JP2011216201A - Electrode active material and lithium ion battery - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode active material and a lithium ion battery, capable of enhancing a rate characteristic, a cycle life and durability.SOLUTION: One part of phosphate ion (PO) of the electrode active material having olivine structure expressed by LiAPO, wherein A represents one kind, two kinds or more selected from the group consisting of Cr, Mn, Fe, Co, Ni and Cu, 0<x≤2, and 0<y≤1.5, is substituted with an oxo-acid ion such as silicate ion (SiO) and borate ion (BO) excluding phosphate ion (PO), in this electrode active material.

Description

本発明は、電極活物質及びリチウムイオン電池に関し、特に詳しくは、オリビン構造を有するリン酸塩系電極活物質の1種であり、レート特性、サイクル寿命及び耐久性に優れたリチウムイオン電池の電極材料として用いて好適な電極活物質、及び、この電極活物質を用いた電極を備えているリチウムイオン電池に関するものである。   The present invention relates to an electrode active material and a lithium ion battery, and more particularly, is an electrode of a lithium ion battery that is one of phosphate-based electrode active materials having an olivine structure and has excellent rate characteristics, cycle life, and durability. The present invention relates to an electrode active material suitable for use as a material, and a lithium ion battery including an electrode using the electrode active material.

近年、小型化、軽量化、高容量化が期待される電池として、リチウムイオン電池等の非水電解液系の二次電池が提案され、実用に供されている。
このリチウムイオン電池は、リチウムイオンを可逆的に脱挿入可能な性質を有する正極及び負極と、非水系の電解質とにより構成されている。
リチウムイオン電池は、従来の鉛電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池等の二次電池と比べて、軽量かつ小型で高エネルギーを有しており、携帯用電話機、ノート型パーソナルコンピュータ等の携帯用電子機器の電源として用いられているが、近年、電気自動車、ハイブリッド自動車、電動工具等の高出力電源としても検討されている。これらの高出力電源として用いられる電池の電極活物質には、高速の充放電特性が求められている。また、発電負荷の平滑化や、定置用電源、バックアップ電源等の大型電池への応用も検討されており、長期の安全性、信頼性と共に、資源的に豊富で安価であること(資源量の問題が無いこと)も重要視されている。
In recent years, non-aqueous electrolyte secondary batteries such as lithium ion batteries have been proposed and put into practical use as batteries that are expected to be reduced in size, weight, and capacity.
This lithium ion battery includes a positive electrode and a negative electrode having a property capable of reversibly removing and inserting lithium ions, and a non-aqueous electrolyte.
Lithium-ion batteries are lighter, smaller, and have higher energy than secondary batteries such as conventional lead batteries, nickel cadmium batteries, and nickel metal hydride batteries, and are portable for portable telephones, notebook personal computers, etc. Although it is used as a power source for electronic devices, it has recently been studied as a high-output power source for electric vehicles, hybrid vehicles, electric tools, and the like. High-speed charge / discharge characteristics are required for the electrode active materials of batteries used as these high-output power supplies. In addition, smoothing of the power generation load and application to large batteries such as stationary power supplies and backup power supplies are also being studied, and the resources are abundant and inexpensive with long-term safety and reliability. (There is no problem).

リチウムイオン電池の正極は、正極活物質と称されるリチウムイオンを可逆的に脱挿入可能な性質を有するリチウム含有金属酸化物、導電助剤及びバインダーを含む電極材料により構成されており、この電極材料を集電体と称される金属箔の表面に塗布することにより正極とされている。
このリチウムイオン電池の正極活物質としては、通常、コバルト酸リチウム(LiCoO)が用いられているが、その他、ニッケル酸リチウム(LiNiO)、マンガン酸リチウム(LiMn)、リン酸鉄リチウム(LiFePO)等のリチウム(Li)化合物が用いられている。
これらのリチウム化合物のうち、コバルト酸リチウムやニッケル酸リチウムは、人体や環境に対する毒性、資源量、充電状態の不安定性等の種々の問題点を有している。また、マンガン酸リチウムは、高温下で電解液中へ溶解するという問題点が指摘されている。
そこで、近年では、長期の安全性、信頼性に優れた、リン酸鉄リチウムに代表されるオリビン構造を有するリン酸塩系電極活物質が注目を集めている。
The positive electrode of a lithium ion battery is composed of an electrode material including a lithium-containing metal oxide called a positive electrode active material, which has a property of reversibly removing and inserting lithium ions, a conductive additive, and a binder. The material is applied to the surface of a metal foil called a current collector to form a positive electrode.
As the positive electrode active material of this lithium ion battery, lithium cobaltate (LiCoO 2 ) is usually used, but in addition, lithium nickelate (LiNiO 2 ), lithium manganate (LiMn 2 O 4 ), iron phosphate Lithium (Li) compounds such as lithium (LiFePO 4 ) are used.
Among these lithium compounds, lithium cobaltate and lithium nickelate have various problems such as toxicity to the human body and the environment, the amount of resources, and instability of the charged state. Further, it has been pointed out that lithium manganate is dissolved in an electrolytic solution at a high temperature.
Therefore, in recent years, a phosphate-based electrode active material having an olivine structure typified by lithium iron phosphate, which has excellent long-term safety and reliability, has attracted attention.

