JP2006120367A - Positive active material and aqueous 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 active material for an aqueous lithium secondary battery capable of manufacturing at low cost and having high charge discharge cycle characteristics, and to provide the aqueous electrolyte secondary battery. <P>SOLUTION: The positive active material for the aqueous lithium secondary battery having an aqueous solution electrolyte prepared by dissolving a lithium salt in water is provided. The positive active material contains a compound having spinel structure represented by general formula Li<SB>x</SB>Mn<SB>2-y</SB>M<SB>y</SB>O<SB>4</SB>(in the formula, 0.8≤x≤1.2; 0<y≤0.2; M is at least one kind selected from Li, Ni, Co, Fe, Cr, V, Ti, Cu, Zn, Ga, Mg, Al, and Nb) as the main component. The aqueous lithium secondary battery 1 has a positive electrode 2 containing the positive active material, a negative electrode 3 containing a negative active material, and the aqueous solution electrolyte prepared 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、安全性が最優先に求められ、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, but relatively important to cost and safety is the top priority. It is expected to be suitable for applications such as electric vehicles and hybrid electric vehicles in which large batteries are used, as well as home-use distributed power sources.

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)。 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).

しかしながら、Li−Co酸化物からなる正極活物質は、比較的高価な金属元素であるCoを主成分としている。そのため、水系リチウム二次電池の製造コストが増大し、水系リチウム二次電池の本来の利点が損なわれてしまうという問題があった。したがって、量産化が要求される電気自動車やハイブリッド電気自動車、家庭用分散電源等の用途に適用することは困難であった。これに対し、LiMn24等のLi−Mn酸化物は、安価なMnを主成分としているため、水系リチウム二次電池の正極活物質として好適であると考えられている。 However, the positive electrode active material made of Li—Co oxide contains Co, which is a relatively expensive metal element, as a main component. Therefore, the manufacturing cost of the water based lithium secondary battery is increased, and the original advantages of the water based lithium secondary battery are impaired. Therefore, it has been difficult to apply to applications such as electric vehicles, hybrid electric vehicles, and home-use distributed power sources that require mass production. On the other hand, Li—Mn oxides such as LiMn 2 O 4 are considered to be suitable as a positive electrode active material for an aqueous lithium secondary battery because they contain inexpensive Mn as a main component.

しかし、LiMn24等のLi−Mn酸化物を主成分とする活物質は、水溶液電解液中での安定性が未だ不充分であった。また、Li−Ni酸化物を主成分とする活物質も水溶液電解液中での安定性が不充分であった。そのため、このような活物質を含有する従来の水系リチウム二次電池は、充放電容量の安定性が不充分であり、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。 However, an active material mainly composed of a Li-Mn oxide such as LiMn 2 O 4 still has insufficient stability in an aqueous electrolyte solution. Moreover, the active material which has a Li-Ni oxide as a main component was also insufficient in stability in aqueous electrolyte solution. Therefore, the conventional water-based lithium secondary battery containing such an active material has a problem that the charge / discharge capacity is insufficiently stable, and the capacity is easily deteriorated by repeated charge / discharge.

特表平9−508490号公報JP-T-9-508490 特開2000−77073号公報JP 2000-77073 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、低コストで製造することができると共に、充放電サイクル特性に優れた水系リチウム二次電池用の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 can be manufactured at low cost, and has a positive electrode active material for an aqueous lithium secondary battery and an aqueous lithium secondary that are excellent in charge / discharge cycle characteristics. It is intended to provide a battery.

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LixMn2-yy4(但し、0.8≦x≦1.2、0<y≦0.2、MはLi、Ni、Co、Fe、Cr、V、Ti、Cu、Zn、Ga、Mg、Al、及びNbから選ばれる1種以上)で表されるスピネル構造の化合物を主成分とす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 has the general formula Li x Mn 2 -y My O 4 (where 0.8 ≦ x ≦ 1.2, 0 <y ≦ 0.2, M is Li, Ni, Co, Fe, Cr A positive electrode active material comprising a spinel structure compound represented by V, Ti, Cu, Zn, Ga, Mg, Al, and Nb as a main component. 1).

