JPH11310416A - Cathodic substance of lithium ion secondary battery - Google Patents
Cathodic substance of lithium ion secondary batteryInfo
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- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、電池の負極物質の
改良に関するものである。特に菱面体のR−3m結晶構
造(rhombohedral R-3m crystal structure)を有し、少
なくとも1種の周期律表II族に属する正イオンの添加に
よりドープされた、リチウム遷移金属酸化物負極物質に
関するものである。本発明による負極物質は、一巡の放
電と充電サイクルにおいて、高い容量と電圧に対する耐
久性や抑制された比容量のフェージングを示すものであ
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an improvement in a negative electrode material of a battery. In particular, the present invention relates to a lithium transition metal oxide negative electrode material having a rhombohedral R-3m crystal structure and doped with at least one positive ion belonging to Group II of the periodic table. It is. The negative electrode material according to the present invention exhibits durability to high capacity and voltage and fading of suppressed specific capacity in one cycle of discharge and charge cycles.
【0002】[0002]
【従来の技術】現今、ポータブルコンピューター、セル
ラー式電話やポータブル電子器具の不断に増加する需要
に対応するため、改良された再充電可能な電池の需要も
増加の一途にある。再充電可能な電池はまた、二次電池
と呼称され、基本的には負極と、正極と、負極と正極間
に介在する液状電解質、あるいはその他の物質を含み、
かつ負極と正極間にて、イオンの移動を許容するもので
ある。性能として再充電可能な電池に要求されるもの
は、高い容量、良好なサイクル性、および電圧に対する
高い耐久性である。BACKGROUND OF THE INVENTION At present, the demand for improved rechargeable batteries is steadily increasing to meet the ever-increasing demand for portable computers, cellular telephones and portable electronic appliances. A rechargeable battery is also called a secondary battery and basically includes a negative electrode, a positive electrode, a liquid electrolyte interposed between the negative electrode and the positive electrode, or other substances,
In addition, it allows the movement of ions between the negative electrode and the positive electrode. The performance requirements for rechargeable batteries are high capacity, good cyclability, and high resistance to voltage.
【0003】充電可能な電池の容量は、mAh/gの単
位で計測され、それは単位重量の物質が生成可能な電荷
である。再充電可能の電池のサイクル性はまた“サイク
ル行為”あるいは“サイクル寿命”として知られ、一巡
の放電一再充電サイクルコースにおいて、電池容量の減
少、あるいはフェージング率に対する計測である。リサ
イクル性は特定された放電一再充電サイクルコースにお
いて、減少した容量の平均パーセンテージとして代表さ
れてもよい。高いサイクル性は、電池の可使用寿命に対
する直接の判定であり、また、電池の生産と消費側の最
終コストが高い場合、特に重要な性質となる。再充電可
能な電池の電圧耐久性は代表的にボルトの単位で計測さ
れ負極物質構造の完璧を損傷しないで、電池が充電でき
る電圧の最高制限として代表される。それ故、比較的高
い電圧耐久性を有する電池は、高い電圧まで充電された
場合も、低い電圧に充電された場合も同様に良好な容量
のフェージング性を発揮する。高い電圧まで充電された
電池は、高い容量とエネルギー密度を産出できる故、よ
り高い電圧耐久性は電池として望ましい。電池のエネル
ギー密度は、放電過程において、活性負極物質の単位重
量が放出し得る、電池の正味の(net)エネルギーであ
る。正味のエネルギーは、物質の単位重量当たりの電圧
と電荷の乗積として表現され、式;E=(1/M)∫φ
V(q)dqで計算され、Nがストロンチウム、亜鉛
またはバリウムであるとき、0≦z≦0.1とされる。
上の式でMは、負極の活性物質の重量、Qは放電後の正
味の電荷、そしてV(q)はqの関数として表された電
圧である。高いエネルギー密度を含んだ一定重量の電池
は、一定とした応用範囲ではより高いエネルギーを放出
する故、高いエネルギー密度を有する方が望ましい。[0003] The capacity of a rechargeable battery is measured in units of mAh / g, which is the charge that a unit weight of substance can produce. The cyclability of a rechargeable battery is also known as "cycling" or "cycle life" and is a measure of battery capacity reduction or fading rate over a course of one discharge-recharge cycle. Recyclability may be represented as the average percentage of reduced capacity over a specified discharge-recharge cycle course. High cyclability is a direct determination of the useful life of a battery, and is particularly important when the final cost of production and consumption of the battery is high. The voltage endurance of a rechargeable battery is typically measured in volts and is represented as the maximum limit of the voltage that the battery can charge without damaging the integrity of the negative electrode material structure. Therefore, a battery having a relatively high voltage durability exhibits good capacity fading properties when charged to a high voltage or when charged to a low voltage. Batteries charged to high voltages can produce high capacity and energy density, so higher voltage durability is desirable for batteries. The energy density of a battery is the net (net) energy of the battery that can be released by the unit weight of the active anode material during the discharging process. The net energy is expressed as a product of charge and voltage per unit weight of the material, wherein; E = (1 / M) ∫ φ
Calculated by V (q) dq, when N is strontium, zinc or barium, 0 ≦ z ≦ 0.1.
In the above equation, M is the weight of the negative electrode active material, Q is the net charge after discharge, and V (q) is the voltage expressed as a function of q. A constant weight battery containing a high energy density emits higher energy in a given application range, so it is desirable to have a high energy density.
【0004】再充電可能な電池の市場における漸次向上
する商業上への要望として、既往の性質上の改善が挙げ
られ、それは現在の電池に勝る、実質上の利点となる。
それ故、再充電可能の電池の負極物質に対する改善は、
積極に続けられている。[0004] Increasing commercial demands in the market for rechargeable batteries include improvements in existing properties, which are substantial advantages over current batteries.
Therefore, improvements to rechargeable battery anode materials
Actively being continued.
【0005】再充電可能な電池の群(family)に属するリ
チウムイオン再充電可能な電池には、負極としてリチウ
ム基の結晶性物質を含んでいる。負極物質の結晶格子は
リチウムイオンに構造上の骨組(frame work)を提供す
る。リチウムイオンは負極の結晶の骨組内に挿入(イン
サート)したり、または脱離することができる。それ
故、負極物質はリチウムイオン再充電可能な電池内にお
いての、“活性”物質として見られる。充電中リチウム
イオンは負極物質から移動され、正極内に堆積、あるい
はインターカレート(intercarate)する(正極の形態に
よる)。放電中リチウムイオンは負極物質内に復帰、イ
ンターカレートし、電池端子間の電気の流れを容易にす
る。充電と放電のサイクル中、活性物質を含む負極は、
反応の可逆性を保持するため、如何なる構造上の顕著な
変化も許されない。放電中反応の可逆性を許容し、また
リチウムイオンが繰り返し負極物質内に復帰してインタ
ーカレートできるのは、負極物質の結晶構造の安定によ
るものである。電池の性能は負極物質の成分によるとこ
ろ甚大であることを知らねばならない。それはまた直接
に電池の比容量、エネルギー密度、電流能力やリサイク
ル性に影響する。[0005] Lithium-ion rechargeable batteries, which belong to the family of rechargeable batteries, contain a lithium-based crystalline material as a negative electrode. The crystal lattice of the negative electrode material provides the lithium ion with a structural framework. Lithium ions can be inserted into or removed from the negative electrode crystal framework. Therefore, the negative electrode material is seen as an "active" material in a lithium ion rechargeable battery. During charging, lithium ions are displaced from the anode material and are deposited or intercarated in the cathode (depending on the configuration of the cathode). During discharge, lithium ions return into the negative electrode material and intercalate, facilitating the flow of electricity between battery terminals. During the charge and discharge cycle, the negative electrode containing the active material
No significant structural changes are allowed to preserve the reversibility of the reaction. The reversibility of the reaction during the discharge is allowed, and the lithium ions are repeatedly returned into the negative electrode material and can be intercalated due to the stability of the crystal structure of the negative electrode material. It must be noted that the performance of the battery depends greatly on the components of the negative electrode material. It also directly affects the specific capacity, energy density, current capacity and recyclability of the battery.
【0006】リチウムイオン電池の群には、負極にリチ
ウム遷移金属酸化物の成分よりなるものを含む。一般に
負極物質として用いられるリチウム遷移金属酸化物には
リチウム・マンガン・オキサイド・スピネル(スピネル
骨格構造のLiMn2 O4 )、リチウム・ニッケル・オ
キサイド(LiNiO2 )およびリチウム・コバルト・
オキサイド(LiCoO2 )などがある。それら物質の
全部は上掲のリチウムイオンの可逆性トランスファーに
より作動する。放電のリサイクル中、リチウムイオンは
負極より移動され、正極に堆積するか、またはインター
カレートし、負極の本来の構造を殆ど損なわない。放電
中リチウムイオンは即刻負極に復帰してインターカレー
トする。通常のリチウム遷移金属酸化物はリチウムに対
して、高い電圧(3.8〜4Vまで)を示し、また高い
エネルギー密度を提供する。これは小さい分子量による
ためである。[0006] The group of lithium ion batteries includes those in which the negative electrode comprises a lithium transition metal oxide component. Generally, lithium manganese oxide spinel (LiMn 2 O 4 having a spinel skeleton structure), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), and lithium cobalt
Oxide (LiCoO 2 ) and the like. All of these materials operate by reversible lithium ion transfer as described above. During the recycling of the discharge, the lithium ions are transferred from the negative electrode and are deposited or intercalated on the positive electrode, and hardly impair the original structure of the negative electrode. During discharge, lithium ions immediately return to the negative electrode and intercalate. Conventional lithium transition metal oxides exhibit a high voltage (up to 3.8-4 V) and a high energy density for lithium. This is due to the small molecular weight.
【0007】表1にLiMn2 O4 、LiNiO2 およ
びLiCoO2 の負極物質のエネルギー密度を列挙し
た。正極にはコークを使用し、これはk.Brandt氏のSoli
d State Ionics 69 (1994) ,第173〜183頁より
転載したものである。表1には同時に、リサイクル性、
製造コストおよび一般の電池製造技術に通用される技術
をもとにした、物質の合成の難易度などをもランクし
た。Table 1 lists the energy densities of the negative electrode materials of LiMn 2 O 4 , LiNiO 2 and LiCoO 2 . Cork is used for the positive electrode, which is k. Brandt's Soli
d Reprinted from State Ionics 69 (1994), pp. 173-183. Table 1 also shows the recyclability,
Based on the manufacturing cost and technologies commonly used in battery manufacturing technology, the degree of difficulty in synthesizing substances was also ranked.
【0008】[0008]
【表1】 [Table 1]
【0009】三種の物質の中、LiMn2 O4 とLiN
iO2 は、明らかに製造コストが低く、環境汚染に対す
る衝撃もLiCoO2 に比べて軽い。しかしLiMn2
O4とLiNiO2 のリサイクル行為の矛盾性は、今日
これらの応用を制限する。もしLiMn2 O4 とLiN
iO2 のリサイクル性が向上できれば、こられ物質のリ
チウムイオン再充電可能な電池の負極物質として、Li
CoO2 に代わる可能性がないとも云えない。Among the three substances, LiMn 2 O 4 and LiN
The production cost of iO 2 is obviously low, and the impact on environmental pollution is lighter than that of LiCoO 2 . However, LiMn 2
O 4 and the inconsistency of recycling act of LiNiO 2 is, to limit these applications today. If LiMn 2 O 4 and LiN
If the recyclability of iO 2 can be improved, this material can be used as a negative electrode material of a lithium ion rechargeable battery.
It cannot be said that there is no possibility of replacing CoO 2 .
【0010】リチウム遷移金属酸化物から誘導された、
リサイクル性の安定度を向上させる方法として、周期律
表にあるこれら以外の元素を添加することである。ある
例では、例えば、ドープされない化合物、LiMn2 O
4 、LiNiO2 およびLiCoO2 の化学計算上の数
字が示す結晶構造の変化は、その結果において物質の電
気化学上の性質の向上が認められた。[0010] derived from a lithium transition metal oxide,
As a method of improving the stability of recyclability, an element other than those listed in the periodic table is added. In one example, for example, an undoped compound, LiMn 2 O
4. The change in the crystal structure indicated by the numerical value of LiNiO 2 and LiCoO 2 in the chemical calculation showed that the result improved the electrochemical properties of the substance.
【0011】R. J. Gummow et al, のSolid State Ioni
c (69),第59〜67頁に登載された“ Improved Capa
city Retention in Rechargeable 4v Lithium/Lithium-
Manganese Oxide (Spinel) Cell ”に適量のリチウムを
LiMn2 O4 に添加して、物質のサイクリング行為を
向上させることを示唆している。この参考文献はまた、
マグネシウムあるいは亜鉛をLiMn2 O4 中に添加し
て、一部分のマグネシウムの代理とすればサイクリング
行為の向上をきたすとも示唆している。いずれにして
も、物質のサイクリング性の安定度は向上するが、マグ
ネシウムやジンクをドープしたLiMn2 O4 のスピネ
ル (Spinel) 物質の比容量は小さく、90〜105mA
h/gの範囲内にある。RJ Gummow et al, Solid State Ioni
c (69), “Improved Capa,” listed on pages 59-67.
city Retention in Rechargeable 4v Lithium / Lithium-
The Manganese Oxide (Spinel) Cell "suggests that an appropriate amount of lithium can be added to LiMn 2 O 4 to enhance the cycling behavior of the material.
It also suggests that adding magnesium or zinc to LiMn 2 O 4 and substituting some of the magnesium would improve cycling behavior. In any case, although the stability of the cycling property of the substance is improved, the specific capacity of the spinel substance of LiMn 2 O 4 doped with magnesium or zinc is small, and is 90 to 105 mA.
h / g.
【0012】米国特許番号5,264,201に公開さ
れた内容を全部ここに披露する。これによれば、向上さ
れたサイクリング安定度を有する物質は式Lix Ni
z-x-yMy Oで代表され、その中xは約0.8と1.0
間にあり、Mは1かまたは1以上のコバルト、鉄、チタ
ン(titanium)、マンガン(manganese)、クロム(chrom
ium)、およびバナジウム(vanadium)で、y≦0.2、
但し、コバルトではy≦0.5であるとする。純粋なL
iNiO2 の場合、実質上純粋なリチウムと実質上純粋
なニッケルの金属原子層は、交互に実質上の純粋な酸素
層の間に積在する。化学計算上のリチウムが0.1より
減少すると、ニッケル原子はリチウム原子層の中に混入
して、リチウム原子のインターカレーションの減退 (de
intercalation) を差し止める。米国特許番号5,26
4,201の特許の発明者は、xを上記の範囲に保持す
れば、ニッケル原子の量は実質上リチウムのデイ・イン
ターカレーションの能力を減少させる程には混入されな
いと示唆している。米国特許番号5,264,201の
特許の示唆するところの異なった化学計算上の置換と調
整は、ある程度純LiNiO2 物質に勝る向上を呈示し
ているが、向上された物質は、未だLiCoO2 物質の
サイクリング性の安定度を提供する程には至らない。ま
た、米国特許番号5,264,201の特許の物質も、
信ずるに足りる顕著な電圧耐久性の性能を有していな
い。応用性に至ってはなおさらである。The entire contents disclosed in US Pat. No. 5,264,201 are disclosed herein. According to this, the material with improved cycling stability is of the formula Li x Ni
ZXY M y O in the representative, among which x is about 0.8 and 1.0
In between, M is one or more of cobalt, iron, titanium, manganese, chromium
ium) and vanadium, y ≦ 0.2,
However, it is assumed that y ≦ 0.5 for cobalt. Pure L
In the case of iNiO 2 , substantially pure lithium and substantially pure nickel metal atomic layers alternate between the substantially pure oxygen layers. When the lithium calculated by the chemical calculation decreases below 0.1, the nickel atoms enter the lithium atomic layer and the intercalation of lithium atoms decreases (de
intercalation). US Patent No. 5,26
The inventor of the 4,201 patent suggests that if x is kept in the above range, the amount of nickel atoms will not be substantially mixed in to reduce the ability of lithium to intercalate day. Although different chemical computational substitutions and adjustments as suggested by the patent in US Pat. No. 5,264,201 show some improvement over pure LiNiO 2 material, the improved material is still LiCoO 2. It is not sufficient to provide stability of the cyclability of the substance. Also, the material of the patent of US Pat. No. 5,264,201,
It does not have remarkable voltage durability performance. Especially when it comes to applicability.
【0013】米国特許番号5,591,543に公開さ
れた内容を全部ここに披露して参考に供しよう。それに
よれば、Li1-x Qx/2 ZOm により合成されるリチウ
ムイオン負極物質の群中、Zはコバルト、ニッケル、マ
ンガン、鉄およびバナジウムなどから選択された1つの
遷移金属で、Qは周期律表II族の元素群から選択され
た、カルシウム、マグネシウム、ストロンチウム(Stro
ntium)およびバリウムなどで、mは2あるいは2.5
でZの同一性による。米国特許番号5,591,543
の特許の発明者は、合成中Q元素の酸化物、あるいは炭
酸塩化合物の添加は、Q+2正イオンがLiCoO2 格子
内でのリチウム結晶格子内に結合し、一面残存するQO
あるいはQCO3 化合物は、完成された負極内にその形
のまま混在すると提示している。サイクリング中、周期
律表II族の酸化物と炭酸化合物の溶解作用は、電解質の
緩衝作用となり、かつ電解液中の水と酸不純物(acid im
purities)と反応して、乾燥剤として機能する。米国特
許番号5,591,543の特許の発明者は、かれらが
物質のリサイクル性の向上を、周期律表II族の酸化物や
炭酸塩の乾燥作用の功に帰したようである。The contents disclosed in US Pat. No. 5,591,543 will be fully disclosed herein for reference. According to this, in the group of lithium ion anode materials synthesized by Li 1-x Q x / 2 ZO m , Z is one transition metal selected from cobalt, nickel, manganese, iron, vanadium and the like, and Q is Calcium, magnesium, strontium (Stro) selected from the group II elements of the periodic table
ntium) and barium, where m is 2 or 2.5
Depending on the identity of Z. US Patent No. 5,591,543
According to the inventor of the patent, the addition of the oxide or carbonate compound of the element Q during the synthesis is such that the Q +2 positive ions are combined in the lithium crystal lattice in the LiCoO 2 lattice, and the remaining QO
Alternatively, it states that the QCO 3 compound is mixed as it is in the completed negative electrode. During cycling, the dissolving action of oxides and carbonates of Group II of the periodic table acts as a buffering action for the electrolyte, and water and acid impurities (acid im) in the electrolytic solution.
Reacts with purities) and acts as a desiccant. The inventor of the U.S. Patent No. 5,591,543 appears to have attributed the improved recyclability of the material to the drying action of Group II oxides and carbonates.
【0014】米国特許番号5,591,543の特許の
第4、6および8図に示すように、該発明案で掲示した
物質を、負極に使用した二次電池は、4.2Vまで充電
できるとしている。これではより高い充電電圧に耐え得
るリチウム遷移金属酸化物の負極物質を開発する必要が
未だ残されている。まず、その4.2V以上の電圧で充
電できる物質は、より高い容量とエネルギー密度を有す
るものでなければならない。上記の説明のように、この
ような向上された性能は、応用上で顕著な利益を提供す
る。その上、近来のR3m(ここでは、R−3mと表示
する)結晶構造を有する負極物質は、4.2〜4.3V
以上の電圧で充電されたとき、不安定となる。充電中
(4.2〜4.3Vの範囲)負極物質内のリチウム内容
物の濃度がある一定値まで稀薄化したとき、物質内で構
造上の変化が起こり、それがこれらの物質のフェージン
グ特性を劣化させる。それ故、負極物質が約4.2Vの
充電に耐え得る能力は、重要な特性の一つである。もし
負極物質が従来の負極物質に比べてより高い電圧の反覆
する充電に耐え得るならば、放電の時、この改善された
物質はより高い容量を提供し得る。As shown in FIGS. 4, 6 and 8 of the patent of US Pat. No. 5,591,543, a secondary battery using the material disclosed in the invention for a negative electrode can charge up to 4.2V. And This leaves the need to develop lithium transition metal oxide anode materials that can withstand higher charging voltages. First, a material that can be charged at a voltage of 4.2 V or higher must have higher capacity and energy density. As explained above, such enhanced performance offers significant benefits in applications. In addition, a recent negative electrode material having a R3m (herein, denoted as R-3m) crystal structure has a 4.2-4.3V
It becomes unstable when charged with the above voltage. During charging (range 4.2-4.3V), when the concentration of lithium content in the anode material dilutes to a certain value, a structural change occurs in the material, which is the fading characteristics of these materials. Deteriorates. Therefore, the ability of the negative electrode material to withstand a charge of about 4.2 V is one of the important characteristics. If the anode material can withstand higher voltage repetitive charging compared to conventional anode materials, this improved material can provide higher capacity when discharged.
