JP2008103204A - Cathode active material and secondary battery using it - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、正極活物質及びそれを用いた二次電池に関する。さらに詳しくはコーティング材料で表面を被覆された正極活物質及びそれを用いた二次電池に関する。 The present invention relates to a positive electrode active material and a secondary battery using the same. More specifically, the present invention relates to a positive electrode active material whose surface is coated with a coating material and a secondary battery using the same.
近年、携帯情報端末、携帯電子機器、家庭用小型電力貯蔵装置、モーターを動力源とする自動二輪車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車等に用いられる高性能リチウム電池等二次電池の需要が増加している。
リチウム電池の安全性を確保する方法としては、有機溶媒電解質に代えて無機固体電解質を用いることが有効である。
In recent years, the demand for secondary batteries such as high-performance lithium batteries used in personal digital assistants, portable electronic devices, small household power storage devices, motorcycles powered by motors, electric vehicles, hybrid electric vehicles, etc. has increased. Yes.
In order to ensure the safety of the lithium battery, it is effective to use an inorganic solid electrolyte instead of the organic solvent electrolyte.
無機固体電解質は、その性質上一般に不燃で、通常使用される有機溶媒電解質と比較し安全性の高い材料である。そのため、該電解質を用いた二次電池の高性能化が望まれている。 Inorganic solid electrolytes are generally nonflammable in nature and are safer materials than commonly used organic solvent electrolytes. Therefore, it is desired to improve the performance of a secondary battery using the electrolyte.
上記二次電池の正極活物質として、リチウム遷移金属複合酸化物等が使用されている。例えば、特許文献1に用いられているコバルト酸リチウムは、電位が高く、電気導電性に優れ、しかもリチウムイオンを比較的安定して挿入離脱することができる等の長所を有する。しかしながら、さらに、二次電池のレート特性等を改善することが求められている。
本発明の目的は、レート特性に優れた二次電池を提供することである。 An object of the present invention is to provide a secondary battery having excellent rate characteristics.
本発明によれば、以下の正極活物質等が提供される。
1.酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化ホウ素、酸化ケイ素及びこれらのリチウム塩から選択される1以上のコーティング材料で表面を被覆された正極活物質。
2.前記正極活物質がコバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム及びマンガン酸リチウムから選択される1以上の金属酸リチウムである1に記載の正極活物質。
3.正極と、負極と、前記正極及び負極の間に挟持された固体電解質層を有し、前記正極が1又は2に記載の正極活物質からなる二次電池。
According to the present invention, the following positive electrode active materials and the like are provided.
1. A positive electrode active material whose surface is coated with one or more coating materials selected from aluminum oxide, zirconium oxide, titanium oxide, boron oxide, silicon oxide and lithium salts thereof.
2. 2. The positive electrode active material according to 1, wherein the positive electrode active material is one or more lithium metal oxides selected from lithium cobaltate, lithium nickelate, and lithium manganate.
3. A secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer sandwiched between the positive electrode and the negative electrode, wherein the positive electrode is made of the positive electrode active material according to 1 or 2.
本発明によれば、レート特性に優れた二次電池を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the secondary battery excellent in the rate characteristic can be provided.
本発明の正極活物質は、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化ホウ素、酸化ケイ素及びこれらのリチウム塩から選択される1以上のコーティング材料で表面が被覆された正極活物質である。
上記コーティング材料としては、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタンとそのリチウム塩を用いると好ましい。
The positive electrode active material of the present invention is a positive electrode active material whose surface is coated with one or more coating materials selected from aluminum oxide, zirconium oxide, titanium oxide, boron oxide, silicon oxide and lithium salts thereof.
As the coating material, aluminum oxide, zirconium oxide, titanium oxide and a lithium salt thereof are preferably used.
本発明の正極活物質のベースとなる正極活物質(ベース正極活物質)としては、電池分野において正極活物質として使用されているものが使用できる。例えば、硫化物系では、硫化チタン(TiS2)、硫化モリブデン(MoS2)、硫化鉄(FeS、FeS2)、硫化銅(CuS)及び硫化ニッケル(Ni3S2)等が使用できる。
また、酸化物系では、酸化ビスマス(Bi2O3)、鉛酸ビスマス(Bi2Pb2O5)、酸化銅(CuO)、酸化バナジウム(V6O13)、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(LiMnO2)等が使用できる。尚、これらを混合して用いることも可能である。
尚、上記の他にはセレン化ニオブ(NbSe3)が使用できる。
As the positive electrode active material (base positive electrode active material) serving as the base of the positive electrode active material of the present invention, those used as the positive electrode active material in the battery field can be used. For example, in the sulfide system, titanium sulfide (TiS 2 ), molybdenum sulfide (MoS 2 ), iron sulfide (FeS, FeS 2 ), copper sulfide (CuS), nickel sulfide (Ni 3 S 2 ), and the like can be used.
In the oxide system, bismuth oxide (Bi 2 O 3 ), bismuth lead acid (Bi 2 Pb 2 O 5 ), copper oxide (CuO), vanadium oxide (V 6 O 13 ), lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) Lithium nickelate (LiNiO 2 ), lithium manganate (LiMnO 2 ), and the like can be used. It is also possible to use a mixture of these.
In addition to the above, niobium selenide (NbSe 3 ) can be used.
これら正極活物質のうち、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム及びマンガン酸リチウムから選択される1以上の金属酸リチウムからなる正極活物質が好ましい。 Of these positive electrode active materials, a positive electrode active material composed of one or more lithium metal oxides selected from lithium cobaltate, lithium nickelate and lithium manganate is preferable.
本発明のコーティング材料で被覆された正極活物質(以下、被覆正極活物質という)は、例えばベース正極活物質粒子とコーティング材料粒子を予備混合し、混合物を機械的複合化することで得られる。
ベース正極活物質粒子とコーティング材料粒子の混合比(重量比)は、好ましくはベース正極活物質粒子:コーティング材料粒子=90〜99:10〜1である。また、ベース正極活物質粒子の平均粒径は好ましくは1〜100μmであり、コーティング材料粒子の平均粒径は好ましくは1〜200nmである。
尚、本発明の被覆正極活物質の製造方法は上記方法に限定されず、スプレーコーティング等を用いても製造できる。例えば、コーティング材料をエタノール等の溶媒に溶解して、噴霧、浸漬等により正極活物質に付着させてから乾燥することで被覆正極活物質は得られる。
The positive electrode active material coated with the coating material of the present invention (hereinafter referred to as a coated positive electrode active material) can be obtained, for example, by premixing base positive electrode active material particles and coating material particles and mechanically combining the mixture.
