JP2004288644A - Manufacturing method of cathode active material, manufacturing method of anode active material, and manufacturing method of secondary battery utilizing lithium - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、リチウムを利用する二次電池に関する。より詳細には、充放電を繰り返しによって発生するリチウムのデンドライとを抑え得るリチウム二次電池の製造方法に関する。 The present invention relates to a secondary battery using lithium. More specifically, the present invention relates to a method of manufacturing a lithium secondary battery capable of suppressing lithium dendrite generated by repeated charge and discharge.
最近、大気中に含まれるCO2 ガス量が増加しつつあり、CO2 ガスの温室効果により地球の温暖化が生じると予測されている。このため、CO2 ガスを多量に排出する火力発電所、(該火力発電所は石油や石炭のような化石燃料を燃焼してそのエネルギーを電気エネルギーに変換している)は、新たに建設することが難しくなってきている。 Recently, the amount of CO 2 gas contained in the atmosphere is increasing, and it is predicted that global warming will occur due to the greenhouse effect of CO 2 gas. For this reason, a thermal power plant that emits a large amount of CO 2 gas, which burns fossil fuels such as oil and coal and converts its energy into electric energy, is newly constructed. Things are getting harder.
また、火力発電による発電を最も効率よく行うためには、一定の条件で運転することが好ましい。発電量を急激に変化させることは難しいという理由もあり、発電量は工場なども一般に稼動する電力消費量の多い昼間に合わせて調整される。そのため、使用電力が低下する夜間においては、発電された電力を無駄にしているのが現状である。そこで、火力発電所などの発電機にて作られた電力の有効利用として、夜間電力を一般家庭などに設置した二次電池に蓄えて、これを電力消費量の多い昼間に使用して負荷を平準化する、いわゆるロードレベリングが提案されそれに使用し得る二次電池が熱望されている。 In addition, in order to perform power generation by thermal power generation most efficiently, it is preferable to operate under certain conditions. There is also a reason that it is difficult to rapidly change the amount of power generation, and the amount of power generation is adjusted during the daytime when power consumption is high, where factories and the like generally operate. Therefore, in the nighttime when the power consumption decreases, the generated power is wasted at present. Therefore, as an effective use of the power generated by generators such as thermal power plants, nighttime power is stored in a secondary battery installed in ordinary households, etc., and this is used during the daytime when power consumption is high, to reduce the load. Leveling, so-called load leveling, has been proposed and a secondary battery that can be used for it has been eagerly desired.
また、運転に伴って、炭素酸化物(COX )、窒素酸化物(NOX )、炭化水素化物(CH)及びパーティクルなどの大気を汚染するといわれる物質を排出しない電気自動車用途では、実用性の確保という点からもより高エネルギー密度の二次電池の開発が期待されている。 In addition, in electric vehicle applications that do not emit substances that pollute the atmosphere, such as carbon oxides (CO x ), nitrogen oxides (NO x ), hydrocarbons (CH), and particles, during operation, they are practically useful. The development of a secondary battery having a higher energy density is also expected from the viewpoint of securing the battery.
さらに、ブック型パーソナルコンピューター、ワードプロセッサー、ビデオカメラ及び携帯電話などのポータブル機器の電源用途では、より一層小型・軽量で高性能な二次電池の開発が急務になっている。 Further, for power supply applications for portable devices such as book-type personal computers, word processors, video cameras, and mobile phones, there is an urgent need to develop even smaller, lighter, and higher-performance secondary batteries.
上記小型・軽量で高性能の二次電池としては、リチウム−グラファイト層間化合物を二次電池の負極に応用する例が非特許文献1に報告されて以来、例えばカーボンを負極物質に、リチウムイオンを層間化合物に導入したものを正極活物質に用い、カーボンの層間に充電反応でリチウムを挿入して蓄えるロッキングチェアー型二次電池、いわゆる"リチウムイオン電池"の開発が進み、一部実用化されつつある。このリチウムイオン電池では、リチウムをゲストとして層間にインターカレートするホスト材料のカーボンを負極に用いることによって、充電時のリチウムのデンドライト成長を抑えて、充放電サイクルにおいて長寿命を達成している。 As the small, lightweight and high-performance secondary battery, since an example in which a lithium-graphite intercalation compound is applied to a negative electrode of a secondary battery was reported in Non-Patent Document 1, for example, carbon was used as a negative electrode material, and lithium ion was used. A rocking chair type secondary battery, which uses a compound introduced into the intercalation compound as the positive electrode active material and inserts and stores lithium between the carbon layers by a charging reaction, so-called "lithium-ion battery" has been developed and partially commercialized. is there. In this lithium ion battery, carbon is used as a negative electrode, which is a host material that uses lithium as a guest and intercalates between layers, to suppress dendrite growth of lithium during charging and achieve long life in a charge / discharge cycle.
このように長寿命の二次電池が達成できることから、負極に各種のカーボンを応用する提案及び研究も盛んに行われている。特許文献1では、水素/炭素の原子比が0.15未満、(002)面の面間隔が0.33ナノメートル以上、c軸の結晶子の大きさが15ナノメートル以下、である炭素材料を負極に用いたリチウムイオンなどのアルカリ金属イオンを利用した二次電池が提案されている。また、特許文献2では、(002)面の面間隔が0.370ナノメートル以上、真密度1.70g/cm3 未満、かつ空気気流中における示差熱分析で700℃以上に発熱ピークを有しない、炭素材料を負極に用いた二次電池が提案されている。 Since a long-life secondary battery can be achieved in this way, proposals and studies for applying various carbons to the negative electrode have been actively made. In Patent Document 1, a carbon material in which the atomic ratio of hydrogen / carbon is less than 0.15, the spacing between (002) planes is 0.33 nm or more, and the size of c-axis crystallites is 15 nm or less. There has been proposed a secondary battery using an alkali metal ion such as a lithium ion using lithium as a negative electrode. In Patent Document 2, the (002) plane spacing is not less than 0.370 nanometers, the true density is less than 1.70 g / cm 3 , and there is no exothermic peak at 700 ° C. or more in differential thermal analysis in an air stream. A secondary battery using a carbon material for a negative electrode has been proposed.
また、各種のカーボンの電池負極への応用する研究例として、非特許文献2では炭素繊維、非特許文献3ではメソフェース微小球体、非特許文献4では天然グラファイト、非特許文献5ではグラファイトウィスカー、非特許文献6ではフルフリルアルコール樹脂の焼成体を負極として利用する研究が報告されている。 In addition, as examples of research applying various types of carbon to battery negative electrodes, non-patent document 2 describes carbon fibers, non-patent document 3 mesoface microspheres, non-patent document 4 natural graphite, non-patent document 5 graphite whiskers, Patent Document 6 reports a study using a fired body of furfuryl alcohol resin as a negative electrode.
しかし、カーボンをリチウムを貯蔵する負極活物質として用いるリチウムイオン電池では、充放電の繰り返しにも安定して取り出せる放電容量が、炭素原子6個に1個のリチウム原子を蓄えるグラファイト層間化合物の理論容量を越えるものはまだ得られていない。したがって、カーボンを負極活物質としているリチウムイオン電池は、サイクル寿命は長いが、金属リチウムそのものを負極活物質に使用するリチウム電池の電池のエネルギー密度には及んでいない。 However, in a lithium ion battery that uses carbon as a negative electrode active material for storing lithium, the discharge capacity that can be taken out stably even when charging and discharging is repeated is the theoretical capacity of a graphite intercalation compound that stores one lithium atom for every six carbon atoms. What exceeds is not yet obtained. Therefore, a lithium ion battery using carbon as a negative electrode active material has a long cycle life, but does not reach the energy density of a lithium battery using lithium metal itself as a negative electrode active material.
リチウム金属を負極に用いる高容量のリチウム蓄電池が実用化することが難しいのは、充放電の繰り返しによって発生し、短絡の主原因になるリチウムのデンドライトの発生を抑えることが難しいためである。リチウムのデンドライトが成長して、負極と正極が短絡状態になった場合、電池のもつエネルギーがその短絡部分で短時間で消費されることによって発熱し、電解液の溶媒が分解しガスを発生することによって内圧が高まり、電池の損傷を招いてしまう。この対策として、リチウムの反応性を抑えるため、負極にリチウム−アルミニウムなどのリチウム合金を用いる方法も提案されているが、サイクル寿命が充分満足されるものでなく広範囲な実用化には至っていない。 The reason why it is difficult to commercialize a high-capacity lithium storage battery using lithium metal for the negative electrode is that it is difficult to suppress the generation of lithium dendrite, which is generated by repeated charge and discharge and is a main cause of short circuit. When lithium dendrite grows and the negative electrode and the positive electrode are short-circuited, the energy of the battery is consumed in a short time at the short-circuited portion, generating heat, decomposing the solvent of the electrolyte and generating gas. As a result, the internal pressure is increased, and the battery is damaged. As a countermeasure, a method of using a lithium alloy such as lithium-aluminum for the negative electrode has been proposed in order to suppress the reactivity of lithium, but the cycle life is not sufficiently satisfied, and it has not been put to practical use in a wide range.
一方、非特許文献7には、リチウム一次電池よりエネルギー密度が劣るが、表面がエッチングされたアルミニウム箔を負極として用いた高エネルギー密度のリチウム二次電池の報告が掲載されている。しかし、充放電サイクルの実用域まで繰り返した場合、アルミニウム箔が膨張収縮を繰り返し、亀裂が入ってしまい、集電性が低下すると共にデンドライトの成長が起こり、実用レベルで使用可能なサイクル寿命を有する二次電池は得られない。 On the other hand, Non-Patent Document 7 discloses a high energy density lithium secondary battery using an aluminum foil having an etched surface as a negative electrode, although the energy density is lower than that of a lithium primary battery. However, when the charge and discharge cycle is repeated to the practical range, the aluminum foil repeatedly expands and contracts, cracks are generated, the current collecting property is reduced, and dendrite growth occurs, and the cycle life can be used at a practical level. A secondary battery cannot be obtained.
したがって、長寿命で、現在実用化しているカーボン負極より高エネルギー密度の負極材料の開発が熱望されている。 Therefore, development of a negative electrode material having a long life and a higher energy density than a carbon negative electrode currently in practical use has been eagerly desired.
さらに、高エネルギー密度の二次電池を実現するには、正極材料の開発も必須である。現状では、正極活物質としてリチウムイオンを層間化合物に挿入(インターカレート)したリチウム−遷移金属酸化物が主に使用されているが、理論容量の40〜60%の放電容量しか達成されていない。 Furthermore, in order to realize a secondary battery with a high energy density, development of a positive electrode material is indispensable. At present, as a positive electrode active material, a lithium-transition metal oxide in which lithium ions are inserted (intercalated) into an interlayer compound is mainly used, but only a discharge capacity of 40 to 60% of a theoretical capacity has been achieved. .
リチウムイオンをゲストとして充放電反応に利用する、"リチウムイオン電池"も含めたリチウム二次電池では、実用域のサイクル寿命を備え、かつ現在実用化しているカーボン負極及び遷移金属酸化物正極よりさらなる高容量な負極及び正極の開発が強く望まれている。
本発明は、以下に示すようなリチウムを利用した二次電池を提供できる、正極活物質の製造方法、負極活物質の製造方法及びリチウムを利用する二次電池の製造方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a positive electrode active material, a method for manufacturing a negative electrode active material, and a method for manufacturing a secondary battery using lithium, which can provide a secondary battery using lithium as described below. And
すなわち本発明は、リチウムイオンをゲストとして充放電反応に利用する、リチウムを利用した二次電池において、エネルギー密度が高く、かつ、サイクル寿命が長いリチウムを利用した二次電池を提供することを目的とする。 That is, an object of the present invention is to provide a lithium secondary battery using lithium ions as a guest for a charge / discharge reaction and having a high energy density and a long cycle life. And
また、本発明は充放電効率が高く、エネルギー密度の高いリチウムを利用した二次電池を提供することを目的とする。 Another object of the present invention is to provide a secondary battery using lithium having high charge / discharge efficiency and high energy density.
さらに本発明は、充放電に伴う電気化学反応より低い、電流密度でスムーズに行うことができるリチウムを利用した二次電池を提供することを目的とする。 A further object of the present invention is to provide a secondary battery using lithium which can be smoothly performed at a current density lower than an electrochemical reaction caused by charge and discharge.
加えて本発明は、デンドライトの発生がないか極めて少なく、高寿命で性能安定性の高いリチウムを利用した二次電池を提供することを目的とする。 In addition, an object of the present invention is to provide a secondary battery using lithium which has little or no generation of dendrite, has a long life, and has high performance stability.
また、本発明は少なくとも負極、正極、該負極と該正極との間に配置されたセパレータ及び電解質を有するリチウムを利用する二次電池であって、該負極または該正極の少なくともいずれか一方が多孔質中空構造を有する活物質を有するリチウムを利用する二次電池を提供することを目的とする。 Further, the present invention is a secondary battery using lithium having at least a negative electrode, a positive electrode, a separator disposed between the negative electrode and the positive electrode, and an electrolyte, wherein at least one of the negative electrode and the positive electrode is porous. It is an object of the present invention to provide a secondary battery using lithium having an active material having a hollow structure.
