JP2006073259A - Positive electrode active material and water dissolving lithium secondary battery - Google Patents

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

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a positive electrode active material for a water dissolving lithium secondary battery having a high discharging capacity and an excellent charging and discharging cycle characteristic, and to provide the water dissolving lithium secondary battery. <P>SOLUTION: The positive electrode active material is for the water dissolving lithium secondary battery having a water dissolving electrolyte made by dissolving a lithium salt in water. The positive electrode active material is formed of particles mainly consisting of a compound of an olivine structure represented by a formula Li<SB>x</SB>Fe<SB>1-y</SB>M<SB>y</SB>PO<SB>4</SB>(wherein, 0.85≤x≤1.2, 0<y≤0.5, and M is one or more kinds of elements selected from Li, Ni, Co, Mn, Mg, Al, Ti, Ga, Cu, V, Nb, Zr, Hf and Ce.). The water dissolving lithium secondary battery 1 has a positive electrode 2 containing the positive electrode active material formed of the particles, a negative electrode 3 containing a negative electrode active material and the water dissolving electrolyte made by dissolving the lithium salt in water. <P>COPYRIGHT: (C)2006,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用の正極活物質及び該正極活物質を用いた水系リチウム二次電池に関する。   The present invention relates to a positive electrode active material for an aqueous lithium secondary battery having an aqueous electrolyte solution obtained by dissolving a lithium salt in water as an electrolytic solution, and an aqueous lithium secondary battery using the positive electrode active material.

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、このよう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 communication equipment, it has been widely spread. In other fields, the development of electric vehicles has been urgently promoted due to environmental issues and resource issues, and the use of such lithium secondary batteries as power sources for electric vehicles has been studied.

一般に、非水系のリチウム二次電池は、正極活物質としてリチウム遷移金属複合酸化物を、負極活物質として炭素材料を用い、非水電解液として有機溶媒にリチウム塩を溶解した電解液を用いて構成されている。
具体的には、正極活物質としては、例えばLiCoO2、LiNiO2、及びLiMn24等が用いられており、これらの活物質は、金属Liに対して3.5〜4.3Vの電位範囲で使用される。また、負極活物質としては炭素材料等が用いられており、1〜0.1V程度の電位範囲で使用される。非水系のリチウム二次電池は、このような正極活物質と負極活物質とを組み合わせることにより、単セルにおいて3〜4V級の高い起電力を発揮できる。
Generally, a non-aqueous lithium secondary battery uses a lithium transition metal composite oxide as a positive electrode active material, a carbon material as a negative electrode active material, and an electrolyte solution in which a lithium salt is dissolved in an organic solvent as a non-aqueous electrolyte solution. It is configured.
Specifically, for example, LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 and the like are used as the positive electrode active material, and these active materials have a potential of 3.5 to 4.3 V with respect to the metal Li. Used in range. Moreover, a carbon material etc. are used as a negative electrode active material, and it is used in the electric potential range of about 1-0.1V. A non-aqueous lithium secondary battery can exhibit a high electromotive force of 3 to 4 V class in a single cell by combining such a positive electrode active material and a negative electrode active material.

しかし、非水系のリチウム二次電池には、次のような問題が指摘されている。
即ち、非水系のリチウム二次電池は、電解液として有機溶媒等の非水系電解液を含有しているため、常に引火や爆発の危険性を有している。過充電状態や高温環境下にされされた状態においては、特にその危険性が高い。
二次電池は、エネルギーを電気化学的に蓄え放出する装置である。したがって、電気化学的に蓄えたエネルギーが、例えば正極と負極との短絡等の何らかのきっかけで、急激に熱エネルギーに変換されてしまったときに、内部に可燃性の有機溶媒がある場合には、必然的に引火、爆発を引き起こすおそれがある。
このような問題は、特に電気自動車やハイブリッド車等のように大型の電池を必要とする用途においては致命的である。また、自動車用電源として用いると、使用温度や充放電サイクルの面でも過酷な条件で使用されることとなり、引火や爆発の危険性がより高くなると考えられている。
However, the following problems have been pointed out for non-aqueous lithium secondary batteries.
That is, since the nonaqueous lithium secondary battery contains a nonaqueous electrolytic solution such as an organic solvent as an electrolytic solution, there is always a risk of ignition or explosion. The danger is particularly high in an overcharged state or a state where the battery is subjected to a high temperature environment.
Secondary batteries are devices that store and release energy electrochemically. Therefore, when the energy stored electrochemically has been suddenly converted into thermal energy due to, for example, a short circuit between the positive electrode and the negative electrode, when there is a flammable organic solvent inside, There is a risk of fire and explosion.
Such a problem is particularly fatal in applications that require large batteries, such as electric vehicles and hybrid vehicles. Further, when used as a power source for automobiles, it is used under severe conditions in terms of operating temperature and charge / discharge cycle, and it is considered that the risk of ignition and explosion becomes higher.

ところで、非水系のリチウム二次電池は、電解液に水を使用しないため、水の電気分解反応に縛られることがなく、約4Vという高電圧の起電力を発揮することができる。その反面、電池内に水分が存在すれば、電気分解に伴ってガスが発生したり、リチウムとの反応により充放電サイクル特性が低下したり、また、副反応により充放電効率が低下したり、電池構成材料が腐食したりする等という様々な問題を引き起こすおそれがある。
そのため、非水系のリチウム二次電池においては、その製造工程において徹底したドライ環境を維持する必要があり、水分を完全に除去するために特殊な設備と多大な労力を要している。そのため、製造コストが高くなってしまうという問題がある。この観点からも、特に電気自動車用の二次電池をにらんだ将来の量産化に対応し難いという問題があった。
By the way, since the non-aqueous lithium secondary battery does not use water as an electrolyte, it is not restricted by the electrolysis reaction of water and can exhibit an electromotive force of a high voltage of about 4V. On the other hand, if moisture is present in the battery, gas is generated with electrolysis, charge / discharge cycle characteristics are reduced due to reaction with lithium, and charge / discharge efficiency is reduced due to side reactions, There is a risk of causing various problems such as corrosion of battery constituent materials.
Therefore, in a non-aqueous lithium secondary battery, it is necessary to maintain a thorough dry environment in the manufacturing process, and special equipment and a great deal of labor are required to completely remove moisture. Therefore, there exists a problem that manufacturing cost will become high. From this point of view as well, there is a problem that it is difficult to cope with mass production in the future with a view to secondary batteries for electric vehicles.

一方、電解液として水溶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、上述の非水系リチウム二次電池が有する問題に対して非常に有利であると予測される。
即ち、水系リチウム二次電池は、電解液に有機溶媒を含有していないため、基本的には燃えることはない。また、製造工程においてドライ環境を必要としないため、製造にかかるコストを大幅に減少することができる。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、水系リチウム二次電池は、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。
On the other hand, there is an aqueous lithium secondary battery using an aqueous solution as an electrolytic solution. This aqueous lithium secondary battery is expected to be very advantageous for the problems of the non-aqueous lithium secondary battery described above.
That is, the water-based lithium secondary battery does not basically burn because it does not contain an organic solvent in the electrolytic solution. In addition, since a dry environment is not required in the manufacturing process, manufacturing costs can be significantly reduced. Furthermore, since aqueous electrolytes generally have higher conductivity than non-aqueous electrolytes, aqueous lithium secondary batteries have the advantage of lower internal resistance than non-aqueous lithium secondary batteries.

