JP2005071936A - Water-based lithium secondary battery - Google Patents

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Naruaki Okuda
匠昭 奥田
Itsuki Sasaki
厳 佐々木
Osamu Hiruta
修 蛭田
Yoji Takeuchi
要二 竹内
Yoshio Ukiyou
良雄 右京
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a water-based lithium secondary battery having an excellent charge/discharge cycle characteristic. <P>SOLUTION: This water-based lithium secondary battery 1 has: a positive electrode 2 containing a substance allowing reversible insertion and desorption of Li as a positive electrode active material; a negative electrode 3 containing a substance wherein potential when storing and desorbing lithium is lower than the positive electrode active material as a negative electrode active material; and an aqueous electrolytic solution obtained by dissolving a lithium salt into water. In the water-based lithium secondary battery 1, the positive electrode 2 contains a metal powder as a conductive auxiliary. Preferably, the metal powder is an aluminum powder, and the pH of the aqueous electrolytic solution is 6-14. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、電解液として、リチウム塩を水に溶解してなる水溶液電解液を有する水系リチウム二次電池に関する。   The present invention relates to an aqueous lithium secondary battery having an aqueous electrolyte solution obtained by dissolving a lithium salt in water as an electrolyte solution.

電解液の溶媒として有機系溶媒を用いた非水系のリチウム二次電池は、高電圧でエネルギー密度が高く、また小型・軽量化が図れることから、パソコンや携帯電話等の携帯情報端末等を中心に情報機器や通信機器の分野で実用が進み、広く一般に普及するに至っている。また他の分野では、環境問題、資源問題から電気自動車の開発が急がれる中、このよなリチウム二次電池を電気自動車用電源として用いることが検討されている。   Non-aqueous lithium secondary batteries that use organic solvents as the solvent for the electrolyte solution are high voltage, high energy density, and can be reduced in size and weight, so they are mainly used in personal information terminals such as personal computers and mobile phones. In practical use in the field of information equipment and communication equipment, it has become widely popular. In other fields, the development of electric vehicles has been urgently caused by environmental problems and resource issues, and the use of such lithium secondary batteries as power sources for electric vehicles is being studied.

この非水系のリチウム二次電池としては、従来より、正極に導電助剤としてカーボンを含有するものが用いられてきた。
また、導電助剤として、アルミニウム、タンタル、ステンレス等の金属粉末を用いた非水系のリチウム二次電池も開発されている(特許文献1及び特許文献2参照)。
As this non-aqueous lithium secondary battery, conventionally, a positive electrode containing carbon as a conductive aid has been used.
In addition, nonaqueous lithium secondary batteries using metal powders such as aluminum, tantalum, and stainless steel as conductive assistants have also been developed (see Patent Document 1 and Patent Document 2).

一方、電解液として水溶液電解液を用いた水系リチウム二次電池がある。
この水系リチウム二次電池は、非水系のリチウム二次電池と比較して、有機溶媒を含有していないため非常に燃え難く、また、製造時にドライ環境を必要としないため製造コストを低くすることができる。さらに、一般的に、水溶液電解液は、非水系電解液に比べて導電性が高いため、非水系のリチウム二次電池に比べて内部抵抗が低くなるという利点がある。そのため、水系リチウム二次電池は、特に電気自動車用等の電源として期待されている。
On the other hand, there is an aqueous lithium secondary battery using an aqueous electrolyte as an electrolyte.
Compared to non-aqueous lithium secondary batteries, this water-based lithium secondary battery is extremely difficult to burn because it does not contain an organic solvent, and it does not require a dry environment at the time of manufacturing, so that the manufacturing cost is reduced. Can do. Furthermore, in general, an aqueous electrolyte has higher conductivity than a non-aqueous electrolyte, and thus has an advantage of lower internal resistance than a non-aqueous lithium secondary battery. Therefore, the water-based lithium secondary battery is particularly expected as a power source for electric vehicles.

しかしながら、水系リチウム二次電池は、その研究の歴史が浅いこともあり、正極に用いる導電助剤に関する報告はほとんどない。
また、水系リチウム二次電池は、上記のごとく自動車用の電源等として期待されているものの、実用段階には至っていない。
即ち、水系リチウム二次電池は、電池電圧が高くなると正極において酸素が発生するという問題を抱えている。そのため、水系リチウム二次電池には、充放電を繰り返し行うことにより放電容量が低下し易いという問題があり、充放電サイクル特性のさらなる改良が望まれている。
特開平8−78054号公報 特開平11−238527号公報
However, water-based lithium secondary batteries have a short history of research, and there are few reports on conductive aids used for positive electrodes.
In addition, although the water-based lithium secondary battery is expected as a power source for automobiles as described above, it has not reached a practical stage.
That is, the water-based lithium secondary battery has a problem that oxygen is generated at the positive electrode when the battery voltage increases. For this reason, the water-based lithium secondary battery has a problem that the discharge capacity tends to be reduced by repeatedly performing charge / discharge, and further improvement of charge / discharge cycle characteristics is desired.
JP-A-8-78054 Japanese Patent Laid-Open No. 11-238527

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたものであって、充放電サイクル特性に優れた水系リチウム二次電池を提供しようとするものである。   This invention is made | formed in view of this conventional problem, Comprising: It aims at providing the water-system lithium secondary battery excellent in charging / discharging cycling characteristics.

