JP2012028288A - Manufacturing method of electrode active material, electrode active material manufactured by manufacturing method, and nonaqueous electrolyte secondary battery including electrode active material - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、一般的には電極活物質の製造方法、その製造方法によって製造された電極活物質ならびにその電極活物質を備えた非水電解質二次電池に関し、特定的には、スピネル型構造のリチウムチタン複合酸化物を含む電極活物質の製造方法、その製造方法によって製造された電極活物質ならびにその電極活物質を備えた非水電解質二次電池に関する。 The present invention generally relates to a method for producing an electrode active material, an electrode active material produced by the production method, and a non-aqueous electrolyte secondary battery provided with the electrode active material. The present invention relates to a method for producing an electrode active material containing a lithium titanium composite oxide, an electrode active material produced by the production method, and a nonaqueous electrolyte secondary battery provided with the electrode active material.
携帯電話、ノートパソコン、デジタルカメラ等の携帯用電子機器の市場拡大に伴い、これら電子機器のコードレス電源としてエネルギー密度が大きく長寿命の二次電池が待望されている。そして、このような要求に応えるべく、リチウムイオン等のアルカリ金属イオンを荷電担体とし、その電荷授受に伴う電気化学反応を利用した二次電池が開発されている。その中でも、エネルギー密度の大きなリチウムイオン二次電池は広く普及している。 With the expansion of the market for portable electronic devices such as mobile phones, notebook computers, and digital cameras, secondary batteries with high energy density and long life are expected as cordless power sources for these electronic devices. In response to such demands, secondary batteries have been developed that use an alkali metal ion such as lithium ion as a charge carrier and use an electrochemical reaction associated with the charge exchange. Among them, lithium ion secondary batteries having a large energy density are widely used.
上記のリチウムイオン二次電池では、正極活物質としてコバルト酸リチウムやマンガン酸リチウム等のリチウム含有遷移金属酸化物が使用されている。また、負極活物質として、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な炭素材料が使用されている。炭素材料の中でも、天然黒鉛や人造黒鉛等の黒鉛は、放電電圧がリチウム金属に対して0.2Vと低く、黒鉛を負極活物質として用いた場合、放電電圧が3.6Vの電池が可能となる。しかしながら、炭素材料を負極に用いた場合、電池内部で短絡が発生すると、負極から正極に一気にリチウムイオンが流れ、温度が急上昇する恐れがある。 In the above lithium ion secondary battery, a lithium-containing transition metal oxide such as lithium cobaltate or lithium manganate is used as the positive electrode active material. In addition, a carbon material capable of inserting and extracting lithium ions is used as the negative electrode active material. Among carbon materials, graphite such as natural graphite and artificial graphite has a discharge voltage as low as 0.2 V with respect to lithium metal, and when graphite is used as a negative electrode active material, a battery having a discharge voltage of 3.6 V is possible. Become. However, when a carbon material is used for the negative electrode, if a short circuit occurs inside the battery, lithium ions may flow from the negative electrode to the positive electrode at once, and the temperature may increase rapidly.
そこで、電池内部で短絡が生じても急激に電流が流れないチタン酸リチウム等のリチウムチタン複合酸化物が注目されている。リチウムチタン複合酸化物は、結晶格子の構造、サイズを変化させることなくリチウムイオンを吸蔵・放出できる材料であり、高信頼性の非水電解質二次電池の電極活物質として有力である。 Then, lithium titanium complex oxides, such as lithium titanate, which does not flow abruptly even if a short circuit occurs inside the battery, have attracted attention. Lithium titanium composite oxide is a material that can occlude and release lithium ions without changing the structure and size of the crystal lattice, and is a promising electrode active material for highly reliable nonaqueous electrolyte secondary batteries.
例えば、特許第3502118号公報(以下、特許文献1という)では、負極が一般式LixTiyO4(0.8≦x≦1.4、1.6≦y≦2.2)で表されるチタン酸リチウムからなるリチウム二次電池が開示されている。また、特許文献1では、水酸化リチウムまたは炭酸リチウムと酸化チタンとを混合し、その混合物を焼成することによって、上記のリチウム二次電池の負極を製造する方法が開示されている。 For example, in Japanese Patent No. 3502118 (hereinafter referred to as Patent Document 1), the negative electrode is represented by the general formula Li x Ti y O 4 (0.8 ≦ x ≦ 1.4, 1.6 ≦ y ≦ 2.2). A lithium secondary battery made of lithium titanate is disclosed. Patent Document 1 discloses a method for producing a negative electrode of the above lithium secondary battery by mixing lithium hydroxide or lithium carbonate and titanium oxide and firing the mixture.
