JP2012084358A - Lithium secondary battery anode material and manufacturing method thereof and lithium secondary battery using the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lithium secondary battery anode material whose irreversible capacity (difference between charging and discharging capacities) is small and which has excellent charging-discharging cycle characteristics and a large discharging capacity.SOLUTION: A ramsdellite type lithium titanate LiTiO(0.75≤x≤2.66, 1.33≤y≤4, 3≤z≤7) subjected to post-annealing treatment under predetermined post-annealing conditions and having a three-dimensional tunnel structure is used as a lithium secondary battery anode material, and an anode active material pellet 2 containing at least the ramsdellite type lithium titanate is made the anode of a lithium secondary battery. The post-annealing condition is preferably such that post annealing be carried out in an inert gas atmosphere not containing oxygen, such as a nitrogen gas or an argon gas atmosphere, at any temperature in the range 100 to 400°C for any duration of time of at least 3 hours or more.

Description

本発明は、リチウム二次電池用負極材料、リチウム二次電池用負極材料製造方法およびリチウム二次電池に関し、特に、大きな放電容量を有し、サイクル特性に優れたチタン酸リチウムを負極活物質材料として用いたリチウム二次電池用負極材料、リチウム二次電池用負極材料製造方法およびリチウム二次電池に関するものである。   The present invention relates to a negative electrode material for a lithium secondary battery, a negative electrode material manufacturing method for a lithium secondary battery, and a lithium secondary battery, and in particular, lithium titanate having a large discharge capacity and excellent cycle characteristics is used as a negative electrode active material. The present invention relates to a negative electrode material for a lithium secondary battery, a method for producing a negative electrode material for a lithium secondary battery, and a lithium secondary battery.

小型ユビキタス機器の発展や環境に優しい自然エネルギー発電システムの進展に伴い、蓄電機能を有する高性能な二次電池の開発が大きく期待されている。   With the development of small ubiquitous devices and the development of environmentally friendly natural energy power generation systems, development of high-performance secondary batteries having a power storage function is highly expected.

現行のリチウム二次電池に使用されている負極材料は、金属リチウム基準に対して0〜0.1V(vs. Li/Li)の電極電位を示す炭素材料が一般的であった。 The negative electrode material used in the current lithium secondary battery is generally a carbon material exhibiting an electrode potential of 0 to 0.1 V (vs. Li / Li + ) with respect to the metallic lithium standard.

近年、大型リチウム二次電池においては、特に高い安全性を確保するために、炭素材料の電極電位よりも貴な電極電位(noble electrode potential)を示し、結晶構造中に(1×1)トンネルを有するスピネル型(Spinel Type)チタン酸リチウム(1.5V vs. Li/Li)を負極材料に用いることが注目されている。 In recent years, large lithium secondary batteries have a noble electrode potential that is nobler than the electrode potential of carbon materials to ensure a particularly high level of safety, and (1 × 1) tunnels are formed in the crystal structure. Attention has been focused on using spinel type lithium titanate (1.5 V vs. Li / Li + ) as a negative electrode material.

しかし、スピネル型チタン酸リチウムの理論放電容量は、現行の正極材料であるコバルト酸リチウムと同程度の175mAh/gであり、かつ、貴な電極電位を有するため、従来の炭素材料を用いる電池よりも1V以上も電池電圧が低下してしまい、電池のエネルギー密度が低くなるという課題があった。   However, the theoretical discharge capacity of spinel type lithium titanate is 175 mAh / g, which is the same level as lithium cobaltate which is the current positive electrode material, and has a noble electrode potential. Therefore, compared with a battery using a conventional carbon material. However, there is a problem that the battery voltage is lowered by 1 V or more and the energy density of the battery is lowered.

一方、スピネル型よりも大きな(2×1)トンネルを有するラムスデライト型(Ramsdellite Type)チタン酸リチウムの理論放電容量は、235mAh/gであり、かつ、大きな放電容量が期待され、電池の高エネルギー密度化に有利である(特許文献1参照)。   On the other hand, the theoretical discharge capacity of Ramsdellite type lithium titanate having a larger (2 × 1) tunnel than that of the spinel type is 235 mAh / g, and a large discharge capacity is expected. This is advantageous for increasing the density (see Patent Document 1).

しかしながら、ラムスデライト型は、スピネル型よりも、結晶中の酸素含量が小さいため、イオン導電性が高いという特徴を有するものの、ラムスデライト型は、酸素含量が小さく、活性が高いため、安定性が比較的低く、大気中の酸素と反応し易い。このため、大気中の酸素と反応することにより、粒子表面のチタンが酸化され、チタニア(TiO)が生成されて、表面抵抗が大きくなるので、リチウムイオンの導電性が低下することが予想される。 However, the ramsdellite type has a characteristic that the ionic conductivity is high because the oxygen content in the crystal is smaller than that of the spinel type. However, the ramsdelite type has a low oxygen content and high activity, so that the stability is high. It is relatively low and easily reacts with oxygen in the atmosphere. For this reason, by reacting with oxygen in the atmosphere, titanium on the particle surface is oxidized, titania (TiO 2 ) is generated, and the surface resistance is increased, so that the conductivity of lithium ions is expected to decrease. The

以上のような現象により、ラムスデライト型チタン酸リチウムは、実際のリチウム二次電池として利用した場合に、充放電サイクル動作を繰り返すにつれて、不可逆容量(充電容量と放電容量との差)が益々大きくなってしまうという問題があった(非特許文献1)。   As a result of the above phenomena, when used as an actual lithium secondary battery, Ramsdelite type lithium titanate has an irreversible capacity (the difference between the charge capacity and the discharge capacity) more and more as the charge / discharge cycle operation is repeated. There was a problem of becoming (Non-Patent Document 1).

特開平10−247496号公報「リチウム電池およびその活物質」Japanese Patent Laid-Open No. 10-247496 “Lithium Battery and its Active Material”

R.K.B.Gover,et.al,“Investigation of Ramsdellite Titanates as Possible New Negative Electrode Materials for Li Batteries”,Journal of the Electrochemical Society,146,(1999),pp.4348-4353.R.K.B.Gover, et.al, “Investigation of Ramsdellite Titanates as Possible New Negative Electrode Materials for Li Batteries”, Journal of the Electrochemical Society, 146, (1999), pp. 4348-4353.

スピネル型チタン酸リチウムは、リチウムイオンの拡散性が結晶方位に依存しないため、理論容量に近い容量を実現することができる。   Spinel type lithium titanate can realize a capacity close to the theoretical capacity because the diffusivity of lithium ions does not depend on the crystal orientation.

一方、ラムスデライト型チタン酸リチウムは、前述のように、高い理論放電容量を有するものの、不可逆容量(充電容量と放電容量との差)が大きいという問題点があった。   On the other hand, the ramsdellite type lithium titanate has a high theoretical discharge capacity as described above, but has a problem that the irreversible capacity (difference between charge capacity and discharge capacity) is large.

本発明は、前述した従来の課題を解決するためになされたものであり、放電容量を大きくすることが可能なラムスデライト型チタン酸リチウムの不可逆容量を小さくし、優れたサイクル特性を有するリチウム二次電池用負極材料、リチウム二次電池用負極材料製造方法およびリチウム二次電池を提供することを目的としたものである。   The present invention has been made in order to solve the above-described conventional problems, and reduces the irreversible capacity of ramsdelite type lithium titanate capable of increasing the discharge capacity, and has excellent cycle characteristics. It aims at providing the negative electrode material for secondary batteries, the negative electrode material manufacturing method for lithium secondary batteries, and a lithium secondary battery.

本発明は、前述の課題を解決するために、以下のごとき各技術手段から構成されている。   The present invention comprises the following technical means in order to solve the above-mentioned problems.

第1の技術手段は、チタン酸リチウム系の負極材料として三次元トンネル構造を有するラムスデライト型チタン酸リチウムであるLiTi(0.75≦x≦2.66、1.33≦y≦4、3≦z≦7)を用いたリチウム二次電池用負極材料において、前記ラムスデライト型チタン酸リチウムが、あらかじめ定めたポストアニーリング条件下においてポストアニーリング処理が行われて負極材料として作製されていることを特徴とする。 The first technical means is Li x Ti y O z (0.75 ≦ x ≦ 2.66, 1.33 ≦) which is a ramsdellite type lithium titanate having a three-dimensional tunnel structure as a lithium titanate-based negative electrode material. In a negative electrode material for a lithium secondary battery using y ≦ 4, 3 ≦ z ≦ 7), the ramsdelite-type lithium titanate is subjected to a post-annealing treatment under a predetermined post-annealing condition to produce a negative electrode material It is characterized by being.

第2の技術手段は、前記第1の技術手段に記載のリチウム二次電池用負極材料において、前記ポストアニーリング条件の雰囲気条件として、前記ラムスデライト型チタン酸リチウムに対して、酸素を含まない不活性ガス雰囲気中でポストアニーリング処理を行うことにより前記負極材料として作製されていることを特徴とする。   According to a second technical means, in the negative electrode material for a lithium secondary battery described in the first technical means, the atmosphere condition of the post-annealing condition is a non-oxygen-containing non-oxygen to the ramsdelite type lithium titanate. The negative electrode material is produced by performing a post-annealing process in an active gas atmosphere.