本発明は、Liを可逆的に挿入及び脱離できる物質を正極活物質として含有する正極と、リチウムを吸蔵及び脱離するときの電位が上記正極活物質よりも低い物質を負極活物質として含有する負極と、リチウム塩を水に溶解してなる水溶液電解液とを有する水系リチウム二次電池において、
上記正極は、導電助剤として金属粉末を含有することを特徴とする水系リチウム二次電池にある(請求項1)。
The present invention includes a positive electrode containing a material capable of reversibly inserting and desorbing Li as a positive electrode active material, and a material having a lower potential than that of the positive electrode active material when inserting and extracting lithium as the negative electrode active material. In an aqueous lithium secondary battery having a negative electrode and an aqueous electrolyte obtained by dissolving a lithium salt in water,
The positive electrode is an aqueous lithium secondary battery characterized by containing a metal powder as a conductive auxiliary agent (claim 1).

本発明の水系リチウム二次電池において最も注目すべき点は、上記正極が導電助剤として金属粉末を含有していることにある。
そのため、本発明の水系リチウム二次電池においては、充放電を繰り返し行っても容量の劣化が起こり難く、充放電サイクル特性に優れたものとなる。
The most notable point in the aqueous lithium secondary battery of the present invention is that the positive electrode contains a metal powder as a conductive additive.
Therefore, in the water based lithium secondary battery of the present invention, the capacity is hardly deteriorated even if charging / discharging is repeated, and the charge / discharge cycle characteristics are excellent.

次に、本発明の水系リチウム二次電池が上記のような優れた充放電サイクル特性を生じる理由を、導電助剤としてカーボンを含有させたものと比較して説明する。
一般に、水系リチウム二次電池においては、電解液の溶媒に水を用いているため、電池電圧が高くなると酸素ガスが発生する。しかし、実際には、電池容量を少しでも増大させるため、また電池電圧を少しでも高くするために、酸素ガス発生過電圧を見込んで使用電池電圧を高めに設定する。
Next, the reason why the aqueous lithium secondary battery of the present invention produces excellent charge / discharge cycle characteristics as described above will be described in comparison with the case where carbon is contained as a conductive additive.
In general, in an aqueous lithium secondary battery, water is used as a solvent for an electrolytic solution, so that oxygen gas is generated when the battery voltage increases. However, in practice, in order to increase the battery capacity as much as possible, and to increase the battery voltage as much as possible, the battery voltage to be used is set to be high in view of the oxygen gas generation overvoltage.

したがって、特に、電解液がアルカリ性の場合には、満充電時の正極内は比較的酸素ガスが発生し易い環境になる。そのため、導電助剤としてカーボン等を用いた場合には、酸化されやすいカーボンが徐々に酸化されて消失してしまうと考えられている。その結果、充放電を繰り返し行うことにより、電池内部の抵抗が増大し、放電容量が劣化し易くなると考えられる。   Therefore, particularly when the electrolyte is alkaline, the environment in which the oxygen gas is relatively easily generated is generated in the positive electrode when fully charged. Therefore, when carbon or the like is used as a conductive additive, it is considered that carbon that is easily oxidized is gradually oxidized and disappears. As a result, it is considered that by repeatedly charging and discharging, the resistance inside the battery increases, and the discharge capacity tends to deteriorate.

一方、本発明においては、上記のごとく、正極に、導電助剤として例えばアルミニウム、タンタル、ステンレス等の金属粉末を含有している。この金属粉末は、カーボンよりも酸化され難く、かつ電子伝導性が高い。
そのため、本発明の水系リチウム二次電池においては、充放電を繰り返し行ったときの充放電容量の低下を抑制することができる。
On the other hand, in the present invention, as described above, the positive electrode contains metal powder such as aluminum, tantalum, and stainless steel as a conductive auxiliary agent. This metal powder is less oxidized than carbon and has high electron conductivity.
Therefore, in the water based lithium secondary battery of the present invention, it is possible to suppress a decrease in charge / discharge capacity when charge / discharge is repeated.

このように、本発明によれば、充放電サイクル特性に優れた水系リチウム二次電池を提供することができる。   Thus, according to the present invention, it is possible to provide an aqueous lithium secondary battery having excellent charge / discharge cycle characteristics.