しかし、水系リチウム二次電池は、水の電気分解反応が起こらない電位範囲での使用が求められる。そのため、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起電力が小さくなる。水の電気分解電位から計算すると1.2V程度が限界であるが、実際には電気分解によりガスが発生するためには過電圧が必要であることから、2V程度が限界となる。このことは、水系リチウム二次電池は、高エネルギー密度、即ち軽くて小さいことを重視する携帯機器等の用途には向かないが、比較的コストを重視し、大型の電池が用いられる電気自動車やハイブリッド電気自動車、ひいては家庭用分散電源等の用途に適することが予想されている。   However, water-based lithium secondary batteries are required to be used in a potential range where no water electrolysis reaction occurs. Therefore, the electromotive force of the aqueous lithium secondary battery is smaller than that of the non-aqueous lithium secondary battery. When calculated from the electrolysis potential of water, the limit is about 1.2 V. However, in actuality, an overvoltage is necessary to generate gas by electrolysis, so about 2 V is the limit. This is because water-based lithium secondary batteries are not suitable for applications such as portable devices that emphasize high energy density, that is, light and small. It is expected to be suitable for applications such as hybrid electric vehicles and eventually household distributed power supplies.

水系リチウム二次電池を構成する上で重要なことは、水溶液中で安定で、かつ水の電気分解により酸素や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を吸蔵及び脱離できる活物質、つまり特定の電位範囲において大きな容量を発揮できる活物質を用いる点にある。
また、電解液としては、中性からアルカリ性の電解液を用いることが望まれている。活物質として主として用いられる酸化物系の電極材料は、一般に酸性の水溶液中では安定性に乏しく、また、酸性電解液中の多量のH+イオンは、純粋なLi+イオンのロッキングチェア反応を阻害するおそれがあるからである。
What is important for the construction of an aqueous lithium secondary battery is that it is stable in an aqueous solution and has an activity capable of reversibly occluding and desorbing a large amount of lithium in a potential range where oxygen and hydrogen are not generated by electrolysis of water. The substance is that an active material that can exhibit a large capacity in a specific potential range is used.
Further, it is desired to use a neutral to alkaline electrolyte as the electrolyte. Oxide-based electrode materials that are mainly used as active materials generally have poor stability in acidic aqueous solutions, and a large amount of H + ions in acidic electrolytes inhibit the rocking chair reaction of pure Li + ions. It is because there is a possibility of doing.

中性、即ちpH=7の電解液を用いた場合には、水の分解電圧は、水素発生電位が2.62V、酸素発生電位が3.85Vである。また、強アルカリ性、即ちpH=14の電解液を用いた場合には、水の分解電圧は水素発生電位が2.21V、酸素発生電位が3.44Vである。
したがって、正極活物質としては、最低限3.85V(pH=7)までにより多くのLiが引き抜ける材料が望まれている。負極活物質としては、2.21V(pH=14)までにより多くのLiが挿入できる材料が望まれている。ガス発生過電圧が存在するため、実際にはこの範囲外の電位においても使用可能ではあるが、自己放電や高温での使用を考えるとできるだけこの範囲内の電位で使用することが望まれる。
When a neutral, ie, pH = 7 electrolyte is used, the water decomposition voltage is 2.62V for hydrogen generation potential and 3.85V for oxygen generation potential. In addition, when a strong alkaline, that is, pH = 14 electrolytic solution is used, the water decomposition voltage has a hydrogen generation potential of 2.21 V and an oxygen generation potential of 3.44 V.
Therefore, as the positive electrode active material, a material from which more Li can be pulled out to a minimum of 3.85 V (pH = 7) is desired. As the negative electrode active material, a material into which more Li can be inserted up to 2.21 V (pH = 14) is desired. Since a gas generation overvoltage exists, it can be used even at a potential outside this range. However, considering self-discharge and use at a high temperature, it is desirable to use the potential within this range as much as possible.

現在までに、水系リチウム二次電池としては、正極活物質として、Li−Mn酸化物、Li−Ni酸化物、Li−Co酸化物等を含有し、負極活物質としてLi−Mn酸化物、VO2、LiV38等を含有するものが提案されている(特許文献1及び2参照)。
しかし、このような活物質は、放電容量や水溶液電解液中での安定性が未だ不充分であった。そのため、従来の水系リチウム二次電池は、容量が小さく、充放電を繰り返し行うことにより容量劣化が起こりやすいという問題があった。それ故、現状の水系リチウム二次電池は、未だアイデア段階を抜けておらず、従来の非水系のリチウム二次電池等に取って代わる程の実用性を備えるには至っていない。
To date, water-based lithium secondary batteries include Li—Mn oxide, Li—Ni oxide, Li—Co oxide and the like as the positive electrode active material, and Li—Mn oxide, VO as the negative electrode active material. 2 and those containing LiV 3 O 8 have been proposed (see Patent Documents 1 and 2).
However, such active materials still have insufficient discharge capacity and stability in aqueous electrolyte solutions. Therefore, the conventional water-based lithium secondary battery has a problem that the capacity is small and the capacity is easily deteriorated by repeated charging and discharging. Therefore, the current aqueous lithium secondary battery has not yet gone through the idea stage, and has not yet been practical enough to replace the conventional non-aqueous lithium secondary battery.

また、Li−Co酸化物等のようにCoを含む活物質は、高い放電容量を発揮できる一方で、高価なCoを含有するため、製造コストが増大するという問題がある。そのため、Coを含む活物質を水系リチウム二次電池に用いると、安価に製造できるという水系リチウム二次電池の利点が損なわれてしまう。したがって、Coを含む活物質は、電気自動車やハイブリッド電気自動車、及び家庭用分散電源等のように、特に水系リチウム二次電池の適用が望まれている用途に適していないという問題があった。   In addition, an active material containing Co, such as Li—Co oxide, can exhibit a high discharge capacity, but has a problem that manufacturing cost increases because it contains expensive Co. Therefore, when an active material containing Co is used for an aqueous lithium secondary battery, the advantage of the aqueous lithium secondary battery that it can be manufactured at low cost is impaired. Therefore, there has been a problem that an active material containing Co is not suitable for use in which application of a water-based lithium secondary battery is desired, such as an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, and a household distributed power source.

一方、鉄リン酸リチウムからなる水系リチウム二次電池用の正極活物質がある(特許文献3参照)。
この鉄リン酸リチウムは、正極活物質として、製造コストや電位の平坦性等の点において、上述のような他の正極活物質よりも優れている。
しかしながら、鉄リン酸リチウムからなる正極活物質は、活物質自体の導電率が低く、高レート放電を行うと充分な容量を取り出すことができないという問題があった。また、充放電を繰り返すことにより容量が低下し易く、充放電サイクル特性が不充分であるという問題があった。
On the other hand, there is a positive electrode active material for an aqueous lithium secondary battery made of lithium iron phosphate (see Patent Document 3).
This lithium iron phosphate is superior to other positive electrode active materials as described above in terms of production cost, potential flatness, and the like as a positive electrode active material.
However, the positive electrode active material made of iron iron phosphate has a problem that the active material itself has low conductivity, and a high capacity cannot be taken out when high rate discharge is performed. Further, there is a problem that the capacity is easily lowered by repeating charge and discharge, and the charge and discharge cycle characteristics are insufficient.

特表平9−508490号公報JP-T-9-508490 特開2000−77073号公報JP 2000-77073 A 特開2002−110221号公報JP 2002-110221 A

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、高い放電容量を発揮できると共に、充放電サイクル特性に優れた水系リチウム二次電池用正極活物質及び水系リチウム二次電池を提供しようとするものである。   The present invention has been made in view of such conventional problems, and provides a positive electrode active material for an aqueous lithium secondary battery and an aqueous lithium secondary battery that can exhibit high discharge capacity and are excellent in charge / discharge cycle characteristics. It is something to try.

