JP7750503B2 - Monoclinic lithium nickel manganese composite oxide containing different metals and its method of manufacture - Google Patents
Monoclinic lithium nickel manganese composite oxide containing different metals and its method of manufactureInfo
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Description
本発明は、異種金属含有単斜晶系リチウムニッケルマンガン系複合酸化物及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a heterometal-containing monoclinic lithium-nickel-manganese composite oxide and a method for producing the same.
ノートパソコン、スマートフォン等に搭載される二次電池として有用なリチウムイオン二次電池は、電気自動車及びプラグインハイブリッド車のバッテリー、並びに電力負荷平準化システム等用のシステム構成電源としても重要視され、開発が進められている。 Lithium-ion secondary batteries are useful as secondary batteries for devices such as laptops and smartphones. They are also considered important as batteries for electric vehicles and plug-in hybrid vehicles, as well as system power sources for load leveling systems, and development is underway.
リチウムイオン二次電池は、正極として主にリチウム遷移金属複合酸化物、負極として炭素材料、及び有機電解液を構成要素とすることが一般的である。正極活物質は、リチウム供給源として機能し、正極活物質におけるリチウムイオン脱離量及び挿入量と、単電池内における正極量との積が単電池の電池容量を、正極活物質における作動電圧が単電池電圧を決定づけることから、最も重要な構成部材の一つである。 Lithium-ion secondary batteries generally consist of a lithium transition metal composite oxide as the positive electrode, a carbon material as the negative electrode, and an organic electrolyte. The positive electrode active material functions as a lithium supply source, and is one of the most important components because the product of the amount of lithium ions inserted and removed from the positive electrode active material and the amount of positive electrode in the cell determines the battery capacity of the cell, while the operating voltage of the positive electrode active material determines the cell voltage.
現在大型リチウムイオン二次電池正極活物質として一般的に活用されているのが、ニッケルマンガンコバルト酸リチウム系(NMC系)正極活物質とニッケル酸リチウム系正極活物質である。ニッケル酸リチウム正極は、NMC系正極活物質と対比し、正極活物質重量あたりの容量が大きいが、充電時の安全性の問題がある。従ってNMC系正極は大容量角形電池用として実用化されているが、ニッケル酸リチウム系正極活物質は小容量円筒型電池用としてのみ実用化されている。 Currently, the cathode active materials commonly used in large-capacity lithium-nickel-manganese-cobaltate (NMC) and lithium-nickel-oxide are the two most commonly used materials for large-capacity lithium-nickel-oxide batteries. Compared to NMC, lithium-nickel-oxide cathodes have a higher capacity per weight of cathode active material, but they pose safety concerns during charging. Therefore, NMC cathodes are used in large-capacity prismatic batteries, while lithium-nickel-oxide cathode active materials are only used in small-capacity cylindrical batteries.
両材料系正極活物質中には、資源として偏在性が高く、かつ希少なコバルト元素が含まれており、コバルト原料価格の不安定性や高騰のリスク低減のために、コバルトフリーの充放電特性に優れた正極活物質開発が強く求められている。またニッケルに関しても、資源量が少なく、近年の電池開発競争によりコスト高の傾向があるため、同様に低減が求められている。 Both types of positive electrode active materials contain the element cobalt, which is highly ubiquitous and rare. To mitigate the risk of unstable and rising cobalt raw material prices, there is a strong demand for the development of cobalt-free positive electrode active materials with excellent charge-discharge characteristics. Nickel is also a scarce resource, and its costs have been rising due to the recent race to develop batteries, so there is a similar demand for its reduction.
本発明者は、単斜晶Li2MnO3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(特許文献1等)、リチウム鉄ニッケルマンガン系複合酸化物(特許文献2等)及びリチウムニッケルマンガン系複合酸化物(特許文献3~4、非特許文献1~3等)が優れた充放電特性を示すことを明らかにしている。 The present inventors have clarified that lithium iron manganese composite oxides (Patent Document 1, etc.), lithium iron nickel manganese composite oxides (Patent Document 2, etc.), and lithium nickel manganese composite oxides (Patent Documents 3-4, Non-Patent Documents 1-3, etc.), which have a monoclinic Li 2 MnO 3 layered rock salt structure, exhibit excellent charge-discharge characteristics.
しかしながら、特許文献1では、作動電圧、充放電容量、放電レート特性等において十分とは言えなかった。また、特許文献2では、3価以上のマンガン化合物を原料として特定量以上使用し、二次焼成を大気雰囲気で行うと放電容量及び充放電サイクル特性に優れていることが記載されているが、放電レート特性を改善しようとした場合には同様の条件では好ましくないことも多い。このため、異種金属置換リチウムニッケルマンガン系複合酸化物の中で、どのような材料を選択すれば特に作動電圧、充放電容量及び放電レート特性に優れる二次電池を製造できるかについては、依然として不明である。 However, Patent Document 1 was not satisfactory in terms of operating voltage, charge/discharge capacity, discharge rate characteristics, etc. Furthermore, Patent Document 2 describes that using a specific amount or more of a trivalent or higher manganese compound as a raw material and performing secondary firing in an air atmosphere results in excellent discharge capacity and charge/discharge cycle characteristics, but similar conditions are often not desirable when trying to improve discharge rate characteristics. For this reason, it remains unclear which material should be selected from among heterometal-substituted lithium-nickel-manganese composite oxides to produce secondary batteries that are particularly excellent in operating voltage, charge/discharge capacity, and discharge rate characteristics.
上記のような事情に鑑み、本発明の目的とするところは、作動電圧、充放電容量及び放電レート特性が既存のNMC系正極活物質と比較して同等又はそれ以上の電極活物質を提供することにある。 In light of the above circumstances, the object of the present invention is to provide an electrode active material that has operating voltage, charge/discharge capacity, and discharge rate characteristics equivalent to or superior to existing NMC-based positive electrode active materials.
本発明者は上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、マグネシウム又はチタンの異種金属を含むリチウムニッケルマンガン系複合酸化物において、異種金属、Ni及びMnからなる、リチウム以外の金属イオンの分布又は存在量を所定の条件とすることにより、上記課題を解決できることを見出した。本発明者は、かかる知見に基づきさらに研究を重ね、本発明を完成するに至った。 As a result of extensive research to achieve the above objective, the inventors discovered that the above problem can be solved by setting the distribution or abundance of metal ions other than lithium, consisting of the dissimilar metals Ni and Mn, in a lithium-nickel-manganese composite oxide containing dissimilar metals, magnesium or titanium, to specific conditions. Based on this finding, the inventors conducted further research and completed the present invention.
即ち、本発明は、以下のリチウムニッケルマンガン系複合酸化物及びその製造方法を包含する。 That is, the present invention encompasses the following lithium-nickel-manganese composite oxide and its production method.
項1.一般式(1):
Li1+x(NiyMzMn1-y-z)1-xO2 (1)
[式中、MはMg及び/又はTiを示す。x、y及びzはそれぞれ、0<x<1/3、0.150≦y≦0.350、0.050≦z≦0.150を示す。ただし、MがMgである場合は0.150≦y≦0.250を示す。]
で表され、単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造を有する異種金属含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物であって、以下の(1)~(3):
(1)前記単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造の結晶相のX線回折パターンにおいて、(020)面のピークのピーク高さを、(20-2)面及び(131)面のピークの重なりからなる単一のピークの高さを除して得られる、X線ピーク強度の割合が、0.150≦y≦0.250且つ前記MがMgの場合は3.0~10.0%であり、0.150≦y≦0.250且つ前記MがTiの場合は3.0~14.0%であり、0.250<y≦0.350且つ前記MがTiの場合は3.0~8.0%である、
(2)前記単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造内におけるリチウム層及びリチウム以外の金属-リチウム層内のリチウム以外の金属の平均存在量の和(gtotal)が、0.150≦y≦0.250且つ前記MがMgの場合は0.780~0.850であり、0.150≦y≦0.250且つ前記MがTiの場合は0.720~0.800であり、0.250<y≦0.350且つ前記MがTiの場合は0.750~0.820である、及び
(3)前記単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造内におけるリチウム以外の金属-リチウム層内での六角網目規則構造において、六角網目格子構成位置(4g位置)のリチウム以外の金属占有率(g4g)から六角網目格子中心位置(2b位置)のリチウム以外の金属占有率(g2b)を引いた値(g4g-g2b)が、0.150≦y≦0.250且つ前記MがMgの場合は0.230~0.300であり、0.150≦y≦0.250且つ前記MがTiの場合は0.250~0.390であり、0.250<y≦0.350且つ前記MがTiの場合は0.230~0.310である
の少なくとも1つを満たすことを特徴とする、異種金属含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物。
Item 1. General formula (1):
Li 1+x (Ni y M z Mn 1-y-z ) 1-x O 2 (1)
[In the formula, M represents Mg and/or Ti. x, y, and z represent 0<x<1/3, 0.150≦y≦0.350, and 0.050≦z≦0.150, respectively. However, when M is Mg, 0.150≦y≦0.250.]
and a heterometal-containing lithium nickel manganese composite oxide having a monoclinic Li 2 MnO 3 -type layered rock salt structure, and the following (1) to (3):
(1) In the X-ray diffraction pattern of the crystalline phase of the monoclinic Li 2 MnO 3 -type layered rock salt structure, the ratio of the X-ray peak intensity, obtained by dividing the peak height of the (020) plane by the height of a single peak consisting of the overlap of the peaks of the (20-2) plane and the (131) plane, is 3.0 to 10.0% when 0.150≦y≦0.250 and the M is Mg, 3.0 to 14.0% when 0.150≦y≦0.250 and the M is Ti, and 3.0 to 8.0% when 0.250<y≦0.350 and the M is Ti.
(2) The sum of the average abundances of metals other than lithium in the lithium layer and the metal-other-than-lithium layer in the monoclinic Li 2 MnO 3 -type layered rock salt structure (g total ) is 0.780 to 0.850 when 0.150≦y≦0.250 and the M is Mg, 0.720 to 0.800 when 0.150≦y≦0.250 and the M is Ti, and 0.750 to 0.820 when 0.250<y≦0.350 and the M is Ti, and (3) in the hexagonal mesh structure in the metal-other-than-lithium layer in the monoclinic Li 2 MnO 3 -type layered rock salt structure, the ratio of the metal occupancy rate other than lithium (g 4g ) at the hexagonal mesh lattice position (4g position) to the metal occupancy rate other than lithium (g 2b When y is 0.150≦y≦0.250 and M is Mg, the value (g 4g −g 2b ) obtained by subtracting y from Mg satisfies at least one of the following: when y is 0.150≦y≦0.250 and M is Ti, the value (g 4g −g 2b ) is 0.230 to 0.300; when y is 0.150≦y≦0.250 and M is Ti, the value (g 4g −g 2b ) ... is 0.250 to 0.390; and when y is 0.250<y≦0.350 and M is Ti, the value (g 4g −g 2b ) satisfies at least one of the following:
項2.前記(1)を満たす、項1に記載の異種金属含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物。 Item 2. The heterometal-containing lithium nickel manganese composite oxide according to Item 1, which satisfies (1) above.
項3.前記単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造内におけるリチウム層及びリチウム以外の金属-リチウム層内のリチウム以外の金属の平均存在量の和(gtotal)が、0.150≦y≦0.250且つ前記MがMgの場合は0.780~0.850であり、0.150≦y≦0.250且つ前記MがTiの場合は0.720~0.800であり、0.250<y≦0.350且つ前記MがTiの場合は0.750~0.820である、項2に記載の異種金属含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物。 Item 3. The heterometal-containing lithium nickel manganese composite oxide according to Item 2 , wherein the sum (g total ) of the average amounts of the metals other than lithium present in the lithium layer and the metal other than lithium-lithium layer in the monoclinic Li 2 MnO 3 -type layered rock salt structure is 0.780 to 0.850 when 0.150≦y≦0.250 and M is Mg, 0.720 to 0.800 when 0.150≦y≦0.250 and M is Ti, or 0.750 to 0.820 when 0.250<y≦0.350 and M is Ti.
項4.前記(2)を満たす、項1に記載の異種金属含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物。 Item 4. The heterometal-containing lithium nickel manganese composite oxide according to Item 1, which satisfies (2) above.
項5.前記単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造内におけるリチウム以外の金属-リチウム層内での六角網目規則構造において、六角網目格子構成位置(4g位置)のリチウム以外の金属占有率(g4g)から六角網目格子中心位置(2b位置)のリチウム以外の金属占有率(g2b)を引いた値(g4g-g2b)が、0.150≦y≦0.250且つ前記MがMgの場合は0.230~0.300であり、0.150≦y≦0.250且つ前記MがTiの場合は0.250~0.390であり、0.250<y≦0.350且つ前記MがTiの場合は0.230~0.310である、項2~4のいずれか1項に記載の異種金属含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物。 Item 5. The heterometal-containing lithium nickel manganese composite oxide according to any one of Items 2 to 4, wherein in a hexagonal meshwork ordered structure in a metal other than lithium-lithium layer in the monoclinic Li 2 MnO 3 -type layered rock salt structure, the value (g 4g -g 2b ) obtained by subtracting the metal other than lithium occupancy rate (g 4g ) at a hexagonal meshwork lattice central position (position 2b) from the metal other than lithium occupancy rate (g 2b ) at a hexagonal meshwork lattice constituent position (position 4g ) is 0.230 to 0.300 when 0.150≦y≦0.250 and M is Mg, 0.250 to 0.390 when 0.150≦y≦0.250 and M is Ti, or 0.230 to 0.310 when 0.250<y≦0.350 and M is Ti.
項6.前記(3)を満たす、項1に記載の異種金属含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物。 Item 6. The heterometal-containing lithium nickel manganese composite oxide according to Item 1, which satisfies (3) above.
項7.前記単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造の結晶相、又は前記単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造の結晶相と立方晶岩塩型構造の結晶相との混合相により構成される、項1~6のいずれか1項に記載の異種金属含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物。 Item 7. The heterometal-containing lithium nickel manganese composite oxide according to any one of Items 1 to 6, which is constituted by a crystalline phase of the monoclinic Li 2 MnO 3 -type layered rock salt structure or a mixed phase of a crystalline phase of the monoclinic Li 2 MnO 3 -type layered rock salt structure and a crystalline phase of a cubic rock salt structure.
項8.項1~7のいずれか1項に記載の異種金属含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物を含有する、リチウムイオン二次電池用電極活物質。 Item 8. An electrode active material for a lithium ion secondary battery, containing the heterometal-containing lithium nickel manganese composite oxide described in any one of Items 1 to 7.
項9.項8に記載のリチウムイオン二次電池用電極活物質を備えるリチウムイオン二次電池。 Item 9. A lithium ion secondary battery comprising the electrode active material for a lithium ion secondary battery described in Item 8.
項10.項1~7のいずれか1項に記載の異種金属含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物の製造方法であって、
マグネシウム化合物及び/又はチタン化合物と、マンガン化合物と、ニッケル化合物との混合物をアルカリ処理することにより沈殿を形成する工程1、
前記沈殿を酸化させて複合酸化物前駆体を得る工程2、
リチウム化合物存在下、前記複合酸化物前駆体を酸化雰囲気中で熱処理する工程3、及び
前記工程3で得られる生成物を、不活性雰囲気下で前記工程3よりも高温条件で熱処理する工程4
を有することを特徴とする、製造方法。
Item 10. A method for producing a different metal-containing lithium nickel manganese composite oxide according to any one of Items 1 to 7, comprising:
Step 1: forming a precipitate by treating a mixture of a magnesium compound and/or a titanium compound, a manganese compound, and a nickel compound with an alkali;
Step 2: oxidizing the precipitate to obtain a composite oxide precursor;
Step 3: heat-treating the composite oxide precursor in an oxidizing atmosphere in the presence of a lithium compound; and Step 4: heat-treating the product obtained in Step 3 in an inert atmosphere at a higher temperature than in Step 3.