このリン酸鉄リチウムに代表されるオリビン構造を有するリン酸塩系電極活物質は、電子導電性、イオン拡散性が必ずしも十分ではなく、したがって、大電流の充放電を行うためには難があり、高出力化を妨げる要因になっている。
そこで、これらの問題点を解決するために、表面を炭素に代表される導電性物質で被覆したリン酸塩系電極活物質、微粒子化することでイオン拡散距離を減少せしめたリン酸塩系電極活物質等が提案されている。このようなリン酸塩系電極活物質は一定の成果を挙げており、リン酸塩系電極活物質を実用化するための重要な手段となっている(特許文献1)。
また、リン酸塩系電極活物質そのものの性質を変化させた電極活物質として、可動イオンであるリチウム(Li)や電気化学的に活性元素である遷移金属元素の一部を他の元素で置換したリン酸塩系電極活物質が提案されている(特許文献2)。
Phosphate-based electrode active materials having an olivine structure represented by this lithium iron phosphate do not necessarily have sufficient electron conductivity and ion diffusivity, and therefore there is difficulty in charging and discharging a large current. This is a factor preventing high output.
Therefore, in order to solve these problems, a phosphate-based electrode active material whose surface is coated with a conductive material typified by carbon, and a phosphate-based electrode in which ion diffusion distance is reduced by making fine particles. Active materials have been proposed. Such a phosphate-based electrode active material has achieved a certain result, and is an important means for putting the phosphate-based electrode active material into practical use (Patent Document 1).
In addition, as an electrode active material in which the properties of the phosphate-based electrode active material itself are changed, a part of lithium (Li), which is a mobile ion, or a transition metal element, which is an electrochemically active element, is replaced with another element. A phosphate-based electrode active material has been proposed (Patent Document 2).

特開2001−15111号公報JP 2001-15111 A 特開2008−130525号公報JP 2008-130525 A

しかしながら、従来の表面を導電性物質で被覆したリン酸塩系電極活物質では、リン酸塩系電極活物質の粒子内部の導電性、イオン拡散性を改善することができないという問題点があった。
また、微粒子化したリン酸塩系電極活物質では、イオンの拡散距離を短縮させることはできるが、イオン拡散性そのものを改善することができず、そればかりか、過度の微粒子化は、リン酸塩系電極活物質を実用に供するための極板化に要する導電材、結着材の使用量を増加させることになり、むしろ電池性能の低下を招くこととなるという問題点があった。
さらに、リチウム(Li)や電気化学的に活性元素である遷移金属元素の一部を他の元素で置換したリン酸塩系電極活物質では、その効果は限定的であるばかりか、電極活物質の理論容量を低下させるという根本的な問題点があった。
However, the conventional phosphate electrode active material whose surface is coated with a conductive material has a problem that the conductivity and ion diffusibility inside the particles of the phosphate electrode active material cannot be improved. .
In addition, although the ionized phosphate electrode active material can shorten the ion diffusion distance, it cannot improve the ion diffusivity itself. There is a problem that the amount of the conductive material and binder used for making the electrode plate for practical use of the salt-based electrode active material is increased, and rather the battery performance is lowered.
Furthermore, in the case of phosphate-based electrode active materials in which lithium (Li) or part of transition metal elements that are electrochemically active elements are substituted with other elements, the effect is not limited, and the electrode active material There was a fundamental problem of lowering the theoretical capacity.

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、レート特性、サイクル寿命及び耐久性を向上させることが可能な電極活物質及びリチウムイオン電池を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to provide an electrode active material and a lithium ion battery capable of improving rate characteristics, cycle life and durability.

本発明者等は、上記課題を解決するために鋭意検討を行った結果、LiPO(但し、AはCr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuの群から選択される1種または2種以上、0<x≦2、0<y≦1.5)にて表されるオリビン構造を有する電極活物質のリン酸イオン(PO 3−)の一部を、このリン酸イオン(PO 3−)以外のオキソ酸イオンにて置換すれば、レート特性、サイクル寿命及び耐久性に優れた電極活物質が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have found that Li x A y PO 4 (where A is one selected from the group consisting of Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu) Alternatively, a part of the phosphate ion (PO 4 3− ) of the electrode active material having an olivine structure represented by 2 or more types, 0 <x ≦ 2, 0 <y ≦ 1.5) It has been found that an electrode active material excellent in rate characteristics, cycle life and durability can be obtained by substitution with an oxo acid ion other than (PO 4 3− ), and the present invention has been completed.

すなわち、本発明の電極活物質は、LiPO(但し、AはCr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuの群から選択される1種または2種以上、0<x≦2、0<y≦1.5)にて表されるオリビン構造を有する電極活物質のリン酸イオン(PO 3−)の一部を、このリン酸イオン(PO 3−)以外のオキソ酸イオンにて置換してなることを特徴とする。 That is, the electrode active material of the present invention is Li x A y PO 4 (where A is one or more selected from the group consisting of Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, 0 <x ≦ 2 , 0 <y ≦ 1.5), a part of the phosphate ion (PO 4 3− ) of the electrode active material having an olivine structure is represented by an oxo acid other than the phosphate ion (PO 4 3− ) It is characterized by being substituted with ions.

前記オキソ酸イオンは、ケイ酸イオン(SiO 4−)、ホウ酸イオン(BO 3−)のいずれか1種または2種であることが好ましい。 The oxoacid ion is preferably one or two of silicate ion (SiO 4 4− ) and borate ion (BO 3 3− ).

本発明のリチウムイオン電池は、本発明の電極活物質を用いた電極を備えてなることを特徴とする。   The lithium ion battery of the present invention includes an electrode using the electrode active material of the present invention.

本発明の電極活物質によれば、LiPO(但し、AはCr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuの群から選択される1種または2種以上、0<x≦2、0<y≦1.5)にて表されるオリビン構造を有する電極活物質のリン酸イオン(PO 3−)の一部を、このリン酸イオン(PO 3−)以外のオキソ酸イオンにて置換したので、その理論容量を損なうことなく、レート特性、サイクル寿命及び耐久性を向上させることができ、安全性及び資源の安定性に優れている。 According to the electrode active material of the present invention, Li x A y PO 4 (where A is one or more selected from the group consisting of Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, 0 <x ≦ 2 , 0 <y ≦ 1.5), a part of the phosphate ion (PO 4 3− ) of the electrode active material having an olivine structure is represented by an oxo acid other than the phosphate ion (PO 4 3− ) Since it is substituted with ions, the rate characteristics, cycle life and durability can be improved without impairing the theoretical capacity, and the safety and resource stability are excellent.

