JP2006127911A - Lithium secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はリチウム二次電池に関するもので、さらに詳しくはその正極活物質に関するものである。 The present invention relates to a lithium secondary battery, and more particularly to a positive electrode active material thereof.
最近、大気中に含まれるCO2 ガス量が増加しつつある為、温室効果により地球の温暖化が生じる可能性が指摘されている。火力発電所は化石燃料などを燃焼させて得られる熱エネルギーを電気エネルギーに変換しているが、燃焼によりCO2 ガスを多量に排出するためあらたな火力発電所を建設することが難しくなって来ている。したがって、火力発電所などの発電機にて作られた電力の有効利用として、余剰電力である夜間電力を一般家庭に設置した二次電池に蓄えて、これを電力消費量が多い昼間に使用して負荷を平準化する。いわゆるロードレベリングが提案されている。 Recently, since the amount of CO 2 gas contained in the atmosphere is increasing, it has been pointed out that global warming may occur due to the greenhouse effect. Thermal power plants convert thermal energy obtained by burning fossil fuels into electrical energy, but burning a large amount of CO 2 gas makes it difficult to build a new thermal power plant. ing. Therefore, as an effective use of power generated by generators such as thermal power plants, surplus power is stored in secondary batteries installed in ordinary households and used in the daytime when power consumption is high. Level the load. So-called load leveling has been proposed.
また、CO2 、NOx 、炭化水素などを含む大気汚染にかかわる物質を排出しないという特徴を有する電気自動車用途では、高エネルギー密度の二次電池の開発が期待されている。さらに、ブック型パーソナルコンピュータ、ワードプロセッサー、ビデオカメラ及び携帯電話等のポータブル機器の電源用途では、小型・軽量で高性能なリチウム二次電池の開発が急務になっている。 In addition, for electric vehicle applications that are characterized by not discharging substances related to air pollution including CO 2 , NO x , hydrocarbons, etc., development of secondary batteries with high energy density is expected. Furthermore, in the power supply applications of portable devices such as book-type personal computers, word processors, video cameras, and mobile phones, it is an urgent task to develop a small, lightweight, high-performance lithium secondary battery.
このような小型・軽量で高性能なリチウム二次電池の正極活物質としては、リチウム−コバルト複合酸化物(LiCoO2 )が現在最も多用されている。しかしLiCoO2 の原料であるコバルトは高価であり、これを用いた二次電池は必然的にコストが高くなるため、原料が安価なリチウム−ニッケル複合酸化物(LiNiO2 )やリチウム−マンガン複合酸化物(LiMn2 O4 )を正極活物質とする二次電池が研究されてきた。しかし、これらの材料は合成が難しくまた二次電池として充放電を繰り返した場合に容量の劣化が大きいといった問題があったため、この問題を改善するための研究が盛んに行われてきた。しかし、未だ十分な改善は得られていない。 As a positive electrode active material for such a small, lightweight and high-performance lithium secondary battery, lithium-cobalt composite oxide (LiCoO 2 ) is currently most frequently used. However, since cobalt, which is a raw material for LiCoO 2 , is expensive, and a secondary battery using this is inevitably expensive, lithium-nickel composite oxide (LiNiO 2 ) and lithium-manganese composite oxide, which are inexpensive raw materials, are used. Secondary batteries using a material (LiMn 2 O 4 ) as a positive electrode active material have been studied. However, since these materials are difficult to synthesize and have a problem that the capacity is greatly deteriorated when charging and discharging are repeated as a secondary battery, researches for improving this problem have been actively conducted. However, sufficient improvement has not been obtained yet.
また、非特許文献1でリチウム−銅複合酸化物(Li2 CuO2 )がLiCoO2 に代わる正極活物質として提案されている。
Li2 CuO2 は、原料となる銅化合物が比較的安価であり、また組成式上、単位重量あたりではLiCoO2 ,LiNiO2 の約2倍、LiMn2 O4 の約4倍のリチウムが含まれているため、組成式Li2 CuO2 とCuO2 の間で2個分のリチウムが可逆的に充放電できれば、LiCoO2 ,LiNiO2 の約2倍、LiMn2 O4 の約4倍の容量が期待できる材料である。しかし、実際にLi2 CuO2 を二次電池の正極材料として使用した場合、Li2 CuO2 とLiCuO2 の間で1個分のリチウムしか可逆的な充放電反応に寄与することができず、期待された程の容量を得ることができていない。また充放電を繰り返すと充電容量、放電容量が共に低下するという問題がある。1個分のリチウムしか可逆的な充放電反応に寄与することができない原因は、LiCuO2 からLiを電気化学的に取り除いた場合にCuO2 ではなくCuOに構造変化してしまうためであり、充放電を繰り返すと充電容量、放電容量が共に低下する原因は、Li2 CuO2 とLiCuO2 間で構造変化が起こるためだと考えられている。さらに、Li2 CuO2 は平均放電電位がLiCoO2 ,LiNiO2 ,LiMn2 O4 に比べて約1V以上低いという問題もある。
In Non-Patent Document 1, lithium-copper composite oxide (Li 2 CuO 2 ) has been proposed as a positive electrode active material replacing LiCoO 2 .
Li 2 CuO 2 is a relatively inexpensive copper compound as a raw material, and contains about twice as much lithium as LiCoO 2 and LiNiO 2 and about 4 times as much as LiMn 2 O 4 per unit weight. Therefore, if two lithiums can be reversibly charged and discharged between the composition formulas Li 2 CuO 2 and CuO 2 , the capacity is about twice that of LiCoO 2 and LiNiO 2 and about 4 times that of LiMn 2 O 4. It is a promising material. However, when Li 2 CuO 2 is actually used as the positive electrode material of the secondary battery, only one lithium can contribute to the reversible charge / discharge reaction between Li 2 CuO 2 and LiCuO 2 , The capacity as expected is not obtained. Further, when charging / discharging is repeated, there is a problem that both the charge capacity and the discharge capacity decrease. The reason that only one lithium can contribute to the reversible charge / discharge reaction is that when Li is electrochemically removed from LiCuO 2 , the structure changes to CuO instead of CuO 2. It is considered that the reason why both the charge capacity and the discharge capacity decrease when the discharge is repeated is due to a structural change between Li 2 CuO 2 and LiCuO 2 . Furthermore, Li 2 CuO 2 has a problem that the average discharge potential is lower by about 1 V or more than LiCoO 2 , LiNiO 2 , and LiMn 2 O 4 .
上記のLi2 CuO2 の問題を改善するために、Li2 CuO2 に異種元素を混合させる技術が出願されている。例えば、特許文献1ではLi2 CuO2 のCuの一部を遷移金属、半金属元素で置換した材料LiX Cu1-y My Oz が開示されていが、この改良では放電容量が不十分であり、また充放電を繰り返すことによる充放電容量の低下の改善に関する開示はない。
本発明は、上記のLi2 CuO2 の充電時におけるCuOへの構造変化とLi2 CuO2 とLiCuO2 間での構造変化を抑制することで、安価で放電容量が大きく、充放電を繰り返しても充放電容量の低下が少ないリチウム二次電池を提供するものである。 The present invention suppresses the structural change to CuO and the structural change between Li 2 CuO 2 and LiCuO 2 during charging of the above Li 2 CuO 2 , so that the discharge capacity is large and the charge capacity is repeated. The present invention also provides a lithium secondary battery in which the decrease in charge / discharge capacity is small.
すなわち、本発明は、正極、負極、非水電解質を有するリチウム二次電池であって、該正極を構成する正極活物質が一般式Li2(Cu1-x-yMxDy)O2(式中、Mは元素周期律表で13族元素、14族元素、Fe,Co,Niから成る群から選択される1種類以上の元素、DはTi,V,Y,Zr,Mo,Pdから成る群から選択される1種類以上の元素を表す。x,yは0<x<0.5、0<y<0.5、x+y<0.5である。)で表されるリチウム銅複合酸化物からなることを特徴とするリチウム二次電池に関する。 That is, the present invention is a lithium secondary battery having a positive electrode, a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte, wherein the positive electrode active material constituting the positive electrode is represented by the general formula Li 2 (Cu 1-xy M x D y ) O 2 (formula M is one or more elements selected from the group consisting of group 13 elements, group 14 elements, Fe, Co, and Ni in the periodic table, and D is composed of Ti, V, Y, Zr, Mo, and Pd. Represents one or more elements selected from the group, x and y are 0 <x <0.5, 0 <y <0.5, and x + y <0.5.) The present invention relates to a lithium secondary battery characterized by comprising a product.
Li2 CuO2 の結晶構造は、図1に示すように平面4配位のCuO4 が稜を共有して直鎖状ユニットを形成していて、リチウムがこのCuO4 直鎖状ユニット間に配置した構造をしている。 The crystal structure of Li 2 CuO 2 is such that, as shown in FIG. 1, planar four-coordinate CuO 4 shares a ridge to form a linear unit, and lithium is arranged between the CuO 4 linear units. Has the structure.
本発明者達は、この様な結晶構造を持つLi2 CuO2 が、充電時にCuO2 ではなくCuOに構造変化してしまうのは、CuO4 直鎖状ユニット内の酸素と近接原子である銅との結合力が充電時に弱くなり、酸素が結晶から脱離してしまうためだと考え、酸素と酸素に近接する原子との結合を強くすることでCuOへの構造変化を抑制できると推察した。また、Li2 CuO2 とLiCuO2 間での構造変化に関しては、リチウムの挿入と脱離に伴いCuO4 直鎖状ユニット間の配列が変化してしまうためだと考え、CuO4 直鎖状ユニット間の結合を強くすることでLi2 CuO2 とLiCuO2 間の構造変化を抑制できると推察した。 The present inventors found that the structure of Li 2 CuO 2 having such a crystal structure is changed to CuO instead of CuO 2 at the time of charging because the copper in the CuO 4 linear unit is a close atom. This is thought to be due to the fact that the bond strength between the oxygen atom and the oxygen atom is desorbed during charging, and it is assumed that the structural change to CuO can be suppressed by strengthening the bond between oxygen and atoms close to oxygen. In addition, regarding the structural change between Li 2 CuO 2 and LiCuO 2 , it is considered that the arrangement between the CuO 4 linear units changes with the insertion and extraction of lithium, and the CuO 4 linear unit It was inferred that the structural change between Li 2 CuO 2 and LiCuO 2 can be suppressed by strengthening the bond between them.