The mixing ratio (weight ratio) of the base positive electrode active material particles and the coating material particles is preferably base positive electrode active material particles: coating material particles = 90 to 99: 10-1. The average particle diameter of the base positive electrode active material particles is preferably 1 to 100 μm, and the average particle diameter of the coating material particles is preferably 1 to 200 nm.
In addition, the manufacturing method of the covering positive electrode active material of this invention is not limited to the said method, Even if it uses spray coating etc., it can manufacture. For example, the coated positive electrode active material can be obtained by dissolving the coating material in a solvent such as ethanol, adhering it to the positive electrode active material by spraying, dipping, or the like and then drying.
上記コーティング材料が被覆したベース正極活物質粒子のコーティング材料の厚みは、通常1〜200nmであり、好ましくは1〜100nmである。 The thickness of the coating material of the base positive electrode active material particles coated with the coating material is usually 1 to 200 nm, preferably 1 to 100 nm.
本発明の二次電池は、正極と、負極と、正極及び負極の間に挟持された固体電解質層を有し、正極が本発明の被覆正極活物質からなる。 The secondary battery of the present invention has a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer sandwiched between the positive electrode and the negative electrode, and the positive electrode is made of the coated positive electrode active material of the present invention.
図1は本発明に係る二次電池の一実施形態を示す概略断面図である。
二次電池1は、本発明の被覆正極活物質からなる正極10及び負極30からなる一対の電極間に固体電解質層20が挟持されている。正極10及び負極30にはそれぞれ集電体40及び42が設けられている。
FIG. 1 is a schematic sectional view showing an embodiment of a secondary battery according to the present invention.
In the secondary battery 1, the solid electrolyte layer 20 is sandwiched between a pair of electrodes composed of the positive electrode 10 and the negative electrode 30 made of the coated positive electrode active material of the present invention. Current collectors 40 and 42 are provided on the positive electrode 10 and the negative electrode 30, respectively.
正極10は、本発明の被覆正極活物質(正極材)からなる。正極がリチウム電池に使用されるとき、リチウムイオン伝導性を高めるために、正極はさらに後述するガラス又はガラスセラミック固体電解質等のリチウムイオン伝導体を含むことができる。 The positive electrode 10 is made of the coated positive electrode active material (positive electrode material) of the present invention. When the positive electrode is used in a lithium battery, the positive electrode can further include a lithium ion conductor such as glass or a glass ceramic solid electrolyte described later in order to increase lithium ion conductivity.
負極30は、負極材からなり、正極と同様、さらにリチウムイオン伝導体を含むことができる。
負極材としては、電池分野において負極活物質として使用されているものが使用できる。例えば、炭素材料、具体的には、人造黒鉛、黒鉛炭素繊維、樹脂焼成炭素、熱分解気相成長炭素、コークス、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、フルフリルアルコール樹脂焼成炭素、ポリアセン、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維、天然黒鉛及び難黒鉛化性炭素等が挙げられる。またはその混合物でもよい。好ましくは、人造黒鉛である。
また、金属リチウム、金属インジウム、金属アルミ、金属ケイ素等の金属自体や他の元素、化合物と組合わせた合金を、負極材として用いることができる。
The negative electrode 30 is made of a negative electrode material, and can further include a lithium ion conductor, like the positive electrode.
As a negative electrode material, what is used as a negative electrode active material in the battery field | area can be used. For example, carbon materials, specifically artificial graphite, graphite carbon fiber, resin-fired carbon, pyrolytic vapor-grown carbon, coke, mesocarbon microbeads (MCMB), furfuryl alcohol resin-fired carbon, polyacene, pitch-based carbon Examples thereof include fibers, vapor-grown carbon fibers, natural graphite, and non-graphitizable carbon. Or a mixture thereof. Preferably, it is artificial graphite.
Also, an alloy in combination with a metal itself such as metallic lithium, metallic indium, metallic aluminum, metallic silicon, or another element or compound can be used as the negative electrode material.
上記正極及び負極に、導電助剤として、電子が正極活物質内で円滑に移動するようにするために、電気的に導電性を有す物質を適宜添加してもよい。電気的に導電性を有する物質としては特に限定しないが、アセチレンブラック、カーボンブラック、カーボンナノチューブのような導電性物質又はポリアニリン、ポリアセチレン、ポリピロールのような導電性高分子を単独又は混合して用いることができる。 In order to smoothly move electrons in the positive electrode active material, a material having electrical conductivity may be added as appropriate to the positive electrode and the negative electrode. The electrically conductive substance is not particularly limited, but a conductive substance such as acetylene black, carbon black, or carbon nanotube or a conductive polymer such as polyaniline, polyacetylene, or polypyrrole is used alone or in combination. Can do.
正極及び負極は、上記極材(正極材又は負極材)を集電体の少なくとも一部に膜状に形成することで作製できる。製膜方法としては、固体電解質層と同様の方法を用いることができる。例えば、ブラスト法、エアロゾルデポジション法、コールドスプレー法、スパッタリング法、気相成長法又は溶射法等が挙げられる。このような方法により製膜することで、極材層の空隙率をより小さくすることができ、イオン伝導度を向上させることができる。
簡便な装置や室温条件下、電解質の結晶状態を変化させない温度範囲で製膜できることから、ブラスト法やエアロゾルデポジション法が好ましい。
The positive electrode and the negative electrode can be produced by forming the above-mentioned electrode material (positive electrode material or negative electrode material) in a film shape on at least a part of the current collector. As a film forming method, the same method as that for the solid electrolyte layer can be used. Examples thereof include a blast method, an aerosol deposition method, a cold spray method, a sputtering method, a vapor phase growth method, and a thermal spraying method. By forming a film by such a method, the porosity of the electrode material layer can be further reduced, and the ionic conductivity can be improved.