本発明(請求項1)の水系リチウム二次電池は、上記正極活物質として、Liを可逆的に挿入及び脱離できる物質を含有する。
このような正極活物質としては、例えばリチウムと遷移金属との複合酸化物、即ち層状構造のリチウムマンガン複合酸化物、スピネル構造のリチウムマンガン複合酸化物、オリビン構造のリチウムマンガン複合酸化物、欠損型層状構造のリチウムマンガン複合酸化物、及びオリビン構造のリン酸鉄リチウム等を用いることができる。
なお、上記欠損型層状構造のリチウムマンガン複合酸化物は、単結晶の層状構造Li2MnO3を基本構造としたLi2-xMnO3-yのことである。これは、酸素の欠損によってMnが4価以下になるために電気化学的に活性となり、可逆的に充放電ができるもので、Mnの一部をFe、Ni、Coで置換したものも含む。
The water based lithium secondary battery of the present invention (Claim 1) contains a substance capable of reversibly inserting and removing Li as the positive electrode active material.
Examples of such a positive electrode active material include a composite oxide of lithium and a transition metal, that is, a lithium manganese composite oxide having a layered structure, a lithium manganese composite oxide having a spinel structure, a lithium manganese composite oxide having an olivine structure, and a deficient type. A lithium manganese composite oxide having a layered structure, lithium iron phosphate having an olivine structure, or the like can be used.
Note that the lithium-manganese composite oxide having the deficient layer structure is Li 2-x MnO 3-y having a basic structure of a single crystal layer structure Li 2 MnO 3 . This is because Mn becomes tetravalent or less due to oxygen deficiency and becomes electrochemically active and can be reversibly charged / discharged, including those in which a part of Mn is substituted with Fe, Ni, and Co.

また、上記正極は、導電助剤として金属粉末を含有する。
このような金属粉末としては、例えば、アルミニウム、タンタル、ステンレス等の粉末を用いることができる。これらの金属粉末は、単独で用いることもできるが、2種以上を混合して用いることもできる。
好ましくは、アルミニウムやステンレスの粉末がよい。
アルミニウムやステンレスは、最表面に安定な酸化膜層が存在するため非常に酸化されにくく、電子伝導性にも優れている。そのため、これらを正極の導電助剤として用いた場合には、上記水系リチウム二次電池の充放電サイクル特性をより向上させることができる。
Moreover, the said positive electrode contains a metal powder as a conductive support agent.
As such a metal powder, for example, a powder of aluminum, tantalum, stainless steel or the like can be used. These metal powders can be used alone or in combination of two or more.
Preferably, aluminum or stainless steel powder is used.
Aluminum and stainless steel have a stable oxide film layer on the outermost surface, so that they are very difficult to oxidize and have excellent electron conductivity. Therefore, when these are used as a conductive additive for the positive electrode, the charge / discharge cycle characteristics of the aqueous lithium secondary battery can be further improved.

特に好ましくは、上記金属粉末は、アルミニウム粉末であることがよい(請求項2)。
この場合には、さらに製造コストを抑えることができ、かつ電池の軽量化が可能になるという効果を得ることができる。
Particularly preferably, the metal powder is an aluminum powder.
In this case, the manufacturing cost can be further reduced, and the battery can be reduced in weight.

次に、上記水系リチウム二次電池は、負極活物質として、リチウムを吸蔵及び脱離するときの電位が上記正極活物質よりも低い物質を含有する。
このような負極活物質としては、例えばバナジウム、鉄、チタン、マンガン等の金属を含有する酸化物や水酸化物、また、これらの金属とリチウムとの複合酸化物等を用いることができる。具体的には、例えばLiV24、LiV38、VO2、及びFeOOH等を用いることができる。
Next, the water based lithium secondary battery contains a negative electrode active material having a lower potential than the positive electrode active material when lithium is inserted and extracted.
As such a negative electrode active material, for example, an oxide or hydroxide containing a metal such as vanadium, iron, titanium, or manganese, or a composite oxide of these metal and lithium can be used. Specifically, for example, LiV 2 O 4 , LiV 3 O 8 , VO 2 , FeOOH, or the like can be used.

また、上記負極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵・脱離できる炭素物質を用いることもできる。このような炭素物質としては、例えば天然あるいは人造の黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、フェノール樹脂等の有機化合物焼成体、コークス等の粉状体等が挙げられる。   Further, as the negative electrode active material, a carbon material capable of inserting and extracting lithium ions can be used. Examples of such a carbon material include natural or artificial graphite, mesocarbon microbeads (MCMB), a fired organic compound such as phenol resin, and a powdery material such as coke.

また、上記水系リチウム二次電池は、電解液として、リチウム塩を水に溶解してなる水溶液電解液を有する。
このようなリチウム塩としては、例えばLiNO3、LiOH、LiCl、及びLi2SO4等がある。これらのリチウム塩は、それぞれ単独で用いることもできるが、2種以上を併用することもできる。
Moreover, the said aqueous lithium secondary battery has aqueous solution electrolyte solution formed by melt | dissolving lithium salt in water as electrolyte solution.
Examples of such a lithium salt include LiNO 3 , LiOH, LiCl, and Li 2 SO 4 . These lithium salts can be used alone or in combination of two or more.

