JP2004348983A - Secondary battery - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a secondary battery using ion radical and/or O<SB>2</SB><SP>2-</SP>ion radical and/or O<SP>-</SP>ion radical as active oxygen species for a redox reaction. <P>SOLUTION: The secondary battery is provided with a positive electrode having a positive electrode active substance layer containing a compound expressed in a composition formula: Li<SB>y</SB>Ca<SB>12</SB>Al<SB>14-x</SB>Si<SB>x</SB>O<SB>33+x</SB>/<SB>2</SB>(provided, 0≤x≤4, 0≤y≤30) having a structure subsuming active oxygen species of O<SB>2</SB><SP>-</SP>, O<SB>2</SB><SP>2-</SP>, and O<SP>-</SP>in addition to O<SP>2-</SP>in high density in a skeleton structure, a negative electrode having a negative electrode active substance layer containing a compound expressed in a composition formula: Ca<SB>12</SB>Al<SB>14-x</SB>Si<SB>x</SB>O<SB>33+x</SB>/<SB>2</SB>(provided, 0≤x≤4) having a structure subsuming active oxygen species of O<SP>2-</SP>, O<SB>2</SB><SP>2-</SP>and O<SP>-</SP>in addition to O<SP>2-</SP>in high density in a skeleton structure, and nonaqueous electrolyte solution. This will be a 3V-class secondary battery in a battery system using an active substance material not containing transition metal. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可逆性電極材料、それを用いた可逆性電極の製造方法及びその可逆性電極を用いた二次電池に関するものであり、更に詳しくは、活性酸素種を高濃度に包接した構造を有する組成式Ca12Al14−xSi33+x/2(ただし0≦x≦4)で表されるマイエナイト様化合物(以下、単にマイエナイトと記載する。
)を活物質として用いた新しいタイプの二次電池に関するものである。
本発明は、燃料電池に続く大型の次世代技術としてその普及及び発展が強く期待されている二次電池の分野において、上記マイエナイトを活物質として利用した全く新しい基本原理に基づく新規二次電池を提供するものとして有用である。
【0002】
【従来の技術】
従来、パソコン、ビデオカメラ、携帯電話等の小型化に伴い、情報関連機器、通信機器の分野では、これらの機器に用いる電源として、リチウムイオン二次電池が実用化され、広く普及するに至っている。このリチウム二次電池は、一般に、正極活物質にリチウム遷移金属複合酸化物を用いた正極と、負極活物質に金属リチウム、炭素材料等を用いた負極と、リチウム塩を支持塩としてこれを有機溶媒に溶解した電解液とから構成されている。この電池は、充電時には正極から脱離したリチウムが負極に吸蔵され、逆に放電時には負極から脱離したリチウムが正極に吸蔵されるという電池反応を繰り返す二次電池であり、リチウムをキャリアとするロッキングチェア型の二次電池である。
【0003】
このリチウム二次電池において、負極活物質として用いる金属リチウムあるいは炭素材料は、リチウムとの反応電位が低く、また、電解液に非水系の電解液を利用していることから、作動電圧が高く、高エネルギー密度であるという利点を有しており、小型携帯機器用電源として、その用途を急速に拡大している。現在、リチウムイオン二次電池の正極材料としては、リチウムコバルト酸化物(LiCoO )材料が用いられている。ところが、このリチウムコバルト酸化物は、希少金属であるコバルトを含むので、この材料の使用は、リチウム二次電池の高い素材コストの要因の一つとなっている。
そこで、例えば、安価で資源的問題の少ない正極材料として、リチウムマンガン酸化物(LiMn)が注目されており、一部実用化されている。更に、マンガンに比べ、より資源的に豊富で毒性が低く、安価な金属元素である鉄を用いた正極材料の実用化が望まれている。例えば、リチウムフェライト(LiFeO)は、電極材料としての可能性が検討されてきた。しかしながら、酸化鉄などの鉄源と炭酸リチウムなどのリチウム源を高温焼成あるいは水熱処理することにより得られたリチウムフェライトは、ほとんど充放電をせず、リチウム二次電池としての活性を有していない(例えば、非特許文献1参照)。
【0004】
しかしながら、上記の電池は、全て遷移金属の価数変化を使用したものであり、それ以外のレドックス反応を利用した電池系は全く見出されておらず、その開発が望まれていた。本発明者らは、遷移金属に代え、活性酸素をレドックス反応に利用した二次電池を模索した。これまで、活性酸素をレドックス反応に用いた二次電池は存在していない。その理由は、活性酸素を安定に結晶構造中に含み、更には、例えば、リチウムイオンのようなキャリアーを可逆的に吸蔵・脱離可能な良好な活物質が見出されていないためである。
【0005】
【非特許文献1】
K.Ado, M.Tabuchi, H.Kobayashi, H.Kageyama, O.Nakamura, Y.Inaba, R.Kanno, M.Takagi and Y.Takeda, J. Electochem. Soc., 144, [7], L177,(1997)
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術の問題に鑑みて、遷移金属に代わる新しい活物質を用いた新しいタイプの二次電池を開発することを目標として鋭意研究及び度重なる実験を積み重ねた結果、一部のマイエナイト様複合酸化物がその結晶構造に活性酸素を含んでおり、更に、リチウムを吸蔵・脱離可能な活物質となり得るとの知見を得て、更に研究を重ねた結果、活性酸素種を結晶中に含む組成式Ca12Al14−xSi33+x/2(ただし0≦x≦4)で表されるマイエナイト様化合物がリチウムを0.5V以下で挿入し、また3.5Vで脱離する性質があることを見出し、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明は、活性酸素をレッドクス反応に用いた新しい着想の二次電池を構成することができる新しい電池構成を提供することを目的とするものである。
また、本発明は、この活物質材料を用いて構成した新規二次電池を提供することを目的とするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
(1)骨格構造中にO2−のほかにO やO 2− やOの活性酸素種を高濃度に包接した構造を有する酸化物を活物質として使用し、レドックス反応をこれらの活性酸素で担うことを特徴とする二次電池。
(2)組成式Li Ca12Al14−xSi33+x/2(ただし、0≦x≦4、0≦y≦30である)で表される化合物を含有する正極活物質層を有する正極と、骨格構造中にO2−のほかにO やO 2− やOの活性酸素種を高濃度に包接した構造を有する組成式Ca12Al14−xSi33+x/2(ただし0≦x≦4)で表される化合物を含有する負極活物質層を有する負極と、非水電解液とを備えてなる前記(1)に記載の二次電池。
(3)組成式Ca12Al14−xSi33+x/2(ただし0≦x≦4)で表される化合物へ、非水有機溶媒に可溶なリチウム化合物を支持塩として、電気化学的にリチウムを挿入することを特徴とする組成式Li Ca12Al14−xSi33+x/2(ただし、0≦x≦4、0≦y≦30である)で表される化合物の製造方法。
(4)組成式Ca12Al14−xSi33+x/2(ただし0≦x≦4)とリチウム化合物を加え、更に大気中、酸化雰囲気中あるいは還元雰囲気中300℃〜800℃で熱処理した後、溶媒洗浄処理により残存するリチウム化合物を除去することを特徴とする組成式Li Ca12Al14−xSi33+x/2(ただし、0≦x≦4、0≦y≦30である)で表される化合物の製造方法。