第3の技術手段は、前記第2の技術手段に記載のリチウム二次電池用負極材料において、前記ポストアニーリング条件の雰囲気条件とする前記不活性ガス雰囲気として、窒素ガスまたはアルゴンガスのいずれかを用いることを特徴とする。   In the negative electrode material for a lithium secondary battery according to the second technical means, a third technical means uses either nitrogen gas or argon gas as the inert gas atmosphere as the atmospheric condition of the post-annealing condition. It is characterized by using.

第4の技術手段は、前記第1ないし第4の技術手段のいずれかに記載のリチウム二次電池用負極材料において、前記ポストアニーリング条件の温度条件および処理時間条件として、前記ラムスデライト型チタン酸リチウムに対して、100−400℃の温度範囲内のいずれかの温度で、少なくとも3時間以上のいずれかの時間の間ポストアニーリング処理を行うことにより前記負極材料として作製されていることを特徴とする。   According to a fourth technical means, in the negative electrode material for a lithium secondary battery according to any one of the first to fourth technical means, the ramsdellite type titanic acid is used as a temperature condition and a treatment time condition of the post-annealing condition. It is produced as the negative electrode material by performing post-annealing treatment for any time of at least 3 hours at any temperature within a temperature range of 100 to 400 ° C. with respect to lithium. To do.

第5の技術手段は、三次元トンネル構造を有するラムスデライト型チタン酸リチウムであるLiTi(0.75≦x≦2.66、1.33≦y≦4、3≦z≦7)をリチウム二次電池用の負極材料として作製するリチウム二次電池用負極材料製造方法であって、前記ラムスデライト型チタン酸リチウムをあらかじめ定めたポストアニーリング条件下においてポストアニーリング処理を行うことにより負極材料として作製する工程を含んでいることを特徴とする。 The fifth technical means is Li x Ti y O z (0.75 ≦ x ≦ 2.66, 1.33 ≦ y ≦ 4, 3 ≦ z ≦) which is a ramsdelite type lithium titanate having a three-dimensional tunnel structure. 7) is a method for producing a negative electrode material for a lithium secondary battery, wherein the ramsdelite type lithium titanate is subjected to a post-annealing process under predetermined post-annealing conditions. It includes a step of producing as a negative electrode material.

第6の技術手段は、前記第5の技術手段に記載のリチウム二次電池用負極材料製造方法において、前記ポストアニーリング条件の雰囲気条件として、前記ラムスデライト型チタン酸リチウムに対して、酸素を含まない不活性ガス雰囲気中でポストアニーリング処理を行うことを特徴とする。   Sixth technical means, in the method for producing a negative electrode material for a lithium secondary battery according to the fifth technical means, contains oxygen relative to the ramsdellite type lithium titanate as the atmospheric condition of the post-annealing condition. The post-annealing process is performed in an inert gas atmosphere.

第7の技術手段は、前記第6の技術手段に記載のリチウム二次電池用負極材料製造方法において、前記ポストアニーリング条件の雰囲気条件とする前記不活性ガス雰囲気として、窒素ガスまたはアルゴンガスのいずれかを用いることを特徴とする。   Seventh technical means is the method for producing a negative electrode material for a lithium secondary battery according to the sixth technical means, wherein the inert gas atmosphere as the atmospheric condition of the post-annealing condition is any one of nitrogen gas and argon gas. It is characterized by using or.

第8の技術手段は、前記第5ないし第7の技術手段のいずれかに記載のリチウム二次電池用負極材料製造方法において、前記ポストアニーリング条件の温度条件および処理時間条件として、前記ラムスデライト型チタン酸リチウムに対して、100−400℃の温度範囲内のいずれかの温度で、少なくとも3時間以上のいずれかの時間の間ポストアニーリング処理を行うことを特徴とする。   According to an eighth technical means, in the method for producing a negative electrode material for a lithium secondary battery according to any one of the fifth to seventh technical means, the temperature condition and the processing time condition of the post-annealing condition are the Ramsdelite type. The lithium titanate is subjected to a post annealing treatment at any temperature within a temperature range of 100 to 400 ° C. for any time of at least 3 hours.

第9の技術手段は、チタン酸リチウム系の材料をリチウム二次電池用負極材料として含有する負極と、リチウムイオンの挿入・脱離が可能な正極材料を含有する正極とを備え、リチウムイオンの導電性を有する電解質を前記負極と前記正極との間に配置して構成されるリチウム二次電池において、前記負極に含有される前記リチウム二次電池用負極材料が、前記第1ないし第4の技術手段のいずれかに記載のリチウム二次電池負極材料からなっていることを特徴とする。   A ninth technical means includes a negative electrode containing a lithium titanate-based material as a negative electrode material for a lithium secondary battery, and a positive electrode containing a positive electrode material capable of inserting and removing lithium ions. In the lithium secondary battery configured by disposing a conductive electrolyte between the negative electrode and the positive electrode, the negative electrode material for the lithium secondary battery contained in the negative electrode includes the first to fourth elements. It consists of the lithium secondary battery negative electrode material as described in any one of the technical means.

第10の技術手段は、前記第9の技術手段に記載のリチウム二次電池において、前記リチウム二次電池用負極材料を、前記リチウム二次電池用負極材料の粉末とカーボンとバインダーとを混合して圧延したシート状か、または、ペレット状かのいずれかに形成して、前記負極として用いることを特徴とする。   A tenth technical means is the lithium secondary battery according to the ninth technical means, wherein the negative electrode material for a lithium secondary battery is mixed with powder of the negative electrode material for a lithium secondary battery, carbon, and a binder. It is formed into either a rolled sheet or a pellet and used as the negative electrode.

ラムスデライト型チタン酸リチウムの不可逆容量が大きいという従来技術における課題は、リチウム二次電池用負極材料に用いるラムスデライト型チタン酸リチウムの製造工程において、大気中の酸素との反応により、粒子表面にチタニア(TiO)という不活性相が生成されることに起因するものである。 The problem in the prior art that the irreversible capacity of ramsdelite-type lithium titanate is large is that the surface of the particles is caused by the reaction with oxygen in the atmosphere in the manufacturing process of ramsdelite-type lithium titanate used for the anode material for lithium secondary batteries. This is due to the generation of an inert phase called titania (TiO 2 ).

そこで、本発明においては、粒子表面に生成される不活性相を除去するために、リチウム二次電池用負極材料の製造工程にポストアニーリング処理を行う工程を新たに導入する。該ポストアニーリング処理を行う工程を導入することにより、ラムスデライト型チタン酸リチウムとして清浄な粒子表面が得られるので、リチウムイオンの拡散性が改善され、不可逆容量が小さく、優れた充放電サイクル特性を有し、かつ、放電容量が大きいチタン酸リチウム系の負極材料を得ることができる。   Therefore, in the present invention, in order to remove the inert phase generated on the particle surface, a step of performing a post-annealing process is newly introduced in the manufacturing process of the negative electrode material for a lithium secondary battery. By introducing the post-annealing process, a clean particle surface is obtained as ramsdelite type lithium titanate, so that the diffusibility of lithium ions is improved, the irreversible capacity is small, and the excellent charge / discharge cycle characteristics are obtained. A lithium titanate-based negative electrode material having a large discharge capacity can be obtained.

而して、本発明によれば、従来のラムスデライト型チタン酸リチウム系負極材料よりも、不可逆容量(充電容量と放電容量との差)が小さく、優れた充放電サイクル特性を有し、かつ、公知の材料であるスピネル型チタン酸リチウム系負極材料よりも大きな放電容量を有するリチウム二次電池用負極材料を実現することができる。   Thus, according to the present invention, the irreversible capacity (difference between the charge capacity and the discharge capacity) is smaller than that of the conventional ramsdelite type lithium titanate negative electrode material, and has excellent charge / discharge cycle characteristics, and Thus, it is possible to realize a negative electrode material for a lithium secondary battery having a larger discharge capacity than a spinel type lithium titanate negative electrode material which is a known material.

また、かくのごときリチウム二次電池負極材料を含有する負極とリチウムの挿入脱離が可能な正極材料を含有する正極とを備え、リチウムイオンの導電性を有する電解質を正極と負極との間に配置することによって、不可逆容量が小さく、充放電サイクル特性に優れ、かつ、放電容量が大きいリチウム二次電池を作製することができる。   In addition, a negative electrode containing a lithium secondary battery negative electrode material as described above and a positive electrode containing a positive electrode material capable of inserting and removing lithium, and an electrolyte having lithium ion conductivity between the positive electrode and the negative electrode By disposing, a lithium secondary battery having a small irreversible capacity, excellent charge / discharge cycle characteristics, and a large discharge capacity can be produced.