前記目的は以下の手段によって達成される。 The above object is achieved by the following means.
(1)水に難溶性もしくは不溶性の有機溶媒に非イオン界面活性剤を溶解し、遷移金属塩水溶液を混合してエマルジョンを調製した後、Li塩もしくはLiOH水溶液を反応させ、乾燥焼成することで多孔質中空構造のリチウム−遷移金属酸化物を得る工程を有することを特徴とする正極活物質の製造方法。 (1) A nonionic surfactant is dissolved in an organic solvent that is hardly soluble or insoluble in water, a transition metal salt aqueous solution is mixed to prepare an emulsion, and then an Li salt or LiOH aqueous solution is reacted and dried and calcined. A method for producing a positive electrode active material, comprising a step of obtaining a lithium-transition metal oxide having a porous hollow structure.
(2)少なくとも負極、正極、該負極と該正極との間に配置されたセパレータ及び電解質とを有するリチウムを利用する二次電池の製造方法であって、水に難溶性もしくは不溶性の有機溶媒に非イオン界面活性剤を溶解し、遷移金属塩水溶液を混合してエマルジョンを調製した後、Li塩もしくはLiOH水溶液を反応させ、乾燥焼成することで多孔質中空構造のリチウム−遷移金属酸化物を得ることによって正極活物質を製造する工程を有することを特徴とするリチウムを利用する二次電池の製造方法。 (2) A method for producing a secondary battery using lithium having at least a negative electrode, a positive electrode, a separator disposed between the negative electrode and the positive electrode, and an electrolyte. After dissolving a nonionic surfactant and mixing an aqueous solution of a transition metal salt to prepare an emulsion, a Li salt or an aqueous solution of LiOH is reacted and dried and fired to obtain a lithium-transition metal oxide having a porous hollow structure. A method for producing a positive electrode active material by using the lithium secondary battery.
(3)二重円筒ノズルの中心に空気または高分子に親和性のない液体を通し、外側の円筒ノズルに溶融した高分子材または溶解した高分子材を通過させて紡糸し高分子の中空糸を作製した後、焼成し粉砕することにより多孔質中空構造のカーボンを得る工程を有することを特徴とする負極活物質の製造方法。 (3) Air or a liquid having no affinity for the polymer is passed through the center of the double cylindrical nozzle, and the polymer or the melted polymer is passed through the outer cylindrical nozzle to be spun and spun. The method for producing a negative electrode active material, comprising the steps of: obtaining a carbon having a porous hollow structure by firing and pulverizing after preparing the carbon black.
(4)植物を炭化した後、酸化処理とアルカリエッチング処理し、焼成粉砕することにより多孔質中空構造のカーボンを得る工程を有することを特徴とする負極活物質の製造方法。 (4) A method for producing a negative electrode active material, comprising a step of obtaining carbon having a porous hollow structure by carbonizing a plant, performing an oxidation treatment and an alkali etching treatment, and firing and pulverizing the plant.
(5)水に難溶性もしくは不溶性の有機溶媒に非イオン界面活性剤を溶解し、遷移金属塩水溶液を混合してエマルジョンを調製した後、Li塩もしくはLiOH水溶液を反応させ、乾燥焼成することで多孔質中空構造のリチウム−遷移金属酸化物を得る工程を有することを特徴とする負極活物質の製造方法。 (5) A nonionic surfactant is dissolved in an organic solvent that is hardly soluble or insoluble in water, and an aqueous solution of a transition metal salt is mixed to prepare an emulsion. A method for producing a negative electrode active material, comprising a step of obtaining a lithium-transition metal oxide having a porous hollow structure.
(6)水に難溶性もしくは不溶性の有機溶媒に非イオン界面活性剤を溶解し、遷移金属塩水溶液を混合してエマルジョンを調製した後、Li塩もしくはLiOH水溶液を反応させ、乾燥焼成することで多孔質中空構造のリチウム−遷移金属酸化物を得る工程と、該工程で得られた多孔質中空構造のリチウム−遷移金属酸化物を水素ガスの還元雰囲気で熱処理するか水素プラズマ中にさらして、還元することにより多孔質中空構造の金属粒子を得る工程とを有することを特徴とする負極活物質の製造方法。 (6) A nonionic surfactant is dissolved in an organic solvent that is hardly soluble or insoluble in water, an aqueous solution of a transition metal salt is mixed to prepare an emulsion, and then a Li salt or an aqueous solution of LiOH is reacted and dried and calcined. A step of obtaining a lithium-transition metal oxide having a porous hollow structure, and subjecting the lithium-transition metal oxide having a porous hollow structure obtained in the step to heat treatment in a reducing atmosphere of hydrogen gas or exposure to hydrogen plasma, Obtaining a metal particle having a porous hollow structure by reduction.
(7)前記金属粒子の表面に、酸化処理、ハロゲン化処理、窒化処理のいずれかの処理を施す工程をさらに有する前記(6)に記載の負極活物質の製造方法。 (7) The method for producing a negative electrode active material according to (6), further including a step of performing any one of an oxidation treatment, a halogenation treatment, and a nitridation treatment on the surface of the metal particles.
(8)有機高分子の微粒子を無電解メッキ液中に分散させ、還元反応で、有機高分子の微粒子表面に金属膜を形成した後、得られた金属膜で被覆された有機高分子粒子を溶媒中に分散させて有機高分子を溶解除去することにより多孔質中空構造の金属粒子を得る工程を有することを特徴とする負極活物質の製造方法。 (8) Fine particles of an organic polymer are dispersed in an electroless plating solution, a metal film is formed on the surface of the fine particles of the organic polymer by a reduction reaction, and then the organic polymer particles coated with the obtained metal film are removed. A method for producing a negative electrode active material, comprising a step of obtaining metal particles having a porous hollow structure by dispersing and dissolving an organic polymer in a solvent to remove the organic polymer.
(9)少なくとも負極、正極、該負極と該正極との間に配置されたセパレータ及び電解質とを有するリチウムを利用する二次電池の製造方法であって、前記(3)〜(8)の何れか一項に記載の方法で負極活物質を製造する工程を有することを特徴とするリチウムを利用する二次電池の製造方法。 (9) A method for manufacturing a secondary battery using lithium having at least a negative electrode, a positive electrode, a separator disposed between the negative electrode and the positive electrode, and an electrolyte, wherein any of the above (3) to (8) A method for manufacturing a secondary battery using lithium, comprising a step of manufacturing a negative electrode active material by the method according to any one of the preceding claims.
本発明によれば、リチウムイオンの挿入脱離反応を利用したリチウムを利用した二次電池において、実質的な比表面積を高めた正極または負極を作製できるため、充放電に伴う電化化学反応をより低い電流密度でスムーズに行うことができる。その結果、サイクル寿命が長く、充放電率が高く、かつ、エネルギー密度の高い、リチウムを利用した二次電池を提供することが可能になる。 According to the present invention, in a secondary battery utilizing lithium utilizing an insertion / desorption reaction of lithium ions, a positive electrode or a negative electrode having a substantially increased specific surface area can be produced, so that the electrochemical chemistry accompanying charging / discharging can be further improved. It can be performed smoothly at a low current density. As a result, it is possible to provide a lithium-based secondary battery having a long cycle life, a high charge / discharge rate, and a high energy density.
また、デンドライトの発生がないか極めて少なく性能安定性に優れた高寿命のリチウムを利用した二次電池を提供することができる。 Further, it is possible to provide a secondary battery using lithium having a long life and excellent in performance stability with little or no generation of dendrite.
以下本発明をさらに詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
本発明は少なくとも負極、正極、該負極と該正極との間に配されたセパレータ及び電解質を有するリチウム二次電池の電極(負極または正極)を多孔質中空構造としている。 According to the present invention, at least an electrode (negative electrode or positive electrode) of a lithium secondary battery having a negative electrode, a positive electrode, a separator disposed between the negative electrode and the positive electrode, and an electrolyte has a porous hollow structure.
このように本発明では、リチウム二次電池の正極または負極が多孔質中空構造を有した活物質から構成することで、電解液との接触面積が大きくなりリチウムイオンの電気化学反応にと伴う移動が容易になる、かつリチウムが挿入されるときの活物質の体積膨張で発生する歪みを抑えることができる。その結果、充放電による電気化学反応が効率的に進み、大電流も容易に流せ、電池容量を増大でき、充放電の繰り返しによる電極の破壊も抑制できる。したがって、急速充電が可能で高容量・長寿命のリチウム電池が実現できる。 As described above, in the present invention, since the positive electrode or the negative electrode of the lithium secondary battery is formed of the active material having the porous hollow structure, the contact area with the electrolytic solution is increased, and the movement accompanying the lithium ion electrochemical reaction is performed. And the distortion caused by the volume expansion of the active material when lithium is inserted can be suppressed. As a result, the electrochemical reaction due to charge / discharge proceeds efficiently, a large current can easily flow, the battery capacity can be increased, and destruction of the electrode due to repeated charge / discharge can be suppressed. Therefore, a high-capacity, long-life lithium battery that can be rapidly charged can be realized.
また、本発明では、正極または負極の多孔質中空構造を有した活物質の中空部に、導電体を有する場合、集電能をさらに増すことができる。その結果、より大電流が流せ、充放電効率も向上できる。したがって、急速充電可能な高容量の二次電池の実現が可能となる。 Further, in the present invention, when a conductor is provided in the hollow portion of the active material having the porous hollow structure of the positive electrode or the negative electrode, the current collecting ability can be further increased. As a result, a larger current can flow and the charging / discharging efficiency can be improved. Therefore, a high-capacity secondary battery that can be rapidly charged can be realized.
さらに、本発明では、負極の多孔質中空構造を有した活物質が少なくともカーボンもしくは金属酸化物からなる場合には、充電時に析出するリチウムが電解液と直接接触しないので、リチウムのデンドライト成長が抑えられ、サイクル寿命を延ばすことができる。本発明で、負極の多孔質中空構造を有した活物質が少なくとも金属からなる場合にはリチウム析出時に金属表面にリチウムが析出するかその金属と合金化するため、負極の単位体積当たりに多量のリチウムを収納できるため、高容量が達成できる。 Furthermore, in the present invention, when the active material having a porous hollow structure of the negative electrode is at least composed of carbon or metal oxide, lithium deposited during charging does not directly contact the electrolytic solution, thereby suppressing lithium dendrite growth. The cycle life can be extended. In the present invention, when the active material having a porous hollow structure of the negative electrode is composed of at least a metal, lithium is deposited on the metal surface during lithium deposition or is alloyed with the metal, so a large amount per unit volume of the negative electrode. Since lithium can be stored, high capacity can be achieved.
また、本発明では、負極の多孔質中空構造を有した活物質に、IUPACの無機化学命名法の元素の周期表の13族元素、14族元素、15族元素、16族元素、17族元素から選択される元素を含有するカーボンを用いると、リチウムを多く挿入でき、加えて、不純物との反応性を低下させることができるので寿命を延ばすことができる。特に、元素の周期表の13族元素であるほう素、14族元素である珪素、15族元素である窒素やリンによる炭素の置換は、カーボンの結晶格子を延ばし、リチウムの収納空間を広げることができ、かつリチウム挿入時の体積膨張が少なくなるため膨張収縮による疲労劣化を抑えることができるので好ましい。元素の周期表の16族元素である酸素、17族元素であるフッ素や塩素の負極のカーボンの一部に結合させることによって、電解液中の不純物などとの反応性を低下させることができるので好ましい。これによって、さらに高容量・長寿命の負極を実現できる。 Further, in the present invention, the active material having a porous hollow structure of the negative electrode is provided with a Group 13 element, a Group 14 element, a Group 15 element, a Group 16 element, and a Group 17 element of the periodic table of elements according to the IUPAC inorganic chemical nomenclature. When carbon containing an element selected from the group consisting of carbon and lithium is used, a large amount of lithium can be inserted and, in addition, reactivity with impurities can be reduced, so that the life can be extended. In particular, the replacement of carbon with boron, which is a Group 13 element, silicon which is a Group 14 element, and nitrogen or phosphorus which is a Group 15 element in the periodic table of elements extends the crystal lattice of carbon and expands the storage space for lithium. This is preferable because the volumetric expansion at the time of lithium insertion is reduced, so that fatigue deterioration due to expansion and contraction can be suppressed. Reactivity with impurities in the electrolytic solution can be reduced by bonding to oxygen, which is a Group 16 element in the periodic table, and part of carbon in the negative electrode of fluorine or chlorine, which is a Group 17 element. preferable. Thereby, a negative electrode with higher capacity and longer life can be realized.
このようにリチウムイオンを挿入脱離できるホスト材料である多孔質中空構造の活物質を正極または負極に用いたリチウム二次電池では、高い電気容量とエネルギー密度を達成することができる。 As described above, a lithium secondary battery using a porous hollow structure active material, which is a host material capable of inserting and removing lithium ions, for a positive electrode or a negative electrode can achieve high electric capacity and high energy density.