特開2008‐130560号公報(以下、特許文献2という)では、Li1+xTi1-x-yMyO2+z(0.01≦x≦0.5、0≦y≦0.3、および−0.2≦z≦0.2であり、Mは、V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Zr等から選択される元素)で表されるリチウム二次電池用負極活物質とその製造方法が開示されている。 JP 2008-130560 discloses (hereinafter, referred to as Patent Document 2) In, Li 1 + x Ti 1- xy M y O 2 + z (0.01 ≦ x ≦ 0.5,0 ≦ y ≦ 0.3, And −0.2 ≦ z ≦ 0.2, and M is an element selected from V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, etc.) A negative electrode active material and a manufacturing method thereof are disclosed.
しかしながら、本発明者の知見によれば、特許文献1に記載されたチタン酸リチウム、または、特許文献2に記載されたリチウムチタン複合酸化物、を非水電解質二次電池の負極活物質に用いると、その非水電解質二次電池は、サイクル特性が良好であるが、急速充電特性が低いという問題がある。 However, according to the knowledge of the present inventors, lithium titanate described in Patent Document 1 or lithium-titanium composite oxide described in Patent Document 2 is used as a negative electrode active material for a nonaqueous electrolyte secondary battery. The non-aqueous electrolyte secondary battery has a good cycle characteristic, but has a problem that the quick charge characteristic is low.
そこで、本発明の目的は、非水電解質二次電池の急速充電特性を向上させることが可能な電極活物質の製造方法、その製造方法によって製造された電極活物質ならびにその電極活物質を備えた非水電解質二次電池を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for producing an electrode active material capable of improving the quick charge characteristics of a nonaqueous electrolyte secondary battery, an electrode active material produced by the production method, and the electrode active material. A non-aqueous electrolyte secondary battery is provided.
本発明者は、従来技術の問題点を解決するために鋭意研究を重ねた結果、チタン成分の原材料として平均比表面積が異なる少なくとも2種類の酸化チタン粉末を準備して、スピネル型構造のチタン酸リチウムを含む電極活物質を作製することにより、上記の目的を達成できることを見出した。この知見に基づいて、本発明に従った電極活物質の製造方法は、次のような特徴を備えている。 As a result of intensive studies to solve the problems of the prior art, the present inventor prepared at least two types of titanium oxide powders having different average specific surface areas as raw materials for the titanium component, and obtained titanic acid having a spinel structure. It has been found that the above object can be achieved by producing an electrode active material containing lithium. Based on this finding, the method for producing an electrode active material according to the present invention has the following characteristics.
本発明に従った電極活物質の製造方法は、スピネル型構造のチタン酸リチウムを含む電極活物質の製造方法であって、以下の工程を備える。 The method for producing an electrode active material according to the present invention is a method for producing an electrode active material containing spinel type lithium titanate, and includes the following steps.
(a)平均比表面積が異なる少なくとも2種類の酸化チタン粉末を準備する工程 (A) Step of preparing at least two types of titanium oxide powders having different average specific surface areas
(b)少なくとも、上記の酸化チタン粉末とリチウム化合物とを混合して混合物を得る混合工程 (B) A mixing step of mixing at least the titanium oxide powder and the lithium compound to obtain a mixture
(c)上記の混合物を焼成する工程 (C) The step of firing the above mixture
本発明の電極活物質の製造方法において、上記の2種類の酸化チタン粉末の平均比表面積が2倍以上異なることが好ましい。 In the method for producing an electrode active material according to the present invention, it is preferable that the average specific surface areas of the two types of titanium oxide powders differ by 2 times or more.
また、本発明の電極活物質の製造方法において、上記の2種類の酸化チタン粉末は、平均比表面積が20m2/g未満の第1の酸化チタン粉末と、平均比表面積が20m2/gを超える第2の酸化チタン粉末とを含むことが好ましい。 Moreover, in the manufacturing method of the electrode active material of this invention, said two types of titanium oxide powders are the 1st titanium oxide powder whose average specific surface area is less than 20 m < 2 > / g, and an average specific surface area are 20 m < 2 > / g. It is preferable that the 2nd titanium oxide powder exceeding is included.
上記の混合工程において混合される上記のリチウム化合物が炭酸リチウムであることが好ましい。 The lithium compound mixed in the mixing step is preferably lithium carbonate.