【0015】それ故、上記の発明は、あるいは近来の二
次電池の構造に関する研究の成果なるサイクリングの安
定度や他の電気化学上の性質の改善を検討した場合、未
だリチウム・イオン負極物質のサイクリング安定度、よ
り高い耐充電電圧あるいは他の電気化学上の性質の向上
などに関して、なお一層努力の必要があると痛感せざる
を得ないであろう。[0015] Therefore, the above-mentioned invention, or the improvement of cycling stability and other electrochemical properties, which are the result of research on the structure of a secondary battery in recent years, are still considered, and the lithium ion More effort will be needed regarding cycling stability, higher withstand voltage or other improvements in electrochemical properties, and so on.
【0016】[0016]
【発明が解決しようとする課題】本発明は、リチウムイ
オン負極物質を有する二次電池のサイクリング安定度、
高い耐充電電圧、高いエネルギー密度、その他の電気化
学上の性質の向上を期すもので、菱面体のR−3m結晶
構造を有するリチウム遷移金属酸化物負極物質に、少な
くとも一種の周期律表II族に属する正イオンの添加によ
りドープして、その目的を達成する。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention relates to a cycling stability of a secondary battery having a lithium ion anode material,
A lithium-transition metal oxide anode material having a rhombohedral R-3m crystal structure is intended to have a high withstand voltage, a high energy density, and other electrochemical properties. Doping by the addition of positive ions belonging to
【0017】[0017]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明は、各請求項毎に次のように構成される。The present invention for achieving the above object is constituted as follows for each claim.
【0018】請求項1に記載の発明は、リチウム、酸素
および少なくとも1つの遷移金属を含み、さらに結晶性
物質(すなわち、結晶質のものをいい、英語表記すれ
ば、crystalline materialとなるものである。本明細書
中において同じ。)の原子層内にある、主に前記遷移金
属原子が占有すべき結晶格子を占める2価の正イオンを
含むことを特徴とする結晶性物質である。The invention according to claim 1 includes lithium, oxygen and at least one transition metal, and further comprises a crystalline material (that is, a crystalline material, which is a crystalline material in English). The same is true in the present specification.) This is a crystalline substance characterized by containing a divalent positive ion that mainly occupies a crystal lattice to be occupied by the transition metal atom.
【0019】請求項2に記載の発明は、前記結晶性物質
は、前記2価の正イオンが存在しないときは、主として
単一形態のR−3m結晶構造を有することを特徴とする
請求項1に記載の結晶性物質である。The invention according to claim 2 is characterized in that the crystalline substance mainly has a single-form R-3m crystal structure when the divalent cation is not present. The crystalline substance described in (1).
【0020】請求項3に記載の発明は、前記リチウムの
一部分は、可逆に前記結晶構造から除去できることを特
徴とする請求項2に記載の結晶性物質である。The invention according to claim 3 is the crystalline material according to claim 2, wherein a part of the lithium can be reversibly removed from the crystal structure.
【0021】請求項4に記載の発明は、前記遷移金属層
内にある前記2価の正イオンは、物質内の遷移金属イオ
ンの酸化状態を促進することを特徴とする請求項3に記
載の結晶性物質である。The invention according to claim 4 is characterized in that the divalent cation in the transition metal layer promotes the oxidation state of the transition metal ion in the substance. It is a crystalline substance.
【0022】請求項5に記載の発明は、前記2価の正イ
オンの存在する比率は、主に遷移金属原子によって占有
される物質の結晶層内にある原子の全数をもとにした1
〜25%であることを特徴とする請求項3に記載の結晶
性物質である。According to a fifth aspect of the present invention, the ratio of the presence of the divalent positive ions is determined based on the total number of atoms in the crystal layer of the substance mainly occupied by the transition metal atoms.
The crystalline substance according to claim 3, wherein the content is about 25%.
【0023】請求項6に記載の発明は、前記比率は、3
〜15%の原子数比であることを特徴とする請求項5に
記載の結晶性物質である。According to the invention described in claim 6, the ratio is 3
The crystalline material according to claim 5, wherein the atomic number ratio is up to 15%.
【0024】請求項7に記載の発明は、前記2価の正イ
オンは、1つあるいは1つ以上の周期律表II族の元素の
イオンであることを特徴とする請求項3に記載の結晶性
物質である。The invention according to claim 7 is the crystal according to claim 3, wherein the divalent positive ion is one or more ions of an element of Group II of the periodic table. Substance.
【0025】請求項8に記載の発明は、前記周期律表II
族の元素は、アルカリ土類金属元素と亜鉛であることを
特徴とする請求項7に記載の結晶性物質である。[0025] The invention according to claim 8 is characterized in that the periodic table II
8. The crystalline substance according to claim 7, wherein the group III element is an alkaline earth metal element and zinc.
【0026】請求項9に記載の発明は、前記アルカリ土
類金属元素は、マグネシウム、カルシウム、ストロンチ
ウムおよびバリウムであることを特徴とする請求項8に
記載の結晶性物質である。A ninth aspect of the present invention is the crystalline material according to the eighth aspect, wherein the alkaline earth metal element is magnesium, calcium, strontium and barium.
【0027】請求項10に記載の発明は、前記遷移金属
は、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバ
ルトおよびアルミニウムの中から1つあるいは1つ以上
を選んだものであることを特徴とする請求項3に記載の
結晶性物質である。According to a tenth aspect of the present invention, the transition metal is selected from one or more of titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt and aluminum. A crystalline substance according to claim 3.
【0028】請求項11に記載の発明は、組成Li1+x
Ni1-y My Nz Op を有し、該組成中、Mはチタン、
バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルトおよびア
ルミニウムから選ばれ;Nはマグネシウム、カルシウ
ム、ストロンチウム、バリウムおよび亜鉛から選ばれ; 0≦x≦z; 2(1+z/2)≦p≦2(1+z); Mがコバルトまたはマンガンであるとき、0≦y≦1;
Mがチタン、バナジウム、クロムまたは鉄であるとき、
0≦y≦0.25;Mがアルミニウムであるとき、y≦
0.4;またNがマグネシウムまたはカルシウムである
とき、0≦z≦0.25;Nがストロンチウム、亜鉛ま
たはバリウムであるとき、0≦z≦0.1;であること
を特徴とする請求項1に記載の結晶性物質である。[0028] The invention according to claim 11 is characterized in that the composition Li 1 + x
Has a Ni 1-y M y N z O p, in the composition, M is titanium,
Selected from vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt and aluminum; N selected from magnesium, calcium, strontium, barium and zinc; 0 ≦ x ≦ z; 2 (1 + z / 2) ≦ p ≦ 2 (1 + z); When M is cobalt or manganese, 0 ≦ y ≦ 1;
When M is titanium, vanadium, chromium or iron,
0 ≦ y ≦ 0.25; when M is aluminum, y ≦
0.4; when N is magnesium or calcium, 0 ≦ z ≦ 0.25; and when N is strontium, zinc or barium, 0 ≦ z ≦ 0.1; 2. The crystalline substance according to 1.
【0029】請求項12に記載の発明は、組成Li1+x
Ni1-y My Nx O2(1+x)を有し、該組成中、Mは、チ
タン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルトお
よびアルミニウムから選ばれ;Nは、マグネシウム、カ
ルシウム、ストロンチウム、バリウムおよび亜鉛から選
ばれ;Mがコバルトまたはマンガンであるとき、0≦y
≦1;Mがチタン、バナジウム、クロムまたは鉄である
とき、0≦y≦0.5;Mがアルミニウムであるとき、
y≦0.4;またNがマグネシウムまたはカルシウムで
あるとき、0≦x≦0.25;Nがストロンチウム、バ
リウムまたは亜鉛であるとき、0≦x≦0.1;である
ことを特徴とする請求項11に記載の結晶性物質であ
る。The invention according to claim 12 is characterized in that the composition Li 1 + x
Ni 1-y M y N x O 2 having a (1 + x), in said composition, M is selected from titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt and aluminum; N are magnesium, calcium, Selected from strontium, barium and zinc; when M is cobalt or manganese, 0 ≦ y
≦ 1; when M is titanium, vanadium, chromium or iron, 0 ≦ y ≦ 0.5; when M is aluminum,
y ≦ 0.4; when N is magnesium or calcium, 0 ≦ x ≦ 0.25; when N is strontium, barium or zinc, 0 ≦ x ≦ 0.1; A crystalline substance according to claim 11.
【0030】請求項13に記載の発明は、組成Li1 N
i1-y My Nx Op を有し、該組成中、Mはチタン、バ
ナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルトおよびアル
ミニウムから選ばれ;Nは、マグネシウム、カルシウ
ム、ストロンチウム、バリウムおよび亜鉛から選ばれ;
Mがコバルトまたはマンガンであるとき、0≦y≦1;
Mがチタン、バナジウム、クロムまたは鉄であるとき、
0≦y≦0.5;Mがアルミニウムであるとき、y≦
0.4;またNがマグネシウムまたはカルシウムである
とき、0≦x≦0.25;Nがストロンチウム、バリウ
ムまたは亜鉛であるとき、0≦x≦0.1、そして2
(1+x/2)≦p≦2(1+x);であることを特徴
とする請求項12に記載の結晶性物質である。According to a thirteenth aspect of the present invention, the composition Li 1 N
i has a 1-y M y N x O p, in the composition, M is titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, selected from cobalt and aluminum; N are magnesium, calcium, strontium, barium and zinc Chosen;
When M is cobalt or manganese, 0 ≦ y ≦ 1;
When M is titanium, vanadium, chromium or iron,
0 ≦ y ≦ 0.5; when M is aluminum, y ≦
0.4; and when N is magnesium or calcium, 0 ≦ x ≦ 0.25; when N is strontium, barium or zinc, 0 ≦ x ≦ 0.1, and 2
The crystalline substance according to claim 12, wherein (1 + x / 2) ≤p≤2 (1 + x);
【0031】請求項14に記載の発明は、請求項1に記
載の物質を含む負極であることを特徴とする電気化学セ
ルの負極である。According to a fourteenth aspect of the present invention, there is provided an anode for an electrochemical cell, comprising a negative electrode containing the substance according to the first aspect.
【0032】請求項15に記載の発明は、請求項11に
記載の物質を含むことを特徴とする請求項14に記載の
負極である。According to a fifteenth aspect of the present invention, there is provided the negative electrode according to the fourteenth aspect, comprising the substance according to the eleventh aspect.
【0033】請求項16に記載の発明は、請求項12に
記載の物質を含むことを特徴とする請求項15に記載の
負極である。According to a sixteenth aspect of the present invention, there is provided the negative electrode according to the fifteenth aspect, comprising the substance according to the twelfth aspect.
【0034】請求項17に記載の発明は、請求項13に
記載の物質を含むことを特徴とする請求項15に記載の
負極である。According to a seventeenth aspect of the present invention, there is provided the negative electrode according to the fifteenth aspect, comprising the substance according to the thirteenth aspect.
【0035】請求項18に記載の発明は、請求項14に
記載の構成を有する負極と、前記負極と相溶する正極
と、前記正極と相溶する電解液とを含むことを特徴とす
るリチウムイオン二次セルである。According to an eighteenth aspect of the present invention, there is provided a lithium battery comprising: a negative electrode having the structure according to the fourteenth aspect; a positive electrode compatible with the negative electrode; It is an ion secondary cell.
【0036】請求項19に記載の発明は、請求項15に
記載の構成を有する前記負極を含むことを特徴とする請
求項18に記載のリチウムイオン二次セルである。According to a nineteenth aspect of the present invention, there is provided a lithium ion secondary cell according to the eighteenth aspect, including the negative electrode having the structure of the fifteenth aspect.
【0037】請求項20に記載の発明は、請求項16に
記載の構成を有する前記負極を含むことを特徴とする請
求項18に記載のリチウムイオン二次セルである。According to a twentieth aspect of the present invention, there is provided the lithium ion secondary cell according to the eighteenth aspect, including the negative electrode having the configuration according to the sixteenth aspect.
【0038】請求項21に記載の発明は、請求項17に
記載の構成を有する前記負極を含むことを特徴とする請
求項18に記載のリチウムイオン二次セルである。According to a twenty-first aspect of the present invention, there is provided a lithium ion secondary cell according to the eighteenth aspect, including the negative electrode having the configuration according to the seventeenth aspect.
【0039】請求項22に記載の発明は、その製造プロ
セスにおいて、 a.少なくともある量のリチウムを含む物質、ある量の
遷移金属を含む物質、およびある量の少なくとも1つの
周期律表II族元素の原子を含む物質を結合させて、これ
により均一な固体を生成する手順と、 b.前記均一な固体を熱処理し、もって前記の少なくと
も1つの周期律表II族元素の原子を含む活性結晶リチウ
ム遷移金属酸化物質を生成し、前記活性物質内に前記の
少なくとも1つの周期律表II族元素の前記原子に、前記
活性物質の結晶層内の遷移金属原子が主に占めていた結
晶格子を占有せしむるよう、前記の量を選定するなどの
手順を含むことを特徴とするリチウム遷移金属酸化物結
晶性物質の製造プロセスである。According to a twenty-second aspect of the present invention, in the manufacturing process, there is provided: Procedure for combining a substance containing at least an amount of lithium, a substance containing an amount of a transition metal, and a substance containing an amount of an atom of at least one Group II element of the Periodic Table, thereby producing a homogeneous solid And b. Heat treating the homogeneous solid to produce an active crystalline lithium transition metal oxide containing an atom of the at least one Group II element of the Periodic Table, wherein the at least one Group II element of the Periodic Table is contained within the active material. A lithium transition comprising selecting the amount of the element so that the atom of the element occupies the crystal lattice occupied mainly by the transition metal atom in the crystal layer of the active material. This is a manufacturing process of a metal oxide crystalline material.
【0040】請求項23に記載の発明は、前記の結合さ
せる手順は、 a.前記の量を少なくとも1つの溶剤に溶解し、もって
均一な溶液を提供する手順と、 b.絶え間ない撹拌により、前記溶剤を前記均一な溶液
から除去しながら、前記均一な溶液を乾燥させて、前記
均一な固体を提供する手順と、を含む請求項22に記載
のプロセスである。According to a twenty-third aspect of the present invention, the connecting step comprises the steps of: a. Dissolving said amount in at least one solvent to provide a homogeneous solution; b. Drying the homogenous solution to provide the homogenous solid while the solvent is being removed from the homogenous solution by constant agitation.
【0041】請求項24に記載の発明は、前記の結合さ
せる手順は、 a.前記の量を少なくとも1つの溶剤に溶解し、もって
均一な溶液を提供する手順と、 b.噴霧ノズルを通じて前記均一な溶液を室内にスプレ
イし、前記室内の温度を前記溶剤の乾燥温度以上に保持
して前記溶剤を蒸発せしめて、粉末状の前記均一な固体
を提供する手順と、を含むことを特徴とする請求項22
に記載のプロセスである。According to a twenty-fourth aspect of the present invention, the connecting step comprises the steps of: a. Dissolving said amount in at least one solvent to provide a homogeneous solution; b. Spraying the uniform solution into a room through a spray nozzle, maintaining the room temperature at or above the drying temperature of the solvent and evaporating the solvent to provide the uniform solid in powder form. 23. The method according to claim 22, wherein
The process is described in
【0042】請求項25に記載の発明は、前記の結合さ
せる手順中、前記リチウムを含有する物質とは水酸化リ
チウム(lithium hydroxide)を含む物質で、前記結合
させる手順は、 a.前記の量の水酸化リチウムと前記の量の遷移金属を
含む物質を、1つの有機溶剤に溶解し、リチウムを含む
溶液を生成する手順と、 b.前記周期律表II族元素を含む物質の水溶液を準備す
る手順と、 c.前記水溶液と前記リチウムを含む溶液を共に混合す
る手順と、 d.ゲル化が起こるまで前記混合物を放置してゲルを提
供する手順と、 e.前記ゲルを乾燥させて前記均一な固体を得る手順
と、を含むことを特徴とする請求項22に記載のプロセ
スである。According to a twenty-fifth aspect of the present invention, in the bonding step, the lithium-containing substance is a substance containing lithium hydroxide, and the bonding step includes the steps of: a. Dissolving said amount of lithium hydroxide and said amount of material comprising a transition metal in one organic solvent to produce a solution containing lithium; b. Preparing an aqueous solution of the substance containing the Group II element of the periodic table; c. Mixing the aqueous solution and the lithium-containing solution together; d. Leaving the mixture to provide a gel until gelation occurs; e. Drying the gel to obtain the homogenous solid.
【0043】請求項26に記載の発明は、前記少なくと
も1つの周期律表II族元素の原子を含む、前記活性結晶
リチウム遷移金属酸化物質は請求項11に記載の組成を
有することを特徴とする請求項22に記載のプロセスで
ある。According to a twenty-sixth aspect of the present invention, the active crystalline lithium transition metal oxide containing the at least one atom of the Group II element of the periodic table has the composition according to the eleventh aspect. A process according to claim 22.
【0044】請求項27に記載の発明は、前記少なくと
も1つの周期律表II族元素の原子を含む、前記活性結晶
リチウム遷移金属酸化物質は請求項12に記載の組成を
有することを特徴とする請求項26に記載のプロセスで
ある。The invention according to claim 27 is characterized in that the active crystalline lithium transition metal oxide containing the at least one atom of a group II element of the periodic table has a composition as defined in claim 12. A process according to claim 26.
【0045】請求項28に記載の発明は、前記少なくと
も1つの周期律表II族元素の原子を含む、前記活性結晶
リチウム遷移金属酸化物質は請求項13に記載の組成を
有することを特徴とする請求項26に記載のプロセスで
ある。The invention according to claim 28 is characterized in that the active crystalline lithium transition metal oxide containing the at least one atom of a group II element of the periodic table has the composition according to claim 13. A process according to claim 26.
【0046】請求項29に記載の発明は、その製造プロ
セスにおいて、請求項14に記載の組成を有する負極
と、前記負極と相溶する正極、および前記負極と相溶す
る電解液からセルを構成することを特徴とするリチウム
イオン二次セルの製造プロセスである。According to a twenty-ninth aspect of the present invention, in the manufacturing process, a cell is constituted by a negative electrode having the composition according to the fourteenth aspect, a positive electrode compatible with the negative electrode, and an electrolyte solution compatible with the negative electrode. This is a manufacturing process of the lithium ion secondary cell.
【0047】本発明の改良された二次電池の負極物質
は、リチウム遷移金属酸化物で形成され、菱面体のR−
3m結晶構造を有し、2価の正イオンが添加されてい
る。2価の正イオンの添加物として、マグネシウム、カ
ルシウム、ストロンチウム、バリウムあるいは亜鉛の中
から選ぶのを上策とする。選ばれた2価の正イオンのド
ーパント(dopant)の添加量は、ドーパント原子の全部あ
るいは一部が遷移金属原子が占めるべき結晶格子を占有
する。本発明によるドープされたリチウム遷移金属酸化
物は、例えば、ドープされたリチウム・ニッケル酸化
物、リチウム・コバルト酸化物あるいはリチウム・ニッ
ケル・コバルト酸化物等のように、2価の正イオン・ド
ーパント原子の全部あるいは一部がニッケル・コバル
ト、ニッケルおよび/またはコバルト正イオンが、各々
未ドープ時に占めるべき結晶格子を占有する。本発明に
よるドープされたリチウム遷移金属酸化物は、リチウム
イオン二次電池の負極として形成され得る。この目的で
使用されるときは高容量、良好なリサイクル性と耐高電
圧性(少なくとも4.4Vまで)の性能が期待できる。The negative electrode material of the improved secondary battery of the present invention is formed of a lithium transition metal oxide and has a rhombohedral R-
It has a 3 m crystal structure and has added divalent cations. It is a good idea to select from among magnesium, calcium, strontium, barium and zinc as an additive of the divalent cation. Depending on the doping amount of the selected divalent positive ion dopant, all or some of the dopant atoms occupy the crystal lattice to be occupied by the transition metal atoms. The doped lithium transition metal oxide according to the present invention may be a divalent positive ion dopant atom such as, for example, doped lithium nickel oxide, lithium cobalt oxide or lithium nickel cobalt oxide. All or a part of the crystal lattice is occupied by nickel-cobalt, nickel and / or cobalt positive ions, respectively, when they are undoped. The doped lithium transition metal oxide according to the present invention can be formed as a negative electrode of a lithium ion secondary battery. When used for this purpose, high capacity, good recyclability and high voltage resistance (at least up to 4.4 V) can be expected.
【0048】本発明による方法と運用をもとにした研究
と解明された事実で本発明者らは、結晶格子の遷移金属
層内の全部の原子数を基準にした2価の正イオンドーパ
ントを約1〜25atomパーセント範囲内で添加すれ
ば、このような負極物質を有する二次電池は、ドープさ
れない負極物質の二次電池に比べて、より優秀な電気化
学上の性質を有することを信じて疑わない次第である。
尚一層向上された性質は、上記と同様、結晶格子の遷移
金属層内の全部の原子数を基準にした2価の正イオンド
ーパントを、今度は約3〜15atomパーセント範囲
内に制限した場合に出現する。本発明者たちは、主とし
てR−3mの結晶構造を有し、周期律表II族のドーパン
トを含まないリチウム遷移金属酸化物質は、本発明で示
唆するように、周期律表II族のドーパントを添加するな
らば、その性質の向上を予期できると結論する。特別な
同一物および物質内に添加する1つないし数個の遷移金
属原子は、未ドープのリチウム化遷移金属酸化物が単一
形態または主に単一形態のR−3mの結晶構造であるか
により決定される。Based on research and elucidated facts based on the method and operation according to the present invention, the present inventors have developed a divalent positive ion dopant based on the total number of atoms in the transition metal layer of the crystal lattice. It is believed that when added in the range of about 1 to 25 atom percent, the secondary battery having such a negative electrode material has better electrochemical properties than the secondary battery of the undoped negative electrode material. It is up to no doubt.