A manufacturing method comprising the steps of:
本発明によれば、作動電圧、充放電容量及び放電レート特性が既存のNMC系正極活物質と比較して同等又はそれ以上の電極用材料を提供することができる。 The present invention makes it possible to provide an electrode material that has operating voltage, charge/discharge capacity, and discharge rate characteristics equivalent to or superior to existing NMC-based positive electrode active materials.
本明細書において、「含有」は、「含む(comprise)」、「実質的にのみからなる(consist essentially of)」、及び「のみからなる(consist of)」のいずれも包含する概念である。また、本明細書において、数値範囲を「A~B」で示す場合、A以上B以下を意味する。 In this specification, the term "containing" encompasses the concepts of "comprise," "consist essentially of," and "consist only of." Furthermore, in this specification, when a numerical range is indicated as "A to B," it means A or more and B or less.
(1.異種金属含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物)
本発明の異種金属含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物は、下記一般式(1):
Li1+x(NiyMzMn1-y-z)1-xO2 (1)
[式中、MはMg及び/又はTiを示す。x、y及びzはそれぞれ、0<x<1/3、0.150≦y≦0.350、0.050≦z≦0.150を示す。ただし、MがMgである場合は0.150≦y≦0.250を示す。]
で表される。
(1. Lithium-nickel-manganese composite oxide containing different metals)
The heterometal-containing lithium nickel manganese composite oxide of the present invention has the following general formula (1):
Li 1+x (Ni y M z Mn 1-y-z ) 1-x O 2 (1)
[In the formula, M represents Mg and/or Ti. x, y, and z represent 0<x<1/3, 0.150≦y≦0.350, and 0.050≦z≦0.150, respectively. However, when M is Mg, 0.150≦y≦0.250.]
It is expressed as:
本発明の異種金属含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物は、単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造を有する異種金属含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物である。 The heterogeneous metal-containing lithium nickel manganese composite oxide of the present invention is a heterogeneous metal-containing lithium nickel manganese composite oxide having a monoclinic Li 2 MnO 3 -type layered rock salt structure.
単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造は、P.Strobel et al.,J.Solid State Chem.,75,90-98,(1988).に記載されている下記(a)の空間式で表わされる空間群の結晶構造を有する。 The monoclinic Li 2 MnO 3 type layered rock salt structure has a crystal structure of a space group represented by the following space formula (a) described in P. Strobel et al., J. Solid State Chem., 75, 90-98, (1988).
ここで、本発明の異種金属含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物における第1の態様(要件(3))においては、前記単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造内におけるリチウム以外の金属-リチウム層内での六角網目規則構造において、六角網目格子構成位置のリチウム以外の金属占有率(g4g)から六角網目格子中心位置のリチウム以外の金属占有率(g2b)を引いた値(g4g-g2b)が、0.150≦y≦0.250且つ前記MがMgの場合は0.230~0.300であり、0.150≦y≦0.250且つ前記MがTiの場合は0.250~0.390であり、0.250<y≦0.350且つMがTiの場合は0.230~0.310である。この第1の態様における本発明の異種金属含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物は、図1にあるように、Mg、Ti、Ni及びMnからなるリチウム以外の金属(TM)イオンが、公知のLi2MnO3とは異なる分布を有する。 In a first aspect (requirement (3)) of the heterometal-containing lithium nickel manganese composite oxide of the present invention, in the hexagonal mesh structure of the metal-lithium layer other than lithium in the monoclinic Li 2 MnO 3 -type layered rock salt structure, the value (g 4g -g 2b ) obtained by subtracting the occupancy rate of the metal other than lithium at the central position of the hexagonal mesh structure (g 2b ) from the occupancy rate of the metal other than lithium at the hexagonal mesh structure position (g 4g ) is 0.230 to 0.300 when 0.150≦y≦0.250 and M is Mg, 0.250 to 0.390 when 0.150≦y≦0.250 and M is Ti, and 0.230 to 0.310 when 0.250<y≦0.350 and M is Ti. In the heterometal-containing lithium nickel manganese composite oxide of the present invention in this first aspect, as shown in FIG. 1, the distribution of metal (TM) ions other than lithium consisting of Mg, Ti, Ni, and Mn is different from that of known Li 2 MnO 3 .
図1(a)は層状岩塩型構造全体を表示し、図1(b)は、図1(a)のリチウム以外の金属-リチウム層(TM-Li層)を90°回転させて得られるリチウム以外の金属-リチウム層(TM-Li層)内の陽イオン配列を示す。図1(a)において、酸化物イオン(大きな灰色の丸)層を介してリチウム以外の金属-リチウム層(TM-Li層)とリチウム層(Li層)が交互に積層する点については、従来のNMC正極等の六方晶層状岩塩型結晶構造(下記(b)の空間式で表される空間群)と同様であるが、リチウム層及びリチウム以外の金属-リチウム層内の陽イオン分布が既存正極と異なる。 Figure 1(a) shows the entire layered rock-salt structure, and Figure 1(b) shows the cation arrangement within the metal-lithium other than lithium layer (TM-Li layer) obtained by rotating the metal-lithium other than lithium layer (TM-Li layer) in Figure 1(a) by 90 degrees. In Figure 1(a), the metal-lithium other than lithium layer (TM-Li layer) and lithium layer (Li layer) are alternately stacked with oxide ion (large gray circle) layers interposed between them, which is similar to the hexagonal layered rock-salt crystal structure (space group represented by the space formula (b) below) of conventional NMC positive electrodes, etc.; however, the cation distribution within the lithium layer and metal-lithium other than lithium layer differs from that of conventional positive electrodes.
また、従来のNMC正極等の六方晶層状岩塩型結晶構造において、リチウム層及びリチウム以外の金属-リチウム層内の陽イオン格子位置はそれぞれ一種類であるが、第1の態様における本発明の単斜晶層状岩塩型結晶構造においては、リチウム層及びリチウム以外の金属層-リチウム層内の陽イオン格子位置はそれぞれ二種類存在する。 Furthermore, in the hexagonal layered rock-salt crystal structure of conventional NMC positive electrodes, there is only one type of cation lattice position in each of the lithium layer and the metal other than lithium-lithium layer, whereas in the monoclinic layered rock-salt crystal structure of the present invention in the first embodiment, there are two types of cation lattice positions in each of the lithium layer and the metal other than lithium-lithium layer.
図1(a)のリチウム層において格子位置は、2c及び4h位置に対応し、リチウム以外の金属-リチウム層(TM-Li層)において格子位置は、図1(b)に示すように、4g及び2b位置に対応する。第1の態様における本発明の異種金属含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物はこのTM-Li層内のリチウム以外の金属イオン分布に特徴がある。 In the lithium layer in Figure 1(a), the lattice positions correspond to the 2c and 4h positions, while in the metal-lithium layer other than lithium (TM-Li layer), the lattice positions correspond to the 4g and 2b positions, as shown in Figure 1(b). The heterometal-containing lithium-nickel-manganese composite oxide of the present invention in the first embodiment is characterized by the distribution of metal ions other than lithium within this TM-Li layer.
図1(b)に示すように4g位置が六角網目格子構成位置に相当し、2b位置が六角網目格子中心位置に相当する。理想的なLi2MnO3構造においては4g位置にのみリチウム以外の金属イオンが入り、2b位置にはリチウムイオンが入るが、実際には両格子位置にリチウム以外の金属イオンが占有しうる。 As shown in Figure 1(b), the 4g position corresponds to a hexagonal mesh lattice component, and the 2b position corresponds to the center position of the hexagonal mesh lattice. In an ideal Li2MnO3 structure, only the 4g position contains a metal ion other than lithium, and the 2b position contains a lithium ion. However, in reality, both lattice positions can be occupied by metal ions other than lithium.
本発明の第1の態様において、X線リートベルト法によって得られる4g位置のリチウム以外の金属イオン占有率(g4g)と2b位置のリチウム以外の金属イオン占有率(g2b)との差(g4g-g2b)が小さい。(g4g-g2b)の値は、0.150≦y≦0.250且つMがMgの場合は0.230~0.300、好ましくは0.235~0.280である。(g4g-g2b)の値は、0.150≦y≦0.250且つMがTiの場合は0.250~0.390、好ましくは0.300~0.380である。(g4g-g2b)の値は、0.250<y≦0.350且つMがTiの場合は0.230~0.310、好ましくは0.235~0.290である。(g4g-g2b)をこの範囲とすることで、3価以上の高価数のMn源が必要ではなくなり安価な2価Mn源が活用でき工業的に有利であるうえに、電気化学的に不活性なLi2MnO3リッチな成分の生成を抑制し、初期及び充放電サイクル後の充放電容量が高く、高放電レート特性の試料を得やすい。 In a first aspect of the present invention, the difference (g 4g - g 2b ) between the occupancy rate of a metal ion other than lithium at the 4g position (g 4g ) and the occupancy rate of a metal ion other than lithium at the 2b position (g 2b ) obtained by the X-ray Rietveld method is small. The value of (g 4g - g 2b ) is 0.230 to 0.300, preferably 0.235 to 0.280, when 0.150≦y≦0.250 and M is Mg. The value of (g 4g - g 2b ) is 0.250 to 0.390, preferably 0.300 to 0.380, when 0.150≦y≦0.250 and M is Ti. The value of (g 4g - g 2b ) is 0.230 to 0.310, preferably 0.235 to 0.290, when 0.250 < y ≦ 0.350 and M is Ti. By setting (g 4g - g 2b ) within this range, a high-value Mn source with a valence of 3 or more is not required, allowing the use of an inexpensive divalent Mn source, which is industrially advantageous. In addition, the production of electrochemically inactive Li 2 MnO 3 -rich components is suppressed, and samples with high initial charge/discharge capacities and high discharge rate characteristics after charge/discharge cycles are easily obtained.
また、前記単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造内にはリチウム層内2c及び4h位置にリチウム以外の金属が存在し、リチウム以外の金属-リチウム層内にも前述のように4g及び2b位置にリチウム以外の金属が存在する。組成式あたりのリチウム以外の金属量(gtotal)は、リチウム層内のリチウム以外の平均金属量((2g4h+g2c)/3)とリチウム以外の金属-リチウム層内のリチウム以外の平均金属量((2g4g+g2b)/3)の和で定義される。この値を所定範囲にすることも充放電特性(特に初期及び充放電サイクル後の充放電容量、並びに放電レート特性)改善のために有効である。一方でこの値は構成異種金属価数及びその含有量が小さくなるほど大きくなるので、異種金属種及びその含有量によって最適値が異なる。具体的には、第2の態様(要件(2))における本発明の異種金属含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物においては、gtotal値は、0.150≦y≦0.250且つMがMgの場合は0.780~0.850、好ましくは0.785~0.830である。gtotal値は、0.150≦y≦0.250且つMがTiの場合は0.720~0.800、好ましくは0.725~0.780である。gtotal値は、0.250<y≦0.350且つMがTiの場合は0.750~0.820、好ましくは0.755~0.800である。gtotal値をこの範囲とすることで、電気化学的に不活性なLi2MnO3リッチな成分の生成を抑制するとともに、組成式あたりのリチウム含有量が十分大きいため、初期及び充放電サイクル後の充放電容量が高く、高放電レート特性の試料を得やすい。 Furthermore, within the monoclinic Li 2 MnO 3 -type layered rock salt structure, metals other than lithium are present at the 2c and 4h positions within the lithium layer, and as described above, metals other than lithium are also present at the 4g and 2b positions within the non-lithium metal-lithium layer. The amount of metal other than lithium (g total ) per composition formula is defined as the sum of the average amount of metal other than lithium within the lithium layer ((2g 4h + g 2c )/3) and the average amount of metal other than lithium within the non-lithium metal-lithium layer ((2g 4g + g 2b )/3). Setting this value within a predetermined range is also effective for improving charge-discharge characteristics (particularly the initial charge-discharge capacity and charge-discharge capacity after charge-discharge cycles, as well as the discharge rate characteristics). On the other hand, this value increases as the valence and content of the constituent heterometals decrease, so the optimal value varies depending on the heterometal species and their content. Specifically, in the heterometal-containing lithium nickel manganese composite oxide of the present invention in the second aspect (requirement (2)), the g total value is 0.780 to 0.850, preferably 0.785 to 0.830, when 0.150≦y≦0.250 and M is Mg. The g total value is 0.720 to 0.800, preferably 0.725 to 0.780, when 0.150≦y≦0.250 and M is Ti. The g total value is 0.750 to 0.820, preferably 0.755 to 0.800, when 0.250<y≦0.350 and M is Ti. By setting the g total value within this range, the generation of electrochemically inactive Li 2 MnO 3 -rich components is suppressed, and the lithium content per composition formula is sufficiently large, so that the initial charge/discharge capacity and the charge/discharge capacity after charge/discharge cycles are high, and it is easy to obtain a sample with high discharge rate characteristics.
また、本発明の異種金属含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物は、CuKα線を用いたX線回折パターンにおいて2θ=20°付近に見られる六角網目構造に起因する(020)面のピークのピーク高さを2θ=45°付近に見られる(20-2)面及び(131)面のピークの重なりからなる単一のピークの高さで除して得られる、X線ピーク強度の割合ができるだけ低くなることが好ましい。このX線ピーク強度の割合は異種金属価数及びその含有量が小さくなるほど大きくなる傾向があるため異種金属種及びその含有量によって最適値が異なる。このため、第3の態様(要件(1))における本発明の異種金属含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物においては、このX線ピーク強度の割合は、0.150≦y≦0.250且つMがMgの場合は10.0%以下、好ましくは9.0%以下である。このX線ピーク強度の割合は、0.150≦y≦0.250且つMがTiの場合は14.0%以下、好ましくは13.5%以下である。このX線ピーク強度の割合は、0.250<y≦0.350且つMがTiの場合は8.0%以下、好ましくは7.5%以下である。当該割合をこの範囲とすることで、電気化学的に不活性なLi2MnO3成分の生成を抑制し、所望の初期及び充放電サイクル後の充放電容量、並びに高放電レート特性を有する試料が得やすい。なお、このX線ピーク強度の割合の下限値としては特に限定はなく、例えば、3.0%とすることが好ましい。 Furthermore, the heterometal-containing lithium nickel manganese-based composite oxide of the present invention preferably has as low an X-ray peak intensity ratio as possible. The X-ray peak intensity ratio is calculated by dividing the peak height of the (020) plane peak due to the hexagonal network structure observed near 2θ = 20° in an X-ray diffraction pattern using CuKα radiation by the height of a single peak consisting of the overlap of the (20-2) and (131) plane peaks observed near 2θ = 45°. This X-ray peak intensity ratio tends to increase as the heterometal valence and its content decrease, so the optimal value varies depending on the heterometal type and its content. Therefore, in the heterometal-containing lithium nickel manganese-based composite oxide of the present invention in the third aspect (requirement (1)), this X-ray peak intensity ratio is 10.0% or less, preferably 9.0% or less, when 0.150 ≦ y ≦ 0.250 and M is Mg. This X-ray peak intensity ratio is 14.0% or less, preferably 13.5% or less, when 0.150 ≦ y ≦ 0.250 and M is Ti. When 0.250<y≦0.350 and M is Ti, the ratio of this X-ray peak intensity is 8.0% or less, preferably 7.5% or less. By setting the ratio within this range, the production of the electrochemically inactive Li 2 MnO 3 component is suppressed, and it is easy to obtain a sample having the desired initial charge/discharge capacity and after charge/discharge cycles, as well as high discharge rate characteristics. There is no particular limitation on the lower limit of this X-ray peak intensity ratio, and it is preferably, for example, 3.0%.