上記推察を基に、CuO4 直鎖状ユニット内の酸素と酸素に近接する原子との結合力とCuO4 直鎖状ユニット間の結合力の計算を行った結果、Li2 CuO2 の銅の一部を特定元素Mで置換することでCuO4 直鎖状ユニット内の酸素と近接元素との結合力を強くすることができ、また特定元素Dで置換することでCuO4 直鎖状ユニット間の結合力を強くすることができることを見出した。 Based on the above inferred, as a result of the avidity and CuO 4 calculates the bonding strength between the linear unit of the atoms adjacent to oxygen and oxygen in the CuO 4 linear units, of Li 2 CuO 2 copper By substituting a part with the specific element M, the bonding force between the oxygen in the CuO 4 linear unit and the neighboring element can be strengthened, and by substituting with the specific element D, between the CuO 4 linear units It was found that the bond strength of can be increased.
以下の計算に基づいて本発明に至った経過について説明する。
(結合力の算出方法)
原子間の結合力の算出は、図2に示す流れで進めた。計算は文献「Phys.Soc.jpn,」Vol 875,45ページ(1978)のDv−Xα分子軌道法と、「J.Chem.Phys,」Vol 23,1833−1846ページ(1955)のマリケンの方法を用いた。計算は、ステップ(1)においてLi2 CuO2 の結晶構造から原子集合体(クラスター)モデルを切り出し、ステップ(2)〜(5)においてDv−Xα分子軌道法を用いてモデル内の分子軌道と電子密度を計算し、ステップ(6)において計算した分子軌道と電子密度からマリケンの方法を用いて原子間の結合力を算出する流れとなっている。以下に各ステップを詳細に説明する。
The progress of the present invention will be described based on the following calculation.
(Method of calculating binding force)
The calculation of the bonding force between atoms proceeded according to the flow shown in FIG. The calculation is based on the Dv-Xα molecular orbital method described in the document “Phys. Soc. Jpn,” Vol 875, 45 pages (1978) and the Mariken method of “J. Chem. Phys,”
ステップ(1)(原子集合体モデル)
計算に用いた原子集合体モデルは、図3に示すようにLi2 CuO2 の結晶の一部を切り出して中心の銅原子を他の原子(置換元素M,D)で置換したものである。
そして、モデル周辺に1千程度の電荷を配置して静電ポテンシャルを考慮することで結晶の状態を近似した。
Step (1) (Atom Assembly Model)
The atomic assembly model used for the calculation is obtained by cutting out a part of the Li 2 CuO 2 crystal and replacing the central copper atom with other atoms (substitution elements M and D) as shown in FIG.
Then, the state of the crystal was approximated by arranging about 1,000 charges around the model and considering the electrostatic potential.
ステップ(2)〜(5)(分子軌道と電子密度の計算)
ステップ(2)〜(5)でDv−Xα分子軌道法を用いて上記モデル内の分子軌道と電子密度を計算した。Dv−Xα分子軌道法では、ステップ(2)においてモデル内の電子密度分布の初期値を仮定してモデル内の各原子の原子軌道を計算し、ステップ(3)においてステップ(2)で計算した原子軌道を基底関数として永年方程式を解くことでモデル内の分子軌道と固有エネルギー計算し、ステップ(4)においてステップ(3)で計算した分子軌道から電子密度分布(出力値)を求め、ステップ(5)において電子密度分布の出力値と初期値を比較して、出力値と初期値が同じ値ならば出力値を電子密度の最終値とし、異なれば出力値をステップ(2)の電子密度の初期値として再度計算して、出力値と初期値が同じになるまでステップ(2)〜(5)を繰り返す流れとなっている。以下にステップ(2)〜(5)を詳細に説明する。
Steps (2) to (5) (Calculation of molecular orbitals and electron density)
In steps (2) to (5), molecular orbitals and electron density in the model were calculated using the Dv-Xα molecular orbital method. In the Dv-Xα molecular orbital method, the atomic orbital of each atom in the model is calculated in step (2) assuming the initial value of the electron density distribution in the model, and in step (3) the calculation is performed in step (2). By solving the secular equation with the atomic orbitals as basis functions, the molecular orbitals and eigenenergy in the model are calculated. In step (4), the electron density distribution (output value) is obtained from the molecular orbitals calculated in step (3). In 5), the output value of the electron density distribution is compared with the initial value. If the output value and the initial value are the same, the output value is set as the final value of the electron density. The calculation is performed again as the initial value, and steps (2) to (5) are repeated until the output value and the initial value are the same. Steps (2) to (5) will be described in detail below.
ステップ(2)(原子軌道の計算)
モデル内の電子密度の初期値が位置
Step (2) (Calculation of atomic orbitals)
The initial value of the electron density in the model is located
の関数で In the function
である場合、孤立原子νの位置 The position of the isolated atom ν
におけるi番目の電子に関する軌道 Orbit for the i-th electron
とその固有エネルギーεi は、(1)式のハミルトニアン And its intrinsic energy ε i is the Hamiltonian of equation (1)
と(2)式のシュレディンガー方程式を用いて求める。 And the Schrödinger equation (2).
Zv は原子核の電荷、 Z v is the nuclear charge,
は原子核の位置で、αは係数で0.7とする。(1)式の右辺第一項は、電子の運動エネルギー、第二項は原子核から受けるポテンシャル、第三項は電子系のポテンシャル、第四項は、交換ポテンシャルで補正項である。 Is the position of the nucleus, and α is a coefficient of 0.7. The first term on the right side of equation (1) is the kinetic energy of the electrons, the second term is the potential received from the nucleus, the third term is the potential of the electron system, and the fourth term is the exchange potential.
ステップ(3)(分子軌道の計算)
モデル内の分子軌道をステップ(2)で計算した各原子軌道の線形結合で表現する。つまり、l番目の電子の位置
Step (3) (Calculation of molecular orbitals)
The molecular orbitals in the model are expressed by linear combinations of the atomic orbitals calculated in step (2). That is, the position of the lth electron
における分子軌道を(3)式のように The molecular orbital in, as shown in equation (3)
と表わす。ここで、Cilは定数である。Cilの値(0≦Cil≦1)により、どの原子軌道が大きく分子軌道に関与しているかを調べることが出来る。この関係を用いて分子軌道 It expresses. Here, C il is a constant. The value of C il (0 ≦ C il ≦ 1) makes it possible to investigate which atomic orbitals are greatly involved in molecular orbitals. Using this relationship, molecular orbitals
とその固有エネルギーεl を求める。そのために以下の(4)式のハミルトニアン And its specific energy ε l . To that end, the following formula (4) Hamiltonian
と(5)式のシュレディンガー方程式を用いる。 And the Schrodinger equation (5).
ここで(4)式の右辺第一項は、電子の運動エネルギー、第二項は系全ての原子核から受けるポテンシャル、第三項は電子系のポテンシャル、第四項は、交換ポテンシャルで補正項である。 Here, the first term on the right side of equation (4) is the kinetic energy of the electrons, the second term is the potential received from all the nuclei, the third term is the potential of the electron system, and the fourth term is the exchange potential. is there.
分子軌道の式(3)式にシュレディンガー方程式(5)式を代入すると、(6)式または(9)式が得られるため、実際には成分表示の(6)式または行列表示の(9)式の永年方程式解くことで固有エネルギーεlとその分子軌道 Substituting the Schrödinger equation (5) into the molecular orbital equation (3) yields the equation (6) or (9). In practice, the component display (6) or matrix display (9) Eigenenergy ε l and its molecular orbitals by solving the secular equation
を求める。 Ask for.
Hijは重なり積分、Sijはクーロン積分(i=j)と共鳴積分(i≠j)であり、(7)式と(8)式で表される。 H ij is an overlap integral, and S ij is a Coulomb integral (i = j) and a resonance integral (i ≠ j), which are expressed by Equations (7) and (8).
また、式(7)の成分表示を整理し、行列表記したものが(9)式で表わされる。 In addition, the component display of Equation (7) is arranged and expressed in matrix form as Equation (9).
記号の上の∧は、それが行列であることを表わす。
ステップ(4)(電子密度の計算)
電子密度
The ∧ above the symbol indicates that it is a matrix.
Step (4) (Calculation of electron density)
Electron density
は、ステップ(3)で求めた分子軌道 Is the molecular orbital obtained in step (3)
の自乗の和で求まり、以下(10)式で表わされる。 Is obtained by the following equation (10).
ステップ(5)(電子密度の初期値と出力値の比較)
次に電子密度の計算初期値と出力値の差Zを(11)式から求める。
Step (5) (Comparison of initial value of electron density and output value)
Next, a difference Z between the electron density calculation initial value and the output value is obtained from the equation (11).
電子密度の差Z≠0のとき、電子密度の出力値を再度初めに入力した初期値、すなわち、 When the difference in electron density Z ≠ 0, the initial value when the output value of the electron density is first input again, that is,
としてステップ(2)へ戻る。
Z=0のとき、最終的な電子密度
Return to step (2).
Final electron density when Z = 0
として求め、そのときの分子軌道 As the molecular orbital at that time
ステップ(6)(結合力の計算)
上記で計算された分子軌道と電子密度を用いて原子間の結合力を計算する。計算はマリケンの方法を用いた。ここでの結合力は共有結合性の強さを表わす。マリケンの方法では、原子Aと原子B間の結合力の強さは以下の式で表される。
Step (6) (Calculation of binding force)
The bonding force between atoms is calculated using the molecular orbitals calculated above and the electron density. The calculation used the method of Mariken. The bond strength here represents the strength of the covalent bond. In the Mariken method, the strength of the bonding force between atom A and atom B is expressed by the following equation.