Blasting and aerosol deposition are preferred because they can be formed in a temperature range that does not change the crystal state of the electrolyte under simple equipment and room temperature conditions.
固体電解質層20は、固体電解質からなる層である。
固体電解質を構成する物質は、特に限定されず、有機化合物、無機化合物、あるいは有機・無機両化合物からなる材料を用いることができ、リチウムイオン電池分野で公知のものが使用できる。
特に、硫化物系の無機固体電解質は、イオン伝導度が他の無機化合物より高いことが知られており、特開平4−202024等に記載の無機固体電解質を使用できる。具体的には、Li2SとSiS2、GeS2、P2S5、B2S3の組合せから成る無機固体電解質に、適宜、Li3PO4やハロゲン、ハロゲン化合物を添加した無機固体電解質を用いることができる。
また、リチウムイオン伝導性が高いことから、硫化リチウムと五硫化二燐(P2S5)、又は硫化リチウムと単体燐及び単体硫黄、さらには硫化リチウム、五硫化二燐、単体燐及び/又は単体硫黄から生成するリチウムイオン伝導性無機固体電解質を使用することが好ましい。
The solid electrolyte layer 20 is a layer made of a solid electrolyte.
The substance which comprises a solid electrolyte is not specifically limited, The material which consists of an organic compound, an inorganic compound, or both organic and inorganic compounds can be used, A well-known thing can be used in the lithium ion battery field | area.
In particular, sulfide-based inorganic solid electrolytes are known to have higher ionic conductivity than other inorganic compounds, and inorganic solid electrolytes described in JP-A-4-202024 can be used. Specifically, an inorganic solid electrolyte in which Li 3 PO 4 , a halogen, and a halogen compound are appropriately added to an inorganic solid electrolyte composed of a combination of Li 2 S and SiS 2 , GeS 2 , P 2 S 5 , B 2 S 3. Can be used.
In addition, since lithium ion conductivity is high, lithium sulfide and diphosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ), or lithium sulfide and simple phosphorus and simple sulfur, and further, lithium sulfide, diphosphorus pentasulfide, simple phosphorus and / or It is preferable to use a lithium ion conductive inorganic solid electrolyte produced from elemental sulfur.
リチウムイオン伝導性無機固体電解質は、硫化リチウムと、五硫化二燐及び/又は単体燐及び単体硫黄から製造することができる。具体的には、これらの原料を溶融反応させた後、急冷することにより製造できる。また、これらの原料をメカニカルミリング法(MM法)により処理して得ることができる。このようにして得られた硫化物ガラスを加熱処理してもよい。 The lithium ion conductive inorganic solid electrolyte can be produced from lithium sulfide and diphosphorus pentasulfide and / or simple phosphorus and simple sulfur. Specifically, it can be produced by melting these raw materials and then rapidly cooling them. Moreover, these raw materials can be obtained by processing by a mechanical milling method (MM method). The sulfide glass thus obtained may be heat-treated.
硫化リチウムは、特に制限なく工業的に入手可能なものが使用できるが、高純度のものが好ましい。
好ましくは、硫化リチウムは、硫黄酸化物のリチウム塩の総含有量が好ましくは0.15質量%以下、より好ましくは0.1質量%以下であり、かつN−メチルアミノ酪酸リチウムの含有量が0.15質量%以下、より好ましくは0.1質量%以下である。硫黄酸化物のリチウム塩の総含有量が0.15質量%以下であると、溶融急冷法やメカニカルミリング法で得られる固体電解質は、ガラス状電解質(完全非晶質)となる。即ち、硫黄酸化物のリチウム塩の総含有量が0.15質量%を越えると、得られる電解質は、最初から結晶化物の恐れがあり、この結晶化物のイオン伝導度は低い。さらに、この結晶化物について熱処理を施しても結晶化物には変化がなく、高イオン伝導度の固体電解質を得ることができないおそれがある。
As lithium sulfide, those commercially available without particular limitation can be used, but those having high purity are preferred.
Preferably, the lithium sulfide has a total content of lithium salts of sulfur oxides of preferably 0.15% by mass or less, more preferably 0.1% by mass or less, and a content of lithium N-methylaminobutyrate. It is 0.15 mass% or less, More preferably, it is 0.1 mass% or less. When the total content of the lithium salt of sulfur oxide is 0.15% by mass or less, the solid electrolyte obtained by the melt quenching method or the mechanical milling method becomes a glassy electrolyte (fully amorphous). That is, when the total content of the lithium salt of sulfur oxide exceeds 0.15% by mass, the obtained electrolyte may be a crystallized product from the beginning, and the ionic conductivity of the crystallized product is low. Furthermore, even if this crystallized product is subjected to a heat treatment, the crystallized product is not changed, and there is a possibility that a solid electrolyte having high ionic conductivity cannot be obtained.
また、N−メチルアミノ酪酸リチウムの含有量が0.15質量%以下であると、N−メチルアミノ酪酸リチウムの劣化物がリチウム電池のサイクル性能を低下させることがない。
このように不純物が低減された硫化リチウムを用いると、高イオン伝導性電解質が得られる。
Further, when the content of lithium N-methylaminobutyrate is 0.15% by mass or less, the deteriorated product of lithium N-methylaminobutyrate does not deteriorate the cycle performance of the lithium battery.
When lithium sulfide with reduced impurities is used, a high ion conductive electrolyte can be obtained.
この固体物質で用いられる硫化リチウムの製造法としては、少なくとも上記不純物を低減できる方法であれば特に制限はない。
例えば、以下の方法で製造された硫化リチウムを精製することにより得ることもできる。
以下の製造法の中では、特にa又はbの方法が好ましい。
a.非プロトン性有機溶媒中で水酸化リチウムと硫化水素とを0〜150℃で反応させて水硫化リチウムを生成し、次いでこの反応液を150〜200℃で脱硫化水素化する方法(特開平7−330312号公報)。
b.非プロトン性有機溶媒中で水酸化リチウムと硫化水素とを150〜200℃で反応させ、直接硫化リチウムを生成する方法(特開平7−330312号公報)。
c.水酸化リチウムとガス状硫黄源を130〜445℃の温度で反応させる方法(特開平9−283156号公報)。
The method for producing lithium sulfide used in the solid substance is not particularly limited as long as it is a method that can reduce at least the impurities.
