing cell (Example 4, Comparative Example 1).

本発明の実施形態によれば、高エネルギー密度、つまり、軽量で高容量のリチウムイオン二次電池を低コストで提供できる。本実施形態によるリチウムイオン二次電池は、例えば一回の充電で長い航続距離が求められる電気自動車や、長い稼働時間が求められるドローンや、ロボット、携帯端末等への利用が可能である。 According to the embodiment of the present invention, it is possible to provide a lithium ion secondary battery having a high energy density, that is, a light weight and a high capacity, at a low cost. The lithium-ion secondary battery according to the present embodiment can be used, for example, in an electric vehicle that requires a long cruising range on a single charge, a drone that requires a long operating time, a robot, a mobile terminal, and the like.

701、801−1、801−2:正極活物質層
702、802:正極集電体
1001、1101−1、1101−2:負極活物質層
902、1002:負極集電体
510、1210:正極
520、1220−1、1220−2:負極
530、1230−1、1230−2:セパレータ
410:正極タブ
420:負極タブ
450、550:金属ラミネートシート
540:電解液
701, 801-1, 801-2: Positive electrode active material layer 702, 802: Positive electrode current collector 1001, 1101-1, 1101-2: Negative electrode active material layer 902, 1002: Negative electrode current collector 510, 1210: Positive electrode 520 , 1220-1, 1220-2: Negative electrode 530, 1230-1, 1230-2: Separator 410: Positive electrode tab 420: Negative electrode tab 450, 550: Metal laminate sheet 540: Electrolyte

Claims (14)

リチウム遷移金属複合酸化物を含む正極と、負極と、電解質とを含むリチウムイオン二次電池用の正極の製造方法であって、
前記リチウム遷移金属複合酸化物は層状岩塩型構造を有し、下記の式(1):
LiM1(y−p)MnM2(z−q)Fe(2−δ) (1)
(ここでM1はTiおよびZrの少なくとも一方の元素、M2はCo、Ni及びMnからなる群から選択される少なくとも一種の元素、1.05≦x≦1.32,0.33≦y≦0.63,0.06≦z≦0.50,0<p≦0.63,0≦q≦0.50,0≦δ≦0.80,y≧p,z≧q)
で表される組成を有し、
記の組成式(1)に当てはまる材料の一つA0に対して還元度の異なる還元処理を施した材料をそれぞれA1、A2、...とし、
上記の組成式(1)に当てはまるもう一つの材料B0に対して還元度の異なる還元処理を施した材料をそれぞれB1、B2、...とするとき、
A1と、A1以外のA0、A2、...、B0、B1、B2、...からなる群から選択される少なくとも1種以上の材料とを混合して混合材料を形成する工程を含み、
前記混合材料を形成する前記材料のうち、A1とそれ以外の少なくとも1種の材料に関し、組成中の酸素量(原子数百分率)の差が5%以上異なり
前記の還元処理を施した材料の組成中の酸素量(原子数百分率)が、還元処理前の材料の組成中の酸素量に対して85%以上100%未満の範囲にある、リチウムイオン二次電池用正極の製造方法
A method for producing a positive electrode for a lithium ion secondary battery containing a positive electrode containing a lithium transition metal composite oxide, a negative electrode, and an electrolyte.
The lithium transition metal composite oxide has a layered rock salt type structure and has the following formula (1):
Li x M1 (y-p) Mn p M2 (z-q) Fe q O (2-δ) (1)
(Here, M1 is at least one element of Ti and Zr, M2 is at least one element selected from the group consisting of Co, Ni and Mn, 1.05 ≦ x ≦ 1.32, 0.33 ≦ y ≦ 0. .63, 0.06 ≤ z ≤ 0.50, 0 <p ≤ 0.63, 0 ≤ q ≤ 0.50, 0 ≤ δ ≤ 0.80, y ≥ p, z ≥ q)
Has a composition represented by
A1 materials subjected to different reduction treatment of reducing the degree to the material one A0 of true on SL composition formula (1), respectively, A2,. .. .. age,
B1, B2, and the like, which are the other materials B0 applicable to the above composition formula (1), which have been subjected to reduction treatments having different degrees of reduction, respectively. .. .. When
A1 and A0, A2 other than A1 ,. .. .. , B0, B1, B2 ,. .. .. Including the step of mixing with at least one or more materials selected from the group consisting of to form a mixed material.