本発明の電極活物質は、上記の製造方法によって製造されたものである。 The electrode active material of the present invention is manufactured by the above manufacturing method.
本発明の非水電解質二次電池は、上記の電極活物質を含む電極を備えたものである。 The nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention is provided with an electrode containing the above electrode active material.
本発明によれば、スピネル型構造のチタン酸リチウムを含む電極活物質において、非水電解質二次電池の急速充電特性を向上させることが可能な電極活物質を得ることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the electrode active material which can improve the quick charge characteristic of a nonaqueous electrolyte secondary battery can be obtained in the electrode active material containing spinel type lithium titanate.
本発明の電極活物質は、スピネル型構造のチタン酸リチウムを含む電極活物質であって、平均比表面積が異なる少なくとも2種類の酸化チタン粉末を準備して、この酸化チタン粉末とリチウム化合物とを混合し、その混合物を焼成することにより作製されたものであることを特徴としている。この特徴により、本発明の電極活物質は、急速充電特性(または高率充電特性)を向上させることが可能となる。 The electrode active material of the present invention is an electrode active material containing spinel type lithium titanate, and at least two types of titanium oxide powders having different average specific surface areas are prepared, and the titanium oxide powder and the lithium compound are prepared. It is characterized by being produced by mixing and firing the mixture. With this feature, the electrode active material of the present invention can improve the quick charge characteristics (or high rate charge characteristics).
本発明の電極活物質において、上記の2種類の酸化チタン粉末の平均比表面積が2倍以上異なることが好ましい。この場合、急速充電特性をより向上させることが可能となる。 In the electrode active material of the present invention, it is preferable that the average specific surface areas of the two types of titanium oxide powders differ by 2 times or more. In this case, quick charge characteristics can be further improved.
また、本発明の電極活物質において、上記の2種類の酸化チタン粉末は、平均比表面積が20m2/g未満の第1の酸化チタン粉末と、平均比表面積が20m2/gを超える第2の酸化チタン粉末とを含むことが好ましい。この場合、急速充電特性をより向上させることが可能となる。 In the electrode active material of the present invention, the two types of titanium oxide powders include a first titanium oxide powder having an average specific surface area of less than 20 m 2 / g and a second titanium oxide powder having an average specific surface area of more than 20 m 2 / g. The titanium oxide powder is preferably included. In this case, quick charge characteristics can be further improved.
なお、本発明の電極活物質に含まれるスピネル型構造のチタン酸リチウムとしては、Li4Ti5O12等を挙げることができる。チタン酸リチウムがリチウム、チタンおよび酸素以外の元素を含んでいてもよい。また、リチウム、チタンおよび酸素以外の元素が、スピネル型構造のチタン酸リチウム中に置換された化合物として含まれる場合もある。 Note that examples of the spinel-type lithium titanate contained in the electrode active material of the present invention include Li 4 Ti 5 O 12 . Lithium titanate may contain elements other than lithium, titanium, and oxygen. In addition, an element other than lithium, titanium, and oxygen may be included as a substituted compound in lithium titanate having a spinel structure.
上記のスピネル型構造のチタン酸リチウムの結晶構造は安定している。このため、充放電に伴うリチウムの吸蔵と放出によって結晶構造が崩壊し難い。これにより、本発明の電極活物質を含む電極を備えることにより、サイクル特性の良好な非水電解質二次電池を得ることが可能となる。 The crystal structure of the above-mentioned spinel type lithium titanate is stable. For this reason, the crystal structure is unlikely to collapse due to insertion and extraction of lithium accompanying charging and discharging. Thereby, by providing the electrode containing the electrode active material of the present invention, it is possible to obtain a nonaqueous electrolyte secondary battery with good cycle characteristics.
本発明の電極活物質の製造方法では、まず、平均比表面積が異なる少なくとも2種類の酸化チタン粉末を準備する。そして、少なくとも、上記の酸化チタン粉末とリチウム化合物とを混合して混合物を得る。この混合物を焼成することにより、電極活物質を作製する。上記の2種類の酸化チタン粉末の平均比表面積が2倍以上異なることが好ましい。また、上記の2種類の酸化チタン粉末は、平均比表面積が20m2/g未満の第1の酸化チタン粉末と、平均比表面積が20m2/gを超える第2の酸化チタン粉末とを含むことが好ましい。 In the method for producing an electrode active material of the present invention, first, at least two types of titanium oxide powders having different average specific surface areas are prepared. Then, at least the titanium oxide powder and the lithium compound are mixed to obtain a mixture. An electrode active material is produced by baking this mixture. It is preferable that the average specific surface areas of the two types of titanium oxide powders differ by 2 times or more. The two types of titanium oxide powders include a first titanium oxide powder having an average specific surface area of less than 20 m 2 / g and a second titanium oxide powder having an average specific surface area of more than 20 m 2 / g. Is preferred.