(5)組成式Li Ca12Al14−xSi33+x/2(ただし、0≦x≦4、0≦y≦30である)で表され、立方晶型構造を有するLi−Ca−Al−Si系酸化物からなることを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極材料。
(6)組成式Ca12Al14−xSi33+x/2(ただし0≦x≦4)で表され、立方晶型構造を有するCa−Al−Si系酸化物からなることを特徴とするリチウムイオン二次電池用負極材料。
【0008】
【発明の実施の形態】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、骨格構造中にO2−のほかにO やO 2− やO の活性酸素種を高濃度に包接した構造を有する酸化物を活物質として、レドックス反応をこれらの活性酸素で担うことを特徴とする二次電池であり、また、該活物質として、活性酸素種を結晶中に含む組成式Ca12Al14−xSi33+x/2(ただし0≦x≦4)で表されるマイエナイト様化合物を用いた二次電池であり、更に、組成式Li Ca12Al14−xSi33+x/2(ただし、0≦x≦4、0≦y≦30である)で表されるリチウム含有マイエナイト様化合物を含有する正極活物質層を有する正極と、上記マイエナイト様化合物(組成式Ca12Al14−xSi33+x/2(ただし0≦x≦4))を含有する負極活物質層を有する負極と、非水電解液とを備えてなる二次電池に係るものである。
【0009】
本発明において、マイエナイトは、好適には、例えば、以下のようにして製造される。尚、本明細書において、「マイエナイト」とは、上記組成式を有するマイエナイト様化合物を意味するものとして定義される。
(1)マイエナイトの製造
(a)マイエナイト
本発明において、マイエナイトは、ハイドロガーネット(CaAl (SiO3−x (OH)4x(ただし0≦x≦3))を300℃〜1100℃で空気中あるいは酸素中で焼成して製造することができる。マイエナイトの前駆体であるハイドロガーネットは、例えば、シリカ源(カオリン、シリカ、非晶質シリカ、硅藻土、ケイ砂、石英など)、アルミナ源(カオリン、アルミナゾル、ベーマイト、水酸化アルミニウム、酸化アルミニウムなど)、及びカルシウム源(消石灰、生石灰、石膏など)の混合物、あるいは上記アルミナ源、及びカルシウム源の混合物に80℃〜200℃の温度範囲で水熱処理を施すことにより製造することができる。この場合、80℃以下の温度でハイドロガーネットを製造した場合には、反応速度が遅く、得られた材料の結晶性が低いと言った問題があり、また、200℃以上の温度でこれを製造した場合には、容器内の圧力が高圧となり、特殊な容器が必要となり、工業的ではないと言った問題がある。
【0010】
(b)遷移金属あるいは貴金属の酸化物が担持されたマイエナイト
ハイドロガーネットの粉末を、遷移金属あるいは貴金属の硝酸塩又は酢酸塩の水溶液と混合・攪拌し、その後、ホットプレート上において、110℃で蒸発乾固し、更に、600℃以上で3時間加熱することにより、遷移金属・貴金属の酸化物を担持したハイドロガーネットが得られる。これを800℃〜1100℃で空気中あるいは酸素中で焼成することによりマイエナイトを製造することができる。
【0011】
(c)遷移金属又は貴金属置換マイエナイト
1)クロム置換されたマイエナイトの製造
蒸留水に硝酸カルシウム4水和物を加え、更に、硝酸クロム9水和物と非晶質シリカ粉末と水酸化アルミニウムを混合する(水酸化ナトリウム水溶液を添加してpH=13以上になるように調整する)。この混合物をオートクレーブに入れて、200℃で3日間保持後、冷却して試料を取り出し、ろ過、乾燥を施し、クロム置換されたハイドロガーネット粉末を得る。これを400℃で10時間、空気中あるいは酸素中で焼成して製造することができる。
【0012】
2)鉄置換されたマイエナイトの製造
蒸留水に酸化カルシウムを加え、この懸濁液に水酸化アルミニウムと非晶質シリカ粉末を混合し、更に、硝酸鉄9水和物を混合する(水酸化ナトリウム水溶液を添加して、pH=13以上になるように調整する)。この混合物をオートクレーブに入れて、200℃で3日間保持後、冷却して試料を取り出し、ろ過、乾燥を施し、鉄置換されたハイドロガーネット粉末を得る。これを400℃で10時間、空気中あるいは酸素中で焼成して製造することができる。なお、上記製造方法で製造されたマイエナイトは、ハイドロガーネットから変換時に少量の酸化カルシウムを含むことがあるが、本発明では、充放電特性に重大な影響を及ぼさない範囲において、これらの不純物相を含んでいてもよい。
【0013】
(2)リチウム含有マイエナイトの製造
本発明において、リチウム含有マイエナイトの製造方法は、好適には、例えば、電気化学反応法、焼成法、水熱反応法などの公知のセラミックス合成法が利用できる。以下に、先ず、電気化学反応法での製造を例示し、次に、公知のセラミックス合成法の例として、焼成法による製造方法を例示する。しかし、以下の方法に制限されるものではない。
【0014】
(a)電気化学反応法によるリチウム含有マイエナイトの製造
電気化学反応法によるリチウム含有マイエナイトの製造は、上記(1)記載のマイエナイトを、セパレータを介してリチウム金属と対向させ、例えば、Li塩を含む有機溶媒中で電極酸化することを特徴とする。具体的には、本発明では、マイエナイト粉状体に、導電材及び結着剤を混合し、ペースト状の合材を調製し、例えば、この合材を金属箔製集電体表面に塗工して電極を作製し、この電極とこれに対向してリチウム金属を設置した容器で電極酸化を行なう方法が例示できる。導電材は、正極の電気伝導性を確保するためのものであり、好適には、例えば、カーボンブラック、アセチレンブラック、黒鉛等の炭素物質粉状体の1種又は2種以上を混合したものを用いることができる。結着剤は、活物質粒子及び導電材粒子を繋ぎ止める役割を果たすものであり、好適には、例えば、テフロン(登録商標)、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂を用いることができる。
【0015】
正極合材は、塗工時の都合により、粘度調整等の目的で溶剤を添加して調製することもでき、その場合の溶剤には、N−メチル−2−ピロリドン等の有機溶剤を用いることができる。集電体は、正極反応に対して電気化学的に安定な物質を用いるのが望ましく、好適には、例えば、アルミニウム等を用いることができる。金属箔製集電体に塗工して形成された正極はシート状であるが、このシート状の正極は、作製しようとする電池の形状等に応じて、種々の厚さとすることができ、また、裁断等の手段により種々の大きさのものとすることができる。また、必要に応じて、正極合材の密度を高めるべく、プレス等の手段で加圧したものを用いてもよい。
【0016】
(b)焼成法によるリチウム含有マイエナイトの製造
焼成法によるリチウム含有マイエナイトの製造は、上記(1)記載のマイエナイトを、蒸留水又は水−アルコール(例えば、エタノール、メタノールなど)の混合溶液に分散させ、これに水酸化リチウムなどのリチウム化合物を、リチウムの他の金属量に対するモル比(Li/ Ca)が1〜3程度となるよう添加し、得られた溶液及び沈殿を蒸発乾固させ、得られた残査を酸化性雰囲気下で焼成することを特徴とする。
【0017】
上記の焼成法において用いられるリチウム化合物としては、例えば、これらの金属の塩化物、硝酸塩、硫酸塩、酢酸塩、水酸化物などの水溶性化合物が挙げられる。あるいは、これらの金属源材料は、無水物又は水和物のいずれであってもよい。各水溶性化合物は、それぞれ単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。焼成法においては、仕込みリチウム量の他の金属量に対するモル比(Li/ Ca)を調節する必要があり、その値は通常1〜3程度、好ましくは1.5〜2.5程度である。1.5以下の場合には希望する組成のリチウム含有マイエナイトが得られない場合があり、2.5以上の場合にはマイエナイトが分解してリチウム−アルミニウム複合酸化物が生成すると言った問題がある。
【0018】
焼成を行う雰囲気として、例えば、大気などの酸化雰囲気下又は水素などの還元雰囲気下を例示できる。焼成温度は、通常、200℃〜1000℃程度である。300℃以下では反応が充分進行しない場合があり、800℃以上ではマイエナイト構造が分解する場合があるため、好ましくは300℃〜800℃である。
焼成時間は、1〜100時間程度であり、5時間以下では反応が不充分な場合があり、100時間では結晶が成長し、表面積の小さな材料となり電極反応が遅くなると言った問題があり、好ましくは5〜20時間程度である。焼成後、必要に応じて、生成物を粉砕し、上記と同一条件で焼成を繰り返してもよい。上記の焼成法を用いた場合には、リチウムを50%以上含有したマイエナトが得られるだけでなく、50%より少ない量のリチウムをドープしたマイエナイトも得ることができる。
【0019】
(3)Li二次電池