Among the materials forming the mixed material, the difference in the amount of oxygen (percentage of atoms) in the composition differs by 5% or more with respect to at least one material other than A1.
The amount of oxygen in the composition of the material subjected to the reduction treatment (atomic number percentage) is in the range of 85% or more and less than 100% with respect to the amount of oxygen in the composition of the material before the reduction treatment. A method for manufacturing a positive electrode for a battery.
前記混合材料を形成する前記材料のうち、A1とそれ以外の少なくとも1種の材料に関し、X線回折による(−3 3 1)ピークの回折角度(2θ)の差が0.05°以上である、請求項に記載のリチウムイオン二次電池用正極の製造方法Among the materials forming the mixed material, the difference in the diffraction angle (2θ) of the peak (3 3 1) by X-ray diffraction is 0.05 ° or more with respect to A1 and at least one other material. The method for manufacturing a positive electrode for a lithium ion secondary battery according to claim 1 . 前記混合材料を形成する各材料のX線回折データを空間群c2/mの結晶モデルによりリートベルト解析して得られる結果に基づいて、4hサイト、4gサイト、2bサイト、2cサイトの各サイトにおける遷移金属の占有率(g)をそれぞれ、g4h、g4g、g2b、g2c)とし、下記式(2)
total=(2g4h+g2c)/3+(2g4g+g2b)/3 式(2)
によって遷移金属占有率和(gtotal)が計算されるものとしたとき、
上記混合材料を形成する前記材料のうち、A1とそれ以外の少なくとも1種の材料に関し、遷移金属占有率和(gtotal)の差が0.01以上である、請求項1又は2に記載のリチウムイオン二次電池用正極の製造方法
Based on the results obtained by Rietveld analysis of the X-ray diffraction data of each material forming the mixed material with a crystal model of the space group c2 / m, at each site of 4h site, 4g site, 2b site, and 2c site. The occupancy rate (g) of the transition metal is g 4h , g 4g , g 2b , g 2c, respectively ), and the following equation (2) :
g total = (2g 4h + g 2c ) / 3 + (2g 4g + g 2b ) / 3 Equation (2)
When the sum of transition metal occupancy rates (g total ) is calculated by
The material according to claim 1 or 2 , wherein the difference in the sum of transition metal occupancy (g total ) is 0.01 or more with respect to A1 and at least one other material among the materials forming the mixed material. A method for manufacturing a positive electrode for a lithium ion secondary battery.
前記の還元処理を施した材料A1の組成中の酸素量(原子数百分率)が、還元処理前の材料の組成中の酸素量に対して88〜95%の範囲にある、請求項1から3のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池用正極の製造方法。 Claims 1 to 3 in which the amount of oxygen (atomic number percentage) in the composition of the material A1 subjected to the reduction treatment is in the range of 88 to 95% with respect to the amount of oxygen in the composition of the material before the reduction treatment. The method for manufacturing a positive electrode for a lithium ion secondary battery according to any one of the above. リチウム遷移金属複合酸化物を含む正極と、負極と、電解質とを含むリチウムイオン二次電池用の正極の製造方法であって、
前記リチウム遷移金属複合酸化物は層状岩塩型構造を有し、下記の式(1):
LiM1(y−p)MnM2(z−q)Fe(2−δ) (1)
(ここでM1はTiおよびZrの少なくとも一方の元素、M2はCo、Ni及びMnからなる群から選択される少なくとも一種の元素、1.05≦x≦1.32,0.33≦y≦0.63,0.06≦z≦0.50,0<p≦0.63,0≦q≦0.50,0≦δ≦0.80,y≧p,z≧q)
で表される組成を有し、
上記の組成式(1)に当てはまる材料の一つA0に対して還元度の異なる還元処理を施した材料をそれぞれA1、A2、...とし、
上記の組成式(1)に当てはまるもう一つの材料B0に対して還元度の異なる還元処理を施した材料をそれぞれB1、B2、...とするとき、
A1と、A1以外のA0、A2、...、B0、B1、B2、...からなる群から選択される少なくとも1種以上の材料とを混合して混合材料を形成する工程を含み、
前記混合材料を形成する前記材料のうち、A1とそれ以外の少なくとも1種の材料に関し、X線回折による(−3 3 1)ピークの回折角度(2θ)の差が0.05°以上であり、
前記の還元処理を施した材料のX線回折による(−3 3 1)ピークの回折角度(2θ)が64.9°から65.1°の範囲にある、リチウムイオン二次電池用正極の製造方法。
A method for producing a positive electrode for a lithium ion secondary battery containing a positive electrode containing a lithium transition metal composite oxide, a negative electrode, and an electrolyte.