For example, it can also be obtained by purifying lithium sulfide produced by the following method.
Among the following production methods, the method a or b is particularly preferable.
a. A method in which lithium hydroxide and hydrogen sulfide are reacted at 0 to 150 ° C. in an aprotic organic solvent to produce lithium hydrosulfide, and this reaction solution is then desulfurized at 150 to 200 ° C. -330312).
b. A method of directly producing lithium sulfide by reacting lithium hydroxide and hydrogen sulfide at 150 to 200 ° C. in an aprotic organic solvent (Japanese Patent Laid-Open No. 7-330312).
c. A method of reacting lithium hydroxide and a gaseous sulfur source at a temperature of 130 to 445 ° C. (Japanese Patent Laid-Open No. 9-283156).
上記のようにして得られた硫化リチウムの精製方法としては、特に制限はない。好ましい精製法としては、例えば、国際公開WO2005/40039号等が挙げられる。
具体的には、上記のようにして得られた硫化リチウムを、有機溶媒を用い、100℃以上の温度で洗浄する。
洗浄に用いる有機溶媒は、非プロトン性極性溶媒であることが好ましく、さらに、硫化リチウム製造に使用する非プロトン性有機溶媒と洗浄に用いる非プロトン性極性有機溶媒とが同一であることがより好ましい。
洗浄に好ましく用いられる非プロトン性極性有機溶媒としては、例えば、アミド化合物、ラクタム化合物、尿素化合物、有機硫黄化合物、環式有機リン化合物等の非プロトン性の極性有機化合物が挙げられ、単独溶媒、又は混合溶媒として好適に使用することができる。特に、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)は、良好な溶媒に選択される。
There is no restriction | limiting in particular as a purification method of the lithium sulfide obtained as mentioned above. Preferable purification methods include, for example, International Publication No. WO2005 / 40039.
Specifically, the lithium sulfide obtained as described above is washed at a temperature of 100 ° C. or higher using an organic solvent.
The organic solvent used for washing is preferably an aprotic polar solvent, and more preferably, the aprotic organic solvent used for lithium sulfide production and the aprotic polar organic solvent used for washing are the same. .
Examples of the aprotic polar organic solvent preferably used for washing include aprotic polar organic compounds such as amide compounds, lactam compounds, urea compounds, organic sulfur compounds, cyclic organophosphorus compounds, Or it can use suitably as a mixed solvent. In particular, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) is selected as a good solvent.
洗浄に使用する有機溶媒の量は特に限定されず、また、洗浄の回数も特に限定されないが、2回以上であることが好ましい。洗浄は、窒素、アルゴン等の不活性ガス下で行うことが好ましい。
洗浄された硫化リチウムを、洗浄に使用した有機溶媒の沸点以上の温度で、窒素等の不活性ガス気流下、常圧又は減圧下で、5分以上、好ましくは約2〜3時間以上乾燥することにより、本発明で用いられる硫化リチウムを得ることができる。
The amount of the organic solvent used for washing is not particularly limited, and the number of times of washing is not particularly limited, but is preferably 2 or more. Cleaning is preferably performed under an inert gas such as nitrogen or argon.
The washed lithium sulfide is dried at a temperature equal to or higher than the boiling point of the organic solvent used for washing for 5 minutes or more, preferably about 2 to 3 hours or more under an inert gas stream such as nitrogen under normal pressure or reduced pressure. Thus, lithium sulfide used in the present invention can be obtained.
P2S5は、工業的に製造され、販売されているものであれば、特に限定なく使用することができる。尚、P2S5に代えて、相当するモル比の単体リン(P)及び単体硫黄(S)を用いることもできる。単体リン(P)及び単体硫黄(S)は、工業的に生産され、販売されているものであれば、特に限定なく使用することができる。 P 2 S 5 can be used without particular limitation as long as it is industrially manufactured and sold. In place of P 2 S 5 , elemental phosphorus (P) and elemental sulfur (S) in a corresponding molar ratio can also be used. Simple phosphorus (P) and simple sulfur (S) can be used without particular limitation as long as they are industrially produced and sold.
上記硫化リチウムと、五硫化二燐又は単体燐及び単体硫黄の混合モル比は、通常50:50〜80:20、好ましくは60:40〜75:25である。
特に好ましくは、Li2S:P2S5=68:32〜74:26(モル比)程度である。
The mixing molar ratio of the lithium sulfide to diphosphorus pentasulfide or simple phosphorus and simple sulfur is usually 50:50 to 80:20, preferably 60:40 to 75:25.
Particularly preferably, it is about Li 2 S: P 2 S 5 = 68: 32 to 74:26 (molar ratio).
ガラス状電解質である硫化物ガラス(ガラス固体電解質)の製造方法としては、溶融急冷法やメカニカルミリング法(MM法)がある。
溶融急冷法による場合、P2S5とLi2Sを所定量乳鉢にて混合しペレット状にしたものを、カーボンコートした石英管中に入れ真空封入する。所定の反応温度で反応させた後、氷中に投入し急冷することにより、ガラス固体電解質が得られる。
この際の反応温度は、好ましくは400℃〜1000℃、より好ましくは、800℃〜900℃である。
また、反応時間は、好ましくは0.1時間〜12時間、より好ましくは、1〜12時間である。
上記反応物の急冷温度は、通常10℃以下、好ましくは0℃以下であり、その冷却速度は、通常1〜10000K/sec程度、好ましくは1〜1000K/secである。
As a manufacturing method of sulfide glass (glass solid electrolyte) which is a glassy electrolyte, there are a melt quenching method and a mechanical milling method (MM method).
In the case of the melt quenching method, P 2 S 5 and Li 2 S mixed in a predetermined amount in a mortar and pelletized are placed in a carbon-coated quartz tube and vacuum-sealed. After reacting at a predetermined reaction temperature, the glass solid electrolyte is obtained by putting it in ice and quenching.
The reaction temperature at this time is preferably 400 ° C to 1000 ° C, more preferably 800 ° C to 900 ° C.