本発明の一つの実施の形態として、上記の混合工程において混合される上記のリチウム化合物としては、リチウムの酸化物、炭酸塩、無機酸塩、有機酸塩、塩化物等が挙げられるが、具体的には、水酸化リチウム、炭酸リチウム等が挙げられる。特に、上記のリチウム化合物として炭酸リチウムを使用することが好ましい。 As one embodiment of the present invention, examples of the lithium compound mixed in the mixing step include lithium oxides, carbonates, inorganic acid salts, organic acid salts, and chlorides. Specifically, lithium hydroxide, lithium carbonate, etc. are mentioned. In particular, it is preferable to use lithium carbonate as the lithium compound.
上記の混合工程における混合方法、混合条件および上記の焼成工程における焼成方法、焼成条件は、非水電解質二次電池の要求特性や生産性等を考慮し、任意に設定することができる。 The mixing method, mixing conditions in the mixing step, and the baking method and baking conditions in the baking step can be arbitrarily set in consideration of the required characteristics and productivity of the nonaqueous electrolyte secondary battery.
次に、本発明の電極活物質を負極活物質に用いた場合の非水電解質二次電池の製造方法の一例を以下で詳細に説明する。 Next, an example of a method for producing a nonaqueous electrolyte secondary battery when the electrode active material of the present invention is used as a negative electrode active material will be described in detail below.
まず、負極を形成する。例えば、負極活物質を導電助剤、および結合剤と共に混合し、有機溶剤または水を加えて負極活物質スラリーとし、この負極活物質スラリーを電極集電体上に任意の塗工方法で塗工し、乾燥することにより負極を形成する。 First, a negative electrode is formed. For example, a negative electrode active material is mixed with a conductive additive and a binder, an organic solvent or water is added to form a negative electrode active material slurry, and this negative electrode active material slurry is coated on the electrode current collector by an arbitrary coating method. Then, the negative electrode is formed by drying.
次に、正極を形成する。例えば、正極活物質を導電助剤、および結合剤と共に混合し、有機溶剤または水を加えて正極活物質スラリーとし、この正極活物質スラリーを電極集電体上に任意の塗工方法で塗工し、乾燥することにより正極を形成する。 Next, a positive electrode is formed. For example, a positive electrode active material is mixed with a conductive additive and a binder, an organic solvent or water is added to form a positive electrode active material slurry, and this positive electrode active material slurry is coated on the electrode current collector by an arbitrary coating method. And drying to form a positive electrode.
本発明において、正極活物質は特に限定されるものではなく、コバルト酸リチウム、マンガン酸リチウム、ニッケル酸リチウム等のリチウム化合物、マンガンとニッケルに加えて場合によってはアルミニウム等を含有するリチウム遷移金属複合酸化物等を使用することができる。 In the present invention, the positive electrode active material is not particularly limited, and a lithium transition metal composite containing lithium compounds such as lithium cobaltate, lithium manganate, and lithium nickelate, and optionally aluminum in addition to manganese and nickel. An oxide or the like can be used.
本発明において結合剤は特に限定されるものではなく、ポリエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリヘキサフルオロプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレンオキサイド、カルボキシメチルセルロース等の各種樹脂を使用することができる。 In the present invention, the binder is not particularly limited, and various resins such as polyethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polytetrafluoroethylene, polyethylene oxide, and carboxymethyl cellulose can be used.
また、有機溶剤についても、特に限定されるものではなく、例えば、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、N‐メチル‐2‐ピロリドン、プロピレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、γ‐ブチロラクトン等の塩基性溶媒、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、ニトロベンゼン、アセトン等の非水溶媒、メタノール、エタノール等のプロトン性溶媒等を使用することができる。また、有機溶剤の種類、有機化合物と有機溶剤との配合比、添加剤の種類とその添加量等は、二次電池の要求特性や生産性等を考慮し、任意に設定することができる。 Further, the organic solvent is not particularly limited, and examples thereof include basic solvents such as dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, N-methyl-2-pyrrolidone, propylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, and γ-butyrolactone, acetonitrile. Nonaqueous solvents such as tetrahydrofuran, nitrobenzene, and acetone, and protic solvents such as methanol and ethanol can be used. Moreover, the kind of organic solvent, the compounding ratio of the organic compound and the organic solvent, the kind of additive and the addition amount thereof can be arbitrarily set in consideration of the required characteristics and productivity of the secondary battery.