なお、本発明では、リチウムを脱離もしくは挿入した物質で、かつリチウムを電気化学反応で可逆的に脱離挿入できる物質を、リチウム二次電池の活物質と呼ぶ。 In the present invention, a substance from which lithium is desorbed or inserted and which can reversibly desorb and insert lithium by an electrochemical reaction is referred to as an active material of a lithium secondary battery.
以下、本発明を必要に応じて図面を用いてさらに詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings as necessary.
図1(a),(b),(c)はそれぞれ、本発明の二次電池を用いた、リチウムイオンのホスト材料となる正極活物質または負極活物質となる多孔質中空活物質の概念的断面を示す概略断面図である。 FIGS. 1A, 1B, and 1C are conceptual views of a porous hollow active material serving as a positive electrode active material or a negative electrode active material serving as a lithium ion host material, respectively, using the secondary battery of the present invention. It is a schematic sectional drawing which shows a cross section.
また、図2は図1(a)〜(c)に示されている球状形状構造の活物質の、図7は管状構造の活物質の概念的斜視図である。 FIG. 2 is a conceptual perspective view of the active material having a spherical structure shown in FIGS. 1A to 1C, and FIG. 7 is a conceptual perspective view of an active material having a tubular structure.
図1(a)乃至(c)図2及び図7において、100は活物質構成材料、101は細孔、102は中空部、103は表皮層、104は中空部に設けた導電体である。
1A to 1C In FIGS. 2 and 7,
図1(a)及び図2に示される活物質は細孔101を有する活物質構成材料100で中空部102を形作るような構造とされている。図7では中空部102は円筒形とされている。
The active material shown in FIGS. 1A and 2 has a structure in which a
図1(b)に示される活物質は図1(a)の活物質構成材料100の外側表面に表皮層103が設けられている例である。表皮層103は空気中での活物質構成材料100の酸化安定性を向上するための表面酸化層や電解液との活物質構成材料100との反応性を抑制するためのハロゲン化物層のような反応抑制層を挙げることができる。
The active material shown in FIG. 1B is an example in which a skin layer 103 is provided on the outer surface of the active material
図1(c)に示されている活物質は、図1(a)の中空部102内に導電体104を設けた場合の例を示している。
The active material shown in FIG. 1C shows an example in which a conductor 104 is provided in the
上記中空構造を有する活物質の直径は、その調製方法と粉砕工程によって異なってくるが、電池の容量を高めるためには粒径が小さい方が充填密度を高めることができるため好ましい。 The diameter of the active material having the hollow structure varies depending on the preparation method and the pulverization step. However, in order to increase the capacity of the battery, it is preferable that the particle diameter is small because the packing density can be increased.
しかしながら、粒径が小さくなり過ぎるとその取り扱いが容易でなくなるので、上記中空活物質の粒の直径は0.01ミクロン〜100ミクロンとすることが好ましく、0.1ミクロン〜10ミクロンとするのがより好ましい。また、細孔の大きさは活物質粒の直径の1/10程度以下とすることが好ましい。 However, if the particle size is too small, it becomes difficult to handle the hollow active material. Therefore, the diameter of the particles of the hollow active material is preferably 0.01 to 100 microns, more preferably 0.1 to 10 microns. More preferred. The size of the pores is preferably about 1/10 or less of the diameter of the active material particles.
図3は本発明の二次電池に用いた正極または負極の構造の一例を説明するための概念図で、正極または負極の一面側部分の概略的断面図である。したがって、集電体200の両面側に活物質層203を設けることも可能である。正極または負極204は、集電体200上に図1(a)乃至(c)で説明したような断面形状の正極活物質または負極活物質である多孔質中空活物質201を結着剤202で結着され形成された活物質層203が設けられた構造とされている。図3では図示していないが、実際の電池では正極または負極の活物質層203に電解質が接触している。また、図3では図示していないが、多孔質の中空の活物質201の導電率が低い場合には、結着剤にさらに導電補助剤を加えて活物質層203を形成することが好ましい。また、活物質層内の活物質の占める割合は、電池の容量を高く保持するという点から、50wt%以上とすることが好ましく、70wt%以上とすることがより好ましい。
FIG. 3 is a conceptual diagram for explaining an example of the structure of the positive electrode or the negative electrode used in the secondary battery of the present invention, and is a schematic cross-sectional view of one surface side of the positive electrode or the negative electrode. Therefore, the active material layers 203 can be provided on both sides of the current collector 200. The positive electrode or the
正極活物質剤にリチウム−遷移金属酸化物を採用する場合の多孔質中空構造の正極活物質粒子の調整方法としては、界面反応を利用する方法が一例として挙げられる。 As an example of a method for adjusting the positive electrode active material particles having a porous hollow structure when a lithium-transition metal oxide is used as the positive electrode active material agent, a method utilizing an interfacial reaction is exemplified.
より具体的には、本発明の各製造方法のうちの一つの製造方法に従い、水に難溶性もしくは不溶性の有機溶媒に非イオン界面活性剤を溶解し、遷移金属塩水溶液を混合してエマルジョンを調製した後、Li塩もしくはLiOH水溶液を反応させ、乾燥焼成することで多孔質中空構造のリチウム−遷移金属酸化物を得ることができる。さらに、中空部に導電体を設けた多孔質中空構造の正極活物質粒子の調製方法としては、上記エマルジョンを調製時に金属微粉末などの導電体粉を分散させた遷移金属塩水溶液を用いることによって容易に得ることができる。 More specifically, according to one of the production methods of the present invention, a nonionic surfactant is dissolved in a water-insoluble or insoluble organic solvent, and a transition metal salt aqueous solution is mixed to form an emulsion. After the preparation, a Li salt or an aqueous solution of LiOH is reacted and dried and fired, whereby a lithium-transition metal oxide having a porous hollow structure can be obtained. Further, as a method of preparing the positive electrode active material particles of a porous hollow structure having a conductor provided in the hollow portion, by using a transition metal salt aqueous solution in which conductor powder such as metal fine powder is dispersed at the time of preparing the emulsion. Can be easily obtained.
負極活物質粒子も、正極活物質粒子と同様の方法で調製することができる。 The negative electrode active material particles can be prepared in the same manner as the positive electrode active material particles.
次に多孔質中空構造の金属粒子の調製方法の好適な一例について説明する。 Next, a preferred example of a method for preparing metal particles having a porous hollow structure will be described.
多孔質中空構造の金属粒子の好適な調製方法としては、本発明の各製造方法のうちの一つの製造方法に従い、前記正極活物質粒子の構成方法と同様の方法で調製した金属酸化物粒子を、水素ガスの還元雰囲気で熱処理するか水素プラズマ中にさらして、還元し調製する方法が採用できる。このようにして調製される金属粒子は比表面積が大きいために空気中では酸素と急激に反応しやすい、そのため取り扱いによっては作製される電池の安定性や特性に影響を及ぼす場合があるので、この金属表面を液中もしくは減圧下で酸素と反応させ、ゆっくり酸化して表面に酸化膜を形成するが、フッ化水素酸などを作用させて、表面ハロゲン化物膜を形成して、反応に対する耐性を増すのが好ましい。また、ハロゲン化炭化水素や窒素ガスのプラズマ処理も耐酸化処理として有効である。上記酸化処理、ハロゲン化処理及び窒化処理は充放電時に電解液中の有機溶媒もしくは不純物との副反応を抑制する効果もある。 As a preferable preparation method of the metal particles having a porous hollow structure, according to one of the production methods of the present invention, metal oxide particles prepared by the same method as the constitution method of the positive electrode active material particles, Alternatively, a method of performing heat treatment in a reducing atmosphere of hydrogen gas or exposing it to hydrogen plasma to reduce and prepare it can be adopted. Since the metal particles prepared in this way have a large specific surface area and easily react with oxygen in air, they may affect the stability and characteristics of the manufactured battery depending on the handling. The metal surface reacts with oxygen in a liquid or under reduced pressure, and slowly oxidizes to form an oxide film on the surface.Hydrofluoric acid and the like are allowed to act to form a surface halide film, thereby increasing the resistance to the reaction. It is preferred to increase. Plasma treatment with halogenated hydrocarbons or nitrogen gas is also effective as oxidation-resistant treatment. The oxidation treatment, halogenation treatment, and nitridation treatment also have an effect of suppressing a side reaction with an organic solvent or impurities in the electrolyte during charge and discharge.
多孔質中空構造の金属粒子の別の好適な調製方法としては、本発明の各製造方法のうちの一つの製造方法に従い、有機高分子の微粒子を無電解メッキ(化学メッキ)液中に分散させ、還元反応で、有機高分子の微粒子表面に金属膜を形成した後、得られた金属膜で被覆された有機高分子粒子を溶媒中に分散させて有機高分子を溶解除去して調製する方法が挙げられる。 As another preferred method for preparing the metal particles having a porous hollow structure, fine particles of an organic polymer are dispersed in an electroless plating (chemical plating) solution according to one of the production methods of the present invention. A method in which a metal film is formed on the surface of fine particles of an organic polymer by a reduction reaction, and then the organic polymer particles coated with the obtained metal film are dispersed in a solvent to dissolve and remove the organic polymer. Is mentioned.
金属粒子の負極活物質粒子もまた、同様な方法により調製することができる。 Anode active material particles of metal particles can also be prepared by a similar method.
次に、負極活物質としてカーボンを使用した場合の多孔質中空構造の形成方法の好適な一例について説明する。 Next, a preferred example of a method for forming a porous hollow structure when carbon is used as the negative electrode active material will be described.
多孔質中空構造のカーボンの調製方法としては、本発明の各製造方法のうちの一つの製造方法に従い、二重円筒ノズルの中心に空気または高分子に親和性のない液体を通し、外側の円筒ノズルに溶融した高分子材または溶解した高分子材を通過させて紡糸し高分子の中空糸を作製した後、焼成し粉砕して調製する方法が好適な方法としても挙げられる。 As a method for preparing carbon having a porous hollow structure, according to one of the production methods of the present invention, air or a liquid having no affinity for a polymer is passed through the center of the double cylindrical nozzle, and the outer cylinder is formed. A preferred method is a method in which a molten polymer material or a dissolved polymer material is passed through a nozzle and spun to produce a polymer hollow fiber, which is then fired and pulverized to prepare.
多孔質中空構造のカーボンの他の好適な調製方法としては、本発明の各製造方法のうちの一つの製造方法に従い、植物の導管・仮導管を炭化する方法が挙げられる。この方法では、例えば植物を炭化した後、好ましくは酸化処理とアルカリエッチング処理し、焼成粉砕して調製される。なお、炭化は、負活性ガスまたは窒素ガス雰囲気下で600〜1000℃で処理を行うのが好ましい。酸化処理を施す場合は空気中250〜400℃で処理を行うのが好ましい。 Another suitable method for preparing carbon having a porous hollow structure includes a method of carbonizing a plant conduit / temporary conduit according to one of the production methods of the present invention. In this method, for example, after carbonizing a plant, it is preferably prepared by oxidizing treatment and alkali etching treatment, followed by firing and pulverization. Note that carbonization is preferably performed at 600 to 1000 ° C. in an atmosphere of a negative active gas or a nitrogen gas. When performing the oxidation treatment, it is preferable to perform the treatment at 250 to 400 ° C. in the air.
多孔質中空構造のカーボンのさらに他の好適な調製方法として、水に難溶性もしくは不溶性の有機溶媒に非イオン系界面活性剤と有機高分子材を溶解し、有機高分子材を溶解しない溶媒、水、もしくは無機化合物を溶解した水溶液を混合して、エマルジョンを調製した後、その有機高分子材が溶解しない溶媒に滴下して、有機高分子材を沈殿させ、乾燥焼成して調製する方法も挙げられる。 As still another preferred method of preparing carbon having a porous hollow structure, a solvent in which a nonionic surfactant and an organic polymer material are dissolved in a water-insoluble or insoluble organic solvent, and the organic polymer material is not dissolved, A method of preparing an emulsion by mixing water or an aqueous solution in which an inorganic compound is dissolved, and then dropping the solvent into a solvent in which the organic polymer material is not dissolved to precipitate the organic polymer material, followed by drying and firing. No.
上記カーボンの原料となる有機高分子材に好適なものの例としては、ポリビニルアルコール、ポリフルフリルアルコール、ポリ酢酸ビニル、ポリアクリロニトリル、ポリパラフェニレン、ポリパラフェニレンスルフィド、ポリパラフェニレンビニレン、ポリチエニレン、ポリジチエニルポリエン、ポリビニルナフタレン、ポリ塩化ビニル、ポリアニリン、ポリピロール、フラン樹脂、シリコーン樹脂などが挙げられる。 Examples of materials suitable for the organic polymer material serving as the carbon raw material include polyvinyl alcohol, polyfurfuryl alcohol, polyvinyl acetate, polyacrylonitrile, polyparaphenylene, polyparaphenylene sulfide, polyparaphenylene vinylene, polythienylene, and polydithienyl. Examples thereof include polyene, polyvinyl naphthalene, polyvinyl chloride, polyaniline, polypyrrole, furan resin, and silicone resin.
