JP2018067549A - Positive electrode active material for nonaqueous electrolyte secondary battery, and nonaqueous electrolyte secondary battery using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、非水系電解質二次電池用正極活物質、及びこれを用いた非水系電解質二次電池に関する。 The present invention relates to a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, and a non-aqueous electrolyte secondary battery using the same.
携帯電話やノート型パソコンなどの携帯電子機器の普及にともない、高いエネルギー密度を有する小型で軽量な非水系電解質二次電池の開発が強く望まれている。このような二次電池として、リチウムイオン二次電池がある。このようなリチウムイオン二次電池の正極材料には、リチウム複合酸化物が活物質として用いられ、現在、研究開発が盛んに行われている。 With the widespread use of portable electronic devices such as mobile phones and notebook computers, the development of small and lightweight non-aqueous electrolyte secondary batteries having high energy density is strongly desired. As such a secondary battery, there is a lithium ion secondary battery. Lithium composite oxide is used as an active material for the positive electrode material of such a lithium ion secondary battery, and research and development are currently being actively conducted.
リチウム複合酸化物の中でも、リチウム遷移金属複合酸化物、特に合成が比較的容易なリチウムコバルト複合酸化物（ＬｉＣｏＯ２）を正極材料に用いたリチウムイオン二次電池は、４Ｖ級の高い電圧が得られるため、高いエネルギー密度を有する電池として期待され、実用化されている。このリチウムコバルト複合酸化物（ＬｉＣｏＯ２）を用いたリチウムイオン二次電池では、優れた初期容量特性やサイクル特性を得るための開発がこれまで数多く行われてきており、すでにさまざまな成果が得られている。 Among lithium composite oxides, a lithium ion secondary battery using a lithium transition metal composite oxide, particularly a lithium cobalt composite oxide (LiCoO 2 ), which is relatively easy to synthesize, as a positive electrode material has a high voltage of 4V. Therefore, it is expected and put into practical use as a battery having a high energy density. In the lithium ion secondary battery using this lithium cobalt composite oxide (LiCoO 2 ), many developments have been made so far to obtain excellent initial capacity characteristics and cycle characteristics, and various results have already been obtained. ing.
しかし、リチウムコバルト複合酸化物（ＬｉＣｏＯ２）は、原料に希産で高価なコバルト化合物を用いているため、電池のコストアップの原因となっている。このため、正極活物質としてリチウムコバルト複合酸化物（ＬｉＣｏＯ２）以外のものを用いることが望まれている。また、最近は、携帯電子機器用の小型二次電池だけではなく、電力貯蔵用や、電気自動車用などの大型二次電池としてリチウムイオン二次電池を適用することへの期待も高まってきている。このため、活物質のコストを下げ、より安価なリチウムイオン二次電池の製造を可能とすることは、広範な分野から大きな波及効果が期待されている。 However, lithium cobalt composite oxide (LiCoO 2 ) uses a rare and expensive cobalt compound as a raw material, which causes an increase in battery cost. For this reason, it is desired to use materials other than lithium cobalt composite oxide (LiCoO 2 ) as the positive electrode active material. In addition, recently, not only small secondary batteries for portable electronic devices but also expectations for applying lithium ion secondary batteries as large-sized secondary batteries for power storage and electric vehicles are increasing. . For this reason, reducing the cost of the active material and making it possible to manufacture a cheaper lithium ion secondary battery is expected to have a large ripple effect from a wide range of fields.
リチウムコバルト複合酸化物に代替として新たに提案されている材料としては、コバルトよりも安価なマンガンを用いたリチウムマンガン複合酸化物（ＬｉＭｎ２Ｏ４）や、ニッケルを用いたリチウムニッケル複合酸化物（ＬｉＮｉＯ２）を挙げることができる。 Newly proposed materials as an alternative to lithium cobalt composite oxide include lithium manganese composite oxide (LiMn 2 O 4 ) using manganese, which is cheaper than cobalt, and lithium nickel composite oxide using nickel ( LiNiO 2 ).
リチウムマンガン複合酸化物は原料が安価である上、熱安定性、特に、発火などについての安全性に優れるが、理論容量がリチウムコバルト複合酸化物の半分程度しかないため、年々高まるリチウムイオン二次電池の高容量化の要求に応えるのが難しいという欠点がある。また、４５℃以上では、自己放電が激しく、充放電寿命も低下するという欠点もある。 Lithium-manganese composite oxides are inexpensive and have excellent thermal stability, especially ignition safety. However, the theoretical capacity is only about half that of lithium-cobalt composite oxides. There is a drawback that it is difficult to meet the demand for higher capacity of the battery. Further, at 45 ° C. or higher, there is a drawback that self-discharge is intense and the charge / discharge life is also reduced.
一方、リチウムニッケル複合酸化物は、リチウムコバルト複合酸化物（ＬｉＣｏＯ２）とほぼ同じ理論容量を持ち、リチウムコバルト複合酸化物よりもやや低い電池電圧を示す。このため、電解液の酸化による分解が問題になりにくく、より高容量が期待できることから、近年、研究開発が盛んに行われている。しかしリチウムニッケル複合酸化物を正極活物質に用いてリチウムイオン二次電池を作製した場合、リチウムコバルト複合酸化物の場合と比較して、充電状態での熱安定性、特に発火などについての安全性に劣るという欠点がある。すなわち、純粋なニッケル酸リチウムを正極活物質として用いたリチウムイオン二次電池では、熱安定性などの安全性、充放電サイクル特性などに問題があり実用電池として使用することが困難であった。これは、リチウムニッケル複合酸化物の充電状態における結晶構造の安定性が、リチウムコバルト複合酸化物に比べて低いためである。 On the other hand, the lithium nickel composite oxide has substantially the same theoretical capacity as the lithium cobalt composite oxide (LiCoO 2 ), and shows a slightly lower battery voltage than the lithium cobalt composite oxide. For this reason, decomposition | disassembly by oxidation of electrolyte solution does not become a problem, and since higher capacity | capacitance can be anticipated, research and development are performed actively in recent years. However, when lithium-ion secondary batteries are made using lithium-nickel composite oxide as the positive electrode active material, compared to lithium-cobalt composite oxide, thermal stability in the charged state, especially safety regarding ignition, etc. Has the disadvantage of being inferior. That is, a lithium ion secondary battery using pure lithium nickelate as a positive electrode active material has problems in safety such as thermal stability and charge / discharge cycle characteristics, and is difficult to use as a practical battery. This is because the stability of the crystal structure in the charged state of the lithium nickel composite oxide is lower than that of the lithium cobalt composite oxide.
この解決策として、例えば特許文献１にあるように、ニッケルの一部をコバルト、マンガン、鉄などの遷移金属元素、アルミニウム、バナジウム、スズなどの異種元素で置換して、充電でリチウムが抜けた状態での結晶構造の安定化を図り、正極活物質として安全性及び充放電サイクル特性が良好なリチウムニッケル複合酸化物を得ることが一般的に知られている。
As a solution to this problem, for example, as disclosed in
さらに特許文献２〜６では、リチウムニッケル複合酸化物にニオブ化合物を含有させることが検討されている。ニオブ化合物を含有するリチウムニッケル複合酸化物（以下、ニオブ含有リチウムニッケル複合酸化物と記載する）の多くは、リチウムニッケル複合酸化物にニオブ化合物を混合又は被覆することや、ニッケルやその他の元素を含有する複合水酸化物にニオブ化合物を共沈又は被覆した後、リチウム化合物と混合、焼成することで得られる。いずれも熱安定性と充放電容量の両立を目的としたものであるが、ニオブ含有量が少ないと充放電容量は大きいものの、十分な熱安定性が得られ難く、一方、ニオブ含有量が多いと熱安定性は良好であるものの、充放電容量を確保できないという問題があった。また、優れたサイクル特性を確保することが難しいという問題もあった。
Further, in
最近では携帯電子機器などの小型二次電池に対する高容量化の要求は年々高まる一方であり、安全性を確保するために容量を犠牲にすることは、リチウムニッケル複合酸化物の高容量のメリットを失うことになる。また、リチウムイオン二次電池を大型二次電池に用いる動きも盛んであり、中でもハイブリッド自動車用、電気自動車用の電源、あるいは電力貯蔵用の定置式蓄電池としての期待が大きい。さらに、これらの電池では、高寿命化についても要求されており、優れたサイクル特性を有することが重要である。このような用途において、安全性に劣るというリチウムニッケル複合酸化物の問題点の解消や安全性と高容量化・高寿命化の両立は大きな課題である。 Recently, the demand for higher capacity for small secondary batteries such as portable electronic devices has been increasing year by year, and sacrificing capacity to ensure safety is a benefit of the high capacity of lithium nickel composite oxide. You will lose. In addition, the use of lithium ion secondary batteries for large-sized secondary batteries is also prominent. In particular, there is great expectation as a power source for hybrid vehicles, electric vehicles, or stationary storage batteries for power storage. Furthermore, these batteries are also required to have a long life, and it is important to have excellent cycle characteristics. In such applications, it is a major challenge to solve the problem of lithium nickel composite oxides that are inferior in safety and to achieve both safety and higher capacity and longer life.
そこで発明者らは、上記問題を解決しうるニオブ含有正極活物質について検討している。
ニオブ含有正極活物質の製造方法の一例として、晶析により得られたニオブ含有複合水酸化物をリチウム化合物と混合し、焼成する方法が挙げられるが、ニオブ含有ニッケル複合水酸化物は濾過し難く、工業的規模での生産に適さないという問題がある。
Therefore, the inventors have studied a niobium-containing positive electrode active material that can solve the above-described problems.
An example of a method for producing a niobium-containing positive electrode active material is a method in which a niobium-containing composite hydroxide obtained by crystallization is mixed with a lithium compound and fired, but the niobium-containing nickel composite hydroxide is difficult to filter. There is a problem that it is not suitable for production on an industrial scale.
さらに、ニオブ含有正極活物質は、その製造工程で、原料由来の不純物である硫酸根、塩素や硝酸根などが含まれる。これらは、充放電反応に寄与しないため、電池を構成する際、正極材料の不可逆容量に相当する分、負極材料を余計に電池に使用せざるを得ず、その結果、電池全体としての重量当たり及び体積当たりの容量が小さくなる上、不可逆容量として負極に蓄積された余分なリチウムは安全性の面からも問題となっている。 Furthermore, the niobium-containing positive electrode active material includes sulfate radicals, chlorine, nitrate radicals, and the like, which are impurities derived from raw materials, in the production process. Since these do not contribute to the charge / discharge reaction, when the battery is constructed, the negative electrode material must be used in the battery by an amount corresponding to the irreversible capacity of the positive electrode material. In addition, the capacity per volume is reduced, and excess lithium accumulated in the negative electrode as an irreversible capacity is a problem in terms of safety.
本発明は、上記問題点に鑑み、充放電反応に寄与しない不純物量を低減させることで、熱安定性に優れた正極活物質を提供し、さらに該活物質を用いることで、高いサイクル特性と充放電容量を実現する非水系電解質二次電池を提供することを目的とする。 In view of the above problems, the present invention provides a positive electrode active material excellent in thermal stability by reducing the amount of impurities that do not contribute to the charge / discharge reaction, and further uses the active material to provide high cycle characteristics. It aims at providing the nonaqueous electrolyte secondary battery which implement | achieves charging / discharging capacity | capacitance.
本発明者らは、鋭意検討したところ、ニオブ含有ニッケル複合水酸化物を洗浄する際の
洗浄液を、炭酸塩水溶液とすることで、不純物である硫酸根、塩素や硝酸根などを低減で
き、かつ、濾過性を高めるとの知見を得て、本発明を完成するに至った。
As a result of diligent investigations, the present inventors have made it possible to reduce sulfate radicals, chlorine, nitrate radicals, and the like, which are impurities, by using a carbonate aqueous solution as the washing liquid for washing the niobium-containing nickel composite hydroxide, and The inventors have obtained knowledge that the filterability is improved and have completed the present invention.
本発明の第１の態様によれば、一般式ＬｉｄＮｉ１−ａ−ｂ−ｃＣｏａＭｂＮｂｃＯ２（但し、ＭはＭｎ、Ｖ、Ｍｇ、Ｔｉ及びＡｌから選ばれる少なくとも１種の元素であり、０．０５≦ａ≦０．３５、０≦ｂ≦０．１０、０．００６≦ｃ≦０．０５、０．９５≦ｄ≦１．２０である。）で表されるリチウム遷移金属複合酸化物からなり、硫酸根含有量が０．２質量％以下、かつ塩素含有量が０．１質量％以下である非水系電解質二次電池用正極活物質が提供される。
According to a first aspect of the present invention, at least the general formula Li d Ni 1-a-b -c Co a M b Nb c O 2 ( where, M is Mn, V, Mg, selected from Ti and
また、上記リチウム遷移金属複合酸化物の結晶子径が１０〜１００ｎｍであることが好ましい。また、該リチウム遷移金属複合酸化物は、多孔質構造を有し、比表面積が１．４〜７．０ｍ２／ｇであることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the crystallite diameter of the said lithium transition metal complex oxide is 10-100 nm. The lithium transition metal composite oxide preferably has a porous structure and a specific surface area of 1.4 to 7.0 m 2 / g.
本発明の第２の態様によれば、上記非水系電解質二次電池用正極活物質を正極に用いる非水系電解質二次電池が提供される。 According to the 2nd aspect of this invention, the non-aqueous electrolyte secondary battery which uses the said positive electrode active material for non-aqueous electrolyte secondary batteries for a positive electrode is provided.
本発明によって、熱安定性に優れた非水系電解液二次電池用正極活物質を提供し、さらに、該活物質を用いた非水系電解液二次電池は、高いサイクル特性と充放電容量を有したものである。 According to the present invention, a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery excellent in thermal stability is provided. Further, a non-aqueous electrolyte secondary battery using the active material has high cycle characteristics and charge / discharge capacity. I have it.