The lithium transition metal composite oxide has a layered rock salt type structure and has the following formula (1):
Li x M1 (y-p) Mn p M2 (z-q) Fe q O (2-δ) (1)
(Here, M1 is at least one element of Ti and Zr, M2 is at least one element selected from the group consisting of Co, Ni and Mn, 1.05 ≦ x ≦ 1.32, 0.33 ≦ y ≦ 0. .63, 0.06 ≤ z ≤ 0.50, 0 <p ≤ 0.63, 0 ≤ q ≤ 0.50, 0 ≤ δ ≤ 0.80, y ≥ p, z ≥ q)
Has a composition represented by
A0, A2, and the like, which are one of the materials applicable to the above composition formula (1) and which have been subjected to a reduction treatment having a different degree of reduction, respectively. .. .. age,
B1, B2, and the like, which are the other materials B0 applicable to the above composition formula (1), which have been subjected to reduction treatments having different degrees of reduction, respectively. .. .. When
A1 and A0, A2 other than A1 ,. .. .. , B0, B1, B2 ,. .. .. Including the step of mixing with at least one or more materials selected from the group consisting of to form a mixed material.
Among the materials forming the mixed material, the difference in the diffraction angle (2θ) of the peak (3 3 1) by X-ray diffraction is 0.05 ° or more with respect to A1 and at least one other material. ,
Manufacture of positive electrode for lithium ion secondary battery in which the diffraction angle (2θ) of the peak (2θ) by X-ray diffraction of the material subjected to the reduction treatment is in the range of 64.9 ° to 65.1 °. Method.
前記の還元処理を施した材料A1のX線回折による(−3 3 1)ピークの回折角度(2θ)が64.95°〜65.05°の範囲にある、請求項5に記載のリチウムイオン二次電池用正極の製造方法。 The lithium ion according to claim 5, wherein the diffraction angle (2θ) of the (3 3 1) peak of the material A1 subjected to the reduction treatment by X-ray diffraction is in the range of 64.95 ° to 65.05 °. A method for manufacturing a positive electrode for a secondary battery. リチウム遷移金属複合酸化物を含む正極と、負極と、電解質とを含むリチウムイオン二次電池用の正極の製造方法であって、
前記リチウム遷移金属複合酸化物は層状岩塩型構造を有し、下記の式(1):
LiM1(y−p)MnM2(z−q)Fe(2−δ) (1)
(ここでM1はTiおよびZrの少なくとも一方の元素、M2はCo、Ni及びMnからなる群から選択される少なくとも一種の元素、1.05≦x≦1.32,0.33≦y≦0.63,0.06≦z≦0.50,0<p≦0.63,0≦q≦0.50,0≦δ≦0.80,y≧p,z≧q)
で表される組成を有し、
上記の組成式(1)に当てはまる材料の一つA0に対して還元度の異なる還元処理を施した材料をそれぞれA1、A2、...とし、
上記の組成式(1)に当てはまるもう一つの材料B0に対して還元度の異なる還元処理を施した材料をそれぞれB1、B2、...とするとき、
A1と、A1以外のA0、A2、...、B0、B1、B2、...からなる群から選択される少なくとも1種以上の材料とを混合して混合材料を形成する工程を含み、
前記混合材料を形成する各材料のX線回折データを空間群c2/mの結晶モデルによりリートベルト解析して得られる結果に基づいて、4hサイト、4gサイト、2bサイト、2cサイトの各サイトにおける遷移金属の占有率(g)をそれぞれ、g4h、g4g、g2b、g2c)とし、下記(2):
total=(2g4h+g2c)/3+(2g4g+g2b)/3 式(2)
によって遷移金属占有率和(gtotal)が計算されるものとしたとき、
上記混合材料を形成する前記材料のうち、A1とそれ以外の少なくとも1種の材料に関し、遷移金属占有率和(gtotal)の差が0.01以上であり、
前記の還元処理を施した材料の遷移金属占有率和(gtotal)が0.72以上である、リチウムイオン二次電池用正極の製造方法。
A method for producing a positive electrode for a lithium ion secondary battery containing a positive electrode containing a lithium transition metal composite oxide, a negative electrode, and an electrolyte.