本発明のリチウムイオン電池によれば、本発明の電極活物質を用いた電極を備えたので、レート特性、サイクル寿命及び耐久性に優れたリチウムイオン電池を提供することができる。   According to the lithium ion battery of the present invention, since the electrode using the electrode active material of the present invention is provided, a lithium ion battery excellent in rate characteristics, cycle life and durability can be provided.

本発明の実施例1〜3及び比較例各々のLiFePO系電極活物質のX線回折図形である。A Examples 1 to 3 and X-ray diffraction pattern of LiFePO 4 based electrode active material of Comparative Example Each of the present invention. 本発明の実施例1〜6及び比較例各々のLiFePO系電極活物質の格子定数の変化を示す図である。Is a graph showing changes in the lattice constants of Examples 1 to 6 and LiFePO 4 based electrode active material of Comparative Example Each of the present invention.

本発明の電極活物質及びリチウムイオン電池を実施するための形態について説明する。
なお、この形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
The form for implementing the electrode active material and lithium ion battery of this invention is demonstrated.
This embodiment is specifically described for better understanding of the gist of the invention, and does not limit the present invention unless otherwise specified.

本実施形態の電極活物質は、LiPO(但し、AはCr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuの群から選択される1種または2種以上、0<x≦2、0<y≦1.5)にて表されるオリビン構造を有する電極活物質のリン酸イオン(PO 3−)の一部を、このリン酸イオン(PO 3−)以外のオキソ酸イオンにて置換した電極活物質である。 The electrode active material of the present embodiment is Li x A y PO 4 (where A is one or more selected from the group of Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, 0 <x ≦ 2, A part of the phosphate ion (PO 4 3− ) of the electrode active material having an olivine structure represented by 0 <y ≦ 1.5) is converted into an oxo acid ion other than the phosphate ion (PO 4 3− ). It is the electrode active material substituted by.

このオキソ酸イオンとしては、ケイ酸イオン(SiO 4−)、ホウ酸イオン(BO 3−)のいずれか1種または2種であることが好ましい。
この場合、上記の電極活物質は、Li(PO1−u(SiO(但し、AはCr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuの群から選択される1種または2種以上、0<x≦2、0<y≦1.5、0<u≦0.05)、または、Li(PO1−v(BO(但し、AはCr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuの群から選択される1種または2種以上、0<x≦2、0<y≦1.5、0<v≦0.05)で表すことができる。なお、u及びvは、各々の電極活物質におけるリン酸イオン以外のオキソ酸イオンの置換量を表す。
The oxoacid ion is preferably one or two of silicate ion (SiO 4 4− ) and borate ion (BO 3 3− ).
In this case, the electrode active material is Li x A y (PO 4 ) 1-u (SiO 4 ) u (where A is one selected from the group consisting of Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu) Or 2 or more, 0 <x ≦ 2, 0 <y ≦ 1.5, 0 <u ≦ 0.05), or Li x A y (PO 4 ) 1-v (BO 3 ) v (where A Is represented by one or more selected from the group consisting of Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, 0 <x ≦ 2, 0 <y ≦ 1.5, 0 <v ≦ 0.05) Can do. U and v represent the amount of substitution of oxo acid ions other than phosphate ions in each electrode active material.

上記のAについては、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuの群から選択される1種または2種以上、特に、Fe、Mnが高いレート特性、長いサイクル寿命、耐久性、豊富な資源量、安全性等の点から好ましい。   As for A, one or more selected from the group consisting of Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and Cu, in particular, Fe and Mn have high rate characteristics, long cycle life, durability, and abundant resources. It is preferable from the viewpoints of quantity and safety.

この電極活物質の平均粒径は5nm以上かつ500nm以下が好ましく、より好ましくは20nm以上かつ200nm以下である。
その理由は、平均粒径が5nmより小さいと、充放電による体積変化により結晶構造が破壊され、その結果、サイクル寿命及び耐久性が低下するからであり、また、平均粒径が500nmより大きいと、電極活物質内部への電子の供給量が不足し、利用効率が低下するからである。
The average particle size of the electrode active material is preferably 5 nm or more and 500 nm or less, more preferably 20 nm or more and 200 nm or less.
The reason is that if the average particle size is less than 5 nm, the crystal structure is destroyed by the volume change due to charge and discharge, resulting in a decrease in cycle life and durability, and if the average particle size is greater than 500 nm. This is because the supply amount of electrons to the inside of the electrode active material is insufficient and the utilization efficiency is lowered.

この電極活物質は、平均粒径の範囲がシャープで単分散性に優れているので、この電極活物質をリチウムイオン電池の正電極に用いた場合、この正電極の電気的特性が極めて均一なものとなり、特性のバラツキも極めて小さなものとなる。したがって、得られたリチウムイオン電池は、高いレート特性、長いサイクル寿命、耐久性及び安全性に優れたものとなる。   Since this electrode active material has a sharp average particle size range and excellent monodispersibility, when this electrode active material is used for the positive electrode of a lithium ion battery, the electrical characteristics of this positive electrode are extremely uniform. The variation in characteristics is extremely small. Therefore, the obtained lithium ion battery is excellent in high rate characteristics, long cycle life, durability and safety.

本実施形態の電極活物質を作製するには、Li源と、A源と、リン酸源(P)と、オキソ酸源(Ox)とを、モル比Li:A:(P+Ox)が所定の比率となるように混合し、得られた混合物を水熱合成する。   In order to produce the electrode active material of the present embodiment, a Li source, an A source, a phosphoric acid source (P), and an oxo acid source (Ox) have a predetermined molar ratio Li: A: (P + Ox). The mixture is mixed so as to obtain a ratio, and the obtained mixture is hydrothermally synthesized.