本発明は、非水系電解質二次電池用正極活物質とその製造方法及びこれを用いた非水系電解質二次電池に関する。なお、以下で説明する実施形態は例示に過ぎず、本発明の非水系電解質二次電池用正極活物質とその製造方法及びこれを用いた非水系電解質二次電池は、下記実施形態をはじめとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態
で実施することができる。また、本発明の非水系電解質二次電池は、その用途を特に限定するものではない。
The present invention relates to a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, a method for producing the same, and a non-aqueous electrolyte secondary battery using the same. The embodiment described below is merely an example, and the positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention, the method for producing the same, and the non-aqueous electrolyte secondary battery using the same include the following embodiments. The present invention can be implemented in various modifications and improvements based on the knowledge of those skilled in the art. Moreover, the use of the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention is not particularly limited.
１．非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法
本発明は、特定の組成及び構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物からなる非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法であり、（１）ニオブ含有遷移金属含有複合水酸化物を得る晶析工程、（２）該ニオブ含有遷移金属含有複合水酸化物を炭酸塩水溶液で洗浄し正極活物質の前駆体を得る洗浄工程、（３）該前駆体とリチウム化合物とを混合してリチウム混合物を得る混合工程、（４）該リチウム混合物焼成し、リチウム遷移金属複合酸化物を得る焼成工程を含む。さらに、焼成工程後に、（５）該リチウム遷移金属複合酸化物を水洗する水洗工程を含んでもよい。
以下、各工程の詳細を説明をする。
1. TECHNICAL FIELD The present invention is a method for producing a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery comprising a lithium transition metal composite oxide having a specific composition and structure. ) A crystallization step for obtaining a niobium-containing transition metal-containing composite hydroxide, (2) a washing step for washing the niobium-containing transition metal-containing composite hydroxide with a carbonate aqueous solution to obtain a precursor of a positive electrode active material, (3) A mixing step of mixing the precursor and the lithium compound to obtain a lithium mixture; and (4) a baking step of baking the lithium mixture to obtain a lithium transition metal composite oxide. Further, after the firing step, (5) a water washing step of washing the lithium transition metal composite oxide with water may be included.
Details of each step will be described below.
（１）晶析工程
晶析工程は、一般式Ｎｉ１−ａ−ｂ−ｃＣｏａＭｂＮｂｃ（ＯＨ）２（但し、ＭはＭｎ、Ｖ、Ｍｇ、Ｔｉ及びＡｌから選ばれる少なくとも１種の元素であり、０．０５≦ａ≦０．３５、０≦ｂ≦０．１０、０．００６≦ｃ≦０．０５、０．９５≦ｄ≦１．２０である。）で表されるニオブ含有遷移金属複合水酸化物を得る工程である。
(1) crystallization step crystallization process is represented by the general formula Ni 1-a-b-c Co a M b Nb c (OH) 2 ( provided that at least 1 M is the Mn, V, Mg, selected from Ti and Al It is a seed element, and 0.05 ≦ a ≦ 0.35, 0 ≦ b ≦ 0.10, 0.006 ≦ c ≦ 0.05, 0.95 ≦ d ≦ 1.20). This is a step of obtaining a niobium-containing transition metal composite hydroxide.
上記一般式においてコバルト含有量を示すａは、０．０５≦ａ≦０．３５であり、０．０７≦ａ≦０．２０であることが好ましい。また、ニオブ含有量を示すｃは、０．００６≦ｃ≦０．０５であり、０．０１≦ｃ≦０．０５であることが好ましく、０．０１≦ｃ≦０．０４であることがより好ましい。
添加元素であるＭの含有量添加量を示すｂは、０≦ｂ≦０．１０であり、さらに、Ｍを必ず含む０＜ｂ≦０．１０あることが好ましい。
晶析工程により得られるニオブ含有遷移金属複合水酸化物中の各金属間の組成比は、焼成工程後のリチウム遷移金属複合酸化物中でも、ほぼ維持される。よって、各金属間の組成比が上記範囲であることにより、後述するように、正極活物質として優れた電池特定を示すリチウム遷移金属複合酸化物を得ることができる。
In the above general formula, a indicating the cobalt content is 0.05 ≦ a ≦ 0.35, and preferably 0.07 ≦ a ≦ 0.20. Further, c indicating the niobium content is 0.006 ≦ c ≦ 0.05, preferably 0.01 ≦ c ≦ 0.05, and preferably 0.01 ≦ c ≦ 0.04. More preferred.
“B” indicating the content addition amount of M which is an additive element satisfies 0 ≦ b ≦ 0.10, and preferably includes 0 <b ≦ 0.10 including M.
The composition ratio between the metals in the niobium-containing transition metal composite hydroxide obtained by the crystallization process is substantially maintained even in the lithium transition metal composite oxide after the firing process. Therefore, when the composition ratio between the respective metals is within the above range, a lithium transition metal composite oxide exhibiting excellent battery specification as a positive electrode active material can be obtained as described later.
上記ニオブ含有遷移金属複合水酸化物を製造する方法としては、特に限定されず、従来公知の方法を用いることができる。例えば、（１−１）少なくともニッケルおよびコバルトを含む混合水溶液にアルカリ水溶液を加えて晶析させ、遷移金属複合水酸化物を得た後、該遷移金属複合水酸化物のスラリーに、ニオブ溶液と酸とを滴下し、ニオブ化合物を被覆する被覆（コート）法、又は、（１−２）少なくともニッケル及びコバルトを含む混合水溶液に、ニオブ溶液とアルカリ水溶液とを加えて晶析させる共沈法等が挙げられる。 The method for producing the niobium-containing transition metal composite hydroxide is not particularly limited, and a conventionally known method can be used. For example, (1-1) an aqueous alkali solution is added to a mixed aqueous solution containing at least nickel and cobalt for crystallization to obtain a transition metal composite hydroxide, and then the niobium solution and the transition metal composite hydroxide slurry A coating method in which an acid is dropped to coat a niobium compound, or (1-2) a coprecipitation method in which a niobium solution and an alkaline aqueous solution are added to a mixed aqueous solution containing at least nickel and cobalt for crystallization. Is mentioned.
以下、晶析工程に用いられる少なくともニッケル及びコバルトを含む混合水溶液、ニオブ溶液、及び、これら溶液の調整方法について説明する。 Hereinafter, a mixed aqueous solution containing at least nickel and cobalt, a niobium solution, and a method for adjusting these solutions used in the crystallization step will be described.
少なくともニッケル及びコバルトを含む混合水溶液に用いられる、ニッケル塩、コバルト塩などの塩としては、硫酸塩、硝酸塩、塩化物などが例示される。また、該混合水溶液の濃度は、金属塩の合計で１〜２．６ｍｏｌ／Ｌとすることが好ましく、１〜２．２ｍｏｌ／Ｌとすることがより好ましい。１ｍｏｌ／Ｌ未満であると、得られる水酸化物スラリー濃度が低く、生産性に劣る。一方、２．６ｍｏｌ／Ｌを超えると、−５℃以下で結晶析出や凍結し、設備の配管を詰まらせる恐れがあり、配管の保温もしくは加温する必要があり、コストがかかる。 Examples of the salt such as nickel salt and cobalt salt used in the mixed aqueous solution containing at least nickel and cobalt include sulfate, nitrate, chloride and the like. The concentration of the mixed aqueous solution is preferably 1 to 2.6 mol / L, more preferably 1 to 2.2 mol / L in total of metal salts. If the concentration is less than 1 mol / L, the resulting hydroxide slurry concentration is low and the productivity is poor. On the other hand, if it exceeds 2.6 mol / L, the crystals may precipitate or freeze at −5 ° C. or lower, which may clog the piping of the equipment, and it is necessary to keep the piping warm or warm, which is expensive.
ニオブ溶液の作製には、ニオブの溶解度が高いニオブもしくはニオブ塩（以下、ニオブメタルも含めて単にニオブ塩と記載する）と、溶媒との組み合わせを選択することが必要である。例えば、ニオブ塩として、水酸化ニオブ（ニオブ酸化物・水和物）、ニオブメタル、五塩化ニオブ又はフェロニオブを、溶媒として苛性カリ水溶液を選択したニオブ溶液や、該ニオブ塩として水酸化ニオブ又は五塩化ニオブを、該溶媒として塩酸を選択したニオブ溶液が好ましい。これら組み合わせは、ニオブ溶液中のニオブ濃度を高めることが可能であり、本晶析工程への使用に好ましい。 In order to prepare a niobium solution, it is necessary to select a combination of a niobium or niobium salt having high niobium solubility (hereinafter simply referred to as niobium salt including niobium metal) and a solvent. For example, niobium hydroxide (niobium oxide / hydrate), niobium metal, niobium pentachloride or ferroniobium as a niobium salt, a niobium solution in which a caustic potash aqueous solution is selected as a solvent, or niobium hydroxide or niobium pentachloride as the niobium salt And niobium solutions in which hydrochloric acid is selected as the solvent are preferred. These combinations can increase the niobium concentration in the niobium solution and are preferable for use in the present crystallization step.
一方、上記ニオブ塩として、オルトニオブ酸塩あるいは、メタニオブ酸塩を用いると、溶解した際に加水分解、又は溶解中に酸化が進み、溶解残渣を生じる場合があるため、本晶析工程には好ましくない。また、上記溶媒としてフッ化水素酸と硫酸の混合水溶液を選択してニオブ溶液を得た場合、本晶析工程でニオブ化合物が単独で析出し、ニオブの偏析が起こるため、均一組成の複合水酸化物は得られず好ましくない。
ニオブ塩の形状は、特に選ばず、一般に入手できる粉末状、粒状、又は塊状と特に制限されるものではない。
On the other hand, if an ortho niobate or meta niobate is used as the niobium salt, hydrolysis or oxidation may occur during dissolution, resulting in a dissolution residue, which is preferable for the crystallization step. Absent. Further, when a niobium solution is obtained by selecting a mixed aqueous solution of hydrofluoric acid and sulfuric acid as the solvent, the niobium compound precipitates alone in the crystallization step and segregation of niobium occurs. An oxide is not obtained and is not preferable.
The shape of the niobium salt is not particularly limited, and is not particularly limited to generally available powder, granule, or mass.
ニオブ溶液を調整するための溶解条件は、所望するニオブ濃度によって最適とする条件は多少変動するものの、例えば、溶媒に苛性カリ水溶液を用いる場合、該苛性カリ水溶液の濃度を１５０〜５００ｇ／Ｌとすることが好ましい。苛性カリの濃度が１５０ｇ／Ｌよりも少ない場合、ニオブを十分に溶解できず、残渣中にニオブが残留してしまうため好ましくない。逆に、苛性カリの濃度が５００ｇ／Ｌを超える場合、苛性カリの飽和濃度に近く、ニオブを溶解できなくなる。また、溶解時の温度は６０℃〜９０℃とすることが好ましい。温度が６０℃よりも低い場合、反応性が低下し、溶解に長時間を要してしまう。一方、９０℃超では反応性は上がるが水の蒸発量が多い上、激しく反応して突沸する危険がある。 For example, when using a caustic potash aqueous solution as a solvent, the concentration of the caustic potash aqueous solution should be 150 to 500 g / L, although the optimum conditions for dissolving the niobium solution vary depending on the desired niobium concentration. Is preferred. When the concentration of caustic potash is less than 150 g / L, niobium cannot be sufficiently dissolved, and niobium remains in the residue, which is not preferable. Conversely, when the concentration of caustic potash exceeds 500 g / L, it is close to the saturated concentration of caustic potash and niobium cannot be dissolved. Moreover, it is preferable that the temperature at the time of melt | dissolution shall be 60 to 90 degreeC. When temperature is lower than 60 degreeC, the reactivity will fall and it will require a long time for melt | dissolution. On the other hand, when the temperature exceeds 90 ° C., the reactivity increases, but the amount of evaporation of water is large, and there is a risk of violent reaction and bumping.
（１−１）被覆（コート）法
被覆法によってニオブ含有遷移金属複合水酸化物を晶析する工程について述べる。
本法は、まず、少なくともニッケルおよびコバルトを含む混合水溶液にアルカリ水溶液を加えて晶析させ、遷移金属複合水酸化物を得る。
なお、該遷移金属複合水酸化物中の各金属の組成比は、焼成工程後のリチウム遷移金属複合酸化物中でも、ほぼ維持されるため、得られる遷移金属複合酸化物は、一般式Ｎｉ１−ａ’−ｂ’Ｃｏａ’Ｍｂ’（ＯＨ）２（但し、ＭはＭｎ、Ｖ、Ｍｇ、Ｔｉ及びＡｌから選ばれる少なくとも１種の元素であり、０．０５≦ａ’≦０．３５、０≦ｂ’≦０．１０である）で表される組成を有するものであることが好ましい。
遷移金属複合水酸化物を得る方法としては、特に限定されず、従来公知の製造方法を用いることができるが、以下に、一例として、具体的な製造方法を示す。
(1-1) Coating (Coating) Method The step of crystallizing the niobium-containing transition metal composite hydroxide by the coating method will be described.
In this method, first, an aqueous alkali solution is added to a mixed aqueous solution containing at least nickel and cobalt to cause crystallization, thereby obtaining a transition metal composite hydroxide.
In addition, since the composition ratio of each metal in the transition metal composite hydroxide is substantially maintained in the lithium transition metal composite oxide after the firing step, the obtained transition metal composite oxide has the general formula Ni 1− a′-b ′ Co a ′ M b ′ (OH) 2 (where M is at least one element selected from Mn, V, Mg, Ti and Al, and 0.05 ≦ a ′ ≦ 0.35) And 0 ≦ b ′ ≦ 0.10).