The lithium transition metal composite oxide has a layered rock salt type structure and has the following formula (1):
Li x M1 (y-p) Mn p M2 (z-q) Fe q O (2-δ) (1)
(Here, M1 is at least one element of Ti and Zr, M2 is at least one element selected from the group consisting of Co, Ni and Mn, 1.05 ≦ x ≦ 1.32, 0.33 ≦ y ≦ 0. .63, 0.06 ≤ z ≤ 0.50, 0 <p ≤ 0.63, 0 ≤ q ≤ 0.50, 0 ≤ δ ≤ 0.80, y ≥ p, z ≥ q)
Has a composition represented by
A0, A2, and the like, which are one of the materials applicable to the above composition formula (1) and which have been subjected to a reduction treatment having a different degree of reduction, respectively. .. .. age,
B1, B2, and the like, which are the other materials B0 applicable to the above composition formula (1), which have been subjected to reduction treatments having different degrees of reduction, respectively. .. .. When
A1 and A0, A2 other than A1 ,. .. .. , B0, B1, B2 ,. .. .. Including the step of mixing with at least one or more materials selected from the group consisting of to form a mixed material.
Based on the results obtained by Rietveld analysis of the X-ray diffraction data of each material forming the mixed material with a crystal model of the space group c2 / m, at each site of 4h site, 4g site, 2b site, and 2c site. The occupancy rate (g) of the transition metal is g 4h , g 4g , g 2b , g 2c ), respectively, and the following (2):
g total = (2g 4h + g 2c ) / 3 + (2g 4g + g 2b ) / 3 Equation (2)
When the sum of transition metal occupancy rates (g total ) is calculated by
Among the materials forming the mixed material, the difference in the sum of transition metal occupancy (g total ) is 0.01 or more with respect to A1 and at least one other material.
A method for producing a positive electrode for a lithium ion secondary battery, wherein the sum of transition metal occupancy (g total) of the material subjected to the reduction treatment is 0.72 or more.
前記の還元処理を施した材料A1の遷移金属占有率和(gtotal)が0.74以上である、請求項7に記載のリチウムイオン二次電池用正極の製造方法。 The method for producing a positive electrode for a lithium ion secondary battery according to claim 7, wherein the sum of transition metal occupancy (g total) of the material A1 subjected to the reduction treatment is 0.74 or more. 前記の還元処理前の材料(A0、B0)は、組成式(1)中のδが0である、請求項1から8のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池用正極の製造方法。 The method for producing a positive electrode for a lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 8, wherein the material (A0, B0) before the reduction treatment has δ in the composition formula (1) of 0. .. A1とそれ以外の少なくとも1種の材料との混合比(質量比)が、3:7〜7:3である、請求項1から9のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池用正極の製造方法。 The positive electrode for a lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 9, wherein the mixing ratio (mass ratio) of A1 and at least one other material is 3: 7 to 7: 3. Manufacturing method. 前記還元処理は、有機物を混合し、熱焼成して行う、請求項1から10のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池用正極の製造方法。 The method for producing a positive electrode for a lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 10, wherein the reduction treatment is carried out by mixing organic substances and heat firing. 前記有機物がポリエチレングリコールである、請求項11に記載のリチウムイオン二次電池用正極の製造方法。 The method for producing a positive electrode for a lithium ion secondary battery according to claim 11, wherein the organic substance is polyethylene glycol. リチウム遷移金属複合酸化物を含む正極と、負極と、電解質とを含むリチウムイオン二次電池の製造方法であって、
請求項1から12のいずれか一項の製造方法で正極を形成する工程を含む、リチウムイオン二次電池の製造方法。
A method for manufacturing a lithium ion secondary battery containing a positive electrode containing a lithium transition metal composite oxide, a negative electrode, and an electrolyte.
A method for manufacturing a lithium ion secondary battery, which comprises a step of forming a positive electrode by the manufacturing method according to any one of claims 1 to 12.
前記負極が、負極活物質としてケイ素または酸化ケイ素を含む、請求項13に記載のリチウムイオン二次電池の製造方法。 The method for manufacturing a lithium ion secondary battery according to claim 13, wherein the negative electrode contains silicon or silicon oxide as a negative electrode active material.
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