本発明に係るリチウム二次電池用負極材料製造方法において種々の温度で5時間の間ポストアニーリング処理を行ったラムスデライト型チタン酸リチウムのXRDパターンを示す特性図である。It is a characteristic view which shows the XRD pattern of the ramsdellite type lithium titanate which performed the post-annealing process for 5 hours at various temperatures in the negative electrode material manufacturing method for lithium secondary batteries which concerns on this invention. 本発明に係るリチウム二次電池用負極材料製造方法において90℃および450℃の温度で種々の処理時間の間ポストアニーリング処理を行ったラムスデライト型チタン酸リチウムのXRDパターンを示す特性図である。It is a characteristic view which shows the XRD pattern of the ramsdellite type lithium titanate which performed the post-annealing process for the various process time in the temperature of 90 degreeC and 450 degreeC in the negative electrode material manufacturing method for lithium secondary batteries which concerns on this invention. 本発明に係るリチウム二次電池用負極材料製造方法において同一の温度・時間(250℃、5時間)で種々の雰囲気の中でポストアニーリング処理を行ったラムスデライト型チタン酸リチウムのXRDパターンを示す特性図である。The XRD pattern of the ramsdellite type lithium titanate which performed the post-annealing process in various atmospheres in the same temperature and time (250 degreeC, 5 hours) in the manufacturing method of the negative electrode material for lithium secondary batteries which concerns on this invention is shown. FIG. 本発明に係るリチウム二次電池用負極材料を用いたリチウム二次電池のテストセルの断面構造の一例を示す電池断面図である。It is battery sectional drawing which shows an example of the cross-sectional structure of the test cell of the lithium secondary battery using the negative electrode material for lithium secondary batteries which concerns on this invention. 本発明に係るリチウム二次電池用負極材料を用いたリチウム二次電池のコインセルの断面構造の一例を示す電池断面図である。It is battery sectional drawing which shows an example of the cross-sectional structure of the coin cell of the lithium secondary battery using the negative electrode material for lithium secondary batteries which concerns on this invention. 本発明に係るリチウム二次電池用負極材料製造方法において250℃および450℃の温度で5時間の間ポストアニーリング処理を行ったラムスデライト型チタン酸リチウムを作用極材料として用いたリチウム二次電池の10サイクル目の充放電曲線の一例を示す特性図である。In a method for producing a negative electrode material for a lithium secondary battery according to the present invention, a lithium secondary battery using, as a working electrode material, ramsdellite type lithium titanate that has been post-annealed at 250 ° C. and 450 ° C. for 5 hours. It is a characteristic view which shows an example of the charging / discharging curve of 10th cycle. 本発明に係るリチウム二次電池用負極材料を用いたリチウム二次電池のテストセルの充放電サイクル特性の一例を示す特性図である。It is a characteristic view which shows an example of the charging / discharging cycle characteristic of the test cell of the lithium secondary battery using the negative electrode material for lithium secondary batteries which concerns on this invention.

以下に、本発明に係るリチウム二次電池用負極材料、リチウム二次電池用負極材料製造方法およびリチウム二次電池の好適な実施形態について、その一例を、図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, examples of preferred embodiments of a negative electrode material for a lithium secondary battery, a method for producing a negative electrode material for a lithium secondary battery, and a lithium secondary battery according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

(本発明の特徴)
本発明の実施形態の説明に先立って、本発明の特徴についてその概要をまず説明する。本発明は、リチウム二次電池用の負極材料とその製造方法および同負極材料を用いたリチウム二次電池に関するものであり、リチウム二次電池用の負極材料としてポストアニーリング処理を施した三次元トンネル構造のラムスデライト型(Ramsdellite Type)チタン酸リチウムを用いることにより、不可逆容量が少なく、優れた充放電サイクル特性を有し、かつ、放電容量が大きいリチウム二次電池を実現可能とすることを特徴としている。
(Features of the present invention)
Prior to the description of the embodiments of the present invention, an outline of the features of the present invention will be described first. The present invention relates to a negative electrode material for a lithium secondary battery, a manufacturing method thereof, and a lithium secondary battery using the negative electrode material, and a three-dimensional tunnel subjected to post-annealing treatment as a negative electrode material for a lithium secondary battery By using the Ramsdellite Type lithium titanate structure, it is possible to realize a lithium secondary battery with low irreversible capacity, excellent charge / discharge cycle characteristics, and high discharge capacity. It is said.

つまり、非トンネル構造のチタン酸リチウムを900℃ないし1250℃の温度範囲で熱処理することによって合成した、三次元トンネル構造を有するラムスデライト型チタン酸リチウムであるLiTi(0.75≦x≦2.66、1.33≦y≦4、3≦z≦7)を、ポストアニーリング条件としてあらかじめ定めた条件下で、例えば、窒素バスまたはアルゴン(Ar)ガスのいずれかからなる不活性ガス中において100℃ないし400℃の温度範囲内のいずれかの温度で少なくとも3時間以上のいずれかの処理時間の間、ポストアニーリング処理を行って、リチウム二次電池用の負極材料として作製するとともに、該リチウム二次電池用の負極材料を含有する負極と、リチウムイオンの挿入・脱離が容易に可能な正極材料を含有する正極と、リチウムイオンの導電性を有する電解質とからなるリチウム二次電池を実現することを特徴としている。 That is, Li x Ti y O z (0.75), which is a ramsdellite-type lithium titanate having a three-dimensional tunnel structure, synthesized by heat-treating non-tunneled lithium titanate in a temperature range of 900 ° C. to 1250 ° C. ≦ x ≦ 2.66, 1.33 ≦ y ≦ 4, 3 ≦ z ≦ 7) under the conditions determined in advance as the post-annealing conditions, for example, a non-concentration composed of either a nitrogen bath or argon (Ar) gas. A post-annealing treatment is performed in an active gas at any temperature within a temperature range of 100 ° C. to 400 ° C. for any treatment time of at least 3 hours to produce a negative electrode material for a lithium secondary battery. A negative electrode containing the negative electrode material for the lithium secondary battery, and a positive electrode material capable of easily inserting and removing lithium ions A positive electrode containing, is characterized in that to realize a lithium secondary battery composed of an electrolyte having lithium ion conductivity.

(本発明によるリチウム二次電池用負極材料の製造方法)
次に、本発明によるリチウム二次電池用負極材料の製造方法の一例について説明する。本発明によるリチウム二次電池用負極材料は、以下の手順により合成される。
(Method for producing negative electrode material for lithium secondary battery according to the present invention)
Next, an example of a method for producing a negative electrode material for a lithium secondary battery according to the present invention will be described. The negative electrode material for a lithium secondary battery according to the present invention is synthesized by the following procedure.

まず、最初に、チタン酸化物とリチウム化合物とを種々の方法で反応させることにより、トンネル構造ではないチタン酸リチウムを合成する。   First, lithium titanate having no tunnel structure is synthesized by reacting a titanium oxide and a lithium compound by various methods.

例えば、トンネル構造ではないチタン酸リチウムは、固相反応法、ゾルゲル法や沈澱法などの手法を用いて、チタン酸化物とリチウム化合物との混合前駆体を調製し、600−800℃の温度範囲内で熱処理を行うことにより作製することができる。   For example, lithium titanate not having a tunnel structure is prepared by using a solid phase reaction method, a sol-gel method, a precipitation method, or the like to prepare a mixed precursor of a titanium oxide and a lithium compound, and a temperature range of 600 to 800 ° C. It can be produced by performing a heat treatment in the inside.

次に、作製した非トンネル構造のチタン酸リチウムを、900−1250℃の温度範囲内の高温で熱処理を行うことによって、三次元トンネル結晶構造を有するラムスデライト型チタン酸リチウムLiTi(0.75≦x≦2.66、1.33≦y≦4、3≦z≦7)を合成する。 Next, the produced non-tunneled lithium titanate is subjected to heat treatment at a high temperature within a temperature range of 900 to 1250 ° C., so that the ramsdellite-type lithium titanate Li x Ti y O z having a three-dimensional tunnel crystal structure is obtained. (0.75 ≦ x ≦ 2.66, 1.33 ≦ y ≦ 4, 3 ≦ z ≦ 7) is synthesized.

しかる後、得られたラムスデライト型チタン酸リチウムLiTiを、あらかじめ定めたポストアニーリング条件の雰囲気条件として、酸素を含まない不活性ガス雰囲気(例えば窒素ガスまたはアルゴン(Ar)ガス)中においてポストアニーリング処理を行う。なお、該ポストアニーリング処理は、あらかじめ定めたポストアニーリング条件の温度条件および処理時間条件として、100−400℃の温度範囲内のいずれかの温度(例えば250℃)で、少なくとも3時間以上のいずれかの時間(例えば15時間)の間、行うことが望ましい。 Thereafter, the obtained ramsdellite-type lithium titanate Li x Ti y O z is used as an atmospheric condition for predetermined post-annealing conditions, and an inert gas atmosphere (for example, nitrogen gas or argon (Ar) gas) containing no oxygen is used. The post-annealing process is performed inside. The post-annealing treatment is performed at any temperature within a temperature range of 100 to 400 ° C. (for example, 250 ° C.) as a temperature condition and a processing time condition of predetermined post-annealing conditions, and at least 3 hours or more. It is desirable to carry out for a period of time (for example, 15 hours).

かくのごとき手順を経て、不可逆容量が少なく、優れた充放電サイクル特性を有し、かつ、大きな放電容量を有するリチウム二次電池用の負極材料を得ることができる。   Through such a procedure, a negative electrode material for a lithium secondary battery having a small irreversible capacity, excellent charge / discharge cycle characteristics, and a large discharge capacity can be obtained.

なお、本発明によるリチウム二次電池用負極材料は、従来の負極材料と同様に、ペレット状か、あるいは、カーボンとバインダーとに混合して圧延したシート状かのいずれかに形成し、既知のコバルト酸リチウムなどの正極材料と既知の有機電解液を組み合わせて、コイン型、円筒型、角型、シート状等の各種形態のリチウム二次電池を作製することができる。   The negative electrode material for a lithium secondary battery according to the present invention is formed in either a pellet shape or a sheet shape obtained by mixing and rolling with carbon and a binder, as in the case of a conventional negative electrode material. By combining a positive electrode material such as lithium cobaltate and a known organic electrolyte, various types of lithium secondary batteries such as a coin shape, a cylindrical shape, a square shape, and a sheet shape can be produced.