上記第1の発明の正極活物質は、上記一般式で表されるスピネル構造の化合物を主成分とし、上記一般式LixMn2-yy4で表されるスピネル構造の化合物は、比較的安価なMnを金属元素の主成分としている。そのため、上記正極活物質は、低コストで作製することができる。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。 The positive electrode active material of the first invention is mainly composed of a compound having a spinel structure represented by the above general formula, and the compound having a spinel structure represented by the above general formula Li x Mn 2 -y My O 4 is: Relatively inexpensive Mn is the main component of the metal element. Therefore, the positive electrode active material 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.

また、上記一般式で表されるスピネル構造の化合物を主成分とする上記正極活物質は、比較的大きな充放電容量を発揮できると共に、従来のLiMn24等のLi−Mn酸化物やLi−Ni酸化物からなる正極活物質に比べて、上記水溶液電解液中で安定である。 In addition, the positive electrode active material mainly composed of a compound having a spinel structure represented by the above general formula can exhibit a relatively large charge / discharge capacity, and can be a conventional Li-Mn oxide such as LiMn 2 O 4 or Li -Stable in the aqueous electrolyte solution as compared with the positive electrode active material made of Ni oxide.

この理由は以下のように考えられる。
即ち、上記一般式LixMn2-yy4で表されるスピネル構造の化合物は、スピネル構造のLiMn24のMnサイトに金属元素M(Li、Ni、Co、Fe、Cr、V、Ti、Cu、Zn、Ga、Mg、Al、及びNbから選ばれる1種以上)が置換した構造を有している。この置換金属元素Mにより、スピネル構造が安定化し、水溶液中での安定性が向上すると推察される。
このように、上記正極活物質は、水溶液電解液中で安定であるため、充放電を繰り返し行っても、充放電容量が低下し難い。即ち、上記正極活物質は、充放電サイクル特性に優れている。
The reason is considered as follows.
That is, the compound of spinel structure represented by the general formula Li x Mn 2-y M y O 4 , a metal element M (Li to Mn site of LiMn 2 O 4 having a spinel structure, Ni, Co, Fe, Cr, 1 or more selected from V, Ti, Cu, Zn, Ga, Mg, Al, and Nb). It is presumed that this substituted metal element M stabilizes the spinel structure and improves the stability in an aqueous solution.
As described above, since the positive electrode active material is stable in the aqueous electrolyte solution, the charge / discharge capacity is unlikely to decrease even if charge / discharge is repeated. That is, the positive electrode active material is excellent in charge / discharge cycle characteristics.

以上のごとく、上記第1の発明によれば、低コストで製造することができると共に、充放電サイクル特性に優れた水系リチウム二次電池用の正極活物質を提供することができる。   As described above, according to the first invention, it is possible to provide a positive electrode active material for an aqueous lithium secondary battery that can be manufactured at low cost and has excellent 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、一般式LixMn2-yy4(但し、0.8≦x≦1.2、0<y≦0.2、MはLi、Ni、Co、Fe、Cr、V、Ti、Cu、Zn、Ga、Mg、Al、及びNbから選ばれる1種以上)で表されるスピネル構造の化合物を主成分とし、
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にある(請求項2)。
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 has the general formula Li x Mn 2 -y My O 4 (where 0.8 ≦ x ≦ 1.2, 0 <y ≦ 0.2, M is Li, Ni, Co, Fe, Cr 1 or more selected from V, Ti, Cu, Zn, Ga, Mg, Al, and Nb) as a main component,
The negative electrode active material is a water based lithium secondary battery characterized in that a main component of the positive electrode active material is a material having a lower lithium occlusion / desorption potential than that of 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は、一般式LixMn2-yy4(但し、0.8≦x≦1.2、0<y≦0.2、MはLi、Ni、Co、Fe、Cr、V、Ti、Cu、Zn、Ga、Mg、Al、及びNbから選ばれる1種以上)で表されるスピネル構造の化合物を主成分とする上記正極活物質、即ち上記第1の発明の正極活物質を含有している。
そのため、上記正極活物質の特性を生かして、上記水系リチウム二次電池は、低コストで作製することができると共に、充電を繰り返し行っても充放電容量が低下し難く、充放電サイクル特性に優れたものとなる。
In the water based lithium secondary battery of the second invention, the general formula Li x Mn 2 -y My O 4 (where 0.8 ≦ x ≦ 1.2, 0 <y ≦ 0.2, M is Li 1 or more selected from Ni, Co, Fe, Cr, V, Ti, Cu, Zn, Ga, Mg, Al, and Nb) That is, it contains the positive electrode active material of the first invention.
Therefore, taking advantage of the characteristics of the positive electrode active material, the water-based lithium secondary battery can be produced at low cost, and the charge / discharge capacity is not easily lowered even after repeated charging, and the charge / discharge cycle characteristics are excellent. It will be.

