JP2011096372A - リチウムイオン二次電池用電極活物質及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】化学式:Li2Sで表される硫化リチウムとM2S3(式中、MはB、Al、Ga、In又はTlである。)で表される金属硫物を導電性を有する型に充填し、非酸化性雰囲気下において直流パルス電流を通電して反応させることを特徴とする組成式;LixMS2(式中、Mは上記に同じであり、0<x≦1の範囲の数値である。)で表されるリチウム含有金属硫化物の製造方法、及び該リチウム含有金属硫化物からなるリチウムイオン二次電池用電極活物質。
【選択図】図3
Description
電極材料の開発が必要となっている。
の有望な候補の一つである。硫黄とリチウムを熱処理によって反応させると硫化リチウムができるが、硫化リチウムは電子伝導性が低く、現行の非水系電解液を用いた電池系では電解液中に溶出するという問題がある(非特許文献1)。
材料に比べて、高容量化が期待できる。
である。
1. 組成式;LixMS2(式中、MはB、Al、Ga、In又はTlであり、xは、0<x≦1の範囲の数値である。)で表されるリチウム含有金属硫化物からなるリチウムイオン二次電池用電極活物質。
2. リチウム含有金属硫化物が、LixAlS2又はLixGaS2である上記項1に記載のリチウムイオン二次電池用電極活物質。
3. 上記項1又は2に記載のリチウムン二次電池用電極活物質を正極活物質又は負極活物質として含むリチウムイオン二次電池。
4. 化学式:Li2Sで表される硫化リチウムとM2S3(式中、MはB、Al、Ga、In又はTlである。)で表される金属硫化物を含む原料を導電性を有する型に充填し、非酸化性雰囲気下において直流パルス電流を通電して加熱反応させることを特徴とする、組成式;LixMS2
(式中、Mは上記に同じであり、0<x≦1の範囲の数値である。)で表されるリチウム
含有金属硫化物の製造方法。
5. 10MPa以上の加圧下において、400〜1200℃で反応させる上記項4に記載の方法。
本発明のリチウムイオン二次電池用電極活物質は、組成式;LixMS2で表されるリチウ
ム含有金属硫化物である。この組成式において、MはB、Al、Ga、In又はTlであり、xは、
0<x≦1の範囲の数値である。特に、xが0.2≦x≦1程度の範囲の場合には、結晶構造の安定性が良好である点で好ましく、0.5≦x≦1程度の範囲がより好ましい。
LiGaS2 + 5Li+ + 5e- = Li2Ga + 3Li2S
上記した組成式:LixMS2で表されるリチウム含有金属硫化物は、リチウムイオン二次
電池の正極活物質又は負極活物質として用いることができる。特に、負極活物質として用いる場合には、従来のリチウムイオン二次電池の負極と同程度の電位を有し、且つ高容量を有する負極とすることができ、高いエネルギー密度を有するリチウムイオン二次電池を得ることができる。
オン二次電池は、公知の手法により製造することができる。
DMCなどの溶媒に過塩素酸リチウム:LiClO4、六フッ化リン酸リチウム:LiPF6などのリチウム塩を溶解させた公知の電解液を使用し、さらにその他の公知の電池構成要素を使用して、常法に従ってリチウムイオン二次電池を組立てればよい。また、該リチウム含有金属硫化物を負極活物質とする場合には、正極材料としては、公知の材料であるLiCoO2、ニッケル酸リチウム:LiNiO2等を使用し、その他は上記した場合と同様にして、常法に従って、リチウムイオン二次電池を組み立てればよい。
上記した組成式;LixMS2で表されるリチウム含有金属硫化物は公知物質であり、例え
ば、Li2SとM2S3を原料としてメカニカルミリング法で製造する方法、Li2SとM2S3の混合物を焼成する方法などの公知の方法で製造することができるが、特に、Li2SとM2S3を原料として用い、該原料を導電性を有する型に充填し、非酸化性雰囲気下において直流パルス電流を通電して加熱反応させる方法によって製造することが好ましい。この方法によれば、導電性容器中において非酸化性雰囲気下で反応させるために、硫黄の酸化や散逸を抑制することが可能であり、しかもパルス通電によって原料を短時間に均一に加熱することができるので、容易に目的とするリチウム含有金属硫化物を得ることができる。以下、この製造方法についてより具体的に説明する。
足する場合には、別途、硫黄粉末を添加すればよい。原料とする硫黄の形状についても特に限定はないが、通常、平均粒径が1〜300μm程度の粉末状のものを用いることが好ま
しい。
圧力を加えることが好ましい。圧力の上限については特に限定はないが、通常、500MPa程度とすればよく、450MPa程度とすることが好ましい。
類、大きさ、昇温速度等により異なるので、型材の温度をモニターしながら電流値を増減させて、所定の温度になるよう電流値を制御すれば良い。例えば、内径15mm程度の黒鉛型材を用いて10℃/分で昇温させる場合には、100〜600A程度の電流値とすることが好まし
く、200℃/分で昇温させる場合には、100〜1000A程度の電流値とすることが好ましく、