Moreover, reaction time becomes like this. Preferably it is 0.1 to 12 hours, More preferably, it is 1 to 12 hours.
The quenching temperature of the reactant is usually 10 ° C. or less, preferably 0 ° C. or less, and the cooling rate is usually about 1 to 10,000 K / sec, preferably 1 to 1000 K / sec.
MM法による場合、P2S5とLi2Sを所定量乳鉢にて混合し、メカニカルミリング法にて所定時間反応させることにより、ガラス固体電解質が得られる。
上記原料を用いたメカニカルミリング法は、室温で反応を行うことができる。MM法によれば、室温でガラス固体電解質を製造できるため、原料の熱分解が起らず、仕込み組成のガラス固体電解質を得ることができるという利点がある。
また、MM法では、ガラス固体電解質の製造と同時に、ガラス固体電解質を微粉末化できるという利点もある。
MM法は種々の形式を用いることができるが、遊星型ボールミルを使用するのが特に好ましい。
遊星型ボールミルは、ポットが自転回転しながら、台盤が公転回転し、非常に高い衝撃エネルギーを効率良く発生させることができる。
MM法の回転速度及び回転時間は特に限定されないが、回転速度が速いほど、ガラス固体電解質の生成速度は速くなり、回転時間が長いほどガラス固体電解質ヘの原料の転化率は高くなる。
In the case of the MM method, a glass solid electrolyte is obtained by mixing a predetermined amount of P 2 S 5 and Li 2 S in a mortar and reacting for a predetermined time by a mechanical milling method.
The mechanical milling method using the above raw materials can be reacted at room temperature. According to the MM method, since a glass solid electrolyte can be produced at room temperature, there is an advantage that a glass solid electrolyte having a charged composition can be obtained without thermal decomposition of raw materials.
Further, the MM method has an advantage that the glass solid electrolyte can be made into fine powder simultaneously with the production of the glass solid electrolyte.
Although various types of MM methods can be used, it is particularly preferable to use a planetary ball mill.
The planetary ball mill can efficiently generate very high impact energy by rotating the platform while the pot rotates.
Although the rotation speed and rotation time of the MM method are not particularly limited, the faster the rotation speed, the faster the production rate of the glass solid electrolyte, and the longer the rotation time, the higher the conversion rate of the raw material to the glass solid electrolyte.
MM法の条件としては、例えば、遊星型ボールミル機を使用した場合、回転速度を数十〜数百回転/分とし、0.5時間〜100時間処理すればよい。
以上、溶融急冷法及びMM法によるガラス固体電解質の具体例を説明したが、温度条件や処理時間等の製造条件は、使用設備等に合わせて適宜調整することができる。
As conditions for the MM method, for example, when a planetary ball mill is used, the rotational speed may be set to several tens to several hundreds of revolutions / minute, and the treatment may be performed for 0.5 hours to 100 hours.
Although specific examples of the glass solid electrolyte by the melt quenching method and the MM method have been described above, manufacturing conditions such as temperature conditions and processing time can be appropriately adjusted according to the equipment used.
その後、得られたガラス固体電解質を所定の温度で熱処理し、ガラスセラミック固体電解質を生成させる。
ガラスセラミック固体電解質を生成させる熱処理温度は、好ましくは190℃〜340℃、より好ましくは、195℃〜335℃、特に好ましくは、200℃〜330℃である。
190℃より低いと高イオン伝導性の結晶が得られにくい場合があり、340℃より高いとイオン伝導性の低い結晶が生じる恐れがある。
熱処理時間は、190℃以上220℃以下の温度の場合は、3〜240時間が好ましく、特に4〜230時間が好ましい。また、220℃より高く340℃以下の温度の場合は、0.1〜240時間が好ましく、特に0.2〜235時間が好ましく、さらに、0.3〜230時間が好ましい。
熱処理時間が0.1時間より短いと、高イオン伝導性の結晶が得られにくい場合があり、240時間より長いと、イオン伝導性の低い結晶が生じるとなる恐れがある。
Thereafter, the obtained glass solid electrolyte is heat-treated at a predetermined temperature to produce a glass ceramic solid electrolyte.
The heat treatment temperature for generating the glass ceramic solid electrolyte is preferably 190 ° C to 340 ° C, more preferably 195 ° C to 335 ° C, and particularly preferably 200 ° C to 330 ° C.
When the temperature is lower than 190 ° C., it may be difficult to obtain a crystal with high ion conductivity. When the temperature is higher than 340 ° C., a crystal with low ion conductivity may be generated.
In the case of a temperature of 190 ° C. or higher and 220 ° C. or lower, the heat treatment time is preferably 3 to 240 hours, particularly preferably 4 to 230 hours. Moreover, in the case of the temperature higher than 220 degreeC and 340 degrees C or less, 0.1 to 240 hours are preferable, 0.2 to 235 hours are especially preferable, Furthermore, 0.3 to 230 hours are preferable.
If the heat treatment time is shorter than 0.1 hour, it may be difficult to obtain a crystal with high ion conductivity. If the heat treatment time is longer than 240 hours, a crystal with low ion conductivity may be formed.
このガラスセラミック固体電解質は、X線回折(CuKα:λ=1.5418Å)において、2θ=17.8±0.3deg,18.2±0.3deg,19.8±0.3deg,21.8±0.3deg,23.8±0.3deg,25.9±0.3deg,29.5±0.3deg,30.0±0.3degに回折ピークを有することが好ましい。
このような結晶構造を有する固体電解質が、極めて高いリチウムイオン伝導性を有する。
This glass-ceramic solid electrolyte has 2θ = 17.8 ± 0.3 deg, 18.2 ± 0.3 deg, 19.8 ± 0.3 deg, 21.8 in X-ray diffraction (CuKα: λ = 1.5418Å). It is preferable to have diffraction peaks at ± 0.3 deg, 23.8 ± 0.3 deg, 25.9 ± 0.3 deg, 29.5 ± 0.3 deg, 30.0 ± 0.3 deg.
A solid electrolyte having such a crystal structure has extremely high lithium ion conductivity.