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LixMn2-yy4で表されるスピネル構造の化合物を主成分とする。上記一般式LixMn2-yy4で表される化合物は、スピネル構造を有するLiMn24のMnの一部が、金属元素M(Li、Ni、Co、Fe、Cr、V、Ti、Cu、Zn、Ga、Mg、Al、及びNb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LixMn2-yy4において、x、yは、0.8≦x≦1.2、0<y≦0.2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 contains as a main component a compound having a spinel structure represented by the general formula Li x Mn 2 -y My O 4 . The compound represented by the general formula Li x Mn 2-y M y O 4 , a part of Mn of LiMn 2 O 4 having a spinel structure, the metal element M (Li, Ni, Co, Fe, Cr, V , Ti, Cu, Zn, Ga, Mg, Al, and Nb).
In the general formula Li x Mn 2-y M y O 4, x, y is in the range of 0.8 ≦ x ≦ 1.2,0 <y ≦ 0.2.
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LixMn2-yy4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スピネル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。 Further, as the compound represented by the above general formula Li x Mn 2 -y My O 4 , various compounds exist by changing the kind of M and the ranges of x and y. 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 spinel structure compound represented by the above general formula and a known positive electrode active material may be used.

上記正極活物質は、固相合成法等により、例えば水酸化リチウム等のLiを含有する化合物、二酸化マンガン等のMnを含有する化合物、及び所望の金属元素M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 prepared by a solid phase synthesis method or the like, for example, a raw material compound such as a compound containing Li such as lithium hydroxide, a compound containing Mn such as manganese dioxide, and a compound containing a desired metal element M. It can be prepared by mixing at a blending ratio so as to obtain a desired composition in the compound represented by the above general formula and heating (baking) the mixture.

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LixMn2-yy4で表されるスピネル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 is mainly composed of a compound having a spinel structure represented by the general formula Li x Mn 2 -y My O 4 .

また、上記負極活物質は、上記正極活物質の主成分、即ち上記一般式LixMn2-yy4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。
好ましくは、リチウムバナジウム複合酸化物を主成分とすることがよい(請求項3)。
この場合には、上記水系リチウム二次電池のエネルギー密度をより向上させることができる。
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, that is, the compound represented by the general formula Li x Mn 2 -y My O 4. Ingredients.
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.
Preferably, the main component is a lithium vanadium composite oxide.
In this case, the energy density of the water based lithium secondary battery can be further improved.

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4)。
上記水溶液電解液のpHが6未満の場合には、上記一般式LixMn2-yy4で表されるスピネル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 4)
If the pH of the aqueous electrolyte solution is less than 6, the compound of spinel structure represented by the general formula Li x Mn 2-y M y O 4 becomes unstable, lowering the capacity and charge-discharge cycle characteristics of the battery 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.