次いで、図1に示すように、上記で得られた正極14を電解質に含浸させることにより、この正極14に電解質を染み込ませた後、正極端子を兼ねたケース11の底部中央の正極集電体上に正極14を載置する。その後、電解質を含浸させたセパレータ16を正極14上に積層し、さらに負極15と集電板17を順次積層し、内部空間に電解質を注入する。そして、集電板17上に金属製のばね部材18を載置すると共に、ガスケット13を周縁に配し、かしめ機等で負極端子を兼ねた封口板12をケース11に固着して外装封止することによってコイン型非水電解質二次電池1が作製される。
Next, as shown in FIG. 1, the
なお、電解質は、正極14と対向電極である負極15との間に介在して両電極間の荷電担体輸送を行う。このような電解質としては、室温で10-5〜10-1S/cmのイオン伝導度を有するものを使用することができる。例えば、電解質塩を有機溶剤に溶解させた電解液を使用することができる。ここで、電解質塩としては、例えば、LiPF6、LiClO4、LiBF4、LiCF3SO3、Li(CF3SO2)2N、Li(C2F5SO2)2N、Li(CF3SO2)3C、Li(C2F5SO2)3C等を使用することができる。
The electrolyte is interposed between the
上記の有機溶剤としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、γ‐ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、スルホラン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N‐メチル‐2‐ピロリドン等を使用することができる。 As the organic solvent, ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, γ-butyrolactone, tetrahydrofuran, dioxolane, sulfolane, dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, etc. are used. be able to.
また、電解質には、固体電解質を使用してもよい。固体電解質に用いられる高分子化合物としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン‐ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン‐エチレン共重合体、フッ化ビニリデン‐モノフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン‐トリフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン‐テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン‐ヘキサフルオロプロピレン‐テトラフルオロエチレン三元共重合体等のフッ化ビニリデン系重合体、アクリロニトリル‐メチルメタクリレート共重合体、アクリロニトリル‐メチルアクリレート共重合体、アクリロニトリル‐エチルメタクリレート共重合体、アクリロニトリル‐エチルアクリレート共重合体、アクリロニトリル‐メタクリル酸共重合体、アクリロニトリル‐アクリル酸共重合体、アクリロニトリル‐ビニルアセテート共重合体等のアクリルニトリル系重合体、さらにはポリエチレンオキサイド、エチレンオキサイド‐プロピレンオキサイド共重合体、およびこれらのアクリレート体やメタクリレート体の重合体等を挙げることができる。また、これらの高分子化合物に電解液を含ませてゲル状にしたものを電解質として使用してもよい。あるいは電解質塩を含有させた高分子化合物のみをそのまま電解質に使用してもよい。なお、電解質として、Li2S‐P2S5系、Li2S‐B2S3系、Li2S‐SiS2系に代表される硫化物ガラス、ぺロブスカイト構造を有する酸化物、ナシコン構造を有する酸化物等の無機固体電解質を用いてもよい。 Moreover, you may use a solid electrolyte for electrolyte. Examples of the polymer compound used for the solid electrolyte include polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-ethylene copolymer, vinylidene fluoride-monofluoroethylene copolymer, and fluoride. Vinylidene fluoride polymers such as vinylidene-trifluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene terpolymer, and acrylonitrile-methyl methacrylate copolymer Polymer, acrylonitrile-methyl acrylate copolymer, acrylonitrile-ethyl methacrylate copolymer, acrylonitrile-ethyl acrylate copolymer, acrylonitrile-methacrylic acid copolymer, acrylonitrile-acrylic Examples include acrylic acid polymers such as formic acid copolymers and acrylonitrile-vinyl acetate copolymers, as well as polyethylene oxide, ethylene oxide-propylene oxide copolymers, and polymers of these acrylates and methacrylates. Can do. Moreover, you may use what made these polymer compounds contain electrolyte solution and made it gelatinous as electrolyte. Alternatively, only a polymer compound containing an electrolyte salt may be used as an electrolyte as it is. Incidentally, as an electrolyte, Li 2 S-P 2 S 5 based, Li 2 S-B 2 S 3 type, sulfide glass represented by Li 2 S-SiS 2 system oxide having a perovskite structure, NASICON structure An inorganic solid electrolyte such as an oxide containing
上記の実施の形態では、コイン型二次電池について説明したが、電池形状は特に限定されるものでないのはいうまでもなく、円筒型、角型、シート型等にも適用できる。また、外装方法も特に限定されず、金属ケース、モールド樹脂、アルミニウムラミネートフィルム等を使用してもよい。 In the above embodiment, the coin-type secondary battery has been described. However, the battery shape is not particularly limited, and can be applied to a cylindrical type, a square type, a sheet type, and the like. Further, the exterior method is not particularly limited, and a metal case, a mold resin, an aluminum laminate film, or the like may be used.