本発明のリチウム二次電池は、上記のリチウム含有マイエナイトを正極活物質とし、マイエナイトを負極活物質とするリチウム二次電池であり、リチウムをキャリアとするロッキングチェア型の二次電池である。その構成は、上記リチウム含有マイエナイトを活物質とする正極と、マイエナイトを活物質とする負極と、電解液とを要構成要素とする。
【0020】
(a)正極
上記(2)−(a)記載の方法で製造された電極は、そのまま正極として用いることができる。上記(2)−(b)記載の製造方法で合成されたリチウム含有マイエナイトの場合には、この粉状体に導電材及び結着剤を混合し、ペースト状の正極合材を調製し、例えば、この正極合材を金属箔製集電体表面に塗工して電極を形成することができる。導電材は、正極の電気伝導性を確保するためのものであり、好適には、例えば、カーボンブラック、アセチレンブラック、黒鉛等の炭素物質粉状体の1種又は2種以上を混合したものを用いることができる。結着剤は、活物質粒子及び導電材粒子を繋ぎ止める役割を果たすものであり、好適には、例えば、テフロン(登録商標)、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂を用いることができる。
【0021】
正極合材は、塗工時の都合により、粘度調整等の目的で溶剤を添加して調製することもでき、その場合の溶剤には、例えば、N−メチル−2−ピロリドン等の有機溶剤を用いることができる。集電体は、正極反応に対して電気化学的に安定な物質を用いるのが望ましく、例えば、アルミニウム等を用いることができる。
金属箔製集電体に塗工して形成された正極は、シート状であるが、このシート状の正極は、作製しようとする電池の形状等に応じて、種々の厚さとすることができ、また、裁断等の手段により種々の大きさのものとすることができる。また、必要に応じて、正極合材の密度を高めるべく、プレス等の手段で加圧したものを用いてもよい。
【0022】
(b)負極
負極は、負極活物質となる上記マイエナイトの粉状体に、導電材及び結着剤を混合し、ペースト状の負極合材を調製し、例えば、この負極合材を金属箔製集電体表面に塗工して形成することができる。導電材は、負極の電気伝導性を確保するためのものであり、例えば、好適には、カーボンブラック、アセチレンブラック、黒鉛等の炭素物質粉状体の1種又は2種以上を混合したものを用いることができる。結着剤は、活物質粒子及び導電材粒子を繋ぎ止める役割を果たすものであり、好適には、例えば、テフロン(登録商標)、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂を用いることができる。負極合材は、塗工時の都合により、粘度調整等の目的で溶剤を添加して調製することもでき、その場合の溶剤には、例えば、N−メチル−2−ピロリドン等の有機溶剤を用いることができる。集電体は、負極反応に対して電気化学的に安定な物質を用いるのが望ましく、例えば、銅等を用いることができる。金属箔製集電体に塗工して形成された負極は、シート状であるが、このシート状の負極は、作製しようとする電池の形状等に応じて、種々の厚さとすることができ、また、裁断等の手段により種々の大きさのものとすることができる。また、必要に応じて、負極合材の密度を高めるべく、プレス等の手段で加圧したものを用いてもよい。
【0023】
(c)電解液
電解液は、キャリアとなるリチウムをイオン状態で含む液体であり、支持塩となるリチウム塩を溶媒に溶解したものである。本発明のリチウム二次電池においては、有機溶媒を用いた非水系電解液及び水を溶媒に用いた水系電解液のいずれによっても電池を構成することができる。非水系電解液とする場合、支持塩となるリチウム塩としては、例えば、LiBF 、LiPF 、LiClO 、LiCF SO 、LiAsF 等を用いることができる。また、有機溶媒としては、非プロトン系有機溶媒を用いることができ、例えば、環状カーボネート、鎖状カーボネート、環状エステル、環状エーテルあるいは鎖状エーテル等の1種又は2種以上からなる混合溶媒を用いることができる。環状カーボネートの例としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート等がそれぞれ挙げられる。
【0024】
また、鎖状カーボネートの例としては、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート等が、環状エステルの例としては、ガンマブチロラクトン、ガンマバレロラクトン等が、環状エーテルの例としては、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン等が、鎖状エーテルの例としては、ジメトキシエタン、エチレングリコールジメチルエーテル等がそれぞれ挙げられる。これらのうち、いずれか1種を単独で用いることも、また、2種以上を混合させて用いることもできる。非水電解液中の支持塩濃度は、0.8〜1.5Mとすることが望ましい。これは、0.8M以下の濃度ではリチウムイオン伝導性が低く、1.5M以上では支持塩が過飽和となり、溶媒中に支持塩の沈殿を生じ電池特性に悪影響を与えると言った理由からである。
【0025】
(d)その他の構成要素
本発明のリチウム二次電池は、上記正極と上記負極とを対向させて電極体を形成し、この電極体を電池ケースに電解液とともに容器に挿設して作製すればよい。正極と負極とを対向させる際、両者の間にセパレータを挟装する。セパレータは、正極と負極とを分離し電解液を保持するものであり、非水系電解液を用いる場合には、好適には、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等の薄い微多孔膜、不織布、紙等を用いることができ、水系電解液の場合は、例えば、不織布、紙等を用いることができる。また、本発明のリチウム二次電池は、その形状、大きさ等を特に限定するものではなく、例えば、円筒型、積層型、コイン型、カード型等、種々のものとすることができる。
【0026】
電池ケースは、作製しようとする電池の形状等に応じて、適正なものを採用すればよい。電池ケースには、正極外部端子、負極外部端子を設けてもよく、また、電池ケースの一部が正極外部端子、負極外部端子を兼ねる形式のものであってもよい。いずれの形状、形式等を採用する場合であっても、上記電極体を電池ケースに収納し、正極及び負極からそれぞれ正極外部端子及び負極外部端子までの間を電気的に接続し、電解液を注入し、そして、電池ケースを密閉して電池系を外部と離隔して、リチウム二次電池が完成される。
以上、本発明のリチウム二次電池、及びその製造方法について説明したが、上述した実施形態は、本発明の一実施形態にすぎず、本発明のリチウム二次電池、及びその製造方法は、上記実施形態を基本として、これに当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した種々の形態で実施することができることは言うまでもない。
【0027】
【実施例】
次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
尚、以下の実施例では、リチウム含有マイエナイト及びマイエナイトを製造し、それぞれを正極活物質、及び負極活物質に用いたリチウム二次電池を作製し、更に、その二次電池に充放電試験を行うことにより、その二次電池の評価を行った。
【0028】
(1)実施例1
(a)マイエナイトの製造
酸化カルシウム1.39gに、酸化アルミニウム0.84g、非晶質シリカ0.39g及び蒸留水60mlを混合した。こうして調製した懸濁液を、全容積100mlのオートクレーブに入れ、攪拌(30rpm)しながら、200℃で10時間保持後、室温まで冷却して試料を取り出し、濾過、乾燥を施し、ハイドロガーネット粉末を得た。こうして得られたハイドロガーネットを、空気中800℃で焼成してマイエナイトを製造した。
【0029】
(b)リチウム含有マイエナイトの製造
上記(a)で製造したマイエナイトの70重量部に、導電材としてケッチェンブラックを25重量部、結着剤としてテフロン(登録商標)を5重量部混合して合材を調製し、この合材を厚さ22μmのアルミニウム箔集電体の表面に加圧成形して正極合材の厚さが50μmとなるシートを作製し、次いで、このシートを直径15mmφに打ち抜いた円盤型の電極を作製した。上記電極に、厚さ0.1mm、直径15mmφの金属リチウムを対向させ、これと上記電極との間に挟装するセパレータには、厚さ100μmの不織布を用いた。電解液には、1 MのLiPF を、EC(エチレンカーボネート)とDEC(ジエチルカーボネート)を体積比で3:7で混合した溶媒に溶解したものを用いた。これらをテフロン(登録商標)板に挟んだセルを作製し、4.5Vまで0.1mA/ cm で定電流充電した後、DEC(ジエチルカーボネート)で洗浄してリチウム含有マイエナイトを製造した。
【0030】
(c)リチウム二次電池の作製