次に、本発明の実施例につき、説明する。
本例は、スピネル構造の化合物からなる正極活物質を作製すると共に、該正極活物質を用いて水系リチウム二次電池を作製する例である。
本例の正極活物質は、LiMn1.80.24(Mは、Mg、Ni、又はCo)で表されるスピネル構造の化合物を主成分とする。
Next, examples of the present invention will be described.
In this example, a positive electrode active material made of a compound having a spinel structure is manufactured, and an aqueous lithium secondary battery is manufactured using the positive electrode active material.
The positive electrode active material of this example is mainly composed of a compound having a spinel structure represented by LiMn 1.8 M 0.2 O 4 (M is Mg, Ni, or Co).

また、図1に示すごとく、本例の水系リチウム二次電池1は、上記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。負極活物質は、上記正極活物質の主成分(LiMn1.8Mg0.24)よりもリチウムの吸蔵・脱離電位が低い物質(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。 As shown in FIG. 1, the aqueous lithium secondary battery 1 of this example includes a positive electrode 2 containing the positive electrode active material, a negative electrode 3 containing a negative electrode active material, and an aqueous solution obtained by dissolving a lithium salt in water. An electrolyte solution. The negative electrode active material is mainly composed of a material (LiV 2 O 4 ) having a lower lithium occlusion / desorption potential than the main component (LiMn 1.8 Mg 0.2 O 4 ) of the positive electrode active material. The aqueous electrolyte solution is obtained by dissolving LiNO 3 as a lithium salt in water.

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、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 aqueous lithium secondary battery 1 of this example, 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.

以下、本例の正極活物質(LiMn1.8Mg0.24)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、水酸化リチウム(LiOH)、二酸化マンガン(MnO2)、及び炭酸マグネシウム(MgCO3)を、Li:Mn:Mgが1.05:1.9:0.1となるような化学量論比にて秤量し、エタノール溶媒を用いてボールミル混合を24時間行った。続いて、得られた混合粉末を充分に乾燥させて乾式ボールミル混合を12時間行って出発原料とした。
得られた出発原料を温度800℃にて12時間焼成し、スピネル構造のLiMn1.8Mg0.24からなる正極活物質を作製した。これを試料E1とする。
Hereinafter, a method for producing the positive electrode active material (LiMn 1.8 Mg 0.2 O 4 ) of this example will be described. In this example, a positive electrode active material is produced by a solid phase synthesis method.
That is, first, lithium hydroxide (LiOH), manganese dioxide (MnO 2 ), and magnesium carbonate (MgCO 3 ) are used as raw materials for the positive electrode active material, and Li: Mn: Mg is 1.05: 1.9: 0.0. The sample was weighed at a stoichiometric ratio of 1 and ball milled using an ethanol solvent for 24 hours. Subsequently, the obtained mixed powder was sufficiently dried and dry ball mill mixing was performed for 12 hours to obtain a starting material.
The obtained starting material was baked at a temperature of 800 ° C. for 12 hours to prepare a positive electrode active material made of LiMn 1.8 Mg 0.2 O 4 having a spinel structure. This is designated as Sample E1.

また、本例においては、LiMn1.8Ni0.24、及びLiMn1.8Co0.24を主成分とする2種類の正極活物質をさらに作製した。
LiMn1.8Ni0.24を主成分とする正極活物質は、炭酸マグネシウムの代わりに硝酸ニッケル六水和物(NiNO3・6H2O)を用いた点を除いて、上記試料E1と同様にして作製した。これを試料E2とする。
LiMn1.8Co0.24を主成分とする正極活物質は、炭酸マグネシウムの代わりに塩化コバルト六水和物(CoCl2・6H2O)を用いた点を除いて、上記試料E1と同様にして作製した。これを試料E3とする。
In this example, two types of positive electrode active materials mainly composed of LiMn 1.8 Ni 0.2 O 4 and LiMn 1.8 Co 0.2 O 4 were also produced.
The positive electrode active material mainly composed of LiMn 1.8 Ni 0.2 O 4 is the same as the sample E1 except that nickel nitrate hexahydrate (NiNO 3 .6H 2 O) is used instead of magnesium carbonate. Produced. This is designated as Sample E2.
The positive electrode active material mainly composed of LiMn 1.8 Co 0.2 O 4 is the same as the sample E1 except that cobalt chloride hexahydrate (CoCl 2 .6H 2 O) is used instead of magnesium carbonate. Produced. This is designated as Sample E3.