第1の発明は、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用の正極活物質であって、
上記正極活物質は、一般式LixFe1-yyPO4(但し、0.85≦x≦1.2、0<y≦0.5、MはLi、Ni、Co、Mn、Mg、Al、Ti、Ga、Cu、V、Nb、Zr、Hf、及びCeから選ばれる1種以上)で表されるオリビン構造の化合物を主成分とする粒子からなることを特徴とする正極活物質にある(請求項1)。
A first invention is a positive electrode active material for an aqueous lithium secondary battery having an aqueous electrolyte obtained by dissolving a lithium salt in water,
The positive electrode active material is represented by the general formula Li x Fe 1-y M y PO 4 ( where, 0.85 ≦ x ≦ 1.2,0 <y ≦ 0.5, M is Li, Ni, Co, Mn, Mg 1 or more selected from Al, Ti, Ga, Cu, V, Nb, Zr, Hf, and Ce)) (Claim 1).

上記第1の発明の正極活物質は、上記一般式LixFe1-yyPO4で表されるオリビン構造の化合物を主成分としている。上記一般式で表されるオリビン構造の化合物は、LiFePO4、Li−Mn酸化物、Li−Ni酸化物、及びLi−Co酸化物等に比べて、充放電による容量の劣化が起こり難い。
そのため、上記正極活物質は、従来の正極活物質に比べて、充放電を繰り返すことによって起こる容量の低下をより抑制することができる。即ち、上記正極活物質は、充放電サイクル特性に優れたものとなる。
The positive electrode active material of the first invention is mainly composed of a compound having an olivine structure represented by the general formula Li x Fe 1- y My PO 4 . Compared with LiFePO 4 , Li—Mn oxide, Li—Ni oxide, Li—Co oxide, and the like, the capacity of the olivine structure compound represented by the above general formula is less likely to deteriorate due to charge and discharge.
Therefore, the positive electrode active material can further suppress a decrease in capacity caused by repeated charge and discharge compared to a conventional positive electrode active material. That is, the positive electrode active material has excellent charge / discharge cycle characteristics.

また、LixFe1-yyPO4で表されるオリビン構造の化合物は、水の電気分解が起こらない電位範囲内で比較的多くの可逆容量を有している。そのため、上記正極活物質は、水系リチウム二次電池用の活物質として、高い放電容量を発揮することができる。
さらに、上記正極活物質は、水溶液電解液中においても安定である。
したがって、上記正極活物質は、水系リチウム二次電池の正極活物質として好適である。
The compounds of olivine structure represented by Li x Fe 1-y M y PO 4 has a relatively large number of reversible capacity in the potential range where the electrolysis of water does not occur. Therefore, the positive electrode active material can exhibit a high discharge capacity as an active material for an aqueous lithium secondary battery.
Furthermore, the positive electrode active material is stable in an aqueous electrolyte solution.
Therefore, the positive electrode active material is suitable as a positive electrode active material for an aqueous lithium secondary battery.

また、上記一般式で表される化合物は、主要元素として比較的安価なFeを含有している。そのため、上記一般式で表される化合物を主成分とする上記正極活物質は、低コストに製造することができる。それ故、電気自動車やハイブリッド電気自動車、及び家庭用分散電源等のように、量産化が要求される用途にも適用することができる。   In addition, the compound represented by the above general formula contains relatively inexpensive Fe as a main element. Therefore, the positive electrode active material mainly containing the compound represented by the general formula can be manufactured at low cost. Therefore, the present invention can also be applied to uses that require mass production, such as electric vehicles, hybrid electric vehicles, and home-use distributed power supplies.

このように、上記第1の発明によれば、高い放電容量を発揮できると共に、充放電サイクル特性に優れた水系リチウム二次電池用正極活物質を提供することができる。   Thus, according to the first invention, it is possible to provide a positive electrode active material for an aqueous lithium secondary battery that can exhibit a high discharge capacity and is excellent in charge / discharge cycle characteristics.

第2の発明は、正極活物質を含有する正極と、負極活物質を含有する負極と、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、
上記正極活物質は、上記第1の発明の正極活物質であり、
上記負極活物質は、上記正極活物質の主成分よりもリチウムの吸蔵・脱離電位が低い物質を主成分とすることを特徴とする水系リチウム二次電池(請求項5)。
A second invention is an aqueous lithium secondary battery having a positive electrode containing a positive electrode active material, a negative electrode containing a negative electrode active material, and an aqueous electrolyte obtained by dissolving a lithium salt in water.
The positive electrode active material is the positive electrode active material of the first invention,
The water-based lithium secondary battery according to claim 5, wherein the negative electrode active material is mainly composed of a material having a lower lithium insertion / extraction potential than the main component of the positive electrode active material.

上記第2の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、上記水系リチウム二次電池は、上記第1の発明の正極活物質、即ち一般式LixFe1-yyPO4(但し、0.85≦x≦1.2、0<y≦0.5、MはLi、Ni、Co、Mn、Mg、Al、Ti、Ga、Cu、V、Nb、Zr、Hf、及びCeから選ばれる1種以上)で表されるオリビン構造の化合物を主成分とする正極活物質を含有する点にある。
そのため、上記水系リチウム二次電池は、上記第1の発明の正極活物質が有する特性を生かして、従来の水系リチウム二次電池に比べて、充放電による容量の劣化をより抑制できるものとなる。また、上記水系リチウム二次電池は高い放電容量を示すことができる。さらに、低コストで製造することができる。
The most notable point in the aqueous lithium secondary battery of the second invention is that the aqueous lithium secondary battery is the positive electrode active material of the first invention, that is, the general formula Li x Fe 1- y My PO 4. (However, 0.85 ≦ x ≦ 1.2, 0 <y ≦ 0.5, M is Li, Ni, Co, Mn, Mg, Al, Ti, Ga, Cu, V, Nb, Zr, Hf, and The positive electrode active material mainly contains a compound having an olivine structure represented by (one or more selected from Ce).
Therefore, the water based lithium secondary battery can take advantage of the characteristics of the positive electrode active material of the first invention and can further suppress the capacity deterioration due to charge / discharge compared to the conventional water based lithium secondary battery. . The water based lithium secondary battery can exhibit a high discharge capacity. Furthermore, it can be manufactured at low cost.

このように、上記第2の発明によれば、高い放電容量を発揮できると共に、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 said 2nd invention, while being able to exhibit high discharge capacity, the water-system lithium secondary battery excellent in the charge / discharge cycle characteristic can be provided.

次に、本発明の実施の形態について説明する。
本発明において、上記正極活物質は、一般式LixFe1-yyPO4で表されるオリビン構造の化合物を主成分とする。上記一般式LixFe1-yyPO4で表される化合物は、オリビン構造を有する鉄リン酸リチウム(LiFePO4)のFeの一部が、金属元素M(MはLi、Ni、Co、Mn、Mg、Al、Ti、Ga、Cu、V、Nb、Zr、Hf、及びCeから選ばれる1種以上)で置換された構造を有している。
また、上記一般式LixFe1-yyPO4において、x、yは、0.85≦x≦1.2、0<y≦0.5という範囲にある。
上記一般式において、x及びyの値が上記の範囲を外れる場合には、上記正極活物質を用いて水系リチウム二次電池を構成したときに、その放電容量や充放電サイクル特性が劣化するおそれがある。
Next, an embodiment of the present invention will be described.
In the present invention, the positive electrode active material is mainly composed of a compound having an olivine structure represented by the general formula Li x Fe 1 -y My PO 4 . The compound represented by the general formula Li x Fe 1-y M y PO 4, a part of Fe of lithium iron phosphate having an olivine structure (LiFePO 4) has a metal element M (M is Li, Ni, Co , Mn, Mg, Al, Ti, Ga, Cu, V, Nb, Zr, Hf, and Ce).
In the general formula Li x Fe 1-y M y PO 4, x, y is in the range of 0.85 ≦ x ≦ 1.2,0 <y ≦ 0.5.
In the above general formula, when the values of x and y are out of the above ranges, the discharge capacity and charge / discharge cycle characteristics may be deteriorated when an aqueous lithium secondary battery is configured using the positive electrode active material. There is.