上記(b)のリチウム含有マイエナイトを正極活物質に、上記(a)のマイエナイトを負極活物質に用いてリチウム二次電池を作製した。正極には、上記(2)−(a)に記載した電極を用いた。この正極に対向させる負極には、マイエナイトを用いた。マイエナイトの70重量部に、導電材としてケッチェンブラックを25重量部、結着剤としてテフロン(登録商標)を5重量部混合して合材を調製し、この合材を厚さ22μmの銅箔集電体の表面に加圧成形して正極合材の厚さが50μmとなるシートを作製した。上記正極と負極との間に挟装するセパレータには、厚さ100μmの不織布を用いた。リチウム二次電池は、コイン型電池ケース(2016型)に、上記正極、負極、セパレータを組み込み、電解液を含浸させた後、この電池ケースを密閉して完成させた。なお、電解液には、1 MのLiPF6 を、EC(エチレンカーボネート)とDEC(ジエチルカーボネート)を体積比で3:7で混合した溶媒に溶解したものを用いた。
【0031】
(2)実施例2
(a)鉄置換マイエナイトの製造
蒸留水22mlと酸化カルシウム1.8gを攪拌して得られた懸濁液に、水酸化アルミニウム1.6gと非晶質シリカ粉末0.65gを添加し、攪拌、混合した。これに、硝酸鉄9水和物0.55gと蒸留水30mlを添加し、十分に攪拌、混合した。その後、3N水酸化ナトリウム水溶液30mlを添加し、溶液のpHを13以上に調節した。こうして調製した懸濁液を全容積100mlのオートクレーブに入れ、攪拌(30rpm)しながら、200℃、3日間保持後、水洗、乾燥してハイドロガーネット粉末を得た。得られたハイドロガーネットを空気中800℃で焼成して鉄置換マイエナイトを製造した。
【0032】
(b)リチウム含有鉄置換マイエナイトの製造
上記(a)で製造した鉄置換マイエナイトの70重量部に、導電材としてケッチェンブラックを25重量部、結着剤としてテフロン(登録商標)を5重量部混合して合材を調製し、この合材を厚さ22μmのアルミニウム箔集電体の表面に加圧成形して正極合材の厚さが50μmとなるシートを作製し、次いで、このシートを直径15mmφに打ち抜いた円盤型の電極を作製した。上記電極に、厚さ0.1mm、直径15mmφの金属リチウムを対向させ、これと上記電極との間に挟装するセパレータには、厚さ100μmの不織布を用いた。電解液には、1MのLiPF を、EC(エチレンカーボネート)とDEC(ジエチルカーボネート)を体積比で3:7で混合した溶媒に溶解したものを用いた。これらをテフロン(登録商標)板に挟んだセルを作製し、4.5Vまで0.1mA/cm で定電流充電した後、DEC(ジエチルカーボネート)で洗浄してリチウム含有鉄置換マイエナイトを製造した。
【0033】
(c)リチウム二次電池の作製
正極活物質に、リチウム含有鉄置換マイエナイトを用いた他は、実施例1と同じ操作でリチウム二次電池を製造した。
【0034】
(3)実施例3
(充放電試験とリチウム二次電池の評価)
上記リチウム二次電池に対して充放電試験を行った。充放電試験は、充電終止電圧3.0Vまで電流密度0.25mA/cm の定電流で充電を行い、次いで、放電終止電圧0.2Vまで電流密度0.25mA/cm の定電流で放電を行う充放電サイクルを繰り返すものとした。この充放電試験の結果として、図1に、上記実施例1で製造したリチウム二次電池の1サイクル目の充放電曲線(電池端子間電圧と正極活物質あたりの容量との関係を示す曲線)を示す。この充放電曲線から判るように、充電容量は293mAh/gであり、放電容量は256mAh/gであった。図示していないが、2サイクル目以降も、初回とほぼ同等の容量を示していた。この結果から判断すれば、本発明のリチウム二次電池では、遷移金属を含んでいない活物質を用いて、相当の容量を可逆的に充放電可能な二次電池を構成することができると結論づけられる。本実施例において作製したリチウム二次電池は、マイエナイトの結晶構造中に含まれている活性酸素をレドックスとした全く新しいタイプのロッキングチェア型二次電池である。
【0035】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明は、マイエナイト様化合物を活物質として使用した二次電池に係るものであり、本発明の二次電池は、結晶構造内に上述したような活性酸素を含むために、これをレドックスとしてリチウムの可逆的な吸蔵・放出が可能であり、リチウムをキャリアとしたロッキングチェア型の二次電池を実現することを可能とする。また、上記リチウム二次電池は、活物質に高価な遷移金属を含まないため、製造コストの大幅な低減が期待できる。更には、活物質の主成分がカルシウム、アルミニウム、珪素の酸化物から構成されているため、電池の回収を行う必要がないという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例で作製した二次電池の1サイクル目の充放電曲線を示す。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a reversible electrode material, a method for producing a reversible electrode using the same, and a secondary battery using the reversible electrode. More specifically, the present invention relates to a structure in which active oxygen species are included at a high concentration. Having the composition formula Ca12Al14-xSix  O33 + x / 2(Where 0 ≦ x ≦ 4) mayenite-like compound (hereinafter simply referred to as mayenite).
) As a new type of secondary battery using as an active material.
The present invention provides a new secondary battery based on a completely new basic principle utilizing the above mayenite as an active material in the field of secondary batteries, which are expected to spread and develop as large next-generation technologies following fuel cells. Useful as an offer.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, with the miniaturization of personal computers, video cameras, mobile phones, and the like, in the field of information-related devices and communication devices, lithium-ion secondary batteries have been put into practical use as power supplies for these devices, and have become widespread. . In general, a lithium secondary battery generally includes a positive electrode using a lithium transition metal composite oxide as a positive electrode active material, a negative electrode using metal lithium, a carbon material, or the like as a negative electrode active material, and a lithium salt as a supporting salt. And an electrolytic solution dissolved in a solvent. This battery is a secondary battery that repeats a battery reaction in which lithium desorbed from the positive electrode is occluded in the negative electrode during charging, and lithium discharged from the negative electrode is occluded in the positive electrode during discharging, and lithium is used as a carrier. It is a rocking chair type secondary battery.