また、上記の実施の形態では、本発明の電極活物質を負極に使用したが、正極にも適用可能である。 In the above embodiment, the electrode active material of the present invention is used for the negative electrode, but the present invention can also be applied to the positive electrode.
さらに、上記の実施の形態では、電極活物質を非水電解質二次電池に使用した場合について述べたが、一次電池にも使用することが可能である。 Furthermore, although the case where the electrode active material is used for a non-aqueous electrolyte secondary battery has been described in the above embodiment, it can also be used for a primary battery.
次に、本発明の実施例を具体的に説明する。なお、以下に示す実施例は一例であり、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。 Next, examples of the present invention will be specifically described. In addition, the Example shown below is an example and this invention is not limited to the following Example.
以下、スピネル型構造のチタン酸リチウムを主成分として含む電極活物質を作製し、それを用いたコイン型非水電解質二次電池の実施例1〜3と比較例1〜3について説明する。 Hereinafter, Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 of a coin-type nonaqueous electrolyte secondary battery using an electrode active material containing spinel type lithium titanate as a main component and using the electrode active material will be described.
(電極活物質の作製) (Production of electrode active material)
スピネル型構造のチタン酸リチウム(Li4Ti5O12)を主成分として含む電極活物質の作製を以下の方法で行った。 An electrode active material containing spinel type lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ) as a main component was produced by the following method.
まず、チタン酸リチウムのチタン成分の原料として、平均比表面積が異なる2種類の酸化チタン(TiO2)粉末を準備した。具体的には、平均比表面積が10.8m2/gの第1の酸化チタン粉末と、平均比表面積が31.7m2/gの第2の酸化チタン粉末とを準備した。ここで、平均比表面積の測定方法はBET法を採用した。 First, two types of titanium oxide (TiO 2 ) powders having different average specific surface areas were prepared as raw materials for the titanium component of lithium titanate. Specifically, a first titanium oxide powder having an average specific surface area of 10.8 m 2 / g and a second titanium oxide powder having an average specific surface area of 31.7 m 2 / g were prepared. Here, the BET method was adopted as a method for measuring the average specific surface area.
次に、所定の比率で混合された、平均比表面積が異なる2種類の酸化チタン粉末と、炭酸リチウム(Li2CO3)粉末とを、それぞれ、リチウム(Li)とチタン(Ti)のモル比率が4.05:5になるように秤量し、直径が5mmのアルミナボールを用いたボールミルによって、溶媒として水を用いて湿式で、混合してスラリーを得た。このスラリーを噴霧乾燥することにより得られた乾燥粉末を大気中で焼成して、Li4Ti5O12をを主成分として含む電極活物質を作製した。 Next, two types of titanium oxide powders having different average specific surface areas and lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) powders mixed at a predetermined ratio are respectively mixed in molar ratios of lithium (Li) and titanium (Ti). Was weighed so as to be 4.05: 5, and mixed with a ball mill using alumina balls having a diameter of 5 mm in a wet manner using water as a solvent to obtain a slurry. A dry powder obtained by spray drying this slurry was fired in the air to prepare an electrode active material containing Li 4 Ti 5 O 12 as a main component.
なお、実施例1〜3と比較例1〜3において、平均比表面積(SSA)が異なる2種類の酸化チタン粉末の混合比率は、チタン(Ti)モル比で、表1に示すように設定した。また、実施例1〜3と比較例1〜3において、上記の乾燥粉末の焼成条件(焼成温度と時間)は、表1に示すように設定した。 In Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3, the mixing ratio of two types of titanium oxide powders having different average specific surface areas (SSA) was set as shown in Table 1 in terms of titanium (Ti) molar ratio. . Moreover, in Examples 1-3 and Comparative Examples 1-3, the firing conditions (firing temperature and time) of the dry powder were set as shown in Table 1.