また、上記一般式LixFe1-yyPO4で表される化合物としては、Mの種類や、x及びyの範囲を変えることにより、種々のものが存在する。上記正極活物質は、これらのうち1種類を主成分とすることもできるが、2種以上からなるものを主成分とすることもできる。さらに、上記正極活物質としては、上記一般式で表されるオリビン構造の化合物と公知の正極活物質とを混合したものを用いることもできる。 The compound represented by the general formula Li x Fe 1-y M y PO 4, the type and the M, by changing the range of x and y, there are various things. The positive electrode active material can have one of these as a main component, but can also have two or more as a main component. Furthermore, as the positive electrode active material, a mixture of a compound having an olivine structure represented by the above general formula and a known positive electrode active material can be used.

上記正極活物質は、固相合成法等により、例えばLiを含有する化合物、Feを含有する化合物、所望の金属元素Mを含有する化合物、及びPを含有する化合物等の原料化合物を、上記一般式で表される化合物における所望の組成となるような配合割合で混合し、混合物を加熱(焼成)することにより作製することができる。   The positive electrode active material is obtained by, for example, a solid-phase synthesis method or the like from a raw material compound such as a compound containing Li, a compound containing Fe, a compound containing a desired metal element M, and a compound containing P It can produce by mixing with the compounding ratio which becomes a desired composition in the compound represented by a formula, and heating (baking) a mixture.

次に、上記正極活物質の上記粒子は、その表面の少なくとも一部に導電性炭素材料からなる被覆層を有していることが好ましい(請求項2)。
この場合には、上記正極活物質の導電性を向上させることができる。そのためこの場合には、上記正極活物質からより高い電流密度で容量を取り出すことができる。
Next, it is preferable that the particles of the positive electrode active material have a coating layer made of a conductive carbon material on at least a part of the surface thereof (Claim 2).
In this case, the conductivity of the positive electrode active material can be improved. Therefore, in this case, the capacity can be taken out from the positive electrode active material at a higher current density.

上記被覆層は、上記正極活物質又は焼成後に正極活物質となる正極活物質の原料化合物と、上記導電性炭素材料とを混合し、焼成することにより形成することができる。
導電性炭素材料としては、例えばケッチェンブラック、アセチレンブラック、カーボンファイバー、及び活性炭等がある。
また、上記導電性炭素材料からなる被覆層は、例えば炭素を含む有機材料を上記正極活物質又はその原料化合物と混合し、焼成する際に、有機材料を燃焼させて導電性を有するカーボン生じさせると共に、該カーボンを正極活物質の粒子に被覆させることにより形成することもできる。
The coating layer can be formed by mixing and baking the positive electrode active material or a raw material compound of a positive electrode active material that becomes a positive electrode active material after firing, and the conductive carbon material.
Examples of the conductive carbon material include ketjen black, acetylene black, carbon fiber, and activated carbon.
Further, the coating layer made of the conductive carbon material, for example, mixes an organic material containing carbon with the positive electrode active material or a raw material compound thereof, and burns the organic material to generate conductive carbon. At the same time, the carbon can be formed by covering the particles of the positive electrode active material.

上記被覆層は、上記正極活物質の上記主成分100重量部に対して20重量部以下の割合で形成されていることが好ましい(請求項3)。
上記被覆層が20重量部を超える場合には、上記正極活物質を用いて電極を構成したときに、電極中の活物質密度が低下し、電池の単位体積あたりのエネルギー密度が低くなるおそれがある。
The coating layer is preferably formed at a ratio of 20 parts by weight or less with respect to 100 parts by weight of the main component of the positive electrode active material.
When the coating layer exceeds 20 parts by weight, when the electrode is formed using the positive electrode active material, the active material density in the electrode may decrease, and the energy density per unit volume of the battery may decrease. is there.

次に、上記一般式LixFe1-yyPO4で表される化合物において、MはLi、Ni、Co、Mn、Mg、Al、Ti、Ga、Cu、V、Nb、Zr、Hf、及びCeから選ばれる1種以上である。
好ましくは、上記一般式LixFe1-yyPO4で表される化合物におけるMは、Mnであることがよい(請求項4)。
この場合には、上記一般式は、LixFe1-yMnyPO4(但し、0.85≦x≦1.2、0<y≦0.5)で表される。そして、この場合には、上記正極活物質の充放電サイクル特性を向上させることができる。この理由は定かではないが、Mnが上記一般式で表される化合物のオリビン構造を安定化するためであると推察される。
Next, the compound represented by the general formula Li x Fe 1-y M y PO 4, M is Li, Ni, Co, Mn, Mg, Al, Ti, Ga, Cu, V, Nb, Zr, Hf And at least one selected from Ce.
Preferably, M in the compound represented by the general formula Li x Fe 1-y M y PO 4 may be be a Mn (claim 4).
In this case, the general formula is represented by Li x Fe 1-y Mn y PO 4 ( where, 0.85 ≦ x ≦ 1.2,0 <y ≦ 0.5). In this case, the charge / discharge cycle characteristics of the positive electrode active material can be improved. Although this reason is not certain, it is guessed that Mn stabilizes the olivine structure of the compound represented by the above general formula.

次に、上記第2の発明の水系リチウム二次電池は、正極活物質を含有する正極と、負極活物質を含有する負極と、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。
上記正極活物質は、上記一般式LixFe1-yMnyPO4で表されるオリビン構造の化合物を主成分とする。
Next, the aqueous lithium secondary battery according to the second invention has a positive electrode containing a positive electrode active material, a negative electrode containing a negative electrode active material, and an aqueous electrolyte obtained by dissolving a lithium salt in water.
The positive electrode active material, a main component compound of olivine structure represented by the general formula Li x Fe 1-y Mn y PO 4.

また、上記負極活物質は、上記一般式LixFe1-yMnyPO4で表される化合物よりも、リチウムの吸蔵・脱離電位が低い物質を主成分とする。
このような物質としては、例えばLiV24、LiV38、Li1.53y(7≦y≦8)等のリチウムバナジウム複合酸化物、Li4Ti512等のリチウムチタン複合酸化物、鉄酸化物、及び鉄水酸化物等がある。
Further, the negative electrode active material, than the compound represented by the general formula Li x Fe 1-y Mn y PO 4, absorption and desorption potential of lithium as a main component low material.
Examples of such materials include lithium vanadium composite oxides such as LiV 2 O 4 , LiV 3 O 8 , Li 1.5 V 3 O y (7 ≦ y ≦ 8), and lithium titanium composites such as Li 4 Ti 5 O 12. There are oxides, iron oxides, iron hydroxides, and the like.

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Li2S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 water-system 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 S. These lithium salts can be used alone or in combination of two or more.