Still further improved properties are, as described above, when the divalent cation dopant based on the total number of atoms in the transition metal layer of the crystal lattice is now limited to about 3-15 atom percent. Appear. The present inventors have proposed that a lithium transition metal oxide having a crystal structure of mainly R-3m and not containing a group II dopant of the periodic table, as suggested in the present invention, has a group II dopant of the periodic table. It is concluded that if added, an improvement in its properties can be expected. One or more transition metal atoms added to the particular same and to the substance may be an undoped lithiated transition metal oxide in a single or predominantly single form R-3m crystal structure. Is determined by
【0049】本発明によるドープされたリチウム遷移金
属酸化物は、下記の式で代表される、2つのグループの
ものを含むが、必ずしもこれに限定されない。すなわ
ち、 Li1+x Ni1-y My Nx O(1+x) (式1)、および Li1 Ni1-y My Nx Op (式2) で、Mは、遷移金属であるチタン、バナジウム、クロ
ム、マンガン、鉄、コバルトおよびアルミニウムの中の
1つあるいは1つ以上;Nは、周期律表II族の元素であ
るマグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウ
ムおよび亜鉛の1つを選定;Mがコバルトあるいはマン
ガンのときは、0≦y≦1;Mがチタン、バナジウム、
クロムまたは鉄のとき、0≦y≦0.5;Mがアルミニ
ウムのとき、y≦0.4;Nがマグネシウムまたはカル
シウムのとき、0<x≦0.25;Nがストロンチウ
ム、バリウムまたは亜鉛のとき、0<x≦0.1;その
中;2(1+x/2)≦p≦2(1+x) 上記のx,yの変数の範囲は、本発明者たちの観察と各
種遷移金属と2価の正イオンの添加量が、母系のLiN
iO2 構造内においての、通常の可溶解度をもとにして
決定した。The doped lithium transition metal oxides according to the present invention include, but are not necessarily limited to, two groups represented by the following formula: That is, in Li 1 + x Ni 1-y M y N x O (1 + x) ( Equation 1), and Li 1 Ni 1-y M y N x O p ( Equation 2), M is a transition metal One or more of a certain titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt and aluminum; N is one of the group II elements of the periodic table, magnesium, calcium, strontium, barium and zinc When M is cobalt or manganese, 0 ≦ y ≦ 1; M is titanium, vanadium,
0 ≦ y ≦ 0.5 when chromium or iron; y ≦ 0.4 when M is aluminum; 0 <x ≦ 0.25 when N is magnesium or calcium; N is strontium, barium or zinc 0 <x ≦ 0.1; 2 (1 + x / 2) ≦ p ≦ 2 (1 + x) The ranges of the variables x and y are based on observations by the present inventors and various transition metals and divalent metals. The amount of the positive ion added to the parent LiN
Determined based on normal solubility within the iO 2 structure.
【0050】本発明者たちは、上記の2つの式より代表
されるドープされたリチウム・ニッケル遷移金属酸化物
内は、本発明の一部分に過ぎず、全部または一部分の周
期律表II族の2価の正イオンは結晶内の遷移金属層の結
晶格子を占有することを発見した。本発明によるLi
1+x Ni1-y My Nx O(1+x) とLi1 Ni1-y My N
x Op 物質の合成式と米国特許番号5,591,543
によるLi1-x Qx/2 ZOm 物質の合成式との間の明白
な相違に加えて、本発明による2価の正イオンの遷移金
属層内の存在は、直ちに本発明の物質と米国特許番号
5,591,543の特許によるそれとを判別する。米
国特許番号5,591,543の特許の物質において
は、アルカリ土類ドーパント(alkaline earth dopants)
が一部分リチウム層に存留し、一部分酸化物と炭酸塩
の形で成形した負極に内含される。さらに本発明者たち
は、本発明による物質の強化された性質は、米国特許番
号5,591,543の特許のそれと比べて、2価の正
イオンが遷移金属の結晶格子内に入在することによるも
のと確信する。We believe that the doped lithium-nickel transition metal oxide represented by the above two formulas is only a part of the present invention and that all or some It has been discovered that positively charged ions occupy the crystal lattice of the transition metal layer in the crystal. Li according to the invention
1 + x Ni 1-y M y N x O (1 + x) and Li 1 Ni 1-y M y N
Synthesis formula x O p substance and U.S. Patent No. 5,591,543
In addition to the obvious differences between the synthesis formulas of Li 1-x Q x / 2 ZO m materials according to the present invention, the presence of divalent cations according to the invention in the transition metal layer is immediately It is distinguished from that of the patent of Patent No. 5,591,543. In the material of the patent of US Pat. No. 5,591,543, alkaline earth dopants
Partially remains in the lithium layer and is partially contained in the negative electrode formed in the form of oxide and carbonate. In addition, the inventors note that the enhanced properties of the material according to the invention are such that divalent cations are present in the crystal lattice of the transition metal compared to that of US Pat. No. 5,591,543. I'm convinced that.
【0051】本発明による2価の正イオンで遷移金属の
結晶格子をドープすることは、結晶体に欠陥のある中心
を生じ、かつ本発明のある物質にこのような欠陥のある
中心を増加せしめて、遷移金属イオンの酸化状態を増進
せしめる。本発明による物質の高電圧耐久性と良好なリ
サイクル性は、少なくとも部分的に、遷移金属正イオン
の酸化状態の増進に寄与することがあり、サイクリング
中、成層した結晶構造に影響あるという周知のJahn-Tel
lerの歪曲効果を軽減せしめ、かつ特に高度のスピン電
子構造を有する遷移金属(例えば、d電子状態のN
i3+)において然りである。遷移金属成分と、R−3m
対称性を有する任意の物質をドープし、2価の正イオン
に遷移金属結晶格子を占有せしめた場合、Jahn-Teller
の歪曲の軽減と、電気化学上の性質の強化をもたらすこ
とは、疑いのない事実である。それ故、最も通常のセン
スで、本発明はR−3m対称性を有する物質の開発を指
向し、それはその中の遷移金属結晶層の一部分の結晶格
子を2価の正イオンに占有された、遷移金属原子層を含
む物質である。Doping the transition metal crystal lattice with divalent cations according to the present invention results in defective centers in the crystal and increases the number of such defective centers in certain materials of the present invention. To enhance the oxidation state of the transition metal ion. It is well-known that the high voltage endurance and good recyclability of the materials according to the invention can contribute, at least in part, to the enhancement of the oxidation state of the transition metal cations, affecting the crystal structure that has been stratified during cycling. Jahn-Tel
transition metals that reduce the distortion effect of ler and have a particularly high spin electronic structure (eg, N-electrons in the d-electronic state)
i 3+ ). Transition metal component, R-3m
Jahn-Teller, when doping any symmetrical material and making the divalent cations occupy the transition metal crystal lattice,
It is undoubted that it results in a reduction of the distortion and an enhancement of the electrochemical properties. Therefore, in its most usual sense, the present invention is directed to the development of materials with R-3m symmetry, in which the crystal lattice of a portion of the transition metal crystal layer is occupied by divalent positive ions, It is a substance containing a transition metal atomic layer.
【0052】なお、本発明は、本発明で開発された物質
で形成された負極、適当な正極、および負極と正極と相
溶できる電解液を含む含セルの開発を指向する。The present invention is directed to the development of a negative electrode formed from the material developed in the present invention, a suitable positive electrode, and a cell containing an electrolytic solution compatible with the negative electrode and the positive electrode.
【0053】本発明の物質は、高容量、低い容量のフェ
ージング性質、および高い電圧の耐久性などを特徴とす
る。該物質は明らかに、高容量であるが、高い容量のフ
ェージング性を伴う、従来のリチウムイオン負極物質を
性能上で凌駕する。以下に、検討するように、本発明に
よる物質はまた、米国特許番号5,591,543の特
許に公開された物質に比べて、容量とリサイクル性の二
方面で、一段と高い向上を示す。The materials of the present invention are characterized by high capacity, low capacity fading properties, and high voltage durability. The material clearly outperforms conventional lithium ion negative electrode materials, although of high capacity, but with high capacity of fading. As discussed below, the materials according to the present invention also show a greater improvement in both capacity and recyclability than the materials disclosed in the patent of US Pat. No. 5,591,543.
【0054】なお、本発明は結晶にドープされるリチウ
ム遷移金属酸化物質の製造プロセスにも関する。この過
程は通常、少なくともある量のリチウムを含有した物
質、ある量の遷移金属を含有した物質、およびある量の
少なくとも1つの周期律表II族元素の原子を含有して均
一な固体を生成する物質を含む。その次に、均一な固体
は熱処理されて、1つか、またはそれ以上の周期律表II
族元素の原子を含む、活性の結晶リチウム遷移金属酸化
物質を産生する。リチウムを含有する物質、遷移金属を
含有する物質、および周期律表II族の元素を含有する物
質の量は選定された後、製造プロセスを経て、活性物質
内の周期律表II族の原子は、活性物質の結晶層内の元来
遷移金属原子が主として占めた結晶格子を占有する。均
一の固体を生成する方法は、従来の一般に熟知された手
法による。その方法としては、例えば、撹拌、ゲル化、
スプレイ乾燥、および固体合成などがある。本発明によ
るプロセスには、なお、本発明で開発した物質で、電気
化学的セルの負極を形成するものである。The present invention also relates to a process for producing a lithium-transition metal oxide material doped into a crystal. This process typically produces a homogeneous solid containing at least some amount of lithium-containing material, some amount of transition metal-containing material, and some amount of at least one Group II element. Contains substances. Next, the homogeneous solid is heat treated and one or more Periodic Table II
Produces active crystalline lithium transition metal oxidants that contain atoms of group III elements. After the amount of the substance containing lithium, the substance containing the transition metal, and the substance containing the element of Group II of the Periodic Table are selected, through the manufacturing process, the atoms of Group II of the Periodic Table in the active substance become Occupy the crystal lattice occupied primarily by the transition metal atoms in the crystalline layer of the active material. The method of producing a homogeneous solid is according to conventional and commonly known techniques. As the method, for example, stirring, gelling,
Spray drying, and solid synthesis. The process according to the invention still comprises the material developed according to the invention for forming the negative electrode of an electrochemical cell.
【0055】本発明による物質は、菱面体のR−3m対
称結晶構造を未ドープ状態時に有するリチウム遷移金属
酸化物を含み、2価の正イオンのドーパントが、ドープ
される以前、主に遷移金属原子が占める結晶格子を占有
する。例えば、図1に示すように、LiNIO2 の成層
したR−3m構造内に、リチウム層とニッケル原子層が
交互に酸素原子の間に挟まれている。一番通常のセンス
でいえば、本発明は、少なくとも一部分の遷移金属の結
晶格子(例えば、図1のLiNiO2 構造内のニッケル
結晶格子)が2価の正イオンに占有されている物質に関
する。本発明で、ドープされた性質の向上された性質を
得るため、約1〜25、望ましくは約3〜15の物質の
遷移金属原子層内における、全部の原子数を基準にして
計量した、パーセンテージの2価の正イオンを添加しな
ければならない。The material according to the invention comprises a lithium transition metal oxide having a rhombohedral R-3m symmetrical crystal structure in the undoped state, wherein the dopant of the divalent cation is mainly transition metal prior to being doped. Occupies the crystal lattice occupied by atoms. For example, as shown in FIG. 1, a lithium layer and a nickel atomic layer are alternately sandwiched between oxygen atoms in an R-3m structure in which LiNIO 2 is layered. In its most usual sense, the present invention relates to materials in which at least a portion of the transition metal crystal lattice (eg, the nickel crystal lattice in the LiNiO 2 structure of FIG. 1) is occupied by divalent positive ions. In the present invention, in order to obtain improved properties of the doped properties, a percentage, based on the total number of atoms, in the transition metal atomic layer of about 1 to 25, preferably about 3 to 15 substances. Must be added.
【0056】以下、より詳細に説明する。本発明の指向
するところは、一部分下記の分子式で代表される化合物
質である; Li1+x Ni1-y My Nx O2(1+x) 、および Li1 Ni1-y My Nx Op その中、x,yおよびpは、上記課題を解決するための
手段で説明した通りである。本発明者たちが検討の結
果、電気化学上の性質、特にリサイクル性と電圧の耐久
性では、本発明による物質の中で、Li1+x Ni1-y M
y Nx O2(1+x) の分子式を有するのが、リチウムイオ
ン二次電池の負極物質として最も適当である。その群の
化合物の中で、下記の分子式のものが、望ましい性質を
有する; 1.Li1+x NiNx O2(1+x) その中、N=Mg、および0.03≦x≦0.25であ
り、そして一層望ましいのは、0.07≦x≦0.15
である。The details will be described below. The present invention is directed, in part, to compounds represented by the following molecular formulas: Li 1 + x Ni 1- y My N x O 2 (1 + x) , and Li 1 Ni 1- y My N x Op In this, x, y and p are as described in the section for solving the above-mentioned problem. As a result of investigations by the present inventors, the electrochemical properties, in particular, the recyclability and the durability of the voltage, indicate that Li 1 + x Ni 1-y M
have a y N x O 2 molecular formula of (1 + x) is the most suitable as a negative electrode material for lithium ion secondary batteries. Of the group of compounds, those of the following molecular formula have desirable properties; Li 1 + x NiN x O 2 (1 + x) wherein N = Mg and 0.03 ≦ x ≦ 0.25, and more preferably 0.07 ≦ x ≦ 0.15
It is.
【0057】2.Li1+x Ni1-y Coy Nx O2(1+x) その中、N=MgあるいはCa、0.1≦y≦0.4、
および0.03≦x≦0.25であり、そして一層望ま
しいのは、0.3≦x≦0.15である。2. Li 1 + x Ni 1-y Co y N x O 2 (1 + x) , wherein N = Mg or Ca, 0.1 ≦ y ≦ 0.4,
And 0.03 ≦ x ≦ 0.25, and more preferably 0.3 ≦ x ≦ 0.15.
【0058】3.Li1+x CoNx O2(1+x) その中、N=MgあるいはCa、0.03≦x≦0.2
5であり、そしてN=Mgのとき、一層望ましいのは、
0.03≦x≦0.15である。3. Li 1 + x CoN x O 2 (1 + x) , where N = Mg or Ca, 0.03 ≦ x ≦ 0.2
5 and when N = Mg, more desirable
0.03 ≦ x ≦ 0.15.
【0059】本発明による物質は、従来の微粒子負極活
性物質でリチウム負極構造を形成するプロセスを利用し
て、リチウムイオン二次電池の負極に形成し得る。本発
明によるセルは、1つあるいはそれ以上の負極、1つの
正極、並びにこれら負極および正極と相溶できる電解液
を含む。任意の適当な正極物質で、本発明の負極を形成
する物質と組み合わせて、二次電池に使用できる。この
ような正極の成分と構造は、この方面の技術に通曉した
者なら熟知のはずの、それだけとは限らないが、リチウ
ム金属;炭素、コーク、石墨あるいはそのほか適当な含
炭素物質;アルミニウムまたはリチウムをインサートし
た化合物;アモルファスシリコン酸化物;および遷移金
属酸化物、硫化物、窒素化合物、酸素窒化物、および酸
素炭化物などを含む。最も良い正極物質は、コークと石
墨である。本発明による負極物質を含有するセルはま
た、任意の適当な相溶できる、この方面で既知の液体あ
るいは固体の電解質は、それだけとは限らないが、固体
状態(solid state)のポリマー電解質;固体状態セラミ
ック、ガラスあるいはガラス−セラミック電解質で高い
リチウムイオン伝導性と低い電子の伝導性を呈するも
の、例えば、リチウム硼珪ガラス、リチウム・アルミニ
ウム窒化物、リチウム硼燐珪酸塩(lithium borophospho
silicate) ;および1種またはそれ以上のリチウム塩
(例えば、リチウム砒素6弗化物(lithium arsenic hex
afluoride) 、リチウム燐6弗化物(lithiumphosphorous
hexafluoride) およびリチウム弗酸塩(lithiumchlorat
e) 等の1種あるいはそれ以上の有機溶剤(例えば、炭
酸エチル(ethylcarbonate) 、炭酸ジメチル(dimethyl c
arbonate) および炭酸ジエチル(diethyle carbonate)
あるいはこれらの混合物)の混合物に溶解したものなど
である。コークや石墨を正極としたセルと一緒に使われ
る電解液は(i)11.49%重量比のLiPF6 、2
9.39%重量比の炭酸ジメチル、および59.11%
重量比のエチレンカーボネートの混合物、および(ii)
1モルのリチウム燐6弗化物が、45%重量比の炭酸エ
チルと55%重量比の炭酸ジメチルを含んだ溶剤の溶
液、などである。The material according to the present invention can be formed on a negative electrode of a lithium ion secondary battery using a process for forming a lithium negative electrode structure with a conventional fine particle negative electrode active material. A cell according to the present invention includes one or more negative electrodes, one positive electrode, and an electrolyte compatible with the negative electrode and the positive electrode. Any suitable positive electrode material can be used in a secondary battery in combination with the material forming the negative electrode of the present invention. The components and structure of such positive electrodes should be familiar to those skilled in the art, but are not limited to, lithium metal; carbon, coke, graphite or other suitable carbon containing materials; aluminum or lithium. And amorphous silicon oxide; and transition metal oxides, sulfides, nitrogen compounds, oxynitrides, and oxygen carbides. The best cathode materials are coke and graphite. The cell containing the anode material according to the present invention may also be any suitable compatible liquid or solid electrolyte known in this regard, including, but not limited to, a solid state polymer electrolyte; State ceramic, glass or glass-ceramic electrolytes exhibiting high lithium ion conductivity and low electron conductivity, such as lithium borosilicate glass, lithium aluminum nitride, lithium borophosphosilicate
silicate); and one or more lithium salts (eg, lithium arsenic hexide).
afluoride), lithiumphosphorous
hexafluoride) and lithiumchlorate
e) one or more organic solvents such as ethyl carbonate, dimethyl carbonate
arbonate) and diethyl carbonate
Or a mixture thereof). The electrolyte used together with the cell having cork or graphite as the positive electrode is (i) 11.49% by weight of LiPF 6 , 2
9.39% dimethyl carbonate by weight, and 59.11%
A mixture of ethylene carbonate by weight, and (ii)
For example, a solution of a solvent in which 1 mol of lithium phosphorus hexafluoride contains 45% by weight of ethyl carbonate and 55% by weight of dimethyl carbonate.
【0060】本発明による物質で形成した負極を含む二
次セルは、この方面のよく知られる各種の構造に組み立
てられる。これらは、必ずしもこれに限らないが、フラ
ット、筒形、スピラル状に構成される。コークや石墨を
使った正極を含むセルの構造には、ポリプロピレン(pol
ypropylene) またはポリエチレン製のセパレータを使う
とよい。本発明によるセル中、負極の活性物質内におけ
る、リチウムの%量は、セルの充電時において、対極を
飽和するに足りる量である。負極と正極は必ず両電極に
接触する電解液を通して、相手側にリチウムイオンをイ
ンターカレートする能力がなければならない。本発明に
よる、二次セル構造の良い例として、Li1.1 Ni0.75
Co0.25Mg0.1 O2.2 の構成を有する負極、コークの
正極、LiPF6 を基本とする電解液およびポリプロピ
レン製のセパレータを含むものがある。The secondary cell containing the negative electrode formed from the substance according to the present invention is assembled in various well-known structures in this area. These are configured as, but not limited to, flat, tubular, and spiral. The structure of the cell, including the positive electrode made of cork or graphite, uses polypropylene (pol
Use a separator made of ypropylene) or polyethylene. In the cell according to the present invention, the percentage of lithium in the active material of the negative electrode is sufficient to saturate the counter electrode during charging of the cell. The negative electrode and the positive electrode must have the ability to intercalate lithium ions on the other side through an electrolyte solution that is in contact with both electrodes. As a good example of a secondary cell structure according to the present invention, Li 1.1 Ni 0.75
Some include a negative electrode having a structure of Co 0.25 Mg 0.1 O 2.2 , a positive electrode of coke, an electrolyte based on LiPF 6 and a separator made of polypropylene.
【0061】本発明による物質を製造する方法は、正確
な化学計算法で、まず指定された化学物質を提供し、そ
れらを適当に組み合わせて均一な固体を作成する。ここ
に、“均一な固体”と称するものは、その中に含有され
た、化学物質に必要な元素の分離が、最小限度に抑制さ
れていることを指す。この均一な固体は、その後、活性
物質の生成ができる条件の下で、熱処理される。ここ
で、活性物質というのは、放電と充電の各過程におい
て、リチウムイオンをその構造内にインターカレートし
たり、インターカレートを解いたりできる物質を指す。
不活性物質にはこのような性質はない。The method for producing a substance according to the present invention is an accurate chemical calculation method, in which a specified chemical substance is first provided, and these substances are appropriately combined to produce a uniform solid. Here, what is referred to as a "homogeneous solid" indicates that the separation of elements contained therein and required for chemical substances is minimized. This homogeneous solid is then heat treated under conditions that allow for the formation of the active substance. Here, the active substance refers to a substance capable of intercalating lithium ions into the structure or deintercalating lithium ions in each process of discharging and charging.