The method for obtaining the transition metal composite hydroxide is not particularly limited, and a conventionally known production method can be used, but a specific production method is shown below as an example.
反応槽内に、上記方法で調整した少なくともニッケルとコバルトを含む混合水溶液を加えて反応液とし、該反応液に、反応温度を４０℃〜６０℃に維持しながら、アルカリ溶液を加え、ｐＨを１０〜１３に制御して、遷移金属複合水酸化物を得る。その際、反応液を撹拌して反応液中の金属濃度や晶析条件の局所的な変動を抑制する。 In the reaction vessel, a mixed aqueous solution containing at least nickel and cobalt prepared by the above method is added to obtain a reaction solution, and an alkaline solution is added to the reaction solution while maintaining the reaction temperature at 40 ° C. to 60 ° C. 10 to 13 to obtain a transition metal composite hydroxide. At that time, the reaction solution is stirred to suppress local fluctuations in the metal concentration and crystallization conditions in the reaction solution.
ｐＨが１０未満であると、遷移金属複合水酸化物の生成速度が著しく遅くなる。さらにろ液中に遷移金属元素が残留して、得られる遷移金属複合水酸化物の組成が、目的組成から外れることもある。一方、ｐＨが１３を越えると、生成した遷移金属複合水酸化物の粒子が細かくなり過ぎ、濾過性が悪くなる。また、遷移金属複合水酸化物の球状性が低下して正極中での充填性が低下する。反応液のｐＨが変動すると、得られる複合水酸化物粒子の粒径や形状が変動するため、設定値を中央値としてｐＨの変動幅を０．２以下に抑制することが好ましい。
また、上記アルカリ溶液としては、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液などを用いることができる。
When the pH is less than 10, the production rate of the transition metal composite hydroxide is remarkably slowed. Furthermore, the transition metal element remains in the filtrate, and the composition of the resulting transition metal composite hydroxide may deviate from the target composition. On the other hand, when pH exceeds 13, the particle | grains of the produced | generated transition metal composite hydroxide will become too fine, and filterability will worsen. Further, the spherical nature of the transition metal composite hydroxide is lowered, and the filling property in the positive electrode is lowered. When the pH of the reaction solution varies, the particle size and shape of the resulting composite hydroxide particles vary. Therefore, it is preferable to suppress the variation range of pH to 0.2 or less with the set value as the median value.
Moreover, as said alkaline solution, sodium hydroxide aqueous solution, potassium hydroxide aqueous solution, etc. can be used.
さらに、反応液にはアンモニウムイオン供給体を含む水溶液を加えることもでき、反応液中のアンモニア濃度は３ｇ／Ｌ〜２５ｇ／Ｌであることが好ましい。反応液中にアンモニウムイオンが存在することで、金属イオン、特にＮｉイオンはアンミン錯体を形成し、金属イオンの溶解度が大きくなり、一次粒子の成長が促進され、緻密な複合水酸化物粒子が得られ易い。さらに、金属イオンの溶解度が安定するため、形状及び粒径が整った複合水酸化物粒子が得られ易い。特に、反応液中のアンモニア濃度を３ｇ／Ｌ〜２５ｇ／Ｌとすることで、より緻密で形状及び粒径が整った複合水酸化物粒子が得られ易い。反応液中のアンモニア濃度が３ｇ／Ｌ未満であると、金属イオンの溶解度が不安定になる場合があり、形状及び粒径が整った一次粒子が形成されず、ゲル状の核が生成して粒度分布が広くなることがある。一方、アンモニア濃度が２５ｇ／Ｌを超える濃度では、金属イオンの溶解度が大きくなりすぎ、反応水溶液中に残存する金属イオン量が増えて、組成のずれなどが起きる場合がある。
アンモニウムイオン供給体は特に限定されないが、例えば、アンモニア、硫酸アンモニウム、塩化アンモニウム、炭酸アンモニウム、フッ化アンモニウムなどを使用することができる。
Further, an aqueous solution containing an ammonium ion supplier can be added to the reaction solution, and the ammonia concentration in the reaction solution is preferably 3 g / L to 25 g / L. Due to the presence of ammonium ions in the reaction solution, metal ions, particularly Ni ions, form ammine complexes, the solubility of metal ions increases, the growth of primary particles is promoted, and dense composite hydroxide particles are obtained. It is easy to be done. Furthermore, since the solubility of metal ions is stabilized, composite hydroxide particles having a uniform shape and particle size are easily obtained. In particular, by setting the ammonia concentration in the reaction solution to 3 g / L to 25 g / L, it is easy to obtain a composite hydroxide particle having a more precise shape and particle size. If the ammonia concentration in the reaction solution is less than 3 g / L, the solubility of metal ions may become unstable, primary particles having a uniform shape and particle size are not formed, and gel-like nuclei are formed. The particle size distribution may be broadened. On the other hand, when the ammonia concentration exceeds 25 g / L, the solubility of metal ions becomes too high, the amount of metal ions remaining in the reaction aqueous solution increases, and compositional deviation may occur.
Although an ammonium ion supply body is not specifically limited, For example, ammonia, ammonium sulfate, ammonium chloride, ammonium carbonate, ammonium fluoride etc. can be used.
次に、上記工程で得られた遷移金属複合水酸化物のスラリーに、ニオブ溶液と酸とを滴下し、ニオブ化合物を被覆する。この際、ニオブ溶液と酸を同時に滴下することが好ましく、スラリーｐＨが一定になるように制御することが好ましい。 Next, a niobium solution and an acid are added dropwise to the transition metal composite hydroxide slurry obtained in the above step to coat the niobium compound. At this time, it is preferable to add the niobium solution and the acid simultaneously, and it is preferable to control the slurry pH to be constant.
ニオブ溶液を滴下する際に用いられる酸としては、特に限定されるものではないが、安価で工業的に利用できる硫酸、塩酸、硝酸が好ましい。 The acid used when dropping the niobium solution is not particularly limited, but sulfuric acid, hydrochloric acid, and nitric acid that are inexpensive and can be used industrially are preferable.
また、上記スラリーｐＨは、液温２５℃基準で、７〜１１が好ましい。ｐＨが７未満の場合、遷移金属複合水酸化物中の遷移金属元素が溶解し、得られる遷移金属複合水酸化物の組成が、目的組成から外れることもある。また、ｐＨが１１を超えると、析出したニオブ化合物が遷移金属複合水酸化物から剥離して、濾過時にニオブが流出して目的のニオブ含有量とすることが困難になる。また、ニオブ含有遷移金属複合水酸化物の粒子間で、組成が均一にならず、電池特性が低下することもある。 The slurry pH is preferably 7 to 11 on the basis of a liquid temperature of 25 ° C. When pH is less than 7, the transition metal element in a transition metal composite hydroxide melt | dissolves, and the composition of the transition metal composite hydroxide obtained may remove | deviate from the target composition. On the other hand, if the pH exceeds 11, the precipitated niobium compound is peeled off from the transition metal composite hydroxide, and the niobium flows out during filtration, making it difficult to obtain the desired niobium content. In addition, the composition is not uniform among the particles of the niobium-containing transition metal composite hydroxide, and the battery characteristics may be deteriorated.
さらに上記ｐＨの範囲でニオブを被覆させると、遷移金属複合水酸化物粒子表面が損傷を受けることがある。該損傷部は、後の工程である（４）焼成工程で空隙となり、リチウム遷移金属複合酸化物が多孔質構造を有するものとなるため、充放電容量の向上に寄与すると考えられる。また、ニオブ塩溶液と酸を同時に滴下すると、上記ｐＨの範囲でニオブ化合物の被覆処理が進行しやすく、ニッケル含有水酸化物粒子に適度な損傷を与えることができる。 Further, when niobium is coated in the above pH range, the surface of the transition metal composite hydroxide particles may be damaged. The damaged portion becomes a void in the later step (4) firing step, and the lithium transition metal composite oxide has a porous structure, which is considered to contribute to an improvement in charge / discharge capacity. Further, when the niobium salt solution and the acid are dropped simultaneously, the coating treatment of the niobium compound easily proceeds within the above pH range, and the nickel-containing hydroxide particles can be appropriately damaged.
（１−２）共沈法
共沈法によって、ニオブ含有遷移金属複合水酸化物を得る方法としては、特に限定されず、従来公知の方法を用いることができ、上記ニオブ溶液を加える方法が異なる以外は、上記（１−１）被覆法で例示した、遷移金属複合水酸化物得る方法と同様なものとすることができる。
(1-2) Coprecipitation method The method for obtaining the niobium-containing transition metal composite hydroxide by the coprecipitation method is not particularly limited, and a conventionally known method can be used, and the method for adding the niobium solution is different. Except for the above, it can be the same as the method of obtaining the transition metal composite hydroxide exemplified in the above (1-1) coating method.
具体的には、反応槽内に、上記方法で調整した少なくともニッケルとコバルトを含む混合水溶液を加えて反応液とし、該反応液に、反応温度を４０〜６０℃に維持しながら、上記ニオブ溶液とアルカリ溶液を加えることで、ニオブ含有遷移金属複合水酸化物を得る。その際の、ｐＨ制御範囲やアンモニア濃度は、上記（１−１）被覆法で遷移金属複合水酸化物得る方法に準ずればよい。
晶析工程で得られたニオブ含有遷移金属複合水酸化物は、通常用いられる濾過装置で固液分離することができ、吸引濾過機、フィルタープレスや遠心機などを用いることができる。
Specifically, a mixed aqueous solution containing at least nickel and cobalt prepared by the above method is added to the reaction vessel to obtain a reaction solution, and the reaction solution is maintained at a reaction temperature of 40 to 60 ° C. And an alkali solution are added to obtain a niobium-containing transition metal composite hydroxide. In this case, the pH control range and ammonia concentration may be in accordance with the method (1-1) for obtaining a transition metal composite hydroxide by the coating method.
The niobium-containing transition metal composite hydroxide obtained in the crystallization step can be subjected to solid-liquid separation with a commonly used filtration apparatus, and a suction filter, a filter press, a centrifuge, or the like can be used.
（２）洗浄工程
洗浄工程は、上記ニオブ含有遷移金属複合水酸化物を炭酸塩水溶液で洗浄して正極活物質の前駆体（以下、単に「前駆体」ともいう）を得る工程である。
炭酸塩水溶液を用いて洗浄することにより、不純物として残留している硫酸根や塩素イオンなどのアニオン不純物を炭酸塩水溶液中の炭酸イオンとのイオン交換作用により、効率よく除去することができる。また、水への溶解度が高い炭酸塩を用いることで、アルカリ処理等よりもナトリウムなどのアルカリ金属の混入も抑制することができる。さらに、ニオブ含有遷移金属複合水酸化物は、表面に残留するニオブイオンや水酸化物などの微細なニオブ化合物が前記アニオン不純物との相互作用により洗浄時にゲル化しやすいため、該アニオン不純物を除去することでゲル化が解消され、濾過性が向上する。
(2) Washing Step The washing step is a step of obtaining the precursor of the positive electrode active material (hereinafter also simply referred to as “precursor”) by washing the niobium-containing transition metal composite hydroxide with an aqueous carbonate solution.
By washing with the carbonate aqueous solution, anionic impurities such as sulfate radicals and chlorine ions remaining as impurities can be efficiently removed by the ion exchange action with the carbonate ions in the carbonate aqueous solution. In addition, by using a carbonate having high solubility in water, it is possible to suppress the mixing of alkali metals such as sodium rather than alkali treatment. Furthermore, the niobium-containing transition metal composite hydroxide removes the anionic impurities because fine niobium compounds such as niobium ions and hydroxide remaining on the surface are easily gelled by the interaction with the anionic impurities. This eliminates gelation and improves filterability.
用いられる炭酸塩水溶液のｐＨが８以上１２以下であることが好ましく、さらに８以上１１以下であることがより好ましい。
炭酸塩水溶液のｐＨが８未満であると、原料由来の不純物である硫酸根や塩素と炭酸イオンの置換が不十分となり、これら不純物の除去が不十分となる。さらにニオブ含有遷移金属複合水酸化物の濾過性が低下し、生産性に劣る。一方、炭酸塩水溶液のｐＨが１２を超えても原料由来の不純物である硫酸根や塩素の洗浄効果は変わらない。余剰に加えた炭酸塩は、コスト増加や環境負荷に影響するだけでなく、該炭酸塩により持ち込まれるカチオン（ナトリウムイオンやカリウムイオンなど）が不純物として残留することもあり、これらを洗浄する余分な工程を追加することとなり、生産性に劣る。
また、炭酸塩水溶液の濃度は、上記ｐＨ範囲であればよいが、１００ｇ／Ｌを超えても、不純物の洗浄効果は変わらないため、１００ｇ／Ｌ以下がよい。
The pH of the carbonate aqueous solution used is preferably 8 or more and 12 or less, and more preferably 8 or more and 11 or less.
If the pH of the carbonate aqueous solution is less than 8, the substitution of sulfate radicals or chlorine and carbonate ions, which are impurities derived from raw materials, becomes insufficient, and the removal of these impurities becomes insufficient. Further, the filterability of the niobium-containing transition metal composite hydroxide is lowered and the productivity is poor. On the other hand, even if the pH of the carbonate aqueous solution exceeds 12, the cleaning effect of sulfate radicals and chlorine, which are impurities derived from the raw materials, does not change. Excessive carbonate not only affects the cost increase and environmental impact, but also cations (sodium ions, potassium ions, etc.) brought in by the carbonate may remain as impurities, which is an excess to wash them. A process will be added and productivity will be inferior.
Further, the concentration of the carbonate aqueous solution may be within the above pH range, but even if it exceeds 100 g / L, the cleaning effect of impurities does not change, so it is preferably 100 g / L or less.