次に、上記水溶液電解液のpHは、6〜10であることが好ましい(請求項6)。
上記水溶液電解液のpHが6未満の場合には、上記一般式LixFe1-yyPO4で表されるオリビン構造の化合物が不安定となり、電池の容量や充放電サイクル特性が低下するおそれがある。一方、pHが10を超える場合には、水の電気分解電位、即ち水素発生電位及び酸素発生電位がそれぞれ2.21V及び3.44Vまで低下する。そのため、正極や負極で酸素や水素が発生し易くなるおそれがある。
Next, the pH of the aqueous electrolyte solution is preferably 6 to 10. (Claim 6)
When the pH of the aqueous electrolyte is less than 6, the olivine structure compound represented by the above general formula Li x Fe 1- y My PO 4 becomes unstable, and the battery capacity and charge / discharge cycle characteristics decrease. There is a risk. On the other hand, when the pH exceeds 10, the electrolysis potential of water, that is, the hydrogen generation potential and the oxygen generation potential are decreased to 2.21 V and 3.44 V, respectively. Therefore, oxygen and hydrogen may be easily generated at the positive electrode and the negative electrode.

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導電材及び結着材を混合し、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。
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、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。
In the aqueous lithium secondary battery, the positive electrode is formed, for example, by mixing a conductive material and a binder with the positive electrode active material, and adding a suitable solvent as necessary to form a paste-like positive electrode mixture, If necessary, it can be compressed to increase the electrode density.
The conductive material is for ensuring the electrical conductivity of the positive electrode, and for example, a material obtained by mixing one or more carbon material powders such as carbon black, acetylene black, and graphite can be used.

結着材は、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、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、若しくはポリアクリロニトリル系高分子等を用いることができる。
これら活物質、導電材、結着材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 binder serves to bind the active material particles and the conductive material particles. For example, a fluorine-containing resin such as polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, or fluororubber, or heat such as polypropylene, polyethylene, or polyethylene terephthalate. A plastic resin, a polyacrylonitrile-based polymer, or the like can be used.
As a solvent for dispersing these active material, conductive material, and binder, for example, an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone can be used.

負極は、上記正極と同様に、例えば上記負極活物質に導電材や結着材を混合し、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。   As with the positive electrode, for example, the negative electrode active material is mixed with a conductive material or a binder, and if necessary, an appropriate solvent is added to form a paste-like negative electrode mixture. And press to form.

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、上記正極活物質を作製すると共に、その水系リチウム二次電池用の正極活物質としての特性を評価する。
本例の正極活物質は、LiFe0.85Mn0.15PO4で表されるオリビン構造の化合物を主成分とする粒子からなる。そして、正極活物質の粒子は、その表面の少なくとも一部に導電性炭素材料からなる被覆層を有している。
Example 1
Next, examples of the present invention will be described.
In this example, while producing the said positive electrode active material, the characteristic as a positive electrode active material for water-system lithium secondary batteries is evaluated.
The positive electrode active material of this example is composed of particles mainly composed of a compound having an olivine structure represented by LiFe 0.85 Mn 0.15 PO 4 . The positive electrode active material particles have a coating layer made of a conductive carbon material on at least a part of the surface thereof.

以下、本例の正極活物質の製造方法について説明する。本例においては、固相合成法により正極活物質を作製する。
即ち、まず、正極活物質の原料として、シュウ酸鉄・二水和物(FeC24・2H2O)、炭酸リチウム(Li2CO3)、炭酸マンガン(MnCO3)、及びリン酸二水素アンモニウム(NH42PO4)を、Li:Fe:Mn:PO4が1.05:0.85:0.15:1となるような化学量論比にて秤量し、乳鉢で充分に混合してペレット状に固めた。
Hereinafter, the manufacturing method of the positive electrode active material of this example is demonstrated. In this example, a positive electrode active material is produced by a solid phase synthesis method.
That is, first, as raw materials for the positive electrode active material, iron oxalate dihydrate (FeC 2 O 4 .2H 2 O), lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), manganese carbonate (MnCO 3 ), and diphosphate Ammonium hydrogen (NH 4 H 2 PO 4 ) was weighed in a stoichiometric ratio such that Li: Fe: Mn: PO 4 was 1.05: 0.85: 0.15: 1 Were mixed into a pellet.

ペレットを加熱炉中で、窒素雰囲気下にて温度350℃で仮焼し、置換型リン酸リチウム(LiFe0.85Mn0.15PO4)を作製した。次いで、この置換型リン酸リチウムを加熱炉から取り出して粉砕し、粉砕物(置換型リン酸リチウム)100重量部に対して、導電性炭素材料のケッチェンブラック10重量を加えて乳鉢で充分に混合した。
得られた混合物を再度ペレット状に固め、窒素雰囲気下にて温度750℃にて24時間焼成した。その後、充分に解砕して、オリビン構造のLiFe0.85Mn0.15PO4の粒子からなる正極活物質を作製した。これを試料E1とする。
The pellets were calcined in a heating furnace at a temperature of 350 ° C. in a nitrogen atmosphere to produce substitutional lithium phosphate (LiFe 0.85 Mn 0.15 PO 4 ). Next, the substituted lithium phosphate is taken out from the heating furnace and pulverized, and 10 parts by weight of the conductive carbon material ketjen black is added to 100 parts by weight of the pulverized product (substituted lithium phosphate). Mixed.
The obtained mixture was again solidified into a pellet and fired at a temperature of 750 ° C. for 24 hours in a nitrogen atmosphere. Thereafter, the mixture was sufficiently crushed to prepare a positive electrode active material composed of particles of LiFe 0.85 Mn 0.15 PO 4 having an olivine structure. This is designated as Sample E1.

本例にて得られた正極活物質の粒子の一例を図1に示す。
図1に示すごとく、本例の正極活物質20においては、LiFe0.85Mn0.15PO4の粒子21の表面の少なくとも一部に、導電性炭素材料であるケッチェンブラックからなる被覆層22が形成されていた。
An example of the particles of the positive electrode active material obtained in this example is shown in FIG.
As shown in FIG. 1, in the positive electrode active material 20 of this example, a coating layer 22 made of ketjen black, which is a conductive carbon material, is formed on at least a part of the surface of the particles 21 of LiFe 0.85 Mn 0.15 PO 4. It was.

また、本例においては、上記試料E1の優れた特性を明らかにするため、比較用として層状岩塩型構造のLiNi0.8Co0.22からなる正極活物質を作製した。これを試料C1とする。
試料C1は、Li、Ni、及びCoの金属塩から液相法により合成することにより作製した。
Further, in this example, in order to clarify the excellent characteristics of the sample E1, a positive electrode active material made of LiNi 0.8 Co 0.2 O 2 having a layered rock salt structure was prepared for comparison. This is designated as Sample C1.
Sample C1 was prepared by synthesizing from a metal salt of Li, Ni, and Co by a liquid phase method.

次に、上記試料E1及び上記試料C1について、その水系リチウム二次電池の正極活物質としての特性を評価する。具体的には、上記試料E1及び上記試料C1をそれぞれ含有する2種類の試験電極をそれぞれ用いて、サイクリックボルタモグラム測定を行った。
即ち、まず、試料E1を70重量部、導電剤としてのカーボンを25重量部、結着材としてのポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を5重量部混合して混合粉末を作製した。次いで、この混合粉末10mgをSUSメッシュ上に約0.6ton/cm2で圧着して試験電極を作製した。
また、評価用の電解液として3MLiNO3水溶液を、参照極として銀塩化銀電極を、対極として白金ワイヤー(φ0.3×5;コイル状)をそれぞれ準備した。
Next, the characteristics as the positive electrode active material of the water based lithium secondary battery are evaluated for the sample E1 and the sample C1. Specifically, cyclic voltammogram measurement was performed using two kinds of test electrodes each containing the sample E1 and the sample C1.
Specifically, first, 70 parts by weight of sample E1, 25 parts by weight of carbon as a conductive agent, and 5 parts by weight of polytetrafluoroethylene (PTFE) as a binder were mixed to prepare a mixed powder. Next, 10 mg of this mixed powder was pressure-bonded onto a SUS mesh at about 0.6 ton / cm 2 to prepare a test electrode.
In addition, a 3M LiNO 3 aqueous solution was prepared as an electrolyte for evaluation, a silver-silver chloride electrode as a reference electrode, and a platinum wire (φ0.3 × 5; coil shape) as a counter electrode.