上記カーボン材を得るための焼成は、不活性ガスまたは窒素ガス雰囲気下で600〜3000℃で行うのが好ましい。焼成温度が高いとよりグラファイトの結晶が成長し易くなる。 The firing for obtaining the carbon material is preferably performed at 600 to 3000 ° C. in an inert gas or nitrogen gas atmosphere. If the firing temperature is high, graphite crystals are more likely to grow.
上記カーボンの炭素原子を元素の周期表の13族元素、14族元素、15族元素、16族元素、17族元素から選択される少なくとも一種の元素で少なくとも一部を置き換えることによって、結晶軸を広げ充電時のリチウムの挿入量を増し挿入時の歪みを低減することができ、電解液との反応も低減することができる。これによってより高容量で長寿命のリチウム二次電池用負極を形成できる。 By replacing at least part of the carbon atoms of the carbon with at least one element selected from Group 13 elements, Group 14 elements, Group 15 elements, Group 16 elements, and Group 17 elements of the periodic table, the crystal axis is It is possible to increase the amount of lithium inserted during spreading charging, reduce distortion during insertion, and reduce the reaction with the electrolyte. Thereby, a higher capacity and longer life negative electrode for a lithium secondary battery can be formed.
上記元素を含有した多孔質中空カーボンの好適な調製方法としては、カーボンの原料である高分子に元素の周期表の13族元素、14族元素、15族元素、16族元素、17族元素から選択される少なくとも一種の元素を含有する高分子を使用して調製する方法が挙げられる。 As a preferable method for preparing the porous hollow carbon containing the above elements, a polymer which is a raw material of carbon is prepared from a group 13 element, a group 14 element, a group 15 element, a group 16 element, or a group 17 element of the periodic table of elements. A method of preparing using a polymer containing at least one selected element is exemplified.
また、別の好適な調製方法としては、原料の高分子材に、焼成時に分解し易い上記元素を含む物質を混合した後、焼成して調製する方法が挙げられる。 Another suitable preparation method is a method in which a raw material polymer material is mixed with a substance containing the above-mentioned element which is easily decomposed at the time of firing, followed by firing.
電気容量を増した負極を得るための、上記添加する元素量は、焼成して得られる多孔質中空カーボン材の1〜20原子%が好適である。添加する元素としては13族元素ではほう素、14族元素では珪素、15族元素では窒素やリン、16族元素ではイオウ、17族元素ではフッ素や塩素が好適である。特には、ほう素元素の添加が好適である。焼成前の原料となる高分子材に混同するほう素化合物の好適な例としては、トリフェニルほう素、トリ−p−トリルほう素などのトリアリールほう素、ボラン−4−メチルモルホリン錯体、ボラン−4−フェニルモルホリン錯体、ボラン−ビペラジン錯体、ボラン−ビペリジン錯体、ボラン−ポリビニルピリジン錯体、ボラン−ピリジン錯体、ボラン−テトラヒドロフラン錯体、ボラン−トリエチルアミン錯体、ボラン−トリメチルアミン錯体、ボラン−メチルサルファイド錯体、ボラン−メチル1,4−オキサチアン錯体などのボラン錯体テトラフェニルほう酸ナトリウムなどのテトラフェニルほう酸塩が好適に挙げられる。 The amount of the element to be added for obtaining a negative electrode having an increased electric capacity is preferably 1 to 20 atomic% of the porous hollow carbon material obtained by firing. As the element to be added, boron is suitable for the group 13 element, silicon is suitable for the group 14 element, nitrogen or phosphorus is suitable for the group 15 element, sulfur is suitable for the group 16 element, and fluorine or chlorine is suitable for the group 17 element. Particularly, addition of a boron element is preferable. Preferable examples of the boron compound to be confused with the polymer material as the raw material before firing include triarylboron such as triphenylboron and tri-p-tolylboron, borane-4-methylmorpholine complex, and borane. -4-phenylmorpholine complex, borane-biperazine complex, borane-biperidine complex, borane-polyvinylpyridine complex, borane-pyridine complex, borane-tetrahydrofuran complex, borane-triethylamine complex, borane-trimethylamine complex, borane-methylsulfide complex, borane A borane complex such as -methyl 1,4-oxathiane complex and a tetraphenyl borate such as sodium tetraphenyl borate are preferred.
続いて、本発明の二次電池の概念的構成を図4を用いて説明する。 Next, a conceptual configuration of the secondary battery of the present invention will be described with reference to FIG.
図4において、301は負極(電極)、302は正極(電極)、303は電解質、304はセパレータ、305は負極端子、306は正極端子、307はハウジングである。
4,
図4に示されるように、負極301と正極302はセパレーター304を介して対向してハウジング3、7中に保持された電解質303中に配されている。セパレータ304は負極301と正極302とが接して短絡するのを防ぐために設けられる。
As shown in FIG. 4, the
負極301と正極302は図3に示されるような構造を有しており、正極端子306や負極端子305はそれぞれの電極の集電電極に電気的に接続される。但し、正極端子306や負極端子305は各電極の集電電極であってもよいし、正極端子306や負極端子305あるいは集電電極の少なくとも一部がハウジングの少なくとも一部を構成していてもよい。
The
次に、電池の各構成部材について詳述する。 Next, each component of the battery will be described in detail.
正極物質の材質としては、遷移金属酸化物、遷移金属硫化物、リチウム−遷移金属酸化物、またはリチウム−遷移金属硫化物が好適に用いられる。遷移金属酸化物や遷移金属硫化物の構成元素となる遷移金属元素としては、例えば、部分的にd殻あるいはf殻を有する元素であるところの、Sc,Y,ランタノイド、アクチノイド、Ti,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W,Mn,Tc,Re,Fe,Ru,Os,Co,Rh,Ir,Ni,Pd,Pt,Cu,Ag,Auからなる群から選択される少なくとも一種が好ましい元素として挙げられる。特に第一遷移系列金属であるTi,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cuからなる群から選択される少なくとも一種の元素が好適に用いられる。 As the material of the positive electrode material, a transition metal oxide, a transition metal sulfide, a lithium-transition metal oxide, or a lithium-transition metal sulfide is preferably used. Examples of the transition metal element that is a constituent element of the transition metal oxide or the transition metal sulfide include Sc, Y, lanthanoids, actinoids, Ti, Zr, and the like, which are elements having a partially d- or f-shell. Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Tc, Re, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au At least one kind is mentioned as a preferable element. In particular, at least one element selected from the group consisting of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and Cu, which are the first transition series metals, is preferably used.
負極活物質の材料としては、カーボン、金属、金属酸化物が適している。カーボン材料としては、リチウムを層間に取り込めるグラファイト層を有しているものが好ましい。金属材料の好適なものとしては、Cu,Ni,Al,Ti,Sn,Pb,Zn,Cr,Fe,Pt,Pdからなる群から選択される少なくとも1種が好ましい元素として挙げられる。金属酸化物として好適なものとしては、タングステン、モリブデン、チタン、パナジウム、ニオブ、ジルコニウム、タンタル、クロムからなる群から選択される少なくとも一種の元素の酸化物が好適に挙げられる。 As the material of the negative electrode active material, carbon, metal, and metal oxide are suitable. As the carbon material, a material having a graphite layer capable of taking lithium between layers is preferable. Preferred examples of the metal material include at least one element selected from the group consisting of Cu, Ni, Al, Ti, Sn, Pb, Zn, Cr, Fe, Pt, and Pd as a preferable element. Preferable examples of the metal oxide include oxides of at least one element selected from the group consisting of tungsten, molybdenum, titanium, panadium, niobium, zirconium, tantalum, and chromium.
特に、多孔質中空構造の活物質粒子としては、金属酸化物粒子、金属粒子、カーボン等が好適に挙げられる。 In particular, as the active material particles having a porous hollow structure, metal oxide particles, metal particles, carbon, and the like are preferably exemplified.
多孔質中空構造の活物質粒子としての金属酸化物粒子の調製方法の好適な一例について正極活物質粒子を例にとって説明する。 A preferred example of a method for preparing metal oxide particles as active material particles having a porous hollow structure will be described using positive electrode active material particles as an example.
<正極>
本発明における正極としては、前述したように例えば、少なくとも前述の多孔質中空正極活物質、結着剤、及び集電体と必要に応じて導電補助材から構成されているものが挙げられる。
<Positive electrode>
As described above, examples of the positive electrode in the present invention include those composed of at least the above-described porous hollow positive electrode active material, a binder, a current collector, and if necessary, a conductive auxiliary material.
以下では、正極の作製方法の好適な一例について説明する。 Hereinafter, a preferred example of a method for manufacturing a positive electrode will be described.
まず多孔質中空正極活物質、結着剤及び必要に応じて導電補助材を混合し、溶媒を添加して粘度を調整して、ペーストを調製する。 First, a paste is prepared by mixing a porous hollow positive electrode active material, a binder and, if necessary, a conductive auxiliary material, adjusting the viscosity by adding a solvent.
次に上記ペーストを集電体上に塗布し、乾燥して正極を形成する。 Next, the paste is applied on a current collector and dried to form a positive electrode.
上記の塗布方法としては、例えば、コーター塗布方法、スクリーン印刷法が好適に適用できる。 As the above coating method, for example, a coater coating method and a screen printing method can be suitably applied.
正極に使用可能な導電補助材としては、粉末状または繊維状のアセチレンブラックやケッチェンブラックなどのカーボンブラックに代表される非晶質炭素、黒鉛、電池反応に不活性な金属が好適なものとして挙げられる。 As a conductive auxiliary material usable for the positive electrode, powdery or fibrous amorphous carbon represented by carbon black such as acetylene black and Ketjen black, graphite, and a metal inert to a battery reaction are preferable. No.
正極に使用可能な結着剤としては例えば、電解液が非水溶媒系の場合には、ポリエチレンやポリプロピレンなどのポリオレフィン、またはポリフッ化ビニリデンやテトラフルオロエチレンポリマーのようなフッ素樹脂が好ましいものとして挙げられる。 As the binder usable for the positive electrode, for example, when the electrolytic solution is a non-aqueous solvent system, a polyolefin such as polyethylene or polypropylene, or a fluororesin such as polyvinylidene fluoride or tetrafluoroethylene polymer is preferable. Can be
本発明における正極の集電体は、充電時に電極反応で消費する電流を効率よく供給する、あるいは放電時に発生する電流を効率よく集電する役目を担っている。したがって正極の集電体を形成する材料としては、電導度が高く、かつ、電池反応に不活性な材質が望ましい。好ましい材質としては、ニッケル、チタニウム、銅、アルミニウム、ステンレススチール、白金、パラジウム、金、亜鉛、各種合金、及び上記材料の二種以上の複合金属が挙げられる。なお、銅や亜鉛を使用する場合には充放電により銅や亜鉛が溶解、析出し易いことを考慮して、より不活性な金属であるニッケルやチタニウムにより被覆して使用するのが望ましい。集電体の形状としては、例えば、板状、箔状、メッシュ状、スポンジ状、繊維状、パンチングメタル、エキスバンドメタルなどの形状が採用できる。 The current collector of the positive electrode in the present invention has a role of efficiently supplying a current consumed by an electrode reaction during charging or efficiently collecting a current generated during discharging. Therefore, as a material for forming the current collector of the positive electrode, a material having high conductivity and inert to a battery reaction is desirable. Preferred materials include nickel, titanium, copper, aluminum, stainless steel, platinum, palladium, gold, zinc, various alloys, and two or more composite metals of the above materials. In the case of using copper or zinc, it is preferable to use copper or zinc after coating with nickel or titanium, which is a more inert metal, in consideration of the fact that copper and zinc are easily dissolved and precipitated by charge and discharge. As the shape of the current collector, for example, a shape such as a plate shape, a foil shape, a mesh shape, a sponge shape, a fiber shape, a punching metal, and an ex-band metal can be adopted.
<負極>
本発明の負極の好適な一例としては、例えば、少なくとも前述の多孔質中空負極活物質、結着剤、集電体及び必要に応じて導電補助体から構成されているものが挙げられる。
<Negative electrode>
Preferable examples of the negative electrode of the present invention include, for example, those composed of at least the above-mentioned porous hollow negative electrode active material, a binder, a current collector and, if necessary, a conductive auxiliary.
以下では、負極の作製方法の好適な一例について説明する。 Hereinafter, a preferred example of a method for manufacturing a negative electrode will be described.
まず、多孔質中空負極活物質、結着剤を混合し、溶媒を添加して粘度を調整して、ペーストを調製する。 First, a porous hollow negative electrode active material and a binder are mixed, and a solvent is added to adjust the viscosity to prepare a paste.
次に上記ペーストを集電体上に塗布し、乾燥して負極を形成する。 Next, the paste is applied on a current collector and dried to form a negative electrode.