(実施例)
以下に、本発明に係るリチウム二次電池用負極材料、リチウム二次電池用負極材料製造方法および同負極材料を用いた二次電池についての実施例を、詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施例のみに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において、適宜変更して実施することができることは言うまでもない。
(Example)
Examples of a negative electrode material for a lithium secondary battery, a method for producing a negative electrode material for a lithium secondary battery, and a secondary battery using the negative electrode material according to the present invention will be described in detail below. In addition, this invention is not limited only to the Example demonstrated below, In the range which does not change the summary, it cannot be overemphasized that it can change suitably and can implement.

(実施例1)
まず、実施例1として、ポストアニーリング処理を行う際のポストアニーリング条件のうち、温度条件を評価した結果について説明する。
Example 1
First, as Example 1, the result of evaluating the temperature condition among the post-annealing conditions when performing the post-annealing process will be described.

(1)負極材料のラムスデライト型チタン酸リチウムの製造方法
本実施例1においては、リチウム二次電池用負極材料となるラムスデライト型チタン酸リチウムを以下の化学式に示した二段階固相反応により合成した。
(1) Method for producing ramsdelite-type lithium titanate as negative electrode material In Example 1, ramsdelite-type lithium titanate, which is a negative electrode material for lithium secondary batteries, was subjected to a two-step solid-phase reaction shown in the following chemical formula. Synthesized.

Li2CO3+TiO2 → Li2TiO3+CO2+H2O …(1)
(1/2)Li2TiO3+(5/4)TiO2+(1/4)Ti
→ LixTiyOz …(2)
まず、前記の反応式(1)に示すように、炭酸リチウム(Li2CO3)と酸化チタン(TiO2)とを混合し、700℃で5時間の熱処理を行うことにより、非トンネル構造のチタン酸リチウム(Li2TiO3)が得られた。
Li2CO3 + TiO2 → Li2TiO3 + CO2 + H2O (1)
(1/2) Li2TiO3 + (5/4) TiO2 + (1/4) Ti
→ LixTiyOz (2)
First, as shown in the above reaction formula (1), lithium carbonate (Li 2 CO 3) and titanium oxide (TiO 2) are mixed and subjected to a heat treatment at 700 ° C. for 5 hours, whereby a non-tunneled lithium titanate ( Li2TiO3) was obtained.

次に、前記の反応式(2)に示すように、得られた非トンネル構造のチタン酸リチウム(Li2TiO3)に、酸化チタンと金属チタンとを混合して、1200℃で10時間の熱処理を行うことにより、三次元トンネル結晶構造を有するラムスデライト構造のチタン酸リチウム(LixTiyOz)が得られた(ここで、0.75≦x≦2.66、1.33≦y≦4、3≦z≦7)。   Next, as shown in the above reaction formula (2), the obtained non-tunneled lithium titanate (Li 2 TiO 3) is mixed with titanium oxide and titanium metal and subjected to heat treatment at 1200 ° C. for 10 hours. As a result, lithium titanate (LixTiyOz) having a three-dimensional tunnel crystal structure was obtained (where 0.75 ≦ x ≦ 2.66, 1.33 ≦ y ≦ 4, 3 ≦ z ≦). 7).

なお、すべての熱処理は、酸素を含まない窒素ガス雰囲気中で行った。   Note that all heat treatments were performed in a nitrogen gas atmosphere not containing oxygen.

さらに、ポストアニーリング処理を行うためのポストアニーリング条件として、粉末状態のラムスデライト型チタン酸リチウムに対して、窒素ガス雰囲気中で、75℃、90℃、100℃、125℃、150℃、250℃、350℃、400℃、425℃、450℃、550℃のそれぞれの温度において、それぞれ5時間の熱処理を行った。   Furthermore, as post-annealing conditions for performing the post-annealing treatment, 75 ° C., 90 ° C., 100 ° C., 125 ° C., 150 ° C., 250 ° C. in a nitrogen gas atmosphere with respect to the powdered ramsdellite type lithium titanate. , 350 ° C., 400 ° C., 425 ° C., 450 ° C., and 550 ° C., respectively, for 5 hours.

(2)ポストアニーリング処理時の温度による結晶構造の評価
次に、前述のラムスデライト型チタン酸リチウムの製造方法におけるポストアニーリング処理時の温度による結晶構造に関する評価をXRDパターン(X-Ray Diffraction:X線回折)に基づいて行った結果について説明する。図1は、本発明に係るリチウム二次電池用負極材料製造方法において種々の温度で5時間の間ポストアニーリング処理を行ったラムスデライト型チタン酸リチウムのXRDパターンを示す特性図である。図1の横軸は回折角(2θ:Bragg角の2倍)であり、縦軸には、任意の相対単位のX線強度を、各ポストアニーリング処理時の温度ごとに示している。
(2) Evaluation of crystal structure according to temperature during post-annealing treatment Next, evaluation of the crystal structure according to temperature during post-annealing treatment in the above-described method for producing ramsdelite type lithium titanate was performed using an XRD pattern (X-Ray Diffraction: X The results obtained based on (line diffraction) will be described. FIG. 1 is a characteristic diagram showing XRD patterns of ramsdellite-type lithium titanate subjected to post-annealing treatment at various temperatures for 5 hours in the method for manufacturing a negative electrode material for a lithium secondary battery according to the present invention. The horizontal axis in FIG. 1 is the diffraction angle (2θ: twice the Bragg angle), and the vertical axis shows the X-ray intensity in an arbitrary relative unit for each temperature during each post-annealing process.

図1において、図1(b)、(c)、(d)、(e)、(g)、(h)、(i)には、本実施例1で作製したラムスデライト型チタン酸リチウムの試料について、90℃、100℃、125℃、400℃、425℃、450℃、550℃のそれぞれの温度で、5時間のポストアニーリング処理を行った試料のXRDパターンをそれぞれ示している。なお、図1(a)には、参考として、ポストアニーリングなしの場合のXRDパターンも示している。   In FIG. 1, (b), (c), (d), (e), (g), (h), and (i) show the ramsdelite type lithium titanate prepared in Example 1. The XRD pattern of the sample which performed the post-annealing process for 5 hours at each temperature of 90 degreeC, 100 degreeC, 125 degreeC, 400 degreeC, 425 degreeC, 450 degreeC, and 550 degreeC is shown, respectively. FIG. 1A also shows an XRD pattern without post-annealing as a reference.

図1(b)、(c)、(d)、(e)に示すように、図1(a)のポストアニーリングなしの場合と同様に、400℃以下の温度でポストアニーリング処理を行ったいずれの試料についても、図1(f)に示した公知のラムスデライト型結晶構造を有するチタン酸リチウムのXRDパターン(PDF #34−0393)と一致し、三次元トンネル構造を有するラムスデライト型チタン酸リチウムの単相結晶構造が維持されていることが確認された。つまり、400℃以下の温度条件のポストアニーリング処理においては、結晶構造の変化がないことを確認することができた。   As shown in FIGS. 1 (b), (c), (d) and (e), as in the case without post-annealing in FIG. Also for the sample of Fig. 1 (f), the ramsdelite type titanate having a three-dimensional tunnel structure which matches the XRD pattern (PDF # 34-0393) of lithium titanate having the known ramsdelite type crystal structure shown in Fig. 1 (f). It was confirmed that the single phase crystal structure of lithium was maintained. That is, it was confirmed that there was no change in the crystal structure in the post-annealing process at a temperature condition of 400 ° C. or lower.

一方、図1(g)、(h)、(i)の矢印に示すように、400℃を超える温度条件でポストアニーリング処理を行うと、試料のXRDパターンには新たなピークが20°付近や30°付近に生じており、ラムスデライト型の結晶構造が崩れてしまうことが確認された。   On the other hand, as shown by the arrows in FIGS. 1 (g), (h), and (i), when the post-annealing treatment is performed under a temperature condition exceeding 400 ° C., a new peak appears in the XRD pattern of the sample around 20 ° or It occurred around 30 °, and it was confirmed that the ramsdellite type crystal structure collapsed.

(3)電極特性の評価:リチウム二次電池の充放電試験による評価
次に、前述のそれぞれの温度条件でポストアニーリング処理を施して作製したラムスデライト型チタン酸リチウムを作用極とし、金属リチウムを対極として用い、2320サイズ(直径23mm、幅2mm)のテストセルを作製し、電極特性の評価を行った。
(3) Evaluation of electrode characteristics: Evaluation by a charge / discharge test of a lithium secondary battery Next, a ramsdelite type lithium titanate prepared by performing post-annealing treatment under each temperature condition described above was used as a working electrode, and metallic lithium was A test cell having a size of 2320 (diameter: 23 mm, width: 2 mm) was prepared as a counter electrode, and the electrode characteristics were evaluated.