続いて、電解液を入れた容器内に、試験電極と対極とをこれらが対向するように配置すると共に、試験電極と対極との間に参照極を配置して3極式のビーカーセルを作製した。
次いで、試験電極と対極との間に電圧を印加した。電圧の印加は、サイクリックボルタンメトリーにより、スキャン速度(電位掃引速度)2mV/sec(参照極との電位差)で電位を掃引し、試験電極の電位(参照極との電位差)を−0.4V〜1.2Vの範囲で変化させるサイクルを1サイクルとし、このサイクルを合計3サイクル実施することにより行った。そして、このときの電流値をモニターした。その結果を図2に示す。
Subsequently, a test electrode and a counter electrode are arranged in a container containing an electrolytic solution so that they face each other, and a reference electrode is arranged between the test electrode and the counter electrode to produce a tripolar beaker cell. did.
Next, a voltage was applied between the test electrode and the counter electrode. The voltage is applied by sweeping the potential at a scanning speed (potential sweep speed) of 2 mV / sec (potential difference from the reference electrode) by cyclic voltammetry, and the potential of the test electrode (potential difference from the reference electrode) is -0.4V to The cycle changed in the range of 1.2 V was set to 1 cycle, and this cycle was carried out by performing a total of 3 cycles. The current value at this time was monitored. The result is shown in FIG.

また、試料C1についても、試料E1と同様にして試験電極を作製して3極式のビーカーセルを作製すると共に、試料E1と同様の条件でサイクリックボルタモグラムを測定した。その結果を図2に示す。
なお、図2においては、試料E1を試験電極としたときのサイクリックボルタモグラムを実線で示し、試料C1を試験電極としたときのサイクリックボルタモグラムを点線で示した。また、図2において、横軸は試験電極と参照電極との電位差(V)を示し、縦軸は電流値(mA)を示す。
For sample C1, a test electrode was prepared in the same manner as sample E1 to produce a three-electrode beaker cell, and a cyclic voltammogram was measured under the same conditions as for sample E1. The result is shown in FIG.
In FIG. 2, the cyclic voltammogram when the sample E1 is used as a test electrode is indicated by a solid line, and the cyclic voltammogram when the sample C1 is used as a test electrode is indicated by a dotted line. In FIG. 2, the horizontal axis represents the potential difference (V) between the test electrode and the reference electrode, and the vertical axis represents the current value (mA).

図2より知られるごとく、試料C1を用いた試験電極においては、水溶液電解液中でLiの脱離反応は起こるが、その後電位を下げても挿入反応に伴う電流がほとんど流れていないことがわかる。また、脱離反応のピークが水の分解電位にかかっており、試料C1は、水系リチウム二次電池の正極活物質として十分な容量を取り出すことができないことがわかる。   As can be seen from FIG. 2, in the test electrode using the sample C1, Li elimination occurs in the aqueous electrolyte, but even if the potential is lowered thereafter, almost no current flows due to the insertion reaction. . Further, the peak of the elimination reaction depends on the decomposition potential of water, and it can be seen that the sample C1 cannot take out a sufficient capacity as the positive electrode active material of the aqueous lithium secondary battery.

これに対し、試料E1は、ただ一つの酸化還元電位を有しており、そのピークの裾野までが水の分解電位内に収まっていた。また、試料E1においては、Liの可逆的な挿入脱離が効率よく行われていることが確認できる。
したがって、試料E1は、水系リチウム二次電池の正極活物質として好適であることがわかる。
On the other hand, the sample E1 has only one oxidation-reduction potential, and the bottom of the peak was within the decomposition potential of water. Moreover, in sample E1, it can confirm that the reversible insertion and removal of Li are performed efficiently.
Therefore, it turns out that the sample E1 is suitable as a positive electrode active material of an aqueous lithium secondary battery.

(実施例2)
本例は、実施例1において作製した上記試料E1を正極活物質として水系リチウム二次電池を作製し、その充放電サイクル特性を評価する例である。
図3に示すごとく、本例の水系リチウム二次電池1は、正極活物質を含有する正極2と、負極活物質を含有する負極3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。正極活物質は、LiFe0.85Mn0.15PO4で表されるオリビン構造の化合物、即ち実施例1にて作製した上記試料E1からなる。また、負極活物質は、正極活物質の主成分(LiFe0.85Mn0.15PO4)よりもリチウムの吸蔵・脱離電位が低い物質、即ちLiV24を主成分とする。また、水溶液電解液は、リチウム塩としてのLiNO3を水に溶解してなる。
(Example 2)
This example is an example in which a water-based lithium secondary battery is produced using the sample E1 produced in Example 1 as a positive electrode active material, and its charge / discharge cycle characteristics are evaluated.
As shown in FIG. 3, the aqueous lithium secondary battery 1 of this example includes a positive electrode 2 containing a positive electrode active material, a negative electrode 3 containing a negative electrode active material, and an aqueous electrolyte solution obtained by dissolving a lithium salt in water. Have The positive electrode active material is composed of a compound having an olivine structure represented by LiFe 0.85 Mn 0.15 PO 4, that is, the sample E1 prepared in Example 1. Further, the negative electrode active material is mainly composed of a material having a lower lithium absorption / desorption potential than that of the main component of the positive electrode active material (LiFe 0.85 Mn 0.15 PO 4 ), that is, LiV 2 O 4 . The aqueous electrolyte solution is obtained by dissolving LiNO 3 as a lithium salt in water.

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、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11は封口板12により密閉されている。   In the water based lithium secondary battery 1, a separator 4 is disposed in a CR2016 type battery case 11 together with a positive electrode 2 and a 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 11 is sealed with a sealing plate 12.

次に、本例の水系リチウム二次電池の作製方法につき、説明する。
まず、正極活物質と負極活物質とを準備する。
正極活物質としては、実施例1にて作製した試料E1を準備した。
Next, a manufacturing method of the water based lithium secondary battery of this example will be described.
First, a positive electrode active material and a negative electrode active material are prepared.
As a positive electrode active material, the sample E1 produced in Example 1 was prepared.

また、負極活物質としては、LiV24を作製した。
具体的には、まず、炭酸リチウム(Li2CO3)と五酸化バナジウム(V25)とを準備し、これらを目的物質であるLiV24となるような化学量論比にしたがって自動乳鉢で120分間混合し、原料混合物を作製した。次いで、この混合物をプレス成形し、水素気流中で700℃にて3時間焼成し、V23とLi2VO2との混合物を作製した。この混合物を自動乳鉢で20分間混合し、その後、酸素分圧を1.0×10-3atmに調整した、炭酸ガスと酸素とよりなる酸素含有ガス中で、温度750℃にて24時間焼成し、LiV24を作製した。
As the negative electrode active material was prepared LiV 2 O 4.
Specifically, first, lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) and vanadium pentoxide (V 2 O 5 ) are prepared, and these are in accordance with the stoichiometric ratio so as to become the target substance LiV 2 O 4. The raw material mixture was prepared by mixing for 120 minutes in an automatic mortar. Subsequently, this mixture was press-molded and fired in a hydrogen stream at 700 ° C. for 3 hours to prepare a mixture of V 2 O 3 and Li 2 VO 2 . This mixture was mixed in an automatic mortar for 20 minutes, and then baked at a temperature of 750 ° C. for 24 hours in an oxygen-containing gas composed of carbon dioxide and oxygen, with the oxygen partial pressure adjusted to 1.0 × 10 −3 atm. LiV 2 O 4 was produced.