上記負極活物質の導電率が低い場合には、上記ペーストを調整する際に適宜正極作製に用いる導電補助剤と同様なものを添加して、集電能を高めるのが好ましい。上記結着剤としては前記正極作製に使用する結着剤と同様のものが使用できる。また、集電体の材質や形状も前記正極において説明した集電体と同様のものが採用できる。 When the conductivity of the negative electrode active material is low, it is preferable to add the same conductive auxiliary as that used for the preparation of the positive electrode when preparing the paste, thereby enhancing the current collecting ability. As the above-mentioned binder, the same binders as those used for producing the positive electrode can be used. The material and shape of the current collector may be the same as those of the current collector described for the positive electrode.
上記のペーストの塗布方法としては、例えば、コーター塗布方法、スクリーン印刷法が適用できる。 As a method of applying the paste, for example, a coater application method and a screen printing method can be applied.
<セパレータ>
本発明におけるセパレータは、負極と正極の短絡を防ぐ役割がある。また、電解液を保持する役割を有する場合もある。
<Separator>
The separator in the present invention has a role of preventing a short circuit between the negative electrode and the positive electrode. In some cases, it has a role of holding an electrolytic solution.
セパレータは、少なくともリチウムイオンが移動できる細孔を有し、かつ電解液に不溶で安定である必要がある。したがって、セパレータとしては、例えば、ガラス、ポリプロピレン、ポリエチレンなどポリオレフィン、フッ素樹脂、などの材料を用いた不織布あるいはミクロボア構造の材料が好適に用いられる。また、微細孔を有する金属酸化物フィルム、または、金属酸化物を複合化した樹脂フィルムも使用できる。特に、多層化した構造を有する金属酸化物フィルムを使用した場合には、デンドライトが貫通しにくいため、短絡防止に効果がある。難燃材であるフッ素樹脂フィルム、または不燃材であるガラス、もしくは金属酸化物フィルムを用いた場合には、より安全性を高めることができる。 The separator must have at least pores through which lithium ions can move, and must be insoluble and stable in the electrolytic solution. Therefore, as the separator, for example, a nonwoven fabric or a material having a microbore structure using a material such as glass, polyolefin such as polypropylene, polyethylene, or a fluororesin is preferably used. Further, a metal oxide film having fine pores or a resin film in which a metal oxide is compounded can be used. In particular, when a metal oxide film having a multilayer structure is used, the dendrite does not easily penetrate, which is effective in preventing short circuit. When a fluororesin film which is a flame retardant material, or a glass or a metal oxide film which is a nonflammable material is used, safety can be further improved.
<電解質>
本発明における電界質の使用法としては、次の3通りが挙げられる。
(1)そのままの状態で用いる方法。
(2)溶媒に溶解した溶液として用いる方法。
(3)溶液にポリマーなどのゲル化剤を添加することによって、固定化したものとして用いる方法。
<Electrolyte>
The use of the electrolyte in the present invention includes the following three methods.
(1) A method used as it is.
(2) A method of using as a solution dissolved in a solvent.
(3) A method in which a gelling agent such as a polymer is added to a solution to be used as an immobilized one.
一般的には、溶媒に電解質を溶かした電解液を、多孔性のセパレーターに保液させて使用する。 Generally, an electrolytic solution obtained by dissolving an electrolyte in a solvent is used by being retained in a porous separator.
電解質の導電率は、25℃における値として、好ましくは1×10-3s/cm以上、より好ましくは5×10-3s/cm以上であることが必要である。 It is necessary that the conductivity of the electrolyte at 25 ° C. is preferably 1 × 10 −3 s / cm or more, more preferably 5 × 10 −3 s / cm or more.
リチウム電池では、以下に示す電解質とその溶媒が、好適に用いられる。 In lithium batteries, the following electrolytes and their solvents are preferably used.
電解質としては、例えば、H2 SO4 、HCl,HNO3 などの酸、リチウムイオン(Li+ )とルイス酸イオン(BF4 -,PF6 -,ClO4 -,AsF6 -,CF3 SO3 -,BPh4 -(Ph:フェニル基)とからなる塩、及び、これらの混合塩、が好適に挙げられる。また、ナトリウムイオン、カリウムイオン、テトラアルキルアンモニウムイオン、などの陽イオンとルイス酸イオンとからなる塩も使用できる。上記塩は、減圧下で加熱したりして、充分な脱水と脱酸素を行っておくことが望ましい。 Examples of the electrolyte include acids such as H 2 SO 4 , HCl, and HNO 3 , lithium ions (Li + ) and Lewis acid ions (BF 4 − , PF 6 − , ClO 4 − , AsF 6 − , CF 3 SO 3). -, BPh 4 -.: salt consisting (Ph phenyl group) and, and, a mixed salt, is preferably exemplified Moreover, sodium ion, potassium ion, cations and Lewis acid ions tetraalkylammonium ions, etc. It is desirable that the salt is sufficiently dehydrated and deoxygenated by heating under reduced pressure or the like.
電解質の溶媒としては、例えば、アセトニトリル、ベンゾニトリル、プロピレンカーボネート、エチレンカーボーネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルホルムアミド、テトラヒドロフラン、ニトロベンゼン、ジクロロエタン、ジエトキシエタン、1,2−ジメトキシエタン、クロロベンゼン、γ−ブチロラクトン、ジオキソラン、スルホラン、ニトロメタン、ジメチルサルファイド、ジメチルサルオキシド、ギ酸メチル、3−メチル−2−オキダゾリジノン、2−メチルテトラヒドロフラン、3−プロピルシドノン、二酸化イオウ、塩化ホスホリル、塩化チオニル、塩化スルフリル、またはこれらの混合液が好適に使用できる。 Examples of the solvent for the electrolyte include acetonitrile, benzonitrile, propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, dimethylformamide, tetrahydrofuran, nitrobenzene, dichloroethane, diethoxyethane, 1,2-dimethoxyethane, chlorobenzene, and γ. -Butyrolactone, dioxolane, sulfolane, nitromethane, dimethylsulfide, dimethylsulfoxide, methyl formate, 3-methyl-2-oxazolidinone, 2-methyltetrahydrofuran, 3-propylsidone, sulfur dioxide, phosphoryl chloride, thionyl chloride, sulfuryl chloride, Alternatively, a mixture of these can be suitably used.
上記溶媒は、例えば、活性アルミナ、モレキュラーシープ、五酸化リン、塩化カリシウムなどで脱水するか、溶媒によっては、不活性ガス中でアルカリ金属共存下で蒸留して不純物除去と脱水をも行うのが好ましい。 The solvent is, for example, dehydrated with activated alumina, molecular sheep, phosphorus pentoxide, potassium chloride, or the like, or, depending on the solvent, is subjected to distillation in the presence of an alkali metal in an inert gas to remove impurities and also to dehydrate. preferable.
電解液の漏洩を防止するために、ゲル化することが好ましい。ゲル化剤としては電解液の溶媒を吸収して膨潤するようなポリマーを用いるのが望ましい。このようなポリマーとしては、ポリエチレンオキサイド、ポリビニルアルコール、ポリアクリルアミドなどが好適に用いられる。 In order to prevent leakage of the electrolytic solution, it is preferable to gel. As the gelling agent, it is desirable to use a polymer that swells by absorbing the solvent of the electrolytic solution. As such a polymer, polyethylene oxide, polyvinyl alcohol, polyacrylamide and the like are suitably used.
<電池の形状と構造>
また、本発明における電池の形状としては、例えば、扁平形、円筒形、直方体形、シート形などがある。また、電池の構造としては、例えば、単層式、多層式、スパイラル式などがある。その中でも、スパイラル式円筒形の電池は、負極と正極の間にセパレータを挟んで巻くことによって、電極面積を大きくすることができ、充放電時に大電流を流すことができるという特徴を有するので好ましい。また、直方体形の電池は、二次電池を収納する機器の収納スペースを有効に利用することができる特徴を有するので好ましい。
<Battery shape and structure>
Examples of the shape of the battery in the present invention include a flat shape, a cylindrical shape, a rectangular parallelepiped shape, and a sheet shape. The structure of the battery includes, for example, a single-layer type, a multilayer type, a spiral type, and the like. Among them, a spiral cylindrical battery is preferable because it has a feature that the electrode area can be increased by winding a separator between the negative electrode and the positive electrode, and a large current can flow during charging and discharging. . Further, a rectangular parallelepiped battery is preferable because it has a feature that a storage space of a device for storing a secondary battery can be effectively used.
以下では、図5と図6を参照して、電池の形状と構造の一例についてより詳細な説明を行う。図5では単層式扁平形電池の概略断面図であり、図6はスパイラル式円筒形電池の概略的断面図を表している。 Hereinafter, an example of the shape and structure of the battery will be described in more detail with reference to FIGS. 5 and 6. FIG. 5 is a schematic sectional view of a single-layer flat battery, and FIG. 6 is a schematic sectional view of a spiral cylindrical battery.
図5と図6において、400は負極集電体、401は負極活物質層、402は負極、403は正極活物質層、404は正極集電体、405は負極端子(負極キャップ)、406は正極缶、407はセパレータ、408は正極、410は絶縁パッキング、411は絶縁板である。 5 and 6, 400 is a negative electrode current collector, 401 is a negative electrode active material layer, 402 is a negative electrode, 403 is a positive electrode active material layer, 404 is a positive electrode current collector, 405 is a negative electrode terminal (negative electrode cap), and 406 is A positive electrode can, 407 is a separator, 408 is a positive electrode, 410 is an insulating packing, and 411 is an insulating plate.
図5及び図6に示される電池の構成を組み立て方法の一例を説明する。 An example of a method of assembling the configuration of the battery shown in FIGS. 5 and 6 will be described.
まず、負極活物質層401と成形した正極活物質層403との間にセパレータ407を挟んで、正極缶406に組み込む。このとき、図6に示される電池ではセパレータ407を間にして負極に活物質層401と正極活物質層403とを対向させて巻上げられる。
First, a
次に、電解質を正極缶中に注入した後、負極キャップ405を絶縁パッキング410介して正極缶に配置する。
Next, after the electrolyte is injected into the positive electrode can, the
続いて、上記正極缶及び/または負極キャップの少なくとも一部をかしめることによって、電池は完成する。 Subsequently, the battery is completed by caulking at least a part of the positive electrode can and / or the negative electrode cap.
なお、上述したリチウム電池の材料調製、及び電池の組み立ては、水分が充分除去された乾燥空気中、または乾燥不活性ガス中で行うのが望ましい。 The above-described preparation of the lithium battery material and assembly of the battery are desirably performed in dry air from which moisture has been sufficiently removed or in a dry inert gas.
<絶縁パッキング>
本発明における絶縁パッキング410の材料としては、例えば、ポリオレフィン、フッ素樹脂、ポリアミド樹脂、ポリスルフォン樹脂、各種ゴムが使用できる。なお、電池の封口方法としては、図示されるような絶縁パッキングなどのガスケットを用いた「かしめ」以外にも、ガラス封管、接着剤、溶接、半田付けなどの方法を用いることもできる。
<Insulation packing>
As the material of the insulating packing 410 in the present invention, for example, polyolefin, fluorine resin, polyamide resin, polysulfone resin, and various rubbers can be used. As a method for sealing the battery, a method such as a glass tube, an adhesive, welding, or soldering can be used other than “caulking” using a gasket such as an insulating packing as illustrated.
また、図6に示される絶縁板411の材料としては、電解質や電池の使用環境(例えば温度など)に対して化学的に安定な各種有機樹脂材料やセラミックスが好適に用いられる。
As the material of the insulating
図5及び図6における外缶(ハウジング)は、電池の正極缶406及び負極キャップ405が相当する。外缶の材料としては、ステンレススチールが好適に用いられる。中でもと特にチタンクラッドステンレス板や銅クラッドステンレス板、ニッケルメッキ鋼板などが好適である。
The outer can (housing) in FIGS. 5 and 6 corresponds to the positive electrode can 406 and the
図5と図6では正極缶406や負極キャップ405が電池ケース(ハウジング)を兼ねているため、充分強度を持たせるという点から上記したようなステンレススチールが好ましい。但し、正極缶や負極キャップが電池ケースを兼用しない場合、つまり強度をそれほど要求されない場合には、電池ケースの材質としてはステンレススチール以外にも亜鉛などの各種金属または合金、ポリプロピレンなどのプラスチック、または金属もしくはガラス繊維とプラスチックの複合材が挙げられる。
In FIGS. 5 and 6, since the positive electrode can 406 and the
なお、電池には、通常電池の内圧が高まったときの安全策として、安全弁が備えられている。安全弁としては、例えば、ゴムやスプリングあるいは金属ボールや破裂箔などが使用できる。また、電池の一部の強度を落しておき、内圧が異常に高まったときにそこが先に破損される内圧が逃がされるようにしてもよい。 The battery is usually provided with a safety valve as a safety measure when the internal pressure of the battery increases. As the safety valve, for example, rubber, a spring, a metal ball, a burst foil, or the like can be used. Alternatively, the strength of a part of the battery may be reduced so that when the internal pressure becomes abnormally high, the internal pressure which is damaged first may be released.
以下、実施例に基づき本発明を詳細に説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail based on examples. Note that the present invention is not limited to these examples.