[0003]
In this lithium secondary battery, metallic lithium or a carbon material used as a negative electrode active material has a low reaction potential with lithium, and has a high operating voltage because a nonaqueous electrolytic solution is used as an electrolytic solution. It has the advantage of high energy density and is rapidly expanding its use as a power source for small portable devices. At present, as a positive electrode material of a lithium ion secondary battery, lithium cobalt oxide (LiCoO2  ) Materials are used. However, since this lithium cobalt oxide contains cobalt, which is a rare metal, the use of this material is one of the factors of high material cost of the lithium secondary battery.
Therefore, for example, lithium manganese oxide (LiMn) is used as a cathode material that is inexpensive and has few resource problems.2  O4) Has attracted attention and has been partially commercialized. Furthermore, practical application of a positive electrode material using iron, which is a metal element that is more abundant, less toxic, and less expensive than manganese, is desired. For example, lithium ferrite (LiFeO)2) Has been studied for its potential as an electrode material. However, lithium ferrite obtained by firing or hydrothermally treating an iron source such as iron oxide and a lithium source such as lithium carbonate at a high temperature hardly charges or discharges and has no activity as a lithium secondary battery. (For example, see Non-Patent Document 1).
[0004]
However, all of the above batteries use a change in the valence of a transition metal, and no other battery system utilizing a redox reaction has been found, and development thereof has been desired. The present inventors have sought a secondary battery using active oxygen for a redox reaction instead of a transition metal. Until now, there is no secondary battery using active oxygen for the redox reaction. The reason is that a favorable active material that can stably contain active oxygen in a crystal structure and that can reversibly occlude and desorb carriers such as lithium ions has not been found.
[0005]
[Non-patent document 1]
K. Ado, M .; Tabuchi, H .; Kobayashi, H .; Kageyama, O .; Nakamura, Y .; Inaba, R .; Kanno, M .; Takagi and Y. Takeda, J .; Electochem. Soc. , 144, [7], L177, (1997)
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Under such circumstances, the present inventors have conducted intensive studies and studies with the aim of developing a new type of secondary battery using a new active material instead of a transition metal in view of the above-mentioned problems of the prior art. As a result of repeated experiments, we gained the knowledge that some of the mayenite-like composite oxides contained active oxygen in their crystal structures and could be an active material capable of absorbing and desorbing lithium. As a result, the composition formula Ca containing the active oxygen species in the crystal12Al14-xSixO33 + x / 2(However, the mayenite-like compound represented by 0 ≦ x ≦ 4) has a property that lithium is inserted at 0.5 V or less and desorbed at 3.5 V, and the present invention has been completed.
That is, an object of the present invention is to provide a new battery configuration capable of forming a new concept secondary battery using active oxygen for the Redox reaction.
Another object of the present invention is to provide a novel secondary battery formed using the active material.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present invention for solving the above-mentioned problems includes the following technical means.
(1) O in the skeleton structure2-Besides O2 And O2 2-  And OA secondary battery characterized in that an oxide having a structure in which active oxygen species are included in a high concentration is used as an active material, and a redox reaction is carried out by these active oxygen.
(2) Composition formula Liy  Ca12Al14-xSix  O33 + x / 2(Where 0 ≦ x ≦ 4, 0 ≦ y ≦ 30) and a positive electrode having a positive electrode active material layer containing a compound represented by the following formula:2-Besides O2 And O2 2-  And OHaving a structure in which a high concentration of active oxygen species is included in Ca12Al14-xSix  O33 + x / 2(2) The secondary battery according to the above (1), comprising a negative electrode having a negative electrode active material layer containing a compound represented by (0 ≦ x ≦ 4) and a non-aqueous electrolyte.
(3) Composition formula Ca12Al14-xSix  O33 + x / 2Wherein lithium is electrochemically inserted into a compound represented by the formula (0 ≦ x ≦ 4) using a lithium compound soluble in a non-aqueous organic solvent as a supporting salt.y  Ca12Al14-xSix  O33 + x / 2(Provided that 0 ≦ x ≦ 4, 0 ≦ y ≦ 30).
(4) Composition formula Ca12Al14-xSix  O33 + x / 2(0 ≦ x ≦ 4) and a lithium compound, and further heat-treating at 300 ° C. to 800 ° C. in the air, an oxidizing atmosphere or a reducing atmosphere, and then removing the remaining lithium compound by a solvent washing treatment. Formula Liy  Ca12Al14-xSix  O33 + x / 2(Provided that 0 ≦ x ≦ 4, 0 ≦ y ≦ 30).
(5) Composition formula Liy  Ca12Al14-xSix  O33 + x / 2(Where 0 ≦ x ≦ 4, 0 ≦ y ≦ 30), for a lithium-ion secondary battery comprising a Li—Ca—Al—Si-based oxide having a cubic structure. Positive electrode material.
(6) Composition formula Ca12Al14-xSix  O33 + x / 2A negative electrode material for a lithium ion secondary battery, represented by the formula (0 ≦ x ≦ 4) and comprising a Ca—Al—Si-based oxide having a cubic structure.
[0008]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, the present invention will be described in more detail.
The present invention relates to a method for preparing O2-Besides O2   And O2 2-  And O  A secondary battery characterized in that an oxide having a structure in which active oxygen species are included in a high concentration is used as an active material, and a redox reaction is carried out by these active oxygens. Composition formula Ca containing seed in crystal12Al14-xSix  O33 + x / 2(Where 0 ≦ x ≦ 4) is a secondary battery using a mayenite-like compound represented by the formula: Liy  Ca12Al14-xSix  O33 + x / 2(Where 0 ≦ x ≦ 4, 0 ≦ y ≦ 30), a positive electrode having a positive electrode active material layer containing a lithium-containing mayenite-like compound, and the above-mentioned mayenite-like compound (composition formula Ca12Al14-xSix  O33 + x / 2The present invention relates to a secondary battery including a negative electrode having a negative electrode active material layer containing (0 ≦ x ≦ 4) and a non-aqueous electrolyte.
[0009]
In the present invention, mayenite is preferably produced, for example, as follows. In the present specification, “mayenite” is defined as meaning a mayenite-like compound having the above composition formula.
(1) Production of mayenite
(A) Mayenite
In the present invention, mayenite is hydrogarnet (Ca3Al2  (SiO4  )3-x  (OH)4x(Where 0 ≦ x ≦ 3)) at 300 ° C. to 1100 ° C. in air or oxygen. Hydrogarnet, which is a precursor of mayenite, includes, for example, a silica source (kaolin, silica, amorphous silica, diatomaceous earth, silica sand, quartz, etc.) and an alumina source (kaolin, alumina sol, boehmite, aluminum hydroxide, aluminum oxide, etc.). Etc.) and a mixture of a calcium source (eg, slaked lime, quicklime, gypsum, etc.) or a mixture of the above-mentioned alumina source and a calcium source in a temperature range of 80 ° C. to 200 ° C. by hydrothermal treatment. In this case, when hydrogarnet is manufactured at a temperature of 80 ° C. or less, there is a problem that the reaction rate is low and the crystallinity of the obtained material is low. In this case, the pressure in the container becomes high, and a special container is required, which is not industrial.
[0010]
(B) Mayenite loaded with a transition metal or noble metal oxide
The hydrogarnet powder is mixed and stirred with an aqueous solution of a nitrate or acetate of a transition metal or a noble metal, then evaporated to dryness on a hot plate at 110 ° C., and further heated at 600 ° C. or more for 3 hours. Thus, a hydrogarnet carrying an oxide of a transition metal or a noble metal is obtained. By firing this at 800 ° C. to 1100 ° C. in air or oxygen, mayenite can be produced.