ここで、fl は分子軌道lを占有する電子の占有数である。また、i,jについての和はA原子、B原子に属するもののみについて行うことを意味する。このQABの大きさにより、結合力の強さを評価する。 Here, f l is the occupation number of electrons occupying the molecular orbital l. Moreover, the sum about i and j means performing only about what belongs to A atom and B atom. The strength of the binding force is evaluated based on the magnitude of Q AB .
上記のマリケンの方法を用いて、CuO4 直鎖状ユニット内の酸素と酸素に近接する原子との結合力とCuO4 直鎖状ユニット間の結合力を計算した。CuO4 直鎖状ユニット内の酸素と酸素に近接する原子との結合力は、酸素と置換元素、酸素と銅原子との結合力をたし合わせたもので表現した。CuO4 直鎖状ユニット間の結合力は、置換元素を中心とした酸素の平面4配位中の原子群(図3中の点線内の原子)と銅を中心とした酸素の平面4配位中の原子群(図3中の実線内の原子)との結合力を総和したもので表現した。 Using the method of the Mulliken was calculated avidity and CuO 4 binding force between the linear unit of the atoms adjacent to oxygen and oxygen in the CuO 4 linear unit. The bond strength between oxygen and the atoms close to oxygen in the CuO 4 linear unit was expressed as the sum of the bond strength between oxygen and a substitution element and oxygen and a copper atom. The bond strength between the CuO 4 linear units is determined by the atomic 4-plane coordination of oxygen centered on the substitution element (the atoms in the dotted line in FIG. 3) and the 4-plane oxygen coordination centered on copper. The bond strength with the atomic group in the middle (the atom in the solid line in FIG. 3) is expressed as a sum of the binding forces.
図4は、上記の方法で計算したLi2 CuO2 の銅の一部を他元素Mで置換した場合のCuO4 直鎖状ユニット内の酸素と近接原子間との結合力を、元素を置換していないLi2 CuO2 の結合力に対する変化率で示したものである。図4から明らかなように、CuO4 直鎖状ユニット内の酸素と近接原子間との結合力を強くする置換元素は、Al,Si等の元素周期律表で13族元素,14族元素、Fe,Co,Niであり、より好ましくはAl,Siであることが分かった。 FIG. 4 shows the bonding force between oxygen and adjacent atoms in a CuO 4 linear unit when a part of the copper of Li 2 CuO 2 calculated by the above method is replaced with another element M. It is shown by the rate of change with respect to the bonding force of Li 2 CuO 2 that has not been formed. As is clear from FIG. 4, the substitution elements that strengthen the bonding force between oxygen and adjacent atoms in the CuO 4 linear unit are group 13 elements, group 14 elements in the periodic table of elements such as Al and Si, It was found that Fe, Co, Ni, and more preferably Al, Si.
図5は、Li2 CuO2 の銅の一部を他元素Dで置換した場合のCuO4 直鎖状ユニット間の結合力を、元素を置換していないLi2 CuO2 の場合の結合力に対する変化率で示したものである。図5から明らかなように、CuO4 直鎖状ユニット間の結合力を強くする置換元素は、Ti,V,Y,Zr,Mo,Pdであることが分かった。 FIG. 5 shows the bonding force between the CuO 4 linear units when a part of copper of Li 2 CuO 2 is substituted with another element D, with respect to the bonding force in the case of Li 2 CuO 2 in which no element is substituted. The rate of change is shown. As is clear from FIG. 5, it was found that the substitution elements that strengthen the binding force between the CuO 4 linear units are Ti, V, Y, Zr, Mo, and Pd.
本発明者達は上記計算を基に実験を行った結果、一般式がLi2 (Cu1-x-y Mx Dy )O2 (0<x<0.5,0<y<0.5、x+y<0.5)で表されるリチウム銅複合酸化物において、M元素としてCuO4 直鎖状ユニット内の酸素と近接原子間との結合力を強くすることができる元素である元素周期律表の13族元素、14族元素、Fe,Co,Niから成る群から選択される1種類以上の元素、より好ましくはAl,Siから成る群から選択される1種類以上の元素を用い、D元素としてCuO4 直鎖状ユニット間の結合力を強くすることができる元素であるTi,V,Y,Zr,Mo,Pdから成る群から選択される1種類以上の元素を用いることで、従来のリチウム銅複合酸化物よりも放電容量が大きく充放電を繰り返しても充放電容量の低下が小さい正極活物質を得られることを見出した。 As a result of experiments based on the above calculation, the present inventors have found that the general formula is Li 2 (Cu 1-xy M x D y ) O 2 (0 <x <0.5, 0 <y <0.5, In the lithium-copper composite oxide represented by x + y <0.5), an element periodic table that is an element that can strengthen the bonding force between oxygen in a CuO 4 linear unit and adjacent atoms as an M element. Using one or more elements selected from the group consisting of group 13 elements, group 14 elements, Fe, Co, and Ni, more preferably one or more elements selected from the group consisting of Al and Si; By using one or more elements selected from the group consisting of Ti, V, Y, Zr, Mo, and Pd, which are elements capable of strengthening the bonding force between CuO 4 linear units, The discharge capacity is larger than that of lithium copper composite oxide, and charging and discharging are repeated. It has been found that a positive electrode active material with a small decrease in discharge capacity can be obtained.
本発明によると、一般式がLi2 (Cu1-x-y Mx Dy )O2 (0<x<0.5,0<y<0.5、x+y<0.5)で表され、M元素が元素周期律表の13族元素、14族元素、Fe,Co,Niから成る群から選択される1種類以上の元素、D元素がTi,V,Y,Zr,Mo,Pdから成る群から選択される1種類以上の元素であるリチウム銅複合酸化物を正極活物質として用いることで、Li2 CuO2 の充電時におけるCuOへの構造変化と充放電時におけるLi2 CuO2 とLiCuO2 間での構造変化を抑制することができ、安価で放電容量が大きく、充放電の繰り返しによる充放電容量の低下が少ないリチウム二次電池を提供することができる。 According to the present invention, the general formula is represented by Li 2 (Cu 1-xy M x D y ) O 2 (0 <x <0.5, 0 <y <0.5, x + y <0.5), and M The element is one or more elements selected from the group consisting of Group 13 elements, Group 14 elements, Fe, Co, and Ni in the Periodic Table of Elements, and Group D is a group consisting of Ti, V, Y, Zr, Mo, and Pd by using the lithium-copper mixed oxide is one or more elements selected from the positive electrode active material, Li 2 CuO 2 during structural changes and the charge and discharge of the CuO during charging of Li 2 CuO 2 and LiCuO 2 It is possible to provide a lithium secondary battery that can suppress the structural change between them, is inexpensive, has a large discharge capacity, and has a small decrease in charge / discharge capacity due to repeated charge / discharge.
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明のリチウム二次電池は、正極、負極、非水電解質を有するリチウム二次電池であって、該正極を構成する正極活物質が一般式Li2 (Cu1-x-y Mx Dy )O2 で表されるリチウム銅複合酸化物からなることを特徴とする。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The lithium secondary battery of the present invention is a lithium secondary battery having a positive electrode, a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte, and the positive electrode active material constituting the positive electrode is represented by the general formula Li 2 (Cu 1-xy M x D y ) O. It consists of lithium copper complex oxide represented by 2 .
〔正極活物質〕
本発明に係る正極活物質は、斜方晶系Li2 CuO2 型構造を有するLi2 (Cu1-x-y Mx Dy )O2 で表わされるリチウム銅複合酸化物である。
[Positive electrode active material]
The positive electrode active material according to the present invention is a lithium copper composite oxide represented by Li 2 (Cu 1 -xy M x D y ) O 2 having an orthorhombic Li 2 CuO 2 type structure.
前記正極活物質は斜方晶系Li2 CuO2 型構造を有し、また空間群Immに属する構造を有することが好ましい。
置換元素MはCuO4 直鎖状ユニット内の酸素と近接原子間の結合力を強くすることができる元素であり、元素周期律表の13族元素、14族元素、Fe,Co,Niから成る群から選択される1種類以上の元素、より好ましくはAl,Siから成る群から選択される1種類以上の元素である。
The positive electrode active material preferably has an orthorhombic Li 2 CuO 2 type structure and a structure belonging to the space group Imm.
The substitution element M is an element that can strengthen the bonding force between oxygen and adjacent atoms in the CuO 4 linear unit, and is composed of a group 13 element, a group 14 element, Fe, Co, and Ni in the periodic table of elements. One or more elements selected from the group, more preferably one or more elements selected from the group consisting of Al and Si.
置換元素Dは、CuO4 直鎖状ユニット間の結合力を強くすることができる元素であり、Ti,V,Y,Zr,Mo,Pdから成る群から選択される1種類以上の元素である。 The substitution element D is an element that can strengthen the bonding force between the CuO 4 linear units, and is one or more elements selected from the group consisting of Ti, V, Y, Zr, Mo, and Pd. .
xとyの範囲は、0<x<0.5,0<y<0.5で2種類の置換元素M、Dが必ず含まれる。これは、元素Mのみを置換した場合にはCuO4 直鎖状ユニット内の酸素と近接原子間の結合力を強くすることができるが、CuO4 直鎖状ユニット間の結合力が弱く、充放電時におけるCuO4 直鎖状ユニット間の配列変化を十分に抑制することができないためであり、元素Dのみを置換した場合には、CuO4 直鎖状ユニット間の結合力を強くすることはできるが、CuO4 直鎖状ユニット内の酸素と近接原子間の結合力が弱くなり、充電時に酸素の脱離が著しく生じてCuOに構造が変化してしまうためである。つまり、2種類の置換元素M,Dを適度に置換することで、充放電時におけるCuO4 直鎖状ユニット間の配列変化と酸素の脱離の両方を抑制することができ、放電容量が高く充放電を繰り返しても容量の低下が小さい正極活物質を得ることができる。さらに、xとyの間にはx≧yの関係があることがより好ましい。これは、置換元素Dが置換元素Mより多いと、CuO4 直鎖状ユニット内の酸素と近接原子間の結合力が弱くなることがあるためである。 The range of x and y is 0 <x <0.5 and 0 <y <0.5, and two kinds of substitution elements M and D are necessarily included. This is the case of substituting only element M capable of strongly bonding force between oxygen and the proximity atom in CuO 4 linear unit, weak binding force between CuO 4 linear unit, charge This is because the change in arrangement between the CuO 4 linear units at the time of discharge cannot be sufficiently suppressed. When only the element D is substituted, it is possible to strengthen the binding force between the CuO 4 linear units. However, this is because the bonding force between oxygen and neighboring atoms in the CuO 4 linear unit becomes weak, and desorption of oxygen occurs remarkably during charging, and the structure changes to CuO. That is, by appropriately substituting the two types of substitution elements M and D, both the change in arrangement between the CuO 4 linear units and the desorption of oxygen during charging and discharging can be suppressed, and the discharge capacity is high. A positive electrode active material with a small decrease in capacity can be obtained even when charging and discharging are repeated. Further, it is more preferable that x ≧ y has a relationship of x ≧ y. This is because if the substitution element D is larger than the substitution element M, the bonding force between oxygen and neighboring atoms in the CuO 4 linear unit may be weakened.