また、本例においては、上記試料E1〜試料E3の比較用として、スピネル構造のLiMn24からなる正極活物質(試料C1)と、層状岩塩構造のLiNi0.8Co0.22からなる正極活物質(試料C1)を作製した。
試料C1は、炭酸マグネシウムを用いなかった点を除いて、上記試料E1と同様にして作製したものである。
試料C2は、Li、Ni,及びCoの金属塩から液相法により合成したものである。
In this example, for comparison with the samples E1 to E3, a positive electrode active material (sample C1) made of spinel-structured LiMn 2 O 4 and a positive-electrode active material made of layered rock salt structure LiNi 0.8 Co 0.2 O 2. A material (sample C1) was prepared.
Sample C1 was prepared in the same manner as Sample E1 except that magnesium carbonate was not used.
Sample C2 was synthesized from a metal salt of Li, Ni, and Co by a liquid phase method.

次に、負極活物質として、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20分間混合して混合物を得た。その後、この混合物100重量部に対して、炭素粉末であるケッチェンブラック(東海カーボン株式会社製のTB−5500)を2重量部添加し、さらに自動乳鉢で20分間混合した。次いで、この混合物を、アルゴン気流中で750℃にて24時間焼成した後、急冷してLiV24を作製した。
Next, LiV 2 O 4 was produced as a negative electrode active material.
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 mixture was obtained by mixing for 20 minutes in an automatic mortar. Thereafter, 2 parts by weight of ketjen black (TB-5500 manufactured by Tokai Carbon Co., Ltd.), which is a carbon powder, was added to 100 parts by weight of the mixture, and further mixed for 20 minutes in an automatic mortar. Next, this mixture was fired at 750 ° C. for 24 hours in an argon stream, and then rapidly cooled to produce LiV 2 O 4 .

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1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. 1, a battery case 11 for a CR2016 type coin cell is prepared, and a positive electrode mixture is pressure-bonded at about 0.6 ton / cm 2 on a mesh previously welded to the inside of the battery case 11. 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、正極活物質として、上記のようにして予め作製した試料E2、試料E3、試料C1、又は試料C2を用い、他は電池E1と同様にしてさらに4種類の電池(電池E2、電池E3、電池C1、電池C2)を作製した。
即ち、電池E2は、スピネル構造のLiMn1.8Ni0.24を主成分とする正極活物質(試料E2)を用い、他は上記電池E1と同様にして作製したものである。
電池E3は、スピネル構造のLiMn1.8Co0.24を主成分とする正極活物質(試料E3)を用い、他は上記電池E1と同様にして作製したものである。
電池C1は、スピネル構造のLiMn24を主成分とする正極活物質(試料C1)を用い、他は上記電池E1と同様にして作製したものである。
電池C2は、層状岩塩構造のLiNi0.8Co0.22を主成分とする正極活物質(試料C2)を用い、他は上記電池E1と同様にして作製したものである。
Further, in this example, as the positive electrode active material, the sample E2, the sample E3, the sample C1, or the sample C2 prepared in advance as described above is used, and the other four types of batteries (batteries) are the same as the battery E1. E2, battery E3, battery C1, battery C2) were produced.
That is, the battery E2 was manufactured in the same manner as the battery E1 except that a positive electrode active material (sample E2) mainly composed of spinel-structured LiMn 1.8 Ni 0.2 O 4 was used.
The battery E3 was manufactured in the same manner as the battery E1 except that a positive electrode active material (sample E3) mainly composed of spinel-structured LiMn 1.8 Co 0.2 O 4 was used.
The battery C1 was manufactured in the same manner as the battery E1 except that a positive electrode active material (sample C1) mainly composed of spinel-structured LiMn 2 O 4 was used.
The battery C2 was prepared in the same manner as the battery E1 except that a positive electrode active material (sample C2) mainly composed of LiNi 0.8 Co 0.2 O 2 having a layered rock salt structure was used.