また、一般式(1)において、xは過剰リチウム量を示し、具体的には、0<x<1/3である。xの値をこの範囲とすることで、リチウムを必要以上に使用せずとも、構造中にリチウムを導入させやすく不純物相として生成物中に残留しにくくコスト面で有利である。また、xは0.05~0.30とすることが好ましい。 In general formula (1), x represents the amount of excess lithium, specifically 0 < x < 1/3. By setting the value of x within this range, lithium can be easily incorporated into the structure without using more lithium than necessary, and it is less likely to remain in the product as an impurity phase, which is advantageous from a cost perspective. Furthermore, it is preferable that x be between 0.05 and 0.30.
本発明の異種金属含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物は、例えば後述する共沈-焼成法を利用した特定の組成式で表される酸化物を製造することによって得ることができる。当該製造方法を採用することにより、リチウム以外の金属イオンが4g位置のリチウム以外の金属イオン占有率(g4g)と2b位置のリチウム以外の金属イオン占有率(g2b)の差(g4g-g2b)、組成式あたりのリチウム以外の金属量(gtotal)及びX線ピーク強度の割合を小さくする効果があるものと考えられる。 The heterometal-containing lithium nickel manganese composite oxide of the present invention can be obtained by producing an oxide represented by a specific composition formula using, for example, the coprecipitation-calcination method described below. The adoption of this production method is believed to have the effect of reducing the difference (g 4g −g 2b ) between the occupancy rate of metal ions other than lithium at the 4g position (g 4g ) and the occupancy rate of metal ions other than lithium at the 2b position (g 2b ), the amount of metal ions other than lithium per composition formula (g total ), and the proportion of X-ray peak intensity.
なお、例えば後述する共沈-焼成法を利用した特定の組成式で表される酸化物を製造する場合、上記した要件(1)~(3)全てを満たす異種金属含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物が生成されやすい。具体的には、単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造内におけるリチウム以外の金属-リチウム層内での六角網目規則構造において、六角網目格子構成位置のリチウム以外の金属占有率(g4g)から六角網目格子中心位置のリチウム以外の金属占有率(g2b)を引いた値(g4g-g2b)が、0.150≦y≦0.250且つMがMgの場合は0.230~0.300、0.150≦y≦0.250且つMがTiの場合は0.250~0.390、0.250<y≦0.350且つMがTiの場合は0.230~0.310であり(要件(3))、単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造の結晶相のX線回折パターンにおいて2θ=20°付近に見られる(020)面のピークのピーク高さを2θ=45°付近に見られる(20-2)面及び(131)面のピークの重なりからなる単一のピークの高さで除して得られる、X線ピーク強度の割合が、0.150≦y≦0.250且つMがMgの場合は3.0~10.0%、0.150≦y≦0.250且つMがTiの場合は3.0~14.0%、0.250<y≦0.350且つMがTiの場合は3.0~8.0%であり(要件(1))、単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造内におけるリチウム層及びリチウム以外の金属-リチウム層内のリチウム以外の金属の平均存在量の和(gtotal)が、0.150≦y≦0.250且つMがMgの場合は0.780~0.850、0.150≦y≦0.250且つMがTiの場合は0.720~0.800、0.250<y≦0.350且つMがTiの場合は0.750~0.820である(要件(2))異種金属含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物が生成されやすい。 For example, when an oxide represented by a specific composition formula is produced using the coprecipitation-calcination method described below, a heterometal-containing lithium nickel manganese-based composite oxide that satisfies all of the above requirements (1) to (3) is likely to be produced. Specifically, in a hexagonal mesh structure in a metal other than lithium-lithium layer in a monoclinic Li 2 MnO 3 -type layered rock salt structure, the value (g 4g -g 2b ) obtained by subtracting the occupancy rate of a metal other than lithium at the center position of the hexagonal mesh structure (g 2b ) from the occupancy rate of a metal other than lithium at the hexagonal mesh structure position (g 4g ) is 0.230 to 0.300 when 0.150≦y≦0.250 and M is Mg, 0.250 to 0.390 when 0.150≦y≦0.250 and M is Ti, and 0.230 to 0.310 when 0.250<y≦0.350 and M is Ti (requirement (3)), and monoclinic Li 2 MnO The ratio of the X-ray peak intensity, which is obtained by dividing the peak height of the (020) plane peak observed around 2θ=20° in the X-ray diffraction pattern of the crystalline phase of the Li 2 MnO 3 type layered rock salt structure by the height of a single peak consisting of the overlap of the peaks of the (20-2) plane and the (131) plane observed around 2θ=45°, is 3.0 to 10.0% when 0.150≦y≦0.250 and M is Mg, 3.0 to 14.0% when 0.150≦y≦0.250 and M is Ti, and 3.0 to 8.0% when 0.250<y≦0.350 and M is Ti (requirement (1)), and the sum of the average abundances of the lithium layer and the metal other than lithium in the metal other than lithium-lithium layer in the monoclinic Li 2 MnO 3 type layered rock salt structure (g total ) is 0.780 to 0.850 when 0.150≦y≦0.250 and M is Mg, 0.720 to 0.800 when 0.150≦y≦0.250 and M is Ti, and 0.750 to 0.820 when 0.250<y≦0.350 and M is Ti (requirement (2)).
なお、このリチウム以外の金属イオン分布の安定化のためにはリチウム以外の全金属量あたりのニッケルイオン量yが0.150≦y≦0.350であり、0.150≦y≦0.250、好ましくは0.175≦y≦0.225としたり、0.250<y≦0.350、好ましくは0.275≦y≦0.325とすることもできる。ただし、MがMgである場合は、リチウム以外の金属イオン分布の安定化のためにはリチウム以外の全金属量あたりのニッケルイオン量yは0.150≦y≦0.250、好ましくは0.175≦y≦0.225である。yをこの範囲とすることで、ニッケルイオンの持つ放電電位上昇効果を十分に維持したまま、組成式内のMn量を多くしすぎることがなくリチウム以外の金属-リチウム層内のリチウム以外の金属イオン分布を安定化させることができ、組成式内のリチウムイオン量を十分にする結果として充放電容量を向上させることができる。 To stabilize the distribution of metal ions other than lithium, the amount of nickel ions y per total amount of metals other than lithium is 0.150≦y≦0.350, 0.150≦y≦0.250, preferably 0.175≦y≦0.225, or 0.250<y≦0.350, preferably 0.275≦y≦0.325. However, when M is Mg, to stabilize the distribution of metal ions other than lithium, the amount of nickel ions y per total amount of metals other than lithium is 0.150≦y≦0.250, preferably 0.175≦y≦0.225. By setting y within this range, the distribution of metal ions other than lithium in the metal-lithium layer other than lithium can be stabilized without increasing the amount of Mn in the composition formula, while still adequately maintaining the discharge potential-increasing effect of nickel ions. This allows for a sufficient amount of lithium ions in the composition formula, resulting in improved charge/discharge capacity.
本発明の異種金属含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物は、前記単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造の結晶相、又は前記単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造の結晶相と立方晶岩塩型構造の結晶相との混合相により構成されることが好ましい。 The heterometal-containing lithium nickel manganese composite oxide of the present invention is preferably composed of a crystalline phase having the monoclinic Li2MnO3 - type layered rock salt structure, or a mixed phase of a crystalline phase having the monoclinic Li2MnO3 - type layered rock salt structure and a crystalline phase having a cubic rock salt structure.
換言すると、異種金属含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物には、上記した単斜晶系Li2MnO3型層状岩塩型構造の結晶相が含まれることが好ましい。もちろん、その他の岩塩型結晶構造を含む混合相であることも好ましい。具体的には、下記式(c)の空間群で表される立方晶岩塩型構造の結晶相をさらに含む混合相であることも、好ましい。 In other words, the heterometal-containing lithium nickel manganese composite oxide preferably contains a crystalline phase of the monoclinic Li2MnO3 - type layered rock salt structure described above. Of course, a mixed phase containing other rock salt crystal structures is also preferred. Specifically, a mixed phase further containing a crystalline phase of a cubic rock salt structure represented by the space group of the following formula (c) is also preferred.
単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造の結晶相と立方晶岩塩型構造との結晶相の存在割合は、通常、単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造結晶相:立方晶岩塩型構造結晶相(質量比)=100:0~10:90程度の範囲であることが好ましい。また、本発明の異種金属含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物は、他の不純物相(炭酸リチウム、水酸化リチウム、マンガン及びニッケル化合物、又はそれらの複合化合物等)を、充放電特性に大きく影響しない範囲(X線回折パターンにピークが確認できる結晶相の総量を100質量%として0.01~10質量%程度)で含むこともできる。なお、例えば後述する共沈-焼成法を利用した特定の組成式で表される酸化物を製造する場合、単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造単相又は単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造の存在割合が極めて大きい(例えば、X線回折パターンにピークが確認できる結晶相の総量を100質量%として90~99.9質量%程度)異種金属含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物が生成されやすい。 The ratio of the monoclinic Li 2 MnO 3 -type layered rock salt structure crystal phase to the cubic rock salt structure crystal phase is preferably in the range of approximately monoclinic Li 2 MnO 3 -type layered rock salt structure crystal phase:cubic rock salt structure crystal phase (mass ratio) = 100:0 to 10:90. The heterometal-containing lithium nickel manganese composite oxide of the present invention may also contain other impurity phases (lithium carbonate, lithium hydroxide, manganese and nickel compounds, or composite compounds thereof, etc.) within a range that does not significantly affect the charge/discharge characteristics (approximately 0.01 to 10 mass%, assuming that the total amount of crystalline phases whose peaks can be confirmed in the X-ray diffraction pattern is 100 mass%). For example, when an oxide represented by a specific composition formula is produced using the coprecipitation-calcination method described below, a heterometal-containing lithium nickel manganese composite oxide is likely to be produced in which the monoclinic Li 2 MnO 3 -type layered rock salt structure single phase or the monoclinic Li 2 MnO 3 -type layered rock salt structure is present in an extremely large proportion (for example, approximately 90 to 99.9 mass %, assuming that the total amount of crystalline phases in which peaks can be confirmed in the X-ray diffraction pattern is 100 mass %).
(2.リチウムイオン二次電池用電極活物質及びリチウムイオン二次電池)
本発明の異種金属含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物は、リチウムイオン二次電池用電極活物質として、特に、リチウムイオン二次電池用正極活物質として、好適に使用することができる。本発明の異種金属含有リチウムマンガン系複合酸化物を使用し、常法によりリチウムイオン二次電池を製造することも可能である。具体的には、正極活物質として、本発明の異種金属含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物を使用し、負極活物質として、公知の金属リチウム、チタン酸リチウム、ケイ素、酸化ケイ素、炭素系材料(黒鉛系材料、難黒鉛系材料)等を使用し、電解液として、公知のエチレンカーボネート、ジメチルカーボネート等の溶媒に、過塩素酸リチウム、LiPF6等のリチウム塩を溶解させた有機電解液あるいはポリマー電解質、硫化物固体電解質、さらにその他の公知の電池構成要素を使用して、常法に従って、リチウムイオン二次電池を組立てることができる。
(2. Electrode active material for lithium ion secondary battery and lithium ion secondary battery)
The heterometal-containing lithium-nickel-manganese composite oxide of the present invention can be suitably used as an electrode active material for lithium-ion secondary batteries, particularly as a positive electrode active material for lithium-ion secondary batteries. It is also possible to manufacture a lithium-ion secondary battery by a conventional method using the heterometal-containing lithium-nickel-manganese composite oxide of the present invention as the positive electrode active material. Specifically, a lithium-ion secondary battery can be assembled by a conventional method using the heterometal-containing lithium-nickel-manganese composite oxide of the present invention as the positive electrode active material, known lithium metal, lithium titanate, silicon, silicon oxide, carbon-based materials (graphite-based materials, non-graphitic materials), etc. as the negative electrode active material, and known organic electrolyte solutions such as those prepared by dissolving lithium salts such as lithium perchlorate or LiPF6 in solvents such as ethylene carbonate or dimethyl carbonate, polymer electrolytes, sulfide solid electrolytes, and other known battery components.
(3.異種金属含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物の製造方法)
本発明の異種金属含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物の製造方法は、例えば、マグネシウム化合物及び/又はチタン化合物と、マンガン化合物と、ニッケル化合物との混合物を、アルカリ性に調整することにより沈殿を形成する工程1、前記沈殿を酸化させて複合酸化物前駆体を得る工程2、リチウム化合物存在下、前記複合酸化物前駆体を酸化雰囲気中で加熱する工程3、及び前記工程3で得られる生成物を、不活性雰囲気下で、前記工程3よりも高温条件で熱処理する工程4を、この順に含んで構成される。
(3. Method for producing a lithium-nickel-manganese composite oxide containing different metals)
The method for producing a lithium-nickel-manganese-based composite oxide containing different metals of the present invention comprises, in this order, for example, Step 1 of forming a precipitate by adjusting the alkalinity of a mixture of a magnesium compound and/or a titanium compound, a manganese compound, and a nickel compound; Step 2 of oxidizing the precipitate to obtain a composite oxide precursor; Step 3 of heating the composite oxide precursor in an oxidizing atmosphere in the presence of a lithium compound; and Step 4 of heat-treating the product obtained in Step 3 in an inert atmosphere at a higher temperature than in Step 3.
(3.1.工程1)
工程1では、マグネシウム化合物及び/又はチタン化合物と、マンガン化合物と、ニッケル化合物との混合物をアルカリ処理することにより、沈殿を形成する。
(3.1. Process 1)
In step 1, a mixture of a magnesium compound and/or a titanium compound, a manganese compound, and a nickel compound is treated with alkali to form a precipitate.
マグネシウム化合物、チタン化合物、マンガン化合物及びニッケル化合物は、それぞれ異種金属含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物のマグネシウム源、チタン源、マンガン源及びニッケル源として機能し、公知のマグネシウム、チタン、マンガン及びニッケルの金属塩を広く使用することが可能であり、特に限定はない。例えば、コスト面を考慮し、2価の塩(硫酸塩、硝酸塩、塩化物、酢酸塩及びこれらの水和物等)を使用することが好ましい。また、高価数Mn源として過マンガン酸(VII)カリウム、酢酸マンガン(III)、アセチル酢酸マンガン(III)等を用いてもよい。これら以外にも、例えばマグネシウム金属、チタン金属、マンガン金属又はニッケル金属や、マグネシウム、チタン、マンガン又はニッケルの酸化物を使用することも好ましく、マグネシウム金属、チタン金属、マンガン金属及びニッケル金属やその酸化物を酸で溶解させたものを金属塩として使用することも好ましい。マグネシウム化合物、チタン化合物、マンガン化合物及びニッケル化合物はいずれも、上記した物の中から一種を単独で使用してもよいし、複数種を併用してもよい。 The magnesium compound, titanium compound, manganese compound, and nickel compound function as the magnesium source, titanium source, manganese source, and nickel source, respectively, for the heterometal-containing lithium-nickel-manganese composite oxide. A wide variety of known metal salts of magnesium, titanium, manganese, and nickel can be used, and there are no particular limitations. For example, from a cost perspective, it is preferable to use divalent salts (sulfates, nitrates, chlorides, acetates, and hydrates thereof, etc.). Potassium permanganate(VII), manganese(III) acetate, manganese(III) acetylacetate, etc. may also be used as a high-valence Mn source. Other examples include magnesium metal, titanium metal, manganese metal, or nickel metal, as well as oxides of magnesium, titanium, manganese, or nickel. It is also preferable to use magnesium metal, titanium metal, manganese metal, or nickel metal, or oxides thereof dissolved in acid as metal salts. The magnesium compound, titanium compound, manganese compound, and nickel compound may all be used singly or in combination.
使用するマグネシウム化合物、チタン化合物、マンガン化合物及びニッケル化合物の混合割合は、目的とする異種金属含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物におけるマグネシウム、チタン、マンガン及びニッケルの配合比と同一とすることが好ましい。 The mixing ratio of the magnesium compound, titanium compound, manganese compound, and nickel compound used is preferably the same as the compounding ratio of magnesium, titanium, manganese, and nickel in the desired heterometal-containing lithium nickel manganese composite oxide.