(非水電解質二次電池の作製) (Preparation of non-aqueous electrolyte secondary battery)
得られた各電極活物質を用いて、図1に示すようなコイン型非水電解質二次電池を作製した。 A coin-type non-aqueous electrolyte secondary battery as shown in FIG. 1 was produced using each of the obtained electrode active materials.
図1に示すように、コイン型非水電解質二次電池1は、正極端子を兼ねたケース11と、負極端子を兼ねた封口板12と、ケース11と封口板12とを絶縁するガスケット13と、正極14と、負極15と、正極14と負極15との間に介在したセパレータ16と、負極15の上に配置された集電板17と、集電板17と封口板12との間に配置されたばね部材18とから構成され、ケース11の内部には電解液が充填されている。
As shown in FIG. 1, a coin-type nonaqueous electrolyte secondary battery 1 includes a
上記で作製された各電極活物質を用いて、図1に示されたコイン型非水電解質二次電池1の正極14を作製して、実施例1〜3と比較例1〜3の非水電解質二次電池用電極活物質としての作用効果を検証した。
The
具体的には、上記で作製された電極活物質とアセチレンブラックとポリフッ化ビニリデンとを88:6:6の質量比率になるように秤量し、混合して電極合剤を作製した。この電極合剤を溶媒(N‐メチル‐2‐ピロリドン)中に分散させて電極スラリーを作製した。この電極スラリーを厚みが20μmのアルミニウム箔の表面上に6mg/cm2の塗布量で塗布して140℃の温度で乾燥させた後、1トン/cm2の圧力でプレスした後に直径12mmの円板に打ち抜くことにより、電極シートを作製した。この電極シートを図1に示されたコイン型非水電解質二次電池1の正極14として用いた。負極15には、直径が15.5mmの金属リチウム箔からなる円板を用いた。この負極15に集電板17を張り合わせた。セパレータ16には、直径が16mmの円板状のポリエチレン多孔膜を用いた。電解液としては、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートを体積比3:7で混合した溶媒に、溶媒1リットル当たり1モルの六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を混合したものを用いた。このようにして、直径が20mm、厚みが3.2mmのコイン型非水電解質二次電池1を作製した。
Specifically, the electrode active material prepared above, acetylene black, and polyvinylidene fluoride were weighed so as to have a mass ratio of 88: 6: 6 and mixed to prepare an electrode mixture. This electrode mixture was dispersed in a solvent (N-methyl-2-pyrrolidone) to prepare an electrode slurry. This electrode slurry was applied on the surface of an aluminum foil having a thickness of 20 μm at a coating amount of 6 mg / cm 2 , dried at a temperature of 140 ° C., pressed at a pressure of 1 ton / cm 2 , and then circular with a diameter of 12 mm. An electrode sheet was produced by punching into a plate. This electrode sheet was used as the
以上のようにして作製されたコイン型非水電解質二次電池1を用いて充放電特性を評価した。1時間で充電または放電が終了する電流値を1Cとしたときに、25℃の恒温槽で、0.2Cの電流値、1.0〜3.0Vの電圧範囲で3サイクル充放電させた後に、3.0Vの定電圧で2時間放電してから、0.2Cの電流値で1.0Vまで充電を行い、0.2Cの電流値での充電容量(0.2C充電容量)を測定した。 The charge / discharge characteristics were evaluated using the coin-type nonaqueous electrolyte secondary battery 1 produced as described above. After charging and discharging for 3 cycles in a constant temperature bath at 25 ° C. with a current value of 0.2 C and a voltage range of 1.0 to 3.0 V, assuming that the current value at which charging or discharging ends in 1 hour is 1 C. The battery was discharged for 2 hours at a constant voltage of 3.0 V, charged to 1.0 V at a current value of 0.2 C, and the charge capacity (0.2 C charge capacity) at a current value of 0.2 C was measured. .
また、25℃の恒温槽で、0.2Cの電流値、1.0〜3.0Vの電圧範囲で3サイクル充放電させた後に、3.0Vの定電圧で2時間放電してから、5Cの電流値で1.0Vまで充電を行い、5Cの電流値での充電容量(5C充電容量)を測定した。 In addition, after charging and discharging for 3 cycles at a current value of 0.2 C and a voltage range of 1.0 to 3.0 V in a constant temperature bath at 25 ° C., the battery was discharged for 2 hours at a constant voltage of 3.0 V, and then 5 C The battery was charged to 1.0 V at a current value of 5 C, and the charge capacity (5 C charge capacity) at a current value of 5 C was measured.