炭酸塩水溶液は、炭酸カリウム、炭酸ナトリウムもしくは炭酸アンモニウムから選ばれる少なくとも１種類以上炭酸塩水溶液であることが好ましい。炭酸カルシウム、炭酸バリウムなど、水に溶解しにくい塩は使用しない方がよい。 The carbonate aqueous solution is preferably at least one carbonate aqueous solution selected from potassium carbonate, sodium carbonate or ammonium carbonate. It is better not to use salts that are difficult to dissolve in water, such as calcium carbonate and barium carbonate.
洗浄に用いる炭酸塩水溶液量は、上記で得た前駆体１ｋｇに対して、１〜２０Ｌである（スラリー濃度としては、１０００〜５０ｇ／Ｌである）ことが好ましい。１Ｌ未満では、不純物である硫酸根や塩素と炭酸イオンが十分に置換されず期待される洗浄効果が得られ難い。さらに、２０Ｌを超える炭酸塩水溶液を用いても洗浄効果は変わらず、過剰な洗浄液はコスト増加や廃水負荷増加の要因となる。
洗浄工程においては、該炭酸塩水溶液により洗浄した後、濾過し、乾燥する工程を含むことが好ましい。さらに、該炭酸塩水溶液として焼成後も残留しやすい金属元素を含む塩を用いた場合は、乾燥前にさらに水を用いて洗浄し、濾過する工程を含むことが好ましい。
洗浄工程に用いられる装置は、通常用いられる濾過装置であればよく、吸引濾過機、フィルタープレスや遠心機などを用いることができる。
本発明により得られるニオブ含有遷移金属複合水酸化物は、アニオン不純物が除去され良好な濾過性を有するため、通常用いられる濾過装置によって容易に濾過することが可能である。
The amount of the carbonate aqueous solution used for washing is preferably 1 to 20 L (the slurry concentration is 1000 to 50 g / L) with respect to 1 kg of the precursor obtained above. If it is less than 1 L, the sulfate effect or chlorine and carbonate ions, which are impurities, are not sufficiently substituted, and it is difficult to obtain the expected cleaning effect. Furthermore, even if a carbonate aqueous solution exceeding 20 L is used, the cleaning effect does not change, and an excessive cleaning solution causes an increase in cost and waste water load.
The washing step preferably includes a step of washing with the carbonate aqueous solution, followed by filtration and drying. Further, when a salt containing a metal element that tends to remain after firing is used as the carbonate aqueous solution, it is preferable to further include a step of washing with water and filtering before drying.
The apparatus used for the washing step may be a commonly used filtration apparatus, and a suction filter, a filter press, a centrifuge, or the like can be used.
Since the niobium-containing transition metal composite hydroxide obtained by the present invention has good filterability from removal of anionic impurities, it can be easily filtered by a commonly used filtration apparatus.
また、本発明の製造方法においては、混合工程前に、洗浄後の前駆体を熱処理する熱処理工程を備えてもよい。 Moreover, in the manufacturing method of this invention, you may provide the heat processing process which heat-processes the precursor after washing | cleaning before a mixing process.
熱処理工程により、前駆体に含有され、次工程である焼成工程まで残留している水分を減少させることができる。前駆体中に残留している水分を除去することにより、製造される正極活物質中のリチウム以外の金属の原子数（Ｍｅ）とリチウム（Ｌｉ）の原子数の比（Ｌｉ／Ｍｅ）がばらつくことを防止できる。なお、正極活物質のＬｉ／Ｍｅにばらつきが生じない程度に水分が除去できればよく、必ずしも全ての複合水酸化物を複合酸化物に転換する必要はない。しかしながら、Ｌｉ／Ｍｅのばらつきをさらに低減させるためには、前駆体中の複合水酸化物を複合酸化物まで転換することが好ましい。 By the heat treatment step, moisture contained in the precursor and remaining until the next firing step can be reduced. By removing water remaining in the precursor, the ratio of the number of atoms of metals other than lithium (Me) to the number of atoms of lithium (Li) (Li / Me) in the positive electrode active material to be produced varies. Can be prevented. Note that it is sufficient that moisture can be removed to such an extent that variations in Li / Me of the positive electrode active material do not occur, and it is not always necessary to convert all the composite hydroxides to composite oxides. However, in order to further reduce the variation in Li / Me, it is preferable to convert the composite hydroxide in the precursor to the composite oxide.
熱処理工程においては、前駆体中の残留水分が除去される温度まで加熱されればよく、１０５℃〜８００℃とすることが好ましい。例えば、複合水酸化物を１０５℃以上に加熱すれば残留水分を除去することができる。なお、１０５℃未満では、残留水分を除去するために長時間を要するため工業的に適当でない。８００℃を超えると、複合酸化物に転換された粒子が焼結して凝集することがある。複合水酸化物を複合酸化物まで転換する場合は、３５０℃〜８００℃の温度で加熱することが好ましい。 In the heat treatment step, it may be heated to a temperature at which residual moisture in the precursor is removed, and is preferably 105 ° C to 800 ° C. For example, residual moisture can be removed by heating the composite hydroxide to 105 ° C. or higher. In addition, if it is less than 105 degreeC, since it takes a long time to remove a residual water | moisture content, it is not industrially suitable. When the temperature exceeds 800 ° C., the particles converted into the composite oxide may sinter and aggregate. When converting the composite hydroxide to the composite oxide, it is preferable to heat at a temperature of 350 ° C to 800 ° C.
熱処理を行う雰囲気は特に制限されるものではなく、簡易的に行える空気気流中において行うことが好ましい。また、熱処理時間は特に制限されないが、１時間未満では複合水酸化物中の残留水分の除去が十分に行われない場合があるので、少なくとも１時間以上が好ましく、５時間〜１５時間がより好ましい。そして、熱処理に用いられる設備は特に限定されるものではなく、複合水酸化物を空気気流中で加熱できるものであれば良く、送風乾燥器、ガス発生がない電気炉が好適に使用できる。 The atmosphere in which the heat treatment is performed is not particularly limited, and is preferably performed in an air stream that can be easily performed. In addition, the heat treatment time is not particularly limited, but if it is less than 1 hour, the residual moisture in the composite hydroxide may not be sufficiently removed, so it is preferably at least 1 hour or more and more preferably 5 hours to 15 hours. . And the installation used for heat processing is not specifically limited, What is necessary is just to be able to heat a composite hydroxide in an air stream, and an electric furnace without a blower dryer and gas generation can be used conveniently.
（３）混合工程
混合工程は、前駆体とリチウム化合物と混合してリチウム混合物を得る工程である。さらに、この工程で添加元素Ｍを含む化合物を加えてもよい。
なお、混合工程で用いられる前駆体は、洗浄後のニオブ含有遷移金属複合水酸化物および／または熱処理により該ニオブ含有遷移金属複合水酸化物が複合酸化物に転換された組成物を含む。
(3) Mixing step The mixing step is a step of mixing a precursor and a lithium compound to obtain a lithium mixture. Further, a compound containing the additive element M may be added in this step.
The precursor used in the mixing step includes a niobium-containing transition metal composite hydroxide after washing and / or a composition in which the niobium-containing transition metal composite hydroxide is converted into a composite oxide by heat treatment.
前駆体とリチウム化合物とは、リチウム混合物中のリチウム以外の金属の原子数（Ｍｅ）とリチウム（Ｌｉ）の原子数の比（Ｌｉ／Ｍｅ）が、０．９５〜１．２０となるように、混合される。つまり、リチウム混合物におけるＬｉ／Ｍｅが、本発明の正極活物質におけるＬｉ／Ｍｅと同じになるように混合される。これは、焼成工程前後で、Ｌｉ／Ｍｅは変化せず、混合工程で混合するＬｉ／Ｍｅが正極活物質におけるＬｉ／Ｍｅとなるからである。 The precursor and the lithium compound are such that the ratio of the number of atoms of metals other than lithium (Me) to the number of atoms of lithium (Li) (Li / Me) in the lithium mixture is 0.95 to 1.20. , Mixed. That is, it mixes so that Li / Me in a lithium mixture may become the same as Li / Me in the positive electrode active material of this invention. This is because Li / Me does not change before and after the firing step, and Li / Me mixed in the mixing step becomes Li / Me in the positive electrode active material.
一方、後述のように焼成後に（５）水洗工程を含む場合には、水洗によりＬｉ／Ｍｅが減少する。したがって、（５）水洗工程を含む場合には、Ｌｉ／Ｍｅの減少分を見越して前駆体とリチウム化合物とを混合することが好ましい。Ｌｉ／Ｍｅの減少分は、焼成条件や水洗条件により変動するが、０．０５〜０．１程度であり、予備試験として少量の正極活物質を製造することにより減少分を確認することも可能である。 On the other hand, as will be described later, when a (5) water washing step is included after firing, Li / Me decreases by water washing. Therefore, when the (5) water washing step is included, it is preferable to mix the precursor and the lithium compound in anticipation of the decrease in Li / Me. The decrease in Li / Me varies depending on the firing conditions and washing conditions, but is about 0.05 to 0.1. It is possible to confirm the decrease by manufacturing a small amount of positive electrode active material as a preliminary test. It is.
リチウム化合物は特に限定されるものではなく、例えば、水酸化リチウム、硝酸リチウム又は炭酸リチウム、もしくはその混合物は入手が容易であるという点で好ましい。特に、取り扱いの容易さ、品質の安定性を考慮すると、水酸化リチウムを用いることがより好ましい。 The lithium compound is not particularly limited. For example, lithium hydroxide, lithium nitrate, lithium carbonate, or a mixture thereof is preferable in that it is easily available. In particular, lithium hydroxide is more preferably used in consideration of easy handling and quality stability.
リチウム混合物は、焼成前に十分混合しておくことが好ましい。混合が十分でない場合には、個々の粒子間でＬｉ／Ｍｅがばらつき、十分な電池特性が得られない間などの問題が生じる可能性がある。また、混合には、一般的な混合機を使用することができ、例えばシェーカーミキサーやレーディゲミキサー、ジュリアミキサー、Ｖブレンダーなどを用いることができ、複合水酸化物粒子などの形骸が破壊されない程度で、前駆体とリチウム化合物とが十分に混合されればよい。 The lithium mixture is preferably mixed well before firing. If the mixing is not sufficient, Li / Me varies among individual particles, and problems such as a time when sufficient battery characteristics cannot be obtained may occur. Moreover, a general mixer can be used for mixing, for example, a shaker mixer, a Laedige mixer, a Julia mixer, a V blender, etc. can be used, and a complex body such as composite hydroxide particles is not destroyed. It is sufficient that the precursor and the lithium compound are sufficiently mixed.
（４）焼成工程
焼成工程は、上記混合工程で得られたリチウム混合物を酸化雰囲気中７００℃〜８２０℃、好ましくは７００℃〜８００℃で焼成して、リチウム遷移金属複合酸化物を形成する工程である。
(4) Firing step The firing step is a step of firing the lithium mixture obtained in the above mixing step in an oxidizing atmosphere at 700 ° C to 820 ° C, preferably 700 ° C to 800 ° C to form a lithium transition metal composite oxide. It is.
リチウム混合物を焼成すると、前駆体にリチウム化合物中のリチウムが拡散するので、リチウム遷移金属複合酸化物が形成される。焼成温度が７００℃未満であると、前駆体中へのリチウムの拡散が十分に行われなくなり、余剰のリチウムや未反応の粒子が残ったり、結晶構造が十分整わなくなったりして、十分な電池特性が得られないという問題が生じる。また、焼成温度が８２０℃を超えると、形成されたリチウム遷移金属複合酸化物粒子間で激しく焼結が生じるとともに、異常粒成長を生じる可能性がある。異常粒成長が生じると、焼成後の粒子が粗大となってしまい粒子形態を保持できなくなる可能性があり、正極活物質を形成したときに、比表面積が低下して正極の抵抗が上昇して電池容量が低下するという問題が生じる。 When the lithium mixture is fired, lithium in the lithium compound diffuses into the precursor, so that a lithium transition metal composite oxide is formed. If the firing temperature is less than 700 ° C., sufficient diffusion of lithium into the precursor will not be performed, and excess lithium and unreacted particles may remain, or the crystal structure may not be sufficiently arranged, so that a sufficient battery can be obtained. There arises a problem that characteristics cannot be obtained. When the firing temperature exceeds 820 ° C., intense sintering may occur between the formed lithium transition metal composite oxide particles, and abnormal grain growth may occur. If abnormal grain growth occurs, the particles after firing become coarse and may not retain the particle form, and when the positive electrode active material is formed, the specific surface area decreases and the positive electrode resistance increases. There arises a problem that the battery capacity decreases.
焼成時間は、少なくとも３時間以上とすることが好ましく、より好ましくは、６時間〜２４時間である。３時間未満では、リチウム遷移金属複合酸化物の生成が十分に行われないことがあるからである。また、焼成時の雰囲気は、酸化性雰囲気とすることが好ましく、特に、酸素濃度が１８容量％〜１００容量％の雰囲気とすることがより好ましい。すなわち、焼成は、大気ないしは酸素気流中で行うことが好ましい。これは、酸素濃度が１８容量％未満であると、十分に酸化できず、リチウム遷移金属複合酸化物の結晶性が十分でない状態になる可能性があるからである。特に電池特性を考慮すると、酸素気流中で行うことが好ましい。 The firing time is preferably at least 3 hours or more, more preferably 6 hours to 24 hours. This is because if it is less than 3 hours, the lithium transition metal composite oxide may not be sufficiently produced. The atmosphere during firing is preferably an oxidizing atmosphere, and more preferably an oxygen concentration of 18% by volume to 100% by volume. That is, firing is preferably performed in the air or in an oxygen stream. This is because, if the oxygen concentration is less than 18% by volume, it cannot be oxidized sufficiently and the crystallinity of the lithium transition metal composite oxide may be insufficient. Considering battery characteristics in particular, it is preferably performed in an oxygen stream.