本発明の製造方法では、上記したように、上記した要件(1)~(3)全てを満たす異種金属含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物が生成されやすい。具体的には、単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造内におけるリチウム以外の金属-リチウム層内での六角網目規則構造において、六角網目格子構成位置のリチウム以外の金属占有率(g4g)から六角網目格子中心位置のリチウム以外の金属占有率(g2b)を引いた値(g4g-g2b)が、0.150≦y≦0.250且つMがMgの場合は0.230~0.300、0.150≦y≦0.250且つMがTiの場合は0.250~0.390、0.250<y≦0.350且つMがTiの場合は0.230~0.310であり(要件(3))、単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造の結晶相のX線回折パターンにおいて2θ=20°付近に見られる(020)面のピークのピーク高さを2θ=45°付近に見られる(20-2)面及び(131)面のピークの重なりからなる単一のピークの高さで除して得られる、X線ピーク強度の割合が、0.150≦y≦0.250且つMがMgの場合は3.0~10.0%、0.150≦y≦0.250且つMがTiの場合は3.0~14.0%、0.250<y≦0.350且つMがTiの場合は3.0~8.0%であり(要件(1))、単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造内におけるリチウム層及びリチウム以外の金属-リチウム層内のリチウム以外の金属の平均存在量の和(gtotal)が、0.150≦y≦0.250且つMがMgの場合は0.780~0.850、0.150≦y≦0.250且つMがTiの場合は0.720~0.800、0.250<y≦0.350且つMがTiの場合は0.750~0.820である(要件(2))異種金属含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物が生成されやすい。 As described above, the production method of the present invention is likely to produce a different metal-containing lithium nickel manganese composite oxide that satisfies all of the above requirements (1) to (3). Specifically, in a hexagonal mesh structure in a metal other than lithium-lithium layer in a monoclinic Li 2 MnO 3 -type layered rock salt structure, the value (g 4g -g 2b ) obtained by subtracting the occupancy rate of a metal other than lithium at the center position of the hexagonal mesh structure (g 2b ) from the occupancy rate of a metal other than lithium at the hexagonal mesh structure position (g 4g ) is 0.230 to 0.300 when 0.150≦y≦0.250 and M is Mg, 0.250 to 0.390 when 0.150≦y≦0.250 and M is Ti, and 0.230 to 0.310 when 0.250<y≦0.350 and M is Ti (requirement (3)), and monoclinic Li 2 MnO The ratio of the X-ray peak intensity, which is obtained by dividing the peak height of the (020) plane peak observed around 2θ=20° in the X-ray diffraction pattern of the crystalline phase of the Li 2 MnO 3 type layered rock salt structure by the height of a single peak consisting of the overlap of the peaks of the (20-2) plane and the (131) plane observed around 2θ=45°, is 3.0 to 10.0% when 0.150≦y≦0.250 and M is Mg, 3.0 to 14.0% when 0.150≦y≦0.250 and M is Ti, and 3.0 to 8.0% when 0.250<y≦0.350 and M is Ti (requirement (1)), and the sum of the average abundances of the lithium layer and the metal other than lithium in the metal other than lithium-lithium layer in the monoclinic Li 2 MnO 3 type layered rock salt structure (g total ) is 0.780 to 0.850 when 0.150≦y≦0.250 and M is Mg, 0.720 to 0.800 when 0.150≦y≦0.250 and M is Ti, and 0.750 to 0.820 when 0.250<y≦0.350 and M is Ti (requirement (2)).
以上から、得られる本発明の異種金属含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物の要求物性及び要求特性に応じて、上記パラメータを適宜選択することができる。 From the above, the above parameters can be appropriately selected depending on the required physical properties and characteristics of the resulting lithium-nickel-manganese composite oxide containing different metals of the present invention.
マグネシウム化合物、チタン化合物、マンガン化合物及びニッケル化合物は、マグネシウム化合物及び/又はチタン化合物と、マンガン化合物と、ニッケル化合物とを含む混合物とすることが好ましく、適宜の溶媒に溶解させてマグネシウム化合物及び/又はチタン化合物と、マンガン化合物と、ニッケル化合物との混合溶液とすることがより好ましく、水に溶解させてマグネシウム化合物及び/又はチタン化合物と、マンガン化合物と、ニッケル化合物との混合水溶液とすることがさらに好ましい。当該混合水溶液の濃度に関しては特に限定はなく、例えば、マグネシウム化合物、チタン化合物、マンガン化合物及びニッケル化合物の合計濃度を0.01~5mol/Lとすることが好ましく、0.1~2.0mol/Lとすることがより好ましい。 The magnesium compound, titanium compound, manganese compound, and nickel compound are preferably prepared as a mixture containing a magnesium compound and/or titanium compound, a manganese compound, and a nickel compound. It is more preferable to dissolve them in an appropriate solvent to prepare a mixed solution of a magnesium compound and/or titanium compound, a manganese compound, and a nickel compound. It is even more preferable to dissolve them in water to prepare a mixed aqueous solution of a magnesium compound and/or titanium compound, a manganese compound, and a nickel compound. There are no particular limitations on the concentration of the mixed aqueous solution; for example, the total concentration of the magnesium compound, titanium compound, manganese compound, and nickel compound is preferably 0.01 to 5 mol/L, and more preferably 0.1 to 2.0 mol/L.
マグネシウム化合物及び/又はチタン化合物と、マンガン化合物と、ニッケル化合物とを含む混合物を、好ましくは混合液、より好ましくは混合水溶液とし、アルカリ処理することにより沈殿を形成する。アルカリ処理は、マグネシウム化合物及び/又はチタン化合物と、マンガン化合物と、ニッケル化合物とを含む混合物(好ましくは混合液、より好ましくは混合水溶液)をアルカリ性とすることにより達成され得る。 A mixture containing a magnesium compound and/or titanium compound, a manganese compound, and a nickel compound is preferably prepared as a mixed liquid, more preferably as a mixed aqueous solution, and then treated with alkali to form a precipitate. The alkali treatment can be achieved by making the mixture (preferably a mixed liquid, more preferably a mixed aqueous solution) containing the magnesium compound and/or titanium compound, the manganese compound, and the nickel compound alkaline.
マグネシウム化合物及び/又はチタン化合物よりなる群から選ばれる少なくとも1種と、マンガン化合物と、ニッケル化合物とを含む混合物をアルカリ処理する際のpHとしては、化合物の種類及び濃度等を考慮し、適切なpHを設定すればよい。具体的には、pH8以上とすることが好ましく、pH11以上とすることがより好ましい。この際のpHの上限値は特に制限はないが、通常14程度である。 When treating a mixture containing at least one compound selected from the group consisting of magnesium compounds and/or titanium compounds, a manganese compound, and a nickel compound with alkali, the pH can be set appropriately, taking into consideration the type and concentration of the compounds. Specifically, a pH of 8 or higher is preferred, and a pH of 11 or higher is more preferred. There is no particular upper limit to the pH, but it is usually around 14.
アルカリ処理の具体的な操作方法に関しては、特に限定はない。例えば、マグネシウム化合物及び/又はチタン化合物と、マンガン化合物と、ニッケル化合物とを含む混合物を、アルカリ水溶液に徐々に添加する方法を挙げることができる。かかる方法を採用する場合には、例えば送液ポンプを使用し、上記混合物(好ましくは混合液、より好ましくは混合水溶液)を、好ましくは1~10時間、より好ましくは2~5時間かけて滴下することが好ましい。かかる方法を採用することにより、均一な沈殿物を得ることができる。 There are no particular limitations on the specific method of alkaline treatment. For example, a method can be used in which a mixture containing a magnesium compound and/or titanium compound, a manganese compound, and a nickel compound is gradually added to an alkaline aqueous solution. When using this method, it is preferable to use a liquid pump, for example, to drop the mixture (preferably a mixed liquid, more preferably a mixed aqueous solution) over a period of preferably 1 to 10 hours, more preferably 2 to 5 hours. By using this method, a uniform precipitate can be obtained.
アルカリ処理に使用するアルカリ物質は特に限定されず、例えば、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム、水酸化リチウム一水和物等のアルカリ金属水酸化物、アンモニア等を使用することが可能である。これらのアルカリ物質は、適宜の溶媒に溶解させ、例えば0.1~20mol/L、好ましくは0.3~10mol/Lの濃度に調整したアルカリ溶液として、使用することが好ましい。 There are no particular restrictions on the alkaline substance used in the alkaline treatment, and examples that can be used include alkali metal hydroxides such as potassium hydroxide, sodium hydroxide, lithium hydroxide, and lithium hydroxide monohydrate, as well as ammonia. These alkaline substances are preferably dissolved in an appropriate solvent and used as an alkaline solution with a concentration of, for example, 0.1 to 20 mol/L, preferably 0.3 to 10 mol/L.
アルカリ物質を溶解させる溶媒としては、特に限定されないが、水の他、水-アルコール混合溶媒を使用することも好ましい。ここで、使用するアルコールは、エタノール、メタノール等の水溶性アルコールであることが好ましい。水を使用することが簡便であるが、水-アルコール混合溶媒を使用することにより、アルコールが不凍液として機能し、0℃を下回る温度での沈殿生成が行いやすい。またアルコール添加を行うことにより、アルコールが還元剤として機能し、高価数Mn源の一つである過マンガン酸(VII)カリウムを用いての沈殿生成も容易である。 The solvent for dissolving the alkaline substance is not particularly limited, but it is also preferable to use a water-alcohol mixed solvent in addition to water. The alcohol used here is preferably a water-soluble alcohol such as ethanol or methanol. While using water is simple, using a water-alcohol mixed solvent allows the alcohol to function as an antifreeze, making it easier to form precipitates at temperatures below 0°C. Furthermore, by adding alcohol, the alcohol functions as a reducing agent, making it easier to form precipitates using potassium permanganate(VII), a source of high-valent Mn.
水-アルコール混合溶媒におけるアルコールの使用量は、目的とする沈殿生成温度に応じて適宜設定すればよく、例えば、水100質量部に対し、アルコールを10~50質量部とすることが好ましく、20~40質量部とすることがより好ましい。 The amount of alcohol used in the water-alcohol mixed solvent can be set appropriately depending on the desired precipitation temperature. For example, it is preferable to use 10 to 50 parts by mass of alcohol per 100 parts by mass of water, and more preferably 20 to 40 parts by mass.
沈殿形成に伴い中和熱が発生することを考慮し、沈殿形成は恒温槽等を用いた温度制御を行うことが好ましい。アルカリ処理時における設定温度は、-20~80℃とすることが好ましく、-10~60℃とすることがより好ましい。 Considering that heat of neutralization is generated during precipitation, it is preferable to control the temperature during precipitation using a thermostatic bath or similar. The set temperature during alkaline treatment is preferably between -20 and 80°C, and more preferably between -10 and 60°C.
(3.2.工程2)
工程2では、前記工程1で得られる沈殿を酸化させて複合酸化物前駆体を得る。
(3.2. Process 2)
In step 2, the precipitate obtained in step 1 is oxidized to obtain a composite oxide precursor.
工程2においては、沈殿を含む反応系に酸化処理を行うことが好ましい。当該酸化処理は、好ましくは0~150℃、より好ましくは10~100℃の温度条件にて、好ましくは0.5~7日間、より好ましくは1~4日間にわたり、反応系に空気又は酸素を吹き込むことにより実施できる。 In step 2, it is preferable to subject the reaction system containing the precipitate to an oxidation treatment. This oxidation treatment can be carried out by blowing air or oxygen into the reaction system, preferably at a temperature of 0 to 150°C, more preferably 10 to 100°C, for a period of preferably 0.5 to 7 days, more preferably 1 to 4 days.
酸化処理は、均一な試料を得るために、湿式条件で行われることが好ましい。湿式条件の具体的な態様としては、バブリング処理を例示することができる。 The oxidation treatment is preferably carried out under wet conditions to obtain a uniform sample. A specific example of wet conditions is bubbling treatment.
上記酸化処理を経て、複合酸化物前駆体を得ることができる。複合酸化物前駆体は、そのまま次の工程3で使用してもよいし、蒸留水等で洗浄した後、過剰のアルカリ成分及び残留原料等を除去し、濾別することにより精製した複合酸化物前駆体とした後に、工程3に使用してもよい。 Through the above oxidation treatment, a composite oxide precursor can be obtained. The composite oxide precursor can be used as is in the next step 3, or it can be washed with distilled water or the like, and then filtered to remove excess alkaline components and residual raw materials, resulting in a purified composite oxide precursor that can then be used in step 3.
(3.3.工程3)
工程3では、前記工程2で得られる複合酸化物前駆体を、リチウム化合物存在下、酸化雰囲気中で熱処理する。
(3.3. Process 3)
In step 3, the composite oxide precursor obtained in step 2 is heat-treated in an oxidizing atmosphere in the presence of a lithium compound.
使用するリチウム化合物としては、特に限定はなく、例えばリチウム塩を使用することができる。より具体的には、炭酸リチウム、水酸化リチウム、水酸化リチウムの水和物、硝酸リチウム、及び酢酸リチウム等を例示することができる。 There are no particular limitations on the lithium compound used, and lithium salts can be used, for example. More specific examples include lithium carbonate, lithium hydroxide, lithium hydroxide hydrate, lithium nitrate, and lithium acetate.
リチウム以外の金属化合物モル量に対するリチウム化合物の使用量は特に限定されない。但し、(Li/(Ni+M+Mn)(モル比))で、例えば、異種金属価数を2価(MがMgの場合)、ニッケルを2価、マンガンを4価とした場合のyNiO-zMO-(1-y-z)Li2MnO3を仮定して得られる値とすることが好ましい。例えば、yが0.200でzが0.100の場合、上記固体組成より
(Li/(Ni+M+Mn)(モル比))=0.30×0+0.70×2=1.40
を使用することにより、後述する工程4の熱処理後の水洗処理が不要となり、工程を単純化できる。一方でLi/(Ni+M+Mn)(モル比)を所望の充放電特性を得るために適宜変更することもできる。例えばLi/(Ni+M+Mn)(モル比)を2.00等の目的組成より過剰の数値として、熱処理し後で水洗処理、濾過、乾燥等により過剰のリチウム塩を除去してもよい。
The amount of lithium compound used relative to the molar amount of metal compounds other than lithium is not particularly limited. However, it is preferable to use (Li/(Ni+M+Mn) (molar ratio)) as a value obtained by assuming, for example, yNiO-zMO-(1-y-z)Li 2 MnO 3 , where the valence of the different metals is divalent (when M is Mg), nickel is divalent, and manganese is tetravalent. For example, when y is 0.200 and z is 0.100, from the above solid composition, (Li/(Ni+M+Mn) (molar ratio)) = 0.30 × 0 + 0.70 × 2 = 1.40
By using the above, the water washing treatment after the heat treatment in step 4 described below is not necessary, thereby simplifying the process. On the other hand, the Li/(Ni+M+Mn) (molar ratio) can be appropriately changed to obtain the desired charge/discharge characteristics. For example, the Li/(Ni+M+Mn) (molar ratio) may be set to a value in excess of the target composition, such as 2.00, and the excess lithium salt may be removed after the heat treatment by water washing, filtration, drying, etc.
複合酸化物前駆体とリチウム化合物とを乾式混合し、得られた混合物を熱処理に供してもよいが、複合酸化物前駆体とリチウム化合物とを溶媒(好ましくは、水)中でスラリー化し、スラリーを乾燥させて得られる乾燥物を、熱処理に供することが好ましい。 The composite oxide precursor and the lithium compound may be dry-mixed and the resulting mixture subjected to heat treatment, but it is preferable to form a slurry of the composite oxide precursor and the lithium compound in a solvent (preferably water), dry the slurry, and then subject the resulting dried product to heat treatment.