(3.1)リチウム二次電池の製造方法
最初に、本実施例1の電極特性の評価に用いる、図4に示すようなリチウム二次電池のテストセルの詳細な作製法について説明する。なお、図4は、本発明に係るリチウム二次電池用負極材料を用いたリチウム二次電池のテストセルの断面構造の一例を示す電池断面図であり、テストセルの作用極の材料については、本実施例1の(1)項に前述したような手順にて種々の温度条件でポストアニーリング処理を施して製造したラムスデライト型チタン酸リチウムをリチウム二次電池用負極材料として用いている。
(3.1) Manufacturing Method of Lithium Secondary Battery First, a detailed manufacturing method of a test cell of a lithium secondary battery as shown in FIG. 4 used for evaluating the electrode characteristics of Example 1 will be described. FIG. 4 is a battery cross-sectional view showing an example of a cross-sectional structure of a test cell of a lithium secondary battery using the negative electrode material for a lithium secondary battery according to the present invention. For the material of the working electrode of the test cell, The ramsdelite type lithium titanate produced by performing post-annealing treatment under various temperature conditions in the procedure as described in the item (1) of Example 1 is used as a negative electrode material for a lithium secondary battery.

まず、負極材料となるラムスデライト型チタン酸リチウム粉末とカーボンのアセチレンブラックとバインダーであるPTFE(polytetrafluoroethylene:ポリテトラフルオロエチレン)とを、らいかい機(擂潰機)で粉砕・混合した後、ロールプレスにより0.5mmの厚さになるまでシート状に圧延した。   First, ramsdelite-type lithium titanate powder as a negative electrode material, carbon acetylene black, and PTFE (polytetrafluoroethylene) as a binder are pulverized and mixed with a cracking machine (crusher), then rolled. The sheet was rolled to a thickness of 0.5 mm by pressing.

しかる後、得られたシートを直径15mmの円盤状に打ち抜き、一晩の真空乾燥を行うことにより、作用極となる負極材料ペレットすなわち図4に示す負極活物質ペレット2を作製した。なお、作用極となる負極活物質ペレット2の組成は、重量比で、酸化物(ラムスデライト型チタン酸リチウム粉末):アセチレンブラック:PTFE=70:25:5としている。   Thereafter, the obtained sheet was punched out into a disk shape having a diameter of 15 mm and vacuum-dried overnight to produce a negative electrode material pellet serving as a working electrode, that is, a negative electrode active material pellet 2 shown in FIG. In addition, the composition of the negative electrode active material pellet 2 which becomes a working electrode is oxide (ramsdellite type lithium titanate powder): acetylene black: PTFE = 70: 25: 5 by weight ratio.

次に、図4に示すテストセルの作用極ケース1の内側に直径15mmのチタンメッシュを溶接し、そのチタンメッシュ上に作用極となる負極活物質ペレット2を軽く圧着し、さらに、負極活物質ペレット2の上を直径17mmのチタンメッシュで覆い、該チタンメッシュを作用極ケース1に溶接した。しかる後に、さらに圧着することにより、ラムスデライト型チタン酸リチウムを含有する負極活物質ペレット2を作用極ケース1に固定した。   Next, a titanium mesh having a diameter of 15 mm is welded to the inside of the working electrode case 1 of the test cell shown in FIG. 4, and a negative electrode active material pellet 2 serving as a working electrode is lightly pressure-bonded on the titanium mesh. The top of the pellet 2 was covered with a titanium mesh having a diameter of 17 mm, and the titanium mesh was welded to the working electrode case 1. Thereafter, the negative electrode active material pellet 2 containing ramsdellite type lithium titanate was fixed to the working electrode case 1 by further pressing.

一方、図4に示すテストセルの直径23mmの対極ケース5の内側にはニッケルメッシュを溶接し、その上に直径17mmのシート状の金属リチウム4をリチウムイオンの挿入・脱離が容易に可能な正極材料を含有する対極として圧着し、対極ケース5の外縁部にはガスケット3をセットした。   On the other hand, a nickel mesh is welded to the inner side of the counter electrode case 5 having a diameter of 23 mm of the test cell shown in FIG. 4, and lithium metal ions 4 can be easily inserted and extracted on the sheet-like metal lithium 4 having a diameter of 17 mm thereon. Crimping was performed as a counter electrode containing a positive electrode material, and a gasket 3 was set on the outer edge of the counter electrode case 5.

次に、負極活物質ペレット2を固定した作用極ケース1上に、ポリエチレン製のセパレータ6を載せて、リチウムイオン導電性を有する電解質の非水電解液7として、1mol/L LiPF/(EC+DMC)を2mL程度注ぎ、ポリエチレン製のセパレータ6に浸漬させた後に、ガスケット3をセットした対極ケース5を作用極ケース1の上から覆い、全体をかしめることにより、テストセルを作製した。ここで、(EC+DMC)とは、それぞれエチレンカーボネートとジメチルカーボネートとの混合溶媒を示しており、この混合溶媒の中に、電解質であるLiPFのリチウム塩を溶解している。 Next, a polyethylene separator 6 is placed on the working electrode case 1 to which the negative electrode active material pellet 2 is fixed, and a 1 mol / L LiPF 6 / (EC + DMC) is obtained as an electrolyte non-aqueous electrolyte 7 having lithium ion conductivity. ) Was poured into a polyethylene separator 6, and the counter electrode case 5 on which the gasket 3 was set was covered from above the working electrode case 1, and the whole was caulked to prepare a test cell. Here, (EC + DMC) indicates a mixed solvent of ethylene carbonate and dimethyl carbonate, respectively, and a lithium salt of LiPF 6 as an electrolyte is dissolved in the mixed solvent.

なお、前述のように、本実施例1においては、ラムスデライト型チタン酸リチウムと混合するカーボンとしてアセチレンブラックを使用したが、ラムスデライト型チタン酸リチウムに対して不活性であればケッチェンブラックなどの他のカーボンブラック類、活性炭類、グラファイト類などであっても良い。   As described above, in Example 1, acetylene black was used as the carbon mixed with the ramsdelite type lithium titanate. Other carbon blacks, activated carbons, graphites and the like may be used.

また、カーボンの粒子径に関しても、ラムスデライト型チタン酸リチウム粒子と電池ケース間の導電性を十分確保するために適した粒子径であれば如何なる粒子径であっても良く、特に限定されない。しかし、一般的には、ラムスデライト型チタン酸リチウム粒子表面全体でカーボン粒子と接触することが、導電性パスの確保の観点からは好ましく、カーボン粒子のサイズは、ラムスデライト型チタン酸リチウムよりも小さい値を有しているものが望ましい。   Further, the particle diameter of carbon is not particularly limited as long as the particle diameter is suitable for ensuring sufficient conductivity between the ramsdellite-type lithium titanate particles and the battery case. However, in general, it is preferable from the viewpoint of securing a conductive path that the entire surface of the ramsdelite-type lithium titanate particles is in contact with the carbon particles, and the size of the carbon particles is larger than that of the ramsdelite-type lithium titanate. Those having a small value are desirable.

また、バインダーに関しても特に限定されるものではなく、本実施例1において使用したポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の他に、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン(PVDF:PolyVinylidene DiFluoride)など通常のリチウム二次電池で用いられているバインダーを用いることができる。   Also, the binder is not particularly limited. In addition to polytetrafluoroethylene (PTFE) used in Example 1, ordinary lithium secondary such as polyethylene, polypropylene, and polyvinylidene fluoride (PVDF). Binders used in batteries can be used.

さらに、リチウムイオン導電性を有する電解質の非水電解液7や、負極活物質ペレット2と金属リチウム4とを物理的に分離するセパレータ6に関しても、通常のリチウムイオン二次電池に用いられる非水電解液やセパレータが利用可能であり、特に限定されるものではない。   Further, the non-aqueous electrolyte solution 7 having lithium ion conductivity and the separator 6 that physically separates the negative electrode active material pellet 2 and the metal lithium 4 are also non-aqueous used in ordinary lithium ion secondary batteries. An electrolytic solution or a separator can be used and is not particularly limited.

(3.2)リチウム二次電池の充放電試験による評価
前述の製造方法により作製したリチウム二次電池のテストセルを用いて、電流密度1mA/cm、電圧範囲0.5―3.5Vの条件で、充放電試験を行なった。図6は、本発明に係るリチウム二次電池用負極材料製造方法において250℃および450℃の温度で5時間の間窒素ガス雰囲気中でポストアニーリング処理を行ったラムスデライト型チタン酸リチウムを作用極材料として用いたリチウム二次電池の10サイクル目の充放電曲線の一例を示す特性図であり、前述の製造方法により作製したリチウム二次電池のテストセルにおいて電流密度1mA/cm、電圧範囲0.5―3.5Vの条件で充放電動作を繰り返した場合の10サイクル目の充放電曲線を、ポストアニーリング処理なしの場合とともに示している。図6の横軸は充放電容量(mAh/g)を示し、縦軸は電圧(V)を示している。
(3.2) Evaluation by Charge / Discharge Test of Lithium Secondary Battery Using a test cell of a lithium secondary battery produced by the above-described production method, a current density of 1 mA / cm 2 and a voltage range of 0.5 to 3.5 V Under the conditions, a charge / discharge test was performed. FIG. 6 shows a working electrode of ramsdellite-type lithium titanate that was post-annealed in a nitrogen gas atmosphere at temperatures of 250 ° C. and 450 ° C. for 5 hours in the method for manufacturing a negative electrode material for a lithium secondary battery according to the present invention. It is a characteristic view which shows an example of the charging / discharging curve of the 10th cycle of the lithium secondary battery used as material, In the test cell of the lithium secondary battery produced by the above-mentioned manufacturing method, current density 1mA / cm < 2 >, voltage range 0 10 shows a charge / discharge curve at the 10th cycle when the charge / discharge operation is repeated under the condition of 5-3.5 V together with the case without post-annealing treatment. The horizontal axis in FIG. 6 indicates the charge / discharge capacity (mAh / g), and the vertical axis indicates the voltage (V).