Inert substances do not have this property.
【0062】さらに、本発明による物質は、本発明の範
囲内の組成を有する、活性形態をもって生成できる単一
形態、あるいは多重形態の物質の化学手法を基にしたプ
ロセスで、任意の固体状態、あるいは湿式の溶液(ウェ
ット溶液(wet solution)で合成できるものを指す。本発
明の物質を生成できる適宜な方法は、電池に関する技術
に通暁した者には明白である。例えば、ゾル−ゲル(sol
-gel) 合成、低温化学合成、および溶液化学プロセス等
の固体状態の合成と溶液化学合成方法である。技法の1
つとして、目下応用可能なのは、既知の適宜な合成方法
で、過度の実験を必要とせず、そしてまた適宜の母体物
質を選定して、希望する活性形態の組成を有する負極物
質を生成する。選定された合成方法により、室温下で母
体物質を選び、固体状態あるいは液状溶液内で混合す
る。合成方法で生成された物質は、単一形態または多重
形態でその中に本発明の結晶組成を有する活性物質を、
得るに適宜な温度範囲で熱処理する。In addition, the substances according to the invention can be produced in any solid state, in a process based on the chemistry of single- or multi-form substances which can be produced in active form, having a composition within the scope of the invention. Alternatively, a wet solution (referred to as a solution that can be synthesized in a wet solution. Suitable methods of producing the substance of the present invention will be apparent to those skilled in battery technology. For example, sol-gel (sol-gel)
-gel) Solid-state synthesis and solution chemical synthesis methods such as synthesis, low-temperature chemical synthesis, and solution chemical processes. Technique 1
First, what is currently applicable is a known suitable synthesis method, which does not require undue experimentation, and also selects a suitable host material to produce a negative electrode material having a desired active form composition. According to the selected synthesis method, a parent substance is selected at room temperature and mixed in a solid state or a liquid solution. The substance produced by the synthetic method comprises, in single or multiple forms, an active substance having the crystalline composition of the invention,
Heat treatment is performed in an appropriate temperature range to obtain.
【0063】以下に詳述する方法の4つの例は、本発明
の物質を生成するに適している。下記の例はそれで全部
ではなく、無数のその他のこの方面の技術に通暁した者
には明白の方法がある。それ故、これらの例は説明に供
するのみで、本発明の範囲を制限するものと解釈しべか
らざるものとする。The four examples of the methods detailed below are suitable for producing the substances according to the invention. The examples below are not exhaustive, and there are countless other ways for those who are familiar with this area of technology. Therefore, these examples are for illustrative purposes only and should not be construed as limiting the scope of the invention.
【0064】所要の元素のモル数を含有する可溶性化学
物質が所要の化学数量あり、それが適宜の溶剤あるいは
合成溶剤中に溶解して、均一の溶液を形成する。各々の
リチウム、ニッケル、遷移金属および周期律表II族元素
に使用できる例としての可溶性化合物を表2に挙げよ
う。A soluble chemical substance containing a required number of moles of an element has a required chemical quantity, and is dissolved in an appropriate solvent or synthetic solvent to form a uniform solution. Exemplary soluble compounds that can be used for each of the lithium, nickel, transition metals and Group II elements of the Periodic Table are listed in Table 2.
【0065】[0065]
【表2】 [Table 2]
【0066】適当な溶剤の同一性は、可溶性化合物の同
一性により決まる。例えば、可能な溶剤として、水、エ
タノール、メタノール、エチレングリコール、あるいは
それらの組み合わせ、例えば、各々体積として、80%
水/20%エタノールと、95%メタノール/5%水な
どである。溶液はそれから、溶剤あるいは混合溶剤の沸
点に近いあるいはより高い温度で、常に撹拌されながら
乾燥される。乾燥の手法は、既知の各種の手法、例え
ば、空気乾燥あるいは撹拌を伴う真空乾燥などから選
ぶ。The identity of the appropriate solvent will depend on the identity of the soluble compound. For example, possible solvents include water, ethanol, methanol, ethylene glycol, or combinations thereof, for example, 80% by volume each.
Water / 20% ethanol and 95% methanol / 5% water. The solution is then dried at a temperature near or above the boiling point of the solvent or mixed solvent, with constant stirring. The drying method is selected from various known methods, for example, air drying or vacuum drying with stirring.
【0067】1つまたはそれ以上の溶剤を蒸発する場
合、始めの化学物質が均質に結合したとき、均一の固体
が残る。始めの化学物質の均質な結合(combining homog
eneously)は、純粋な単一形態の物質を形成するのに必
要である。蒸発後得られた固体はその後、本発明の活性
物質を提供するのに適宜な状態の下で熱処理される。可
能な熱処理としては、約600℃から850℃の間で約
2〜10時間空気中で加熱する方法がある。加熱された
空気は静止または強制循環させるか、あるいは新鮮な空
気を加熱炉に吹き込ませる。このような加熱手法のさら
に1つの例に、加熱と冷却率2℃/分で、静止した空気
において、温度800℃で2時間物質を加熱する方法が
ある。その他の加熱手法は、従来の電池製造の技術に通
暁した者なら熟知のはずである。When evaporating one or more solvents, a uniform solid remains when the initial chemicals are homogeneously combined. Combining homog of the first chemical
eneously) is necessary to form a pure, single-form material. The solid obtained after evaporation is then heat treated under conditions suitable to provide the active substance of the present invention. Possible heat treatments include heating in air between about 600 ° C. and 850 ° C. for about 2-10 hours. The heated air is either statically or forcedly circulated, or fresh air is blown into the furnace. A further example of such a heating technique is to heat a substance at a temperature of 800 ° C. for 2 hours in a still air at a heating and cooling rate of 2 ° C./min. Other heating techniques should be familiar to those skilled in conventional battery manufacturing techniques.
【0068】・ゲル化法 水酸化リチウム(lithium hydroxide) や適宜な母体化合
物で、1つまたはそれ以上の遷移金属を含んで、完成し
た物質に結合する適当な有機溶剤に溶解させる。溶剤と
しては、メチルアルコールがよい。所要の周期律表II族
元素を含んだ化学物質はpH値を調整しながら、水に溶
解させる。もし必要ならば、その化学物質を溶液中に保
持する。水酸化リチウムの他の母体は、溶液中に含ま
れ、その量は所要のモル量と化学計算上活性物質を形成
でき得る程度でよい。可能な母体化合物の同一性は、撹
拌法における場合と同様である。2つの溶液は混合さ
れ、ゲル化が起こるまで放置される。その後、ゲルは乾
燥炉で真空か、または真空でないロータリー蒸発器の中
で乾燥されて、固体物質を得る。その固体はさらに上記
の撹拌方法と関連した方法で処理され、本発明による活
性形態の物質を生成する。Gelling method Lithium hydroxide or a suitable parent compound, containing one or more transition metals, is dissolved in a suitable organic solvent that will bind to the finished material. As the solvent, methyl alcohol is preferable. Chemicals containing the required Group II elements of the periodic table are dissolved in water while adjusting the pH value. If necessary, keep the chemical in solution. The other parent of lithium hydroxide is included in the solution, and its amount may be such that it can form the required molar amount and the active substance in chemical calculation. The possible identity of the parent compounds is the same as in the stirring method. The two solutions are mixed and left until gelling occurs. Thereafter, the gel is dried in a vacuum oven or in a rotary evaporator without vacuum to obtain a solid material. The solid is further processed in a manner related to the stirring method described above to produce the active form of the substance according to the invention.
【0069】・固体状態の方法 所要のモル数と化学計算上の量のリチウム、遷移金属お
よび周期律表II族の元素を含む適宜な母体化学物質を機
械的に混合する。固体状態の合成方法において、適宜と
思われる母体化学物質は、例えば、それだけとは限らな
いが、ニトレート、ハイドロオキサイド(水酸化物)、
カーボネート、アセテートおよびフォーメートの1つ、
あるいはそれらを組み合わせたものを含む。その混合物
を作成する機械的な方法には、摺と杵つき、摩擦ミルに
よる粉砕(milling) 、ボールミルによる粉砕(ball mill
ing) あるいはその他の研磨機械の使用またはプロセス
があり、もって均一な混合物を作成する。このような機
械プロセスは、この方面の技術に通暁した者なら、熟知
のはずである。作成された混合物は、熱処理を経て、所
要の化合物を含む、単一の活性形態あるいは混合した形
態になる。通常の熱処理の方法は、静止した、循環する
あるいは流動する空気の中で、600〜800℃で約5
から20時間混合物を加熱する。このような熱処理の一
例として、混合物を750℃、2℃/分の加熱と冷却率
で、10時間加熱する。そのほかの熱処理方法は、この
方面の技術に通暁した者なら、既知のはずである。熱処
理の進行中、熱処理される粉末によるが、フラッシュ(f
lush) か、または炉中の大気を交換するかして、炉中の
電荷の分離により、危険なガスの発生を防止することも
望ましい。Solid State Method Mechanical mixing of the required number of moles and chemical calculation of the appropriate host chemicals containing lithium, transition metals and Group II elements of the Periodic Table. In the solid-state synthesis method, suitable base chemicals include, but are not limited to, nitrate, hydroxide (hydroxide),
One of carbonate, acetate and formate,
Alternatively, it includes a combination thereof. Mechanical methods of making the mixture include rubbing and punching, grinding with a friction mill, ball milling.
ing) or use of other polishing machines or processes to create a homogeneous mixture. Such a mechanical process should be familiar to those skilled in this area of technology. The resulting mixture is subjected to a heat treatment to a single active or mixed form containing the required compounds. The usual method of heat treatment is at about 600 ° C. to 800 ° C. in stationary, circulating or flowing air for about 5 hours.
Heat the mixture for 20 hours. As an example of such a heat treatment, the mixture is heated at 750 ° C., 2 ° C./min and a cooling rate for 10 hours. Other heat treatment methods should be known to those skilled in the art. During the heat treatment, flash (f
It is also desirable to prevent the generation of dangerous gases by separating the charge in the furnace, either by flushing or replacing the atmosphere in the furnace.
【0070】・スプレイ乾燥法 所要な化学計算上の量のリチウムと所要の遷移金属と周
期律表II族の元素を含む、クリアな溶液を提供する、適
宜な溶剤の中に適当な開始物質を溶解する。使用できる
母体物質と溶剤は、撹拌法で使用するそれらと同様であ
る。溶液のpH値は適量の有機もしくは無機塩基または
酸の添加により調整される。上記の塩基と酸には、例え
ば、硝酸または塩酸がある。溶剤は、例えば、1つまた
はそれ以上の一般に知られた無毒性の溶剤を含む。クリ
アな溶液は噴霧ノズルで空気を噴霧状ガスにして、溶剤
の乾燥温度より高い温度に保持された室内に噴入され
る。これは溶液を蒸発させて、乾燥した粉末を得るた
め、この室内を外部から加熱するか、または加熱した空
気を室内に通すのである。乾燥した粉末は、旋風分離器
で散開するガスから分離される。集収された固体はその
後、分解温度以上の温度で適当に熱処理されて活性物質
になる。この熱処理手順は上記の、撹拌法のそれと同様
でよい。Spray drying method The appropriate starting material is dissolved in a suitable solvent to provide a clear solution containing the required chemical calculations of lithium, the required transition metal and an element of Group II of the Periodic Table. Dissolve. The parent substances and solvents that can be used are the same as those used in the stirring method. The pH of the solution is adjusted by adding an appropriate amount of an organic or inorganic base or acid. Such bases and acids include, for example, nitric acid or hydrochloric acid. Solvents include, for example, one or more commonly known non-toxic solvents. The clear solution is sprayed into a chamber maintained at a temperature higher than the drying temperature of the solvent by turning the air into a spray gas with a spray nozzle. This involves either heating the room from the outside or passing heated air through the room to evaporate the solution and obtain a dry powder. The dried powder is separated from the evolving gas in a whirl separator. The collected solid is then suitably heat treated at a temperature above the decomposition temperature to become the active substance. This heat treatment procedure may be similar to that of the stirring method described above.
【0071】・電気化学的特性 本発明による活性物質のサンプルは、いくつかの上記の
手順で作成され、下記の手順でその負極物質としての電
気化学上の性質をテストされる。粉末状の活性物質にア
セチレンブラック(acetylene black, Super S, MMM Car
bon より製造、willecbroek. Belgium) 、そのコポリマ
ーバインダー(copolymer binder, Scientific Polymer
Products, Ontario, New York製の60%のエチレンを
部分混入したエチレン・プロピレン・コポリマー)を混
合したものをトリクロロエチレン(trichloroethylene,
Aldrich, 光譜化学学級)に溶解させる。活性物質とア
セチレンブラックの混合物は、バインダーの溶液中に添
加され、泥状になるまで撹拌される。泥状物はアルミニ
ウムの薄片上に塗布され、空気中で12時間乾燥され
る。活性物質、アセチレンブラックとバインダーは最後
の乾燥した負極において、その重量比は下記のようにな
る。すなわち、活性物質81.06%、アセチレンブラ
ック7.6%およびコポリマーバインダー5.34%で
ある。1cm2面積の負極ディスクを、塗布された薄片
からパンチし、それを真空水銀柱0.1インチより低い
圧力下、130℃の温度で12時間乾燥する。その乾燥
した負極を、リチウム金属片の正極、リチウム金属基準
電極、セパレータ(Whatman GF/D,Whatman Inc. Haverhi
ll, Massachusetts の製品)および2:1重量比のエチ
レンカーボネートとジメチルカーボネート(電気化学等
級、FMC Corp, LithiumDivision) の混合体の中に1M
のLiPF6 を含んだ電解液からなる、3電極セルでテ
ストされる。アセンブリーされたセルは、3.1Vから
4.4Vの電圧範囲で一定値の電流密度0.25mA/
cm2 で30サイクルテストされる。各放電サイクル終
期のセル容量も計算した。Electrochemical Properties Samples of the active substance according to the invention are prepared by several of the above procedures and tested for their electrochemical properties as negative electrode substances by the following procedure. Acetylene black (Super S, MMM Car)
bon, manufactured by Willecbroek. Belgium) and its copolymer binder (Scientific Polymer)
Products, Ontario, New York, 60% ethylene partially mixed ethylene-propylene copolymer) is mixed with trichloroethylene (trichloroethylene,
Aldrich, Light Music Chemistry Class). The mixture of active substance and acetylene black is added into the binder solution and stirred until it becomes muddy. The mud is spread on aluminum flakes and dried in air for 12 hours. The weight ratio of the active substance, acetylene black and binder in the last dried negative electrode is as follows. That is, 81.06% active, 7.6% acetylene black and 5.34% copolymer binder. A 1 cm 2 area negative electrode disk is punched from the coated flakes and dried at a temperature of 130 ° C. for 12 hours under a pressure of less than 0.1 inch vacuum mercury. The dried negative electrode is used as a positive electrode of a lithium metal piece, a lithium metal reference electrode, and a separator (Whatman GF / D, Whatman Inc. Haverhi
1M in a mixture of ethylene carbonate and dimethyl carbonate (electrochemical grade, FMC Corp, Lithium Division) in a 2: 1 weight ratio.
Tested in a three-electrode cell consisting of an electrolyte containing LiPF 6 . The assembled cell has a constant current density of 0.25 mA / in a voltage range of 3.1 V to 4.4 V.
Tested for 30 cycles in cm 2 . The cell capacity at the end of each discharge cycle was also calculated.
【0072】[0072]
【実施例】下記の本発明による物質の例は、前掲の手順
で負極に形成され、セルとしてアセンブルされて、その
電気化学上の性質をテストされたものである。これらの
例はただ、本発明の広大なスコープの中の1個の代表に
すぎないことと理解していただきたい。The following examples of materials according to the present invention have been formed into negative electrodes, assembled as cells, and tested for their electrochemical properties by the procedures described above. It should be understood that these examples are merely one representative of the vast scope of the present invention.
【0073】実施例1 ゲル法で生成されるLiNi0.75Co0.25Mg0.03 Op
(2.03<p<2.06) 0.1モルの水酸化リチウムを30mlの水に溶解し
て、清澄で透明な溶液を作成する。別に、0.075モ
ルのニッケルアセテート(Aldrich, 98%) と0.025
モルのコバルトアセテート(Aldrich, 99%) を150m
lの水中に溶解して、透明で暗い董色の溶液を作る。ま
た別に、0.003モルの水酸化マグネシウムを1ml
の70%の硝酸を含む水に溶解した。そして水酸化リチ
ウム溶液と水酸化マグネシウム溶液とはコバルトとニッ
ケルアセテートの溶液中に添加された。これで混濁し
た、暗い董色の懸濁液(suspention)が形成された。この
懸濁液の中に90mlのエチルアルコール(200pr
oof)を添加した。アルコールの添加は、エチルアセ
テートの生成によってアセテートの溶液からアセテート
グルーブの除去を容易にすることが確信された。エチル
アセテートの沸点が低いため、次の乾燥ステップで容易
に除去できる。[0073] LiNi produced in Example 1 Gel 0.75 Co 0.25 Mg 0.03 O p
(2.03 <p <2.06) Dissolve 0.1 mol of lithium hydroxide in 30 ml of water to make a clear and clear solution. Separately, 0.075 mol of nickel acetate (Aldrich, 98%) and 0.025 mol
150 m of Cobalt Acetate (Aldrich, 99%)
Dissolve in 1 liter of water to make a clear dark brown solution. Separately, 1 ml of 0.003 mol magnesium hydroxide
Was dissolved in water containing 70% nitric acid. Then, the lithium hydroxide solution and the magnesium hydroxide solution were added to a solution of cobalt and nickel acetate. This formed a cloudy, dark brown suspension. 90 ml of ethyl alcohol (200 pr)
oof) was added. It was believed that the addition of the alcohol facilitated the removal of acetate grooves from the acetate solution by the formation of ethyl acetate. Due to the low boiling point of ethyl acetate, it can be easily removed in the next drying step.
【0074】この懸濁した、暗い董色の溶液は、500
ミリバールの真空下、120℃で3時間乾燥された。圧
力はその後140℃下で1時間、100ミリバールに減
少されて、完全なる乾燥を確保した。この乾燥の手順で
約20グラムの固い、董色でガラス状の固体を生成し
た。この基本の1回分の6グラムの粉末は、空気中で8
00℃2時間の熱処理を経て、約2.8グラムのリチウ
ム・ニッケル・コバルト・マグネシウムオキサイドを生
成した。The suspended, dark pink solution is 500
It was dried at 120 ° C. under a millibar vacuum for 3 hours. The pressure was then reduced to 100 mbar at 140 ° C. for 1 hour to ensure complete drying. This drying procedure produced about 20 grams of a hard, tan, glassy solid. A 6 gram serving of this basic serving is 8 grams in air.
After heat treatment at 00 ° C. for 2 hours, about 2.8 grams of lithium nickel cobalt magnesium oxide was produced.
【0075】この粉末は、X線の回析で特性化され、二
次セルが形成されて、上記の如く電気化学上の性質が評
価された。X線の回析パターンは、図2の如く、単一形
態の菱面体のR−3m結晶構造を示す物質で、その格子
パラメータは、a=2.840Å、c=14.100Å
である。図3に物質の比容量をサイクル数の関数でプロ
ットした曲線を示す。図3には、なお、リチウム・ニッ
ケル・コバルト・オキサイド(LiNi0.75Co0.25O
2 )でマグネシウムのない化合物の比容量をプロットし
た。このLiNi0.75Co0.25O2 の生成は、この実施
例で使用したLiNi0.75Co0.25Mg0.03Op の生成
と同じ方法を使ったが、マグネシウムのハイドロオキサ
イド(水酸化マグネシウム)を含有していない。This powder was characterized by X-ray diffraction, secondary cells were formed, and the electrochemical properties were evaluated as described above. As shown in FIG. 2, the X-ray diffraction pattern is a substance exhibiting a monomorphic rhombohedral R-3m crystal structure.
It is. FIG. 3 shows a curve in which the specific capacity of a substance is plotted as a function of the number of cycles. FIG. 3 also shows lithium nickel cobalt oxide (LiNi 0.75 Co 0.25 O
The specific capacity of the compound without magnesium was plotted in 2 ). The generation of this LiNi 0.75 Co 0.25 O 2 is used a LiNi 0.75 Co 0.25 Mg 0.03 O p same way as the generation of used in this example, does not contain hydroxide of magnesium (magnesium hydroxide).
【0076】図3は、本発明による、マグネシウムを含
んだリチウム・ニッケル・コバルト・オキサイド物質
は、極めて良好なフェージング特性を有する事実を示し
ている。マグネシウムを含んだ物質のフェージングは3
0サイクル以上で0.1%/サイクルに過ぎないが、そ
れに比べてマグネシウムの添加していない物質は、0.