Li源としては、例えば、水酸化リチウム(LiOH)、炭酸リチウム(LiCO)、塩化リチウム(LiCl)、リン酸リチウム(LiPO)等のリチウム無機酸塩、酢酸リチウム(LiCHCOO)、蓚酸リチウム((COOLi))等のリチウム有機酸塩、及びこれらの水和物の群から選択された1種または2種以上が好適に用いられる。
A源としては、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuの群から選択される1種または2種以上の硫酸塩、硝酸塩、塩化物等が好適に用いられる。
Examples of the Li source include lithium inorganic acid salts such as lithium hydroxide (LiOH), lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), lithium chloride (LiCl), and lithium phosphate (Li 3 PO 4 ), lithium acetate (LiCH 3). One or more selected from the group of lithium organic acid salts such as (COO) and lithium oxalate ((COOLi) 2 ), and hydrates thereof are preferably used.
As the A source, one or more sulfates, nitrates, chlorides and the like selected from the group consisting of Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and Cu are preferably used.

リン酸源としては、オルトリン酸(HPO)、メタリン酸(HPO)等のリン酸、リン酸二水素アンモニウム(NHPO)、リン酸水素二アンモニウム((NHHPO)、リン酸アンモニウム((NHPO)、及びこれらの水和物等が好適に用いられる。
オキソ酸源としては、酸化ケイ素(SiO)、シリコンテトラメトキシド(Si(OCH)等のSi源、酸化ホウ素(B)、ホウ酸(HBO)等のB源、の群から選択された1種または2種以上が好適に用いられる。
Examples of phosphoric acid sources include phosphoric acid such as orthophosphoric acid (H 3 PO 4 ) and metaphosphoric acid (HPO 3 ), ammonium dihydrogen phosphate (NH 4 H 2 PO 4 ), and diammonium hydrogen phosphate ((NH 4 )). 2 HPO 4 ), ammonium phosphate ((NH 4 ) 3 PO 4 ), and hydrates thereof are preferably used.
Examples of oxo acid sources include Si sources such as silicon oxide (SiO 2 ) and silicon tetramethoxide (Si (OCH 3 ) 4 ), B such as boron oxide (B 2 O 3 ) and boric acid (H 3 BO 3 ). One or more selected from the group of sources are preferably used.

この水熱合成の過程で、生成するLiPO(但し、AはCr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuの群から選択される1種または2種以上、0<x≦2、0<y≦1.5)にて表されるオリビン構造を有する電極活物質のリン酸イオン(PO 3−)の一部が、このリン酸イオン(PO 3−)以外のオキソ酸イオンにて置換され、上記のLi(PO1−u(SiO(0<x≦2、0<y≦1.5、0<u≦0.05)またはLi(PO1−v(BO(0<x≦2、0<y≦1.5、0<v≦0.05、好ましくは0<v≦0.03)が得られる。 Li x A y PO 4 (where A is one or more selected from the group of Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, 0 <x ≦ 2) , 0 <y ≦ 1.5), a part of the phosphate ion (PO 4 3− ) of the electrode active material having an olivine structure is an oxo acid other than the phosphate ion (PO 4 3− ) Li x A y (PO 4 ) 1-u (SiO 4 ) u (0 <x ≦ 2, 0 <y ≦ 1.5, 0 <u ≦ 0.05) or Li x A y (PO 4 ) 1-v (BO 3 ) v (0 <x ≦ 2, 0 <y ≦ 1.5, 0 <v ≦ 0.05, preferably 0 <v ≦ 0.03) is obtained. .

水熱合成時の温度は120℃以上かつ250℃以下が好ましく、150℃以上かつ220℃以下がより好ましい。また、この水熱合成時の圧力は0.2MPa以上が好ましく、0.4MPa以上がより好ましい。また、水熱合成時間は、水熱合成時の温度にもよるが、1時間以上かつ24時間以下が好ましく、3時間以上かつ12時間以下がより好ましい。
この場合、水熱処理時の温度、圧力及び時間を調整することにより、Li(PO1−u(SiO粒子(0<x≦2、0<y≦1.5、0<u≦0.05)、またはLi(PO1−v(BO粒子(0<x≦2、0<y≦1.5、0<v≦0.05、好ましくは0<v≦0.03)の粒子径を所望の大きさに制御することが可能である。
The temperature during hydrothermal synthesis is preferably 120 ° C. or higher and 250 ° C. or lower, and more preferably 150 ° C. or higher and 220 ° C. or lower. Further, the pressure during the hydrothermal synthesis is preferably 0.2 MPa or more, more preferably 0.4 MPa or more. The hydrothermal synthesis time depends on the temperature at the time of hydrothermal synthesis, but is preferably 1 hour or longer and 24 hours or shorter, more preferably 3 hours or longer and 12 hours or shorter.
In this case, by adjusting the temperature, pressure and time during hydrothermal treatment, Li x A y (PO 4 ) 1-u (SiO 4 ) u particles (0 <x ≦ 2, 0 <y ≦ 1.5, 0 <u ≦ 0.05), or Li x A y (PO 4 ) 1-v (BO 3 ) v particles (0 <x ≦ 2, 0 <y ≦ 1.5, 0 <v ≦ 0.05, Preferably, the particle size of 0 <v ≦ 0.03) can be controlled to a desired size.