また、上記水溶液電解液のpHは、6〜14であることが好ましい(請求項3)。
上記水溶液電解液のpHが6未満の場合には、水溶液電解液のイオン導電率が低くなるため、電池の内部抵抗が増大するおそれがある。
Moreover, it is preferable that pH of the said aqueous solution electrolyte is 6-14.
When the pH of the aqueous electrolytic solution is less than 6, the ionic conductivity of the aqueous electrolytic solution is lowered, so that the internal resistance of the battery may be increased.

また、上記水系リチウム二次電池においては、例えばリチウムを吸蔵・放出する正極及び負極と、これらの間に狭装されるセパレータと、正極及び負極間でリチウムを移動させる水溶液電解液などを主要構成要素として構成することができる。   The above-mentioned aqueous lithium secondary battery mainly includes, for example, a positive electrode and a negative electrode that store and release lithium, a separator that is sandwiched between them, and an aqueous electrolyte that moves lithium between the positive electrode and the negative electrode. Can be configured as an element.

上記水系リチウム二次電池において、正極は、例えば上記正極活物質に上記導電助剤及び結着剤を混合し、必要に応じて適当な溶剤を加えてペースト状の正極合材としたものを成形し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成することができる。   In the aqueous lithium secondary battery, the positive electrode is formed, for example, by mixing the positive electrode active material with the conductive additive and binder, and adding a suitable solvent as necessary to obtain a paste-like positive electrode mixture. And it can compress and form so that an electrode density may be raised as needed.

上記結着剤は、活物質粒子及び導電助剤粒子を繋ぎ止める役割を果たすものであり、例えば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、或いはポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート等の熱可塑性樹脂等を用いることができる。
これら活物質、導電助剤、結着剤を分散させる溶剤としては、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。
The binding agent plays a role of anchoring the active material particles and the conductive auxiliary particles, for example, a fluorine-containing resin such as polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, fluororubber, or polypropylene, polyethylene, polyethylene terephthalate, etc. These thermoplastic resins can be used.
For example, an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone can be used as a solvent for dispersing these active materials, conductive assistants, and binders.

負極は、上記正極と同様に、例えば上記負極活物質に導電助剤や結着剤を混合し、必要に応じて適当な溶媒を加えてペースト状にした負極合材を成形し、その後必要に応じてプレスして形成することができる。
負極の導電助剤としては、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末状体の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。また、上記の正極の導電助剤と同様の金属粉末を用いることもできる。
In the same way as the positive electrode, for example, the negative electrode active material is mixed with a conductive additive or a binder, and if necessary, an appropriate solvent is added to form a paste-like negative electrode mixture. It can be formed by pressing accordingly.
As the conductive additive for the negative electrode, for example, a mixture of one or more carbon material powders such as carbon black, acetylene black, and graphite can be used. Further, the same metal powder as the above-described positive electrode conductive additive can also be used.

また、正極及び負極に狭装させるセパレータは、正極と負極とを分離し電解液を保持するものであり、例えばセルロース、ポリエチレン、及びポリプロピレン等の薄い微多孔膜を用いることができる。   In addition, the separator to be narrowly attached to the positive electrode and the negative electrode separates the positive electrode and the negative electrode and holds the electrolytic solution. For example, a thin microporous film such as cellulose, polyethylene, or polypropylene can be used.

また、上記水系リチウム二次電池の形状としては、例えばコイン型、円筒型、角型等がある。正極、負極、セパレータ及び水溶液電解液等を収容する電池ケースとしては、これらの形状に対応したものを用いることができる。   Examples of the shape of the water based lithium secondary battery include a coin shape, a cylindrical shape, and a square shape. As the battery case that accommodates the positive electrode, the negative electrode, the separator, the aqueous electrolyte, and the like, those corresponding to these shapes can be used.

(実施例1)
次に、本発明の実施例につき、説明する。
本例においては、導電助剤としてアルミニウム粉末を含有する正極を作製し、その水系リチウム二次電池の電極としての適性を調べる。即ち、まず、導電助剤としてアルミニウム粉末を含有する正極を作製し、これを用いて非水系のリチウム二次電池を作製する。次いで、この非水系のリチウム二次電池の電圧と容量の関係を調べることにより、アルミニウム粉末の水系リチウム二次電池の導電助剤としての適性を評価する。
(Example 1)
Next, examples of the present invention will be described.
In this example, a positive electrode containing aluminum powder as a conductive additive is prepared, and its suitability as an electrode for an aqueous lithium secondary battery is examined. That is, first, a positive electrode containing aluminum powder as a conductive additive is prepared, and a non-aqueous lithium secondary battery is prepared using the positive electrode. Next, by examining the relationship between the voltage and capacity of the non-aqueous lithium secondary battery, the suitability of the aluminum powder as a conductive assistant for the aqueous lithium secondary battery is evaluated.