46%/サイクルを示す。本発明による物質は、上記の
プロセスで反覆合成され、以下の実施例で説明される他
のプロセスと同様である。そして、各ケースにおいて、
本実施例に示すと同様な所要のフェージング性質を示し
ている。FIG. 3 shows the fact that the magnesium-containing lithium nickel cobalt oxide material according to the invention has very good fading properties. Phasing of substances containing magnesium is 3
In the case of 0 cycle or more, only 0.1% / cycle was used.
Indicates 46% / cycle. The substances according to the invention are synthesized repeatedly in the above process and are similar to the other processes described in the examples below. And in each case,
The required fading property similar to that shown in the present embodiment is shown.
【0077】実施例2 ゲル法で生成されるLiNi0.75Co0.25N0.3 O
p (2.03<p<2.06、N=Ca、BaまたはS
r) カルシウム、バリウムおよびストロンチウムでドープさ
れたリチウム・ニッケル・コバルトオキサイド物質は、
スターティング物質として0.1モルの水酸化リチウム
・一水和物(monohydrate) 、0.075モルのニッケル
アセテート・四水和物(tetrahydrate) 、0.025モ
ルのコバルトアセテート・四水和物、および0.003
モルの水酸化カルシウム、水酸化バリウムまたは水酸化
ストロンチウムを使って、上記の実施例1の手順で合成
した。それで得られたゲルは、ロータリー蒸発法で乾燥
され、空気中で800℃、2時間の熱処理を受けた。粉
末から得たX線回析パターンでカルシウムの添加は、単
一形態の物質となり、ストロンチウムとバリウムの添加
は、水酸化物(ハイドロオキサイド;hydroxide)の形
で最小の不純物しかないことがわかった。ストロンチウ
ムとバリウムを含む物質から受けたX線回析パターンは
特性格子パラメータとピーク強度比が、ストロンチウム
とバリウムの活性物質の格子構造の中に溶解すること
は、図4に示すように、化合物のサイクリング行為の改
善に寄与することが確信された。カルシウムとストロン
チウムでドープされた物質は、容量の減少で僅かに0.
3%/サイクル、バリウムでドープされた物質の容量の
減少は0.4%/サイクルであった。Example 2 LiNi 0.75 Co 0.25 N 0.3 O produced by the gel method
p (2.03 <p <2.06, N = Ca, Ba or S
r) Calcium, barium and strontium doped lithium nickel cobalt oxide materials
0.1 mol of lithium hydroxide monohydrate, 0.075 mol of nickel acetate tetrahydrate, 0.025 mol of cobalt acetate tetrahydrate as starting substances, And 0.003
Synthesized according to the procedure of Example 1 above using molar calcium hydroxide, barium hydroxide or strontium hydroxide. The resulting gel was dried by rotary evaporation and heat treated at 800 ° C. in air for 2 hours. X-ray diffraction patterns obtained from the powder showed that the addition of calcium resulted in a single form of the substance, while the addition of strontium and barium had minimal impurities in the form of hydroxides. . The X-ray diffraction pattern received from the substance containing strontium and barium shows that the characteristic lattice parameter and the peak intensity ratio are dissolved in the lattice structure of the active substance of strontium and barium, as shown in FIG. It was convinced that it would improve cycling behavior. Calcium and strontium doped materials have only a slight decrease in capacity due to a decrease in volume.
At 3% / cycle, the capacity reduction of the barium doped material was 0.4% / cycle.
【0078】実施例3 スプレイ乾燥法で生成されたLiNi0.75Co0.25Mg
0.03Op (2.03≦p≦2.06) 0.15モルのニッケル(II)アセテート・四水和物(A
ldrich) と0.05モルのコバルト(II)アセテート・
四水和物を220mlのメタノールに溶解した。別に、
0.2モルの水酸化リチウム(Aldrich) を100mlの
メタノールに溶解した。また別に、0.006モルの水
酸化マグネシウムを2mlの70%硝酸と一緒に400
mlの水に溶解して、清澄の溶液を得た。その次に、水
酸化リチウム溶液をコバルトとニッケル化学物質を含む
メタノール溶液に添加して、20分間の撹拌後、再溶解
による沈殿物を生成した。スプレイ乾燥を行う前、水酸
化マグネシウムの水溶液を、適当な化学計算量でリチウ
ム、コバルトおよびニッケルの化学物質を含むメタノー
ル溶液に添加した。最後に得た清澄な溶液を、下記のパ
ラメータを具備した設備を使ってスプレイ乾燥した。Example 3 LiNi 0.75 Co 0.25 Mg produced by spray drying
0.03 O p (2.03 ≦ p ≦ 2.06) 0.15 mol of nickel (II) acetate tetrahydrate (A
ldrich) and 0.05 moles of cobalt (II) acetate
The tetrahydrate was dissolved in 220 ml of methanol. Separately,
0.2 mol lithium hydroxide (Aldrich) was dissolved in 100 ml methanol. Separately, 0.006 mol of magnesium hydroxide was added to 400 ml with 2 ml of 70% nitric acid.
Dissolved in ml of water to get a clear solution. The lithium hydroxide solution was then added to the methanol solution containing the cobalt and nickel chemicals, and after stirring for 20 minutes, a precipitate formed upon re-dissolution. Prior to spray drying, an aqueous solution of magnesium hydroxide was added to the methanol solution containing the lithium, cobalt and nickel chemicals in the appropriate calculated amount. The resulting clear solution was spray-dried using equipment equipped with the following parameters.
【0079】 蠕動ポンプ速度(Periataltic pump rate):12〜13m
l/min. 噴霧状ガス:1.5kgf/cmの圧縮空気 乾燥用加熱空気の温度:230℃ アスピレータスピード(Aspirator speed):70〜10
0L/min. 活性物質を提供するため、生成した粉末を2℃/min
の加熱と冷却率で、800℃の熱炉温度で2時間、安定
した空気において加熱した。上記のプロセスの利点は、
合成に都合のよい高い比表面積、狭窄な粒子のサイズ分
布、および小さい結晶のサイズである。[0079] Periataltic pump rate: 12-13 m
l / min. Atomized gas: 1.5 kgf / cm compressed air Temperature of heated drying air: 230 ° C. Aspirator speed: 70-10
0 L / min. Generated powder at 2 ° C./min to provide active
At a heating furnace temperature of 800 ° C. for 2 hours in stable air at a heating and cooling rate of. The advantages of the above process are:
A high specific surface area, narrow particle size distribution, and small crystal size that are convenient for synthesis.
【0080】この加熱された粉末は、X線回析で特性化
され、上記の手順でリチウムイオン二次電池の負極物質
に形成された後、その電気化学上の性能が評価された。
図5と図6に各々そのX線回析パターンとサイクリング
行為を示した。図5のX線回析パターンは、単一形態の
物質の特性の、成層したR−3m構造を呈示する。図6
は、本発明によるLiNi0.75Co0.25Mg0.03Op 物
質が極めて良好なサイクリング安定度と、30サイクル
以上で僅かに0.1%/サイクルの容量の減少のみの事
実を呈示する。The heated powder was characterized by X-ray diffraction and formed into a negative electrode material of a lithium ion secondary battery by the above procedure, and its electrochemical performance was evaluated.
5 and 6 show the X-ray diffraction pattern and the cycling action, respectively. The X-ray diffraction pattern of FIG. 5 exhibits a stratified R-3m structure, characteristic of a single form of material. FIG.
It includes a LiNi 0.75 Co 0.25 Mg 0.03 O p material very good cycling stability according to the invention, to present facts only decrease the capacity of only 0.1% / cycle 30 cycles or more.
【0081】実施例4 固体状態化法で合成したLiNi0.75Co0.25Mg0.03
Op (2.03≦p≦2.06) 水酸化リチウム・一水和物(monohydrate)(化学式量=
41.96、Aldrich)を最初杵とアルミナ製の摺で10
分間研磨して、細かい粉末を得た。それから、0.00
66モルの水酸化マグネシウム(化学式量=58.3
3、Aldrich) を水酸化リチウム粉末に添加して、さら
に5分間研磨する。水酸化リチウム・一水和物と水酸化
マグネシウムを細心に混合、研磨した後、0.165モ
ルの水酸化ニッケル(II)(化学式量=92.73、Al
drich) と0.055モルの水酸化コバルト(II)(化
学式量=92.95、Aldrich) を添加して、さらに1
5〜20分間混合研磨して、均一の粉末を生成した。こ
の粉末にアセトン(30ml)を添加し、ヘラで混合し
てペースト状にした後、アルミニウムの坩堝に入れて熱
処理した。この粉末は空気の中で、2時間、750℃で
熱処理された後、その上でX線で回析したパターンを集
めた。Example 4 LiNi 0.75 Co 0.25 Mg 0.03 synthesized by the solid-state method
O p (2.03 ≦ p ≦ 2.06) lithium hydroxide monohydrate (chemical formula =
41.96, Aldrich) first with a punch and alumina slide
Polished for a minute to obtain a fine powder. Then 0.00
66 mol of magnesium hydroxide (chemical mass = 58.3)
3, Aldrich) to the lithium hydroxide powder and polish for an additional 5 minutes. After meticulously mixing and polishing lithium hydroxide monohydrate and magnesium hydroxide, 0.165 mol of nickel (II) hydroxide (chemical formula = 92.73, Al
drich) and 0.055 mol of cobalt (II) hydroxide (formula weight = 92.95, Aldrich), and 1 more
The mixture was polished for 5-20 minutes to produce a uniform powder. Acetone (30 ml) was added to this powder, mixed with a spatula to form a paste, and then placed in an aluminum crucible and heat-treated. This powder was heat-treated in air at 750 ° C. for 2 hours, and then a pattern obtained by X-ray diffraction was collected thereon.
【0082】前記実施例の手順で、リチウム二次電池の
負極を形成し、その性能をテストした。物質のX線で回
析したパターンとサイクリングの安定度を図7と図8に
示す。図7のX線で回析したパターンは、結晶構造を有
する単一形態の物性を示し、それは実質上実施例1で製
造された物質と同一である。この物質は、約0.08%
/サイクルの極めて良好なサイクリング安定度を示す。A negative electrode of a lithium secondary battery was formed according to the procedure of the above example, and its performance was tested. FIGS. 7 and 8 show the X-ray diffraction pattern and cycling stability of the substance. The X-ray diffraction pattern of FIG. 7 shows a single form of physical properties having a crystal structure, which is substantially the same as the material prepared in Example 1. This substance is about 0.08%
/ Cycle showing very good cycling stability.
【0083】実施例5 マグネシウムレベルの異なる本発明の物質 本発明の純粋な物質で、化学式(1)の組成、Li1.03
Ni0.75Co0.25Mg0.03O2.2 、Li1.05Ni0.75Co
0.25Mg0.05O2.10およびLi1.0 Ni0.75Co0.25M
g0.1 O2.2 を有する形態の形成は、適宜な化学計算上
の量を有する化合物LiOH、Ni(OH)2 、Co
(OH)2 、Mg(OH)2 を使って完成される。それ
らの化合物は、杵と摺で研磨、混合した後、炉の中で7
50℃下5〜10時間加熱されてできたものである。特
に炉(Lind berg Model 51524 箱形炉)は2℃/mi
n.750℃まで加熱され、その温度(750℃)にて
10時間保持された後、2℃/minで室内温度まで冷
却される。加熱の時、炉内には静止した空気を使う。粉
末は炉内のアルミニウム・オキサイド(酸化アルミニウ
ム)の坩堝の上に定置されて、熱処理する。Example 5 Substance of the Present Invention with Different Magnesium Level Pure substance of the present invention, composition of formula (1), Li 1.03
Ni 0.75 Co 0.25 Mg 0.03 O 2.2 , Li 1.05 Ni 0.75 Co
0.25 Mg 0.05 O 2.10 and Li 1.0 Ni 0.75 Co 0.25 M
The formation of the morphology with g 0.1 O 2.2 is due to the compounds LiOH, Ni (OH) 2 , Co
It is completed using (OH) 2 and Mg (OH) 2 . These compounds are polished and mixed with a pestle and slide, and then mixed in a furnace.
It is formed by heating at 50 ° C. for 5 to 10 hours. In particular, the furnace (Lindberg Model 51524 box furnace) is 2 ℃ / mi.
n. It is heated to 750 ° C., kept at that temperature (750 ° C.) for 10 hours, and then cooled to room temperature at 2 ° C./min. When heating, use still air in the furnace. The powder is placed on an aluminum oxide (aluminum oxide) crucible in a furnace and heat treated.
【0084】物質Mg0.03 、Mg0.05 およびMg0.1
のX線で回析されたパターンは、各々図9(a)、図9
(b)および図9(c)に示され、菱面体のR−3m配
列内の純粋形態物質としての特性を示す。物質の純粋形
態の性格は、2価のマグネシウム正イオンがリチウムの
結晶格子でなく、遷移金属の結晶格子を占める。それは
リチウムの結晶格子数は、ニッケル、コバルトとマグネ
シウムのそれの和と相等しいからである。The substances Mg 0.03 , Mg 0.05 and Mg 0.1
The patterns analyzed by X-rays of FIG.
Shown in (b) and FIG. 9 (c), showing the properties of the rhombohedral as a pure form within the R-3m sequence. The nature of the pure form of the substance is such that divalent magnesium cations occupy the transition metal crystal lattice rather than the lithium crystal lattice. This is because the crystal lattice number of lithium is equal to the sum of those of nickel, cobalt and magnesium.
【0085】今上記の純粋形態物質の生成と同一のプロ
セスは、本発明による上記一般化学式(II)の組成を有
する、三種類の異なるマグネシウムでドープされたリチ
ウム・ニッケル・コバルト・オキサイド物質の合成に使
われる。三種の化合物の相異点は、マグネシウムの内容
に関してのみである。これら物質の公称組成(nominalco
mposition)と各物質を生成するのに使われる、異なる反
応物の量を下記の表3に列挙する。The same process now described for the production of the pure form material described above involves the synthesis of three different magnesium-doped lithium-nickel-cobalt-oxide materials having the composition of the general formula (II) according to the invention. Used for The difference between the three compounds is only with respect to the content of magnesium. The nominal composition of these substances (nominalco
mposition) and the amount of different reactants used to produce each material are listed in Table 3 below.
【0086】[0086]
【表3】 [Table 3]
【0087】表3に示された各物質のX線の回析で呈示
するパターンは、単一形態物質の2つの特性で、実施例
1で生成された物質のそれと同一である。これら3種の
物質の30の放電〜再充電サイクルを超える場合の比容
量を図10に示す。物質の容量は、マグネシウムの含有
量の増加に従って低減する。然しサイクリングの安定は
維持される。図10は、容量の安定度がマグネシウムの
含有量の増加に従って、向上することを示しているが、
マグネシウムの含有量の増加で、容量の絶対値は低減す
る。マグネシウムの比率が0.05あるいは0.1のと
きは、1サイクルにつき、容量のフェージングは0.1
%であり、マグネシウムの化学計算上の比率が0.2で
あるとき、容量のフェージングは1サイクルにつき0.
04%のみである。The pattern presented by X-ray diffraction of each substance shown in Table 3 is the same as that of the substance produced in Example 1 in two characteristics of the single form substance. The specific capacities of these three materials over 30 discharge-recharge cycles are shown in FIG. The volume of the substance decreases with increasing magnesium content. However, cycling stability is maintained. FIG. 10 shows that capacity stability increases with increasing magnesium content,
With an increase in the magnesium content, the absolute value of the capacity decreases. When the magnesium ratio is 0.05 or 0.1, the fading of the capacity per cycle is 0.1.
% And the chemical calculated ratio of magnesium is 0.2, the fading of the capacity is 0.1% per cycle.
Only 04%.
【0088】さらに進んだ本発明による物質の特性化 Peled et al 発刊の米国特許番号5,591,543に
は、Li1-x Qx/2 ZOm で組成された、リチウムイオ
ン負極物質の群を公開した。その中でZは、コバルト、
ニッケル、マグネシウム、鉄およびバナジウムなどから
選定された遷移金属で、Qはカルシウム、マグネシウ
ム、ストロンチウムおよびバリウムから選定された周期
律表II族の元素であり、またmは、Zの同一性により、
2または2.5の値をとる。米国特許番号5,591,
543の特許の発明者は、Li1-xQx/2 ZO2 物質中
の一部分の2価の正イオンが結晶格子内のリチウム結晶
格子を占有し、2価の正イオンの一部分が、オキサイド
とカーボネートの形式で物質内に搭載され、それが電池
のサイクリングの際、電解液の乾燥剤の作用をなすと解
釈している。Further Characterization of Materials According to the Invention US Pat. No. 5,591,543, issued to Peled et al, includes a group of lithium ion anode materials composed of Li 1-x Q x / 2 ZO m. Was published. Z is cobalt,
A transition metal selected from nickel, magnesium, iron, vanadium and the like, Q is an element of Group II of the periodic table selected from calcium, magnesium, strontium and barium, and m is, due to the identity of Z,
Takes a value of 2 or 2.5. US Patent No. 5,591,
The inventor of the '543 patent states that a portion of the divalent cations in the Li 1-x Q x / 2 ZO 2 material occupies the lithium crystal lattice within the crystal lattice, and that a portion of the divalent positive ions And in the form of a carbonate, interpreted as acting as a desiccant for the electrolyte during battery cycling.
【0089】本発明による物質のユニークな特性は、米
国特許番号5,591,543の特許の物質に比べて、
その異なる原子の構成から直ちに明白になる。また、全
部か一部分の周期律表II族添加物が本発明による物質内
の遷移金属層の結晶格子を占有するが、米国特許番号
5,591,543の特許の発明者の説明によれば、そ
の特許物質の添加物は、リチウム層の結晶格子を占有す
る。本発明者はその物質が顕著なフェージングがなく、
4.4Vまで充電できることを示した。米国特許番号
5,591,543の特許の物質は、4.2Vまでサイ
クルできるのみである。この0.2Vの差は顕著であ
る。なんとなれば、例えば、0.2Vの差は、30mA
h/gの比容量の差を生ぜしめ、そしてより高い容量
と、より高い電圧は、より高い実用上の物質のエネルギ
ー密度を意味する。10mAh/gの微々たる向上とい
えどもその成果は顕著である。成層した化合物の場合、
電圧対充電の曲線は典型的に、曲線の高い電圧端部にお
いて、比較上平坦である。そして少なくとも30mAh
/gまでの向上を、本発明は成し遂げられる。The unique properties of the substance according to the invention are compared with those of the patent of US Pat. No. 5,591,543.
It becomes immediately apparent from the composition of the different atoms. Also, all or part of the Group II additives of the periodic table occupy the crystal lattice of the transition metal layer in the material according to the present invention. The proprietary additive occupies the crystal lattice of the lithium layer. The inventor has found that the substance has no significant fading,
It was shown that the battery can be charged up to 4.4V. The material of the U.S. Patent No. 5,591,543 can only cycle to 4.2V. This difference of 0.2 V is remarkable. For example, the difference of 0.2 V is 30 mA
A difference in specific capacity of h / g and a higher capacity and a higher voltage mean a higher practical material energy density. The result is remarkable even with a slight improvement of 10 mAh / g. In the case of a stratified compound,
The voltage versus charge curve is typically relatively flat at the high voltage end of the curve. And at least 30mAh
/ G is achieved by the present invention.
【0090】本発明による物質はまた、実質上の純粋な
形態を有する。それに反して、米国特許番号5,59
1,543の特許による物質には、周期律表II族の金属
酸化物、またはカーボネートの不純物が混入している
し、また物質のサイクリング行為は、その発明者の説明
によると、不純物による電解液の乾燥結果のためらしき
ものとみなされている。本発明者たちは、オキサイドと
カーボネート形態の存在は、本発明の活性物質のリサイ
クル物向上の達成に必要でないと断定する。それに代わ
って、本発明の活性物質の形態の構造上の安定度は、物
質の電気化学上の性質に関するものと確信する。本発明
者たちはまた、本発明による物質の容量と容量のフェー
ジングを米国特許番号5,591,543の特許のそれ
らと比較して、前者が後者に比べて遥かに顕著な向上が
あることを言明する。The substances according to the invention also have a substantially pure form. In contrast, US Pat.
The material according to the 1,543 patent contains impurities of metal oxides or carbonates of the Group II of the Periodic Table, and the cycling of the material, according to the inventor's explanation, is based on electrolytes due to the impurities. It is considered a likely result of the drying results. The inventors conclude that the presence of the oxide and carbonate forms is not necessary to achieve an improved recycle of the actives of the present invention. Instead, we believe that the structural stability of the active substance forms of the present invention is related to the electrochemical properties of the substance. We also compare the phasing of the volume and volume of the substance according to the invention with those of the patent of US Pat. No. 5,591,543, and show that the former has a much more significant improvement than the latter. State
【0091】下記の実施例6〜10で本発明による物質
と、米国特許番号5,591,543の特許に公開した
物質を比較した結果、上記の如き差異があることを確認
した。In Examples 6 to 10 below, a comparison was made between the substance according to the present invention and the substance disclosed in the patent of US Pat. No. 5,591,543.