次に、上記のようにして作製した5種類の水系リチウム二次電池(電池E1〜電池E3、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20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E3、電池C1及び電池C2)の放電容量を測定した。
Next, charge / discharge cycle characteristics were examined for the five types of water-based lithium secondary batteries (battery E1 to battery E3, battery C1, and battery C2) manufactured 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 to a battery voltage of 0.1 V was defined as one cycle, and this cycle was repeated 20 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 E3, battery C1, and 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2に示す。
図2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、正極活物質としてスピネル構造のLiMn1.8Mg0.24を用いて構成した電池を電池E1とし、スピネル構造のLiMn1.8Ni0.24を用いて構成した電池を電池E2とし、スピネル構造のLiMn1.8Co0.24を用いて構成した電池を電池E3とし、スピネル構造のLiMn24を用いて構成した電池を電池C1として表し、層状岩塩構造のLiNi0.8Co0.22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. 2, 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 a spinel-structured LiMn 1.8 Mg 0.2 O 4 as a positive electrode active material is referred to as a battery E1, and a battery configured using a spinel-structured LiMn 1.8 Ni 0.2 O 4 is referred to as a battery E2. A battery configured using LiMn 1.8 Co 0.2 O 4 having a structure is represented as a battery E3, a battery configured using LiMn 2 O 4 having a spinel structure is represented as a battery C1, and LiNi 0.8 Co 0.2 O 2 having a layered rock salt structure is used. The battery configured as described above was represented as battery C2.

また、電池E1〜電池E3、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。   In addition, Table 1 below shows the initial charge capacity and initial discharge capacity of the batteries E1 to E3, the battery C1, and the battery C2. 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 2006120367
Figure 2006120367

表1より知られるごとく、電池E1〜電池E3は、86mA/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C2に比べて初期放電容量が非常に優れており、電池C1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 batteries E1 to E3 can exhibit a very excellent initial discharge capacity of 86 mA / g or more. The battery E1 had a very good initial discharge capacity compared to the battery C2, and had a sufficient initial discharge capacity that could withstand practical use although it did not reach the battery C1.

また、図2より知られるごとく、電池E1〜電池E3は、電池C1に比べて初期放電容量が若干劣るものの、20サイクルの充放電後においても約64mAh/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C1においては、初期放電容量は高いものの、20サイクル後には放電容量が60mAh/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20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、20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. 2, the batteries E1 to E3 maintain a high discharge capacity of about 64 mAh / g even after 20 cycles of charge / discharge, although the initial discharge capacity is slightly inferior to that of the battery C1. It can be seen that the charge / discharge cycle characteristics are excellent. On the other hand, in the battery C1, although the initial discharge capacity is high, after 20 cycles, the discharge capacity is reduced to a low value of less than 60 mAh / g, indicating 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 20 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 20 cycles of charge and discharge, and could not withstand practical use.

電池E1〜電池E3において用いた正極活物質(試料E1〜試料E3)と、電池C1において用いた正極活物質(試料C1)とを比較すると、試料E1〜試料E3は、試料C1(LiMn24)のMnの一部を置換元素Mg、Ni、又はCoで置換した組成を有している。したがって、上述の図2の結果から知られるように、置換元素でMnの一部を置換した正極活物質(試料E1〜試料E3)を用いた水系リチウム二次電池(電池E1〜電池E3)は、置換されていない正極活物質(試料C1)を用いた水系リチウム二次電池(電池C1)に比べて、充放電サイクルを繰り返したときの放電容量の安定性、即ち充放電サイクル特性が向上することがわかる(図2参照)。 When the positive electrode active materials (sample E1 to sample E3) used in the batteries E1 to E3 and the positive electrode active material (sample C1) used in the battery C1 are compared, the samples E1 to E3 are the sample C1 (LiMn 2 O 4 ) It has a composition in which a part of Mn is substituted with a substitution element Mg, Ni, or Co. Therefore, as is known from the results of FIG. 2 described above, the water-based lithium secondary batteries (battery E1 to battery E3) using the positive electrode active materials (sample E1 to sample E3) in which a part of Mn is substituted with a substitution element are obtained. Compared with a water-based lithium secondary battery (battery C1) using a non-substituted positive electrode active material (sample C1), the stability of the discharge capacity when the charge / discharge cycle is repeated, that is, the charge / discharge cycle characteristics are improved. (See FIG. 2).