具体的には、まず、下記のようにして、正極活物質を合成した。
即ち、Li源としてのLiH2PO4、Mn源としてのMnCO3、Fe源としてのFeC24・2H2Oをそれぞれ準備し、Li、P、Mn、Feのモル比がそれぞれ1:1:0.5:0.5となるような割合でこれらを混合した。混合は、自動乳鉢を用いて1時間行った。
Specifically, first, a positive electrode active material was synthesized as follows.
That is, LiH 2 PO 4 as a Li source, MnCO 3 as a Mn source, and FeC 2 O 4 .2H 2 O as an Fe source were prepared, and the molar ratios of Li, P, Mn, and Fe were 1: 1 respectively. These were mixed at a ratio of 0.5: 0.5. Mixing was performed for 1 hour using an automatic mortar.

混合後、Ar雰囲気中で250℃にて12時間仮焼し、さらに自動乳鉢で1時間混合し、次いでAr雰囲気中で750℃にて24時間焼成した。これにより、オリビン構造のリチウムマンガン複合酸化物であるLiMn0.5Fe0.5PO4を得た。このリチウムマンガン複合酸化物を、以下適宜、鉄置換マンガンオリビンと呼称する。 After mixing, the mixture was calcined at 250 ° C. for 12 hours in an Ar atmosphere, further mixed in an automatic mortar for 1 hour, and then baked at 750 ° C. for 24 hours in an Ar atmosphere. As a result, LiMn 0.5 Fe 0.5 PO 4 , which is a lithium manganese composite oxide having an olivine structure, was obtained. This lithium manganese composite oxide is hereinafter referred to as iron-substituted manganese olivine as appropriate.

次に、上記のようにして作製した鉄置換マンガンオリビンを正極活物質として用い、さらに導電助剤としてアルミニウム粉末を用いて、非水系の電解液を有するリチウム二次電池を作製し、その充放電容量を調べた。
具体的には、まず、正極活物質としての鉄置換マンガンオリビンを70重量部、導電助剤としてのアルミニウム粉末を25重量部、及び結着剤としてのポリエチレンテレフタレートを5重量部混合し電極合材を作製した。アルミニウム粉末としては、純度99.9%で径が5μmの鱗片粒子を用いた。
続いて、電極合材10mgをφ10mmのペレットに成形し、これを正極とした。この正極を試料Eとする。
Next, using the iron-substituted manganese olivine produced as described above as a positive electrode active material, and further using aluminum powder as a conductive additive, a lithium secondary battery having a non-aqueous electrolyte solution was produced, and charge / discharge thereof was performed. The capacity was examined.
Specifically, first, 70 parts by weight of iron-substituted manganese olivine as a positive electrode active material, 25 parts by weight of aluminum powder as a conductive additive, and 5 parts by weight of polyethylene terephthalate as a binder are mixed to form an electrode mixture. Was made. As the aluminum powder, scale particles having a purity of 99.9% and a diameter of 5 μm were used.
Subsequently, 10 mg of the electrode mixture was formed into a 10 mm pellet, which was used as the positive electrode. This positive electrode is designated as sample E.

次いで、負極として金属リチウムを準備した。また、電解液として、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとを体積比1:1にて混合した混合溶媒に、PF6を溶解させて濃度1Mとした溶液を準備した。
次に、上記のようにして準備した正極(試料E)と負極とを、厚さ25μmのポリエチレン製のセパレータを介してCR2016型のコインセル用の電池ケース中に配置した。
Next, metallic lithium was prepared as a negative electrode. Further, as an electrolytic solution, a solution having a concentration of 1M was prepared by dissolving PF 6 in a mixed solvent in which ethylene carbonate and diethyl carbonate were mixed at a volume ratio of 1: 1.
Next, the positive electrode (sample E) and the negative electrode prepared as described above were placed in a battery case for a CR2016 type coin cell via a polyethylene separator having a thickness of 25 μm.

さらに、電池ケース内の端部にガスケットを配置し、さらに電池ケース内に上記の電解液を適量注入して含浸させた。続いて、電池ケースを密封して、非水系のリチウム二次電池を作製した。これを電池Eとする。   Further, a gasket was disposed at the end of the battery case, and an appropriate amount of the above electrolyte was injected into the battery case for impregnation. Subsequently, the battery case was sealed to produce a non-aqueous lithium secondary battery. This is referred to as a battery E.

次に、上記電池Eとの比較のために、正極の導電助剤にカーボンブラックを用いた正極(試料C)を作製し、この正極を用いて非水系のリチウム二次電池を作製した。これを電池Cとする。
この電池Cは、導電助剤としてカーボンブラックを含有する正極(試料C)を用いた点除いては、上記電池Eと同様にして作製したものである。
Next, for comparison with the battery E, a positive electrode (sample C) using carbon black as a conductive additive for the positive electrode was prepared, and a non-aqueous lithium secondary battery was manufactured using the positive electrode. This is referred to as a battery C.
This battery C was produced in the same manner as the battery E except that a positive electrode (sample C) containing carbon black as a conductive additive was used.