[0011]
(C) Transition metal or noble metal substituted mayenite
1) Production of chromium-substituted mayenite
Calcium nitrate tetrahydrate is added to distilled water, and chromium nitrate nonahydrate, amorphous silica powder and aluminum hydroxide are mixed (so that the pH becomes 13 or more by adding an aqueous sodium hydroxide solution). adjust). This mixture was put in an autoclave, kept at 200 ° C. for 3 days, cooled, taken out of the sample, filtered and dried to obtain a chromium-substituted hydrogarnet powder. This can be manufactured by firing at 400 ° C. for 10 hours in air or oxygen.
[0012]
2) Production of iron-substituted mayenite
Calcium oxide is added to distilled water, aluminum hydroxide and amorphous silica powder are mixed with the suspension, and iron nitrate nonahydrate is further mixed (an aqueous solution of sodium hydroxide is added to adjust pH = 13). Adjust so that it is above). The mixture is put in an autoclave, kept at 200 ° C. for 3 days, cooled, taken out of the sample, filtered and dried to obtain iron-substituted hydrogarnet powder. This can be manufactured by firing at 400 ° C. for 10 hours in air or oxygen. In addition, mayenite produced by the above production method may contain a small amount of calcium oxide during conversion from hydrogarnet, but in the present invention, these impurity phases are contained within a range that does not significantly affect the charge / discharge characteristics. May be included.
[0013]
(2) Production of lithium-containing mayenite
In the present invention, as a method for producing lithium-containing mayenite, a known ceramic synthesis method such as an electrochemical reaction method, a firing method, or a hydrothermal reaction method can be preferably used. Hereinafter, first, production by an electrochemical reaction method will be illustrated, and then, as an example of a known ceramic synthesis method, a production method by a firing method will be described. However, it is not limited to the following method.
[0014]
(A) Production of lithium-containing mayenite by electrochemical reaction method
The production of lithium-containing mayenite by an electrochemical reaction method is characterized in that the mayenite described in the above (1) is opposed to lithium metal via a separator and electrode-oxidized in, for example, an organic solvent containing a Li salt. Specifically, in the present invention, a conductive material and a binder are mixed with a mayenite powder to prepare a paste-like mixture, and for example, the mixture is applied to the surface of a metal foil current collector. Then, an electrode is produced, and the electrode is oxidized in a container in which this electrode and a lithium metal are provided facing the electrode. The conductive material is for ensuring the electrical conductivity of the positive electrode, and is preferably, for example, a material obtained by mixing one or more of carbon material powders such as carbon black, acetylene black, and graphite. Can be used. The binder plays a role of binding the active material particles and the conductive material particles, and is preferably, for example, a fluorine-containing resin such as Teflon (registered trademark), polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, or fluororubber. And thermoplastic resins such as polypropylene and polyethylene.
[0015]
The positive electrode mixture can also be prepared by adding a solvent for the purpose of viscosity adjustment or the like, depending on the convenience of coating, and in that case, an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone may be used. Can be. As the current collector, it is desirable to use a substance which is electrochemically stable to the positive electrode reaction, and preferably, for example, aluminum or the like can be used. The positive electrode formed by coating the metal foil current collector is sheet-shaped, but the sheet-shaped positive electrode can have various thicknesses depending on the shape of the battery to be manufactured. In addition, various sizes can be obtained by means such as cutting. If necessary, a material pressed by a means such as a press may be used to increase the density of the positive electrode mixture.
[0016]
(B) Production of lithium-containing mayenite by firing method
In the production of the lithium-containing mayenite by the firing method, the mayenite described in the above (1) is dispersed in distilled water or a mixed solution of water-alcohol (for example, ethanol and methanol), and a lithium compound such as lithium hydroxide is dispersed therein. , And the molar ratio (Li / Ca) of lithium to other metal amounts is about 1 to 3; the resulting solution and precipitate are evaporated to dryness; the resulting residue is fired in an oxidizing atmosphere. It is characterized by doing.
[0017]
Examples of the lithium compound used in the above firing method include water-soluble compounds such as chlorides, nitrates, sulfates, acetates, and hydroxides of these metals. Alternatively, these metal source materials may be either anhydrous or hydrated. Each water-soluble compound may be used alone or in combination of two or more. In the firing method, it is necessary to adjust the molar ratio (Li / Ca) of the charged lithium amount to the other metal amount, and the value is usually about 1 to 3, preferably about 1.5 to 2.5. If it is less than 1.5, a desired composition of lithium-containing mayenite may not be obtained, and if it is more than 2.5, there is a problem that mayenite is decomposed to form a lithium-aluminum composite oxide. .
[0018]
As an atmosphere for performing the firing, for example, an oxidizing atmosphere such as air or a reducing atmosphere such as hydrogen can be exemplified. The firing temperature is usually about 200C to 1000C. If the temperature is lower than 300 ° C., the reaction may not proceed sufficiently, and if the temperature is higher than 800 ° C., the mayenite structure may be decomposed.
The firing time is about 1 to 100 hours, and if it is 5 hours or less, the reaction may be insufficient, and if it is 100 hours, there is a problem that crystals grow, the material has a small surface area and the electrode reaction is slow, and it is preferable. Is about 5 to 20 hours. After firing, if necessary, the product may be pulverized, and firing may be repeated under the same conditions as described above. When the above-mentioned calcination method is used, not only a mayenate containing 50% or more of lithium can be obtained, but also a mayenite doped with lithium in an amount of less than 50% can be obtained.
[0019]
(3) Li secondary battery
The lithium secondary battery of the present invention is a lithium secondary battery using the above-described lithium-containing mayenite as a positive electrode active material and mayenite as a negative electrode active material, and is a rocking chair type secondary battery using lithium as a carrier. The main components of the configuration are a positive electrode using the above-mentioned lithium-containing mayenite as an active material, a negative electrode using mayenite as an active material, and an electrolytic solution.
[0020]
(A) Positive electrode
The electrode manufactured by the method described in the above (2)-(a) can be used as it is as a positive electrode. In the case of the lithium-containing mayenite synthesized by the production method described in the above (2)-(b), a conductive material and a binder are mixed with this powder to prepare a paste-like positive electrode mixture. The positive electrode mixture can be applied to the surface of the metal foil current collector to form an electrode. The conductive material is for ensuring the electrical conductivity of the positive electrode, and is preferably, for example, a material obtained by mixing one or more of carbon material powders such as carbon black, acetylene black, and graphite. Can be used. The binder plays a role of binding the active material particles and the conductive material particles, and is preferably, for example, a fluorine-containing resin such as Teflon (registered trademark), polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, or fluororubber. And thermoplastic resins such as polypropylene and polyethylene.
[0021]
The positive electrode mixture can also be prepared by adding a solvent for the purpose of viscosity adjustment or the like depending on the convenience at the time of coating, and in that case, for example, an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone is used. Can be used. As the current collector, it is desirable to use a substance that is electrochemically stable to the positive electrode reaction, and for example, aluminum or the like can be used.
The positive electrode formed by coating the metal foil current collector has a sheet shape, and the sheet-shaped positive electrode can have various thicknesses depending on the shape of the battery to be manufactured. Also, it can be made into various sizes by means such as cutting. If necessary, a material pressed by a means such as a press may be used to increase the density of the positive electrode mixture.
[0022]
(B) negative electrode
The negative electrode is prepared by mixing a conductive material and a binder into the above-mentioned mayenite powder to be a negative electrode active material to prepare a paste-like negative electrode mixture. Can be formed by coating. The conductive material is for ensuring the electrical conductivity of the negative electrode. For example, preferably, one or a mixture of two or more kinds of powdered carbon materials such as carbon black, acetylene black, and graphite is used. Can be used. The binder plays a role of binding the active material particles and the conductive material particles, and is preferably, for example, a fluorine-containing resin such as Teflon (registered trademark), polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, or fluororubber. And thermoplastic resins such as polypropylene and polyethylene. The negative electrode mixture can also be prepared by adding a solvent for the purpose of viscosity adjustment or the like, depending on the convenience of coating, and in this case, for example, an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone is used. Can be used. As the current collector, it is desirable to use a substance which is electrochemically stable to the negative electrode reaction, and for example, copper or the like can be used. The negative electrode formed by coating on the metal foil current collector has a sheet shape, and the sheet-shaped negative electrode can have various thicknesses depending on the shape of the battery to be manufactured. Also, it can be made into various sizes by means such as cutting. If necessary, a material pressed by a means such as a press may be used to increase the density of the negative electrode mixture.