x+yの範囲は、x+y<0.5である。これは、x+yが0.5以上では、斜方晶系Li2 CuO2 型構造を維持できないまたは構造が不安定となり、放電容量の低下を引き起こすためである。 The range of x + y is x + y <0.5. This is because when x + y is 0.5 or more, the orthorhombic Li 2 CuO 2 type structure cannot be maintained or the structure becomes unstable, causing a reduction in discharge capacity.
(正極活物質の作製方法)
正極活物質の作製方法の一例としては、リチウム化合物、銅化合物、置換元素化合物の各原料を所定の組成に秤量後、所定の混合方法にて混合し、温度400〜1000℃の温度範囲、焼成時間72時間以内で加熱焼成することにより、所望の正極活物質を得る。
(Method for producing positive electrode active material)
As an example of a method for producing a positive electrode active material, each raw material of a lithium compound, a copper compound, and a substitution element compound is weighed to a predetermined composition and then mixed by a predetermined mixing method, and a temperature range of 400 to 1000 ° C. is fired. A desired positive electrode active material is obtained by heating and baking within 72 hours.
(リチウム及び銅の原料)
リチウム及び銅の原料としては、前記元素の金属と金属の塩と酸化物、水酸化物、窒化物、硫化物、ハロゲン化物、有機金属化合物などを用いるがこれらに限定されるものではない。
(Lithium and copper raw materials)
Examples of the raw materials for lithium and copper include, but are not limited to, metal and metal salts and oxides, hydroxides, nitrides, sulfides, halides, and organometallic compounds of the above elements.
(リチウム及び銅の塩)
リチウム及び銅の塩の代表例としては、炭酸塩,硝酸塩,硫酸塩,スルファミン酸塩,酢酸塩,シュウ酸塩,クエン酸塩,酒石酸塩,ギ酸塩,アンモニウム塩などが使用できるがこれらに限定されるものではない。
(Lithium and copper salts)
Representative examples of lithium and copper salts include carbonates, nitrates, sulfates, sulfamates, acetates, oxalates, citrates, tartrates, formates, ammonium salts, etc. Is not to be done.
(M,D置換元素の原料)
遷移金属の原料(Ti,V,Fe,Co,Ni,Y,Zr,Mo,Pd)としては、前記遷移金属元素の金属と遷移金属の塩、酸化物、水酸化物、窒化物、硫化物、ハロゲン化物、有機遷移金属化合物などを用いるがこれらに限定されるものではない。Al,Siの原料には、アルミニウム、シリコン金属とアルミニウム、ケイ素の塩、酸化物、水酸化物、窒化物、硫化物、ハロゲン化物、有機金属化合物などを用いるがこれらに限定されるものではない。
(Raw material for M and D substitution elements)
As the transition metal raw materials (Ti, V, Fe, Co, Ni, Y, Zr, Mo, Pd), the transition metal element metal and transition metal salts, oxides, hydroxides, nitrides, sulfides , Halides, organic transition metal compounds, and the like are used, but not limited thereto. Aluminum, silicon metal and aluminum, silicon salts, oxides, hydroxides, nitrides, sulfides, halides, organometallic compounds, etc. are used as raw materials for Al and Si, but are not limited thereto. .
(M,D元素の塩)
M,D元素の塩の代表例としては、炭酸塩,硝酸塩,硫酸塩,スルファミン酸塩,酢酸塩,シュウ酸塩,クエン酸塩,酒石酸塩,ギ酸塩,アンモニウム塩などが使用できるがこれらに限定されるものではない。
(M and D element salts)
Typical examples of M and D element salts include carbonate, nitrate, sulfate, sulfamate, acetate, oxalate, citrate, tartrate, formate, and ammonium salt. It is not limited.
(原料の混合方法)
原料の混合方法としては、粉体状の原料を所望の組成に秤量後、そのまま乾式にて混合する方法、粉体状の原料を所望の組成に秤量後、水溶液あるいは有機溶媒中に原料を溶解あるいは分散後、水分または有機溶媒を飛散させ、乾燥した均一な混合物を得る方法、粉体状の原料を所望の組成に秤量後、酸性溶液に原料を溶解後、アルカリ溶液を滴下し、均一な沈殿物を得る方法等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
(Method of mixing raw materials)
The raw material mixing method is a method in which a powdery raw material is weighed to a desired composition and then mixed in a dry manner, and after a powdery raw material is weighed to a desired composition, the raw material is dissolved in an aqueous solution or an organic solvent. Alternatively, after dispersion, water or an organic solvent is dispersed to obtain a dried and uniform mixture. After the powdery raw material is weighed to a desired composition, the raw material is dissolved in an acidic solution, and then an alkaline solution is dropped. Although the method of obtaining a deposit, etc. are mentioned, it is not limited to these.
(乾式による混合方法)
乾式による混合方法としては、ボールミル等による機械的混合方法が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
(Dry mixing method)
Examples of the dry mixing method include, but are not limited to, a mechanical mixing method using a ball mill or the like.
(湿式による混合方法)
湿式による混合方法の具体的な方法して、粉体状の原料を所望の組成に秤量後、クエン酸を所定の濃度で溶解させた水溶液中に原料を溶解あるいは分散後、スプレードライヤーを用いて水分を飛散させ、乾燥した均一な前駆体を得る方法、より好ましくは、原料およびクエン酸を溶解させた水溶液の水分をスプレードライヤーにて飛散させる際に、400℃以上1000℃以下の高い温度で瞬間的に熱を加えることにより直接的に目的物を得る方法が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
(Wet mixing method)
Using a wet mixing method, weigh the powdery raw material to the desired composition, dissolve or disperse the raw material in an aqueous solution in which citric acid is dissolved at a predetermined concentration, and then use a spray dryer. A method for obtaining a uniform dried precursor by dispersing moisture, more preferably, when the moisture of an aqueous solution in which raw materials and citric acid are dissolved is splashed with a spray dryer, at a high temperature of 400 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower. Although the method of obtaining a target object directly by applying heat instantaneously is mentioned, it is not limited to these.
〔電極構造体の作製法〕
(電極構造体)
図6は、本発明における正極活物質粉末から成る電極構造体602の一実施様態の断面を模式的に示す概念図である。図6(a)は集電体600上に、正極活物質粉末603からなる電極材料層601が設けられた電極構造体602である。図6(b)では、電極構造体602には、正極活物質粉末603と導電補助材604と結着剤605から構成されている電極材料層601が設けられている。なお、同図では、集電体600の片面のみに電極材料層601が設けられているが、電池の形態によっては集電体600の両面に設けることができる。
[Production method of electrode structure]
(Electrode structure)
FIG. 6 is a conceptual diagram schematically showing a cross section of one embodiment of the
(電極構造体602の作製)
本発明における正極活物質粉末603に、結着剤605、導電補助材604を混合して、集電体600とともに形成して作製する。詳しくは、正極活物質粉末603に、結着剤605、導電補助材604を混合し、適宜、溶媒を添加して粘度を調節して、ペーストを集電体600上に塗布し、乾燥して電極構造体602を形成する。必要に応じてロールプレス等で厚みを調整して形成させる方法が挙げられるが、これらに限定されるものではない。上記形成工程は、水分を十分除去した乾燥空気中で行うのが好ましく、さらには不活性ガス雰囲気下で行うのがより好ましい。さらに、電極構造体602を形成した後、マイクロ波加熱によって脱水し真空乾燥機で脱水するのも良い。結着剤の正極活物質に対する混合比率は、0.1以下が好ましい。
(Preparation of electrode structure 602)
The positive electrode active material powder 603 according to the present invention is mixed with the binder 605 and the conductive auxiliary material 604 and formed together with the
(導電補助材604)
導電補助材の役割は、前記正極活物質の電子伝導性が小さいため、電子導電を補助し、集電を容易にすることである。導電体粉としては、アセチレンブラック,ケッチェンブラック,グラファイト粉などの各種炭素材、ニッケル,チタン,銅,ステンレススチール,などの金属材料が使用できる。導電体粉の正極活物質に対する混合重量比率は1以下が好ましい。
(Conductive auxiliary material 604)
The role of the conductive auxiliary material is to assist electronic conduction and facilitate current collection because the positive electrode active material has low electronic conductivity. As the conductor powder, various carbon materials such as acetylene black, ketjen black and graphite powder, and metal materials such as nickel, titanium, copper and stainless steel can be used. The mixing weight ratio of the conductor powder to the positive electrode active material is preferably 1 or less.
(結着剤605)
結着剤は、正極活物質粉同士を接着し、充放電サイクルにおいてクラックが生じて集電体から脱落するのを防ぐ役割を有している。結着剤の材料としては、有機溶媒に安定な、フッ素樹脂,ポリフッ化ビリニデン,スチレン−ブタジエンラバー,ポリエチレン,ポリプロピレン,シリコン樹脂,ポリビニルアルコールから選択される一種類以上の樹脂を使用することができる。
(Binder 605)
The binder has a role of adhering the positive electrode active material powders and preventing a crack from being generated in the charge / discharge cycle and falling off from the current collector. As the binder material, one or more kinds of resins selected from fluororesins, polyvinylidene fluoride, styrene-butadiene rubber, polyethylene, polypropylene, silicone resins, and polyvinyl alcohol, which are stable in organic solvents, can be used. .