次に、上記電池E及び電池Cを、それぞれ温度20℃の恒温槽内で、電流密度0.2mA/cm2にて、充電上限電圧4.5Vまで定電流充電し、次いで20℃の恒温槽内で、電流密度0.2mA/cm2にて、放電下限電圧2.5Vまで定電流放電した。このとき、各電池の電圧及び容量を測定し、Liに対する電圧−容量曲線を作製した。これを図1に示す。なお、図1において、縦軸はLiに対する電位を示し、横軸は容量を示す。 Next, the battery E and the battery C were each charged in a constant current at a current density of 0.2 mA / cm 2 to a charge upper limit voltage of 4.5 V in a constant temperature bath at a temperature of 20 ° C., and then a constant temperature bath at 20 ° C. The battery was discharged at a constant current up to a discharge lower limit voltage of 2.5 V at a current density of 0.2 mA / cm 2 . At this time, the voltage and capacity of each battery were measured, and a voltage-capacity curve for Li was prepared. This is shown in FIG. In FIG. 1, the vertical axis represents the potential with respect to Li, and the horizontal axis represents the capacity.

図1より知られるごとく、電池E及び電池Cにおいては、過電圧を考慮した酸素ガス発生電位と目される4.2Vまでの容量にほとんど差はなく、初期特性はほぼ同じであることがわかった。また、電池E及び電池Cは、酸素ガス発生電位(4.2V)までに、150mAh/gを越える非常に高い容量を示すことができ、電池E及び電池Cにて用いた電極は、電解液として水溶液電解液を有する水系リチウム二次電池に好適であることがわかった。   As can be seen from FIG. 1, in the battery E and the battery C, it was found that there was almost no difference in the capacity up to 4.2 V regarded as the oxygen gas generation potential considering the overvoltage, and the initial characteristics were almost the same. . In addition, the battery E and the battery C can exhibit a very high capacity exceeding 150 mAh / g by the oxygen gas generation potential (4.2 V), and the electrodes used in the battery E and the battery C are electrolyte solutions. As a result, it was found to be suitable for an aqueous lithium secondary battery having an aqueous electrolyte solution.

(実施例2)
本例は、実施例1にて作製した2種類の正極(試料E及び試料C)をそれぞれ用いて、水溶液電解液を有する2種類の水系リチウム二次電池(電池Ea及び電池Ca)を作製し、その特性を評価した例である。
本例においては、水系リチウム二次電池として、図2に示すごとくCR2016型コインセルを作製した。
(Example 2)
In this example, two types of aqueous lithium secondary batteries (battery Ea and battery Ca) having an aqueous electrolyte solution were prepared using the two types of positive electrodes (sample E and sample C) prepared in Example 1, respectively. This is an example of evaluating the characteristics.
In this example, a CR2016 type coin cell was produced as an aqueous lithium secondary battery as shown in FIG.

図2に示すごとく、本例の水系リチウム二次電池1(電池Ea)は、Liを可逆的に挿入及び脱離できる物質であるLiMn0.5Fe0.5PO4を正極活物質として含有する正極2と、リチウムを吸蔵及び脱離するときの電位が上記正極活物質よりも低い物質であるLiV24を負極活物質として含有する負極3と、リチウム塩としてのLiNO3を水に溶解してなる水溶液電解液とを有する。また、正極2は、導電助剤としてアルミニウム粉末を含有する。 As shown in FIG. 2, an aqueous lithium secondary battery 1 (battery Ea) of this example includes a positive electrode 2 containing LiMn 0.5 Fe 0.5 PO 4 , which is a substance capable of reversibly inserting and removing Li, as a positive electrode active material. The negative electrode 3 containing LiV 2 O 4 as a negative electrode active material, which has a lower potential when inserting and extracting lithium, than the positive electrode active material, and LiNO 3 as a lithium salt are dissolved in water. An aqueous electrolyte solution. The positive electrode 2 contains aluminum powder as a conductive additive.

また、本例の水系リチウム二次電池1においては、CR2016型の電池ケース11中に、上記正極2及び負極3と共に、これらの間に狭装させた状態でセパレータ4が配置されている。また、電池ケース11内には、水溶液電解液が注入されている。電池ケース11内の端部には、ガスケット5が配置されており、電池ケースは封口板12により密封されている。   Further, in the water based lithium secondary battery 1 of this example, the separator 4 is disposed in a CR2016 type battery case 11 together with the positive electrode 2 and the negative electrode 3 in a state of being sandwiched between them. An aqueous electrolyte solution is injected into the battery case 11. A gasket 5 is disposed at an end in the battery case 11, and the battery case is sealed with a sealing plate 12.

次に、上記水系リチウム二次電池の作製方法につき、説明する。
まず、正極としては、実施例1と同様の上記試料Eを準備した。
また、負極としては、まず、負極活物質としてのLiV24を70重量部、導電助剤としてのカーボンブラックを25重量部、及び結着剤としてのポリエチレンテレフタレートを5重量部混合して負極合材を作製し、この負極合材10mgをφ10mmのペレットに成形したものを用いた。
Next, a method for producing the water based lithium secondary battery will be described.
First, as the positive electrode, the same sample E as in Example 1 was prepared.
As the negative electrode, first, 70 parts by weight of LiV 2 O 4 as a negative electrode active material, 25 parts by weight of carbon black as a conductive additive, and 5 parts by weight of polyethylene terephthalate as a binder were mixed to form a negative electrode. A composite material was produced, and 10 mg of this negative electrode composite material was formed into a 10 mm diameter pellet.