焼成工程においては、７００℃〜８３０℃の温度で焼成する前に、上記焼成温度より低い温度であって、リチウム化合物と前駆体が反応し得る温度で仮焼することが好ましい。このような温度でリチウム混合物を保持することにより、前駆体へのリチウムの拡散が十分に行われ、均一なリチウム遷移金属複合酸化物を得ることができる。例えば、水酸化リチウムを使用する場合であれば、４００℃〜５５０℃の温度で１時間〜１０時間程度保持して仮焼することが好ましい。 In the firing step, before firing at a temperature of 700 ° C. to 830 ° C., it is preferable to calcine at a temperature lower than the above firing temperature and a temperature at which the lithium compound and the precursor can react. By holding the lithium mixture at such a temperature, lithium is sufficiently diffused into the precursor, and a uniform lithium transition metal composite oxide can be obtained. For example, in the case of using lithium hydroxide, it is preferable to perform calcining by holding at a temperature of 400 ° C. to 550 ° C. for about 1 hour to 10 hours.
焼成に用いられる炉は、特に限定されるものではなく、大気ないしは酸素気流中でリチウム混合物を焼成できるものであればよく、バッチ式あるいは連続式の電気炉が好ましい。
焼成によって得られたリチウム遷移金属複合酸化物は、粒子間の焼結は抑制されているが、弱い焼結や凝集により粗大な粒子を形成していることがある。このような場合には、解砕により上記焼結や凝集を解消して粒度分布を調整することが好ましい。
The furnace used for firing is not particularly limited as long as the lithium mixture can be fired in the atmosphere or an oxygen stream, and a batch type or continuous type electric furnace is preferable.
In the lithium transition metal composite oxide obtained by firing, sintering between particles is suppressed, but coarse particles may be formed by weak sintering or aggregation. In such a case, it is preferable to adjust the particle size distribution by crushing to eliminate the sintering and aggregation.
（５）水洗工程
水洗工程は、上記リチウム遷移金属複合酸化物を水洗した後、濾過、乾燥する工程である。
上記（４）焼成工程によって得られたリチウム遷移金属複合酸化物は、そのままの状態でも正極活物質として十分用いることが出来るが、粒子表面の余剰リチウムを除去することにより、電解液と接触可能な表面積が増加して充放電容量を向上させることができる。そのため、焼成工程後に水洗工程を経ることが好ましい。また、粒子表面に形成された脆弱部も十分に除去されるため、電解液との接触が増加して充放電容量を向上させることができる。
(5) Water washing step The water washing step is a step of filtering and drying the lithium transition metal composite oxide after washing with water.
The lithium transition metal composite oxide obtained by the above (4) firing step can be sufficiently used as a positive electrode active material as it is, but can be brought into contact with the electrolytic solution by removing excess lithium on the particle surface. The surface area can be increased and the charge / discharge capacity can be improved. Therefore, it is preferable to go through a water washing step after the firing step. Moreover, since the weak part formed in the particle | grain surface is fully removed, a contact with electrolyte solution can increase and charge / discharge capacity can be improved.
さらに、余剰リチウムは、非水系二次電池内において副反応を引き起こしガス発生による電池の膨張などの原因となるため、安全性向上の観点からも水洗することが好ましい。
水洗する際のスラリー濃度としては、スラリー中に含まれる水１Ｌに対する上記リチウム遷移金属複合酸化物の量（ｇ）が１００ｇ〜２０００ｇであることが好ましい。すなわち、スラリー濃度が濃いほど粉末量が多くなり、２０００ｇ／Ｌを超えると、粘度も非常に高いため攪拌が困難となるばかりか、液中のアルカリが高いので平衡の関係から付着物の溶解速度が遅くなったり、剥離が起きても粉末からの分離が難しくなる。一方、スラリー濃度が１００ｇ／Ｌ未満では、希薄過ぎるためリチウムの溶出量が多く、表面のリチウム量は少なくなるが、正極活物質の結晶格子中からのリチウムの脱離も起きるようになり、結晶が崩れやすくなるばかりか、高ｐＨの水溶液が大気中の炭酸ガスを吸収して炭酸リチウムを再析出する。
Furthermore, since excess lithium causes a side reaction in the non-aqueous secondary battery and causes expansion of the battery due to gas generation, it is preferably washed with water from the viewpoint of improving safety.
As a slurry concentration at the time of washing with water, the amount (g) of the lithium transition metal composite oxide with respect to 1 L of water contained in the slurry is preferably 100 g to 2000 g. That is, as the slurry concentration increases, the amount of powder increases. When the slurry concentration exceeds 2000 g / L, the viscosity is very high and stirring becomes difficult. However, it becomes difficult to separate the powder from the powder even when peeling occurs. On the other hand, when the slurry concentration is less than 100 g / L, the amount of lithium elution is large and the amount of lithium on the surface is small due to being too dilute. However, lithium desorption from the crystal lattice of the positive electrode active material also occurs. Not only tends to collapse, but the aqueous solution having a high pH absorbs carbon dioxide in the atmosphere and reprecipitates lithium carbonate.
使用される水としては、特に限定されるものではなく、純水が好ましい。純水を用いることにより、正極活物質への不純物の付着による電池性能の低下を防ぐことができる。 The water used is not particularly limited, and pure water is preferable. By using pure water, it is possible to prevent a decrease in battery performance due to adhesion of impurities to the positive electrode active material.
上記濾過装置は、通常用いられる濾過装置であればよく、吸引濾過機、フィルタープレスや遠心機などを用いることができる。濾過装置を用いた、上記スラリーの固液分離時の粒子表面に残存する付着水は、少ないことが好ましい。付着水が多いと液中に溶解したリチウムが再析出し、乾燥後リチウム遷移金属複合酸化物粒子の表面に存在するリチウム量が増加する。 The filtration device may be any filtration device that is normally used, and a suction filter, a filter press, a centrifuge, or the like can be used. It is preferable that the amount of adhering water remaining on the particle surface at the time of solid-liquid separation of the slurry using a filtration device is small. When the amount of adhering water is large, lithium dissolved in the liquid is reprecipitated, and the amount of lithium existing on the surface of the lithium transition metal composite oxide particles after drying increases.
上記乾燥の温度としては、特に限定されるものではなく、好ましくは８０℃〜３５０℃である。８０℃未満では、水洗後の正極活物質の乾燥が遅くなるため、粒子表面と粒子内部とでリチウム濃度の勾配が起こり、電池特性が低下することがある。一方、正極活物質の表面付近では化学量論比にきわめて近いか、もしくは若干リチウムが脱離して充電状態に近い状態になっていることが予想されるので、３５０℃を超える温度では、充電状態に近い結晶構造が崩れる契機になり、電池特性の低下を招く恐れがある。 The drying temperature is not particularly limited, and is preferably 80 ° C to 350 ° C. If the temperature is less than 80 ° C., the drying of the positive electrode active material after washing with water becomes slow, so that a gradient of lithium concentration occurs between the particle surface and the inside of the particle, and the battery characteristics may be deteriorated. On the other hand, near the surface of the positive electrode active material, it is expected that it is very close to the stoichiometric ratio, or slightly desorbed lithium and close to the charged state. As a result, the crystal structure close to 1 may be destroyed, and the battery characteristics may be deteriorated.
２．非水系電解質二次電池用正極活物質 本発明の非水系電解質二次電池用正極活物質について、（１）組成、（２）不純物含有量、（３）結晶子径、（４）粒径、（５）構造、（６）比表面積、の項目毎に詳しく説明する。 2. Positive electrode active material for non-aqueous electrolyte secondary battery About the positive electrode active material for non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention, (1) composition, (2) impurity content, (3) crystallite diameter, (4) particle diameter, Each item of (5) structure and (6) specific surface area will be described in detail.
（１）組成
本発明の非水系電解質二次電池用正極活物質は、一般式ＬｉｄＮｉ１−ａ−ｂ−ｃＣｏａＭｂＮｂｃＯ２（但し、ＭはＭｎ、Ｖ、Ｍｇ、Ｔｉ及びＡｌから選ばれる少なくとも１種の元素であり、０．０５≦ａ≦０．３５、０≦ｂ≦０．１０、０．００６≦ｃ≦０．０５、０．９５≦ｄ≦１．２０である。）で表されるリチウム遷移金属複合酸化物からなることを特徴とする。
(1) The positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery of the composition present invention is represented by the general formula Li d Ni 1-a-b -c Co a M b Nb c O 2 ( where, M is Mn, V, Mg, At least one element selected from Ti and Al, 0.05 ≦ a ≦ 0.35, 0 ≦ b ≦ 0.10, 0.006 ≦ c ≦ 0.05, 0.95 ≦ d ≦ 1. 20)).
上記一般式においてコバルト含有量を示すａは、０．０５≦ａ≦０．３５であり、好ましくは０．０７≦ａ≦０．２０である。コバルトはサイクル特性の向上に寄与する添加元素であるが、ａが０．０５未満になると、期待する十分なサイクル特性を得ることはできず、容量維持率も低下してしまうため好ましくない。また、ａが０．３５を超えると、初期放電容量の低下が大きくなってしまうため好ましくない。 In the above general formula, a indicating the cobalt content is 0.05 ≦ a ≦ 0.35, and preferably 0.07 ≦ a ≦ 0.20. Cobalt is an additive element that contributes to improving the cycle characteristics. However, if a is less than 0.05, the expected cycle characteristics cannot be obtained and the capacity retention rate is lowered, which is not preferable. On the other hand, if a exceeds 0.35, the initial discharge capacity is greatly reduced, which is not preferable.
次にニオブ含有量を示すｃは、０．００６≦ｃ≦０．０５であり、好ましくは０．０１≦ｃ≦０．０５、より好ましくは０．０１≦ｃ≦０．０４である。ニオブは、リチウム遷移金属複合酸化物の脱酸素による熱分解反応の抑制に寄与していると考えられ、安全性の改善に効果がある添加元素である。ｃが０．００６未満になると、ニオブ含有量が少なすぎて安全性の改善が不十分となる。一方、安全性は、ニオブ含有量に応じて向上するが、ｃの値が０．０５を超えると充放電容量が低下してしまう。また、サイクル特性についても、低下が見られる。 Next, c indicating the niobium content is 0.006 ≦ c ≦ 0.05, preferably 0.01 ≦ c ≦ 0.05, and more preferably 0.01 ≦ c ≦ 0.04. Niobium is an additive element that is thought to contribute to the suppression of the thermal decomposition reaction by deoxygenation of the lithium transition metal composite oxide and is effective in improving safety. When c is less than 0.006, the niobium content is too small and the improvement in safety becomes insufficient. On the other hand, the safety is improved according to the niobium content. However, when the value of c exceeds 0.05, the charge / discharge capacity decreases. In addition, the cycle characteristics are also reduced.
ニオブ存在形態は、リチウム遷移金属複合酸化物中に固溶、又は、リチウム遷移金属複合酸化物の結晶粒界あるいは粒子表面にリチウムニオブ複合酸化物として存在してもいずれでもよく、固溶していることが好ましい。ここで、固溶とは、透過型電子顕微鏡のＥＤＸ測定によりニオブ化合物がほとんど検出されない状態を意味する。固溶することにより、少量添加でも上記熱分解反応の抑制効果を高めることができる。
さらに、固溶している場合には、結晶粒界と粒内のＮｂ濃度比（結晶粒界のＮｂ濃度／粒内のＮｂ濃度）が４倍以下であることが好ましく、３倍以下であることがより好ましい。なお、結晶粒界と粒内のＮｂ濃度比は、透過型電子顕微鏡のＥＤＸ測定結果より求めることができる。
The form of niobium may be either solid solution in the lithium transition metal composite oxide, or may be present as lithium niobium composite oxide at the crystal grain boundary or particle surface of the lithium transition metal composite oxide. Preferably it is. Here, solid solution means a state in which a niobium compound is hardly detected by EDX measurement with a transmission electron microscope. By dissolving in a solid solution, the effect of suppressing the thermal decomposition reaction can be enhanced even when a small amount is added.
Further, in the case of solid solution, the Nb concentration ratio between the grain boundary and the grain (Nb concentration in the grain boundary / Nb concentration in the grain) is preferably 4 times or less, and preferably 3 times or less. It is more preferable. The Nb concentration ratio between the crystal grain boundary and the grain can be obtained from the EDX measurement result of a transmission electron microscope.
添加元素であるＭは、Ｍｎ、Ｖ、Ｍｇ、Ｔｉ及びＡｌから選ばれる少なくとも１種の元素であり、サイクル特性や安全性などの電池特性の向上のために添加することができ、その含有量添加量を示すｂは、０≦ｂ≦０．１０である。ｂが０．１０を超えると、サイクル特定や安全性などの電池特性はより向上するが、初期放電容量の低下が大きくなり好ましくない。さらに、Ｍを必ず含む０＜ｂ≦０．１０あることで、優れたサイクル特性を発現させることができるため、ｂはこの範囲であることが好ましい。 The additive element M is at least one element selected from Mn, V, Mg, Ti and Al, and can be added to improve battery characteristics such as cycle characteristics and safety, and its content “B” indicating the addition amount is 0 ≦ b ≦ 0.10. When b exceeds 0.10, battery characteristics such as cycle identification and safety are further improved, but the initial discharge capacity is greatly decreased, which is not preferable. Furthermore, since 0 <b ≦ 0.10, in which M is always included, excellent cycle characteristics can be expressed, and therefore b is preferably in this range.