例えば、リチウム化合物として水溶性化合物を使用する場合には、リチウム化合物を水に溶解させて水溶液とし、複合酸化物前駆体と混合し、スラリー化することが好ましい。一方、リチウム化合物として水に対して不溶性のものを使用する場合には、当該リチウム化合物を水に分散させた後に複合酸化物前駆体を添加して混合してスラリー化することが好ましい。 For example, when a water-soluble lithium compound is used, it is preferable to dissolve the lithium compound in water to prepare an aqueous solution, which is then mixed with the composite oxide precursor to form a slurry. On the other hand, when a water-insoluble lithium compound is used, it is preferable to disperse the lithium compound in water, then add the composite oxide precursor and mix to form a slurry.
得られたスラリーは、熱処理前に乾燥させて、乾燥混合物とすることが好ましい。乾燥条件は、特に限定されない。例えば、40~60℃の温度で徐々に乾燥させることが比重の異なるリチウム塩と沈殿の分離を防ぎやすいという観点から好ましい。 The resulting slurry is preferably dried to form a dry mixture before heat treatment. Drying conditions are not particularly limited. For example, gradual drying at a temperature of 40 to 60°C is preferred, as this makes it easier to prevent separation of the lithium salt and precipitate, which have different specific gravities.
その後、複合酸化物前駆体とリチウム化合物との混合物、又はスラリーを乾燥させた乾燥混合物を、酸化雰囲気中で熱処理を行う。ここで、乾燥混合物に熱処理を行う場合には、熱処理前に粉砕処理を行うことが好ましい。粉砕処理の処理条件に関しては特に限定されず、粉砕物が粗大粒子を含まず、均一な色調となっていればよい。 Then, the mixture of the composite oxide precursor and the lithium compound, or the dried mixture obtained by drying the slurry, is heat-treated in an oxidizing atmosphere. If the dried mixture is heat-treated, it is preferable to perform a pulverization process before the heat treatment. There are no particular restrictions on the conditions for the pulverization process, as long as the pulverized product does not contain coarse particles and has a uniform color tone.
工程3において、熱処理は酸化雰囲気中で実施する。酸化性雰囲気としては、例えば、大気中、酸素中等の環境を例示することができる。 In step 3, the heat treatment is carried out in an oxidizing atmosphere. Examples of oxidizing atmospheres include air and oxygen.
熱処理における温度条件としては、400~800℃とすることが好ましく、500~700℃とすることがより好ましい。熱処理時間に関しては、例えば、1~30時間とすることが好ましく、3~20時間とすることがより好ましい。 The temperature conditions for the heat treatment are preferably 400 to 800°C, and more preferably 500 to 700°C. The heat treatment time is preferably, for example, 1 to 30 hours, and more preferably 3 to 20 hours.
(3.4.工程4)
工程4では、前記工程3で得られる生成物に、不活性雰囲気下において、前記工程3よりも高温条件で熱処理を行う。
(3.4. Process 4)
In step 4, the product obtained in step 3 is subjected to a heat treatment in an inert atmosphere at a higher temperature than in step 3.
工程3で得られる生成物は、工程3の熱処理後、そのまま使用してもよいが、粉砕して使用することが好ましい。 The product obtained in step 3 may be used as is after the heat treatment in step 3, but it is preferable to pulverize it before use.
工程4における熱処理は、不活性雰囲気下で実施する。不活性雰囲気下とは、高温での酸化を抑制するような環境であれば特に限定はなく、例えば、窒素中、アルゴン中等の環境を例示することができる。 The heat treatment in step 4 is carried out in an inert atmosphere. There are no particular restrictions on the inert atmosphere, so long as it suppresses oxidation at high temperatures. Examples of the inert atmosphere include nitrogen and argon.
工程4における熱処理温度は、工程3における熱処理温度よりも高い。工程4における熱処理温度が工程3における熱処理温度以下である場合、充分な粒成長及び還元効果が得られないため充放電サイクル特性に優れた試料が得られない。 The heat treatment temperature in step 4 is higher than the heat treatment temperature in step 3. If the heat treatment temperature in step 4 is lower than the heat treatment temperature in step 3, sufficient grain growth and reduction effects will not be achieved, and a sample with excellent charge-discharge cycle characteristics will not be obtained.
工程4における熱処理の具体的な温度条件に関しては、800~1000℃とすることが好ましく、850~950℃とすることがより好ましい。熱処理時間に関しては、例えば、1~30時間とすることが好ましく、3~20時間とすることがより好ましい。 Specific temperature conditions for the heat treatment in step 4 are preferably 800 to 1000°C, and more preferably 850 to 950°C. The heat treatment time is preferably, for example, 1 to 30 hours, and more preferably 3 to 20 hours.
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこうした例に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる形態で実施し得ることは勿論である。 The above describes embodiments of the present invention, but the present invention is not limited to these examples and can, of course, be embodied in various forms without departing from the spirit of the present invention.
以下、実施例に基づき、本発明の実施形態をより具体的に説明するが、本発明がこれらに限定されるものではない。 The following provides a more detailed explanation of embodiments of the present invention based on examples, but the present invention is not limited to these examples.
(実施例1)
硝酸ニッケル(II)6水和物14.54g、硝酸マグネシウム(II)6水和物6.41g及び塩化マンガン(II)4水和物34.63g(全量0.25mol、Ni:Mg:Mnモル比=20:10:70)を500mLの蒸留水に加え、完全に溶解させ、Ni-Mg-Mn水溶液(0.50mol/L)を得た。別のビーカーに水酸化ナトリウム水溶液(蒸留水500mLに水酸化ナトリウム50gを溶解させた溶液;2.50mol/L)を作製した。この水酸化ナトリウム水溶液をチタン製ビーカーに入れ、攪拌しつつ恒温漕内に設置し、恒温漕内を+20℃に保った。次いで、この水酸化ナトリウム水溶液に上記Ni-Mg-Mn水溶液を2~3時間かけて徐々に滴下して、Ni-Mg-Mn沈殿物を形成させた(工程1)。反応液が完全にアルカリ性(pH11以上)になっていることを確認し、攪拌下に共沈物を含む反応液に室温で48時間以上酸素を吹き込んで湿式酸化処理して、沈殿を熟成させ目的とする前駆体を得た(工程2)。
Example 1
14.54 g of nickel(II) nitrate hexahydrate, 6.41 g of magnesium(II) nitrate hexahydrate, and 34.63 g of manganese(II) chloride tetrahydrate (total amount 0.25 mol, Ni:Mg:Mn molar ratio = 20:10:70) were added to 500 mL of distilled water and completely dissolved to obtain a Ni-Mg-Mn aqueous solution (0.50 mol/L). A sodium hydroxide aqueous solution (50 g of sodium hydroxide dissolved in 500 mL of distilled water; 2.50 mol/L) was prepared in a separate beaker. This sodium hydroxide aqueous solution was placed in a titanium beaker and, while stirring, placed in a thermostatic bath, which was maintained at +20°C. Next, the Ni-Mg-Mn aqueous solution was gradually added dropwise to the sodium hydroxide aqueous solution over 2 to 3 hours to form a Ni-Mg-Mn precipitate (Step 1). After confirming that the reaction solution had become completely alkaline (pH 11 or higher), oxygen was blown into the reaction solution containing the coprecipitate at room temperature for 48 hours or more while stirring, thereby subjecting the coprecipitate to wet oxidation treatment, thereby aging the precipitate and obtaining the target precursor (Step 2).
前駆体を蒸留水で洗浄後濾別し得られたものを、全量に対して1.00倍(モル比)の炭酸リチウム(18.47g;(Li/(Ni+Mg+Mn)(モル比)が2.00))と蒸留水200mLを加え、ミキサーで混合して均一なスラリーを作製し、その後ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製シャーレに移して、50℃で2日間乾燥させた。 The precursor was washed with distilled water and filtered. 200 mL of distilled water was added to the resulting material, which was then mixed with 1.00 times (molar ratio) lithium carbonate (18.47 g; Li/(Ni + Mg + Mn) (molar ratio) 2.00) in a mixer to create a uniform slurry. The mixture was then transferred to a polytetrafluoroethylene (PTFE) dish and dried at 50°C for two days.
乾燥粉末を振動ミルで粉砕後、電気炉に入れ、大気中650℃で5時間一次焼成した(工程3)。その後粉末を電気炉から取り出し、再び振動ミルで粉砕後、電気炉に入れ窒素気流中850℃で5時間二次焼成した(工程4)。その後粉末を電気炉から取り出し、再び振動ミルで粉砕後、蒸留水による水洗処理及び濾過、乾燥処理を行ってマグネシウム含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物を得た。 The dried powder was pulverized in a vibration mill, then placed in an electric furnace and subjected to primary firing in air at 650°C for 5 hours (step 3). The powder was then removed from the electric furnace and pulverized again in a vibration mill, before being placed in an electric furnace and subjected to secondary firing in a nitrogen stream at 850°C for 5 hours (step 4). The powder was then removed from the electric furnace and pulverized again in a vibration mill, then washed with distilled water, filtered, and dried to obtain a magnesium-containing lithium-nickel-manganese composite oxide.
(比較例1)
工程4の二次焼成を、不活性雰囲気である窒素雰囲気から大気に変えて、実施例1と同様に作製しマグネシウム含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物を得た。
(Comparative Example 1)
In the secondary firing in step 4, the inert atmosphere of nitrogen was changed to air, and the same preparation as in Example 1 was carried out to obtain a magnesium-containing lithium nickel manganese composite oxide.
X線回折測定(実施例1)
X線リートベルト解析ソフトRIETAN-FP(泉富士夫他、Solid State Phenom.130(2007)15-20.)を用いて得られた実施例1の実測パターン(+)と単斜晶Li2MnO3単位胞を用いて得られた計算パターンとの比較(実線)を図2に示す(ピーク位置は縦棒で、実測値と計算値の残差は強度0付近に表記。)。実測値と計算値の差は小さく、信頼できる解析値が得られたことが確認された。得られた格子定数はa=4.9578(4)Å、b=8.5632(5)Å、c=5.0245(3)Å、β=109.210(6)°、格子体積はV=201.4(4)Å3であった。各格子位置における金属(仮想原子Ni0.20Mg0.10Mn0.70を仮定)占有率を、等方性熱振動パラメータBを1と仮定して求めると、下記表1の通りとなった。
X-ray diffraction measurement (Example 1)
Figure 2 shows a comparison of the measured pattern (+) of Example 1 obtained using the X-ray Rietveld analysis software RIETAN-FP (Fujio Izumi et al., Solid State Phenom. 130 (2007) 15-20.) with the calculated pattern (solid line) obtained using a monoclinic Li 2 MnO 3 unit cell (peak positions are indicated by vertical bars, and the residual between the measured and calculated values is indicated near the intensity of 0). The difference between the measured and calculated values was small, confirming that reliable analytical values were obtained. The obtained lattice constants were a = 4.9578(4) Å, b = 8.5632(5) Å, c = 5.0245(3) Å, β = 109.210(6)°, and the lattice volume was V = 201.4(4) Å 3 . The metal (assuming virtual atoms Ni 0.20 Mg 0.10 Mn 0.70 ) occupancy rate at each lattice site was calculated assuming that the isotropic thermal vibration parameter B was 1, and the results are shown in Table 1 below.
X線回折測定(比較例1)
X線リートベルト解析ソフトRIETAN-FPを用いて得られた比較例1の実測パターン(+)と単斜晶Li2MnO3単位胞を用いて得られた計算パターンとの比較(実線)を図3に示す(ピーク位置は縦棒で、実測値と計算値の残差は強度0付近に表記。)。実測値と計算値の差は小さく、信頼できる解析値が得られたことが確認された。得られた格子定数はa=4.9447(5)Å、b=8.5515(5)Å、c=5.0217(3)Å、β=109.168(9)°、格子体積はV=200.6(6)Å3であった。各格子位置におけるリチウム以外の金属(仮想原子Ni0.20Mg0.10Mn0.70を仮定)占有率を、等方性熱振動パラメータBを1と仮定して求めると、下記表1の通りとなった。
X-ray diffraction measurement (Comparative Example 1)
A comparison (solid line) of the measured pattern (+) of Comparative Example 1 obtained using the X-ray Rietveld analysis software RIETAN-FP with the calculated pattern (solid line) obtained using a monoclinic Li 2 MnO 3 unit cell is shown in Figure 3 (peak positions are indicated by vertical bars, and the residual between the measured and calculated values is indicated near an intensity of 0). The difference between the measured and calculated values was small, confirming that reliable analytical values were obtained. The obtained lattice constants were a = 4.9447(5) Å, b = 8.5515(5) Å, c = 5.0217(3) Å, β = 109.168(9)°, and the lattice volume was V = 200.6(6) Å 3. The occupancy of metals other than lithium (assuming virtual atoms Ni 0.20 Mg 0.10 Mn 0.70 ) at each lattice site was calculated assuming an isotropic thermal vibration parameter B of 1, as shown in Table 1 below.
表1に示す通り、実施例1の複合酸化物は、六角網目構成位置(4g位置)占有率と六角網目中心位置(2b位置)占有率との差g4g-g2bは0.244であり、本発明の範囲内であることが明らかである。また2θ=20°付近の(020)面のピークと2θ=45°付近の(20-2)面及び(131)面のピークの重なりからなる単一のピークの高さの比I020/I20-2,131は、7.58%であり、本発明の範囲内であることが明らかである。またリチウム層内平均金属量((2g4h+g2c)/3)とリチウム以外の金属-リチウム層内平均金属量((2g4g+g2b)/3)の和で定義される組成式あたりのリチウム以外の金属量(gtotal)は、0.799であり、本発明の範囲内であることが明らかである。 As shown in Table 1, the composite oxide of Example 1 has a difference g 4g -g 2b between the occupancy rate of the hexagonal network constituent position (4g position) and the occupancy rate of the hexagonal network center position (2b position) of 0.244, which is clearly within the scope of the present invention. Furthermore, the ratio I 020 /I 20-2,131 of the height of a single peak consisting of the overlap of the peak of the (020) plane near 2θ = 20° and the peaks of the ( 20-2 ) and ( 131 ) planes near 2θ = 45° is 7.58%, which is clearly within the scope of the present invention. Furthermore, the amount of metal other than lithium per composition formula (g total ), defined as the sum of the average amount of metal in the lithium layer ((2g 4h +g 2c )/3) and the average amount of metal other than lithium in the lithium layer (( 2g 4g +g 2b )/3), is 0.799, which is clearly within the scope of the present invention.
また、比較例1の複合酸化物に関しては、表1に示すとおり、六角網目構成位置(4g位置)占有率と六角網目中心位置(2b位置)占有率の差g4g-g2bは0.355であり、本発明の範囲外であることが明らかである。また2θ=20°付近の(020)面のピークと2θ=45°付近の(20-2)面及び(131)面ピークの重なりからなる単一のピークの高さの比I020/I20-2,131は、10.95%であり、本発明の範囲外であることが明らかである。またリチウム層内平均金属量((2g4h+g2c)/3)とリチウム以外の金属-リチウム層内平均金属量((2g4g+g2b)/3)の和で定義される組成式あたりの金属量(gtotal)は、0.772であり、本発明の範囲外であることが明らかである。従って、工程4を不活性雰囲気下において行うことが必要なことが分かる。 Furthermore, with regard to the composite oxide of Comparative Example 1, as shown in Table 1, the difference g 4g -g 2b between the occupancy rate of the hexagonal network configuration position (4g position) and the occupancy rate of the hexagonal network center position (2b position) is 0.355, which is clearly outside the scope of the present invention. Furthermore, the ratio I 020 /I 20-2,131 of the height of the single peak consisting of the overlap of the (020) plane peak near 2θ = 20 ° and the (20-2) plane and (131) plane peak near 2θ = 45 ° is 10.95%, which is clearly outside the scope of the present invention. Furthermore, the metal amount (g total ) per composition formula defined as the sum of the average metal amount in the lithium layer ((2g 4h + g 2c ) / 3) and the metal other than lithium - average metal amount in the lithium layer ((2g 4g + g 2b ) / 3) is 0.772, which is clearly outside the scope of the present invention. Therefore, it is understood that step 4 must be carried out under an inert atmosphere.