【0092】実施例6 本発明による化合物Li1.05Ni0.75Co0.25Mg0.05
O2.10 、Li1.10Ni0.75Co0.25Mg0.1 O2.2 は、
固体状態のプロセスを使って合成された後、化学的に分
析(Gal braith Labs Inc において)されて、物質内の
酸素、ニッケル、コバルトとマグネシウムのモル数を決
定した。分析する前、各化合物を真空下150℃で3時
間乾燥した。分析の結果を下記の表4に列挙した。表4
は各化合物における酸素の結晶格子の数は大体ニッケ
ル、コバルトとマグネシウムの結晶格子数の和の2倍に
等しいことを指摘している。これで実質上、周期律表II
族全体の本発明のLi1+x Ni1-y MgNx O2(1+x)
物質に添加した正イオンは、リチウムの結晶格子でな
く、遷移金属の結晶格子を占有することを確認した。Example 6 Compound Li 1.05 Ni 0.75 Co 0.25 Mg 0.05 according to the invention
O 2.10 , Li 1.10 Ni 0.75 Co 0.25 Mg 0.1 O 2.2
After being synthesized using a solid state process, it was chemically analyzed (at Gal braith Labs Inc) to determine the moles of oxygen, nickel, cobalt and magnesium in the material. Before analysis, each compound was dried under vacuum at 150 ° C. for 3 hours. The results of the analysis are listed in Table 4 below. Table 4
Point out that the number of crystal lattices of oxygen in each compound is approximately equal to twice the sum of the crystal lattice numbers of nickel, cobalt and magnesium. In effect, Periodic Table II
Li 1 + x Ni 1-y MgN x O 2 (1 + x)
It has been confirmed that the positive ions added to the substance occupy not the crystal lattice of lithium but the crystal lattice of the transition metal.
【0093】[0093]
【表4】 [Table 4]
【0094】実施例7 充電と放電曲線 本発明による物質Li1.05Ni0.75Co0.25Mg0.05O
2.10 、Li1.10Ni0.75Co0.225 Mg0.1 O2.2 の充
電と放電曲線を図11に示す。電流密度10μA/cm
2 の一定電流と3.1から4.4V間のテストサイクル
で、この曲線を得た。電流値が小さいので、下記の式で
示すように、電位計で計測された電圧は、オープンサー
キット電圧に近いはずである。すなわち、 Vdetected=Vopencircuit+IR I=物質を通る電流 R=物質の電気抵抗 Iが非常に小さいとき、 Vdetected=Vopencircuit 図11に示すように、同じリチウムの含有量(X軸に示
す)でも、マグネシウムの量の増加に従って、電圧レベ
ルが大きくなる。この関係は、計測された電圧が反映す
るように(例えば、Ni3+LiNi中に存在する時は
3.8V、Ni4+NiO2 中に存在する時は4.5
V)、遷移金属の正イオンの酸化状態は、本発明物質の
中に添加する2価の正イオンを増やすことによって、増
加する。遷移金属の酸化状態は、2価の正イオンが遷移
金属の結晶格子を占有するときのみ、増加するものであ
る。故にこの図11でさらに確認できることは、本発明
の物質Li1+x Ni1-y My Nx O2(1+x) 内の2価の
正イオンが、遷移金属の結晶格子を占有していることで
ある。Example 7 Charge and Discharge Curves Substances according to the Invention Li 1.05 Ni 0.75 Co 0.25 Mg 0.05 O
FIG. 11 shows charge and discharge curves of 2.10 and Li 1.10 Ni 0.75 Co 0.225 Mg 0.1 O 2.2 . Current density 10μA / cm
This curve was obtained with a constant current of 2 and a test cycle between 3.1 and 4.4V. Since the current value is small, the voltage measured by the electrometer should be close to the open circuit voltage as shown by the following equation. That is, V detected = V open circuit + IR I = current through the substance R = electrical resistance of the substance When I is very small, V detected = V open circuit As shown in Fig. 11, the same lithium content (shown on the X axis) However, as the amount of magnesium increases, the voltage level increases. This relationship is such that the measured voltage reflects (eg, 3.8 V when present in Ni 3+ LiNi, 4.5 when present in Ni 4+ NiO 2).
V) The oxidation state of the transition metal positive ion is increased by increasing the amount of the divalent positive ion added to the substance of the present invention. The oxidation state of the transition metal increases only when the divalent cation occupies the crystal lattice of the transition metal. Therefore, it can be further confirmed in FIG. 11 that the divalent positive ions in the substance Li 1 + x Ni 1- y My N x O 2 (1 + x) of the present invention occupy the crystal lattice of the transition metal. That is.
【0095】実施例8 サイクリング前後の負極内2価正イオンの含量 本発明による物質Li1.03Ni0.75Co0.25Mg0.03O
2.06 、Li1.05Ni0.75Co0.25Mg0.05O2.10 、お
よびLi1.10Ni0.75Co0.25 Mg0.10O2.20から形成
された負極内のマグネシウムの含量は、サイクリングの
前後に、エネルギー分散分光分析法(energy disperdive
specrtoscopy, EDX) で、テストとサイクリング以前の
負極と他の30サイクリングでテスト(30回の充電と
放電)された負極のマグネシウム含量を比較して決定す
る。EDXの結果を表5に示す。サイクリング後のドー
プされた負極には、マグネシウム含量のロスが殆ど認め
られなかった。このような結果は、サイクリングで周期
律表II族の元素はロスしないことを示唆する。これに反
して、米国特許番号5,591,543の特許の物質
は、サイクリング中に周期律表II族の元素が、溶解した
アルカリ土類カーボネート(alkaline earth carbonate)
とオキサイドの形で、電解液中に消失するというオペ
レーションモードの特性がある。Example 8 Content of divalent cations in the negative electrode before and after cycling The substance according to the invention Li 1.03 Ni 0.75 Co 0.25 Mg 0.03 O
The magnesium content in the negative electrode formed from 2.06 , Li 1.05 Ni 0.75 Co 0.25 Mg 0.05 O 2.10 , and Li 1.10 Ni 0.75 Co 0.25 Mg 0.10 O 2.20, was measured before and after cycling by energy dispersive spectroscopy.
(Specrtoscopy, EDX) to determine the magnesium content of the negative electrode before the test and cycling and the negative electrode tested (30 times of charging and discharging) in the other 30 cyclings. Table 5 shows the results of EDX. Almost no loss of magnesium content was observed in the doped anode after cycling. These results suggest that cycling does not cause loss of Group II elements. In contrast, the material of the patent of U.S. Pat. No. 5,591,543 is an alkaline earth carbonate in which elements of Group II of the periodic table dissolve during cycling.
There is a characteristic of an operation mode in which it disappears in the electrolyte in the form of oxide.
【0096】[0096]
【表5】 [Table 5]
【0097】実施例9 サイクリング前後における電解液内の2価正イオン含量 表5に列挙した負極物質を使用した二次電池の、サイク
リング前後における、電解液(11.49%重量比のL
iPF6 、29.39%重量比の炭酸ジメチル、および
59.11%重量比のエチレンカーボネート)中のマグ
ネシウム含量は化学分析法でppmレベルまで測定され
る。表6にその結果を示す。負極自身においては、サイ
クリング後、殆ど電解液中のマグネシウム含量の差を認
められない。電極を30サイクル後にテストした結果も
然りである。この結果で物質Li1+x Ni1-y My Nx
O2(1+x) 内の遷移金属結晶格子は、サイクリング中、
マグネシウムとその他の2価の正イオンにて占められ、
それは負極から電解液へ抽出されないことが確認され
た。Example 9 Content of divalent cations in electrolyte before and after cycling In a secondary battery using the negative electrode materials listed in Table 5, before and after cycling, the electrolyte (L of 11.49% by weight) was used.
The magnesium content in iPF 6 , 29.39% by weight dimethyl carbonate, and 59.11% by weight ethylene carbonate) is determined to the ppm level by chemical analysis. Table 6 shows the results. In the negative electrode itself, after cycling, almost no difference in the magnesium content in the electrolytic solution was observed. The same is true of the results of testing the electrodes after 30 cycles. With this result, the substance Li 1 + x Ni 1- y My N x
The transition metal crystal lattice in O 2 (1 + x)
Occupied by magnesium and other divalent positive ions,
It was confirmed that it was not extracted from the negative electrode into the electrolyte.
【0098】[0098]
【表6】 [Table 6]
【0099】表6に示すように、サイクリング後、電解
液のマグネシウム含量に僅かな増加が見られるが、それ
は負極物質に起因するものではないと、信じられる。そ
れに、サイクリング中余分のマグネシウムが電解液中に
存在することは、テストされた物質のリサイクル性の向
上に関係があるとも思われない。まず、電解液中の元来
(initial)のマグネシウム含量は、2価の正イオンの添
加がなくては、物質のフェージング特性を除去できな
い。次に、始めから負極物質による、マグネシウム含量
の増加は、実質上、化学分析で計測された小量の増加よ
り大である。例えば、Li1.0 Ni0.75Co0.025 Mg
0.10O2.22 の場合、テストセルに使用した電解液の重
量は1.0753gで、負極の重量は0.0112gで
あった。負極内の活性物性の重量は、4.7883×1
0g、活性物質内のマグネシウムの重量は、約1.10
25×10gであるべきである。もしマグネシウムの全
部が電解液内に滲入するならば、計測されるマグネシウ
ムの重量は約102.53ppm(1.1025×10
-4g÷1.0753g)になるはずである。サイクリン
グ前後におけるマグネシウムの電解液内の重量差は僅か
に1.4ppmで、それは負極物質のマグネシウム全含
量の約1%である。それ故、サイクリング中、あたか
も、負極から電解液へ移るマグネシウムはないも同然で
ある。As shown in Table 6, there is a slight increase in the magnesium content of the electrolyte after cycling, which is believed to be not due to the negative electrode material. Moreover, the presence of extra magnesium in the electrolyte during cycling does not appear to be related to the increased recyclability of the tested material. First, the original
The initial magnesium content cannot eliminate the fading properties of the material without the addition of divalent cations. Second, the increase in magnesium content due to the anode material from the beginning is substantially greater than the small increase measured by chemical analysis. For example, Li 1.0 Ni 0.75 Co 0.025 Mg
In the case of 0.10 O 2.22 , the weight of the electrolytic solution used in the test cell was 1.0753 g, and the weight of the negative electrode was 0.0112 g. The weight of the active properties in the negative electrode was 4.7883 × 1
0 g, the weight of magnesium in the active substance is about 1.10
Should be 25 x 10 g. If all of the magnesium seeps into the electrolyte, the weight of magnesium measured will be about 102.53 ppm (1.1025 × 10
-4 g ÷ 1.0753 g). The difference in weight of magnesium in the electrolyte before and after cycling was only 1.4 ppm, which was about 1% of the total magnesium content of the negative electrode material. Therefore, during cycling, there is no magnesium transfer from the negative electrode to the electrolyte.
【0100】本発明者たちは、計測された僅かなマグネ
シウムの増加は、テストエラーの範囲内にあるものと信
ずる。もし電解液内のマグネシウムの増加が、全部テス
トエラーによるものでなければ、余分のマグネシウムの
来源(source)は、おそらく組み立てられたセルの構造部
分であろう。それは再利用のため、1種またはそれ以上
のマグネシウム化合物を含む洗剤で洗浄したものであ
る。We believe that the slight increase in measured magnesium is within the range of test errors. If the increase in magnesium in the electrolyte is not entirely due to test errors, the source of extra magnesium is probably the structural part of the assembled cell. It has been washed with a detergent containing one or more magnesium compounds for reuse.
【0101】米国特許番号5,591,543の特許案
に説明されたように、該案の発明者たちは、充電中周期
律表II族元素の化合物が電解液中に溶解することは、そ
の特許で公開した物質のサイクリング行為を向上させる
と信じている。上記の結果は、本発明による反復サイク
ルしたセル内のマグネシウム含量の変化は、実験エラー
の範囲内にあり、2価正イオンが負極から離脱して電解
液に溶解するためではないことを示している。それ故、
本発明の物質の容量の向上は、グループイオンの溶解の
ためではなく、それはむしろ、本発明の物質の強化され
た、構造上の安定度によるものであろう。As explained in the patent proposal of US Pat. No. 5,591,543, the inventors of the present invention have proposed that the dissolution of the compound of the Group II element in the periodic table during the charging in the electrolytic solution can be a problem. We believe in improving the cycling behavior of patented substances. The above results show that the change in magnesium content in the cell after repeated cycling according to the present invention is within the experimental error and not due to the dissociation of divalent cations from the negative electrode and dissolution in the electrolyte. I have. Therefore,
The enhancement of the capacity of the substance according to the invention is not due to the dissolution of the group ions, but rather due to the enhanced, structural stability of the substance according to the invention.
【0102】実施例10 重量ロスのTGA分析 熱処理における、始期物質の重量ロスは、本発明物質の
結晶格子が、2価正イオンに占められた位置の多寡を確
定するのに利用される。もし、例えば、本発明におい
て、マグネシウムイオンがニッケルやコバルトの結晶格
子を占有すると、理論上の原子結晶格子比Li:Ni
(またはCo):O=1:1:2に基づいて、化学計算
上の酸素はニッケル、コバルト、及びマグネシウムなど
の和の2倍になり、またリチウムの2倍にもなる。一
方、マグネシウムの正イオンがリチウムの結晶格子を占
めたら、米国特許番号5,591,543の特許のよう
に、化学計算上の酸素は、ニッケルとコバルトの和だけ
になる。その理由は、米国特許番号5,591,543
の特許によれば、リチウムの量はチャージのバランスに
基づいて、2価正イオンに置換されなければならない。
それは2個のリチウムイオンは1個のマグネシウムのよ
うな2価正イオンに置換されるからである。説明上のケ
ースとして、Ni:Co:Mg=0.75:0.25:
0.1とすると、全部のマグネシウム正イオンがニッケ
ル(またはコバルト)の結晶格子に位置するとき、化学
式はLi1.10Ni0.75Co0.25Mg0.1 O2.2 となる。
それと対応して、もし全部のマグネシウム正イオンがリ
チウム結晶格子を占めたら、結晶格子比チャージバラン
スに基づいて、適正な化学式LiagNi0.75Co0.25M
g0.1O2 となる。それ故、LiOH・H2 O、Ni
(OH)2 、Co(OH)2 およびMg(OH)2 の開
始時の化合物として固体状態法は、本発明の提案する化
学式Li1.10Ni0.25Co0.25Mg0.1 O2 は有効とな
るはずである。固体状態法は、また、その化合物と米国
特許番号5,591,543の特許の化合物Li0.80N
i0.75Co0.25Mg0.1 O2 間での構造上の差異を呈す
るべきである、後者の化合物の2価正イオンドーパント
の原子の分率で0.1のマグネシウムである。Example 10 TGA Analysis of Weight Loss The weight loss of the starting material in the heat treatment is used to determine the number of positions occupied by divalent positive ions in the crystal lattice of the substance of the present invention. For example, in the present invention, if magnesium ions occupy the crystal lattice of nickel or cobalt, the theoretical atomic crystal lattice ratio Li: Ni
Based on (or Co): O = 1: 1: 2, oxygen in chemical calculations is twice the sum of nickel, cobalt, magnesium, etc., and twice as much as lithium. On the other hand, if the positive ions of magnesium occupy the lithium crystal lattice, oxygen in chemical calculation is only the sum of nickel and cobalt, as in the patent of US Pat. No. 5,591,543. The reason is that US Pat. No. 5,591,543.
According to this patent, the amount of lithium must be replaced by divalent cations based on charge balance.
This is because two lithium ions are replaced by one divalent cation such as magnesium. As an illustrative case, Ni: Co: Mg = 0.75: 0.25:
Assuming 0.1, the chemical formula is Li 1.10 Ni 0.75 Co 0.25 Mg 0.1 O 2.2 when all magnesium cations are located in the crystal lattice of nickel (or cobalt).
Correspondingly, If all of the magnesium cations occupy lithium crystal lattice, based on the crystal lattice ratio charge balance, proper chemical formula Li ag Ni 0.75 Co 0.25 M
g 0.1 O 2 . Therefore, LiOH · H 2 O, Ni
The solid state method as the starting compound of (OH) 2 , Co (OH) 2 and Mg (OH) 2 should be valid for the proposed formula Li 1.10 Ni 0.25 Co 0.25 Mg 0.1 O 2 of the present invention. . The solid state method also describes the compound and the compound Li 0.80 N of US Pat. No. 5,591,543.
Magnesium fraction of 0.1 of the divalent cation dopant of the latter compound, which should exhibit a structural difference between i 0.75 Co 0.25 Mg 0.1 O 2 .
【0103】2種の化合物を合成中の、理論上の重量ロ
スの発生は、下記の方法で計算される。Li1.10Ni
0.75Co0.25Mg0.1 O2.2 に対して、それを1モル合
成するには、理論上、例えば、1.1モルのLiOH・
H2 O、0.75モルのNi(OH)2 、0.25モル
のCo(OH)2 および0.1モルのMg(OH)2 を
必要とする。すなわち、 1.1LiOH・H2 O+0.75Ni(OH)2 +
0.25Co(OH)2+0.1Mg(OH)2 + 熱処理−Li0.80Ni0.75Co0.25Mg0.1 O2その反
応で、開始時物質144.78gは理論上、計算上2
8.16%の重量ロスを見積もって,104.015g
の生成物があるべきである。The occurrence of theoretical weight loss during the synthesis of the two compounds is calculated by the following method. Li 1.10 Ni
To synthesize 1 mol of 0.75 Co 0.25 Mg 0.1 O 2.2 , theoretically, for example, 1.1 mol of LiOH.
H 2 O, 0.75 mole of Ni (OH) 2, and requires 0.25 mole of Co (OH) 2 and 0.1 mol of Mg (OH) 2. That is, 1.1LiOH.H 2 O + 0.75Ni (OH) 2 +
0.25Co (OH) 2 + 0.1Mg ( OH) 2 + heat treatment -Li 0.80 Ni 0.75 Co 0.25 Mg 0.1 O 2 reaction, at the start material 144.78g theoretically computationally 2
Estimating a weight loss of 8.16%, 104.015 g
There should be a product of
【0104】Li0.80Ni0.75Co0.25Mg0.1 O2 に
対して、同様な反応は、すなわち、 0.8LiOH・H2 O+0.75Ni(OH)2 +
0.25Co(OH)2+0.1Mg(OH)2 + 熱処理−Li0.80Ni0.75Co0.25Mg0.1 O2 この場合,132.188gの開始時物質は理論上9
6.302gの合成品を生成し、計算上の重量ロスは2
7.15%となる。For Li 0.80 Ni 0.75 Co 0.25 Mg 0.1 O 2 , a similar reaction occurs: 0.8 LiOH.H 2 O + 0.75Ni (OH) 2 +
0.25Co (OH) 2 + 0.1Mg ( OH) 2 + heat treatment -Li 0.80 Ni 0.75 Co 0.25 Mg 0.1 O 2 In this case, at the start material 132.188g theoretically 9
6.302 g of synthetic product are produced with a calculated weight loss of 2
7.15%.
【0105】上記の2個の反応は、実験室にて実施さ
れ、図12に熱学的重量分析(TGA)で計測した、実
施の重量ロスをプロットした。下記の表7に開始時の化
合物と最終時の生成物の間に実際に生じた、全部の重量
変化をとりまとめて列挙した。The above two reactions were performed in a laboratory and FIG. 12 plots the weight loss of the run as measured by thermogravimetric analysis (TGA). Table 7 below summarizes all the weight changes that actually occurred between the starting compound and the final product.
【0106】[0106]
【表7】 [Table 7]
【0107】表7に列挙したTGAによる結果は、本発
明の物質Li1.10Ni0.75Co0.25Mg0.1 O2.2 の化
学式の正確さを肯定した。TGA分析はまた、熱処理中
の異なる重量ロスの計測により、本発明のLi1.10Ni
0.75Co0.25Mg0.1 O2.2と米国特許番号5,59
1,543の特許のLi0.80Ni0.75Co0.25Mg0.1
O2 の両物質間の構造上の差異を疑義なく探求した。物
質の化学式を確認することによって、重量ロスの差異、
または物質の2価正イオンの位置をも確認し得る。そし
て、TGA分析により、2価正イオンの位置もまた、開
始時物質として添加されたリチウムの量に左右され、そ
の結果、本発明と米国特許番号5,591,543の特
許による両物質間の構造の差異を確実にした。The TGA results listed in Table 7 confirm the accuracy of the chemical formula of the material Li 1.10 Ni 0.75 Co 0.25 Mg 0.1 O 2.2 according to the invention. The TGA analysis also shows that by measuring the different weight loss during the heat treatment, the Li 1.10 Ni
0.75 Co 0.25 Mg 0.1 O 2.2 and U.S. Pat.
1,543 patent Li 0.80 Ni 0.75 Co 0.25 Mg 0.1
The structural differences between the two O2 substances were sought without doubt. By checking the chemical formula of the substance, the difference in weight loss,
Alternatively, the position of the divalent positive ion of the substance can be confirmed. And, by TGA analysis, the position of the divalent cation also depends on the amount of lithium added as a starting material, so that the present invention and the US Pat. Structural differences were ensured.