実施例1
本発明では、図5に示した構造のリチウム二次電池を作製した。負極にはアルミニウム箔を正極には多孔質中空の正極活物質を用いた。
Example 1
In the present invention, a lithium secondary battery having the structure shown in FIG. 5 was manufactured. An aluminum foil was used for the negative electrode, and a porous hollow positive electrode active material was used for the positive electrode.
以下では、図5を参照して、電池の各構成部の作製手順と、電池の組み立てについて説明する。 Hereinafter, with reference to FIG. 5, a description will be given of a procedure for manufacturing each component of the battery and an assembly of the battery.
(1)負極の作製手順
アルミニウム箔の表面の自然酸化膜4wt(重量)%水酸化ナトリウム水溶液でエッチング除去した後、20wt%硝酸水溶液で中和し水洗し、150℃で減圧乾燥し負極を作製した。
(1) Production procedure of negative electrode After removing the natural oxide film on the surface of the aluminum foil by etching with a 4 wt% aqueous sodium hydroxide solution, neutralizing with a 20 wt% aqueous nitric acid solution, washing with water, and drying at 150 ° C. under reduced pressure to produce a negative electrode. did.
(2)正極の作製手順
まず酢酸マンガン2M(mol/1)水溶液に、非イオン系界面活性剤(ポリオキシエチレンソルビタントリオレート)20g/lヘキサン溶液と容積比1対2に混合し、乳化機を用いて4000回転し1分間乳化し、エマルジョンを調製し、このエマルジョンに1Mのクエン酸リチウム水溶液を30分かけて滴下反応させた。
(2) Preparation of Positive Electrode First, a manganese acetate 2M (mol / 1) aqueous solution and a 20 g / l hexane solution of a nonionic surfactant (polyoxyethylene sorbitan triolate) were mixed at a volume ratio of 1: 2, and an emulsifier was prepared. The mixture was emulsified at 4,000 rpm for 1 minute to prepare an emulsion, and a 1M aqueous solution of lithium citrate was added dropwise to the emulsion over 30 minutes.
次に上記において調製した溶液を遠心分離機によって油層を分離除去した後、スプレードライヤーで乾燥し、次いで空気中400℃で焼成して、多孔質リチウム−マンガン酸化物粉を調製した。 Next, after the oil layer was separated and removed from the solution prepared above by a centrifugal separator, the oil layer was dried with a spray dryer, and then calcined at 400 ° C. in air to prepare a porous lithium-manganese oxide powder.
続いて上記で得られた多孔質リチウム−マンガン酸化物粉に、アセチレンブラックの炭素粉3wt(重量)%をポリフッ化ビニリデン粉5wt%を混合した後、N−メチルピロリドンを添加してペーストを調製した。 Subsequently, 3 wt% (weight) of carbon powder of acetylene black and 5 wt% of polyvinylidene fluoride powder are mixed with the porous lithium-manganese oxide powder obtained above, and N-methylpyrrolidone is added to prepare a paste. did.
さらに上記で得られたペーストを、アルミニウム箔に塗布乾燥した後、150℃で減圧乾燥して正極を作製した。 Further, the paste obtained above was applied to an aluminum foil and dried, and then dried under reduced pressure at 150 ° C. to produce a positive electrode.
走査電子顕微鏡からの観察では、上記で得られたリチウム−マンガン酸化物粉には多数の細孔と中空構造が観察された。 Observation from a scanning electron microscope showed that the lithium-manganese oxide powder obtained above had many pores and a hollow structure.
(3)電解液の作製手順
まず充分に水分を除去したエチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)とを、等量混合した溶媒を調製した。
(3) Preparation Procedure of Electrolyte First, a solvent was prepared by mixing equal amounts of ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) from which water had been sufficiently removed.
次に上記で得られた溶媒に、四フッ化ホウ酸リチウム塩を1M(mol/l)溶解したものを電解液として用いた。 Next, a solution obtained by dissolving lithium tetrafluoroborate 1M (mol / l) in the solvent obtained above was used as an electrolytic solution.
(4)セパレータ
ポリエチレンの微孔性フィルムをセパレータに用いた。
(4) Separator A microporous film of polyethylene was used for the separator.
(5)電池の組み立て
まず負極と正極の間に電解液を保液したセパレータを挟み、チタンクラッドのステンレススチール材を正極缶に挿入した。
(5) Assembly of Battery First, a separator holding an electrolyte was sandwiched between a negative electrode and a positive electrode, and a titanium clad stainless steel material was inserted into a positive electrode can.
続いてポリプロピレンの絶縁パッキングを配置した後チタンクラッドのステンレススチール材の負極キャップをかぶせ正極缶と負極キャップとをかしめてリチウム二次電池を作製した。なお、作製された電池は充電によって使用可能となる。 Subsequently, an insulating packing made of polypropylene was placed, and a negative electrode cap made of a titanium clad stainless steel material was put thereon, and then the positive electrode can and the negative electrode cap were crimped to produce a lithium secondary battery. Note that the manufactured battery can be used by charging.
以下では、作製した電池の性能評価について説明する。性能評価は、充放電サイクル試験において得られる、電池の単位体積当たりのエネルギー密度と、サイクル寿命について行った。 Hereinafter, performance evaluation of the manufactured battery will be described. The performance evaluation was performed on the energy density per unit volume of the battery and the cycle life obtained in the charge / discharge cycle test.
サイクル試験の条件は、正極活物質から計算される電気容量を基準として、1C(容量/時間の1倍の電流)の充放電と、30分の休憩時間からなるサイクルを1サイクルとした。電池の充放電試験は、北斗電工製HJ−106Mを使用した。なお、充放電試験は、充電より開始し、電池容量は3サイクル目の放電量とし、サイクル寿命は電池容量の60%を下回ったサイクル回数とした。また、充電のカットオフ電圧を4.5V、放電のカットオフ電圧を2.5Vに設定した。 The cycle test conditions were based on the electric capacity calculated from the positive electrode active material as a reference, and a cycle consisting of charging and discharging of 1 C (current of one time of capacity / time) and a 30-minute rest time was defined as one cycle. The charge / discharge test of the battery used HJ-106M manufactured by Hokuto Denko. The charge / discharge test was started from charging, the battery capacity was the discharge amount in the third cycle, and the cycle life was the number of cycles that was less than 60% of the battery capacity. Further, the cut-off voltage for charging was set to 4.5 V, and the cut-off voltage for discharging was set to 2.5 V.
比較例1
本例では以下に説明するように正極物質を実施例1とは異なる方法で調製した以外は、実施例1と同様にして二次電池を作製した。
Comparative Example 1
In this example, a secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the cathode material was prepared by a method different from that in Example 1 as described below.
正極の作製手順
まず酢酸マンガン2M(mol/l)水溶液に、1Mノクエン酸リチウム水溶液を30分かけて滴下反応させた。
First, a 1M aqueous solution of lithium citrate was dropped and reacted with a 2M (mol / l) aqueous solution of manganese acetate over 30 minutes.
次に上記工程において調製した溶液をスプレードライヤーで乾燥し、次いで空中400℃で焼成して、リチウム−マンガン酸化物粉を調製した。 Next, the solution prepared in the above step was dried with a spray drier, and then calcined at 400 ° C. in the air to prepare a lithium-manganese oxide powder.
さらに上記工程で得られたリチウム−マンガン酸化物粉に、アセチレンブラックの炭素粉3wt(重量)%をポリフッ化ビニリデン粉5wt%を混合した後、N−メチルピロリドンを添加してペーストを調製した。 Further, 3 wt% (weight) of carbon powder of acetylene black and 5 wt% of polyvinylidene fluoride powder were mixed with the lithium-manganese oxide powder obtained in the above step, and N-methylpyrrolidone was added to prepare a paste.
続いて上記工程で得られたペーストを、アルミニウム箔を乾燥した後、150℃で減圧乾燥して正極を作製した。 Subsequently, the paste obtained in the above step was dried under reduced pressure at 150 ° C. after drying the aluminum foil to prepare a positive electrode.
走査電子顕微鏡からの観察では、得られたリチウム−マンガン酸化物粉には中空構造は観察されなかった。 In the observation from the scanning electron microscope, no hollow structure was observed in the obtained lithium-manganese oxide powder.
他の点は実施例1と同様にした。 The other points were the same as in Example 1.
表1は、実施例1と比較例1で作製したリチウム二次電池の性能評価についてまとめたものである。但し、サイクル寿命、充電電気量に対する放電電気量の比である充放電効率と電池の単位体積当たりのエネルギー密度(放電容量)に関する評価結果は、実施例1の値を、比較例1の値を1.0として規格化して記載した。 Table 1 summarizes the performance evaluations of the lithium secondary batteries produced in Example 1 and Comparative Example 1. However, the evaluation results of the cycle life, the charge / discharge efficiency, which is the ratio of the amount of discharge electricity to the amount of charge electricity, and the energy density per unit volume of the battery (discharge capacity) are the values of Example 1 and the values of Comparative Example 1. Normalized and described as 1.0.
表1からわかるように、実施例1に示されるように多孔質中空構造を利用した正極活物質を二次電池に採用することによって、サイクル寿命が長く、充放電効率も高まり、かつ、高エネルギー密度を有するリチウム二次電池が得られることがわかった。 As can be seen from Table 1, by employing the positive electrode active material utilizing the porous hollow structure in the secondary battery as shown in Example 1, the cycle life is increased, the charge / discharge efficiency is increased, and the energy is increased. It was found that a lithium secondary battery having a high density was obtained.
実施例2
本実施例も同様に図5に示した構造のリチウム二次電池を作製した。中空多孔質活物質の中空部に導電体を設けた多孔質活物質を用いて作製した正極を用いた点が実施例1とは異なる。
Example 2
In this example, a lithium secondary battery having the structure shown in FIG. 5 was similarly manufactured. Example 2 is different from Example 1 in that a positive electrode manufactured using a porous active material in which a conductor is provided in a hollow portion of a hollow porous active material is used.
以下では、正極の作製手順について説明する。 Hereinafter, a procedure for manufacturing the positive electrode will be described.
正極の作製手順
まずニッケル微粉末を分散させて酢酸マンガン2M(mol/1)水溶液に、非イオン系界面活性剤(ポリオキシエチレンソルビタントリオレート)20g/lヘキサン溶液と容積比1対2に混合し、乳化機を用いて4000回転で1分間乳化し、エマルジョンを調製し、このエマルジョンに1Mに水酸化リチウム水溶液を30分かけて滴下反応させた。
Preparation procedure of positive electrode First, nickel fine powder was dispersed and mixed with a 2M (mol / 1) aqueous solution of manganese acetate and a 20 g / l hexane solution of a nonionic surfactant (polyoxyethylene sorbitan triolate) at a volume ratio of 1: 2. Then, the mixture was emulsified for 1 minute at 4000 rotations using an emulsifier to prepare an emulsion, and a 1 M aqueous solution of lithium hydroxide was dropwise added to the emulsion over 30 minutes.
次に上記工程において調製した溶液を遠心分離機によって油層を分離除去した後、スプレードライヤーで水層と沈澱層を一緒に乾燥し、次いで空気中400℃で焼成して、多孔質リチウム−マンガン酸化物粉を調製した。 Next, after separating and removing the oil layer of the solution prepared in the above step by a centrifugal separator, the aqueous layer and the precipitated layer are dried together with a spray drier, and then calcined at 400 ° C. in air to form a porous lithium-manganese oxide. A flour was prepared.
続いて上記工程で得られた多孔質リチウム−マンガン酸化物粉に、アセチレンブラックの炭素粉3wt(重量)%とポリフッ化ビリニデン粉5wt%を混合した後、N−メチルピロロドンを添加してペーストを調製した。 Subsequently, 3 wt% (weight) of carbon powder of acetylene black and 5 wt% of polyvinylidene fluoride powder are mixed with the porous lithium-manganese oxide powder obtained in the above step, and N-methylpyrrolodone is added to paste. Was prepared.
さらに上記工程で得られたペーストを、アルミニウム箔に塗布乾燥した後、150℃で減圧乾燥して正極を作製した。 Further, the paste obtained in the above step was applied to an aluminum foil and dried, and then dried at 150 ° C. under reduced pressure to produce a positive electrode.
他の点は実施例1と同様にして二次電池を作製した。 In other respects, a secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1.
比較例2
本比較例では正極物質の調製方法のみを以下のように実施例2と異ならせた。
Comparative Example 2
In this comparative example, only the method for preparing the positive electrode material was different from that in Example 2 as follows.
まずニッケル微粉末を分離させた酢酸マンガン2M(mol/l)水溶液に、1Mの水酸化リチウム水溶液を30分かけて滴下反応させた。 First, a 1M aqueous solution of lithium hydroxide was dropped and reacted with a 2M (mol / l) aqueous solution of manganese acetate from which nickel fine powder had been separated over 30 minutes.
次に上記工程において調製した溶液をスプレードライヤーで乾燥し、次いで空気中400℃で焼成して、リチウム−マンガン酸化物粉を調製した。 Next, the solution prepared in the above step was dried with a spray drier and then calcined at 400 ° C. in air to prepare a lithium-manganese oxide powder.