(正極集電体600)
正極集電体としては、電池反応に不活性なもので、繊維状,多孔状あるいはメッシュ状のアルミニウム,チタン,ニッケル,ステンレス,白金などを使用する。
(Positive electrode current collector 600)
The positive electrode current collector is inactive to the battery reaction, and fiber, porous or mesh-like aluminum, titanium, nickel, stainless steel, platinum, or the like is used.
〔二次電池の構成〕
図7は、本発明の二次電池(リチウム二次電池)の一実施態様の断面を模式的に示す概念図であり、本発明の電極構造体である正極703と負極701がイオン伝導体(電解質)702を介して対向し電池ハウジング(ケース)706内に収容され、負極701、正極703は、それぞれ負極端子704、正極端子705に接続されている。
[Configuration of secondary battery]
FIG. 7 is a conceptual diagram schematically showing a cross section of one embodiment of the secondary battery (lithium secondary battery) of the present invention. The positive electrode 703 and the negative electrode 701 which are the electrode structures of the present invention are ion conductors ( Electrolyte) 702 faces each other and is accommodated in a battery housing (case) 706, and the negative electrode 701 and the positive electrode 703 are connected to the negative electrode terminal 704 and the positive electrode terminal 705, respectively.
(正極703)
前述した本発明のリチウム二次電池の正極703は、前述した本発明の電極構造体602を使用する。
(Positive electrode 703)
The above-described
(負極701)
前述した本発明の電極構造体を正極に用いたリチウム二次電池の対極となる負極701は、少なくともリチウムイオンのホスト材となる負極材料からなり、好ましくはリチウムイオンのホスト材となる負極材料から形成された層と集電体からなる。さらに該負極材料から形成された層は、リチウムイオンのホスト材となる負極材料と結着剤、場合によってはこれらに導電補助材を加えた材料からなるのが好ましい。
(Negative electrode 701)
The negative electrode 701 serving as a counter electrode of a lithium secondary battery using the above-described electrode structure of the present invention as a positive electrode is composed of at least a negative electrode material serving as a lithium ion host material, and preferably from a negative electrode material serving as a lithium ion host material. It consists of a formed layer and a current collector. Further, the layer formed from the negative electrode material is preferably made of a negative electrode material that becomes a lithium ion host material and a binder, and in some cases, a material obtained by adding a conductive auxiliary material thereto.
(負極材料)
本発明のリチウム二次電池に用いるリチウムイオンのホスト材となる負極材料としては、黒鉛等の炭素材料,リチウムと電気化的に合金化する金属材料,リチウム金属,遷移金属酸化物、遷移金属硫化物、遷移金属窒化物、リチウム―遷移金属酸化物、リチウム―遷移金属硫化物、リチウム−遷移金属窒化物から選択される一種類以上の物質から少なくとも構成される。リチウムと電気化的に合金化する金属材料としては、シリコン,錫,リチウム,マグネシウム,アルミニウム,カリウム,ナトリウム,カルシウム,亜鉛,鉛,から選択される一種類以上の元素を含有する金属材料が好適に用いられる。また、遷移金属酸化物、遷移金属硫化物、遷移金属窒化物の遷移金属元素としては、部分的にd殻あるいはf殻を有する元素で、Sc,Y,ランタノイド,アクチノイド,Ti,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W,Wn,Tc,Re,Fe,Ru,Os,Co,Rh,Ir,Ni,Pd,Pt,Cu,Ag,Auが好適に用いられる。高いエネルギー密度の電池を得るためには、負極活物質にリチウム金属を使用するのが好ましい。
(Negative electrode material)
Examples of the negative electrode material used as a lithium ion host material for the lithium secondary battery of the present invention include carbon materials such as graphite, metal materials that are electrically alloyed with lithium, lithium metals, transition metal oxides, and transition metal sulfides. A transition metal nitride, a lithium-transition metal oxide, a lithium-transition metal sulfide, and a lithium-transition metal nitride. As a metal material that is electrically alloyed with lithium, a metal material containing one or more elements selected from silicon, tin, lithium, magnesium, aluminum, potassium, sodium, calcium, zinc, and lead is suitable. Used for. The transition metal elements of transition metal oxides, transition metal sulfides, and transition metal nitrides are elements partially having a d-shell or f-shell, such as Sc, Y, lanthanoids, actinoids, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Wn, Tc, Re, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, and Au are preferably used. In order to obtain a battery having a high energy density, it is preferable to use lithium metal for the negative electrode active material.
(負極集電体)
上記負極に用いる集電体材料としては、繊維状,多孔状あるいはメッシュ状のカーボン,ステンレススチール,チタン,ニッケル,銅,白金,金などを使用する。
(Negative electrode current collector)
As the current collector material used for the negative electrode, fibrous, porous or mesh-like carbon, stainless steel, titanium, nickel, copper, platinum, gold, or the like is used.
(イオン伝導体702)
本発明のリチウム二次電池のイオン伝導体には、電解液(電解質を溶媒に溶解させて調製した電解質溶液)を保持させたセパレータ、固体電解質、電解液を高分子ゲルなどでゲル化した固形化電解質、などのリチウムイオンの伝導体が使用できる。
(Ion conductor 702)
The ionic conductor of the lithium secondary battery of the present invention includes a separator holding an electrolytic solution (an electrolytic solution prepared by dissolving an electrolyte in a solvent), a solid electrolyte, and a solid obtained by gelling the electrolytic solution with a polymer gel. Lithium ion conductors such as fluorinated electrolytes can be used.
本発明のリチウム二次電池のイオン伝導体は、導電率が高いほど好ましく、少なくも25℃での導電率は1×10-3S/cm以上あることが望ましく、5×10-3S/cm以上あることがより好ましい。 The ion conductor of the lithium secondary battery of the present invention is preferably as high as possible, and the conductivity at 25 ° C. is preferably 1 × 10 −3 S / cm or more, and preferably 5 × 10 −3 S / cm. More preferably, it is cm or more.
(電解質)
電解質は、リチウムイオン(Li+)とルイス酸イオン(BF4 -,PF6 -,AsF6 -,ClO4 -,PF6 -,CF3 SO3 -,(CF3 SO2 )3 C- ,(CF3 SO2 )2 N- ,B(C6 H5 )4 -,C4 F9 SO3 -)から成る塩、およびこれらの混合塩を用いる。上記支持電解質のほかには、ナトリウムイオン,カリウムイオン,テトラアルキルアンモニウムイオン,などの陽イオンとルイス酸イオンとの塩も使用できる。上記塩は、減圧下で加熱したりして、十分な脱水と脱酸素を行っておくことが望ましい。電解液の漏洩を防止するために、ゲル化することが好ましい。ゲル化剤としては電解液の溶媒を吸収して膨潤するようなポリマーを用いるのが望ましく、ポリエチレンオキサイドやポリビニルアルコール、ポリアクリルニトリル,ポリフッ化ビニリデンなどのポリマーが用いられる。
(Electrolytes)
The electrolytes include lithium ions (Li +) and Lewis acid ions (BF 4 − , PF 6 − , AsF 6 − , ClO 4 − , PF 6 − , CF 3 SO 3 − , (CF 3 SO 2 ) 3 C − , ( CF 3 SO 2 ) 2 N − , B (C 6 H 5 ) 4 − , C 4 F 9 SO 3 − ), and mixed salts thereof are used. In addition to the supporting electrolyte, a salt of a cation such as sodium ion, potassium ion, tetraalkylammonium ion and Lewis acid ion can be used. It is desirable that the salt be sufficiently dehydrated and deoxygenated by heating under reduced pressure. In order to prevent leakage of the electrolytic solution, gelation is preferable. As the gelling agent, it is desirable to use a polymer that swells by absorbing the solvent of the electrolytic solution, and polymers such as polyethylene oxide, polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile, and polyvinylidene fluoride are used.
(電解質の溶媒)
上記電解質の溶媒としては、アセトニトリル:CH3 CN,ベンゾニトリル:C6 H5 CN,プロピレンカーボネイト:PC,エチレンカーボネート:EC,ジメチルホルムアミド:DMF,テトラヒドロフラン:THF,
ニトロベンゼン:C6 H5 NO2 ,ジクロロエタン,ジエトキシエタン,クロロベンゼン,γ−ブチロラクトン,ジオキソラン,スルホラン,ニトロメタン,ジメチルサルファイド,ジメチルサルオキシド,ジメトキシエタン,ギ酸メチル,3−メチル−2−オキダゾリジノン,2−メチルテトラヒドロフラン,二酸化イオウ、塩化ホスリル,塩化チオニル,塩化スルフリル,など、およびこられの混合液が使用できる。
(Electrolyte solvent)
Solvents for the electrolyte include acetonitrile: CH 3 CN, benzonitrile: C 6 H 5 CN, propylene carbonate: PC, ethylene carbonate: EC, dimethylformamide: DMF, tetrahydrofuran: THF,
Nitrobenzene: C 6 H 5 NO 2 , dichloroethane, diethoxyethane, chlorobenzene, γ-butyrolactone, dioxolane, sulfolane, nitromethane, dimethyl sulfide, dimethylsulfoxide, dimethoxyethane, methyl formate, 3-methyl-2-oxazolidinone, 2- Methyltetrahydrofuran, sulfur dioxide, phosphoryl chloride, thionyl chloride, sulfuryl chloride, and the like, and mixtures thereof can be used.
上記溶媒は、活性アルミナ,モレキュラーシーブ,五酸化リン,塩化カルシウムなどで脱水するか、溶媒によっては、不活性ガス中でアルカリ金属共存下で蒸留して不純物除去と脱水をも行うのがよい。 The solvent may be dehydrated with activated alumina, molecular sieve, phosphorus pentoxide, calcium chloride or the like, or depending on the solvent, it may be distilled in an inert gas in the presence of an alkali metal to remove impurities and dehydrate.