なお、LiV24は、そのLi/Li+に対する充放電電位が2.4V付近、即ち水の電気分解により水素発生を発生しない電位範囲内にある。したがって、このLiV24は、水素を発生しない電位範囲において、可逆的に大量のリチウムイオンを吸蔵・脱離することが可能であり、水系リチウム二次電池の負極活物質として好適なものである。 Note that LiV 2 O 4 has a charge / discharge potential with respect to Li / Li + in the vicinity of 2.4 V, that is, within a potential range in which hydrogen generation does not occur due to electrolysis of water. Therefore, this LiV 2 O 4 can reversibly absorb and desorb a large amount of lithium ions in a potential range where hydrogen is not generated, and is suitable as a negative electrode active material for an aqueous lithium secondary battery. is there.

また水溶液電解液としては、LiOHを水に溶解することにより、濃度1MのLiOH水溶液(pH≒14)を準備した。
次に、図2に示すごとく、上記正極2及び負極3の間に厚さ25μmのポリエチレン製のセパレータ4を挟み、これをCR2016型の電池ケース11内に配置した。
As an aqueous electrolyte, a LiOH aqueous solution (pH≈14) having a concentration of 1 M was prepared by dissolving LiOH in water.
Next, as shown in FIG. 2, a polyethylene separator 4 having a thickness of 25 μm was sandwiched between the positive electrode 2 and the negative electrode 3, and this was placed in a CR2016 type battery case 11.

さらに、電池ケース11内の端部にガスケット5を配置し、さらに電池ケース11内に上記の水溶液電解液を適量注入して含浸させた。続いて、封口板12を配置し、電池ケース11の端部をかしめ加工することにより、電池ケース11を密封して水系リチウム二次電池1を作製した。これを電池Eaとする。   Further, the gasket 5 was disposed at the end in the battery case 11, and an appropriate amount of the above aqueous electrolyte solution was injected into the battery case 11 and impregnated. Subsequently, the sealing plate 12 was disposed, and the end portion of the battery case 11 was caulked, whereby the battery case 11 was sealed to produce the aqueous lithium secondary battery 1. This is designated as battery Ea.

また、本例においては、上記電池Eaの優れた特性を明らかにするために、比較用として、導電助剤としてカーボンブラックを含有する正極、即ち実施例1にて作製した試料Cを正極に用いて水系リチウム二次電池を作製した。これを電池Caとする。
この電池Caは、導電助剤としてカーボンブラックを含有する正極(試料C)を用いた点を除いては、上記電池Eaと同様にして作製したものである。
Further, in this example, in order to clarify the excellent characteristics of the battery Ea, a positive electrode containing carbon black as a conductive additive, that is, the sample C prepared in Example 1 was used as a positive electrode for comparison. An aqueous lithium secondary battery was prepared. This is referred to as a battery Ca.
This battery Ca is produced in the same manner as the battery Ea except that a positive electrode (sample C) containing carbon black as a conductive additive is used.

次に、上記電池Ea及び電池Caについて、充放電サイクル試験を行った。
充放電サイクル試験は、各電池について、温度60℃の条件下で、電流密度0.5mA/cm2の定電流にて電池電圧1.4Vまで充電し、その後、電流密度0.5mA/cm2の定電流にて電池電圧0.1Vまで放電する充放電を1サイクルとし、このサイクルを50サイクル繰り返すことにより行った。各充放電サイクルにおいては、1.4Vまで充電した後、及び0.1Vまで放電した後に、充電休止時間及び放電休止時間をそれぞれ1分間ずつ設けた。そして、各サイクル毎に、それぞれの電池(電池Ea及び電池Ca)の放電容量を測定した。
Next, a charge / discharge cycle test was performed on the battery Ea and the battery Ca.
In the charge / discharge cycle test, each battery was charged to a battery voltage of 1.4 V at a constant current of 0.5 mA / cm 2 under a temperature of 60 ° C., and then the current density of 0.5 mA / cm 2. Charging / discharging to a battery voltage of 0.1 V at a constant current of 1 cycle was performed, and this cycle was repeated 50 times. In each charge / discharge cycle, after charging to 1.4 V and after discharging to 0.1 V, a charging pause time and a discharge pause time were provided for 1 minute each. And the discharge capacity of each battery (battery Ea and battery Ca) was measured for every cycle.