化学分析(実施例1及び比較例1)
実施例1及び比較例1のマグネシウム含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物の金属量をICP発光分析により求め、結果を下記表2に示す。表中のx値はLi/(Ni+Mg+Mn)(モル比)より以下の計算式:
x=(Li/(Ni+Mg+Mn)-1)/(Li/(Ni+Mg+Mn)+1)
で求めた。一方y値はNi/(Ni+Mg+Mn)(モル比)それ自体、z値はMg/(Ni+Mg+Mn)(モル比)それ自体である。実施例1は、本発明の組成式範囲内にあることが明らかである。
Chemical Analysis (Example 1 and Comparative Example 1)
The metal amounts of the magnesium-containing lithium nickel manganese composite oxides of Example 1 and Comparative Example 1 were determined by ICP emission spectrometry, and the results are shown in Table 2 below. The x value in the table was calculated from Li/(Ni+Mg+Mn) (molar ratio) using the following formula:
x=(Li/(Ni+Mg+Mn)-1)/(Li/(Ni+Mg+Mn)+1)
On the other hand, the y value is Ni/(Ni+Mg+Mn) (molar ratio) itself, and the z value is Mg/(Ni+Mg+Mn) (molar ratio) itself. It is clear that Example 1 falls within the range of the composition formula of the present invention.
充放電特性評価(実施例1及び比較例1)
実施例1及び比較例1のマグネシウム含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物20mg及びアセチレンブラック粉末5mgを乳鉢でよく混合後、0.5mgのポリテトラフルオロエチレン粉末を加えて互いを結着させた。これをアルミニウムメッシュ上に圧着して合材電極を作製した。合材電極を120℃で一晩真空乾燥後、露点-80℃以下のグローブボックス内に導入し、負極に金属リチウム、電解液として1M LiPF6を炭酸エチレンと炭酸ジメチルとの混合溶媒(体積比 炭酸エチレン:炭酸ジメチル=3:7)に溶解させたものを用いてコイン型リチウム二次電池を組み立てた。作製した電池をグローブボックス内より取り出し、充放電試験装置に接続し、充電開始にて30℃、電流密度40mA/gで充放電試験を行った。なお電気化学的活性化のために4サイクル目まで段階充電法を適用した。1-4サイクル目までは、充電容量を80mAh/gから40mAh/gずつあげて充電させ、各サイクルにおいて、2.0Vまで放電させた。5サイクル目は4.8Vまで充電後2.0Vまで放電させた。その後6サイクル目以降は2.0-4.6Vの電位範囲内で29回定電流充放電させた。
Evaluation of charge/discharge characteristics (Example 1 and Comparative Example 1)
20 mg of the magnesium-containing lithium-nickel-manganese composite oxides from Example 1 and Comparative Example 1 and 5 mg of acetylene black powder were thoroughly mixed in a mortar, and then 0.5 mg of polytetrafluoroethylene powder was added to bond them together. This mixture was then pressed onto an aluminum mesh to prepare a composite electrode. The composite electrode was vacuum dried overnight at 120°C and then placed in a glove box with a dew point of -80°C or below. A coin-type lithium secondary battery was assembled using metallic lithium as the negative electrode and 1M LiPF6 dissolved in a mixed solvent of ethylene carbonate and dimethyl carbonate (volume ratio ethylene carbonate:dimethyl carbonate = 3:7) as the electrolyte. The fabricated battery was removed from the glove box and connected to a charge/discharge tester. A charge/discharge test was performed at 30°C at the start of charging and a current density of 40 mA/g. A stepwise charging method was applied up to the fourth cycle for electrochemical activation. From the first to fourth cycles, the charge capacity was increased from 80 mAh/g by 40 mAh/g, and in each cycle, the battery was discharged to 2.0 V. In the fifth cycle, the battery was charged to 4.8 V and then discharged to 2.0 V. From the sixth cycle onwards, the battery was charged and discharged 29 times at a constant current within the potential range of 2.0-4.6 V.
実施例1及び比較例1のマグネシウム含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物を正極活物質としたリチウム二次電池の充放電特性を、それぞれ図4及び5に示した。なお、図4及び5ともに、図中右上がりの曲線が充電曲線(添字cで表記)を、右下がりの曲線が放電曲線(添字dで表記)を示す。数字はサイクル数を示す。なお1~4サイクルに関しては、電気化学的活性化のためのサイクルであるため、図示していない。また、実施例1及び比較例1の充放電容量を、下記表3に示した。 The charge-discharge characteristics of lithium secondary batteries using the magnesium-containing lithium-nickel-manganese composite oxides of Example 1 and Comparative Example 1 as the positive electrode active material are shown in Figures 4 and 5, respectively. In both Figures 4 and 5, the curves sloping upward to the right indicate the charge curves (denoted by the subscript c), and the curves sloping downward to the right indicate the discharge curves (denoted by the subscript d). Numbers indicate the number of cycles. Cycles 1 to 4 are not shown because they are cycles for electrochemical activation. The charge-discharge capacities of Example 1 and Comparative Example 1 are shown in Table 3 below.
図4~5及び表3より、実施例1のリチウム二次電池は、比較例1のリチウム二次電池に比べて、5サイクル目から34サイクル目までの充放電容量が大きく、サイクル経過時の充放電曲線変化も小さいことがわかる。また実施例1のリチウム二次電池の5サイクル目放電平均電圧は3.48Vであり、比較例1のリチウム二次電池の値(3.45V)とほぼ同等であった。 Figures 4 and 5 and Table 3 show that the lithium secondary battery of Example 1 had a larger charge/discharge capacity from the 5th to 34th cycles than the lithium secondary battery of Comparative Example 1, and the change in the charge/discharge curve over the cycles was smaller. Furthermore, the average discharge voltage of the lithium secondary battery of Example 1 at the 5th cycle was 3.48 V, which was almost the same as the value (3.45 V) of the lithium secondary battery of Comparative Example 1.
放電レート特性評価(実施例1及び比較例1)
次に、別の実施例1及び比較例1のリチウム二次電池を用いて高電流密度下での放電レート特性を評価した。5サイクル目までは上記サイクル試験と同様に充放電させ、その後2.0-4.6Vの電位範囲で、充電時の電流密度を40mA/gに固定し、放電電流密度を100mA/gから400mA/gまで変化させて評価した。なお、高電流密度放電試験評価後は電池の充電深度が通常の定電流密度試験より大きくずれるため、各高電流密度放電試験後に1サイクル低電流密度(40mA/g)下での充放電を実施して調整した。
Discharge rate characteristic evaluation (Example 1 and Comparative Example 1)
Next, the discharge rate characteristics under high current density were evaluated using the lithium secondary batteries of Example 1 and Comparative Example 1. Charge and discharge were performed in the same manner as in the above cycle test up to the fifth cycle, and then the current density during charge was fixed at 40 mA/g and the discharge current density was changed from 100 mA/g to 400 mA/g in the potential range of 2.0-4.6 V, and evaluation was performed. Note that, since the depth of charge of the battery after the high current density discharge test evaluation deviates significantly from that in a normal constant current density test, one cycle of charge and discharge at a low current density (40 mA/g) was performed after each high current density discharge test to adjust the depth of charge.
図6~7及び表4に、実施例1及び比較例1のリチウム二次電池の放電レート特性を示した。 Figures 6 and 7 and Table 4 show the discharge rate characteristics of the lithium secondary batteries of Example 1 and Comparative Example 1.
図6~7及び表4より、実施例1のリチウム二次電池の方が比較例1のリチウム二次電池に比べて、各電流密度での放電容量が大きく、放電レート特性に優れることが明らかである。 From Figures 6 and 7 and Table 4, it is clear that the lithium secondary battery of Example 1 has a larger discharge capacity at each current density and superior discharge rate characteristics compared to the lithium secondary battery of Comparative Example 1.
(実施例2)
硝酸ニッケル(II)6水和物14.54g、30%硫酸チタン(IV)水溶液20.00g及び塩化マンガン(II)4水和物34.63g(全量0.25mol、Ni:Ti:Mnモル比=20:10:70)を500mLの蒸留水に加え、完全に溶解させ、Ni-Ti-Mn水溶液(0.50mol/L)を得た。別のビーカーに水酸化ナトリウム水溶液(蒸留水500mLに水酸化ナトリウム50gを溶解させた溶液;2.50mol/L)を作製した。この水酸化ナトリウム水溶液をチタン製ビーカーに入れ、攪拌しつつ恒温漕内に設置し、恒温漕内を+20℃に保った。次いで、この水酸化ナトリウム水溶液に上記Ni-Ti-Mn水溶液を2~3時間かけて徐々に滴下して、Ni-Ti-Mn沈殿物を形成させた(工程1)。反応液が完全にアルカリ性(pH11以上)になっていることを確認し、攪拌下に共沈物を含む反応液に室温で48時間以上酸素を吹き込んで湿式酸化処理して、沈殿を熟成させ目的とする前駆体を得た(工程2)。
Example 2
14.54 g of nickel(II) nitrate hexahydrate, 20.00 g of 30% aqueous titanium(IV) sulfate solution, and 34.63 g of manganese(II) chloride tetrahydrate (total amount: 0.25 mol, Ni:Ti:Mn molar ratio = 20:10:70) were added to 500 mL of distilled water and completely dissolved to obtain a Ni-Ti-Mn aqueous solution (0.50 mol/L). A sodium hydroxide aqueous solution (50 g of sodium hydroxide dissolved in 500 mL of distilled water; 2.50 mol/L) was prepared in a separate beaker. This sodium hydroxide aqueous solution was placed in a titanium beaker and, while stirring, placed in a thermostatic bath, which was maintained at +20°C. Next, the Ni-Ti-Mn aqueous solution was gradually added dropwise to the sodium hydroxide aqueous solution over 2 to 3 hours to form a Ni-Ti-Mn precipitate (Step 1). After confirming that the reaction solution had become completely alkaline (pH 11 or higher), oxygen was blown into the reaction solution containing the coprecipitate at room temperature for 48 hours or more while stirring, thereby subjecting the coprecipitate to wet oxidation treatment, thereby aging the precipitate and obtaining the target precursor (Step 2).
前駆体を蒸留水で洗浄後濾別し得られたものを、全量に対して1.00倍(モル比)の炭酸リチウム(18.47g;(Li/(Ni+Ti+Mn)(モル比)が2.00))と蒸留水200mLを加え、ミキサーで混合して均一なスラリーを作製し、その後ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製シャーレに移して、50℃で2日間乾燥させた。 The precursor was washed with distilled water and filtered. 200 mL of distilled water was added to the resulting material, which was then mixed with 1.00 times (molar ratio) lithium carbonate (18.47 g; Li/(Ni + Ti + Mn) (molar ratio) 2.00) in a mixer to create a uniform slurry. The mixture was then transferred to a polytetrafluoroethylene (PTFE) dish and dried at 50°C for two days.
乾燥粉末を振動ミルで粉砕後、電気炉に入れ、大気中650℃で5時間一次焼成した(工程3)。その後粉末を電気炉から取り出し、再び振動ミルで粉砕後、電気炉に入れ窒素気流中900℃で5時間二次焼成した(工程4)。その後粉末を電気炉から取り出し、再び振動ミルで粉砕後、蒸留水による水洗処理及び濾過、乾燥処理を行ってチタン含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物を得た。 The dried powder was pulverized in a vibration mill, then placed in an electric furnace and subjected to primary firing in air at 650°C for 5 hours (Step 3). The powder was then removed from the electric furnace and pulverized again in a vibration mill, before being placed in an electric furnace and subjected to secondary firing in a nitrogen stream at 900°C for 5 hours (Step 4). The powder was then removed from the electric furnace and pulverized again in a vibration mill, then washed with distilled water, filtered, and dried to obtain a titanium-containing lithium-nickel-manganese composite oxide.
(比較例2)
工程4の二次焼成を、不活性雰囲気である窒素雰囲気から大気に変えて、実施例2と同様に作製しチタン含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物を得た。
(Comparative Example 2)
The secondary firing in step 4 was carried out in the same manner as in Example 2, except that the inert nitrogen atmosphere was changed to air, to obtain a titanium-containing lithium nickel manganese composite oxide.
X線回折測定(実施例2)
X線リートベルト解析ソフトRIETAN-FPを用いて得られた実施例2の実測パターン(+)と単斜晶Li2MnO3単位胞を用いて得られた計算パターンとの比較(実線)を図8に示す(ピーク位置は縦棒で、実測値と計算値の残差は強度0付近に表記。)。実測値と計算値の差は小さく、信頼できる解析値が得られたことが確認された。得られた格子定数はa=4.9486(3)Å、b=8.5568(3)Å、c=5.02475(19)Å、β=109.291(4)°、格子体積V=201.1(3)Å3であった。各格子位置におけるリチウム以外の金属(仮想原子Ni0.20Ti0.10Mn0.70を仮定)占有率を、等方性熱振動パラメータBを1と仮定して求めると、下記表5の通りとなった。
X-ray diffraction measurement (Example 2)
A comparison (solid line) of the measured pattern (+) of Example 2 obtained using the X-ray Rietveld analysis software RIETAN-FP with the calculated pattern obtained using a monoclinic Li 2 MnO 3 unit cell is shown in Figure 8 (peak positions are indicated by vertical bars, and the residual between the measured and calculated values is indicated near the intensity of 0). The difference between the measured and calculated values was small, confirming that reliable analytical values were obtained. The obtained lattice constants were a = 4.9486(3) Å, b = 8.5568(3) Å, c = 5.02475(19) Å, β = 109.291(4)°, and lattice volume V = 201.1(3) Å 3. The occupancy of metals other than lithium (assuming virtual atoms Ni 0.20 Ti 0.10 Mn 0.70 ) at each lattice site was calculated assuming an isotropic thermal vibration parameter B of 1, as shown in Table 5 below.
X線回折測定(比較例2)
X線リートベルト解析ソフトRIETAN-FPを用いて得られた比較例2の実測パターン(+)と単斜晶Li2MnO3単位胞を用いて得られた計算パターンとの比較(実線)を図9に示す(ピーク位置は縦棒で、実測値と計算値の残差は強度0付近に表記。)。実測値と計算値の差は小さく、信頼できる解析値が得られたことが確認された。得られた格子定数はa=4.9443(2)Å、b=8.5584(2)Å、c=5.02894(16)Å、β=109.293(3)°、格子体積V=200.85(18)Å3であった。各格子位置におけるリチウム以外の金属(仮想原子Ni0.20Ti0.10Mn0.70を仮定)占有率を、等方性熱振動パラメータBを1と仮定して求めると、下記表5の通りとなった。
X-ray diffraction measurement (Comparative Example 2)
A comparison (solid line) of the measured pattern (+) of Comparative Example 2 obtained using the X-ray Rietveld analysis software RIETAN-FP with the calculated pattern (solid line) obtained using a monoclinic Li 2 MnO 3 unit cell is shown in Figure 9 (peak positions are indicated by vertical bars, and the residual between the measured and calculated values is indicated near the intensity of 0). The difference between the measured and calculated values was small, confirming that reliable analytical values were obtained. The obtained lattice constants were a = 4.9443(2) Å, b = 8.5584(2) Å, c = 5.02894(16) Å, β = 109.293(3)°, and lattice volume V = 200.85(18) Å 3. The occupancy of metals other than lithium (assuming virtual atoms Ni 0.20 Ti 0.10 Mn 0.70 ) at each lattice site was calculated assuming an isotropic thermal vibration parameter B of 1, as shown in Table 5 below.