また、内径100mm程度の型材を用いて10℃/分で昇温させる場合には1000〜8000A程度の電流値とすることが好ましい。
されるリチウム含有金属硫化物は、従来リチウムイオン二次電池用の活物質として用いら
れたことのない新規な材料であって、高容量を有する活物質である。よって、該リチウム含有金属硫化物をリチウムイオン二次電池の電極活物質として用いることによって、高エネルギー密度のリチウムイオン二次電池を得ることができる。
硫化リチウム(Li2S)(純度99.9%)と硫化アルミニウム(Al2S3)(純度98%
)をモル比1:1で秤量し、全量0.5gを遊星ボールミルで約30分間混合した。
パルス幅2.5ミリ秒、周期28.6Hz)を印加した。黒鉛型材近傍は約200℃/分の昇温速度で加熱され、パルス電流印加開始4分30秒後に900℃に到達した。その後、直ちに電流印
加及び加圧を停止して自然放冷した。
Huggins, Mat. Res. Bull., Vo. 14, pp.881-889 (1979).)として、LiAlS2ついてのX線回折ピーク値も示す。この結果から、上記した方法によって、LiAlS2で表されるリチウム含有金属硫化物が得られたことが確認できた。
硫化アルミニウム(Al2S3)に代えて硫化ガリウム(Ga2S3)(純度99.9%)を用いること以外は、実施例1と同様にして、放電プラズマ焼結法によってリチウム含有金属硫化物を作製した。
. Soc. Chim. France, Vol.32, pp.1115-1121 (1965).)LiGaS2ついてのX線回折ピーク値も示す。この結果から、上記した方法によって、LiGaS2で表されるリチウム含有金属硫化物が得られたことが確認できた。
実施例1で得られたリチウム含有金属硫化物をリチウムイオン二次電池の正極活物質として用いて、以下の方法で充放電特性を測定した。
れに導電材としてアセチレンブラックを1.0mgと、 結着剤としてPTFEを0.5mg混合し、Cu
メッシュ(直径12mm)に圧着して、正極を作製した。これを正極材料として用い、負極材料としてLi金属、電解液として、1M LiPF6/(EC+DMC)をそれぞれ用いて実験用セルを構成
し、電流値を硫化物の重量あたり100 mA/gとして、30℃で充放電試験を行った。結果を下記図4に示す。
実施例4で用いた正極活物質に代えて、実施例2で得られたLiGaS2で表されるリチウム含有金属硫化物を用いること以外は、実施例3と同様にして実験用セルを作製し、実施例3と同様の条件で充放電試験を行った。結果を図5に示す。
実施例1で得られたリチウム含有金属硫化物をリチウムイオン二次電池の負極活物質として用いて、以下の方法で充放電特性を測定した。
れに導電材としてアセチレンブラックを1.0mgと、 結着剤としてPTFEを0.5mg混合し、Cu
メッシュ(直径12mm)に圧着して負極を作製した。これを負極材料として用い、正極材料としては、LiCoO2:アセチレンブラック:PTFEを7:2:1で混合して総重量100mgをペレット成形したものを用い、電解液としては、1M LiPF6/(EC+DMC)を用いて試験用セルを構成
し、電流値を硫化物の重量あたり100 mA/gとして、30℃で充放電試験を行った。結果を下記図6に示す。
実施例5で用いた負極活物質に代えて、実施例2で得られたLiGaS2で表されるリチウム含有金属硫化物を用いること以外は、実施例5と同様にして試験用セルを作製し、実施例
5と同様の条件で充放電試験を行った。結果を図7に示す。
2 試料
3 ダイ(導電性容器)
4、5 パンチ
6,7 パンチ電極
8 水冷真空チャンバー
9 冷却水路
10、16 水冷却機構
11 焼結用電源
12 制御装置
13 加圧機構
14 位置計測機構
15 雰囲気制御機構
17 温度計測装置
Claims (5)
- 組成式;LixMS2(式中、MはB、Al、Ga、In又はTlであり、xは、0<x≦1の範囲の数値である。)で表されるリチウム含有金属硫化物からなるリチウムイオン二次電池用電極活物質。
- リチウム含有金属硫化物が、LixAlS2又はLixGaS2である請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用電極活物質。
- 請求項1又は2に記載のリチウムン二次電池用電極活物質を正極活物質又は負極活物質として含むリチウムイオン二次電池。
- 化学式:Li2Sで表される硫化リチウムとM2S3(式中、MはB、Al、Ga、In又はTlである。)で表される金属硫化物を含む原料を導電性を有する型に充填し、非酸化性雰囲気下において直流パルス電流を通電して加熱反応させることを特徴とする、組成式;LixMS2(式中
、Mは上記に同じであり、0<x≦1の範囲の数値である。)で表されるリチウム含有金
属硫化物の製造方法。 - 10MPa以上の加圧下において、400〜1200℃で反応させる請求項4に記載の方法。
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