また、電池E1〜電池E3において、正極活物質(試料E1〜試料E3)は、比較的安価なMnを金属元素の主成分としている。これらの正極活物質は、Mn以外にもMg、Ni、Coを含んでいるが、これらの元素は、Mn1.8molに対して0.2molという非常に微量なものである。したがって、正極活物質(試料E1〜試料E3)は、比較的安価に合成することができ、電池E1〜E3の製造コストを低減させることができる。   In the batteries E1 to E3, the positive electrode active materials (samples E1 to E3) contain Mn, which is relatively inexpensive, as a main component of the metal element. These positive electrode active materials contain Mg, Ni, and Co in addition to Mn, but these elements are very minute amounts of 0.2 mol with respect to 1.8 mol of Mn. Therefore, the positive electrode active materials (sample E1 to sample E3) can be synthesized relatively inexpensively, and the manufacturing cost of the batteries E1 to E3 can be reduced.

このように、電池E1〜電池E3は、低コストで製造することができると共に、充放電サイクル特性に優れたものであることがわかる。   Thus, it can be seen that the batteries E1 to E3 can be manufactured at low cost and have excellent charge / discharge cycle characteristics.

実施例にかかる、水系リチウム二次電池の構成を示す説明図。Explanatory drawing which shows the structure of the water-system lithium secondary battery concerning an Example. 実施例にかかる、5種類の水系リチウム二次電池(電池E1〜電池E3、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 five types of water based lithium secondary batteries (battery E1-battery E3, battery C1, and battery C2) concerning an Example.

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
1 Water-based lithium secondary battery 2 Positive electrode 3 Negative electrode

Claims (4)

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LixMn2-yy4(但し、0.8≦x≦1.2、0<y≦0.2、MはLi、Ni、Co、Fe、Cr、V、Ti、Cu、Zn、Ga、Mg、Al、及びNbから選ばれる1種以上)で表されるスピネル構造の化合物を主成分とす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 has the general formula Li x Mn 2 -y My O 4 (where 0.8 ≦ x ≦ 1.2, 0 <y ≦ 0.2, M is Li, Ni, Co, Fe, Cr , V, Ti, Cu, Zn, Ga, Mg, Al, and Nb), and a spinel structure compound represented by the main component.
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、一般式LixMn2-yy4(但し、0.8≦x≦1.2、0<y≦0.2、MはLi、Ni、Co、Fe、Cr、V、Ti、Cu、Zn、Ga、Mg、Al、及びNbから選ばれる1種以上)で表されるスピネル構造の化合物を主成分とし、
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 has the general formula Li x Mn 2 -y My O 4 (where 0.8 ≦ x ≦ 1.2, 0 <y ≦ 0.2, M is Li, Ni, Co, Fe, Cr 1 or more selected from V, Ti, Cu, Zn, Ga, Mg, Al, and Nb) as a main component,
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2において、上記負極活物質は、リチウムバナジウム複合酸化物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。   3. The aqueous lithium secondary battery according to claim 2, wherein the negative electrode active material contains a lithium vanadium composite oxide as a main component. 請求項2又は3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。   4. The aqueous lithium secondary battery according to claim 2, wherein the aqueous electrolyte solution has a pH of 6 to 10.
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