続いて上記工程で得られたリチウムーマンガン酸化物に、アセチレンブラックの炭素粉3wt(重量)%とポリフッ化ビニリデン粉5wt%を混合した後、N−メチルピロリドンを添加してペーストを調製した。 Subsequently, 3 wt% (weight) of carbon powder of acetylene black and 5 wt% of polyvinylidene fluoride powder were mixed with the lithium-manganese oxide obtained in the above step, and N-methylpyrrolidone was added to prepare a paste.
さらに上記工程で得られたペーストを、アルミニウム箔に塗布乾燥した後、150℃で減圧乾燥して正極を作製した。 Further, the paste obtained in the above step was applied to an aluminum foil and dried, and then dried at 150 ° C. under reduced pressure to produce a positive electrode.
他の点は実施例2と同様にして二次電池を作製した。 In other respects, a secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 2.
表2は、実施例2と比較例2で作製したリチウム二次電池の性能評価についてまとめたものである。但し、サイクル寿命、充放電効率と電池の単位体積当たりのエネルギー密度(放電容量)に関する評価結果は、実施例1の値を、比較例2の値を1.0として規格化して記載した、なお、試験方法は実施例1に倣った。 Table 2 summarizes the performance evaluations of the lithium secondary batteries produced in Example 2 and Comparative Example 2. However, the evaluation results regarding cycle life, charge / discharge efficiency, and energy density (discharge capacity) per unit volume of the battery were described by standardizing the value of Example 1 and the value of Comparative Example 2 as 1.0. The test method followed that of Example 1.
以上のように、実施例2に示されるように多孔質中空構造を利用した正極活物質を二次電池に採用することによって、サイクル寿命が長く、充放電効率も高まり、かつ、高エネルギー密度を有するリチウム二次電池が得られることがわかった。 As described above, by employing the positive electrode active material utilizing the porous hollow structure in the secondary battery as shown in Example 2, the cycle life is increased, the charge / discharge efficiency is increased, and the high energy density is improved. It was found that a lithium secondary battery having the above was obtained.
参考例1
本参考例においても、図5に示した構造のリチウム二次電池を作製した。負極活物質に多孔質中空カーボンを用いた点が実施例1及び実施例2と大きく異なる。負極と正極以外は実施例1と同様にした。
Reference Example 1
Also in this reference example, a lithium secondary battery having the structure shown in FIG. 5 was manufactured. The point that the porous hollow carbon is used as the negative electrode active material is significantly different from the first and second embodiments. Except for the negative electrode and the positive electrode, the procedure was the same as in Example 1.
以下では、電池の負極と正極の作製手順についてのみ説明する。 Hereinafter, only the procedure for producing the negative electrode and the positive electrode of the battery will be described.
(1)負極の作製手順
まずポリフルフリルアルコールのテトラヒドロフラン溶液にソルビタンモノウレート30g/lを添加し、水とポリフルフリルアルコールの炭素原子に対して20原子%のテトラフェニルほう酸ナトリウムをさらに混合して、乳化機を用いて3000回転で1分間乳化し、エマルジョンを調製した。
(1) Preparation procedure of negative electrode First, 30 g / l of sorbitan monourate is added to a solution of polyfurfuryl alcohol in tetrahydrofuran, and water and 20 atomic% of sodium tetraphenylborate with respect to carbon atoms of polyfurfuryl alcohol are further mixed. The mixture was emulsified at 3000 rpm for 1 minute using an emulsifier to prepare an emulsion.
次に上記工程で得られたエマルジョンをエタノールに滴下し、沈澱物を乾燥の後、アルゴンガス下で800℃で焼成してカーボン粉を調製した。 Next, the emulsion obtained in the above step was dropped into ethanol, and the precipitate was dried and then calcined at 800 ° C. under argon gas to prepare a carbon powder.
続いて上記工程で得られたカーボン粉にポリフッ化ビニリデン粉5wt%を混合した後、N−メチルピロリドンを添加してペーストを調製した。 Subsequently, 5 wt% of polyvinylidene fluoride powder was mixed with the carbon powder obtained in the above step, and N-methylpyrrolidone was added to prepare a paste.
さらに上記工程で得られたペーストを、銅箔に塗布乾燥した後、150℃で減圧乾燥して負極を作製した。 Further, the paste obtained in the above step was applied to a copper foil and dried, and then dried at 150 ° C. under reduced pressure to produce a negative electrode.
走査電子顕微鏡からの観察では、上記工程で得られたカーボン粉には多数の細孔と中空構造が観察された。また、元素分析の結果、上記工程で得られたカーボン粉はほう素を含有していることが判明した。 Observation from a scanning electron microscope revealed that the carbon powder obtained in the above step had many pores and a hollow structure. Further, as a result of elemental analysis, it was found that the carbon powder obtained in the above step contained boron.
(2)正極の作製手順
まず電解二酸化マンガンと炭酸リチウムを1:0.4のモル比で混合した後、800℃で熱処理して、リチウム−マンガン酸化物を調製した。
(2) Preparation of positive electrode First, electrolytic manganese dioxide and lithium carbonate were mixed at a molar ratio of 1: 0.4, and then heat-treated at 800 ° C. to prepare a lithium-manganese oxide.
次に上記工程において調製したリチウム−マンガン酸化物に、アセチレンブラックの炭素粉を3wt(重量)%とポリフッ化ビニリデン粉5wt%を混合した後、N−メチルピロリドンを添加してペーストを調製した。 Next, 3 wt% (weight) of carbon powder of acetylene black and 5 wt% of polyvinylidene fluoride powder were mixed with the lithium-manganese oxide prepared in the above step, and N-methylpyrrolidone was added to prepare a paste.
続いて上記工程で得られたペーストを、アルミニウム箔に塗布乾燥した後、150℃で減圧乾燥して正極を作製した。 Subsequently, the paste obtained in the above step was applied to an aluminum foil and dried, and then dried at 150 ° C. under reduced pressure to produce a positive electrode.
他の点は実施例1と同様にして二次電池を作製した。 In other respects, a secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1.
比較例3
本例では負極活物質の調製方法のみを参考例1と異ならせ二次電池を作製した。
Comparative Example 3
In this example, a secondary battery was manufactured by differentiating only the method of preparing the negative electrode active material from Reference Example 1.
まず天然黒鉛微粉末に、ポリフッ化ビリニデン粉5wt%を混合した後、N−メチルピロリドンを添加してペーストを調製した。 First, 5 wt% of polyvinylidene fluoride powder was mixed with natural graphite fine powder, and N-methylpyrrolidone was added to prepare a paste.
次に上記工程で得られたペーストを、銅箔に塗布乾燥した後、150℃で減圧乾燥して負極を作製した。 Next, the paste obtained in the above step was applied to a copper foil and dried, and then dried at 150 ° C. under reduced pressure to produce a negative electrode.
走査電子顕微鏡からの観察では、上記天然黒鉛粉には中空構造は観察されなかった。 In the observation from the scanning electron microscope, no hollow structure was observed in the natural graphite powder.
他の点は参考例1と同様にした。 Other points were the same as in Reference Example 1.
表3は、参考例1と比較例3で作製したリチウム二次電池の性能評価についてまとめたものである。但し、サイクル寿命、充放電効率と電池の単位体積当たりのエネルギー密度(放電容量)に関する評価結果は、参考例1の値を、比較例3の値を1.0として規格化して記載した。 Table 3 summarizes the performance evaluations of the lithium secondary batteries produced in Reference Example 1 and Comparative Example 3. However, the evaluation results regarding the cycle life, charge / discharge efficiency, and energy density (discharge capacity) per unit volume of the battery were described by standardizing the value of Reference Example 1 and the value of Comparative Example 3 as 1.0.
以上のように、参考例1に示されるように多孔質中空構造を利用した負極活物質を二次電池に採用することによって、サイクル寿命が長く、充放電効率も高まり、かつ、高エネルギー密度を有するリチウム二次電池が得られることがわかった。 As described above, by adopting the negative electrode active material using the porous hollow structure in the secondary battery as shown in Reference Example 1, the cycle life is long, the charge / discharge efficiency is increased, and the high energy density is improved. It was found that a lithium secondary battery having the above was obtained.
実施例3
本実施例においても、図5に示した構造のリチウム二次電池を作製した。参考例1とは別の調製方法で調製した多孔質中空カーボンを用いて作製した負極を用いた点が、参考例1とは異なる。
Example 3
Also in this example, a lithium secondary battery having the structure shown in FIG. 5 was manufactured. Reference Example 1 differs from Reference Example 1 in that a negative electrode manufactured using porous hollow carbon prepared by a different preparation method from Reference Example 1 was used.
以下では、負極の作製手順について説明する。 Hereinafter, a procedure for manufacturing the negative electrode will be described.
(1)負極の作製手順
まず木炭を空気中300℃で酸化処理した後、水酸化カリウム水溶液に浸してエッチング処理を行い、減圧乾燥した。窒素ガス雰囲気下で2000℃で焼成した後、粉砕してカーボン粉を調製した。
(1) Production procedure of negative electrode First, charcoal was oxidized in air at 300 ° C., then immersed in an aqueous solution of potassium hydroxide, etched, and dried under reduced pressure. After firing at 2000 ° C. in a nitrogen gas atmosphere, the powder was pulverized to prepare a carbon powder.
次に、上記工程で得られたカーボン粉にポリフッ化ビニリデン5wt%を混合した後、N−メチルピロリドンを添加してペーストを調製した。 Next, 5 wt% of polyvinylidene fluoride was mixed with the carbon powder obtained in the above step, and N-methylpyrrolidone was added to prepare a paste.
続いて、上記工程で得られたペーストを、銅箔に塗布乾燥した後、150℃で減圧乾燥して負極を作製した。 Subsequently, the paste obtained in the above process was applied to a copper foil and dried, and then dried at 150 ° C. under reduced pressure to produce a negative electrode.
走査電子顕微鏡からの観察では、上記工程で得られたカーボン粉には多数の細孔と中空の管状構造が観察された。 Observation from a scanning electron microscope showed that the carbon powder obtained in the above step had many pores and a hollow tubular structure.
他の点は参考例1と同様にして二次電池を作製した。 In other respects, a secondary battery was manufactured in the same manner as in Reference Example 1.
表4は、実施例3と比較例3で作製したリチウム二次電池の性能評価についてまとめたものである。但し、サイクル寿命、充放電効率と電池の単位体積当たりのエネルギー密度(放電容量)に関する評価結果は、実施例3の値を、比較例3の値を1.0として規格化して記載した。 Table 4 summarizes the performance evaluations of the lithium secondary batteries produced in Example 3 and Comparative Example 3. However, the evaluation results regarding the cycle life, the charge / discharge efficiency, and the energy density (discharge capacity) per unit volume of the battery were described by standardizing the value of Example 3 with the value of Comparative Example 3 being 1.0.
以上のように、実施例3に示されるように多孔質中空構造を利用した負極活物質を二次電池に採用することによって、サイクル寿命が長く、充放電効率も高まり、かつ、高エネルギー密度を有するリチウム二次電池が得られることがわかった。 As described above, by employing the negative electrode active material using the porous hollow structure in the secondary battery as shown in Example 3, the cycle life is increased, the charge / discharge efficiency is increased, and the high energy density is improved. It was found that a lithium secondary battery having the above was obtained.
実施例4
本実施例においても図5に示した構造のリチウム二次電池を作製した。本実施例では多孔質中空の正極活物質を利用して作製した正極と多孔質中空カーボンを利用して作製した負極を用いた。
Example 4
Also in this example, a lithium secondary battery having the structure shown in FIG. 5 was manufactured. In this example, a positive electrode manufactured using a porous hollow positive electrode active material and a negative electrode manufactured using porous hollow carbon were used.
以下では、負極と正極の作製手順について説明する。 Hereinafter, a procedure for manufacturing the negative electrode and the positive electrode will be described.
(1)負極の作製手順
まずポリフルフリルアルコールのテトラヒドロフラン溶液にソルビタンモノウレート30g/1と水を添加して乳化機を用いて3000回転で1分間乳化し、エマルジョンを調製した。
(1) Production procedure of negative electrode First, 30 g / 1 of sorbitan monourate and water were added to a solution of polyfurfuryl alcohol in tetrahydrofuran and emulsified at 3000 rpm for 1 minute using an emulsifier to prepare an emulsion.
次に、上記工程で得られたエマルジョンをエタノールに滴下し、沈澱物を乾燥の後アルゴンガス下で700℃で焼成してカーボン粉を調製した。 Next, the emulsion obtained in the above step was dropped into ethanol, and the precipitate was dried and calcined at 700 ° C. under argon gas to prepare a carbon powder.
続いて上記工程で得られたカーボン粉にポリフッ化ビニリデン粉5wt%を混合した後、N−メチルピロリドンを添加してペーストを調製した。 Subsequently, 5 wt% of polyvinylidene fluoride powder was mixed with the carbon powder obtained in the above step, and N-methylpyrrolidone was added to prepare a paste.