以上説明したように、本実施形態の電極活物質によれば、LiPO(但し、AはCr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuの群から選択される1種または2種以上、0<x≦2、0<y≦1.5)にて表されるオリビン構造を有する電極活物質のリン酸イオン(PO 3−)の一部を、このリン酸イオン(PO 3−)以外のオキソ酸イオンにて置換したので、可動イオンであるリチウム(Li)や電気化学的に活性元素である遷移金属元素の一部を他の元素で置換することなく、電極活物質そのものの性質を変化させることができ、過度の微粒子化による極板化の困難性、材料の理論容量の低下等の犠牲を払うことなく、レート特性、サイクル寿命及び耐久性を向上させることができる。 As described above, according to the electrode active material of the present embodiment, Li x A y PO 4 (where A is one or two selected from the group consisting of Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu) As described above, a part of the phosphate ions (PO 4 3− ) of the electrode active material having an olivine structure represented by 0 <x ≦ 2, 0 <y ≦ 1.5) is converted to the phosphate ions (PO 4 3- ) Since it is substituted with an oxo acid ion other than), the electrode active material can be obtained without substituting some of the mobile metal lithium (Li) and electrochemically active transition metal elements with other elements. The properties of itself can be changed, and the rate characteristics, cycle life, and durability can be improved without sacrificing the difficulty of forming an electrode plate due to excessive micronization and the reduction in the theoretical capacity of the material. .

本実施形態のリチウムイオン電池によれば、本実施形態の電極活物質をリチウムイオン電池の正電極に用いたので、レート特性、サイクル寿命、耐久性、安全性及び資源の安定性に優れたリチウムイオン電池を提供することができる。   According to the lithium ion battery of this embodiment, since the electrode active material of this embodiment was used for the positive electrode of the lithium ion battery, lithium excellent in rate characteristics, cycle life, durability, safety, and resource stability An ion battery can be provided.

以下、実施例1〜9及び比較例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated concretely by Examples 1-9 and a comparative example, this invention is not limited by these Examples.

(実施例1〜6)
原料としてFeSO・7HO、LiPO、コロイダルシリカ スノーテックスO(日産化学株式会社製)、LiCHCOO・2HOを水と共に、Li:Fe:(P+Si)の質量比が3+α:1:1、固形分0.5mol/kg(生成物換算)となる様に混合し、実施例1〜6のスラリーを作製した。
ここでは、実施例1〜6それぞれに対応するSi:Pを、0.01:0.99、0.03:0.97、0.05:0.95、0.07:0.93、0.10:0.90、0.15:0.85とし、これらに対応するαを0.01、0.03、0.05、0.07、0.10、0.15とした。
(Examples 1-6)
FeSO 4 · 7H 2 O, Li 3 PO 4 , colloidal silica Snowtex O (manufactured by Nissan Chemical Co., Ltd.), LiCH 3 COO · 2H 2 O together with water as a raw material, the mass ratio of Li: Fe: (P + Si) is 3 + α The slurry of Examples 1-6 was produced so that it might become 1: 1: 1, and solid content might be 0.5 mol / kg (product conversion).
Here, Si: P corresponding to each of Examples 1 to 6 is set to 0.01: 0.99, 0.03: 0.97, 0.05: 0.95, 0.07: 0.93, 0. .10: 0.90, 0.15: 0.85, and α corresponding thereto were 0.01, 0.03, 0.05, 0.07, 0.10, 0.15.

次いで、実施例1〜6それぞれのスラリーについて、各スラリー170mLを内容積300mLの耐圧容器中に封入し、次いで、170℃、1.0MPaにて12時間、水熱合成を行い、実施例1〜6のLiFe(PSi)O系電極活物質を作製した。 Next, for each slurry of Examples 1 to 6, 170 mL of each slurry was sealed in a pressure resistant container having an internal volume of 300 mL, and then hydrothermal synthesis was performed at 170 ° C. and 1.0 MPa for 12 hours. 6 LiFe (PSi) O 4 -based electrode active material was prepared.

(実施例7〜9)
コロイダルシリカ スノーテックスO(日産化学株式会社製)をHBOに代えた他は、実施例1に準じて、実施例7〜9のスラリーを作製した。
ここでは、実施例7〜9それぞれに対応するB:Pを、0.01:0.99、0.03:0.97、0.05:0.95とし、これらに対応するαを0とした。
次いで、実施例7〜9それぞれのスラリーについて、実施例1に準じて水熱合成を行い、実施例7〜9のLiFe(PB)O系電極活物質を作製した。
(Examples 7 to 9)
Besides colloidal silica Snowtex O (manufactured by Nissan Chemical Co., Ltd.) was changed to H 3 BO 3 are prepared analogously to Example 1, to prepare a slurry of Example 7-9.
Here, B: P corresponding to each of Examples 7 to 9 is set to 0.01: 0.99, 0.03: 0.97, 0.05: 0.95, and α corresponding to these is set to 0. did.
Next, hydrothermal synthesis was performed on each slurry of Examples 7 to 9 according to Example 1 to prepare LiFe (PB) O 4 -based electrode active materials of Examples 7 to 9.

(比較例)
コロイダルシリカ スノーテックスO(日産化学株式会社製)及びHBOを添加しなかった他は、実施例1に準じて、比較例のLiFePO系電極活物質を作製した。
(Comparative example)
A LiFePO 4 -based electrode active material of a comparative example was prepared in the same manner as in Example 1 except that colloidal silica Snowtex O (manufactured by Nissan Chemical Industries, Ltd.) and H 3 BO 3 were not added.