次に、上記正極活物質及び負極活物質を用いて、水系リチウム二次電池を作製する。
具体的には、まず、正極活物質としての試料E1を70重量部、導電剤としてのカーボンブラックを25重量部、及び結着材としてのポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を5重量部混合し、正極合材を作製した。
また、負極活物質としてのLiV24を70重量部、導電剤としてのカーボンブラックを25重量部、及び結着材としてのポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を5重量部混合し、負極合材を作製した。
Next, an aqueous lithium secondary battery is manufactured using the positive electrode active material and the negative electrode active material.
Specifically, first, 70 parts by weight of sample E1 as a positive electrode active material, 25 parts by weight of carbon black as a conductive agent, and 5 parts by weight of polytetrafluoroethylene (PTFE) as a binder are mixed. A positive electrode mixture was produced.
Further, 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 agent, and 5 parts by weight of polytetrafluoroethylene (PTFE) as a binder are mixed, and a negative electrode mixture Was made.

次に、図3に示すごとく、CR2016型のコインセル用の電池ケース11を準備し、予め電池ケース11の内側に溶接したメッシュ上に正極合材を約0.6ton/cm2で圧着して正極2を形成した。この正極2と同様にして、メッシュ上に負極合材を約0.6ton/cm2で圧着して負極3を形成した。
正極2及び負極3は、厚さ25μmのセルロース系のセパレータ4を介して、電池ケース11内に配置した。
Next, as shown in FIG. 3, a battery case 11 for a CR2016 type coin cell is prepared, and a positive electrode mixture is crimped onto a mesh previously welded to the inside of the battery case 11 at about 0.6 ton / cm 2. 2 was formed. In the same manner as this positive electrode 2, the negative electrode mixture was pressed onto the mesh at about 0.6 ton / cm 2 to form the negative electrode 3.
The positive electrode 2 and the negative electrode 3 were disposed in the battery case 11 via a cellulose separator 4 having a thickness of 25 μm.

次いで、電池ケース11内にガスケット5を配置し、さらに電池ケース11内に水溶液電解液を適量注入し含浸させた。本例においては、水溶液電解液としては、3MのLiNO3水溶液(pH≒7)を用いた。
次に、電池ケース11の開口部に封口板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E1とする。
Next, the gasket 5 was placed in the battery case 11, and an appropriate amount of an aqueous electrolyte solution was injected into the battery case 11 and impregnated. In this example, a 3M LiNO 3 aqueous solution (pH≈7) was used as the aqueous electrolyte.
Next, the sealing plate 12 was disposed in the opening of the battery case 11, and the end of the battery case 11 was caulked to seal the battery case 11, thereby producing the aqueous lithium secondary battery 1. This is referred to as a battery E1.

また、本例においては、電池E1の優れた特性を明らかにするため、正極活物質として層状岩塩型構造のLiNi0.8Co0.22、又はオリビン構造のLiFePO4をそれぞれ有する2種類の水系リチウム二次電池(電池C1及び電池C2)を作製した。 In this example, in order to clarify the excellent characteristics of the battery E1, two types of aqueous lithium secondary batteries each having LiNi 0.8 Co 0.2 O 2 having a layered rock salt structure or LiFePO 4 having an olivine structure are used as the positive electrode active material. Secondary batteries (battery C1 and battery C2) were produced.

具体的には、まず、2種類の正極活物質(LiNi0.8Co0.22、LiFePO4)を準備した。
層状岩塩型構造のLiNi0.8Co0.22としては、実施例1にて作製した試料C1を準備した。
Specifically, first, two types of positive electrode active materials (LiNi 0.8 Co 0.2 O 2 , LiFePO 4 ) were prepared.
The sample C1 prepared in Example 1 was prepared as LiNi 0.8 Co 0.2 O 2 having a layered rock salt structure.

また、オリビン構造のLiFePO4は、以下のようにして作製した。
即ち、まず、しゅう酸鉄・二水和物(FeC24・2H2O)、炭酸リチウム(Li2CO3)、及びリン酸二水素アンモニウム(NH42PO4)をLi:Fe:PO4がそれぞれ1.05:1:1となるように秤量し、乳鉢で充分に混合してペレット状に固めた。得られたペレットを加熱炉中で温度350℃、窒素雰囲気下で仮焼し仮焼物を得た。次いで加熱炉から仮焼物を取り出して粉砕し、被覆炭素材料のケッチェンブラックを仮焼物に対して10重量部混合し、乳鉢で充分に混合した。混合物を再度ペレット状に固めて窒素雰囲気下で温度750℃、24時間焼成した後、充分に解砕して、オリビン構造のLiFePO4を得た。
Moreover, LiFePO 4 having an olivine structure was produced as follows.
That is, first, iron oxalate dihydrate (FeC 2 O 4 .2H 2 O), lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), and ammonium dihydrogen phosphate (NH 4 H 2 PO 4 ) are mixed with Li: Fe. : Weighed so that PO 4 was 1.05: 1: 1, and mixed well in a mortar to harden into pellets. The obtained pellets were calcined in a heating furnace at a temperature of 350 ° C. in a nitrogen atmosphere to obtain a calcined product. Next, the calcined product was taken out from the heating furnace and pulverized, and 10 parts by weight of the coated carbon material ketjen black was mixed with the calcined product, and sufficiently mixed in a mortar. The mixture was again solidified into pellets and baked in a nitrogen atmosphere at a temperature of 750 ° C. for 24 hours, and then sufficiently crushed to obtain LiFePO 4 having an olivine structure.

次に、これら2種類の正極活物質をそれぞれ用いて、上記電池E1と同様にして2種類の水系リチウム二次電池を作製した。これらを電池C1及び電池C2とする。
電池C1は、正極活物質として層状岩塩型構造のLiNi0.8Co0.22を含有する点を除いては、上記電池E1と同様のものである。
電池C2は、正極活物質としてオリビン構造のLiFePO4を含有する点を除いては、上記電池E1と同様のものである。
Next, using these two types of positive electrode active materials, two types of aqueous lithium secondary batteries were produced in the same manner as the battery E1. Let these be the battery C1 and the battery C2.
The battery C1 is the same as the battery E1 except that it contains LiNi 0.8 Co 0.2 O 2 having a layered rock salt structure as a positive electrode active material.
The battery C2 is the same as the battery E1 except that it contains olivine-structured LiFePO 4 as the positive electrode active material.

次に、上記のようにして作製した3種類の水系リチウム二次電池(電池E1、電池C1及び電池C2)について、充放電サイクル特性を調べた(充放電サイクル試験)。
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1.2V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30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、1.2V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、各電池(電池E1、電池C1、電池C2)の放電容量を測定した。
Next, charge / discharge cycle characteristics were examined for the three types of aqueous lithium secondary batteries (battery E1, battery C1, and battery C2) produced as described above (charge / discharge cycle test).
In the charge / discharge cycle test, each battery was charged to a battery voltage of 1.2 V at a constant current of a current density of 0.5 mA / cm 2 under a temperature of 60 ° C., and then a current density of 0.5 mA / cm 2 . Charging / discharging at a constant current up to a battery voltage of 0.1 V was taken as one cycle, and this cycle was repeated 30 times. In each charging / discharging cycle, after charging to 1.2V and discharging to 0.1V, a charging suspension time and a discharging suspension time were provided for 1 minute each. And the discharge capacity of each battery (battery E1, battery C1, battery C2) was measured for every cycle.