【0108】実施例11 電気化学性能の比較 実施例5で検討した物質Li1.03Ni0.75Co0.25Mg
0.03O2.06、Li1.05Ni0.75Co0.25Mg0.05O2.10
およびLi1.10Ni0.75Co0.25Mg0.1 O2. 20の電気
化学上の性能を図13のグラフで示す。3種類の物質と
も極めて良好なリサイクル性と高い容量を示している
(150mAh/g以上)。Example 11 Comparison of Electrochemical Performance Materials examined in Example 5 Li 1.03 Ni 0.75 Co 0.25 Mg
0.03 O 2.06 , Li 1.05 Ni 0.75 Co 0.25 Mg 0.05 O 2.10
And shows the Li 1.10 Ni 0.75 Co 0.25 Mg 0.1 O 2. 20 electrochemical on performance in the graph of FIG. 13. All three substances show very good recyclability and high capacity (150 mAh / g or more).
【0109】実施例12 Li1.15NiMg0.15O2.3 の合成と電気化学特性 上記のように、従来の固体状態プロセシングは、開始時
物質LiOH・H2 O、Ni(OH)2 とMg(OH)
2 の化学計算量から、本発明の物質を合成するのに使わ
れた。開始時の物質と杵と摺鉢とで研磨、混合された
後、アルミナ坩堝の上におかれて、炉の中の空気中で8
00℃で10時間加熱される。Example 12 Synthesis and Electrochemical Properties of Li 1.15 NiMg 0.15 O 2.3 As described above, the conventional solid state processing is based on the starting materials LiOH.H 2 O, Ni (OH) 2 and Mg (OH)
From the chemical calculations of 2 , it was used to synthesize the substance of the present invention. After being polished and mixed with a starting material, a pestle and a mortar, placed on an alumina crucible and placed in the air in a furnace for 8 hours.
Heat at 00 ° C. for 10 hours.
【0110】図14と15に、この物質の電気化学性質
を示す。図14は、物質の容量サイクル数の関数で示し
た。この図によると、物質は始めの30サイクルではフ
ェイジングしない。未ドープのLiNiO2 (すなわ
ち、周期律表II族の元素のないLiNiO2 )としては
正常の現象とはいえない。周期律表II族の元素を添加さ
れた物質LiNiO2 と、それを添加されないLiNi
O2 両者間の差異を探求するため、図15と16の各物
質のdQ/dVをV(セルの電位)の関数として示し
た。図15では、本発明物質Li1.15NiMg0.15O
2.3 のdQ/dV対Vの曲線を示し、それはサイクリン
グ中物質の何ら形態の変化がないことを表し、図16に
示された未ドープの物質LiNiO2 がサイクリング
中、形態変化が起こるのと対照すれば、両者の間に顕著
な差異のあることがわかるであろう。FIGS. 14 and 15 show the electrochemical properties of this material. FIG. 14 shows the function as a function of the number of volume cycles of the substance. According to this figure, the material does not fade in the first 30 cycles. This is not a normal phenomenon as undoped LiNiO 2 (that is, LiNiO 2 having no Group II element in the periodic table). LiNiO 2 added with Group II element of the periodic table and LiNi not added
O 2 to explore differences between the two, showed dQ / dV of each substance in Figure 15 and 16 as a function of V (the potential of the cells). In FIG. 15, the substance Li 1.15 NiMg 0.15 O of the present invention is shown.
A dQ / dV vs. V curve of 2.3 is shown, indicating no change in morphology of the material during cycling, in contrast to the undoped material LiNiO 2 shown in FIG. You will find that there is a significant difference between the two.
【0111】実施例13 Li1.10Ni0.75Co0.25Mg0.10O2.2 の電気化学性
能 本発明の物質Li1.10Ni0.75Co0.25Mg0.10O2.2
の負極とコーク、あるいはリチウム正極を含む電気化学
セルは、上記の手順により構成される、この方式で構成
されたテストセルは、下記の数種の異なる実験条件の下
でテストされた。[0111] Example 13 Li 1.10 Ni 0.75 Co 0.25 Mg 0.10 materials electrochemical performance present invention O 2.2 Li 1.10 Ni 0.75 Co 0.25 Mg 0.10 O 2.2
The electrochemical cell containing the negative electrode and coke or the lithium positive electrode was constructed according to the above procedure. The test cell constructed in this manner was tested under several different experimental conditions described below.
【0112】第1のテストでは、コーク正極を含んだテ
ストセルを3.1から4.4V間で、電流密度0.50
mA/cm2 で50サイクルテストした。図17にセル
の容量をサイクル数の関数でプロットした。その図面
は、本発明の物質を含んだ電気化学セルの寿命の長いこ
とを示している。In the first test, a test cell containing a coke positive electrode was charged at a current density of 0.50 V between 3.1 V and 4.4 V.
50 cycles were tested at mA / cm 2 . FIG. 17 plots cell capacity as a function of cycle number. The figure shows the long life of an electrochemical cell containing the substance of the present invention.
【0113】第2のテストでは、リチウム正極を含んだ
テストセルを3.1から4.6V間で、電流密度0.5
mA/cm2 で50サイクルテストした。図18にセル
の容量をサイクル数の関数としてプロットした。その図
面は、本発明の物質を含んだセルは高電圧でサイクルさ
れたとき、極く少ないか、あるいは全然フェージングな
しで、最上の電圧耐久性を有することを示す。In the second test, a test cell containing a lithium positive electrode was charged between 3.1 and 4.6 V at a current density of 0.5
50 cycles were tested at mA / cm 2 . FIG. 18 plots cell capacity as a function of cycle number. The figure shows that cells containing the materials of the invention have the best voltage endurance when cycled at high voltages with little or no fading.
【0114】第3のテストでは、リチウム正極を含んだ
テストセルを3.1から4.4V間で、2.0mA/c
m2 で100サイクルテストした。図19にセルの容量
をサイクル数の関数としてプロットした。その図面は、
本発明の物質を含んだセルは、ウルトラに高い電流密度
でサイクルされたときでも、良好なリサイクル性を維持
できることを示す。テストセルは15〜20分間で完全
に充電、あるいは放電できる。それは、大体4CのC−
レートと同等である。このような高性能は、このような
異常に高い電流密度では、一般に高容量と良好のリサイ
クル性を伴い難い。それ故、本発明による物質の群は、
リチウム電池をして、自動車への応用を一層可能ならし
める。In the third test, a test cell containing a lithium positive electrode was set at 2.0 mA / c between 3.1 and 4.4 V.
was 100 cycle test in m 2. FIG. 19 plots cell capacity as a function of cycle number. The drawing is
Cells containing the materials of the present invention show that they can maintain good recyclability even when cycled at ultra high current densities. The test cell can be fully charged or discharged in 15 to 20 minutes. It's roughly 4C C-
Equivalent to rate. Such high performance is generally not likely to be accompanied by high capacity and good recyclability at such abnormally high current densities. Therefore, the group of substances according to the invention comprises
Use lithium batteries to make them more applicable to automobiles.
【0115】上記の実施例で通常の化学式Li1+x Ni
1-y MgNx O2(1+x)(式I)は、本発明の物質の一グ
ループに対して有効であることを確認した。上記の実施
例は、なお、本発明者たちの理論上の結論、すなわち、
特定のグループ(式I)の物質内の2価正イオンは、物
質の結晶格子の遷移金属内の結晶格子を占有し、かつ化
学式、構造、及び電気化学性質において米国特許番号
5,591,543の特許の物質と相違することなども
確認した。In the above embodiment, the general chemical formula Li 1 + x Ni
1-y MgN x O 2 ( 1 + x) ( Formula I) was confirmed to be effective for a group of substances of the present invention. The above example still illustrates the theoretical conclusions of the inventors, namely,
The divalent cations in certain groups (Formula I) of the material occupy the crystal lattice in the transition metal of the material's crystal lattice and are described in US Pat. No. 5,591,543 in chemical formula, structure and electrochemical properties. It is also confirmed that the substance is different from that of the patent of the US patent.
【0116】化学式Li1 Ni1-y MgNx Op (式I
I)を有する、本発明物質の第2グループはまた、米国
特許番号5,591,543の特許の物質Li1-y Q
x/2 ZO m (式III)とも異なる。3つの化学式で代表
される化学組成も異なる。式Iにおいて、リチウム原子
の数はニッケル、“M”遷移金属および“N”周期律表
II族の原子数の和は相等しい。式において、リチウム原
子の数は、ニッケルと“M”遷移金属の原子数の和に相
等しく、“N”周期律表II族の原子数は独立したパラメ
ーターである。式IIIにおいて、リチウム原子の数は、
いつでも“Z”遷移金属原子(Zはニッケル、コバル
ト、マンガンまたは2個あるいはそれ以上の組み合わ
せ)数より少なく、“Q”周期律表II族A原子の数は、
リチウム原子の数に依存する。Chemical formula Li1Ni1-yMgNxOp(Formula I
A second group of substances of the invention having I) is also the US
Patent Li, Patent No. 5,591,5431-yQ
x / 2ZO mAlso different from (Formula III). Represented by three chemical formulas
The chemical composition used is also different. In formula I, the lithium atom
Are nickel, “M” transition metal and “N” periodic table
The sum of the group II atoms is equal. In the formula, the lithium source
The number of atoms is equal to the sum of the number of atoms of nickel and "M" transition metal.
Equally, the number of atoms in Group II of the "N" Periodic Table is an independent parameter.
Data. In Formula III, the number of lithium atoms is
Any time a "Z" transition metal atom (Z is nickel,
G, manganese or a combination of two or more
C) less than the number, the number of A atoms in group II of the "Q" periodic table is
Depends on the number of lithium atoms.
【0117】上記物質の電気化学性質に対して、式Iの
物質は、通常、最良の性能を示し、式IIの物質はそれに
次ぐ。例えば、図20に示すように、本発明の式IとII
の物質(それぞれ−○−と−□−で表される組成Li
1.10Ni0.75Co0.25Mg0.10O2.2 とLi1 Ni0.75
Co0.25Mg0.10Op (2.1≦p≦2.2)を有す
る)は、米国特許番号5,591,543の特許におけ
る、式IIIの物質(組成Li0.8 Ni0.75Co0.25Mg
0.10O2.0 を有する)に較べて、その比容量に顕著な向
上が認められる。With respect to the electrochemical properties of the above substances, substances of the formula I usually perform best, followed by substances of the formula II. For example, as shown in FIG.
(The composition Li represented by-○-and-□-, respectively)
1.10 Ni 0.75 Co 0.25 Mg 0.10 O 2.2 and Li 1 Ni 0.75
Co 0.25 Mg 0.10 O p having a (2.1 ≦ p ≦ 2.2)) is in the United States Patent Patent No. 5,591,543, of the formula III material (composition Li 0.8 Ni 0.75 Co 0.25 Mg
( Having 0.10 O 2.0 ), a remarkable improvement in its specific capacity is observed.
【0118】式I、IIおよびIIIの物質内で、2価正イ
オンに占められる位置も異なる。例えば、式Iにおい
て、酸素結晶格子の数は、リチウム結晶格子の数の2倍
で、かつ、ニッケル+“M”遷移金属+“N”周期律表
II族元素の結晶格子の和の2倍である。式IIIにおい
て、酸素結晶格子の数は、ニッケル+“M”遷移金属の
結晶格子の和の2倍である。式IIIにおけるリチウム結
晶格子は、(1−x)のリチウム+X/2の“N”周期
律表II族原子の結晶格子+X/2の空格子(empty latti
ce)で占められる。式IIにおいては、酸素結晶格子の数
は、正確に公称化学式(nominal formula)から推定され
ない。酸素結晶格子の数は、推定すれば、もしX/2の
“N”周期律表II族の正イオンがリチウム結晶格子を、
X/2の周期律表II族の正イオンが遷移金属結晶格子を
それぞれ占有すれば、2(1+(X/2))で、または
酸素結晶格子の数は、もし全部の周期律表II族の正イオ
ンが遷移金属結晶格子を占有し、かつ、Xのリチウム空
格子を残したら2(1+X)となるであろう。どのケー
スにしても、少なくともX/2の“N”周期律表II族の
正イオンが式IIの物質内の遷移金属層の結晶格子を占有
する。そして、現今の探求により、式IIの物質のサイク
リング性質は、周期律表II族の正イオンが遷移金属結晶
格子上に定置する結果と思われる。The positions occupied by divalent cations in the substances of the formulas I, II and III are also different. For example, in Formula I, the number of oxygen crystal lattices is twice the number of lithium crystal lattices, and nickel + “M” transition metal + “N” periodic table
It is twice the sum of the crystal lattices of Group II elements. In Formula III, the number of oxygen crystal lattices is twice the sum of the crystal lattices of nickel + "M" transition metal. In formula III, the lithium crystal lattice is (1-x) lithium + X / 2 “N” crystal lattice of group II atom of the periodic table + X / 2 empty lattice.
ce). In Formula II, the number of oxygen crystal lattices is not exactly estimated from the nominal formula. The number of oxygen crystal lattices is presumed to be such that if the X / 2 "N" group II positive ion of the periodic table is a lithium crystal lattice,
If the positive ions of group II of the periodic table of X / 2 occupy the transition metal crystal lattice respectively, the number of oxygen crystal lattices is 2 (1+ (X / 2)), or if the number of oxygen crystal lattices is Would occupy the transition metal crystal lattice and leave a lithium vacancy of X, which would be 2 (1 + X). In any case, at least X / 2 of the "N" Group II positive ions of the periodic table occupy the crystal lattice of the transition metal layer in the material of Formula II. And, at present, the search suggests that the cycling properties of the material of formula II are the result of the positive ions of group II of the periodic table being placed on the transition metal crystal lattice.
【0119】よって、本発明の式IとIIにより限定され
る物質は通式Li1+xNi1-y MyNx Op の単一グルー
プの物質に含まれるものと思われる。[0119] Therefore, the substance to be limited by the Formula I and II of the present invention is believed to be included in the material of a single group of through type Li 1 + x Ni 1-y M y N x O p.
【0120】式中、Mはチタン、バナジウム、クロム、
マンガン、鉄、コバルトとアルミニウムから選ばれる;
Nはマグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリ
ウムと亜鉛から選ばれる;0≦X≦Z;2(1+Z/
2)≦P≦2(1+Z);Mがコバルトあるいはマンガ
ンのとき、0≦y≦1;Mがチタン、バナジウム、クロ
ムあるいは鉄のとき、0≦y≦0.5;Mがアルミニウ
ムのとき、y≦0.4;Nがアルミニウムあるいはカル
シウムのとき、0≦Z≦0.25;Nがストロンチウ
ム、亜鉛あるいはバリウムのとき、0<Z≦0.1上記
の本発明物質と米国特許番号5,591,543の特許
のそれらとの比較例は、これにてつきると考えるべきで
はなく、各種物質の間には、なお、幾多の顕著な差異が
存在すると信じられる。In the formula, M is titanium, vanadium, chromium,
Selected from manganese, iron, cobalt and aluminum;
N is selected from magnesium, calcium, strontium, barium and zinc; 0 ≦ X ≦ Z; 2 (1 + Z /
2) ≦ P ≦ 2 (1 + Z); when M is cobalt or manganese, 0 ≦ y ≦ 1; when M is titanium, vanadium, chromium or iron, 0 ≦ y ≦ 0.5; when M is aluminum, y ≦ 0.4; 0 ≦ Z ≦ 0.25 when N is aluminum or calcium; 0 <Z ≦ 0.1 when N is strontium, zinc or barium; The comparative examples with those of the '591 543 patent should not be considered in any way, and it is believed that there are still many significant differences between the various materials.
【0121】[0121]
【発明の効果】よって、本発明者たちは、すでに制約さ
れた適量の周期律表II族元素を成層したR−3m構造を
呈するリチウム化した、遷移金属オキサイド内の遷移金
属結晶格子に添加して、新しい向上したサイクリング行
為と他の有益な電気化学特性を持つ物質を得た。本発明
による物質の上記の例は原則上、マグネシウムを2価正
イオンのドーパントとし、ニッケルとコバルトを遷移金
属とした。何はともあれ、化学計算上の適量のリチウム
と遷移金属の添加により、この2価正イオンがR−3m
内の遷移金属結晶格子を占有し、本発明の範囲はまた、
それら2価正イオンの添加を考慮した。マグネシウム、
カルシウム、ストロンチウムとバリウムの互換的性質は
特に明瞭である。本発明の物質にそれらを添加する、実
質上同等の有利な効果を生ずるものである。遷移金属、
原則としてチタン、バナジウム、クロム、マンガン、
鉄、コバルトとアルミニウムもまたその互換性を推測で
きる。このような、相溶性の証拠として、例えば、米国
特許番号5,264,201の化合物がある。Thus, the present inventors have found that an appropriate amount of a restricted Group II element of the Periodic Table has been added to a transition metal crystal lattice in a lithiated transition metal oxide exhibiting an R-3m structure. We have obtained a new material with improved cycling behavior and other beneficial electrochemical properties. The above examples of substances according to the invention have in principle magnesium as the dopant of the divalent cation and nickel and cobalt as the transition metals. In any case, by adding appropriate amounts of lithium and transition metal in chemical calculation, this divalent cation becomes R-3m
Occupying the transition metal crystal lattice within, the scope of the present invention also includes:
The addition of these divalent cations was considered. magnesium,
The interchangeable nature of calcium, strontium and barium is particularly clear. The addition of them to the substance according to the invention has substantially the same advantageous effect. Transition metal,
In principle, titanium, vanadium, chromium, manganese,
Iron, cobalt and aluminum can also be inferred for their compatibility. Such evidence of compatibility is, for example, the compound of US Pat. No. 5,264,201.
【0122】本発明に関しては、この方面の技術に通暁
したものなら幾多の変更を加え得るべきであろうが、本
発明の範囲と精神を逸脱し得るものではない。よって、
付記する請求の範囲は、上記の特定の実施例やその他の
説明に限定されるものではなく、むしろ、請求項は、本
発明のあらゆる特許可能な特徴を総括するべきである。
それには、上記の変更で得た特徴も同等であるとみなさ
れるべきである。[0122] Regarding the present invention, many modifications may be made if those skilled in the art are familiar with the present invention, but they do not depart from the scope and spirit of the present invention. Therefore,
The appended claims are not limited to the specific embodiments and other descriptions described above, but rather the claims should cover all patentable features of the invention.
To that end, the features obtained from the above changes should be considered equivalent.
本発明の特徴と優れている点は、以下の図面を参照しな
がら、上記の実施例を読めば一層容易に理解できるであ
ろう。The features and advantages of the present invention will be more readily understood by reading the above embodiments with reference to the following drawings.
【図1】 菱面体構造を有するリチウム・ニッケル・オ
キサイド(LiNiO2 )層の構造図である。FIG. 1 is a structural diagram of a lithium nickel oxide (LiNiO 2 ) layer having a rhombohedral structure.
【図2】 ゲル法で生成された粉末状化合物LiNi
0.75Co0.25Mg0.03Op (2.03≦p≦2.06)
のX線で回折したパターン図である。Fig. 2 Powdered compound LiNi produced by gel method
0.75 Co 0.25 Mg 0.03 O p ( 2.03 ≦ p ≦ 2.06)
FIG. 3 is a pattern diagram diffracted by X-rays.
【図3】 ゲル法で合成されたLiNi0.75Co0.25M
g0.03Op (−○−FIG. 3 LiNi 0.75 Co 0.25 M synthesized by gel method
g 0.03 O p (− ○ −
【外1】 を比容量対サイクル数でプロットした曲線図である。[Outside 1] FIG. 4 is a curve diagram in which is plotted as a specific capacity versus the number of cycles.
【図4】 ゲル法で合成されたLiNi0.75Co0.25N
0.03Op (2.03<p<2.06)を負極物質として
含む電気化学セルを比容量対サイクル数でプFIG. 4 LiNi 0.75 Co 0.25 N synthesized by gel method
0.03 O p flop a (2.03 <p <2.06) in specific capacity versus cycle number for electrochemical cell comprising a negative electrode material
【外2】 ○−)、あるいはバリウム(−□−)を指す。[Outside 2] ○-) or barium (-□-).
【図5】 スプレイ乾燥法で合成された粉末状化合物L
iNi0.75Co0.25Mg0.03Op (2.03<p<2.
06)のX線で回折したパターン図である。FIG. 5 is a powdery compound L synthesized by spray drying.
iNi 0.75 Co 0.25 Mg 0.03 O p (2.03 <p <2.
FIG. 06 is a pattern diagram diffracted by X-rays.
【図6】 スプレイ乾燥法で合成されたLiNi0.75C
o0.25Mg0.03Op(2.03≦p≦2.06)を負極
物質として含む電気化学セルを比容量対サイクル数でプ
ロットした曲線図である。FIG. 6 LiNi 0.75 C synthesized by spray drying
o 0.25 Mg 0.03 O p a (2.03 ≦ p ≦ 2.06) is a curve diagram obtained by plotting the electrochemical cell at specific capacity versus cycle number containing as an anode material.
【図7】 固体状態プロセスで合成された粉末状化合物
LiNi0.75Co0.25Mg0.03Op (2.03≦p≦
2.06)のX線で回折したパターン図である。[7] the powdered compound was synthesized in a solid state process LiNi 0.75 Co 0.25 Mg 0.03 O p (2.03 ≦ p ≦
2.06) is a pattern diagram diffracted by X-rays.