放電容量は、上記各サイクル毎の放電電流値(mA)を測定し、この放電電流値に放電に要した時間(hr)を乗じて得られた値を、電池内の正極活物質の重量(g)で除することにより算出した。
その結果を図3に示す。
図3において、横軸はサイクル数(回)を示し、縦軸は放電容量(mAh/g)を示すものである。
また、上記電池Ea及びCaの初期放電容量を下記の表1に示す。
The discharge capacity is determined by measuring the discharge current value (mA) for each cycle and multiplying this discharge current value by the time (hr) required for discharge to obtain the weight of the positive electrode active material in the battery ( Calculated by dividing by g).
The result is shown in FIG.
In FIG. 3, the horizontal axis indicates the number of cycles (times), and the vertical axis indicates the discharge capacity (mAh / g).
The initial discharge capacities of the batteries Ea and Ca are shown in Table 1 below.

Figure 2005071936
Figure 2005071936

表1より知られるごとく、電池Ea及び電池Caは、共に60mAh/gを越える高い初期放電容量を示した。また、表1より知られるごとく、電池Ea及び電池Caは、ほぼ同じ大きさの初期放電容量を示した。   As is known from Table 1, both the battery Ea and the battery Ca showed a high initial discharge capacity exceeding 60 mAh / g. Further, as is known from Table 1, the battery Ea and the battery Ca showed the initial discharge capacity of almost the same size.

次に、図3より知られるごとく、電池Eaにおいては、充放電を50サイクル繰り返した後においても、初期放電容量の90%程度の放電容量を維持しており、サイクル試験後も高い放電容量を維持していた。
一方、電池Caにおいては、充放電を50サイクル繰り返した後、放電容量は、初期放電容量の78%程度に低下し、サイクル試験後の放電容量は50mAh/g程度まで低下していた。
Next, as is known from FIG. 3, the battery Ea maintains a discharge capacity of about 90% of the initial discharge capacity even after 50 cycles of charge and discharge, and has a high discharge capacity after the cycle test. Was maintained.
On the other hand, in the battery Ca, after 50 cycles of charging and discharging, the discharge capacity was reduced to about 78% of the initial discharge capacity, and the discharge capacity after the cycle test was reduced to about 50 mAh / g.

本例の結果から、正極の導電助剤としてアルミニウム粉末、即ち酸化され難く電子伝導性の高い粉末を用いることにより、水系リチウム二次電池の充放電サイクル特性を向上できることがわかる。
また、本例においては、導電助剤の金属粉末としてアルミニウム粉末を用いて水系リチウム二次電池を作製しその特性の評価を行ったが、アルミニウム粉末の代わりに、ステンレスやチタン等の粉末を用いた場合についても、同様の結果が得られる。
From the results of this example, it can be seen that the charge / discharge cycle characteristics of the water-based lithium secondary battery can be improved by using aluminum powder, that is, powder that is not easily oxidized and has high electron conductivity, as the positive electrode conductive additive.
In this example, an aqueous lithium secondary battery was fabricated using aluminum powder as the metal powder of the conductive additive, and its characteristics were evaluated. However, instead of aluminum powder, powder such as stainless steel or titanium was used. Similar results can be obtained with the

実施例1にかかる、各電池の容量と電位との関係を表す説明図。FIG. 3 is an explanatory diagram showing the relationship between the capacity and potential of each battery according to Example 1; 実施例2にかかる、水系リチウム二次電池の構成を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of the water based lithium secondary battery concerning Example 2. FIG. 実施例2にかかる、各電池の充放電サイクル試験の結果を示す説明図。Explanatory drawing which shows the result of the charging / discharging cycle test of each battery concerning Example 2. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 水系リチウム二次電池
2 正極
3 負極
4 セパレータ
1 Water-based lithium secondary battery 2 Positive electrode 3 Negative electrode 4 Separator

Claims (3)

Liを可逆的に挿入及び脱離できる物質を正極活物質として含有する正極と、リチウムを吸蔵及び脱離するときの電位が上記正極活物質よりも低い物質を負極活物質として含有する負極と、リチウム塩を水に溶解してなる水溶液電解液とを有する水系リチウム二次電池において、
上記正極は、導電助剤として金属粉末を含有することを特徴とする水系リチウム二次電池。
A positive electrode containing a material capable of reversibly inserting and desorbing Li as a positive electrode active material; a negative electrode containing a material having a lower potential than the positive electrode active material as a negative electrode active material when inserting and extracting lithium; In an aqueous lithium secondary battery having an aqueous electrolyte solution obtained by dissolving a lithium salt in water,
The positive electrode contains a metal powder as a conductive additive, and is a water based lithium secondary battery.
請求項1において、上記金属粉末は、アルミニウム粉末であることを特徴とする水系リチウム二次電池。   2. The aqueous lithium secondary battery according to claim 1, wherein the metal powder is an aluminum powder. 請求項1又は2において、上記水溶液電解液のpHは、6〜14であることを特徴とする水系リチウム二次電池。   3. The aqueous lithium secondary battery according to claim 1, wherein the aqueous electrolyte solution has a pH of 6 to 14. 4.
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CN107403968A (en) * 2016-05-20 2017-11-28 苏州宝时得电动工具有限公司 Aqoue seconary battery

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