「電極活物質の評価」
実施例1〜9及び比較例各々の電極活物質の組成分析、相の同定及び格子定数の測定を行った。
ここでは、各電極活物質を塩酸を用いて完全に溶解した後、ICP発光分光分析により組成分析を行った。表1にICP発光分光分析による実施例1〜6及び比較例各々の電極活物質中のSiの含有量(換算組成)を、表2にICP発光分光分析による実施例7〜9及び比較例各々の電極活物質中のBの含有量(換算組成)を、それぞれ示す。
組成分析の結果、各電極活物質中に添加量に比例したSiまたはBが含有していることが確認された。
"Evaluation of electrode active material"
Composition analysis, phase identification, and lattice constant measurement of each of the electrode active materials of Examples 1 to 9 and Comparative Example were performed.
Here, after each electrode active material was completely dissolved using hydrochloric acid, composition analysis was performed by ICP emission spectroscopic analysis. Table 1 shows the Si content (equivalent composition) in each of the electrode active materials of Examples 1 to 6 and Comparative Examples by ICP emission spectrometry, and Table 2 shows Examples 7 to 9 and Comparative Examples by ICP emission spectroscopy. The content (converted composition) of B in each electrode active material is shown.
As a result of the composition analysis, it was confirmed that each electrode active material contained Si or B proportional to the amount added.

Figure 2011216201
Figure 2011216201

Figure 2011216201
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また、粉末X線回折装置を用いて、実施例1〜9及び比較例各々の電極活物質の相の同定と格子定数の変化を求めた。
図1は、実施例1〜3及び比較例各々の粉末回折図形を示す図であり、LiFePOの回折面(311)及び(121)におけるピーク強度を示している。
この図によれば、Si:Pが0.01:0.99から0.05:0.95の範囲では、不純物相の生成が認められず、格子定数も単調に変化しており、Li1+aFe(PO1−u(SiO(ただし、0<a≦0.05、0<u≦0.05)で表される固溶体が生成していることが分かる。
Moreover, the identification of the phase of the electrode active material of each of Examples 1 to 9 and Comparative Example and the change in the lattice constant were determined using a powder X-ray diffractometer.
FIG. 1 is a diagram showing powder diffraction patterns of Examples 1 to 3 and Comparative Example, and shows peak intensities at the diffraction surfaces (311) and (121) of LiFePO 4 .
According to this figure, when Si: P is in the range of 0.01: 0.99 to 0.05: 0.95, the generation of the impurity phase is not recognized, and the lattice constant also changes monotonously, and Li 1 + a It can be seen that a solid solution represented by Fe (PO 4 ) 1-u (SiO 4 ) u (where 0 <a ≦ 0.05, 0 <u ≦ 0.05) is generated.

一方、Si:Pが0.07:0.93から0.15:0.85の範囲では、Siの比率が増加に伴って格子定数の変化の挙動が異なっている。その理由は、リン酸イオン(PO 3−)がマイナス三価であるのに対してケイ酸イオン(SiO 4−)がマイナス四価と陰イオンの価数が大きく、それを補うためにFeの酸化が進行し、Fe3+(III)が多くなるからと考えられる。 On the other hand, when the Si: P is in the range of 0.07: 0.93 to 0.15: 0.85, the behavior of the change in the lattice constant varies as the Si ratio increases. The reason is that the phosphate ion (PO 4 3− ) is negatively trivalent while the silicate ion (SiO 4 4− ) is negatively tetravalent and the anion has a large valence. It is thought that the oxidation of Fe proceeds and Fe 3+ (III) increases.

実施例7〜9及び比較例各々の粉末回折図形でも同様の挙動が認められ、不純物相の生成が認められず、格子定数も単調に変化しているB:Pの範囲と、格子定数の変化の挙動が異なっているB:Pの範囲との境界はB:P=0.03:0.97であったが、ここで生成した固溶体Li1+bFe(PO1−v(BO(ただし、0<b≦0.03、0<v≦0.05)は、Li1+aFe(PO1−u(SiO(ただし、0<a≦0.05、0<u≦0.05)で表される固溶体と異なり、B:Pが0.03:0.97から0.05:0.95の範囲では、電極活物質中のB量に差は認められなかった。その理由は、SiOが水に不溶で、固溶の有無にかかわらず電極活物質中に含まれるのに対し、HBOが水に可溶であることから、固溶していないBは全て洗浄により除去されてしまったと考えられる。 The same behavior was observed in each of the powder diffraction patterns of Examples 7 to 9 and Comparative Example, the formation of an impurity phase was not observed, and the lattice constant also changed monotonously, and the range of B: P and the change of the lattice constant The boundary with the range of B: P in which the behavior of B: P is different was B: P = 0.03: 0.97, but the solid solution Li 1 + b Fe (PO 4 ) 1-v (BO 3 ) produced here v (where 0 <b ≦ 0.03, 0 <v ≦ 0.05) is Li 1 + a Fe (PO 4 ) 1-u (SiO 4 ) u (where 0 <a ≦ 0.05, 0 < Unlike the solid solution represented by u ≦ 0.05), there is no difference in the amount of B in the electrode active material when B: P is in the range of 0.03: 0.97 to 0.05: 0.95. It was. The reason is that SiO 2 is insoluble in water and contained in the electrode active material regardless of the presence or absence of solid solution, whereas H 3 BO 3 is soluble in water. Is considered to have been removed by washing.

「リチウムイオン電池の作製」
実施例1〜9及び比較例各々の電極板を作製した。
ここでは、実施例1〜9及び比較例各々にて得られた各電極活物質、導電助剤としてアセチレンブラック(AB)、結着材(バインダー)としてポリフッ化ビニリデン(PVdF)を、質量比が電極活物質:AB:PVdF=85:10:5となるように、溶媒であるN−メチル−2−ピロリジノン(NMP)に投入して混合し、正極材料ペーストとした。
ここでは、電極活物質そのものの性能を比較するために、カーボン被覆等の処理を行わず、遠心脱泡混練機による混合のみでペーストを作製した。
“Production of lithium-ion batteries”
Electrode plates for Examples 1 to 9 and Comparative Example were prepared.
Here, each electrode active material obtained in each of Examples 1 to 9 and Comparative Example, acetylene black (AB) as a conductive auxiliary agent, polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder (binder), and a mass ratio Electrode active material: AB: PVdF = 85: 10: 5 was added to N-methyl-2-pyrrolidinone (NMP) as a solvent and mixed to obtain a positive electrode material paste.
Here, in order to compare the performance of the electrode active material itself, a paste was prepared only by mixing with a centrifugal defoaming kneader without performing treatment such as carbon coating.