Ｌｉ／Ｍｅを示すｄは、０．９５≦ｄ≦１．２０であり、好ましくは０．９８≦ｄ≦１．１０、より好ましくは１．００≦ｄ≦１．０８である。ｄの値が０．９５未満になると充放電容量が低下する。一方、ｄの値が大きくなるに応じて充放電容量は増加するが、ｄが１．２０を超えると、安全性が低下してしまう。 D representing Li / Me is 0.95 ≦ d ≦ 1.20, preferably 0.98 ≦ d ≦ 1.10, and more preferably 1.00 ≦ d ≦ 1.08. When the value of d is less than 0.95, the charge / discharge capacity decreases. On the other hand, the charge / discharge capacity increases as the value of d increases, but when d exceeds 1.20, the safety is lowered.
（２）不純物含有量
上記リチウム遷移複合金属酸化物は、硫酸根含有量が０．２質量％以下、好ましくは０．１５質量％以下であり、かつ塩素含有量が０．１質量％以下、好ましくは０．０８重量％以下、より好ましくは０．０５重量％以下であることを特徴とする。ここで、リチウム遷移金属複合酸化物に含有される硫酸根や塩素は、上記晶析工程で用いた原料に由来する。
(2) Impurity content The lithium transition composite metal oxide has a sulfate radical content of 0.2 mass% or less, preferably 0.15 mass% or less, and a chlorine content of 0.1 mass% or less. It is preferably 0.08% by weight or less, more preferably 0.05% by weight or less. Here, the sulfate radical and chlorine contained in the lithium transition metal composite oxide are derived from the raw materials used in the crystallization step.
リチウム遷移複合金属酸化物中の硫酸根含有量が、０．２質量％を超えると、電池を構成する際、正極材料の不可逆容量に相当する分、負極材料を余計に電池に使用せざるを得ず、その結果、電池全体としての重量当たり及び体積当たりの容量が小さくなる上、不可逆容量として負極に蓄積された余分なリチウムは安全性の面からも問題となるため好ましくない。 If the sulfate group content in the lithium transition composite metal oxide exceeds 0.2% by mass, when the battery is constructed, the negative electrode material must be used in the battery by an amount corresponding to the irreversible capacity of the positive electrode material. As a result, the capacity per unit weight and volume of the battery as a whole is reduced, and excess lithium accumulated in the negative electrode as an irreversible capacity becomes a problem from the viewpoint of safety, which is not preferable.
一方、塩素含有量が０．１質量％を超えると、硫酸根の場合と同様に、電池容量の低下や安全性の問題がある。さらに、塩素は主にＬｉＣｌやＮａＣｌの形態での形態で含まれており、これらは吸湿性が高いため、電池内部に水分を持ち込む要因となり、電池の劣化の原因となる。 On the other hand, when the chlorine content exceeds 0.1% by mass, there are problems in battery capacity reduction and safety, as in the case of sulfate radicals. Furthermore, chlorine is mainly contained in the form of LiCl and NaCl, and these have high hygroscopicity, which causes moisture to be brought into the battery and causes deterioration of the battery.
（３）結晶子径
上記リチウム遷移金属複合酸化物の結晶子径は、１０〜１００ｎｍが好ましく、３０〜１００ｎｍがより好ましく、５０〜１００ｎｍがさらに好ましい。結晶子径が１０ｎｍ未満になると、結晶粒界が多くなり過ぎて活物質の抵抗が増加するため、十分な充放電容量が得られないことがある。一方、結晶子径が１００ｎｍを越えると、結晶成長が進みすぎて、層状化合物であるリチウム遷移金属複合酸化物のリチウム層にニッケルが混入するカチオンミキシングが起こり、充放電容量が減少する。
(3) Crystallite diameter The crystallite diameter of the lithium transition metal composite oxide is preferably 10 to 100 nm, more preferably 30 to 100 nm, and still more preferably 50 to 100 nm. When the crystallite diameter is less than 10 nm, the crystal grain boundary increases so much that the resistance of the active material increases, so that sufficient charge / discharge capacity may not be obtained. On the other hand, when the crystallite diameter exceeds 100 nm, crystal growth proceeds excessively, and cation mixing in which nickel is mixed into the lithium layer of the lithium transition metal composite oxide, which is a layered compound, occurs, and the charge / discharge capacity decreases.
（４）粒径
上記リチウム遷移金属複合酸化物の平均粒径は、レーザー散乱法測定による体積積算５０％径であるＤ５０として５μｍ〜２０μｍであることが好ましい。５μｍ未満になると、電池の正極に用いた場合に充填密度が低下して体積当たりの充放電容量が十分に得られない場合がある。一方、２０μｍを超えると、電解液との接触面積が十分に得られず、充放電容量が低下することがある。
(4) Particle size The average particle size of the lithium transition metal composite oxide is preferably 5 μm to 20 μm as D50 which is a 50% volume integrated diameter by laser scattering measurement. When the thickness is less than 5 μm, when used for the positive electrode of the battery, the packing density may decrease, and the charge / discharge capacity per volume may not be sufficiently obtained. On the other hand, when it exceeds 20 μm, a sufficient contact area with the electrolytic solution cannot be obtained, and the charge / discharge capacity may be reduced.
（５）構造
上記リチウム遷移金属複合酸化物は多孔質構造を有していることが好ましい。本明細書において多孔質構造とは、走査型電子顕微鏡の断面観察により確認可能な大きさを有する空隙（空隙外縁の任意の２点間の距離が０．３μｍ以上）を複数個有する構造をいう。多孔質構造を有しているリチウム遷移金属複合酸化物は、晶析工程において、ｐＨやアンモニア濃度などを最適化することで得ることができるが、該構造物は被覆（コート）法の方がより容易に得られる。
上記リチウム遷移金属複合酸化物の多孔質構造としては、最大長さが３μｍ以下と確認できる複数の空隙を結晶粒界に有していることが好ましい。これにより、電池の正極に用いられた場合に電解液と接触できる粒子表面が大幅に増加し、ニオブ添加による充放電容量の低下を補って、安全性を確保しながら十分な充放電容量を得ることができる。
(5) Structure The lithium transition metal composite oxide preferably has a porous structure. In this specification, the porous structure refers to a structure having a plurality of voids (a distance between any two points on the outer edge of the void is 0.3 μm or more) having a size that can be confirmed by cross-sectional observation with a scanning electron microscope. . The lithium transition metal composite oxide having a porous structure can be obtained by optimizing the pH, ammonia concentration, etc. in the crystallization process, but the structure is better coated (coating) method. More easily obtained.
The porous structure of the lithium transition metal composite oxide preferably has a plurality of voids at the crystal grain boundaries whose maximum length can be confirmed to be 3 μm or less. This greatly increases the particle surface that can come into contact with the electrolyte when used in the positive electrode of a battery, compensates for the decrease in charge / discharge capacity due to the addition of niobium, and obtains sufficient charge / discharge capacity while ensuring safety. be able to.
（６）比表面積
上記リチウム遷移金属複合酸化物の比表面積が、好ましくは１．４〜７．０ｍ２／ｇであり、より好ましくは１．５〜５．０ｍ２／ｇ、さらに好ましくは１．５〜４．０ｍ２／ｇである。比表面積が１．４ｍ２／ｇ未満になると、電解液と接触できる粒子表面が少なくなり、十分な充放電容量が得られない。一方、比表面積が７．０ｍ２／ｇを超えると、電解液と接触する粒子表面が多くなり過ぎて安全性が低下する。
(6) Specific surface area The specific surface area of the lithium transition metal composite oxide is preferably 1.4 to 7.0 m 2 / g, more preferably 1.5 to 5.0 m 2 / g, still more preferably 1. .5 to 4.0 m 2 / g. When the specific surface area is less than 1.4 m 2 / g, the particle surface that can come into contact with the electrolytic solution decreases, and a sufficient charge / discharge capacity cannot be obtained. On the other hand, when the specific surface area exceeds 7.0 m 2 / g, the particle surface that comes into contact with the electrolytic solution increases so much that the safety is lowered.
３．非水系電解質二次電池
本発明に係る非水系電解質二次電池は、一般の非水系電解質二次電池と同様に、（１）正極、（２）負極、（３）セパレータ、（４）非水電解液から構成される。
以下、非水系電解質二次電池の実施形態について、各構成要素及び、（５）電池の形状と構成について詳しく説明する。
3. Non-aqueous electrolyte secondary battery The non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention includes (1) a positive electrode, (2) a negative electrode, (3) a separator, and (4) non-aqueous, as in a general non-aqueous electrolyte secondary battery. Consists of electrolyte.
Hereinafter, the embodiment of the nonaqueous electrolyte secondary battery will be described in detail with respect to each component and (5) the shape and configuration of the battery.
（１）正極
正極を形成する正極合材及びそれを構成する各材料について説明する。本発明の粉末状の正極活物質と、導電材、結着剤とを混合し、さらに必要に応じて活性炭、粘度調整などの目的の溶剤を添加し、これを混練して正極合材ペーストを作製する。正極合材中のそれぞれの材料の混合比も、リチウム二次電池の性能を決定する重要な要素となる。
(1) Positive Electrode A positive electrode mixture forming the positive electrode and each material constituting the positive electrode mixture will be described. The powdered positive electrode active material of the present invention, a conductive material, and a binder are mixed, and if necessary, a target solvent such as activated carbon and viscosity adjustment is added, and this is kneaded to obtain a positive electrode mixture paste. Make it. The mixing ratio of the respective materials in the positive electrode mixture is also an important factor that determines the performance of the lithium secondary battery.
正極合材中の各材料の混合比は、特に限定されないが、一般のリチウム二次電池の正極と同様、溶剤を除いた正極合材の固形分の全質量１００質量％に対して、それぞれ、正極活物質を６０〜９５質量％、導電材を１〜２０質量％、結着剤を１〜２０質量％含有することが望ましい。 The mixing ratio of each material in the positive electrode mixture is not particularly limited, but as with the positive electrode of a general lithium secondary battery, the total mass of the solid content of the positive electrode mixture excluding the solvent is 100% by mass, respectively. It is desirable to contain 60 to 95 mass% of the positive electrode active material, 1 to 20 mass% of the conductive material, and 1 to 20 mass% of the binder.
得られた正極合材ペーストは、例えば、アルミニウム箔製の集電体の表面に塗布し、乾燥して溶剤を飛散させる。必要に応じ、電極密度を高めるべくロールプレスなどにより加圧することもある。このようにしてシート状の正極を作製することができる。シート状の正極は、目的とする電池に応じて適当な大きさに裁断などし、電池の作製に供することができる。ただし、正極の作製方法は、上記例示のものに限られることなく、他の方法に依ってもよい。 The obtained positive electrode mixture paste is applied to the surface of a current collector made of aluminum foil, for example, and dried to disperse the solvent. If necessary, pressurization may be performed by a roll press or the like to increase the electrode density. In this way, a sheet-like positive electrode can be produced. The sheet-like positive electrode can be cut into an appropriate size according to the target battery and used for battery production. However, the manufacturing method of the positive electrode is not limited to the above-described examples, and may depend on other methods.
上記正極の作製にあたって、導電剤としては、例えば、黒鉛（天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛など）やアセチレンブラック、ケッチェンブラックなどのカーボンブラック系材料などを用いることができる。 In producing the positive electrode, as the conductive agent, for example, graphite (natural graphite, artificial graphite, expanded graphite, etc.), carbon black materials such as acetylene black, ketjen black, and the like can be used.
また、結着剤（バインダー）は、活物質粒子をつなぎ止める役割を果たすもので、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、エチレンプロピレンジエンゴム、フッ素ゴムなどの含フッ素樹脂、スチレンブタジエン、セルロース系樹脂、ポリアクリル酸、ポリプロピレン、ポリエチレンなどを用いることができる。 In addition, the binder (binder) plays a role of holding the active material particles. For example, a fluorine-containing resin such as polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, ethylene propylene diene rubber, fluorine rubber, styrene butadiene, or cellulose Resin, polyacrylic acid, polypropylene, polyethylene and the like can be used.
必要に応じ、正極活物質、導電材、活性炭を分散させ、結着剤を溶解する溶剤を正極合材に添加する。溶剤としては、具体的にはＮ−メチル−２−ピロリドンなどの有機溶剤を用いることができる。また、正極合材には電気二重層容量を増加させるために活性炭を添加することができる。 If necessary, a positive electrode active material, a conductive material, and activated carbon are dispersed, and a solvent that dissolves the binder is added to the positive electrode mixture. Specifically, an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone can be used as the solvent. Moreover, activated carbon can be added to the positive electrode mixture in order to increase the electric double layer capacity.
（２）負極
負極には、金属リチウム、リチウム合金など、また、リチウムイオンを吸蔵・脱離できる負極活物質に結着剤を混合し、適当な溶剤を加えてペースト状にした負極合材を、銅などの金属箔集電体の表面に塗布、乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成したものを使用する。
(2) Negative electrode For the negative electrode, metallic lithium, lithium alloy, or the like, and a negative electrode mixture made by mixing a binder with a negative electrode active material capable of occluding and desorbing lithium ions and adding an appropriate solvent to form a paste. A metal foil such as copper is applied on the surface of the current collector, dried, and compressed as necessary to increase the electrode density.
負極活物質としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、フェノール樹脂などの有機化合物焼成体、コークスなどの炭素物質の粉状体を用いることができる。この場合、負極結着剤としては、正極同様、ポリフッ化ビニリデンなどの含フッ素樹脂などを用いることができ、これら活物質及び結着剤を分散させる溶剤としてはＮ−メチル−２−ピロリドンなどの有機溶剤を用いることができる。 As the negative electrode active material, for example, natural graphite, artificial graphite, a fired organic compound such as phenol resin, or a powdery substance of carbon material such as coke can be used. In this case, as the negative electrode binder, a fluorine-containing resin such as polyvinylidene fluoride can be used as in the positive electrode, and the active material and the solvent for dispersing the binder include N-methyl-2-pyrrolidone. Organic solvents can be used.