【図8】 固体状態プロセスで合成されたLiNi0.75
Co0.25Mg0.03Op (2.03≦p≦2.06)を含
む電気化学セルの比容量対サイクル数でプロットした曲
線図である。FIG. 8: LiNi 0.75 synthesized by solid state process
It is a curve diagram obtained by plotting the ratio capacity versus cycle number Co 0.25 Mg 0.03 O p electrochemical cell comprising a (2.03 ≦ p ≦ 2.06).
【図9】 図9(a)〜(c)は、固体状態プロセスで
合成された3種のオキサイド、Li1.03Ni0.75Co
0.25Mg0.03O2.06 、Li1.05Ni0.75Co0.25Mg
0.05O2.10及びLi1.10Ni0.75Co0.25Mg0.1 O
2.2 の純粋な形態の性質を示すX線で回折したパターン
図である。FIGS. 9 (a)-(c) show three oxides, Li 1.03 Ni 0.75 Co, synthesized in a solid state process.
0.25 Mg 0.03 O 2.06 , Li 1.05 Ni 0.75 Co 0.25 Mg
0.05 O 2.10 and Li 1.10 Ni 0.75 Co 0.25 Mg 0.1 O
Figure 2 is a pattern diagram diffracted by X-rays showing the pure form properties of 2.2 .
【図10】 固体状態プロセスで各々合成された、Li
Ni0.75Co0.25MFIG. 10 shows Li synthesized in a solid-state process.
Ni 0.75 Co 0.25 M
【外3】 0.75Co0.25Mg0.20Op (−×−)を負極物質として
含む電気化学セルの比容量対サイクル数でプロットした
曲線図である。[Outside 3] 0.75 Co 0.25 Mg 0.20 O p ( - × -) which is a curve diagram obtained by plotting the ratio capacity versus cycle number of an electrochemical cell comprising a negative electrode material.
【図11】 開路電圧対充放電サイクル中における物質
Li1.05Ni0.75Co0.25Mg0.05O2.10とLi1.10N
i0.75Co0.25Mg0.10O2.2 内のリチウム含量でプロ
ットした曲線図である。FIG. 11: Open circuit voltage vs. material Li 1.05 Ni 0.75 Co 0.25 Mg 0.05 O 2.10 and Li 1.10 N during charge / discharge cycles
FIG. 4 is a curve diagram plotted with lithium content in i 0.75 Co 0.25 Mg 0.10 O 2.2 .
【図12】 TGAで得た重量ロス対熱処理中に記録さ
れたLi1.10Ni0.75Co0.25Mg0.1 O2.2 (実線)
とLi0.8 Ni0.75Co0.25Mg0.1 O2 (点線)の温
度をプロットした曲線図である。FIG. 12. Weight loss obtained by TGA versus Li 1.10 Ni 0.75 Co 0.25 Mg 0.1 O 2.2 recorded during heat treatment (solid line).
FIG. 3 is a curve diagram plotting the temperatures of Li 0.8 Ni 0.75 Co 0.25 Mg 0.1 O 2 (dotted line).
【図13】 Li1.03Ni0.75Co0.25Mg
0.03O2.06、Li1.05Ni0.75Co0.25Mg0.05O2.10
およびLi1.10Ni0.75Co0.25Mg0.1 O2.2 を負極
物質として含む電気化学セルの比容量対サイクル数でプ
ロットした曲線図である。FIG. 13: Li 1.03 Ni 0.75 Co 0.25 Mg
0.03 O 2.06 , Li 1.05 Ni 0.75 Co 0.25 Mg 0.05 O 2.10
FIG. 4 is a curve diagram plotting specific capacity versus cycle number of an electrochemical cell containing Li 1.10 Ni 0.75 Co 0.25 Mg 0.1 O 2.2 as a negative electrode material.
【図14】 物質Li1.15NiMg0.15O2.3 の容量対
サイクル数でプロットした曲線図である。FIG. 14 is a curve diagram plotting the capacity of the substance Li 1.15 NiMg 0.15 O 2.3 versus the number of cycles.
【図15】 物質Li1.15NiMg0.15O2.3 のdQ/
dV対セル電位(V)でプロットした曲線図である。FIG. 15: dQ / of the substance Li 1.15 NiMg 0.15 O 2.3
FIG. 4 is a curve diagram plotted with dV versus cell potential (V).
【図16】 従来の物質LiNiO2 のdQ/dV対セ
ル電位(V)でプロットした曲線図である。FIG. 16 is a curve plotted with dQ / dV of the conventional substance LiNiO 2 versus cell potential (V).
【図17】 Li1.10Ni0.75Co0.25Mg0.10O2.2
を負極とし、コークを正極とした電気化学セルの比容量
対サイクル数でプロットした曲線図であり、サイクル電
圧範囲は3.1から4.4Vまで、50サイクル、電流
密度は0.50mA/cm2 である。FIG. 17: Li 1.10 Ni 0.75 Co 0.25 Mg 0.10 O 2.2
FIG. 4 is a curve diagram plotting the specific capacity versus the number of cycles of an electrochemical cell using as a negative electrode and coke as a positive electrode. 2
【図18】 Li1.10Ni0.75Co0.25Mg0.10O2.2
を負極物質とし、リチウムを正極とした電気化学セルを
容量対サイクル数でプロットした曲線図であり、サイク
ル電圧範囲は3.1から4.6Vまで、30サイクル、
電流密度は0.50mA/cm2 である。FIG. 18: Li 1.10 Ni 0.75 Co 0.25 Mg 0.10 O 2.2
FIG. 4 is a curve diagram in which an electrochemical cell having lithium as a positive electrode is plotted in terms of capacity versus cycle number, and a cycle voltage range is from 3.1 to 4.6 V, 30 cycles,
The current density is 0.50 mA / cm 2 .
【図19】 Li1.10Ni0.75Co0.25Mg0.10O2.2
を負極物質とし、リチウムを正極とした電気化学セルを
容量対サイクル数でプロットした曲線図であり、サイク
ル電圧範囲は3.1から4.4Vまで、100サイク
ル、電流密度は2.0mA/cm2 である。FIG. 19: Li 1.10 Ni 0.75 Co 0.25 Mg 0.10 O 2.2
FIG. 4 is a curve diagram in which an electrochemical cell using lithium as a positive electrode and lithium as a positive electrode is plotted in terms of capacity vs. cycle number. 2
【図20】 負極物質Li1.10Ni0.75Co0.25Mg
0.10O2.2 、Li1 Ni0.75Co0.25Mg0.10O
p (2.1≦p≦2.2)、およびLi0.8 Ni0.75C
o0.25Mg0.1 O2.0 を含む電気化学セルを比容量対サ
イクル数でプロットした曲線図である。FIG. 20 Anode material Li 1.10 Ni 0.75 Co 0.25 Mg
0.10 O 2.2 , Li 1 Ni 0.75 Co 0.25 Mg 0.10 O
p (2.1 ≦ p ≦ 2.2), and Li 0.8 Ni 0.75 C
FIG. 4 is a curve diagram plotting an electrochemical cell containing o 0.25 Mg 0.1 O 2.0 in terms of specific capacity versus cycle number.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 598055828 5000 Forbes Avenue,Pi ttsburgh,Pennsylvan ia 15213,U.S.A. (72)発明者 マンデアム エー. スリラム アメリカ合衆国,ペンシルバニア州15224, ピッツバーグ,エス.アトランテック #2,365 (72)発明者 チュン−チー チャン アメリカ合衆国,ペンシルバニア州15213, ピッツバーグ,ベイヤードロード5 アプ ト.106 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (71) Applicant 598055828 5000 Forbes Avenue, Pittsburgh, Pennsylvania 15213, U.S.A. S. A. (72) Inventor Mandeam A. Suriram United States, Pennsylvania 15224, Pittsburgh, S.E. Atlantec # 2,365 (72) Inventor Chun-Chi Chang 5213 Bayard Road, Pittsburgh, 15213, Pennsylvania, United States. 106
Claims (29)
遷移金属を含み、さらに結晶性物質(crystalline mater
ial)の原子層内にある、主に前記遷移金属原子が占有す
べき結晶格子を占める2価の正イオンを含むことを特徴
とする結晶性物質(crystalline material)。1. The method of claim 1, comprising lithium, oxygen and at least one transition metal, further comprising a crystalline material.
crystalline material characterized in that it contains divalent cations in the atomic layer of the ial), which mainly occupy the crystal lattice to be occupied by the transition metal atoms.
が存在しないときは、主として単一形態のR−3m結晶
構造を有することを特徴とする請求項1に記載の結晶性
物質。2. The crystalline material according to claim 1, wherein the crystalline material has a single-form R-3m crystal structure when the divalent cation is not present.
晶構造から除去できることを特徴とする請求項2に記載
の結晶性物質。3. The crystalline material according to claim 2, wherein a part of the lithium can be reversibly removed from the crystal structure.
オンは、物質内の遷移金属イオンの酸化状態を促進する
ことを特徴とする請求項3に記載の結晶性物質。4. The crystalline substance according to claim 3, wherein the divalent cation in the transition metal layer promotes an oxidation state of the transition metal ion in the substance.
主に遷移金属原子によって占有される物質の結晶層内に
ある原子の全数をもとにした1〜25%であることを特
徴とする請求項3に記載の結晶性物質。5. The ratio of the presence of the divalent positive ion is as follows:
The crystalline material according to claim 3, characterized in that it is 1 to 25% based on the total number of atoms in the crystal layer of the material mainly occupied by transition metal atoms.
ることを特徴とする請求項5に記載の結晶性物質。6. The crystalline material according to claim 5, wherein the ratio is an atomic ratio of 3 to 15%.
つ以上の周期律表II族の元素のイオンであることを特徴
とする請求項3に記載の結晶性物質。7. The method according to claim 1, wherein the divalent positive ion is one or one.
4. The crystalline material according to claim 3, wherein the crystalline material is an ion of one or more Group II elements of the periodic table.
類金属元素と亜鉛であることを特徴とする請求項7に記
載の結晶性物質。8. The crystalline substance according to claim 7, wherein the group II elements of the periodic table are an alkaline earth metal element and zinc.
ウム、カルシウム、ストロンチウムおよびバリウムであ
ることを特徴とする請求項8に記載の結晶性物質。9. The crystalline material according to claim 8, wherein the alkaline earth metal element is magnesium, calcium, strontium and barium.
ム、クロム、マンガン、鉄、コバルトおよびアルミニウ
ムの中から1つあるいは1つ以上を選んだものであるこ
とを特徴とする請求項3に記載の結晶性物質。10. The crystal according to claim 3, wherein said transition metal is selected from one or more of titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt and aluminum. Substance.
有し、該組成中、 Mはチタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバ
ルトおよびアルミニウムから選ばれ;Nはマグネシウ
ム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムおよび亜鉛
から選ばれ; 0≦x≦z; 2(1+z/2)≦p≦2(1+z); Mがコバルトまたはマンガンであるとき、0≦y≦1;
Mがチタン、バナジウム、クロムまたは鉄であるとき、
0≦y≦0.25;Mがアルミニウムであるとき、y≦
0.4;またNがマグネシウムまたはカルシウムである
とき、0≦z≦0.25;Nがストロンチウム、亜鉛ま
たはバリウムであるとき、0≦z≦0.1;であること
を特徴とする請求項1に記載の結晶性物質。11. has a composition Li 1 + x Ni 1-y M y N z O p, in the composition, M is selected from titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt and aluminum; N magnesium , Calcium, strontium, barium and zinc; 0 ≦ x ≦ z; 2 (1 + z / 2) ≦ p ≦ 2 (1 + z);
When M is titanium, vanadium, chromium or iron,
0 ≦ y ≦ 0.25; when M is aluminum, y ≦
0.4; when N is magnesium or calcium, 0 ≦ z ≦ 0.25; when N is strontium, zinc or barium, 0 ≦ z ≦ 0.1; 2. The crystalline substance according to 1.
2(1+x)を有し、該組成中、 Mは、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コ
バルトおよびアルミニウムから選ばれ;Nは、マグネシ
ウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムおよび亜
鉛から選ばれ;Mがコバルトまたはマンガンであると
き、0≦y≦1;Mがチタン、バナジウム、クロムまた
は鉄であるとき、0≦y≦0.5;Mがアルミニウムで
あるとき、y≦0.4;またNがマグネシウムまたはカ
ルシウムであるとき、0≦x≦0.25;Nがストロン
チウム、バリウムまたは亜鉛であるとき、0≦x≦0.
1;であることを特徴とする請求項11に記載の結晶性
物質。12. Composition Li 1 + x Ni 1- y My N x O
Having 2 (1 + x) , wherein M is selected from titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt and aluminum; N is selected from magnesium, calcium, strontium, barium and zinc; 0 ≦ y ≦ 1 when M is cobalt or manganese; 0 ≦ y ≦ 0.5 when M is titanium, vanadium, chromium or iron; y ≦ 0.4 when M is aluminum; 0 ≦ x ≦ 0.25 when N is magnesium or calcium; 0 ≦ x ≦ 0.2 when N is strontium, barium or zinc.
12. The crystalline substance according to claim 11, wherein
し、該組成中、 Mはチタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバ
ルトおよびアルミニウムから選ばれ;Nは、マグネシウ
ム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムおよび亜鉛
から選ばれ;Mがコバルトまたはマンガンであるとき、
0≦y≦1;Mがチタン、バナジウム、クロムまたは鉄
であるとき、0≦y≦0.5;Mがアルミニウムである
とき、y≦0.4;またNがマグネシウムまたはカルシ
ウムであるとき、0≦x≦0.25;Nがストロンチウ
ム、バリウムまたは亜鉛であるとき、0≦x≦0.1、
そして2(1+x/2)≦p≦2(1+x);であるこ
とを特徴とする請求項12に記載の結晶性物質。13. The composition Li 1 Ni 1-y M has a y N x O p, in the composition, M is selected from titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt and aluminum; N is magnesium, Selected from calcium, strontium, barium and zinc; when M is cobalt or manganese,
0 ≦ y ≦ 1; when M is titanium, vanadium, chromium or iron, 0 ≦ y ≦ 0.5; when M is aluminum, y ≦ 0.4; and when N is magnesium or calcium, 0 ≦ x ≦ 0.25; when N is strontium, barium or zinc, 0 ≦ x ≦ 0.1;
13. The crystalline material according to claim 12, wherein 2 (1 + x / 2) ≦ p ≦ 2 (1 + x);
ることを特徴とする電気化学セルの負極。14. A negative electrode of an electrochemical cell, which is a negative electrode containing the substance according to claim 1.
特徴とする請求項14に記載の負極。15. The negative electrode according to claim 14, comprising the substance according to claim 11.
特徴とする請求項15に記載の負極。16. The negative electrode according to claim 15, comprising the substance according to claim 12.
特徴とする請求項15に記載の負極。17. The negative electrode according to claim 15, comprising the substance according to claim 13.
と、前記負極と相溶する正極と、前記正極と相溶する電
解液とを含むことを特徴とするリチウムイオン二次セ
ル。18. A lithium ion secondary cell, comprising: a negative electrode having the configuration according to claim 14; a positive electrode compatible with the negative electrode; and an electrolyte solution compatible with the positive electrode.
負極を含むことを特徴とする請求項18に記載のリチウ
ムイオン二次セル。19. The lithium ion secondary cell according to claim 18, comprising the negative electrode having the configuration according to claim 15.
負極を含むことを特徴とする請求項18に記載のリチウ
ムイオン二次セル。20. The lithium ion secondary cell according to claim 18, comprising the negative electrode having the configuration according to claim 16.
負極を含むことを特徴とする請求項18に記載のリチウ
ムイオン二次セル。21. The lithium ion secondary cell according to claim 18, comprising the negative electrode having the configuration according to claim 17.
遷移金属を含む物質、およびある量の少なくとも1つの
周期律表II族元素の原子を含む物質を結合させて、これ
により均一な固体を生成する手順と、 b.前記均一な固体を熱処理し、もって前記の少なくと
も1つの周期律表II族元素の原子を含む活性結晶リチウ
ム遷移金属酸化物質を生成し、前記活性物質内に前記の
少なくとも1つの周期律表II族元素の前記原子に、前記
活性物質の結晶層内の遷移金属原子が主に占めていた結
晶格子を占有せしむるよう、前記の量を選定するなどの
手順を含むことを特徴とするリチウム遷移金属酸化物結
晶性物質の製造プロセス。22. In the manufacturing process, a. Procedure for combining a substance containing at least an amount of lithium, a substance containing an amount of a transition metal, and a substance containing an amount of an atom of at least one Group II element of the Periodic Table, thereby producing a homogeneous solid And b. Heat treating said homogeneous solid to produce an active crystalline lithium transition metal oxide material comprising atoms of said at least one Group II element of said periodic table, wherein said at least one Group II element of said Periodic Table in said active material; A lithium transition comprising the steps of selecting the amount so that the atoms of the element occupy the crystal lattice that was mainly occupied by the transition metal atoms in the crystal layer of the active material. Manufacturing process of metal oxide crystalline material.
均一な溶液を提供する手順と、 b.絶え間ない撹拌により、前記溶剤を前記均一な溶液
から除去しながら、前記均一な溶液を乾燥させて、前記
均一な固体を提供する手順と、を含む請求項22に記載
のプロセス。23. The method of claim 2, wherein the steps of combining include: a. Dissolving said amount in at least one solvent to provide a homogeneous solution; b. Drying the homogenous solution to provide the homogenous solid while constant stirring removes the solvent from the homogenous solution.
均一な溶液を提供する手順と、 b.噴霧ノズルを通じて前記均一な溶液を室内にスプレ
イし、前記室内の温度を前記溶剤の乾燥温度以上に保持
して前記溶剤を蒸発せしめて、粉末状の前記均一な固体
を提供する手順と、を含むことを特徴とする請求項22
に記載のプロセス。24. The method of claim 1, wherein the combining comprises: a. Dissolving said amount in at least one solvent to provide a homogeneous solution; b. Spraying the uniform solution into a room through a spray nozzle, maintaining the room temperature at or above the drying temperature of the solvent and evaporating the solvent to provide the uniform solid in powder form. 23. The method according to claim 22, wherein
The process described in.
ムを含有する物質とは水酸化リチウム(lithium hydrox
ide)を含む物質で、前記結合させる手順は、 a.前記の量の水酸化リチウムと前記の量の遷移金属を
含む物質を、1つの有機溶剤に溶解し、リチウムを含む
溶液を生成する手順と、 b.前記周期律表II族元素を含む物質の水溶液を準備す
る手順と、 c.前記水溶液と前記リチウムを含む溶液を共に混合す
る手順と、 d.ゲル化が起こるまで前記混合物を放置してゲルを提
供する手順と、 e.前記ゲルを乾燥させて前記均一な固体を得る手順
と、 を含むことを特徴とする請求項22に記載のプロセス。25. The method as claimed in claim 25, wherein the lithium-containing substance is lithium hydroxide.
ide), wherein the step of coupling comprises: a. Dissolving said amount of lithium hydroxide and said amount of material comprising a transition metal in one organic solvent to produce a solution containing lithium; b. Preparing an aqueous solution of the substance containing the Group II element of the periodic table; c. Mixing the aqueous solution and the lithium-containing solution together; d. Leaving the mixture to provide a gel until gelation occurs; e. 23. The process of claim 22, comprising drying the gel to obtain the uniform solid.
素の原子を含む、前記活性結晶リチウム遷移金属酸化物
質は請求項11に記載の組成を有することを特徴とする
請求項22に記載のプロセス。26. The process according to claim 22, wherein said active crystalline lithium transition metal oxide material comprising an atom of said at least one Group II element of the periodic table has a composition according to claim 11. .
素の原子を含む、前記活性結晶リチウム遷移金属酸化物
質は請求項12に記載の組成を有することを特徴とする
請求項26に記載のプロセス。27. The process according to claim 26, wherein the active crystalline lithium transition metal oxide comprising the at least one group II element of the periodic table has a composition according to claim 12. .
素の原子を含む、前記活性結晶リチウム遷移金属酸化物
質は請求項13に記載の組成を有することを特徴とする
請求項26に記載のプロセス。28. The process according to claim 26, wherein the active crystalline lithium transition metal oxide material comprising an atom of the at least one Group II element of the Periodic Table has a composition according to claim 13. .
4に記載の組成を有する負極と、前記負極と相溶する正
極、および前記負極と相溶する電解液からセルを構成す
ることを特徴とするリチウムイオン二次セルの製造プロ
セス。29. The method according to claim 1, wherein
A process for producing a lithium ion secondary cell, comprising forming a cell from a negative electrode having the composition described in 4, a positive electrode compatible with the negative electrode, and an electrolytic solution compatible with the negative electrode.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10116703A JPH11310416A (en) | 1998-04-27 | 1998-04-27 | Cathodic substance of lithium ion secondary battery |
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| JP10116703A JPH11310416A (en) | 1998-04-27 | 1998-04-27 | Cathodic substance of lithium ion secondary battery |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11310416A true JPH11310416A (en) | 1999-11-09 |
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| JP10116703A Pending JPH11310416A (en) | 1998-04-27 | 1998-04-27 | Cathodic substance of lithium ion secondary battery |
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