表5に示す通り、実施例2の複合酸化物は、六角網目構成位置(4g位置)占有率と六角網目中心位置(2b位置)占有率との差g4g-g2bは0.376であり、本発明の範囲内であることが明らかである。2θ=20°付近の(020)面のピークと2θ=45°付近の(20-2)面及び(131)面のピークの重なりからなる単一のピークの高さの比I020/I20-2,131は、13.32%であり、本発明の範囲内であることが明らかである。またリチウム層内平均金属量((2g4h+g2c)/3)とリチウム以外の金属-リチウム層内平均金属量((2g4g+g2b)/3)の和で定義される組成式あたりのリチウム以外の金属量(gtotal)は、0.736であり、本発明の範囲内であることが明らかである。 As shown in Table 5, the composite oxide of Example 2 has a difference g 4g -g 2b between the occupancy rate of the hexagonal network configuration position (4g position) and the occupancy rate of the hexagonal network center position (2b position) of 0.376, which is clearly within the scope of the present invention. The ratio I 020 /I 20-2,131 of the height of a single peak consisting of the overlap of the peak of the (020) plane near 2θ = 20 ° and the peak of the (20-2) plane and the (131) plane near 2θ = 45 ° is 13.32%, which is clearly within the scope of the present invention. In addition, the amount of metal other than lithium per composition formula (g total ) defined as the sum of the average metal amount in the lithium layer ((2g 4h + g 2c ) / 3) and the average metal amount in the metal other than lithium - lithium layer ((2g 4g + g 2b ) / 3) is 0.736, which is clearly within the scope of the present invention.
また、比較例2の複合酸化物に関しては、表5に示すとおり、六角網目構成位置(4g位置)占有率と六角網目中心位置(2b位置)占有率との差g4g-g2bは0.404であり、本発明の範囲外であることが明らかである。2θ=20°付近の(020)面のピークと2θ=45°付近の(20-2)面及び(131)面ピークの重なりからなる単一のピークの高さの比I020/I20-2,131は、15.25%であり、本発明の範囲外であることが明らかである。またリチウム層内平均金属量((2g4h+g2c)/3)とリチウム以外の金属-リチウム層内平均金属量((2g4g+g2b)/3)の和で定義される組成式あたりの金属量(gtotal)は、0.713であり、本発明の範囲外であることが明らかである。従って、工程4を不活性雰囲気下において行うことが必要なことが分かる。 Furthermore, with regard to the composite oxide of Comparative Example 2, as shown in Table 5, the difference g 4g -g 2b between the occupancy rate of the hexagonal network configuration position (4g position) and the occupancy rate of the hexagonal network center position (2b position) is 0.404, which is clearly outside the scope of the present invention. The ratio I 020 /I 20-2,131 of the height of the single peak consisting of the overlap of the (020) plane peak near 2θ = 20 ° and the (20-2) plane and (131) plane peak near 2θ = 45 ° is 15.25%, which is clearly outside the scope of the present invention. Furthermore, the metal amount (g total ) per composition formula defined as the sum of the average metal amount in the lithium layer ((2g 4h + g 2c ) / 3) and the metal other than lithium - average metal amount in the lithium layer ((2g 4g + g 2b ) / 3) is 0.713, which is clearly outside the scope of the present invention. Therefore, it is understood that step 4 must be carried out under an inert atmosphere.
化学分析(実施例2及び比較例2)
実施例2及び比較例2のチタン含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物の金属量をICP発光分析により求め、結果を下記表6に示す。表中のx値はLi/(Ni+Ti+Mn)(モル比)より以下の計算式:
x=(Li/(Ni+Ti+Mn)-1)/(Li/(Ni+Ti+Mn)+1)
で求めた。一方y値はNi/(Ni+Ti+Mn)(モル比)それ自体、z値はTi/(Ni+Ti+Mn)(モル比)それ自体である。実施例2の複合酸化物は、本発明の組成式範囲内にあることが明らかである。
Chemical Analysis (Example 2 and Comparative Example 2)
The metal amounts of the titanium-containing lithium nickel manganese composite oxides of Example 2 and Comparative Example 2 were determined by ICP emission spectrometry, and the results are shown in Table 6 below. The x value in the table was calculated from Li/(Ni+Ti+Mn) (molar ratio) using the following formula:
x=(Li/(Ni+Ti+Mn)-1)/(Li/(Ni+Ti+Mn)+1)
On the other hand, the y value is Ni/(Ni+Ti+Mn) (molar ratio) itself, and the z value is Ti/(Ni+Ti+Mn) (molar ratio) itself. It is clear that the composite oxide of Example 2 falls within the range of the composition formula of the present invention.
充放電特性評価(実施例2及び比較例2)
実施例2及び比較例2のチタン含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物を用いて実施例1と同様に電極作製、電池作製、充放電試験条件設定を行った後、充放電試験を行った。
Evaluation of charge/discharge characteristics (Example 2 and Comparative Example 2)
Using the titanium-containing lithium nickel manganese composite oxides of Example 2 and Comparative Example 2, electrodes were produced, batteries were produced, and charge/discharge test conditions were set in the same manner as in Example 1, and then a charge/discharge test was carried out.
実施例2及び比較例2のチタン含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物を正極活物質としたリチウム二次電池の充放電特性を、それぞれ図10及び11に示した。なお、図10及び図11ともに、図中右上がりの曲線が充電曲線(添字cで表記)を、右下がりの曲線が放電曲線(添字dで表記)を示す。数字はサイクル数を示す。なお1~4サイクルに関しては、電気化学的活性化のためのサイクルであるため、図示していない。また、実施例2及び比較例2の充放電容量を、下記表7に示した。 The charge-discharge characteristics of lithium secondary batteries using the titanium-containing lithium-nickel-manganese composite oxides of Example 2 and Comparative Example 2 as the positive electrode active material are shown in Figures 10 and 11, respectively. In both Figures 10 and 11, the curves sloping upward to the right represent the charge curves (denoted by the subscript c), and the curves sloping downward to the right represent the discharge curves (denoted by the subscript d). Numbers indicate the number of cycles. Cycles 1 to 4 are not shown because they are cycles for electrochemical activation. The charge-discharge capacities of Example 2 and Comparative Example 2 are shown in Table 7 below.
図10~図11及び表7より、実施例2のリチウム二次電池は、比較例2のリチウム二次電池に比べて、5サイクル目の充放電容量が大きく、14サイクル目はほぼ同等の充放電容量を示し、サイクル経過時の充放電曲線形状変化も小さいことがわかる。また実施例2のリチウム二次電池の5サイクル目放電平均電圧は3.47Vであり、比較例2のリチウム二次電池の値(3.42V)より高くなった。 From Figures 10 and 11 and Table 7, it can be seen that the lithium secondary battery of Example 2 had a larger charge/discharge capacity at the 5th cycle than the lithium secondary battery of Comparative Example 2, and showed approximately the same charge/discharge capacity at the 14th cycle, with little change in the shape of the charge/discharge curve over the course of cycles. Furthermore, the average discharge voltage at the 5th cycle of the lithium secondary battery of Example 2 was 3.47 V, which was higher than the value (3.42 V) of the lithium secondary battery of Comparative Example 2.
放電レート特性評価
次に、別の実施例2及び比較例2のリチウム二次電池を用いて高電流密度下での放電レート特性を実施例1と同様に評価した。
Evaluation of Discharge Rate Characteristics Next, the discharge rate characteristics under high current density conditions were evaluated in the same manner as in Example 1 using the lithium secondary batteries of Example 2 and Comparative Example 2.
図12~13及び表8に、実施例2及び比較例2のリチウム二次電池の放電レート特性を示した。 Figures 12 and 13 and Table 8 show the discharge rate characteristics of the lithium secondary batteries of Example 2 and Comparative Example 2.
図12~13及び表8より、実施例2のリチウム二次電池の方が比較例2のリチウム二次電池に比べて、各電流密度での放電容量が大きく、放電レート特性に優れることが明らかである。 From Figures 12 and 13 and Table 8, it is clear that the lithium secondary battery of Example 2 has a larger discharge capacity at each current density and superior discharge rate characteristics compared to the lithium secondary battery of Comparative Example 2.
(実施例3)
硝酸ニッケル(II)6水和物21.81g、30%硫酸チタン(IV)水溶液20.00g及び塩化マンガン(II)4水和物29.69g(全量0.25mol、Ni:Ti:Mnモル比=30:10:60)を500mLの蒸留水に加え、完全に溶解させ、Ni-Ti-Mn水溶液(0.50mol/L)を得た。別のビーカーに水酸化ナトリウム水溶液(蒸留水500mLに水酸化ナトリウム50gを溶解させた溶液;2.50mol/L)を作製した。この水酸化ナトリウム水溶液をチタン製ビーカーに入れ、攪拌しつつ恒温漕内に設置し、恒温漕内を+50℃に保った。次いで、この水酸化ナトリウム水溶液に上記Ni-Ti-Mn水溶液を2~3時間かけて徐々に滴下して、Ni-Ti-Mn沈殿物を形成させた(工程1)。反応液が完全にアルカリ性(pH11以上)になっていることを確認し、攪拌下に共沈物を含む反応液に室温で48時間以上酸素を吹き込んで湿式酸化処理して、沈殿を熟成させ目的とする前駆体を得た(工程2)。
Example 3
21.81 g of nickel(II) nitrate hexahydrate, 20.00 g of 30% titanium(IV) sulfate aqueous solution, and 29.69 g of manganese(II) chloride tetrahydrate (total amount: 0.25 mol, Ni:Ti:Mn molar ratio = 30:10:60) were added to 500 mL of distilled water and completely dissolved to obtain a Ni-Ti-Mn aqueous solution (0.50 mol/L). A sodium hydroxide aqueous solution (2.50 mol/L solution prepared by dissolving 50 g of sodium hydroxide in 500 mL of distilled water) was prepared in a separate beaker. This sodium hydroxide aqueous solution was placed in a titanium beaker and, while stirring, placed in a thermostatic bath, which was maintained at +50°C. The Ni-Ti-Mn aqueous solution was then slowly added dropwise to the sodium hydroxide aqueous solution over 2 to 3 hours to form a Ni-Ti-Mn precipitate (Step 1). After confirming that the reaction solution had become completely alkaline (pH 11 or higher), oxygen was blown into the reaction solution containing the coprecipitate at room temperature for 48 hours or more while stirring, thereby subjecting the coprecipitate to wet oxidation treatment, thereby aging the precipitate and obtaining the target precursor (Step 2).
前駆体を蒸留水で洗浄後濾別し得られたものを、全量に対して1.00倍(モル比)の炭酸リチウム(18.47g;(Li/(Ni+Ti+Mn)(モル比)が2.00))と蒸留水200mLを加え、ミキサーで混合して均一なスラリーを作製し、その後ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製シャーレに移して、50℃で2日間乾燥させた。 The precursor was washed with distilled water and filtered. 200 mL of distilled water was added to the resulting material, which was then mixed with 1.00 times (molar ratio) lithium carbonate (18.47 g; Li/(Ni + Ti + Mn) (molar ratio) 2.00) in a mixer to create a uniform slurry. The mixture was then transferred to a polytetrafluoroethylene (PTFE) dish and dried at 50°C for two days.
乾燥粉末を振動ミルで粉砕後、電気炉に入れ、大気中650℃で5時間一次焼成した(工程3)。その後粉末を電気炉から取り出し、再び振動ミルで粉砕後、電気炉に入れ窒素気流中850℃で5時間二次焼成した(工程4)。その後粉末を電気炉から取り出し、再び振動ミルで粉砕後、蒸留水による水洗処理及び濾過、乾燥処理を行ってチタン含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物を得た。 The dried powder was pulverized in a vibration mill, then placed in an electric furnace and subjected to primary firing in air at 650°C for 5 hours (step 3). The powder was then removed from the electric furnace and pulverized again in a vibration mill, before being placed in an electric furnace and subjected to secondary firing in a nitrogen stream at 850°C for 5 hours (step 4). The powder was then removed from the electric furnace and pulverized again in a vibration mill, then washed with distilled water, filtered, and dried to obtain a titanium-containing lithium-nickel-manganese composite oxide.
(比較例3)
工程4の二次焼成を、不活性雰囲気である窒素雰囲気から大気に変えて、実施例3と同様に作製しチタン含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物を得た。
(Comparative Example 3)
The secondary firing in step 4 was carried out in the same manner as in Example 3, except that the inert nitrogen atmosphere was changed to air, to obtain a titanium-containing lithium nickel manganese composite oxide.
X線回折測定(実施例3)
X線リートベルト解析ソフトRIETAN-FPを用いて得られた実施例3の実測パターン(+)と単斜晶Li2MnO3単位胞を用いて得られた計算パターンとの比較(実線)を図14に示す(ピーク位置は縦棒で、実測値と計算値の残差は強度0付近に表記。)。実測値と計算値の差は小さく、信頼できる解析値が得られたことが確認された。得られた格子定数はa=4.9665(3)Å、b=8.5966(4)Å、c=5.03574(17)Å、β=109.300(5)°、格子体積V=202.9(3)Å3であった。各格子位置におけるリチウム以外の金属(仮想原子Ni0.30Ti0.10Mn0.60を仮定)占有率を、等方性熱振動パラメータBを1と仮定して求めると、下記表9の通りとなった。
X-ray diffraction measurement (Example 3)
A comparison (solid line) of the measured pattern (+) of Example 3 obtained using the X-ray Rietveld analysis software RIETAN-FP with the calculated pattern obtained using a monoclinic Li 2 MnO 3 unit cell is shown in FIG. 14 (peak positions are indicated by vertical bars, and the residual between the measured and calculated values is indicated near the intensity of 0). The difference between the measured and calculated values was small, confirming that reliable analytical values were obtained. The obtained lattice constants were a = 4.9665(3) Å, b = 8.5966(4) Å, c = 5.03574(17) Å, β = 109.300(5)°, and lattice volume V = 202.9(3) Å 3. The occupancy of metals other than lithium (assuming virtual atoms Ni 0.30 Ti 0.10 Mn 0.60 ) at each lattice site was calculated assuming an isotropic thermal vibration parameter B of 1, as shown in Table 9 below.
X線回折測定(比較例3)
X線リートベルト解析ソフトRIETAN-FPを用いて得られた比較例3の実測パターン(+)と単斜晶Li2MnO3単位胞を用いて得られた計算パターンとの比較(実線)を図15に示す(ピーク位置は縦棒で、実測値と計算値の残差は強度0付近に表記。)。実測値と計算値の差は小さく、信頼できる解析値が得られたことが確認された。得られた格子定数はa=4.9445(3)Å、b=8.5639(3)Å、c=5.0221(2)Å、β=109.295(4)°、格子体積V=200.7(3)Å3であった。各格子位置におけるリチウム以外の金属(仮想原子Ni0.30Ti0.10Mn0.60を仮定)占有率を、等方性熱振動パラメータBを1と仮定して求めると、下記表9の通りとなった。
X-ray diffraction measurement (Comparative Example 3)
A comparison (solid line) of the measured pattern (+) of Comparative Example 3 obtained using the X-ray Rietveld analysis software RIETAN-FP with the calculated pattern obtained using a monoclinic Li 2 MnO 3 unit cell is shown in FIG. 15 (peak positions are indicated by vertical bars, and the residual between the measured and calculated values is indicated near the intensity of 0). The difference between the measured and calculated values was small, confirming that reliable analytical values were obtained. The obtained lattice constants were a = 4.9445(3) Å, b = 8.5639(3) Å, c = 5.0221(2) Å, β = 109.295(4) °, and lattice volume V = 200.7(3) Å 3. The occupancy of metals other than lithium (assuming virtual atoms Ni 0.30 Ti 0.10 Mn 0.60 ) at each lattice site was calculated assuming an isotropic thermal vibration parameter B of 1, as shown in Table 9 below.