（３）セパレータ
正極と負極との間にはセパレータを挟み込んで配置する。セパレータは、正極と負極とを分離し電解質を保持するものであり、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの薄い膜で、微少な穴を多数有する膜を用いることができる。
(3) Separator A separator is interposed between the positive electrode and the negative electrode. The separator separates the positive electrode and the negative electrode and retains the electrolyte, and a thin film such as polyethylene or polypropylene and a film having many minute holes can be used.
（４）非水系電解液
非水系電解液は、支持塩としてのリチウム塩を有機溶媒に溶解したものである。有機溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、トリフルオロプロピレンカーボネートなどの環状カーボネート、また、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジプロピルカーボネートなどの鎖状カーボネート、さらに、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、ジメトキシエタンなどのエーテル化合物、エチルメチルスルホン、ブタンスルトンなどの硫黄化合物、リン酸トリエチル、リン酸トリオクチルなどのリン化合物などから選ばれる１種を単独で、あるいは２種以上を混合して用いることができる。
支持塩としては、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２など、及びそれらの複合塩を用いることができる。
さらに、非水系電解液は、ラジカル補足剤、界面活性剤及び難燃剤などを含んでいてもよい。
(4) Non-aqueous electrolyte The non-aqueous electrolyte is obtained by dissolving a lithium salt as a supporting salt in an organic solvent. Examples of the organic solvent include cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, and trifluoropropylene carbonate, chain carbonates such as diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, and dipropyl carbonate, and tetrahydrofuran, 2- One kind selected from ether compounds such as methyltetrahydrofuran and dimethoxyethane, sulfur compounds such as ethylmethylsulfone and butanesultone, and phosphorus compounds such as triethyl phosphate and trioctyl phosphate are used alone or in admixture of two or more. be able to.
As the supporting salt, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , and complex salts thereof can be used.
Furthermore, the non-aqueous electrolyte solution may contain a radical scavenger, a surfactant, a flame retardant, and the like.
（５）電池の形状、構成
以上説明してきた正極、負極、セパレータ及び非水系電解液で構成される本発明に係るリチウム二次電池の形状は、円筒型、積層型など、種々のものとすることができる。
いずれの形状を採る場合であっても、正極及び負極にセパレータを介して積層させて電極体とし、この電極体に上記非水電解液を含浸させる。正極集電体と外部に通ずる正極端子との間、並びに負極集電体と外部に通ずる負極端子との間に集電用リードなどを用いて接続する。以上の構成のものを電池ケースに密閉して電池を完成させることができる。
(5) Shape and configuration of battery The shape of the lithium secondary battery according to the present invention composed of the positive electrode, the negative electrode, the separator, and the non-aqueous electrolyte described above is various, such as a cylindrical type and a laminated type. be able to.
In any case, the positive electrode and the negative electrode are laminated via a separator to form an electrode body, and the electrode body is impregnated with the non-aqueous electrolyte. A current collecting lead or the like is used for connection between the positive electrode current collector and the positive electrode terminal communicating with the outside, and between the negative electrode current collector and the negative electrode terminal communicating with the outside. The battery having the above structure can be sealed in a battery case to complete the battery.
以下、本発明の実施例及び比較例によって本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によってなんら限定されるものではない。なお、実施例及び比較例は、以下の装置及び方法を用いた測定結果により評価した。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples of the present invention, but the present invention is not limited to these Examples. In addition, an Example and a comparative example were evaluated by the measurement result using the following apparatuses and methods.
（１）組成、硫酸根含有量：ＩＣＰ発光分光分析装置（株式会社島津製作所製、ＩＣＰＳ−８１００）で測定した。なお、硫酸根の測定は、ＩＣＰ発光分析により硫黄元素を測定し、この測定された硫黄元素の量をＳＯ４に換算することにより求めた。
（２）塩素含有量：自動滴定装置（平沼産業株式会社製、ＣＯＭ−１６００）で測定した。
（３）ニオブ存在形態：走査型電子顕微鏡（日本電子株式会社製、ＪＳＭ−６３６０ＬＡ）付属のＥＤＸにより、断面を分析した。
（４）結晶子径：Ｘ線回折装置（パナリティカル社製、Ｘ‘Ｐｅｒｔ ＰＲＯ）を用いて、得られた回折パターンにおける（００３）面の２θおよび半値幅を用いてＳｃｅｒｒｅｒの式により算出した。
（５）比表面積：比表面積測定装置（ユアサアイオニクス株式会社製、カンタソーブＱＳ−１０）を用いて、ＢＥＴ法により測定した。
（６）濾過性の評価：定量濾紙（アドバンテック東洋社製、Ｎｏ．５Ｃ、φ＝９０ｍｍ）を用いて、スラリー濃度２００ｇ／Ｌのスラリー１Ｌを吸引濾過した際に濾過が完了するまでの時間が１分間以内のものを「◎」、５分間以内のものを「○」、１０分間以内のものを「△」、１０分間を超えるものを「×」と評価した。
(1) Composition, sulfate radical content: Measured with an ICP emission spectroscopic analyzer (ICPS-8100, manufactured by Shimadzu Corporation). The sulfate radical was measured by measuring sulfur element by ICP emission analysis and converting the measured amount of sulfur element into SO4.
(2) Chlorine content: Measured with an automatic titrator (Hiranuma Sangyo Co., Ltd., COM-1600).
(3) Niobium presence form: The cross section was analyzed by EDX attached to a scanning electron microscope (JSM-6360LA, manufactured by JEOL Ltd.).
(4) Crystallite diameter: Calculated by the Scerler's equation using 2θ and half-value width of (003) plane in the obtained diffraction pattern, using an X-ray diffractometer (manufactured by Panalical, X'Pert PRO). .
(5) Specific surface area: Measured by the BET method using a specific surface area measuring apparatus (manufactured by Yuasa Ionics Co., Ltd., Kantasorb QS-10).
(6) Evaluation of filterability: Time until filtration is completed when 1 L of slurry having a slurry concentration of 200 g / L is suction filtered using quantitative filter paper (Advantech Toyo Co., Ltd., No. 5C, φ = 90 mm). Those within 1 minute were evaluated as “◎”, those within 5 minutes as “◯”, those within 10 minutes as “Δ”, and those exceeding 10 minutes as “×”.
（７）電池特性の評価
［評価用コイン電池の作成］
ニオブ含有遷移金属複合酸化物粉末７０質量％に、アセチレンブラック２０質量％及びＰＴＦＥ１０質量％を混合し、ここから１５０ｍｇを取り出してペレットを作製し、正極とした。負極としてリチウム金属を用い、電解液として、１ＭのＬｉＣｌＯ４を支持塩とするエチレンカーボネート（ＥＣ）とジエチルカーボネート（ＤＥＣ）の等量混合溶液（富山薬品工業製）を用い、露点が−８０℃に管理されたＡｒ雰囲気のグローブボックス中で、図１に示すような２０３２型のコイン電池を作製した。
［放電容量］
該コイン電池を２４時間程度放置し、開路電圧ＯＣＶ（ｏｐｅｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｖｏｌｔａｇｅ）が安定した後、正極に対する電流密度を０．５ｍＡ／ｃｍ２としてカットオフ電圧４．３Ｖまで充電して、１時間の休止後カットオフ電圧３．０Ｖまで放電したときの容量を放電容量として評価した。
［サイクル特性］
サイクル特性は、上記コイン電池に対し、温度２５℃にて、１Ｃのレートで４．４ＶまでＣＣ充電し、１０分間休止した後、同じレートで３．０ＶまでＣＣ放電し、１０分間休止する、という充放電サイクルを、２００サイクル繰り返した。１サイクル目及び２００サイクル目の放電容量を測定し、１サイクル目２Ｃ放電容量に対する、２００サイクル目２Ｃ放電容量の百分率を容量維持率（％）として求めた。
［安全性］
正極活物質の安全性は、上記コイン電池をカットオフ電圧４．５ＶまでＣＣＣＶ充電（定電流−定電圧充電：まず、充電が、定電流で動作し、それから定電圧で充電を終了するという２つのフェーズの充電過程を用いる充電）した後、短絡しないように注意しながら解体して正極を取り出し、この電極を３．０ｍｇ計り取り、電解液を１．３ｍｇ加えて、アルミニウム製測定容器に封入し、示差走査熱量計（ＤＳＣ）（Ｒｉｇａｋｕ社製、ＰＴＣ−１０Ａ）を用いて昇温速度１０℃／ｍｉｎで室温から３００℃まで発熱挙動を測定し、得られた発熱ピーク高さを安全性の評価とした。
(7) Evaluation of battery characteristics [Creation of coin cell for evaluation]
70% by mass of the niobium-containing transition metal composite oxide powder was mixed with 20% by mass of acetylene black and 10% by mass of PTFE. 150 mg was taken out from this to produce a pellet, which was used as the positive electrode. Lithium metal is used as the negative electrode, and an equivalent mixed solution of ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) (made by Toyama Pharmaceutical Co., Ltd.) using 1M LiClO 4 as a supporting salt is used as the electrolyte, with a dew point of −80 ° C. A 2032 type coin battery as shown in FIG.
[Discharge capacity]
The coin battery is allowed to stand for about 24 hours, and after the open circuit voltage OCV (open circuit voltage) is stabilized, the current density with respect to the positive electrode is set to 0.5 mA /
[Cycle characteristics]
The cycle characteristics are as follows: The coin battery is CC charged to 4.4 V at a rate of 1 C at a temperature of 25 ° C., paused for 10 minutes, then CC discharged to 3.0 V at the same rate, and paused for 10 minutes. This charge / discharge cycle was repeated 200 cycles. The discharge capacities at the first cycle and the 200th cycle were measured, and the percentage of the 2C discharge capacity at the 200th cycle with respect to the 2C discharge capacity at the first cycle was determined as the capacity retention rate (%).
[safety]
The safety of the positive electrode active material is that the coin battery is CCCV charged up to a cut-off voltage of 4.5 V (constant current-constant voltage charging: first, charging is operated at a constant current, and then charging is terminated at a constant voltage. After charging, using the charging process of one phase), disassemble and take out the positive electrode, taking care not to short-circuit, measure 3.0 mg of this electrode, add 1.3 mg of electrolyte, and enclose it in an aluminum measuring container Then, using a differential scanning calorimeter (DSC) (manufactured by Rigaku, PTC-10A), the exothermic behavior was measured from room temperature to 300 ° C. at a temperature rising rate of 10 ° C./min, and the obtained exothermic peak height was determined as safety. It was evaluated.
（実施例１）
（晶析工程）ニッケル：コバルト：アルミニウムのモル比が８１．０：１５．５：３．５となるように、硫酸ニッケルと硫酸コバルトの混合水溶液と、アルミン酸ソーダ水溶液、２５質量％水酸化ナトリウム溶液、２５質量％アンモニア水を反応槽に同時に添加し、ｐＨを液温２５℃基準で１１．８に、反応温度を５０℃に、アンモニア濃度を１０ｇ／Ｌに保ち、共沈法によって球状の二次粒子からなる遷移金属複合水酸化物を形成した。その後、反応槽内が安定した後、のオーバーフロー口から遷移金属複合水酸化物スラリーを全量回収し、濾過、水洗後乾燥して、遷移金属複合水酸化物を得た。
次に、五塩化ニオブ（ＮｂＣｌ５）粉末を、３００ｇ／Ｌの濃度の苛性カリ溶液に、ニオブ濃度で３０ｇ／ｌＬとなるように、溶解温度を８０℃で一定に保持し、６時間攪拌して溶解した後、残渣を濾別してニオブ溶液を作製した。
上記遷移金属複合水酸化物を純水と混合したスラリーに、狙いのニオブ比率添加量ｃを０．０１として、ニオブ溶液と２５質量％硫酸水溶液を、液温２５℃で保持しながらｐＨが８．０となるように同時に滴下して水酸化ニオブで被覆した後、濾過してニオブ含有遷移金属複合水酸化物（Ｎｉ０．８０２Ｃｏ０．１５２Ａｌ０．０３５Ｎｂ０．０１（ＯＨ）２）を得た。
Example 1
(Crystalling step) A mixed aqueous solution of nickel sulfate and cobalt sulfate, an aqueous solution of sodium aluminate, and 25% by mass of hydroxide so that the molar ratio of nickel: cobalt: aluminum is 81.0: 15.5: 3.5. A sodium solution and 25% by mass ammonia water were simultaneously added to the reaction vessel, the pH was maintained at 11.8 based on the liquid temperature of 25 ° C., the reaction temperature was maintained at 50 ° C., and the ammonia concentration was maintained at 10 g / L. A transition metal composite hydroxide composed of secondary particles of was formed. Then, after the inside of the reaction vessel was stabilized, the entire transition metal composite hydroxide slurry was recovered from the overflow port, filtered, washed with water and dried to obtain a transition metal composite hydroxide.
Next, the niobium pentachloride (NbCl 5 ) powder was kept constant at 80 ° C. in a caustic potash solution having a concentration of 300 g / L so that the niobium concentration was 30 g / L, and stirred for 6 hours. After dissolution, the residue was filtered to prepare a niobium solution.