図6において、「Liイオン脱離」として示している3つの曲線(A)、(B)、(C)は、10サイクル目の放電動作時の電極特性を示し、「Liイオン挿入」として示している3つの曲線(D)、(E)、(F)は、10サイクル目の充電動作時の電極特性を示している。また、それぞれの3つずつの曲線は、曲線(A)、(D)は、窒素ガス雰囲気中で250℃、5時間のポストアニーリング処理を行ったラムスデライト型チタン酸リチウムを作用極活物質として用いている場合を示し、曲線(B)、(E)は、窒素ガス雰囲気中で450℃、5時間のポストアニーリング処理を行ったラムスデライト型チタン酸リチウムを作用極活物質として用いている場合を示し、曲線(C)、(F)は、ポストアニーリング処理なしのラムスデライト型チタン酸リチウムを作用極活物質として用いている場合を示している。   In FIG. 6, three curves (A), (B), and (C) indicated as “Li ion desorption” indicate electrode characteristics during the discharge operation of the 10th cycle, and are indicated as “Li ion insertion”. The three curves (D), (E), and (F) indicate the electrode characteristics during the charging operation of the 10th cycle. Each of the three curves is shown by curves (A) and (D), in which a ramsdelite type lithium titanate subjected to a post-annealing treatment at 250 ° C. for 5 hours in a nitrogen gas atmosphere is used as an active electrode active material. Curves (B) and (E) show the case where ramsdelite type lithium titanate subjected to post-annealing treatment at 450 ° C. for 5 hours in a nitrogen gas atmosphere is used as a working electrode active material. Curves (C) and (F) show cases where ramsdellite-type lithium titanate without post-annealing treatment is used as the active electrode active material.

図6に示すように、これらのラムスデライト型チタン酸リチウム材料の充放電電圧は、リチウム対極に対して1.5V以下の低い電圧であるため、リチウム二次電池の負極材料として利用することが可能である。   As shown in FIG. 6, the charge / discharge voltage of these ramsdelite-type lithium titanate materials is a low voltage of 1.5 V or less with respect to the lithium counter electrode, so that it can be used as a negative electrode material for lithium secondary batteries. Is possible.

また、図6において、曲線(C)、(F)にて示すポストアニーリング処理なしの試料と比較すると、曲線(A)、(D)にて示す250℃、5時間のポストアニーリング処理を行った試料については、充放電容量が大きくなるとともに、不可逆容量も小さくなることが分かった。一方、曲線(B)、(E)にて示す450℃、5時間のポストアニーリング処理を行った試料は、図1において説明したように、結晶構造の変化が起こってしまうため、曲線(C)、(F)にて示すポストアニーリング処理なしの試料と比較しても、充放電容量が大幅に減少してしまうことが分かった。   Moreover, in FIG. 6, compared with the sample without the post-annealing treatment shown by the curves (C) and (F), the post-annealing treatment at 250 ° C. for 5 hours shown by the curves (A) and (D) was performed. For the sample, it was found that the charge / discharge capacity increased and the irreversible capacity also decreased. On the other hand, the sample subjected to the post-annealing treatment at 450 ° C. for 5 hours shown by the curves (B) and (E) changes the crystal structure as described in FIG. It was also found that the charge / discharge capacity was greatly reduced even when compared with the sample without post-annealing shown in FIG.

図6の充放電試験に用いた3種類の試料について、さらに、それぞれ100サイクルの充放電試験を行い、その結果を、放電容量のサイクル依存性として、図7に示している。図7は、本発明に係るリチウム二次電池用負極材料を用いたリチウム二次電池のテストセルの充放電サイクル特性の一例を示す特性図であり、ポストアニーリング処理なしの試料、窒素ガス雰囲気中で250℃、5時間のポストアニーリング処理を行った試料、窒素ガス雰囲気中で450℃、5時間のポストアニーリング処理を行った試料のそれぞれについて100サイクルの充放電試験を行った場合の放電容量の変化の様子を、それぞれ、黒丸マーク(●)、上向き三角マーク(△)、下向き三角マーク(▽)で示している。   The three types of samples used in the charge / discharge test of FIG. 6 were further subjected to 100 cycles of charge / discharge tests, and the results are shown in FIG. 7 as the cycle dependency of the discharge capacity. FIG. 7 is a characteristic diagram showing an example of charge / discharge cycle characteristics of a test cell of a lithium secondary battery using the negative electrode material for a lithium secondary battery according to the present invention, in a sample without a post-annealing treatment, in a nitrogen gas atmosphere Of the discharge capacity when 100 cycles of charge / discharge test were conducted for each of the sample subjected to post-annealing treatment at 250 ° C. for 5 hours and the sample subjected to post-annealing treatment at 450 ° C. for 5 hours in a nitrogen gas atmosphere. The state of change is indicated by a black circle mark (●), an upward triangle mark (△), and a downward triangle mark (▽), respectively.

さらに、図7には、比較のために、窒素ガス雰囲気中で75℃の低温の温度条件で、5時間のポストアニーリング処理を行った試料についての100サイクル充放電試験の放電容量の変化の様子についても、ばつマーク(×)で合わせて示している。   For comparison, FIG. 7 shows a change in discharge capacity of a 100-cycle charge / discharge test for a sample subjected to a 5-hour post-annealing treatment in a nitrogen gas atmosphere at a low temperature of 75 ° C. Is also shown with a cross mark (×).

図7に示すように、250℃でポストアニーリング処理を行った試料は、上向き三角マーク(△)で示すように、100サイクルに至るまで非常に安定した充放電動作が可能であることが確認されたが、ポストアニーリング処理なしの試料の場合、および、本発明において望ましいポストアニーリング処理用の温度条件として設定した100−400℃の温度範囲からは逸脱する450℃、75℃のそれぞれの温度でポストアニーリング処理を行った試料の場合は、黒丸マーク(●)、下向き三角マーク(▽)、ばつマーク(×)でそれぞれ示すように、充放電を繰り返すと、放電容量の低下が著しいことが確認された。   As shown in FIG. 7, it was confirmed that the sample subjected to the post-annealing process at 250 ° C. can perform a very stable charge / discharge operation up to 100 cycles as indicated by the upward triangle mark (Δ). However, in the case of a sample without post-annealing treatment, and at a temperature of 450 ° C. and 75 ° C. deviating from the temperature range of 100-400 ° C. set as a desirable temperature condition for post-annealing treatment in the present invention. In the case of samples that have been annealed, it is confirmed that the discharge capacity decreases significantly when charging and discharging are repeated, as indicated by the black circle mark (●), downward triangle mark (▽), and cross mark (x). It was.

また、ポストアニーリング条件として、ポストアニーリング処理なしの場合も含め、75℃、90℃、100℃、125℃、150℃、250℃、350℃、400℃、425℃、450℃の各温度条件(雰囲気はすべて窒素ガス、処理時間はすべて5時間)でポストアニーリング処理を行って作製した試料を対象にして、1サイクル目、5サイクル目、10サイクル目、50サイクル目、100サイクル目のそれぞれにおける放電容量、100サイクル後における放電容量維持率、および、1サイクル目と100サイクル目とにおける不可逆容量(充電容量と放電容量の差)を測定した結果について、次の表1に示す。なお、表1の左端の欄には、理解し易くするために、本実施例1において使用する試料の場合のみならず、後述する実施例2や実施例3においても使用する試料である場合には、その旨を表示している。   In addition, as post-annealing conditions, including those without post-annealing treatment, each temperature condition of 75 ° C, 90 ° C, 100 ° C, 125 ° C, 150 ° C, 250 ° C, 350 ° C, 400 ° C, 425 ° C, and 450 ° C ( The atmosphere was all nitrogen gas, and the processing time was all 5 hours). Samples prepared by post-annealing were used in the first cycle, the fifth cycle, the 10th cycle, the 50th cycle, and the 100th cycle. The results of measuring the discharge capacity, the discharge capacity maintenance rate after 100 cycles, and the irreversible capacity (the difference between the charge capacity and the discharge capacity) between the first cycle and the 100th cycle are shown in Table 1 below. In the leftmost column of Table 1, in order to facilitate understanding, not only the sample used in Example 1 but also the sample used in Example 2 and Example 3 described later are used. Indicates that.

Figure 2012084358
表1に示すように、本発明において望ましいポストアニーリング処理用の温度条件として設定した100−400℃の温度範囲内の温度条件でポストアニーリング処理を行った場合には、不可逆容量が減少し、充放電サイクル特性の改善を図ることができることが確認された。
Figure 2012084358
As shown in Table 1, when the post-annealing process is performed under a temperature condition within a temperature range of 100 to 400 ° C. set as a desirable temperature condition for the post-annealing process in the present invention, the irreversible capacity decreases and the charge is reduced. It was confirmed that the discharge cycle characteristics can be improved.