電解液の漏洩を防止するために、固体電解質もしくは固形化電解質を使用することが好ましい。固体電解質としては、リチウム元素とケイ素元素と酸素元素とリン元素もしくはイオウ元素からなる酸化物などのガラス,エーテル構造を有する有機高分子の高分子錯体、などが挙げられる。固形化電解質としては、前記電解液をゲル化剤でゲル化して固形化したものが好ましい。ゲル化剤としては、電解液の溶媒を吸収して膨潤するようなポリマーを用いるのが望ましい。このようなポリマーとしては、ポリエチレンオキサイド、ポリビニルアルコール、ポリアクリルアミド、各種ビニルモノマーのポリマーなどが用いられる。 In order to prevent leakage of the electrolytic solution, it is preferable to use a solid electrolyte or a solidified electrolyte. Examples of the solid electrolyte include glass such as an oxide made of lithium element, silicon element, oxygen element, phosphorus element or sulfur element, and a polymer complex of an organic polymer having an ether structure. As the solidified electrolyte, a solution obtained by gelling the electrolytic solution with a gelling agent and solidifying it is preferable. As the gelling agent, it is desirable to use a polymer that swells by absorbing the solvent of the electrolytic solution. As such a polymer, polyethylene oxide, polyvinyl alcohol, polyacrylamide, polymers of various vinyl monomers, and the like are used.
(セパレータ)
前記セパレータは、二次電池内で負極701と正極703の短絡を防ぐ役割がある。また、電解液を保持する役割を有する場合もある。
(Separator)
The separator has a role of preventing a short circuit between the negative electrode 701 and the positive electrode 703 in the secondary battery. Moreover, it may have a role of holding the electrolytic solution.
セパレータとしては、リチウムイオンが移動できる細孔を有し、かつ、電解液に不溶で安定である必要があるため、ガラス,ポリプロピレン,ポリエチレンなどのポリオレフィン、フッ素樹脂などの不織布あるいはミクロポア構造の材料のものが好適である。また、微細孔を有する金属酸化物フィルム、または、金属酸化物を複合化した樹脂フィルムも使用できる。 The separator must have pores through which lithium ions can move and must be insoluble and stable in the electrolyte solution. Therefore, the separator is made of a non-woven fabric such as glass, polypropylene, polyethylene, or a non-woven material such as a fluororesin, or a micropore structure. Those are preferred. Moreover, the metal oxide film which has a micropore, or the resin film which compounded the metal oxide can also be used.
〔電池の形状と構造〕
本発明の二次電池の具体的な形状としては、例えば、扁平形、円筒形、直方体形、シート形などがある。また、電池の構造して、例えば、単層式、多層式、スパイラル式などがある。その中でも、スパイラル式円筒形の電池は、正極と負極の間にセパレータを挟んで巻くことによって、電極面積を大きくすることができ、充放電時に大電流を流すことができるという特徴を有する。また、直方体形やシート形の電池は、複数の電池を収納して構成する機器の収納スペースを有効に利用することができる特徴を有する。
[Battery shape and structure]
Specific examples of the secondary battery of the present invention include a flat shape, a cylindrical shape, a rectangular parallelepiped shape, and a sheet shape. In addition, examples of the battery structure include a single layer type, a multilayer type, and a spiral type. Among them, the spiral cylindrical battery is characterized in that the electrode area can be increased by winding a separator between the positive electrode and the negative electrode, and a large current can be passed during charging and discharging. Moreover, a rectangular parallelepiped type or sheet type battery has a feature that a storage space of a device configured by storing a plurality of batteries can be used effectively.
以下では、図8、図9において、801と903は負極、803と906は正極、804と908は負極端子(負極キャップまたは負極缶)、805と909は正極端子(正極缶または正極キャップ)、802と907はイオン伝導体、806と910はガスケット、901は負極集電体、907は正極集電体、911は絶縁板、912は負極リード、913は正極リード、914は安全弁である。 8 and 9, 801 and 903 are negative electrodes, 803 and 906 are positive electrodes, 804 and 908 are negative terminals (negative electrode cap or negative electrode can), 805 and 909 are positive terminals (positive electrode can or positive electrode cap), Reference numerals 802 and 907 are ion conductors, 806 and 910 are gaskets, 901 is a negative electrode current collector, 907 is a positive electrode current collector, 911 is an insulating plate, 912 is a negative electrode lead, 913 is a positive electrode lead, and 914 is a safety valve.
(扁平形)
図8に示す単層式偏平型(コイン型)の二次電池では、正極材料層を含む正極803と負極材料層を備えた負極801が例えば少なくとも電解液を保持したセパレータで形成されたイオン伝導体802を介して積層されており、この積層体が正極端子としての正極缶805内に正極側から収容され、負極側が負極端子としての負極キャップ804より被覆されている。そして正極缶内の他の部分にはガスケット806が配置されている。
(Flat)
In the single-layer flat type (coin-type) secondary battery shown in FIG. 8, a positive electrode 803 including a positive electrode material layer and a
(スパイラル式円筒形)
図9に示すスパイラル式円筒型の二次電池では、正極集電体904上に形成された正極(材料)層905を有する正極906と、負極集電体901上に形成された負極(材料)層902を有した負極903が、例えば少なくとも電解液を保持したセパレータで形成されたイオン伝導体907を介して対向し、多重に巻回された円筒状構造の積層体を形成している。当該円筒状構造の積層体が、負極端子としての負極缶908内に収容されている。また、当該負極缶908の開口部側には正極端子としての正極キャップ909が設けられており、負極缶内の他の部分においてガスケット910が配置されている。円筒状構造の電極の積層体は絶縁板911を介して正極キャップ側と隔てられている。正極906については正極リード913を介して正極キャップ909に接続されている。また負極903については負極リード912を介して負極缶908と接続されている。正極キャップ側には電池内部の内圧を調整するための安全弁914が設けられている。
前述したように正極803の活物質層、正極906の活物質層905に、前述した本発明の正極材料粉末からなる層を用いている。
(Spiral cylindrical)
In the spiral cylindrical secondary battery shown in FIG. 9, a positive electrode 906 having a positive electrode (material) layer 905 formed on the positive electrode current collector 904 and a negative electrode (material) formed on the negative electrode current collector 901. A negative electrode 903 having a layer 902 is opposed to, for example, an ionic conductor 907 formed of a separator holding at least an electrolytic solution, and forms a multilayer structure having a cylindrical structure wound in multiple layers. The laminated body having the cylindrical structure is accommodated in a negative electrode can 908 serving as a negative electrode terminal. Further, a positive electrode cap 909 as a positive electrode terminal is provided on the opening side of the negative electrode can 908, and a gasket 910 is disposed in another part of the negative electrode can. The electrode stack having a cylindrical structure is separated from the positive electrode cap side by an insulating plate 911. The positive electrode 906 is connected to the positive electrode cap 909 via the positive electrode lead 913. The negative electrode 903 is connected to the negative electrode can 908 via the negative electrode lead 912. A safety valve 914 for adjusting the internal pressure inside the battery is provided on the positive electrode cap side.
As described above, the layer made of the above-described positive electrode material powder of the present invention is used for the active material layer of the positive electrode 803 and the active material layer 905 of the positive electrode 906.
(電池の組立)
以下では、図8、図9に示した電池の組立方法の一例を説明する。
(1)負極(801、903)と成形した正極(803、906)の間に、セパレータ(801、907)を挟んで、正極缶(805)または負極缶(908)に組み込む。
(2)電解液を注入した後、負極キャップ(804)または正極キャップ(909)とガスケット(806、910)を組み立てる。
(3)上記(2)をかしめることによって、電池は完成する。
(Battery assembly)
Below, an example of the assembly method of the battery shown in FIG. 8, FIG. 9 is demonstrated.
(1) The separator (801, 907) is sandwiched between the negative electrode (801, 903) and the formed positive electrode (803, 906), and is assembled into the positive electrode can (805) or the negative electrode can (908).
(2) After injecting the electrolytic solution, the negative electrode cap (804) or the positive electrode cap (909) and the gasket (806, 910) are assembled.
(3) The battery is completed by caulking (2) above.
なお、上述したリチウム電池の材料調製、および電池の組立は、水分が十分除去された乾燥空気中、または乾燥不活性ガス中で行うのが望ましい。
上述のような二次電池を構成する部材について説明する。
It is desirable that the above-described lithium battery material preparation and battery assembly be performed in dry air from which moisture has been sufficiently removed or in a dry inert gas.
The member which comprises the above secondary batteries is demonstrated.
(ガスケット)
ガスケット(806,910)の材料としては、例えば、フッ素樹脂、ポリアミド樹脂,ポリスルフォン樹脂、各種ゴムが使用できる。電池の封口方法としては、図8と図9のようにガスケットを用いた「かしめ」以外にも、ガラス封管,接着剤,溶接,半田付けなどの方法が用いられる。また、図9の絶縁板(911)の材料としては、各種有機樹脂材料やセラミックスが用いられる。
(gasket)
As a material for the gasket (806, 910), for example, fluororesin, polyamide resin, polysulfone resin, and various rubbers can be used. As a battery sealing method, a glass sealing tube, an adhesive, welding, soldering, or the like is used in addition to “caulking” using a gasket as shown in FIGS. Further, as the material of the insulating plate (911) in FIG. 9, various organic resin materials and ceramics are used.
(外缶)
電池の外缶として、電池の正極缶または負極缶(805、908)、及び負極キャップまたは正極キャップ(804、909)から構成される。外缶の材料としては、ステンレススチールやアルミニウム合金が好適に用いられる。特に、チタンクラッドステンレス板や銅クラッドステンレス板、ニッケルメッキ鋼板などが多用される。
(Outside can)
As an outer can of the battery, a positive electrode can or negative electrode can (805, 908) and a negative electrode cap or positive electrode cap (804, 909) are formed. As the material of the outer can, stainless steel or aluminum alloy is preferably used. In particular, a titanium clad stainless plate, a copper clad stainless plate, a nickel plated steel plate, etc. are frequently used.