さらに上記工程で得られたペーストを、銅箔に塗布乾燥した後、150℃で減圧乾燥して負極を作製した。 Further, the paste obtained in the above step was applied to a copper foil and dried, and then dried at 150 ° C. under reduced pressure to produce a negative electrode.
走査電子顕微鏡からの観察では、上記工程で得られたカーボン粉には多数の細孔と中空構造が観察された。 Observation from a scanning electron microscope revealed that the carbon powder obtained in the above step had many pores and a hollow structure.
(2)正極の作製手順
まず酢酸ニッケル2M(mol/l)水溶液に、非イオン系界面活性剤(ポリオキシエチレンソルビタントリオレート)20g/lヘキサン溶液と容積比1対1に混合し、乳化機を用いて4000回転で1分間乳化し、エマルジョンを調製し、このエマルジョンに1Mのクエン酸リチウム水溶液を30分かけて滴下反応させた。
(2) Preparation of Positive Electrode First, a 2 M (mol / l) aqueous solution of nickel acetate was mixed with a 20 g / l hexane solution of a nonionic surfactant (polyoxyethylene sorbitan triolate) at a volume ratio of 1: 1. The mixture was emulsified at 4,000 rpm for 1 minute to prepare an emulsion, and a 1M aqueous solution of lithium citrate was added dropwise to the emulsion over 30 minutes.
次に上記工程において調製した溶液を遠心分離機によって油層を分離除去した後、スプレードライヤーで乾燥し、次いで空気中650℃で焼成して、多孔質リチウム−ニッケル酸化物粉を調製した。 Next, the solution prepared in the above step was separated and removed from the oil layer by a centrifugal separator, dried with a spray dryer, and then calcined at 650 ° C. in air to prepare a porous lithium-nickel oxide powder.
続いて上記工程で得られた多孔質リチウム−ニッケル酸化物粉に、アセチレンブラックの炭素粉3wt(重量)%とポリフッ化ビリニデン粉5wt%を混合した後、N−メチルピロリドンを添加してペーストを調製した。 Subsequently, 3 wt% (weight) of carbon powder of acetylene black and 5 wt% of polyvinylidene fluoride powder were mixed with the porous lithium-nickel oxide powder obtained in the above step, and N-methylpyrrolidone was added to paste the paste. Prepared.
さらに上記工程で得られたペーストを、アルミニウム箔に塗布乾燥した後、150℃で減圧乾燥して正極を作製した。 Further, the paste obtained in the above step was applied to an aluminum foil and dried, and then dried at 150 ° C. under reduced pressure to produce a positive electrode.
走査電子顕微鏡からの観察では、上記工程で得られたリチウム−ニッケル酸化粉には多数の細孔と中空構造が観察された。 Observation from a scanning electron microscope revealed that the lithium-nickel oxide powder obtained in the above step had many pores and a hollow structure.
他の点は実施例1と同様にして二次電池を作製した。 In other respects, a secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1.
比較例4
本例では実施例4と異なる方法で正極活物質を調製して正極を作製した。また、負極には比較例3と同じ負極を使用した。
Comparative Example 4
In this example, a positive electrode was prepared by preparing a positive electrode active material by a method different from that in Example 4. The same negative electrode as in Comparative Example 3 was used as the negative electrode.
正極の作製手順
まず炭酸ニッケルと硝酸リチウムを1:1のモル比で混合した後、650℃で熱処理して、リチウムーニッケル酸化物を調製した。
First, nickel carbonate and lithium nitrate were mixed at a molar ratio of 1: 1 and then heat-treated at 650 ° C. to prepare a lithium-nickel oxide.
次に上記工程において調製したリチウム−ニッケル酸化物に、アセチレンブラックの炭素粉3wt(重量)%とポリフッ化ビリニデン粉5wt%を混合した後、N−メチルピロリドンを添加した。 Next, 3 wt% (weight) of carbon powder of acetylene black and 5 wt% of polyvinylidene fluoride powder were mixed with the lithium-nickel oxide prepared in the above step, and then N-methylpyrrolidone was added.
続いて上記工程で得られたペーストを、アルミニウム箔に塗布乾燥した後、150℃で減圧乾燥して正極を作製した。 Subsequently, the paste obtained in the above step was applied to an aluminum foil and dried, and then dried at 150 ° C. under reduced pressure to produce a positive electrode.
走査電子顕微鏡からの観察では、上記工程で得られたリチウム−ニッケル酸化物粉には中空構造は観察されなかった。 According to observation by a scanning electron microscope, no hollow structure was observed in the lithium-nickel oxide powder obtained in the above step.
他の点は実施例1と同様にして二次電池を作製した。 In other respects, a secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1.
表5は、実施例5と比較例4で作製したリチウム二次電池の性能評価についてまとめたものである。但し、サイクル寿命、充放電効率と電池の単位体積当たりのエネルギー密度(放電容量)に関する評価結果は、実施例4の値を、比較例4の値を1.0として規格化して記載した。 Table 5 summarizes the performance evaluations of the lithium secondary batteries produced in Example 5 and Comparative Example 4. However, the evaluation results regarding the cycle life, charge / discharge efficiency, and energy density (discharge capacity) per unit volume of the battery were described by standardizing the value of Example 4 and the value of Comparative Example 4 as 1.0.
以上のように、実施例4に示されるように多孔質中空構造を利用した正極活物質と多孔質中空構造を利用した負極活物質を二次電池に採用することによって、サイクル寿命が長く、充放電効率も高まり、かつ、高エネルギー密度を有するリチウム二次電池が得られることがわかった。 As described above, by employing the positive electrode active material using the porous hollow structure and the negative electrode active material using the porous hollow structure in the secondary battery as shown in Example 4, the cycle life is long and the It was found that the discharge efficiency was improved and a lithium secondary battery having a high energy density was obtained.
参考例2
本参考例においても図5に示した構造のリチウム二次電池を作製した。負極には多孔質中空の金属粉を利用して作製した負極を用いた。正極には比較例4で説明したのと同じ正極を用いた。
Reference Example 2
Also in this reference example, a lithium secondary battery having the structure shown in FIG. 5 was manufactured. As the negative electrode, a negative electrode manufactured using a porous hollow metal powder was used. The same positive electrode as described in Comparative Example 4 was used as the positive electrode.
負極の作製手順
まず硝酸銅3M(mol/l)水溶液に、非イオン系界面活性剤(ポリオキシエチレンソルビタントリオレート)30g/1ヘキサン溶液と容積比1対2に混合し、乳化機を用いて4000回転で1分間乳化し、エマルジョンを調製し、このエマルジョンに1Mの水酸化ナトリウム水溶液を30分かけて滴下反応させた。
Preparation procedure of negative electrode First, a 3 M (mol / l) aqueous solution of copper nitrate was mixed with a 30 g / 1 hexane solution of a nonionic surfactant (polyoxyethylene sorbitan triolate) at a volume ratio of 1: 2, and an emulsifier was used. The mixture was emulsified at 4000 rotations for 1 minute to prepare an emulsion, and a 1M aqueous solution of sodium hydroxide was added dropwise to the emulsion over 30 minutes.
次に上記工程において調製した溶液を遠心分離機によって油層を分離除去し、デカンテーションによって水洗した後、スプレードライヤーで水層と沈澱層ごと乾燥し、次いで350℃で焼成して、多孔質の銅酸化物粉を調製した。 Next, the solution prepared in the above step is separated and removed from the oil layer by a centrifugal separator, washed with water by decantation, dried by a spray dryer together with the water layer and the precipitated layer, and then calcined at 350 ° C. An oxide powder was prepared.
続いて上記工程で得られた多孔質の銅酸化物粉を水素ガス雰囲気下400℃で還元して多孔質中空の銅粉を調製した後、微量酸素を導入して表面をわずか酸化して表面皮膜を形成した。 Subsequently, the porous copper oxide powder obtained in the above step is reduced at 400 ° C. in a hydrogen gas atmosphere to prepare a porous hollow copper powder, and then a slight amount of oxygen is introduced to slightly oxidize the surface and the surface is slightly oxidized. A film was formed.
さらに上記工程で得られた多孔質中空の銅粉に、アセチレンブラックの炭素粉3wt(重量)%とポリフッ化ビニリデン粉5wt%を混合した後、N−メチルピロリドンを添加してペーストを調製した。 Further, 3 wt% (weight) of carbon powder of acetylene black and 5 wt% of polyvinylidene fluoride powder were mixed with the porous hollow copper powder obtained in the above step, and N-methylpyrrolidone was added to prepare a paste.
次に上記工程で得られたペーストを、銅箔に塗布乾燥した後、150℃で減圧乾燥して負極を作製した。 Next, the paste obtained in the above step was applied to a copper foil and dried, and then dried at 150 ° C. under reduced pressure to produce a negative electrode.
走査電子顕微鏡からの観察では、上記工程で得られた銅粉には多数の細孔と中空構造が観察された。 Observation from a scanning electron microscope revealed that the copper powder obtained in the above step had many pores and a hollow structure.
他の点は実施例1と同様にして二次電池を作製した。 In other respects, a secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1.
比較例5
本例では参考例2と異なる方法で負極を作製した。正極には比較例4で使用したのと同じ正極を使用した。
Comparative Example 5
In this example, a negative electrode was manufactured by a method different from that of Reference Example 2. The same positive electrode as that used in Comparative Example 4 was used as the positive electrode.
負極の製作手順
まず銅粉に、アセチレンブラックの炭素粉3wt(重量)%とポリフッ化ピリニデン粉5wt%を混合した後、N−メチルピロリドンを添加してペーストを調製した。
Production procedure of negative electrode First, 3 wt% (weight) of carbon powder of acetylene black and 5 wt% of polypyridinene fluoride powder were mixed with copper powder, and N-methylpyrrolidone was added to prepare a paste.
次に上記工程で得られたペーストを、銅箔に塗布乾燥した後、150℃で減圧乾燥して負極を作製した。他の点は参考例2と同様にして二次電池を作製した。 Next, the paste obtained in the above step was applied to a copper foil and dried, and then dried at 150 ° C. under reduced pressure to produce a negative electrode. In other respects, a secondary battery was manufactured in the same manner as in Reference Example 2.
表6は、参考例2と比較例5で作製したリチウム二次電池の性能評価についてまとめたものである。但し、サイクル寿命、充放電効率と電池の単位体積当たりのエネルギー密度(放電容量)に関する評価結果は、参考例2の値を、比較例5の値を1.0として規格化して記載した。 Table 6 summarizes the performance evaluations of the lithium secondary batteries produced in Reference Example 2 and Comparative Example 5. However, the evaluation results regarding the cycle life, charge / discharge efficiency and energy density (discharge capacity) per unit volume of the battery were described by standardizing the value of Reference Example 2 and the value of Comparative Example 5 as 1.0.
以上のように、参考例2に示されるように多孔質中空構造を利用した負極活物質を二次電池に採用することによって、サイクル寿命が長く、充放電効率も高まり、かつ、高エネルギー密度を有するリチウム二次電池が得られることがわかった。 As described above, by adopting the negative electrode active material using the porous hollow structure in the secondary battery as shown in Reference Example 2, the cycle life is long, the charge / discharge efficiency is increased, and the high energy density is improved. It was found that a lithium secondary battery having the above was obtained.
なお、上記実施例1〜4では、正極活物質として、負極の性能を評価するために、リチウム−マンガン酸化物もしくはリチウム−ニッケル酸化物を使用した。しかし、本発明はこれに限定されるものでなく、リチウム−コバルト酸化物、リチウム−バナジウム酸化物、など上述した各種の正極活物質も採用できる。 In Examples 1 to 4, a lithium-manganese oxide or a lithium-nickel oxide was used as the positive electrode active material in order to evaluate the performance of the negative electrode. However, the present invention is not limited to this, and various kinds of positive electrode active materials described above such as lithium-cobalt oxide and lithium-vanadium oxide can be adopted.
また、電解液に関しても、実施例1〜実施例4まで1種類のものを使用したが、本発明はこれに限定されるものではない。 In addition, as for the electrolytic solution, one type was used in Examples 1 to 4, but the present invention is not limited to this.
さらに本発明は上述した電池形状などに限定されるものでもない。 Further, the present invention is not limited to the above-described battery shape and the like.
つまり、本発明は本発明の主旨の範囲において、適宜変形、組み合わせ可能である。 That is, the present invention can be appropriately modified and combined within the scope of the present invention.
100 活物質構成材料
101 細孔
102 中空部
103 表皮層
104 中空部に設けた導電体
200 集電体
201 多孔質中空活物質
202 結着剤
203 活物質層
204 正極または負極
301,402 負極
302,408 正極
303 電解質
304 セパレータ
305 負極端子
306 正極端子
307 電池ケース
401 負極活物質
402 負極
403 正極活物質
404 正極集電体
405 負極キャップ(負極端子)
406 正極缶(正極端子)
407 電解液を保持したセパレータ
408 正極
410 絶縁パッキング
411 絶縁板
406 Positive electrode can (positive electrode terminal)
407
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