例えば、表1を参照すると、250℃の温度条件におけるポストアニーリング処理の試料の場合、100サイクル後における放電容量維持率は、95%と最も高い値を示し、ポストアニーリング処理なしの試料の100サイクル後における放電容量維持率に比べると、約25%の放電容量の改善を達成することができ、優れた充放電サイクル特性を有していることが分かった。これに対して、本発明において望ましいポストアニーリング処理用の温度条件として設定した100−400℃の温度範囲から逸脱した温度条件でポストアニーリング処理を行った試料については、ポストアニーリングなしの試料と同様、いずれも、100サイクル後における放電容量維持率が、70%以下と低いことが分かった。   For example, referring to Table 1, in the case of a sample subjected to post-annealing treatment at a temperature condition of 250 ° C., the discharge capacity maintenance ratio after 100 cycles shows the highest value of 95%, and 100 cycles of the sample without post-annealing treatment Compared with the discharge capacity maintenance rate after that, it was found that the discharge capacity was improved by about 25% and had excellent charge / discharge cycle characteristics. On the other hand, the sample subjected to the post-annealing treatment at a temperature condition deviating from the temperature range of 100 to 400 ° C. set as the desirable temperature condition for the post-annealing treatment in the present invention is the same as the sample without post-annealing. In either case, it was found that the discharge capacity retention rate after 100 cycles was as low as 70% or less.

以上のように、ポストアニーリング処理を行う際のポストアニーリング条件のうち、温度条件については、100℃以上で400℃以下の温度範囲内のいずれかの温度とすることを、あらかじめ定めておくべきであることが分かった。   As described above, among the post-annealing conditions when performing the post-annealing process, the temperature condition should be set in advance to be any temperature within a temperature range of 100 ° C. or higher and 400 ° C. or lower. I found out.

(実施例2)
次に、実施例2として、ポストアニーリング処理を行う際のポストアニーリング条件のうち、ポストアニーリング処理の処理時間を評価した結果について説明する。すなわち、本実施例2においては、ラムスデライト型チタン酸リチウムを、実施例1において説明した製造方法と同様の二段階固相反応により合成し、ポストアニーリング処理の雰囲気としては、実施例1の場合と同じく窒素ガスを用いて、ポストアニーリング処理の処理時間を種々の時間に変化させて、本発明において望ましいポストアニーリング処理用の温度条件として設定した100−400℃の温度範囲内にある温度条件の250℃の場合と、本発明において望ましいポストアニーリング温度条件として設定した100−400℃の温度範囲からは逸脱した温度条件の90℃、450℃の場合とについて、結晶構造の変化、電極特性を評価した。
(Example 2)
Next, as Example 2, the result of evaluating the processing time of the post-annealing process among the post-annealing conditions when performing the post-annealing process will be described. That is, in Example 2, ramsdellite-type lithium titanate was synthesized by a two-stage solid phase reaction similar to the production method described in Example 1, and the atmosphere of the post-annealing treatment was the same as in Example 1. As in the case of using nitrogen gas, the processing time of the post-annealing process is changed to various times, and the temperature condition within the temperature range of 100 to 400 ° C. set as the desired temperature condition for the post-annealing process in the present invention. Evaluation of changes in crystal structure and electrode characteristics in the case of 250 ° C. and in the case of 90 ° C. and 450 ° C. of temperature conditions deviating from the temperature range of 100-400 ° C. set as desirable post-annealing temperature conditions in the present invention did.

ここで、本発明において望ましいポストアニーリング処理用の温度条件として設定した100−400℃の温度範囲内にある温度条件の250℃の場合については、ポストアニーリング処理の処理時間を0.5時間(30分)、0.75時間(45分)、1時間、3時間、5時間(実施例1の場合と同様)、10時間、15時間、30時間の8種類の時間で実施例1の場合と同様の二段階固相反応により試料を合成した。一方、本発明において望ましいポストアニーリング処理用の温度条件として設定した100−400℃の温度範囲からは逸脱した温度条件の90℃、450℃の場合については、ポストアニーリング処理の処理時間を0.5時間(30分)、1時間、3時間、5時間(実施例1の場合と同様)、10時間の5種類の時間で実施例1の場合と同様の二段階固相反応により試料を合成した。   Here, in the case of 250 ° C., which is a temperature condition within a temperature range of 100-400 ° C. set as a desirable temperature condition for the post-annealing treatment in the present invention, the processing time of the post-annealing treatment is 0.5 hours (30 Min), 0.75 hours (45 minutes), 1 hour, 3 hours, 5 hours (same as in Example 1), 10 hours, 15 hours, and 30 hours, and in the case of Example 1 Samples were synthesized by a similar two-step solid phase reaction. On the other hand, in the case of 90 ° C. and 450 ° C. that deviate from the temperature range of 100-400 ° C. set as the desirable temperature conditions for post-annealing in the present invention, the processing time of the post-annealing treatment is 0.5. Samples were synthesized by the same two-stage solid-phase reaction as in Example 1 at 5 types of time (30 minutes), 1 hour, 3 hours, 5 hours (same as in Example 1), and 10 hours. .

(1)ポストアニーリング処理時の温度による結晶構造の評価
まず、本発明において望ましいポストアニーリング処理用の温度条件として設定した100−400℃の温度範囲からは逸脱した温度条件の90℃、450℃でポストアーニング処理を行った試料について、XRDパターン測定により、結晶構造の変化を調べた。図2は、本発明に係るリチウム二次電池用負極材料製造方法において90℃および450℃の温度で種々の処理時間の間ポストアニーリング処理を行ったラムスデライト型チタン酸リチウムのXRDパターンを示す特性図である。図2の横軸は回折角(2θ:Bragg角の2倍)であり、縦軸には、任意の相対単位のX線強度を、90℃および450℃の温度での各ポストアニーリング処理時の処理時間ごとに示している。
(1) Evaluation of crystal structure depending on temperature during post-annealing process First, at a temperature condition of 90 ° C. and 450 ° C. deviating from the temperature range of 100-400 ° C. set as a desirable temperature condition for post-annealing process in the present invention. About the sample which performed the post-earning process, the change of crystal structure was investigated by XRD pattern measurement. FIG. 2 shows characteristics of an XRD pattern of ramsdelite type lithium titanate subjected to post-annealing treatment at temperatures of 90 ° C. and 450 ° C. for various treatment times in the method for producing a negative electrode material for a lithium secondary battery according to the present invention. FIG. The horizontal axis of FIG. 2 is the diffraction angle (2θ: twice the Bragg angle), and the vertical axis is the X-ray intensity of an arbitrary relative unit at the time of each post-annealing treatment at 90 ° C. and 450 ° C. Shown for each processing time.

図2(a)、(b)、(d)に示すように、90℃の低温のポストアーニング処理の試料の場合、0.5時間(30分)、1時間、10時間のいずれの場合についても、実施例1における図1(b)に示した5時間のポストアーニング処理の場合(図2(c)に示す場合)と同様に、ラムスデライト型チタン酸リチウムの単相結晶が生成されていることが分かった。   As shown in FIGS. 2 (a), 2 (b), and 2 (d), in the case of a low-temperature post-annealing sample at 90 ° C., either 0.5 hour (30 minutes), 1 hour, or 10 hours In the same manner as in the case of the 5-hour post-earning treatment shown in FIG. 1B in Example 1 (in the case shown in FIG. 2C), a single-phase crystal of ramsdelite type lithium titanate was formed. I found out that

しかし、図2(e)、(f)に示すように、450℃の高温のポストアーニング処理の試料の場合は、0.5時間(30分)、1時間の場合であっても、実施例1における図1(h)に示した5時間のポストアーニング処理の場合(図2(g)に示す場合)と同様に、結晶構造に変化が生じてしまい、さらに、長い時間の熱処理を行うと、結晶構造の変化がより顕著になり、ポストアーニング処理の処理時間に大きく依存することが分かった。   However, as shown in FIGS. 2 (e) and 2 (f), in the case of a 450 ° C. high-temperature post-earning treatment sample, it was carried out even in the case of 0.5 hour (30 minutes) or 1 hour. As in the case of the 5-hour post-annealing treatment shown in FIG. 1 (h) in Example 1 (in the case shown in FIG. 2 (g)), the crystal structure changes, and further, a long-time heat treatment is performed. When it did, it turned out that the change of a crystal structure becomes more remarkable and it depends greatly on the processing time of a post-earning process.

これに対して、本発明において望ましいポストアニーリング処理用の温度条件として設定した100−400℃の温度範囲内にある温度条件の250℃でポストアーニング処理を行った試料についても、XRDパターン測定により結晶構造の変化を調べた。図示していないが、250℃でのポストアーニング処理においては、0.5時間(30分)、0.75時間(45分)、1時間、3時間、10時間、15時間、30時間のいずれの処理時間においても、図1(d)の5時間の処理時間の場合と同様に、三次元トンネル構造を有するラムスデライト型チタン酸リチウムの単相結晶構造であることを確認した。   On the other hand, a sample subjected to post-annealing treatment at 250 ° C. in the temperature range of 100-400 ° C. set as a desirable temperature condition for post-annealing treatment in the present invention is also measured by XRD pattern measurement. The change of crystal structure was investigated. Although not shown, in the post-annealing process at 250 ° C., 0.5 hours (30 minutes), 0.75 hours (45 minutes), 1 hour, 3 hours, 10 hours, 15 hours, 30 hours In any treatment time, as in the case of the treatment time of 5 hours in FIG. 1D, it was confirmed that the single-phase crystal structure of ramsdellite type lithium titanate having a three-dimensional tunnel structure was confirmed.