図8では、正極缶(805)が図9では負極缶(908)が電池ハウジング(ケース)と端子を兼ねているため、上記のステンレススチールが好ましい。ただし、正極缶または負極缶が電池ハウジングと端子を兼用していない場合には、電池ケースの材質は、ステンレススチール以外にも亜鉛などの金属、ポリプロピレンなどのプラスチック、または、金属もしくはガラス繊維とプラスチックの複合材を用いることができる。 In FIG. 8, since the positive electrode can (805) is used in FIG. 9 and the negative electrode can (908) is also used as a battery housing (case) and a terminal, the above stainless steel is preferable. However, when the positive electrode can or negative electrode can does not serve as the battery housing and terminal, the battery case is made of metal such as zinc, plastic such as polypropylene, or metal or glass fiber and plastic in addition to stainless steel. The composite material can be used.
(安全弁)
リチウム二次電池には、電池の内圧が高まったときの安全対策として、安全弁が備えられている。安全弁としては、例えば、ゴム、スプリング、金属ボール、破裂箔などが使用できる。
(safety valve)
A lithium secondary battery is provided with a safety valve as a safety measure when the internal pressure of the battery increases. As the safety valve, for example, rubber, a spring, a metal ball, a rupture foil, or the like can be used.
以下、実施例を示し本発明をさらに具体的に説明する。
実施例1
(Li2 Cu0.8 Al0.1 Zr0.1 O2 の作製)
Li、Cu、Al、Zrの原子比が2:0.8:0.1:0.1になるように、水酸化リチウム、酸化銅、硝酸アルミニウム、硝酸ジルコニウムを秤量後、ボールミルにて十分混合し、750℃、12時間、酸素雰囲気中(10L/min)で焼成することにより、一般式Li2 (Cu1-x-y Mx Dy )O2 において、MがAl、DがZr、x=y=0.1の正極活物質を得た。
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples.
Example 1
(Production of Li 2 Cu 0.8 Al 0.1 Zr 0.1 O 2 )
Lithium hydroxide, copper oxide, aluminum nitrate and zirconium nitrate are weighed and mixed well in a ball mill so that the atomic ratio of Li, Cu, Al, and Zr is 2: 0.8: 0.1: 0.1 And calcination at 750 ° C. for 12 hours in an oxygen atmosphere (10 L / min), so that in general formula Li 2 (Cu 1-xy M x D y ) O 2 , M is Al, D is Zr, x = A positive electrode active material with y = 0.1 was obtained.
(XRD分析)
作製した正極活物質の粉末X線回折のピークから、斜方晶系Li2 CuO2 型構造を有する単一の結晶構造であることを確認した。
(XRD analysis)
From the powder X-ray diffraction peak of the produced positive electrode active material, it was confirmed that it was a single crystal structure having an orthorhombic Li 2 CuO 2 type structure.
(電池の作製)
(正極703)
この正極活物質を以下のようにしてコイン型リチウム二次電池を作製した。正極活物質と導電補助材としての黒鉛粉末と結着材としてのポリフッ化ビリニデン粉末を重量比70:25:5で混合し、n−メチル−2−ピロリドンを加え十分混練してスラリーを調製した。このスラリーを正極集電体である厚さ30μmのアルミニウム箔の片面に均一に塗布、乾燥後ロールプレス機にて加圧成型しシート状の電極をえた。この電極を直径5mmの円盤状に打ち抜くことにより、正極活物質層を形成し、真空乾燥機中で、温度80℃で3時間乾燥して正極703を作製した。
(Production of battery)
(Positive electrode 703)
A coin-type lithium secondary battery was produced using this positive electrode active material as follows. A positive electrode active material, graphite powder as a conductive auxiliary material and poly (vinylidene fluoride) powder as a binder were mixed at a weight ratio of 70: 25: 5, and n-methyl-2-pyrrolidone was added and kneaded sufficiently to prepare a slurry. . This slurry was uniformly applied to one side of a 30 μm-thick aluminum foil as a positive electrode current collector, dried, and then pressure-molded with a roll press to obtain a sheet-like electrode. This electrode was punched into a disk shape having a diameter of 5 mm to form a positive electrode active material layer, which was dried in a vacuum dryer at a temperature of 80 ° C. for 3 hours to produce a positive electrode 703.
(負極701)
負極701としては、厚さ0.5mmの金属リチウム箔を負極集電体である厚さ30μmの圧延銅箔上に圧着し直径5mmの円盤状に打ち抜くことにより負極701を作製した。
(Negative electrode 701)
As the negative electrode 701, a metal lithium foil having a thickness of 0.5 mm was pressed onto a rolled copper foil having a thickness of 30 μm, which is a negative electrode current collector, and punched into a disk shape having a diameter of 5 mm, thereby producing the negative electrode 701.
(イオン伝導体702)
イオン伝導体702としては、電解液(電解質を溶媒に溶解させて調製した電解質溶液)を保持させたセパレータを用いた。電解液には、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとを体積比3:7で混合した液媒を、電解質には、四フッ化ホウ酸リチウム塩を1M(mol/l)を使用した。セパレータは、ポリプロピレン不織布でポリプロピレンの微孔セパレータをサンドイッチしたものを用いた。
(Ion conductor 702)
As the ion conductor 702, a separator holding an electrolytic solution (an electrolyte solution prepared by dissolving an electrolyte in a solvent) was used. A liquid medium in which ethylene carbonate and diethyl carbonate were mixed at a volume ratio of 3: 7 was used as the electrolytic solution, and 1 M (mol / l) of lithium tetrafluoroborate was used as the electrolyte. The separator used was a polypropylene nonwoven fabric sandwiched with polypropylene microporous separators.
(電池組立)
電池組立は、負極701と正極703の間にイオン伝導体702をはさみ、チタンクラッドのステンレス材の正極缶805に挿入して、電解液を注入した後、チタンクラッドのステンレス材の負極キャップ804とフッ素ゴムのガスケット806で密閉して、リチウム二次電池を作製した。
(Battery assembly)
In battery assembly, an ion conductor 702 is sandwiched between a negative electrode 701 and a positive electrode 703, inserted into a titanium clad stainless steel positive electrode can 805, injected with an electrolyte, and then a titanium clad stainless steel negative electrode cap 804 and A lithium secondary battery was produced by sealing with a fluoro rubber gasket 806.
(電池評価)
電池評価は、電流密度0.2mA/cm2 で電圧1.5−4.0Vの範囲で充放電を行った。放電容量の評価は、充放電反応が比較的安定した5サイクル目の値を採用し、充放電を繰り返した場合の容量の低下を15サイクル目の容量維持率[容量維持率(%)={15サイクル目の放電容量/5サイクル目の放電容量}×100]で評価した。
(Battery evaluation)
Battery evaluation performed charging / discharging in the range of voltage 1.5-4.0V by current density 0.2mA / cm < 2 >. For the evaluation of the discharge capacity, the value of the fifth cycle in which the charge / discharge reaction was relatively stable was adopted, and the decrease in capacity when the charge / discharge was repeated was determined as the capacity maintenance ratio of the 15th cycle [capacity maintenance ratio (%) = { 15th cycle discharge capacity / 5th cycle discharge capacity} × 100].
実施例2
(Li2 Cu0.7 Al0.1 Zr0.2 O2 の作製)
Li、Cu、Al、Zrの原子比が2:0.7:0.1:0.2になるように、水酸化リチウム、酸化銅、硝酸アルミニウム、硝酸ジルコニウムを秤量後、ボールミルにて十分混合し、750℃、12時間、酸素雰囲気中(10L/min)で焼成することにより、一般式Li2 (Cu1-x-y Mx Dy )O2 において、MがAl、DがZr、x=0.1、y=0.2の正極活物質を得た。その後、電池作製、充放電試験は実施例1と同じである。
Example 2
(Production of Li 2 Cu 0.7 Al 0.1 Zr 0.2 O 2 )
Lithium hydroxide, copper oxide, aluminum nitrate and zirconium nitrate are weighed and mixed well in a ball mill so that the atomic ratio of Li, Cu, Al, and Zr is 2: 0.7: 0.1: 0.2 And calcination at 750 ° C. for 12 hours in an oxygen atmosphere (10 L / min), so that in general formula Li 2 (Cu 1-xy M x D y ) O 2 , M is Al, D is Zr, x = A positive electrode active material of 0.1, y = 0.2 was obtained. Thereafter, the battery fabrication and charge / discharge test are the same as in Example 1.
実施例3
(Li2 Cu0.7 Al0.2 Zr0.1 O2 の作製)
Li、Cu、Al、Zrの原子比が2:0.7:0.2:0.1になるように、水酸化リチウム、酸化銅、硝酸アルミニウム、硝酸ジルコニウムを秤量後、ボールミルにて十分混合し、750℃、12時間、酸素雰囲気中(10L/min)で焼成することにより、一般式Li2 (Cu1-x-y Mx Dy )O2 において、MがAl、DがZr、x=0.2、y=0.1の正極活物質を得た。その後、電池作製、充放電試験は実施例1と同じである。
Example 3
(Production of Li 2 Cu 0.7 Al 0.2 Zr 0.1 O 2 )
Lithium hydroxide, copper oxide, aluminum nitrate and zirconium nitrate are weighed and mixed well in a ball mill so that the atomic ratio of Li, Cu, Al, and Zr is 2: 0.7: 0.2: 0.1 And calcination at 750 ° C. for 12 hours in an oxygen atmosphere (10 L / min), so that in general formula Li 2 (Cu 1-xy M x D y ) O 2 , M is Al, D is Zr, x = A positive electrode active material of 0.2 and y = 0.1 was obtained. Thereafter, the battery fabrication and charge / discharge test are the same as in Example 1.