固体電解質層は、例えば粒子状のリチウムイオン伝導性固体物質を、ブラスト法やエアロゾルデポジション法にて製膜することで製造できる。また、コールドスプレー法、スパッタリング法、気相成長法(Chemical Vapor Deposition:CVD)又は溶射法等でもリチウムイオン伝導性固体物質の製膜が可能である。
さらに、固体電解質と溶媒やバインダー(結着材や高分子化合物等)を混合した溶液を塗布、塗工した後、溶媒を除去し成膜化する方法もある。また、固体電解質自体や固体電解質とバインダー(結着材や高分子化合物等)や支持体(固体電解質層の強度を補強させたり、固体電解質自体の短絡を防ぐための材料や化合物等)を混合・組合した電解質を加圧プレスすることで成膜することも可能である。
簡便な装置や室温条件下、固体電解質の状態を変化させない温度範囲で製膜できることから、ブラスト法やエアロゾルデポジション法が好ましい。
The solid electrolyte layer can be produced, for example, by forming a particulate lithium ion conductive solid material into a film by a blast method or an aerosol deposition method. Also, a lithium ion conductive solid material can be formed by a cold spray method, a sputtering method, a vapor deposition method (CVD), a thermal spraying method, or the like.
Further, there is a method in which a solution in which a solid electrolyte is mixed with a solvent and a binder (binder, polymer compound, etc.) is applied and applied, and then the solvent is removed to form a film. Also, the solid electrolyte itself, solid electrolyte and binder (binder, polymer compound, etc.) and support (materials and compounds to reinforce the strength of the solid electrolyte layer and prevent short circuit of the solid electrolyte itself) are mixed -It is also possible to form a film by pressing the combined electrolyte under pressure.
Blasting and aerosol deposition are preferred because they can be formed in a temperature range that does not change the state of the solid electrolyte under simple equipment and room temperature conditions.
集電体40,42としては、銅、マグネシウム、ステンレス鋼、チタン、鉄、コバルト、ニッケル、亜鉛、アルミニウム、ゲルマニウム、インジウム、リチウム、又はこれらの合金等からなる板状体や箔状体等が使用できる。 As the current collectors 40, 42, a plate-like body or a foil-like body made of copper, magnesium, stainless steel, titanium, iron, cobalt, nickel, zinc, aluminum, germanium, indium, lithium, or an alloy thereof is used. Can be used.
本発明の二次電池は、上述した電池用部材を貼り合せ、接合することで製造できる。接合する方法としては、各部材を積層し、加圧・圧着する方法や、2つのロール間を通して加圧する方法(roll to roll)等がある。
また、接合面にイオン伝導性を有する活物質や、イオン伝導性を阻害しない接着物質を介して接合してもよい。接合においては、固体電解質の結晶構造が変化しない範囲で加熱融着してもよい。
The secondary battery of the present invention can be manufactured by laminating and joining the battery members described above. As a method of joining, there are a method of laminating each member, pressurizing and pressure bonding, a method of pressing through two rolls (roll to roll), and the like.
Moreover, you may join to the joining surface through the active material which has ion conductivity, and the adhesive material which does not inhibit ion conductivity. In joining, heat fusion may be performed as long as the crystal structure of the solid electrolyte does not change.
製造例1(リチウム・リン系硫化物固体電解質の製造)
(1)硫化リチウム(Li2S)の製造
硫化リチウムは、特開平7−330312号公報の第1の態様(2工程法)の方法に従って製造した。具体的には、撹拌翼のついた10リットルオートクレーブにN−メチル−2−ピロリドン(NMP)3326.4g(33.6モル)及び水酸化リチウム287.4g(12モル)を仕込み、300rpm、130℃に昇温した。昇温後、液中に硫化水素を3リットル/分の供給速度で2時間吹き込んだ。続いてこの反応液を窒素気流下(200cc/分)昇温し、反応した硫化水素の一部を脱硫化水素化した。昇温するにつれ、上記硫化水素と水酸化リチウムの反応により副生した水が蒸発を始めたが、この水はコンデンサにより凝縮し系外に抜き出した。水を系外に留去すると共に反応液の温度は上昇するが、180℃に達した時点で昇温を停止し、一定温度に保持した。脱硫化水素反応が終了後(約80分)反応を終了し、硫化リチウムを得た。
Production Example 1 (Production of lithium / phosphorous sulfide solid electrolyte)
(1) Production of lithium sulfide (Li 2 S) Lithium sulfide was produced according to the method of the first aspect (two-step method) of JP-A-7-330312. Specifically, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) 3326.4 g (33.6 mol) and lithium hydroxide 287.4 g (12 mol) were charged into a 10 liter autoclave equipped with a stirring blade, and 300 rpm, 130 The temperature was raised to ° C. After the temperature rise, hydrogen sulfide was blown into the liquid at a supply rate of 3 liters / minute for 2 hours. Subsequently, this reaction solution was heated in a nitrogen stream (200 cc / min) to dehydrosulfide a part of the reacted hydrogen sulfide. As the temperature increased, water produced as a by-product due to the reaction between hydrogen sulfide and lithium hydroxide started to evaporate, but this water was condensed by the condenser and extracted out of the system. While water was distilled out of the system, the temperature of the reaction solution rose, but when the temperature reached 180 ° C., the temperature increase was stopped and the temperature was kept constant. After the dehydrosulfurization reaction was completed (about 80 minutes), the reaction was completed to obtain lithium sulfide.
(2)硫化リチウムの精製
上記(1)で得られた500mLのスラリー反応溶液(NMP−硫化リチウムスラリー)中のNMPをデカンテーションした後、脱水したNMP 100mLを加え、105℃で約1時間撹拌した。その温度のままNMPをデカンテーションした。さらにNMP 100mLを加え、105℃で約1時間撹拌し、その温度のままNMPをデカンテーションし、同様の操作を合計4回繰り返した。デカンテーション終了後、窒素気流下230℃(NMPの沸点以上の温度)で硫化リチウムを常圧下で3時間乾燥した。得られた硫化リチウム中の不純物含有量を測定した。
(2) Purification of lithium sulfide After decanting NMP in the 500 mL slurry reaction solution (NMP-lithium sulfide slurry) obtained in (1) above, 100 mL of dehydrated NMP was added and stirred at 105 ° C. for about 1 hour. did. NMP was decanted at that temperature. Further, 100 mL of NMP was added, stirred at 105 ° C. for about 1 hour, NMP was decanted at that temperature, and the same operation was repeated a total of 4 times. After completion of the decantation, lithium sulfide was dried at 230 ° C. (temperature higher than the boiling point of NMP) under a nitrogen stream for 3 hours under normal pressure. The impurity content in the obtained lithium sulfide was measured.