In a slurry in which the transition metal composite hydroxide is mixed with pure water, a target niobium ratio addition amount c is 0.01, and a niobium solution and a 25% by mass sulfuric acid aqueous solution are maintained at a liquid temperature of 25 ° C. and a pH of 8 is maintained. 0.03 and simultaneously coated with niobium hydroxide, and then filtered to filter the niobium-containing transition metal composite hydroxide (Ni 0.802 Co 0.152 Al 0.035 Nb 0.01 (OH) 2 )
（洗浄工程）上記ニオブ含有遷移金属複合水酸化物をスラリー濃度が２００ｇ／Ｌとなるように、ｐＨが８．０の炭酸アンモニウム水溶液を混合し、スターラーを用いて１時間洗浄した後に、吸引濾過にて濾過し、乾燥して前駆体を得た。
なお、晶析工程、及び洗浄工程条件を表１にそれぞれ示す。
(Washing step) The niobium-containing transition metal composite hydroxide is mixed with an ammonium carbonate aqueous solution having a pH of 8.0 so that the slurry concentration becomes 200 g / L, washed with a stirrer for 1 hour, and then filtered with suction. And the precursor was obtained by drying.
The crystallization process and the cleaning process conditions are shown in Table 1, respectively.
（混合工程）上記洗浄工程を経て得た前駆体と、市販の水酸化リチウムとをＬｉ／Ｍｅが１．１０になるように秤量した後、球状の二次粒子前駆体の形骸が維持される程度の強さでシェーカーミキサー装置（ウィリー・エ・バッコーフェン（ＷＡＢ）社製ＴＵＲＢＵＬＡ ＴｙｐｅＴ２Ｃ）を用いて十分に混合してリチウム混合物を得た。
（焼成工程）このリチウム混合物をマグネシア製の焼成容器に挿入し、密閉式電気炉を用いて、流量６Ｌ／分ｍｉｎの酸素気流中で昇温速度２．７７℃／分ｍｉｎで５００℃まで昇温して５００℃で３時間保持した。その後に、同様の昇温速度で７８０℃度℃まで昇温して１２時間保持した後、室温まで炉冷し、リチウム遷移金属複合酸化物を得た。
(Mixing step) After weighing the precursor obtained through the washing step and commercially available lithium hydroxide so that Li / Me becomes 1.10, the shape of the spherical secondary particle precursor is maintained. The lithium mixture was obtained by sufficiently mixing with a shaker mixer apparatus (TURBULA Type T2C manufactured by Willy et Bacofen (WAB)) at a moderate strength.
(Baking step) This lithium mixture was inserted into a magnesia baking vessel, and the temperature was raised to 500 ° C. at a rate of temperature rise of 2.77 ° C./min. Min in an oxygen stream at a flow rate of 6 L / min. Warmed and held at 500 ° C. for 3 hours. Thereafter, the temperature was raised to 780 ° C. at the same temperature rise rate and held for 12 hours, and then cooled to room temperature to obtain a lithium transition metal composite oxide.
（水洗工程）得られたリチウム遷移金属複合酸化物正極活物質粉末をスラリー濃度が１５００ｇ／Ｌとなるように純水と混合したスラリーを作製し、スターラーを用いて３０分水洗した後に濾過した。濾過後、真空乾燥機を用いて２１０℃で１４時間保持して室温まで冷却して、正極活物質粉末を得た。 (Washing step) A slurry in which the obtained lithium transition metal composite oxide positive electrode active material powder was mixed with pure water so that the slurry concentration was 1500 g / L was prepared, washed with water using a stirrer for 30 minutes, and then filtered. After filtration, it was kept at 210 ° C. for 14 hours using a vacuum dryer and cooled to room temperature to obtain a positive electrode active material powder.
得られた正極活物質は、断面の走査型電子顕微鏡の断面観察により多孔質構造を有しており、また、断面の走査型電子顕微鏡付属のＥＤＸ分析により、ニオブが正極活物質粒子内に均一に分布しており、結晶粒界と粒内のＮｂ濃度比は３倍以下であることが確認された。
得られた正極活物質の各種評価結果を表２にそれぞれ示す。
The obtained positive electrode active material has a porous structure by cross-sectional observation of a cross-sectional scanning electron microscope, and niobium is uniformly contained in the positive electrode active material particles by EDX analysis attached to the cross-sectional scanning electron microscope. It was confirmed that the Nb concentration ratio between the grain boundary and the grain was 3 times or less.
Table 2 shows various evaluation results of the obtained positive electrode active material.
（実施例２）
洗浄工程の炭酸塩水溶液を、ｐＨが１２の炭酸ナトリウム水溶液とし、吸引濾過時に掛け水洗浄したこと以外は実施例１と同様にして正極活物質を得るとともに評価した。
(Example 2)
A positive electrode active material was obtained and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the aqueous carbonate solution in the washing step was an aqueous sodium carbonate solution having a pH of 12 and washed with water during suction filtration.
（実施例３）
狙いのニオブ添加量比率ｃを０．０３としたこと以外は実施例１と同様にして正極活物質を得るとともに評価した
(Example 3)
A positive electrode active material was obtained and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the target niobium addition ratio c was 0.03.
（実施例４）
狙いのニオブ添加量比率ｃを０．０５としたこと以外は実施例１と同様にして正極活物質を得るとともに評価した。
Example 4
A positive electrode active material was obtained and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the target niobium addition ratio c was 0.05.
（実施例５）
ニッケル：コバルト：アルミニウム：ニオブのモル比が８０．２：１５．２：３．５：１となるように、硫酸ニッケル及び硫酸コバルトの混合水溶液と、アルミン酸ソーダ水溶液と、さらに実施例１と同様に作製したニオブ溶液と、２５質量％水酸化ナトリウム溶液と、２５質量％アンモニア水とを反応槽に同時に添加したこと以外は、実施例１と同様にして正極活物質を得るとともに評価した。
(Example 5)
A mixed aqueous solution of nickel sulfate and cobalt sulfate, an aqueous sodium aluminate solution, and Example 1 so that the molar ratio of nickel: cobalt: aluminum: niobium is 80.2: 15.2: 3.5: 1 A positive electrode active material was obtained and evaluated in the same manner as in Example 1 except that a similarly prepared niobium solution, 25 mass% sodium hydroxide solution, and 25 mass% ammonia water were simultaneously added to the reaction vessel.
（比較例１）
洗浄工程において炭酸塩水溶液を用いず、純水としたこと以外は実施例１と同様にして正極活物質を得るとともに評価した。
(Comparative Example 1)
A positive electrode active material was obtained and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the aqueous solution of carbonate was not used in the washing step and pure water was used.
（比較例２）
洗浄工程において炭酸塩水溶液を用いず、ｐＨが１２の水酸化ナトリウム水溶液としたこと以外は実施例１と同様にして正極活物質を得るとともに評価した。
(Comparative Example 2)
A positive electrode active material was obtained and evaluated in the same manner as in Example 1 except that a carbonate aqueous solution was not used in the washing step and a sodium hydroxide aqueous solution having a pH of 12 was used.
（比較例３）
狙いのニオブ添加量比率ｃを０．００５としたこと以外は実施例１と同様にして正極活物質を得るとともに評価した。
(Comparative Example 3)
A positive electrode active material was obtained and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the target niobium addition ratio c was 0.005.
（比較例４）
狙いのニオブ添加量比率ｃを０．０７としたこと以外は実施例１と同様にして正極活物質を得るとともに評価した。
(Comparative Example 4)
A positive electrode active material was obtained and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the target niobium addition ratio c was 0.07.
表１に示すように、本発明の請求の範囲内にある実施例１〜５では、得られた正極活物質中の硫酸根含有量が０．１５質量％以下、さらに塩素含有量は０．０５質量％以下である。得られた正極活物質のＤＳＣ測定による発熱ピーク高さは１．５ｃａｌ／ｓｅｃ／ｇ以下であり、さらに放電容量は１８０ｍＡｈ／ｇを超え、さらに容量維持率も９０％を超えており、正極活物質として有用であることがわかる。また、被覆（コート）法（実施例１）では、共沈法（実施例５）と比較して、容量維持率が高い傾向があった。
比較例１〜２では、純水や水酸化ナトリウム水溶液で洗浄したため、硫酸根や塩素含有量が高く、放電容量、濾過性が同様の組成比を有する実施例１と比較して、劣っていた。
比較例３では、ニオブ添加量比率ｃが０．００５と低いために、ＤＳＣ測定による発熱ピーク高さが７．２ｃａｌ／ｓｅｃ／ｇと非常に高くなっており、熱安定性が良くなかった。
比較例４では、ニオブ添加量比率ｃが０．０７と高いために、放電容量が１４２．３ｍＡｈ／ｇと大幅に低下した
As shown in Table 1, in Examples 1 to 5 within the scope of the claims of the present invention, the sulfate group content in the obtained positive electrode active material was 0.15% by mass or less, and the chlorine content was 0.00. 05% by mass or less. The obtained positive electrode active material had an exothermic peak height of 1.5 cal / sec / g or less by DSC measurement, a discharge capacity of over 180 mAh / g, and a capacity retention rate of over 90%. It turns out that it is useful as a substance. Further, the coating (coating) method (Example 1) tended to have a higher capacity retention rate than the coprecipitation method (Example 5).
In Comparative Examples 1 and 2, since it was washed with pure water or an aqueous sodium hydroxide solution, the sulfate radical and chlorine content were high, and the discharge capacity and filterability were inferior compared to Example 1 having the same composition ratio. .
In Comparative Example 3, since the niobium addition ratio c was as low as 0.005, the exothermic peak height by DSC measurement was very high at 7.2 cal / sec / g, and the thermal stability was not good.
In Comparative Example 4, since the niobium addition ratio c was as high as 0.07, the discharge capacity was greatly reduced to 142.3 mAh / g.
本発明の非水系電解質二次電池は、安全性に優れていながら、高いサイクル特性と初期容量を有するというメリットがあり、常に高容量・高寿命を要求される小型携帯電子機器の電源として好適に用いられる。また、電気自動車用の電源や定置型蓄電池においては、電池の大型化による安全性の確保の難しさや、より高度な安全性を確保するための高価な保護回路の装着が必要不可欠であるという問題があるが、本発明の非水系電解質二次電池は、優れた安全性を有しているため、安全性の確保が容易になるばかりでなく、高価な保護回路を簡略化し、より低コストにできるという点において、電気自動車用の電源や定置型蓄電池として好適に用いられる。なお、電気自動車用の電源とは、純粋に電気エネルギーで駆動する電気自動車のみならず、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジンなどの燃焼機関と併用するいわゆるハイブリッド車用の電源も含み、本発明の非水系電解質二次電池は、これらのハイブリッド車用の電源としても好適に用いることができる。 The non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention has the advantage of having high cycle characteristics and initial capacity while being excellent in safety, and is suitable as a power source for small portable electronic devices that always require high capacity and long life. Used. In addition, in power sources and stationary storage batteries for electric vehicles, it is difficult to ensure safety due to the increase in size of the battery, and it is indispensable to install expensive protection circuits to ensure a higher level of safety. However, since the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention has excellent safety, not only is it easy to ensure safety, but also an expensive protection circuit is simplified and the cost is reduced. In that it can be used, it is preferably used as a power source for electric vehicles and a stationary storage battery. The power source for the electric vehicle includes not only a purely electric vehicle driven by electric energy but also a power source for a so-called hybrid vehicle used in combination with a combustion engine such as a gasoline engine or a diesel engine, and the non-aqueous electrolyte of the present invention. The secondary battery can also be suitably used as a power source for these hybrid vehicles.
１ リチウム金属負極
２ セパレータ（電解液含浸）
３ 正極（評価用電極）
４ ガスケット
５ 負極缶
６ 正極缶
７ 集電体
1 Lithium metal
3 Positive electrode (Evaluation electrode)
4
本発明の第１の態様によれば、一般式ＬｉｄＮｉ１−ａ−ｂ−ｃＣｏａＭｂＮｂｃＯ２（但し、ＭはＭｎ、Ｖ、Ｍｇ、Ｔｉ及びＡｌから選ばれる少なくとも１種の元素であり、０．０５≦ａ≦０．３５、０≦ｂ≦０．１０、０．００６≦ｃ≦０．０５、０．９５≦ｄ≦１．２０である。）で表されるリチウム遷移金属複合酸化物からなり、硫酸根及び塩素を含み、硫酸根含有量が０．２質量％以下、かつ塩素含有量が０．１質量％以下である非水系電解質二次電池用正極活物質が提供される。
According to a first aspect of the present invention, at least the general formula Li d Ni 1-a-b -c Co a M b Nb c O 2 ( where, M is Mn, V, Mg, selected from Ti and
また、硫酸根含有量が０．１１質量％以上、かつ塩素含有量が０．０３質量％以上であることが好ましい。また、上記リチウム遷移金属複合酸化物の結晶子径が１０〜１００ｎｍであることが好ましい。また、該リチウム遷移金属複合酸化物は、多孔質構造を有し、比表面積が１．４〜７．０ｍ２／ｇであることが好ましい。 Moreover, it is preferable that a sulfate radical content is 0.11 mass% or more and a chlorine content is 0.03 mass% or more. Moreover, it is preferable that the crystallite diameter of the said lithium transition metal complex oxide is 10-100 nm. The lithium transition metal composite oxide preferably has a porous structure and a specific surface area of 1.4 to 7.0 m 2 / g.
Claims (4)
硫酸根含有量が０．２質量％以下、かつ塩素含有量が０．１質量％以下である
ことを特徴とする非水系電解質二次電池用正極活物質。 Formula Li d Ni 1-a-b -c Co a M b Nb c O 2 ( where, M is at least one element selected Mn, V, Mg, Ti and Al, 0.05 ≦ a ≦ 0.35, 0 ≦ b ≦ 0.10, 0.006 ≦ c ≦ 0.05, 0.95 ≦ d ≦ 1.20)) A positive electrode active material for an electrolyte secondary battery,
A positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, wherein the sulfate radical content is 0.2% by mass or less and the chlorine content is 0.1% by mass or less.
A non-aqueous electrolyte secondary battery comprising the positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1 as a positive electrode.
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