表9に示す通り、実施例3の複合酸化物は、六角網目構成位置(4g位置)占有率と六角網目中心位置(2b位置)占有率との差g4g-g2bは0.273であり、本発明の範囲内であることが明らかである。2θ=20°付近の(020)面のピークと2θ=45°付近の(20-2)面及び(131)面のピークの重なりからなる単一のピークの高さの比I020/I20-2,131は、6.074%であり、本発明の範囲内であることが明らかである。またリチウム層内平均金属量((2g4h+g2c)/3)とリチウム以外の金属-リチウム層内平均金属量((2g4g+g2b)/3)の和で定義される組成式あたりのリチウム以外の金属量(gtotal)は、0.792であり、本発明の範囲内であることが明らかである。 As shown in Table 9, the composite oxide of Example 3 has a difference g 4g -g 2b between the occupancy rate of the hexagonal network configuration position (4g position) and the occupancy rate of the hexagonal network center position (2b position) of 0.273, which is clearly within the scope of the present invention. The ratio I 020 /I 20-2,131 of the height of a single peak consisting of the overlap of the peak of the ( 020 ) plane near 2θ = 20 ° and the peak of the (20-2) plane and the (131) plane near 2θ = 45 ° is 6.074%, which is clearly within the scope of the present invention. In addition, the amount of metal other than lithium per composition formula (g total ) defined as the sum of the average metal amount in the lithium layer ((2g 4h + g 2c ) / 3) and the average metal amount other than lithium in the lithium layer ((2g 4g + g 2b ) / 3) is 0.792, which is clearly within the scope of the present invention.
また、比較例3の複合酸化物に関しては、表9に示すとおり、六角網目構成位置(4g位置)占有率と六角網目中心位置(2b位置)占有率との差g4g-g2bは0.312であり、本発明の範囲外であることが明らかである。2θ=20°付近の(020)面のピークと2θ=45°付近の(20-2)面及び(131)面ピークの重なりからなる単一のピークの高さの比I020/I20-2,131は、8.901%であり、本発明の範囲外であることが明らかである。またリチウム層内平均金属量((2g4h+g2c)/3)とリチウム以外の金属-リチウム層内平均金属量((2g4g+g2b)/3)の和で定義される組成式あたりの金属量(gtotal)は、0.744であり、本発明の範囲外であることが明らかである。従って、工程4を不活性雰囲気下において行うことが必要なことが分かる。 Furthermore, with regard to the composite oxide of Comparative Example 3, as shown in Table 9, the difference g 4g -g 2b between the occupancy rate of the hexagonal network configuration position (4g position) and the occupancy rate of the hexagonal network center position (2b position) is 0.312, which is clearly outside the scope of the present invention. The ratio I 020 /I 20-2,131 of the height of a single peak consisting of the overlap of the (020) plane peak near 2θ = 20 ° and the (20-2) plane and (131) plane peak near 2θ = 45 ° is 8.901%, which is clearly outside the scope of the present invention. Furthermore, the metal amount (g total ) per composition formula defined as the sum of the average metal amount in the lithium layer ((2g 4h + g 2c ) / 3) and the metal other than lithium - average metal amount in the lithium layer ((2g 4g + g 2b ) / 3) is 0.744, which is clearly outside the scope of the present invention. Therefore, it is understood that step 4 must be carried out under an inert atmosphere.
化学分析(実施例3及び比較例3)
実施例3及び比較例3のチタン含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物の金属量をICP発光分析により求め、結果を下記表10に示す。表中のx値はLi/(Ni+Ti+Mn)(モル比)より以下の計算式:
x=(Li/(Ni+Ti+Mn)-1)/(Li/(Ni+Ti+Mn)+1)
で求めた。一方y値はNi/(Ni+Ti+Mn)(モル比)それ自体、z値はTi/(Ni+Ti+Mn)(モル比)それ自体である。実施例3の複合酸化物は、本発明の組成式範囲内にあることが明らかである。
Chemical Analysis (Example 3 and Comparative Example 3)
The metal amounts of the titanium-containing lithium nickel manganese composite oxides of Example 3 and Comparative Example 3 were determined by ICP emission spectrometry, and the results are shown in Table 10. The x value in the table was calculated from Li/(Ni+Ti+Mn) (molar ratio) using the following formula:
x=(Li/(Ni+Ti+Mn)-1)/(Li/(Ni+Ti+Mn)+1)
On the other hand, the y value is Ni/(Ni+Ti+Mn) (molar ratio) itself, and the z value is Ti/(Ni+Ti+Mn) (molar ratio) itself. It is clear that the composite oxide of Example 3 falls within the range of the composition formula of the present invention.
充放電特性評価(実施例3及び比較例3)
実施例3及び比較例3のチタン含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物を用いて実施例1と同様に電極作製、電池作製、充放電試験条件設定を行った後、充放電試験を行った。なお、電解液は、1.5MLiPF6を炭酸エチレンと炭酸ジメチルとの混合溶媒(体積比 炭酸エチレン:炭酸ジメチル=3:7)に溶解させたものを用いた。
Evaluation of charge/discharge characteristics (Example 3 and Comparative Example 3)
Using the titanium-containing lithium nickel manganese composite oxides of Example 3 and Comparative Example 3, electrodes were fabricated, batteries were fabricated, and charge/discharge test conditions were set in the same manner as in Example 1, followed by charge/discharge tests. The electrolyte used was a solution of 1.5 M LiPF6 dissolved in a mixed solvent of ethylene carbonate and dimethyl carbonate (volume ratio of ethylene carbonate:dimethyl carbonate = 3:7).
実施例3及び比較例3のチタン含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物を正極活物質としたリチウム二次電池の充放電特性を、それぞれ図16及び17に示した。なお、図16及び図17ともに、図中右上がりの曲線が充電曲線(添字cで表記)を、右下がりの曲線が放電曲線(添字dで表記)を示す。数字はサイクル数を示す。なお1~4サイクルに関しては、電気化学的活性化のためのサイクルであるため、図示していない。また、実施例3及び比較例3の充放電容量を、下記表11に示した。 The charge/discharge characteristics of lithium secondary batteries using the titanium-containing lithium-nickel-manganese composite oxides of Example 3 and Comparative Example 3 as the positive electrode active material are shown in Figures 16 and 17, respectively. In both Figures 16 and 17, the curves sloping upward to the right represent the charge curves (denoted by the subscript c), and the curves sloping downward to the right represent the discharge curves (denoted by the subscript d). Numbers indicate the number of cycles. Cycles 1 to 4 are not shown because they are cycles for electrochemical activation. The charge/discharge capacities of Example 3 and Comparative Example 3 are shown in Table 11 below.
図16~図17及び表11より、実施例3のリチウム二次電池は、比較例3のリチウム二次電池に比べて、5サイクル目から34サイクル目までの充放電容量が大きく、サイクル経過時の充放電曲線変化も小さいことがわかる。また実施例3のリチウム二次電池の5サイクル目放電平均電圧は3.58Vであり、比較例3のリチウム二次電池の値(3.51V)より高くなった。 From Figures 16 and 17 and Table 11, it can be seen that the lithium secondary battery of Example 3 had a larger charge/discharge capacity from the 5th cycle to the 34th cycle and smaller change in the charge/discharge curve over the cycles than the lithium secondary battery of Comparative Example 3. Furthermore, the average discharge voltage of the lithium secondary battery of Example 3 at the 5th cycle was 3.58 V, which was higher than the value (3.51 V) of the lithium secondary battery of Comparative Example 3.
放電レート特性評価(実施例3及び比較例3)
次に、別の実施例3及び比較例3のリチウム二次電池を用いて高電流密度下での放電レート特性を評価した。5サイクル目までは上記サイクル試験と同様に充放電させ、その後2.0-4.6Vの電位範囲で、充電時の電流密度を40mA/gに固定し、放電電流密度を100mA/gから400mA/gまで変化させて評価した。なお、高電流密度放電試験評価後は電池の充電深度が通常の定電流密度試験より大きくずれるため、各高電流密度放電試験後に1サイクル低電流密度(40mA/g)下での充放電を実施して調整した。
Evaluation of Discharge Rate Characteristics (Example 3 and Comparative Example 3)
Next, the discharge rate characteristics under high current density were evaluated using the lithium secondary batteries of Example 3 and Comparative Example 3. Charge and discharge were performed in the same manner as in the above cycle test up to the fifth cycle, and then evaluation was performed in a potential range of 2.0-4.6 V, with the current density during charging fixed at 40 mA/g and the discharge current density varied from 100 mA/g to 400 mA/g. Note that, since the depth of charge of the battery after the high current density discharge test evaluation deviates significantly from that in a normal constant current density test, one cycle of charge and discharge at a low current density (40 mA/g) was performed after each high current density discharge test to adjust the depth of charge.
図18~19及び表12に、実施例3及び比較例3のリチウム二次電池の放電レート特性を示した。 Figures 18 and 19 and Table 12 show the discharge rate characteristics of the lithium secondary batteries of Example 3 and Comparative Example 3.
図18~19及び表12より、実施例3のリチウム二次電池の方が比較例3のリチウム二次電池に比べて、各電流密度での放電容量が大きく、放電レート特性に優れることが明らかである。 From Figures 18 and 19 and Table 12, it is clear that the lithium secondary battery of Example 3 has a larger discharge capacity at each current density and superior discharge rate characteristics compared to the lithium secondary battery of Comparative Example 3.
以上から、本発明の異種金属含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物は、特異なリチウム以外の金属イオン分布又は存在量を有するため、通常のリチウム以外の金属イオン分布及び存在量を有するものに比べて優れた充放電特性を有し、車載用等の大型リチウムイオン二次電池用正極材料として好適に使用可能であると考えられる。 From the above, it can be seen that the heterometal-containing lithium-nickel-manganese composite oxide of the present invention has a unique distribution or abundance of metal ions other than lithium, and therefore has superior charge/discharge characteristics compared to those with a typical distribution and abundance of metal ions other than lithium, and is therefore suitable for use as a positive electrode material for large lithium-ion secondary batteries, such as those used in automobiles.
本発明のリチウムニッケルマンガン系複合酸化物は、作動電圧、初期充放電容量及び放電レート特性が既存のNMC系正極材料と比較して同等又はそれ以上である。そのため、電気自動車若しくはプラグインハイブリッド車用のバッテリー、又は定置用蓄電池等に好適に利用することが可能である。 The lithium-nickel-manganese composite oxide of the present invention has operating voltage, initial charge/discharge capacity, and discharge rate characteristics that are equivalent to or superior to those of existing NMC-based positive electrode materials. Therefore, it can be suitably used in batteries for electric vehicles or plug-in hybrid vehicles, or stationary storage batteries, etc.
Claims (10)
Li1+x(NiyMzMn1-y-z)1-xO2 (1)
[式中、MはMg又はTiを示す。x、y及びzはそれぞれ、0<x<1/3、0.150≦y≦0.350、0.050≦z≦0.150を示す。ただし、MがMgである場合は0.150≦y≦0.250を示す。]
で表され、単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造を有する異種金属含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物であって、以下の(1)~(3):
(1)前記単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造の結晶相のX線回折パターンにおいて、(020)面のピークのピーク高さを、(20-2)面及び(131)面のピークの重なりからなる単一のピークの高さで除して得られる、X線ピーク強度の割合が、0.150≦y≦0.250且つ前記MがMgの場合は3.0~10.0%であり、0.150≦y≦0.250且つ前記MがTiの場合は3.0~14.0%であり、0.250<y≦0.350且つ前記MがTiの場合は3.0~8.0%である、
(2)前記単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造内におけるリチウム層及びリチウム以外の金属-リチウム層内のリチウム以外の金属の平均存在量の和(gtotal)が、0.150≦y≦0.250且つ前記MがMgの場合は0.780~0.850であり、0.150≦y≦0.250且つ前記MがTiの場合は0.720~0.800であり、0.250<y≦0.350且つ前記MがTiの場合は0.750~0.820である、及び
(3)前記単斜晶Li2MnO3型層状岩塩型構造内におけるリチウム以外の金属-リチウム層内での六角網目規則構造において、六角網目格子構成位置(4g位置)のリチウム以外の金属占有率(g4g)から六角網目格子中心位置(2b位置)のリチウム以外の金属占有率(g2b)を引いた値(g4g-g2b)が、0.150≦y≦0.250且つ前記MがMgの場合は0.230~0.300であり、0.150≦y≦0.250且つ前記MがTiの場合は0.250~0.390であり、0.250<y≦0.350且つ前記MがTiの場合は0.230~0.310である
の少なくとも1つを満たすことを特徴とする、異種金属含有リチウムニッケルマンガン系複合酸化物。 General formula (1):
Li 1+x (Ni y M z Mn 1-y-z ) 1-x O 2 (1)
[In the formula, M represents Mg or Ti, and x, y, and z represent 0<x<1/3, 0.150≦y≦0.350, and 0.050≦z≦0.150, respectively. However, when M is Mg, 0.150≦y≦0.250.]
and a heterometal-containing lithium nickel manganese composite oxide having a monoclinic Li 2 MnO 3 -type layered rock salt structure, and the following (1) to (3):
(1) In the X-ray diffraction pattern of the crystalline phase of the monoclinic Li 2 MnO 3 -type layered rock salt structure, the ratio of the X-ray peak intensity, obtained by dividing the peak height of the (020) plane by the height of a single peak consisting of overlapping peaks of the (20-2) plane and the (131) plane, is 3.0 to 10.0% when 0.150≦y≦0.250 and the M is Mg, 3.0 to 14.0% when 0.150≦y≦0.250 and the M is Ti, and 3.0 to 8.0% when 0.250<y≦0.350 and the M is Ti.
(2) The sum of the average abundances of metals other than lithium in the lithium layer and the metal-other-than-lithium layer in the monoclinic Li 2 MnO 3 -type layered rock salt structure (g total ) is 0.780 to 0.850 when 0.150≦y≦0.250 and the M is Mg, 0.720 to 0.800 when 0.150≦y≦0.250 and the M is Ti, and 0.750 to 0.820 when 0.250<y≦0.350 and the M is Ti, and (3) in the hexagonal mesh structure in the metal-other-than-lithium layer in the monoclinic Li 2 MnO 3 -type layered rock salt structure, the ratio of the metal occupancy rate other than lithium (g 4g ) at the hexagonal mesh lattice position (4g position) to the metal occupancy rate other than lithium (g 2b When y is 0.150≦y≦0.250 and M is Mg, the value (g 4g −g 2b ) obtained by subtracting y from Mg satisfies at least one of the following: when y is 0.150≦y≦0.250 and M is Ti, the value (g 4g −g 2b ) is 0.230 to 0.300; when y is 0.150≦y≦0.250 and M is Ti, the value (g 4g −g 2b ) ... is 0.250 to 0.390; and when y is 0.250<y≦0.350 and M is Ti, the value (g 4g −g 2b ) satisfies at least one of the following:
マグネシウム化合物又はチタン化合物と、マンガン化合物と、ニッケル化合物との混合物をアルカリ処理することにより沈殿を形成する工程1、
前記沈殿を酸化させて複合酸化物前駆体を得る工程2、
リチウム化合物存在下、前記複合酸化物前駆体を酸化雰囲気中で熱処理する工程3、及び前記工程3で得られる生成物を、不活性雰囲気下で前記工程3よりも高温条件で熱処理する工程4
を有することを特徴とする、製造方法。 A method for producing the heterometal-containing lithium nickel manganese composite oxide according to any one of claims 1 to 7,
Step 1: forming a precipitate by treating a mixture of a magnesium compound or a titanium compound, a manganese compound, and a nickel compound with an alkali;
Step 2: oxidizing the precipitate to obtain a composite oxide precursor;
Step 3: heat-treating the composite oxide precursor in an oxidizing atmosphere in the presence of a lithium compound; and Step 4: heat-treating the product obtained in Step 3 in an inert atmosphere at a higher temperature than in Step 3.
A manufacturing method comprising the steps of:
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