[0023]
(C) Electrolyte
The electrolytic solution is a liquid containing lithium as a carrier in an ionic state, and is obtained by dissolving a lithium salt as a supporting salt in a solvent. In the lithium secondary battery of the present invention, the battery can be constituted by either a non-aqueous electrolyte using an organic solvent or an aqueous electrolyte using water as a solvent. When a non-aqueous electrolyte is used, as a lithium salt serving as a supporting salt, for example, LiBF4  , LiPF6  , LiClO4  , LiCF3  SO3  , LiAsF6  Etc. can be used. As the organic solvent, an aprotic organic solvent can be used. For example, a mixed solvent of one or more of cyclic carbonate, chain carbonate, cyclic ester, cyclic ether or chain ether is used. be able to. Examples of the cyclic carbonate include ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, and vinylene carbonate.
[0024]
Examples of the chain carbonate include dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and methyl ethyl carbonate.Examples of the cyclic ester include gamma butyrolactone and gamma valerolactone.Examples of the cyclic ether include tetrahydrofuran and 2-methyl Examples of chain ethers include tetrahydrofuran and the like, and dimethoxyethane, ethylene glycol dimethyl ether, and the like, respectively. Among these, any one type can be used alone, or two or more types can be mixed and used. The supporting salt concentration in the non-aqueous electrolyte is desirably 0.8 to 1.5M. This is because at a concentration of 0.8 M or less, the lithium ion conductivity is low, and at a concentration of 1.5 M or more, the supporting salt becomes supersaturated, and the supporting salt precipitates in the solvent to adversely affect battery characteristics. .
[0025]
(D) Other components
The lithium secondary battery of the present invention may be manufactured by forming an electrode body with the above-described positive electrode and the above-mentioned negative electrode facing each other, and inserting this electrode body into a battery case together with an electrolytic solution in a container. When facing the positive electrode and the negative electrode, a separator is interposed between the two. The separator separates the positive electrode and the negative electrode and holds the electrolytic solution.When a non-aqueous electrolytic solution is used, preferably, for example, a thin microporous film of polyethylene, polypropylene, or the like, a nonwoven fabric, paper, or the like is used. In the case of an aqueous electrolyte, for example, a nonwoven fabric, paper, or the like can be used. In addition, the shape and size of the lithium secondary battery of the present invention are not particularly limited, and may be various types such as a cylindrical type, a stacked type, a coin type, and a card type.
[0026]
An appropriate battery case may be used according to the shape of the battery to be manufactured. The battery case may be provided with a positive electrode external terminal and a negative electrode external terminal, and a part of the battery case may be of a type which also serves as a positive electrode external terminal and a negative electrode external terminal. Regardless of which shape, type, etc. is adopted, the above-mentioned electrode body is housed in a battery case, and electrically connected between the positive electrode and the negative electrode to the positive electrode external terminal and the negative electrode external terminal respectively, and the electrolytic solution is discharged. The lithium secondary battery is completed by injecting the battery, sealing the battery case and separating the battery system from the outside.
As described above, the lithium secondary battery of the present invention and the method of manufacturing the same have been described. However, the above-described embodiment is merely an embodiment of the present invention. It goes without saying that the present invention can be implemented in various forms based on the embodiments and various modifications and improvements based on the knowledge of those skilled in the art.
[0027]
【Example】
Next, the present invention will be specifically described based on examples, but the present invention is not limited to the following examples.
In the following examples, lithium-containing mayenite and mayenite were manufactured, and a positive electrode active material and a negative electrode active material were used to produce a lithium secondary battery, and a charge / discharge test was performed on the secondary battery. Thereby, the secondary battery was evaluated.
[0028]
(1) Example 1
(A) Production of mayenite
0.84 g of aluminum oxide, 0.39 g of amorphous silica, and 60 ml of distilled water were mixed with 1.39 g of calcium oxide. The suspension thus prepared was placed in an autoclave having a total volume of 100 ml, kept at 200 ° C. for 10 hours while stirring (30 rpm), cooled to room temperature, taken out of the sample, filtered, and dried to obtain a hydrogarnet powder. Obtained. The thus obtained hydrogarnet was fired at 800 ° C. in air to produce mayenite.
[0029]
(B) Production of lithium-containing mayenite
70 parts by weight of the mayenite produced in (a) above were mixed with 25 parts by weight of Ketjen black as a conductive material and 5 parts by weight of Teflon (registered trademark) as a binder to prepare a mixture. Was press-formed on the surface of an aluminum foil current collector having a thickness of 22 μm to prepare a sheet having a thickness of the positive electrode mixture of 50 μm, and then a disk-shaped electrode formed by punching the sheet into a diameter of 15 mmφ. . A metal lithium having a thickness of 0.1 mm and a diameter of 15 mm was opposed to the electrode, and a non-woven fabric having a thickness of 100 μm was used as a separator sandwiched between the electrode and the electrode. The electrolyte solution is 1 M LiPF6  Was dissolved in a solvent in which EC (ethylene carbonate) and DEC (diethyl carbonate) were mixed at a volume ratio of 3: 7. A cell in which these are sandwiched between Teflon (registered trademark) plates is produced, and 0.1 mA / cm up to 4.5 V.2  And then washed with DEC (diethyl carbonate) to produce lithium-containing mayenite.
[0030]
(C) Production of lithium secondary battery
A lithium secondary battery was manufactured using the lithium-containing mayenite of (b) above as a positive electrode active material and the mayenite of (a) above as a negative electrode active material. The electrodes described in the above (2) to (a) were used as the positive electrode. Mayenite was used for the negative electrode facing the positive electrode. 70 parts by weight of mayenite, 25 parts by weight of Ketjen black as a conductive material and 5 parts by weight of Teflon (registered trademark) as a binder were mixed to prepare a mixture, and the mixture was mixed with a copper foil having a thickness of 22 μm. A sheet in which the thickness of the positive electrode mixture was 50 μm was produced by pressure molding on the surface of the current collector. A nonwoven fabric having a thickness of 100 μm was used for the separator sandwiched between the positive electrode and the negative electrode. The lithium secondary battery was completed by incorporating the above-described positive electrode, negative electrode, and separator into a coin-type battery case (2016 type), impregnating the electrolyte, and then sealing the battery case. In addition, what melt | dissolved 1 M LiPF6 in the solvent which mixed EC (ethylene carbonate) and DEC (diethyl carbonate) at a volume ratio of 3: 7 was used for the electrolytic solution.
[0031]
(2) Example 2
(A) Production of iron-substituted mayenite
1.6 g of aluminum hydroxide and 0.65 g of amorphous silica powder were added to a suspension obtained by stirring 22 ml of distilled water and 1.8 g of calcium oxide, followed by stirring and mixing. To this, 0.55 g of iron nitrate nonahydrate and 30 ml of distilled water were added, and sufficiently stirred and mixed. Thereafter, 30 ml of a 3N aqueous sodium hydroxide solution was added to adjust the pH of the solution to 13 or more. The suspension thus prepared was put in an autoclave having a total volume of 100 ml, kept at 200 ° C. for 3 days while stirring (30 rpm), washed with water and dried to obtain a hydrogarnet powder. The obtained hydrogarnet was fired in air at 800 ° C. to produce iron-substituted mayenite.