次いで、これらのペーストを厚み30μmのアルミニウム(Al)箔上に塗布し、乾燥した。その後、所定の密度となる様に圧着し、電極板とした。
一方、対極には金属Liを用いた。セパレーターとしては、多孔質ポリプロピレン膜を用いた。また、非水電解質溶液として1mol/LのLiPF溶液を用いた。このLiPF溶液の溶媒としては、炭酸エチレンと炭酸ジエチルとの体積比が1:1のものを用いた。
以上により作製された電極板、対極および非水電解質溶液を用い、ステンレススチール(SUS)製の2016コイン型セルを用いて、実施例1〜9及び比較例各々のリチウムイオン電池を作製した。
Next, these pastes were applied onto an aluminum (Al) foil having a thickness of 30 μm and dried. Then, it crimped | bonded so that it might become a predetermined density, and it was set as the electrode plate.
On the other hand, metal Li was used for the counter electrode. A porous polypropylene membrane was used as the separator. Further, a 1 mol / L LiPF 6 solution was used as the non-aqueous electrolyte solution. As a solvent for this LiPF 6 solution, a solvent having a volume ratio of ethylene carbonate to diethyl carbonate of 1: 1 was used.
Using the electrode plate, counter electrode, and non-aqueous electrolyte solution prepared as described above, lithium ion batteries of Examples 1 to 9 and Comparative Examples were prepared using a 2016 coin cell made of stainless steel (SUS).

「電池性能試験」
実施例1〜9及び比較例各々のリチウムイオン電池に対して、電池充放電試験を行った。
ここでは、環境温度60℃、充電電流0.1CAで、試験極の電位がLiの平衡電位に対して所定の充電電圧になるまで充電し、1分間休止の後、0.1CA及び1CAの放電電流で2.0Vになるまで放電させて行った。
この電池充放電試験においては、カットオフ電圧を2〜4.2Vとした。
実施例1〜6及び比較例の放電容量(mAh/g)を表3に、実施例7〜9及び比較例の放電容量(mAh/g)を表4に、それぞれ示す。
"Battery performance test"
A battery charge / discharge test was performed on each of the lithium ion batteries of Examples 1 to 9 and Comparative Example.
Here, charging is performed at an environmental temperature of 60 ° C. and a charging current of 0.1 CA until the potential of the test electrode reaches a predetermined charging voltage with respect to the Li equilibrium potential, and after a pause of 1 minute, discharging of 0.1 CA and 1 CA is performed. It discharged by discharging until it became 2.0V with an electric current.
In this battery charge / discharge test, the cut-off voltage was set to 2 to 4.2V.
Table 3 shows the discharge capacities (mAh / g) of Examples 1 to 6 and Comparative Examples, and Table 4 shows the discharge capacities (mAh / g) of Examples 7 to 9 and Comparative Examples.

Figure 2011216201
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Figure 2011216201
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表3によれば、Si:Pが0.01:0.99から0.05:0.95の範囲では、全て、Siを含まない比較例と比べて放電容量が増加し、特に高レートで放電容量の増加が顕著であった。その理由は、リン酸イオン(PO 3−)をケイ酸イオン(SiO 4−)に置換することで、電極活物質そのものの性質を変化させ、可動イオンであるLiの拡散性を向上させることができたと考えられる。
具体的には、図2に示すように、Liの拡散方向であるb軸の長さが減少し、一方、拡散時に障壁となるLiサイト間のボトルネック面積(a−c面の面積)が拡張したことにより、Liの拡散が容易になったからと考えられる。
According to Table 3, when Si: P is in the range of 0.01: 0.99 to 0.05: 0.95, the discharge capacity is increased as compared with the comparative example not containing Si, particularly at a high rate. The increase in discharge capacity was significant. The reason is that by replacing phosphate ions (PO 4 3− ) with silicate ions (SiO 4 4− ), the properties of the electrode active material itself are changed and the diffusibility of Li, which is a mobile ion, is improved. It is thought that it was possible.
Specifically, as shown in FIG. 2, the length of the b-axis, which is the diffusion direction of Li, is reduced, while the bottleneck area (area of the ac surface) between Li sites that becomes a barrier during diffusion is reduced. This is probably because Li has become easier to diffuse.

一方、Si:Pが0.07:0.93から0.15:0.85の範囲では、Siを含まない比較例と比べて放電容量が大きく低下し、その傾向は、特に高レートで顕著であった。その理由は、Fe3+(III)が多くなることによる影響か、あるいは非固溶SiOによる絶縁性相の生成によると考えられる。 On the other hand, when Si: P is in the range of 0.07: 0.93 to 0.15: 0.85, the discharge capacity is greatly reduced as compared with the comparative example not containing Si, and this tendency is particularly remarkable at a high rate. Met. The reason for this is considered to be the effect of increasing Fe 3+ (III) or the generation of an insulating phase by insoluble SiO 2 .

表4においても、B:Pが0.01:0.99から0.05:0.95の範囲で性能が向上したが、Bが過剰の場合のBの影響はSiよりも小さいものであった。その理由は、過剰のBが洗浄により除去されてしまったことから、組成が若干ずれることによる影響のみが現れたためであると考えられる。   Also in Table 4, the performance was improved when B: P was in the range of 0.01: 0.99 to 0.05: 0.95. However, when B is excessive, the influence of B is smaller than that of Si. It was. The reason for this is thought to be that only an influence due to a slight shift in the composition appeared because excess B was removed by washing.