実施例4
(Li2 Cu0.6 Al0.2 Zr0.2 O2 の作製)
Li、Cu、Al、Zrの原子比が2:0.6:0.2:0.2になるように、水酸化リチウム、酸化銅、硝酸アルミニウム、硝酸ジルコニウムを秤量後、ボールミルにて十分混合し、750℃、12時間、酸素雰囲気中(10L/min)で焼成することにより、一般式Li2 (Cu1-x-y Mx Dy )O2 において、MがAl、DがZr、x=0.2、y=0.2の正極活物質を得た。その後、電池作製、充放電試験は実施例1と同じである。
Example 4
(Preparation of Li 2 Cu 0.6 Al 0.2 Zr 0.2 O 2 )
Lithium hydroxide, copper oxide, aluminum nitrate and zirconium nitrate are weighed and mixed well in a ball mill so that the atomic ratio of Li, Cu, Al, and Zr is 2: 0.6: 0.2: 0.2 And calcination at 750 ° C. for 12 hours in an oxygen atmosphere (10 L / min), so that in general formula Li 2 (Cu 1-xy M x D y ) O 2 , M is Al, D is Zr, x = A positive electrode active material of 0.2 and y = 0.2 was obtained. Thereafter, the battery fabrication and charge / discharge test are the same as in Example 1.
比較例1
(Li2 CuO2 の作製)
Li、Cuの原子比が2:1になるように、水酸化リチウム、酸化銅を秤量後、ボールミルにて十分混合し、750℃、12時間、酸素雰囲気中(10L/min)で焼成することによりLi2 CuO2 を合成し、正極活物質とした。その後、電池作製、充放電試験は実施例1と同じである。
Comparative Example 1
(Production of Li 2 CuO 2 )
Lithium hydroxide and copper oxide are weighed so that the atomic ratio of Li and Cu is 2: 1, and then thoroughly mixed in a ball mill and fired in an oxygen atmosphere (10 L / min) at 750 ° C. for 12 hours. Thus, Li 2 CuO 2 was synthesized to obtain a positive electrode active material. Thereafter, the battery fabrication and charge / discharge test are the same as in Example 1.
比較例2
(Li2 Cu0.9 Al0.1 O2 の作製)
Li、Cu、Alの原子比が2:0.9:0.1になるように、水酸化リチウム、酸化銅、硝酸アルミニウム、を秤量後、ボールミルにて十分混合し、750℃、12時間、酸素雰囲気中(10L/min)で焼成することにより、一般式Li2 (Cu1-x-y Mx Dy )O2 において、MがAl、Dが含まれない、x=0.1、y=0の正極活物質を得た。その後、電池作製、充放電試験は実施例1と同じである。
Comparative Example 2
(Production of Li 2 Cu 0.9 Al 0.1 O 2 )
Lithium hydroxide, copper oxide, and aluminum nitrate were weighed so that the atomic ratio of Li, Cu, and Al was 2: 0.9: 0.1, and then thoroughly mixed in a ball mill, 750 ° C., 12 hours, By firing in an oxygen atmosphere (10 L / min), in the general formula Li 2 (Cu 1-xy M x D y ) O 2 , M is Al and D is not included, x = 0.1, y = 0 positive electrode active material was obtained. Thereafter, the battery fabrication and charge / discharge test are the same as in Example 1.
比較例3
(Li2 Cu0.8 Al0.2 O2 の作製)
Li、Cu、Alの原子比が2:0.8:0.2になるように、水酸化リチウム、酸化銅、硝酸アルミニウム、を秤量後、ボールミルにて十分混合し、750℃、12時間、酸素雰囲気中(10L/min)で焼成することにより、一般式Li2 (Cu1-x-y Mx Dy )O2 において、MがAl、Dが含まれない、x=0.2、y=0の正極活物質を得た。その後、電池作製、充放電試験は実施例1と同じである。
Comparative Example 3
(Production of Li 2 Cu 0.8 Al 0.2 O 2 )
Lithium hydroxide, copper oxide, and aluminum nitrate were weighed so that the atomic ratio of Li, Cu, and Al was 2: 0.8: 0.2, and then thoroughly mixed in a ball mill, 750 ° C., 12 hours, By firing in an oxygen atmosphere (10 L / min), in the general formula Li 2 (Cu 1-xy M x D y ) O 2 , M is Al and D is not included, x = 0.2, y = 0 positive electrode active material was obtained. Thereafter, the battery fabrication and charge / discharge test are the same as in Example 1.
比較例4
(Li2 Cu0.9 Zr0.1 O2 の作製)
Li、Cu、Zrの原子比が2:0.9:0.1になるように、水酸化リチウム、酸化銅、硝酸ジルコニウムを秤量後、ボールミルにて十分混合し、750℃、12時間、酸素雰囲気中(10L/min)で焼成することにより、一般式Li2 (Cu1-x-y Mx Dy )O2 において、Mが含まれない、DがZr、x=0、y=0.1の正極活物質を得た。その後、電池作製、充放電試験は実施例1と同じである。
Comparative Example 4
(Production of Li 2 Cu 0.9 Zr 0.1 O 2 )
Lithium hydroxide, copper oxide, and zirconium nitrate were weighed so that the atomic ratio of Li, Cu, and Zr was 2: 0.9: 0.1, and then thoroughly mixed in a ball mill, and 750 ° C., 12 hours, oxygen By firing in an atmosphere (10 L / min), in the general formula Li 2 (Cu 1-xy M x D y ) O 2 , M is not contained, D is Zr, x = 0, y = 0.1 The positive electrode active material was obtained. Thereafter, the battery fabrication and charge / discharge test are the same as in Example 1.
比較例5
(Li2 Cu0.8 Zr0.2 O2 の作製)
Li、Cu、Zrの原子比が2:0.8:0.2になるように、水酸化リチウム、酸化銅、硝酸ジルコニウムを秤量後、ボールミルにて十分混合し、750℃、12時間、酸素雰囲気中(10L/min)で焼成することにより、一般式Li2 (Cu1-x-y Mx Dy )O2 において、Mが含まれない、DがZr、x=0、y=0.2の正極活物質を得た。その後、電池作製、充放電試験は実施例1と同じである。
Comparative Example 5
(Production of Li 2 Cu 0.8 Zr 0.2 O 2 )
Lithium hydroxide, copper oxide, and zirconium nitrate were weighed so that the atomic ratio of Li, Cu, and Zr was 2: 0.8: 0.2, and then thoroughly mixed in a ball mill, at 750 ° C. for 12 hours, oxygen By firing in an atmosphere (10 L / min), in the general formula Li 2 (Cu 1-xy M x D y ) O 2 , M is not contained, D is Zr, x = 0, y = 0.2 The positive electrode active material was obtained. Thereafter, the battery fabrication and charge / discharge test are the same as in Example 1.
実施例と比較例の電池試験の結果を表1にまとめた。 The results of the battery tests of the examples and comparative examples are summarized in Table 1.
表1から明らかなように、Li2 CuO2 の銅を一部AlとZrの両方で置換することで、放電容量及び容量維持率が向上することが分かる。また、Alだけを置換した場合には、放電容量は向上するが容量維持率が低下することが、Zrだけを置換した場合には、容量維持率は向上するが放電容量が低下することが分かる。 As is apparent from Table 1, the discharge capacity and capacity retention rate are improved by partially replacing the copper of Li 2 CuO 2 with both Al and Zr. In addition, it is understood that when only Al is replaced, the discharge capacity is improved, but the capacity retention ratio is decreased, and when only Zr is replaced, the capacity retention ratio is improved but the discharge capacity is decreased. .
本発明のリチウム二次電池は、一般式がLi2(Cu1-x-yMxDy)O2で表されるリチウム銅複合酸化物を正極活物質として用いることで、Li2CuO2の充電時におけるCuOへの構造変化と充放電時におけるLi2CuO2とLiCuO2間での構造変化を抑制することができ、安価で放電容量が大きく、充放電の繰り返しによる充放電容量の低下が少ないリチウム二次電池を提供することができる。本発明のリチウム二次電池は、動作電圧が従来の一次電池であるアルカリ乾電池及びマンガン乾電池等と同等であり、従来の一次電池に比べて放電時における電圧の低下が小さく安定している。また放電容量は、従来の一次電池に比べて大きく、充放電の繰り返しによる充放電容量の劣化が少ない。したがって、従来の一次電池の代替品としてデジタルカメラや携帯情報機器等に利用することができる。 The lithium secondary battery of the present invention uses a lithium copper composite oxide represented by the general formula Li 2 (Cu 1-xy M x D y ) O 2 as a positive electrode active material, thereby charging Li 2 CuO 2 . The structure change to CuO at the time and the structure change between Li 2 CuO 2 and LiCuO 2 at the time of charge / discharge can be suppressed, the discharge capacity is low, the discharge capacity is large, and the decrease in the charge / discharge capacity due to repeated charge / discharge is small A lithium secondary battery can be provided. The lithium secondary battery of the present invention has an operating voltage equivalent to that of a conventional primary battery such as an alkaline dry battery or a manganese dry battery, and is stable in that the voltage drop during discharge is smaller than that of a conventional primary battery. Further, the discharge capacity is larger than that of the conventional primary battery, and the deterioration of the charge / discharge capacity due to repeated charge / discharge is small. Therefore, it can be used for a digital camera, a portable information device, etc. as an alternative to the conventional primary battery.
600 集電体
601 電極材料層
602 電極構造層
603 正極活物質
604 導電補助材
605 結着材
701、801、903 負極
702、802、907 イオン伝導体
703、803、906 正極
704 負極端子
705 正極端子
706 電槽(ハウジング)
804 負極キャップ
805 正極缶
806、910 ガスケット
901 負極集電体
902 負極活物質層
904 正極集電体
905 正極活物質層
908 負極缶(負極端子)
909 正極キャップ(正極端子)
911 絶縁板
912 負極リード
913 正極リード
914 安全弁
600
804 Negative electrode cap 805 Positive electrode can 806, 910 Gasket 901 Negative electrode current collector 902 Negative electrode active material layer 904 Positive electrode current collector 905 Positive electrode active material layer 908 Negative electrode can (negative electrode terminal)
909 Positive Cap (Positive Terminal)
911 Insulating plate 912 Negative electrode lead 913 Positive electrode lead 914 Safety valve
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