尚、亜硫酸リチウム(Li2SO3)、硫酸リチウム(Li2SO4)並びにチオ硫酸リチウム(Li2S2O3)の各硫黄酸化物、及びN−メチルアミノ酪酸リチウム(LMAB)の含有量は、イオンクロマトグラフ法により定量した。その結果、硫黄酸化物の総含有量は0.13質量%であり、LMABは0.07質量%であった。 Incidentally, lithium sulfite (Li 2 SO 3), the content of each sulfur oxide lithium sulfate (Li 2 SO 4) and lithium thiosulfate (Li 2 S 2 O 3) , and N- methylamino acid lithium (LMAB) Was quantified by ion chromatography. As a result, the total content of sulfur oxides was 0.13% by mass, and LMAB was 0.07% by mass.
(3)リチウム・リン系硫化物固体電解質の製造
上記製造例にて製造したLi2SとP2S5(アルドリッチ製)を出発原料に用いた。これらを70対30のモル比に調製した混合物を約1gと粒径10mmΦのアルミナ製ボール10ケとを45mLのアルミナ製容器に入れ、遊星型ボールミル(フリッチュ社製:型番P−7)にて、窒素中、室温(25℃)にて、回転速度を370rpmとし、20時間メカニカルミリング処理することで、白黄色の粉末であるリチウム・リン系硫化物ガラス固体電解質を得た。
得られた粉末について、粉末X線回折測定を行った(CuKα:λ=1.5418Å)。得られたチャートが、非晶質体特有のブロードな形を示していることから、この粉末がガラス化(非晶質化)していることが確認できた。
(3) Production of Lithium / Phosphorus Sulfide Solid Electrolyte Li 2 S and P 2 S 5 (manufactured by Aldrich) produced in the above production example were used as starting materials. About 1 g of a mixture prepared at a molar ratio of 70 to 30 and 10 alumina balls having a particle diameter of 10 mmΦ are placed in a 45 mL alumina container, and a planetary ball mill (manufactured by Fritsch: Model No. P-7) is used. The lithium / phosphorous sulfide glass solid electrolyte, which is a white yellow powder, was obtained by performing mechanical milling treatment at room temperature (25 ° C.) in nitrogen at a rotation speed of 370 rpm for 20 hours.
Powder X-ray diffraction measurement was performed on the obtained powder (CuKα: λ = 1.5418Å). Since the obtained chart showed a broad shape peculiar to the amorphous body, it was confirmed that this powder was vitrified (amorphized).
この粉末(リチウム・リン系硫化物ガラス固体電解質)を、窒素中にて常温(25℃)〜250℃までの温度範囲で焼成処理を行い、リチウム・リン系硫化物ガラスセラミック固体電解質を作製した。このときの昇温・降温には、各々約3時間を要した。 This powder (lithium / phosphorous sulfide glass solid electrolyte) was baked in nitrogen at a temperature range from room temperature (25 ° C.) to 250 ° C. to produce a lithium / phosphorous sulfide glass ceramic solid electrolyte. . It took about 3 hours to raise and lower the temperature.
上記にて作製したリチウム・リン系硫化物ガラスセラミック固体電解質について、粉末X線回折測定を行った(CuKα:λ=1.5418Å)。得られたガラスセラミックは、2θ=17.8deg,18.2deg,19.8deg,21.8deg,23.8deg,25.9deg,29.5deg,30.0に回折ピークを有することが確認され、従来から知られている、Li7PS6、Li4P2S6、Li3PS4とは異なる結晶相を有することが確認できた。 The lithium / phosphorous sulfide glass ceramic solid electrolyte prepared above was subjected to powder X-ray diffraction measurement (CuKα: λ = 1.5418Å). The obtained glass ceramic was confirmed to have diffraction peaks at 2θ = 17.8 deg, 18.2 deg, 19.8 deg, 21.8 deg, 23.8 deg, 25.9 deg, 29.5 deg, 30.0, It has been confirmed that it has a crystal phase different from the conventionally known Li 7 PS 6 , Li 4 P 2 S 6 , and Li 3 PS 4 .
この処理により得られたリチウム・リン系硫化物ガラスセラミック固体電解質の、室温(25℃)におけるイオン伝導度は、2.0×10−3Scm−1であった。
尚、イオン伝導度は、作製したリチウム・リン系硫化物ガラス固体電解質(焼成処理前の粉末)を、ペレット状(直径約10mm、厚み約1mm)の成形体に加工し、この成形体について、焼成処理を施しながら測定した。測定は、成形体に電極としてカーボンペーストを塗布したものについて、交流二端子法により行った。
The lithium / phosphorous sulfide glass ceramic solid electrolyte obtained by this treatment had an ionic conductivity at room temperature (25 ° C.) of 2.0 × 10 −3 Scm −1 .
The ionic conductivity is obtained by processing the prepared lithium / phosphorous sulfide glass solid electrolyte (powder before firing) into a pellet-shaped (diameter: about 10 mm, thickness: about 1 mm), The measurement was performed while firing. The measurement was performed by an alternating current two-terminal method for a molded body in which a carbon paste was applied as an electrode.