以上の結果によれば、オリビン構造を有するLiFePO系電極活物質のリン酸イオン(PO 3−)の一部を、ケイ酸イオン(SiO 4−)、ホウ酸イオン(BO 3−)等のリン酸イオン(PO 3−)以外のオキソ酸イオンにて置換することで、可動イオンであるLiや電気化学的に活性元素である遷移金属元素の一部を他の元素で置換することなく、電極活物質そのものの性質を変化させることができる。したがって、過度の微粒子化による極板化の困難性、電極活物質の理論容量の低下等の犠牲を払うことなく、レート特性、サイクル寿命及び耐久性に優れたリチウムイオン電池を作製することができる。 According to the above results, a part of the phosphate ion (PO 4 3− ) of the LiFePO 4 -based electrode active material having an olivine structure is replaced with silicate ion (SiO 4 4− ), borate ion (BO 3 3− ) And other oxo acid ions other than phosphate ions (PO 4 3− ) to replace Li as a mobile ion and part of the transition metal element as an electrochemically active element with another element. Without changing the properties of the electrode active material itself. Therefore, a lithium ion battery having excellent rate characteristics, cycle life and durability can be produced without sacrificing difficulty in forming an electrode plate due to excessive fine particles and a decrease in the theoretical capacity of the electrode active material. .

なお、実施例1〜9では、導電助剤としてアセチレンブラックを用いているが、カーボンブラック、グラファイト、ケッチェンブラック、天然黒鉛、人造黒鉛等の炭素材料を用いてもよい。
また、実施例1〜9では、電極材料自体の挙動をデータに反映させるために、負極に金属リチウムを用いたが、金属リチウムの代わりに天然黒鉛、人造黒鉛、コークス等の炭素材料、Li−Si合金、Li−Sn合金等のリチウム合金、LiTi12等の負極材料を用いてもよい。
In Examples 1 to 9, although acetylene black is used as a conductive additive, carbon materials such as carbon black, graphite, ketjen black, natural graphite, and artificial graphite may be used.
Moreover, in Examples 1-9, in order to reflect the behavior of the electrode material itself in the data, metallic lithium was used for the negative electrode, but instead of metallic lithium, carbon materials such as natural graphite, artificial graphite, coke, etc. Si alloy, lithium alloy such as Li-Sn alloy, may be used anode material such as Li 4 Ti 5 O 12.

また、非水電解質溶液として、炭酸エチレンと炭酸ジエチルとの体積比が1:1の溶媒にLiPFを溶解したLiPF溶液を用いたが、LiPFの代わりにLiBFやLiClO溶液を用いてもよく、炭酸エチレンの代わりにプロピレンカーボネートやジエチルカーボネートを用いてもよい。
また、電解液とセパレーターの代わりに固体電解質を用いてもよい。
Further, as the non-aqueous electrolyte solution, a LiPF 6 solution in which LiPF 6 was dissolved in a solvent having a volume ratio of ethylene carbonate to diethyl carbonate of 1: 1 was used, but LiBF 4 or LiClO 4 solution was used instead of LiPF 6. Alternatively, propylene carbonate or diethyl carbonate may be used instead of ethylene carbonate.
Moreover, you may use a solid electrolyte instead of electrolyte solution and a separator.

本発明の電極活物質は、LiPO(但し、AはCr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuの群から選択される1種または2種以上、0<x≦2、0<y≦1.5)にて表されるオリビン構造を有する電極活物質のリン酸イオン(PO 3−)の一部を、このリン酸イオン(PO 3−)以外のオキソ酸イオンにて置換したことにより、放電容量、レート特性、サイクル特性、安定性に優れたリチウムイオン電池の作製を容易としたものであるから、高放電容量、高出力特性のみならず、長期の安定性、安全性、信頼性が要求される電気自動車、ハイブリッド自動車等の移動体用電源、電動工具等の電源、あるいは発電設備の負荷平準化用途等の分野に対しても適用することが可能であり、その効果は非常に大きなものである。 The electrode active material of the present invention is Li x A y PO 4 (where A is one or more selected from the group consisting of Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, 0 <x ≦ 2, 0 A part of the phosphate ion (PO 4 3− ) of the electrode active material having an olivine structure represented by <y ≦ 1.5) is converted into an oxo acid ion other than the phosphate ion (PO 4 3− ). Replacement makes it easy to produce lithium-ion batteries with excellent discharge capacity, rate characteristics, cycle characteristics, and stability, so that not only high discharge capacity and high output characteristics, but also long-term stability, It can also be applied to fields such as power sources for mobile vehicles such as electric vehicles and hybrid vehicles that require safety and reliability, power sources such as electric tools, and load leveling applications for power generation facilities. The effect is very large.

Claims (3)

LiPO(但し、AはCr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuの群から選択される1種または2種以上、0<x≦2、0<y≦1.5)にて表されるオリビン構造を有する電極活物質のリン酸イオンの一部を、このリン酸イオン以外のオキソ酸イオンにて置換してなることを特徴とする電極活物質。 Li x A y PO 4 (where A is one or more selected from the group of Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, 0 <x ≦ 2, 0 <y ≦ 1.5) An electrode active material obtained by substituting a part of phosphate ions of an electrode active material having an olivine structure represented by oxo acid ions other than the phosphate ions. 前記オキソ酸イオンは、ケイ酸イオン、ホウ酸イオンのいずれか1種または2種であることを特徴とする請求項1記載の電極活物質。   The electrode active material according to claim 1, wherein the oxo acid ion is one or two of silicate ion and borate ion. 請求項1または2記載の電極活物質を用いた電極を備えてなることを特徴とするリチウムイオン電池。   A lithium ion battery comprising an electrode using the electrode active material according to claim 1.
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