なお、ここで、上述したように1Cは1時間で充電または放電が終了する電流値であり、0.2Cは5時間で充電または放電が終了する電流値であり、5Cは12分で充電または放電が終了する電流値である。 Here, as described above, 1C is a current value at which charging or discharging ends in 1 hour, 0.2C is a current value at which charging or discharging ends in 5 hours, and 5C is charged or discharged in 12 minutes. This is the current value at which the discharge ends.
なお、この検証実験では、スピネル型構造のチタン酸リチウムを主成分として含む電極活物質が正極14の電極活物質として用いられた実施例1〜3と比較例1〜3のコイン型非水電解質二次電池1では、正極14の電極活物質へのリチウム挿入によって電位が下降することを充電、各電極活物質からのリチウム脱離によって電位が上昇することを放電と定義する。
In this verification experiment, coin-type nonaqueous electrolytes of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 in which an electrode active material containing spinel-type lithium titanate as a main component was used as the electrode active material of the
実施例1〜3と比較例1〜3のコイン型非水電解質二次電池1の電池特性の測定結果を表1に「0.2C充電容量」、「5C充電容量」および「5C/0.2C充電容量比」として示す。 The measurement results of the battery characteristics of the coin-type nonaqueous electrolyte secondary batteries 1 of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 are shown in Table 1 as “0.2 C charge capacity”, “5 C charge capacity”, and “5 C / 0. 2C charge capacity ratio ”.
表1から、平均比表面積が異なる2種類の酸化チタン粉末を用いて作製された電極活物質を用いた実施例1〜3のコイン型非水電解質二次電池1では、1種類の酸化チタン粉末を用いて作製された電極活物質を用いた比較例1〜3のコイン型非水電解質二次電池1に比べて、5C充電容量が高い値であり、また5C/0.2C充電容量比が高い値であることがわかる。したがって、平均比表面積が異なる2種類の酸化チタン粉末を用いて作製された電極活物質を用いることにより、電極活物質の単位重量当たりの充電容量を向上させることが可能となり、急速充電特性に優れた電極活物質を得ることができる。 From Table 1, in the coin-type non-aqueous electrolyte secondary battery 1 of Examples 1 to 3 using electrode active materials produced using two types of titanium oxide powders having different average specific surface areas, one type of titanium oxide powder was used. Compared with the coin-type nonaqueous electrolyte secondary battery 1 of Comparative Examples 1 to 3 using the electrode active material manufactured using the above, the 5C charge capacity is higher, and the 5C / 0.2C charge capacity ratio is It turns out that it is a high value. Therefore, it is possible to improve the charge capacity per unit weight of the electrode active material by using an electrode active material produced using two types of titanium oxide powders having different average specific surface areas, and excellent quick charge characteristics. An electrode active material can be obtained.
今回開示された実施の形態と実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は以上の実施の形態と実施例ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正と変形を含むものであることが意図される。 It should be considered that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is shown not by the above embodiments and examples but by the scope of claims, and is intended to include all modifications and variations within the meaning and scope equivalent to the scope of claims. .
本発明の電極活物質を用いることにより、非水電解質二次電池の急速充電特性を向上させることができるので、非水電解質二次電池の製造に有用である。 By using the electrode active material of the present invention, the quick charge characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary battery can be improved, which is useful for the production of nonaqueous electrolyte secondary batteries.
1:コイン型非水電解質二次電池、11:ケース、12:封口板、13:ガスケット、14:正極、15:負極、16:セパレータ、17:集電板、18:ばね部材。
1: Coin-type non-aqueous electrolyte secondary battery, 11: case, 12: sealing plate, 13: gasket, 14: positive electrode, 15: negative electrode, 16: separator, 17: current collector plate, 18: spring member.
Claims (6)
平均比表面積が異なる少なくとも2種類の酸化チタン粉末を準備する工程と、
少なくとも、前記酸化チタン粉末とリチウム化合物とを混合して混合物を得る混合工程と、
前記混合物を焼成する工程とを備えた、電極活物質の製造方法。 A method for producing an electrode active material containing lithium titanate having a spinel structure,
Preparing at least two types of titanium oxide powders having different average specific surface areas;
At least a mixing step of mixing the titanium oxide powder and the lithium compound to obtain a mixture;
A method for producing an electrode active material, comprising the step of firing the mixture.
A nonaqueous electrolyte secondary battery comprising an electrode comprising the electrode active material according to claim 5.
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