実施例1
コバルト酸リチウム(平均粒径10μm)96.6gと酸化アルミニウム(平均粒径20nm)4.70gを予備混合し、この混合物を粒子複合化装置(ホソカワミクロン株式会社製、メカノフュージョンシステムAMS−MINI)の複合化槽に仕込んだ。装置の撹拌軸のパージエア(毎分1.5L)及び冷却水を流し、回転数を5000rpmに設定し、コバルト酸リチウムを酸化アルミニウムで被覆を行い、酸化アルミニウムで被覆されたコバルト酸リチウムを得た。得られた被覆コバルト酸リチウムにおいて、コバルト酸リチウム粒子の表面を膜厚5nmで酸化アルミニウムは被覆していた。膜厚は透過型電子顕微鏡(TEM)画像より求めた。
Example 1
96.6 g of lithium cobaltate (average particle size: 10 μm) and 4.70 g of aluminum oxide (average particle size: 20 nm) were premixed, and this mixture was mixed with a particle composite apparatus (manufactured by Hosokawa Micron Corporation, Mechano-Fusion System AMS-MINI). Charged to the compounding tank. Purge air (1.5 L / min) of the stirring shaft of the apparatus and cooling water were allowed to flow, the rotation speed was set to 5000 rpm, lithium cobalt oxide was coated with aluminum oxide, and lithium cobalt oxide coated with aluminum oxide was obtained. . In the obtained coated lithium cobaltate, the surface of the lithium cobaltate particles was coated with aluminum oxide with a film thickness of 5 nm. The film thickness was determined from a transmission electron microscope (TEM) image.
上記被覆コバルト酸リチウムと製造例1で作製したリチウム・リン系硫化物ガラスセラミック固体電解質を重量で60:40の比率で混合し、正極合材を得た。
負極を構成する負極材として、カーボングラファイト(TIMCAL製、SFG−15)を用い、正極を構成する正極材として上記正極合材用いて、市販のペレット成形機を用い、負極材(10mg)、製造例1で作製したリチウム・リン系硫化物ガラスセラミック固体電解質(150mg)、正極合材(20mg)を順次ペレット成形機の中に入れ、順次20t/cm2の圧力を掛け、正極、固体電解質層及び負極の三層のペレットを製造し、測定セルとした。
得られた測定セルを7.5mA/cm2の電流密度において定電流で充放電させることによりレート特性を評価した。その際、充放電の上限電圧を4.2V、下限電圧を1.0Vとした。即ち充電時、4.2Vまで測定セルの電圧が上昇したところで放電に移り、1.0Vに達した時点で評価を終了した。その結果、得られた測定セルは7.5mA/cm2での充放電が可能であったことから、レート特性に優れると判断した。
The coated lithium cobaltate and the lithium / phosphorous sulfide glass ceramic solid electrolyte prepared in Production Example 1 were mixed at a weight ratio of 60:40 to obtain a positive electrode mixture.
As a negative electrode material constituting the negative electrode, carbon graphite (manufactured by TIMCAL, SFG-15) is used, and as the positive electrode material constituting the positive electrode, the above positive electrode mixture is used. Using a commercially available pellet molding machine, a negative electrode material (10 mg) is manufactured. The lithium / phosphorous sulfide glass ceramic solid electrolyte (150 mg) and the positive electrode mixture (20 mg) prepared in Example 1 were sequentially placed in a pellet molding machine, and a pressure of 20 t / cm 2 was sequentially applied to the positive electrode and the solid electrolyte layer. And a three-layer pellet of a negative electrode was manufactured and used as a measurement cell.
The rate characteristics were evaluated by charging and discharging the obtained measurement cell with a constant current at a current density of 7.5 mA / cm 2 . At that time, the upper limit voltage of charging / discharging was 4.2V, and the lower limit voltage was 1.0V. That is, at the time of charging, when the voltage of the measuring cell increased to 4.2V, the battery started discharging, and when the voltage reached 1.0V, the evaluation was finished. As a result, the obtained measurement cell was able to be charged / discharged at 7.5 mA / cm 2 , so that it was determined that the rate characteristics were excellent.
実施例2
上記正極合材に用いる固体電解質として、製造例1で製造したリチウム・リン系硫化物ガラスセラミック固体電解質の代わりに製造例1で製造したリチウム・リン系硫化物ガラス固体電解質を用いた他は実施例1と同様にして測定セルを製造した。得られた測定セルについて、電流密度を5.0mA/cm2とした以外は実施例1と同様にしてレート特性を評価した。その結果、5.0mA/cm2での充放電が可能であったことから、レート特性に優れると判断した。
Example 2
As the solid electrolyte used in the positive electrode mixture, the lithium / phosphorous sulfide glass solid electrolyte produced in Production Example 1 was used instead of the lithium / phosphorous sulfide glass ceramic solid electrolyte produced in Production Example 1. A measurement cell was produced in the same manner as in Example 1. About the obtained measurement cell, rate characteristics were evaluated in the same manner as in Example 1 except that the current density was set to 5.0 mA / cm 2 . As a result, since charge / discharge at 5.0 mA / cm 2 was possible, it was determined that the rate characteristics were excellent.
比較例1
被覆コバルト酸リチウムの代わりに被覆されていないコバルト酸リチウムを正極合材に用いた他は実施例1と同様にして測定セルを製造した。得られた測定セルについて、実施例2と同様にしてレート特性を評価した。その結果、5.0mA/cm2での充放電ができず、レート特性に劣ることが示された。
Comparative Example 1
A measurement cell was produced in the same manner as in Example 1 except that uncoated lithium cobaltate was used for the positive electrode mixture instead of the coated lithium cobaltate. About the obtained measurement cell, it carried out similarly to Example 2, and evaluated the rate characteristic. As a result, charging / discharging at 5.0 mA / cm 2 was not possible, indicating that the rate characteristics were inferior.
本発明のコーティング材料で被覆された正極活物質は、二次電池に使用できる。
本発明の二次電池は、携帯情報端末、携帯電子機器、家庭用小型電力貯蔵装置、モーターを電力源とする自動二輪車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車等の電池として用いることができる。
The positive electrode active material coated with the coating material of the present invention can be used for a secondary battery.
The secondary battery of the present invention can be used as a battery for a portable information terminal, a portable electronic device, a small electric power storage device for home use, a motorcycle using a motor as a power source, an electric vehicle, a hybrid electric vehicle and the like.
1 二次電池
10 正極
20 固体電解質層
30 負極
40,42 集電体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Secondary battery 10 Positive electrode 20 Solid electrolyte layer 30 Negative electrode 40,42 Current collector
Claims (3)
前記正極が請求項1又は2に記載の正極活物質からなる二次電池。
A positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer sandwiched between the positive electrode and the negative electrode;
The secondary battery which the said positive electrode consists of a positive electrode active material of Claim 1 or 2.
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