[0032]
(B) Production of lithium-containing iron-substituted mayenite
A mixture was prepared by mixing 70 parts by weight of the iron-substituted mayenite produced in (a) above with 25 parts by weight of Ketjen black as a conductive material and 5 parts by weight of Teflon (registered trademark) as a binder. The mixture was pressure-formed on the surface of an aluminum foil current collector having a thickness of 22 μm to form a sheet in which the thickness of the positive electrode mixture was 50 μm. Then, a disk-shaped electrode obtained by punching this sheet into a diameter of 15 mmφ was used. Produced. A metal lithium having a thickness of 0.1 mm and a diameter of 15 mm was opposed to the electrode, and a non-woven fabric having a thickness of 100 μm was used as a separator sandwiched between the electrode and the electrode. The electrolyte is 1M LiPF6  Was dissolved in a solvent in which EC (ethylene carbonate) and DEC (diethyl carbonate) were mixed at a volume ratio of 3: 7. A cell in which these were sandwiched between Teflon (registered trademark) plates was prepared, and 0.1 mA / cm up to 4.5 V.2  And then washed with DEC (diethyl carbonate) to produce lithium-containing iron-substituted mayenite.
[0033]
(C) Production of lithium secondary battery
A lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that lithium-containing iron-substituted mayenite was used as the positive electrode active material.
[0034]
(3) Example 3
(Charge / discharge test and evaluation of lithium secondary battery)
A charge / discharge test was performed on the lithium secondary battery. The charge / discharge test was conducted at a current density of 0.25 mA / cm up to a charge end voltage of 3.0 V.2  And a current density of 0.25 mA / cm up to a discharge end voltage of 0.2 V.2  The charge / discharge cycle of discharging at a constant current is repeated. As a result of the charge / discharge test, FIG. 1 shows a charge / discharge curve of the lithium secondary battery manufactured in Example 1 in the first cycle (a curve showing a relationship between battery terminal voltage and capacity per positive electrode active material). Is shown. As can be seen from the charge / discharge curve, the charge capacity was 293 mAh / g, and the discharge capacity was 256 mAh / g. Although not shown, the capacity after the second cycle was substantially the same as that of the first cycle. Judging from these results, it was concluded that in the lithium secondary battery of the present invention, a secondary battery capable of reversibly charging and discharging a considerable capacity can be constituted by using an active material containing no transition metal. Can be The lithium secondary battery manufactured in this example is a completely new type rocking chair type secondary battery in which active oxygen contained in the crystal structure of mayenite is redox.
[0035]
【The invention's effect】
As described in detail above, the present invention relates to a secondary battery using a mayenite-like compound as an active material, and the secondary battery of the present invention includes active oxygen as described above in a crystal structure. Using this as a redox, reversible insertion and extraction of lithium is possible, and a rocking chair type secondary battery using lithium as a carrier can be realized. Further, since the lithium secondary battery does not include an expensive transition metal in the active material, a significant reduction in manufacturing cost can be expected. Further, since the main component of the active material is composed of oxides of calcium, aluminum, and silicon, there is an effect that there is no need to collect the battery.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a charge / discharge curve at the first cycle of a secondary battery manufactured in an example.

Claims (6)

骨格構造中にO2−のほかにO やO 2− やO の活性酸素種を高濃度に包接した構造を有する酸化物を活物質として使用し、レドックス反応をこれらの活性酸素で担うことを特徴とする二次電池。An oxide having a structure in which active oxygen species such as O 2 or O 2 2− or O in addition to O 2− are included in the skeleton structure in a high concentration is used as an active material, and a redox reaction is performed for these activities. A secondary battery characterized by being carried by oxygen. 組成式Li Ca12Al14−xSi33+x/2(ただし、0≦x≦4、0≦y≦30である)で表される化合物を含有する正極活物質層を有する正極と、骨格構造中にO2−のほかにO やO 2− やO の活性酸素種を高濃度に包接した構造を有する組成式Ca12Al14−xSi33+x/2(ただし0≦x≦4)で表される化合物を含有する負極活物質層を有する負極と、非水電解液とを備えてなる請求項1に記載の二次電池。Compositional formula Li y Ca 12 Al 14-x Si x O 33 + x / 2 ( provided that 0 ≦ x ≦ 4,0 ≦ y ≦ 30) a positive electrode having a positive electrode active material layer containing a compound represented by, O 2 in addition to O 2- on the backbone structure - or O 2 2-or O - composition formula having a hull contact structure active oxygen species to high concentrations of Ca 12 Al 14-x Si x O 33 + x / 2 ( The secondary battery according to claim 1, comprising a negative electrode having a negative electrode active material layer containing a compound represented by 0 ≦ x ≦ 4) and a non-aqueous electrolyte. 組成式Ca12Al14−xSi33+x/2(ただし0≦x≦4)で表される化合物へ、非水有機溶媒に可溶なリチウム化合物を支持塩として、電気化学的にリチウムを挿入することを特徴とする組成式Li Ca12Al14−xSi33+x/2(ただし、0≦x≦4、0≦y≦30である)で表される化合物の製造方法。To the compound represented by the composition formula Ca 12 Al 14-x Si x O 33 + x / 2 ( provided that 0 ≦ x ≦ 4), as a supporting salt soluble lithium compound in a non-aqueous organic solvent, an electrochemically lithium compositional formula Li y Ca 12 Al 14-x Si x O 33 + x / 2 , wherein the insert (where, 0 ≦ x ≦ 4,0 ≦ y ≦ 30 at a) manufacturing method of the compound represented by. 組成式Ca12Al14−xSi33+x/2(ただし0≦x≦4)とリチウム化合物を加え、更に大気中、酸化雰囲気中あるいは還元雰囲気中300℃〜800℃で熱処理した後、溶媒洗浄処理により残存するリチウム化合物を除去することを特徴とする組成式Li Ca12Al14−xSi33+x/2(ただし、0≦x≦4、0≦y≦30である)で表される化合物の製造方法。Composition formula Ca 12 Al 14-x Si x O 33 + x / 2 ( provided that 0 ≦ x ≦ 4) and added lithium compound, further in the atmosphere after heat-treated at 300 ° C. to 800 ° C. in an oxidizing atmosphere or a reducing atmosphere, the solvent Table a composition and removing the lithium compound remaining formula Li y Ca 12 Al 14-x Si x O 33 + x / 2 ( provided that 0 ≦ x ≦ 4,0 ≦ y ≦ 30) by the cleaning process For producing a compound to be prepared. 組成式Li Ca12Al14−xSi33+x/2(ただし、0≦x≦4、0≦y≦30である)で表され、立方晶型構造を有するLi−Ca−Al−Si系酸化物からなることを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極材料。Compositional formula Li y Ca 12 Al 14-x Si x O 33 + x / 2 ( provided that, 0 ≦ x ≦ 4,0 ≦ y ≦ 30) is represented by, Li-Ca-Al-Si having a cubic structure A positive electrode material for a lithium ion secondary battery, comprising a system oxide. 組成式Ca12Al14−xSi33+x/2(ただし0≦x≦4)で表され、立方晶型構造を有するCa−Al−Si系酸化物からなることを特徴とするリチウムイオン二次電池用負極材料。Expressed by a composition formula Ca 12 Al 14-x Si x O 33 + x / 2 ( provided that 0 ≦ x ≦ 4), lithium-ion secondary characterized in that it consists of Ca-Al-Si-based oxide having a cubic structure Anode material for secondary battery.
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JP2019186107A (en) * 2018-04-13 2019-10-24 トヨタ自動車株式会社 Sulfide-based all-solid battery

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