放電容量は、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4に示す。
図4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。同図には、正極活物質としてLiFe0.85Mn0.15PO4を用いて構成した電池を電池E1とし、LiNi0.8Co0.22を用いて構成した電池を電池C1として表し、LiFePO4を用いて構成した電池を電池C2として表した。
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 (g ).
The result is shown in FIG.
In FIG. 4, the horizontal axis indicates the number of cycles (times), and the vertical axis indicates the discharge capacity (mAh / g). In the figure, a battery configured using LiFe 0.85 Mn 0.15 PO 4 as a positive electrode active material is referred to as a battery E1, a battery configured using LiNi 0.8 Co 0.2 O 2 is represented as a battery C1, and configured using LiFePO 4. The resulting battery was designated as battery C2.

また、電池E1、電池C1、及び電池C2の初期充電容量及び初期放電容量を下記の表1に示す。初期充電容量及び初期放電容量は、各電池の1回目の充電容量及び放電容量を示すものである。また、充電容量は、充電電流値(mA)を測定し、この充電電流値に充電に要した時間(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。   The initial charge capacity and initial discharge capacity of the battery E1, the battery C1, and the battery C2 are shown in Table 1 below. The initial charge capacity and the initial discharge capacity indicate the first charge capacity and discharge capacity of each battery. Further, the charge capacity is obtained by measuring the charge current value (mA) and multiplying the charge current value by the time (hr) required for charging, as the weight (g) of the positive electrode active material in the battery. It was calculated by dividing.

Figure 2006073259
Figure 2006073259

表1より知られるごとく、電池E1は、78mA/g以上という非常に優れた初期放電容量を発揮できることがわかる。電池E1は、電池C1に比べて初期放電容量が非常に優れており、電池C2には及ばないものの実用に耐えうる充分な初期放電容量を有していた。   As is known from Table 1, it can be seen that the battery E1 can exhibit a very excellent initial discharge capacity of 78 mA / g or more. The battery E1 had a very good initial discharge capacity compared to the battery C1, and had a sufficient initial discharge capacity that could withstand practical use although it did not reach the battery C2.

また、図4より知られるごとく、電池E1は、電池C2に比べて初期放電容量が若干劣るものの、30サイクルの充放電後においても約57mAh/gという高い放電容量を維持しており、充放電サイクル特性に優れていることがわかる。これに対し、電池C2においては、初期放電容量は高いものの、30サイクル後には放電容量が50mAh/g未満という低い値まで低下しており、充放電サイクル特性が不充分であることがわかる。また、電池C2は、初期放電容量と30サイクル後の放電容量との変化は小さいが、そのいずれもが非常に低い。即ち電池C2は、30サイクルの充放電において、最大でも35mAh/g未満という非常に低い放電容量しか発揮できず、実用に耐えうるものではなかった。   In addition, as is known from FIG. 4, the battery E1 has a slightly lower initial discharge capacity than the battery C2, but maintains a high discharge capacity of about 57 mAh / g even after 30 cycles of charge and discharge. It can be seen that the cycle characteristics are excellent. On the other hand, in the battery C2, although the initial discharge capacity is high, the discharge capacity is reduced to a low value of less than 50 mAh / g after 30 cycles, and it is understood that the charge / discharge cycle characteristics are insufficient. Further, in the battery C2, the change between the initial discharge capacity and the discharge capacity after 30 cycles is small, but both of them are very low. That is, the battery C2 could only exhibit a very low discharge capacity of less than 35 mAh / g at the maximum in 30 cycles of charge and discharge, and could not withstand practical use.

このように、正極活物質としてLiFe0.85Mn0.15PO4を含有する電池E1は、実用上充分に高い放電容量を発揮できると共に、充放電サイクル特性にも優れるものであることがわかる。 Thus, it can be seen that the battery E1 containing LiFe 0.85 Mn 0.15 PO 4 as the positive electrode active material can exhibit a sufficiently high discharge capacity practically and has excellent charge / discharge cycle characteristics.

実施例1にかかる、正極活物質の粒子の断面構造の一例を示す説明図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is an explanatory diagram showing an example of a cross-sectional structure of positive electrode active material particles according to Example 1; 実施例1にかかる、2種類の正極活物質(試料E1及び試料C1)のサイクリックボルタモグラムを示す線図。The diagram which shows the cyclic voltammogram of two types of positive electrode active materials (sample E1 and sample C1) concerning Example 1. FIG. 実施例2にかかる、水系リチウム二次電池の構成を示す説明図。FIG. 3 is an explanatory diagram showing a configuration of an aqueous lithium secondary battery according to Example 2. 実施例2にかかる3種類の水系リチウム二次電池(電池E1、電池C1及び電池C2)の充放電サイクル特性を示す線図。The diagram which shows the charging / discharging cycle characteristic of three types of water-system lithium secondary batteries (battery E1, battery C1, and battery C2) 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
20 正極活物質
3 負極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Water-system lithium secondary battery 2 Positive electrode 20 Positive electrode active material 3 Negative electrode

Claims (6)

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用の正極活物質であって、
上記正極活物質は、一般式LixFe1-yyPO4(但し、0.85≦x≦1.2、0<y≦0.5、MはLi、Ni、Co、Mn、Mg、Al、Ti、Ga、Cu、V、Nb、Zr、Hf、及びCeから選ばれる1種以上)で表されるオリビン構造の化合物を主成分とする粒子からなることを特徴とする正極活物質。
A positive electrode active material for an aqueous lithium secondary battery having an aqueous electrolyte obtained by dissolving a lithium salt in water,
The positive electrode active material is represented by the general formula Li x Fe 1-y M y PO 4 ( where, 0.85 ≦ x ≦ 1.2,0 <y ≦ 0.5, M is Li, Ni, Co, Mn, Mg 1 or more selected from Al, Ti, Ga, Cu, V, Nb, Zr, Hf, and Ce)) .
請求項1において、上記正極活物質の上記粒子は、その表面の少なくとも一部に導電性炭素材料からなる被覆層を有していることを特徴とする正極活物質。   2. The positive electrode active material according to claim 1, wherein the particles of the positive electrode active material have a coating layer made of a conductive carbon material on at least a part of the surface thereof. 請求項2において、上記被覆層は、上記正極活物質の上記主成分100重量部に対して20重量部以下の割合で形成されていることを特徴とする正極活物質。   3. The positive electrode active material according to claim 2, wherein the coating layer is formed at a ratio of 20 parts by weight or less with respect to 100 parts by weight of the main component of the positive electrode active material. 請求項1〜3のいずれか一項において、上記一般式LixFe1-yyPO4で表される化合物におけるMは、Mnであることを特徴とする正極活物質。 4. The positive electrode active material according to claim 1, wherein M in the compound represented by the general formula Li x Fe 1 -y My PO 4 is Mn. 正極活物質を含有する正極と、負極活物質を含有する負極と、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、
上記正極活物質は、請求項1〜4のいずれか一項に記載の正極活物質であり、
上記負極活物質は、上記正極活物質の主成分よりもリチウムの吸蔵・脱離電位が低い物質を主成分とすることを特徴とする水系リチウム二次電池。
In an aqueous lithium secondary battery having a positive electrode containing a positive electrode active material, a negative electrode containing a negative electrode active material, and an aqueous electrolyte obtained by dissolving a lithium salt in water,
The positive electrode active material is the positive electrode active material according to any one of claims 1 to 4,
The water-based lithium secondary battery, wherein the negative electrode active material is mainly composed of a material having a lower lithium occlusion / desorption potential than the main component of the positive electrode active material.
請求項5において、上記水溶液電解液のpHは6〜10であることを特徴とする水系リチウム二次電池。   6. The aqueous lithium secondary battery according to claim 5, wherein the aqueous electrolyte solution has a pH of 6 to 10.
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