しかし、処理時間と結晶成長の関係は、長時間の処理になればなるほど結晶が成長して、結晶性が高くなり、250℃の温度条件であっても30時間を越えてさらに長時間の処理になると、ポストアニーリング処理の温度が450℃や550℃において5時間の間ポストアニーリング処理を行った場合と同様に、結晶構造に変化が生じてしまう傾向がある。   However, the relationship between the treatment time and the crystal growth is that the longer the treatment, the more the crystal grows and the higher the crystallinity. Even under the temperature condition of 250 ° C., the treatment time is longer than 30 hours. Then, as in the case where the post-annealing process is performed for 5 hours at a temperature of 450 ° C. or 550 ° C., the crystal structure tends to change.

(2)電極特性の評価:リチウム二次電池の充放電試験による評価
次に、前述のようなそれぞれの処理時間の間ポストアニーリング処理を行ったチタン酸リチウム粉末を用いて、実施例1の製造方法と同様の製造方法により、作用極となる負極材料ペレットをそれぞれ作製し、それぞれの負極材料ペレットを用いた作用極を有する図4に示したようなテストセルを作製して、実施例1の場合と同様、電流密度1mA/cm、電圧範囲0.5―3.5Vの条件で、それぞれのテストセルに関する充放電サイクル測定を行った。
(2) Evaluation of electrode characteristics: Evaluation by charge / discharge test of lithium secondary battery Next, production of Example 1 was performed using lithium titanate powder subjected to post-annealing treatment for each treatment time as described above. A negative electrode material pellet to be a working electrode is produced by a manufacturing method similar to the above method, and a test cell as shown in FIG. 4 having a working electrode using each negative electrode material pellet is produced. As in the case, the charge / discharge cycle measurement for each test cell was performed under the conditions of a current density of 1 mA / cm 2 and a voltage range of 0.5 to 3.5 V.

本発明において望ましいポストアニーリング処理用の温度条件として設定した100−400℃の温度範囲からは逸脱した温度条件の90℃、450℃でポストアーニング処理を0.5時間(30分)、1時間、3時間、5時間(実施例1の場合と同様)、10時間の5種類の時間で行って作製した試料、および、本発明において望ましいポストアニーリング処理用の温度条件として設定した100−400℃の温度範囲内にある温度条件の250℃でポストアーニング処理を0.5時間(30分)、0.75時間(45分)、1時間、3時間、5時間(実施例1の場合と同様)、10時間、15時間、30時間の8種類の時間で行って作製した試料を対象にして、1サイクル目、5サイクル目、10サイクル目、50サイクル目、100サイクル目のそれぞれにおける放電容量、100サイクル後における放電容量維持率、および、1サイクル目と100サイクル目とにおける不可逆容量(充電容量と放電容量の差)を測定した結果について、次の表2に示す。なお、表2の左端の欄には、表2の場合と同様、理解し易くするために、本実施例2において使用する試料の場合のみならず、実施例1や後述の実施例3においても使用する試料である場合には、その旨を表示している。   The post-annealing treatment is performed for 0.5 hour (30 minutes) and 1 hour at 90 ° C. and 450 ° C., respectively, deviating from the temperature range of 100 to 400 ° C. set as a desirable temperature condition for the post annealing treatment in the present invention. 3 hours, 5 hours (similar to the case of Example 1), a sample prepared by performing five kinds of time of 10 hours, and 100-400 ° C. set as a temperature condition for the post-annealing treatment desirable in the present invention The post-annealing treatment was performed at 250 ° C. under the temperature condition in the temperature range of 0.5 hour (30 minutes), 0.75 hour (45 minutes), 1 hour, 3 hours, 5 hours (as in the case of Example 1). The same) For samples prepared at 8 hours of 10 hours, 15 hours, and 30 hours, the first cycle, the fifth cycle, the 10th cycle, the 50th cycle, Table 2 shows the results of measuring the discharge capacity at each cycle, the discharge capacity retention rate after 100 cycles, and the irreversible capacity (the difference between the charge capacity and the discharge capacity) between the first cycle and the 100th cycle. Show. In the leftmost column of Table 2, as in the case of Table 2, not only in the case of the sample used in Example 2, but also in Example 1 and Example 3 described later, in order to facilitate understanding. If it is a sample to be used, this is indicated.

Figure 2012084358
表2に示すように、本発明において望ましいポストアニーリング処理用の温度条件として設定した100−400℃の温度範囲からは逸脱した90℃という低温処理の試料の100サイクル後における放電容量維持率については、比較的長時間の10時間のポストアニーリング処理を行った場合には79%以上を実現しているものの、表1に示したポストアニーリング処理無しの場合の放電容量維持率(69.8%)よりも約10%の改善しか確認されなかった。さらに、5時間以下のポストアニーリング処理の試料に関しては、ポストアニーリング処理の効果が全く見られないことが分かった。
Figure 2012084358
As shown in Table 2, the discharge capacity retention rate after 100 cycles of a sample at a low temperature of 90 ° C. deviating from the temperature range of 100-400 ° C. set as a desirable temperature condition for post-annealing in the present invention When a relatively long 10-hour post-annealing treatment was performed, 79% or more was achieved, but the discharge capacity retention rate without the post-annealing treatment shown in Table 1 (69.8%) Only about 10% improvement was confirmed. Furthermore, it was found that the post-annealing effect was not seen at all for the post-annealing sample of 5 hours or less.

また、本発明において望ましいポストアニーリング処理用の温度条件として設定した100−400℃の温度範囲からは逸脱した450℃という高温処理の試料の100サイクル後における放電容量維持率については、表2に示すように、ポストアニーリング処理の処理時間が長くなればなるほど、100サイクル後における放電容量維持率が低下してしまい、処理時間が最も短い0.5時間(30分)であっても、62%とかなり低い値であることが分かった。つまり、450℃という高温処理の試料については、図2(e)、(f)、(g)に示した通り、ポストアニーリング処理の処理時間が長くなればなるほど、結晶構造の変化が進み、不純物層の混在が顕著になってしまうため、粒子界面の抵抗が大きくなり、急激な放電容量の減少が起こってしまうものと考えることができる。   Table 2 shows the discharge capacity retention rate after 100 cycles of a sample at a high temperature of 450 ° C. deviating from the temperature range of 100-400 ° C. set as a desirable temperature condition for post-annealing in the present invention. Thus, the longer the processing time of the post-annealing process, the lower the discharge capacity maintenance rate after 100 cycles, and even with the shortest processing time of 0.5 hours (30 minutes), 62% It turned out to be quite low. In other words, as shown in FIGS. 2E, 2F, and 2G, for the sample processed at a high temperature of 450 ° C., the longer the processing time of the post-annealing process, the more the change in crystal structure proceeds. Since mixing of the layers becomes remarkable, it can be considered that the resistance at the particle interface increases and the discharge capacity rapidly decreases.

これらに対して、本発明において望ましいポストアーニング処理用の温度条件として設定した100−400℃の温度範囲内にある温度条件の250℃でポストアーニング処理を行った試料の100サイクル後における放電容量維持率については、表2に示すように、処理時間が最も短い0.5時間(30分)の場合であっても86.4%という高い値が得られ、その後、処理時間の増加に応じて増加していき、処理時間が15時間において97.1%と最も高い値になるが、ポストアニーリング処理の処理時間が30時間という比較的長い時間であっても、95.9%という高い値が得られることが分かった。   On the other hand, discharge after 100 cycles of a sample subjected to post-annealing treatment at 250 ° C. in a temperature condition within a temperature range of 100-400 ° C. set as a desirable temperature condition for post-earning treatment in the present invention. As shown in Table 2, the capacity retention rate is as high as 86.4% even when the processing time is the shortest 0.5 hour (30 minutes). As the processing time increases to 97.1% at 15 hours, the post-annealing processing time is as high as 95.9% even if the processing time is 30 hours. The value was found to be obtained.

また、250℃で3時間未満の処理時間の試料については、10サイクル目まで放電容量の大きな変化はほとんど見られなかったが、50サイクル以降では放電容量の急激な減少が見られた。一方、3時間以上の長時間の処理時間の試料については、1サイクル目から100サイクル目までの放電容量の減少や不可逆容量の値は小さく、特に、15時間の処理時間の場合は、100サイクル目までの放電容量の減少や不可逆容量の値も非常に小さく、ポストアニーリング処理として、最も高い効果を示すことが分かった。   In addition, for the sample having a treatment time of less than 3 hours at 250 ° C., there was hardly any significant change in the discharge capacity until the 10th cycle, but a rapid decrease in the discharge capacity was observed after the 50th cycle. On the other hand, for samples having a long processing time of 3 hours or more, the decrease in discharge capacity and the irreversible capacity from the first cycle to the 100th cycle are small, and in particular, in the case of a processing time of 15 hours, 100 cycles. The reduction of the discharge capacity to the eye and the value of the irreversible capacity were very small, and it was found that the post-annealing treatment showed the highest effect.

つまり、本発明において望ましいポストアニーリング処理用の温度条件として設定した100−400℃の温度範囲の250℃では、3時間以上の長時間のポストアーニング処理を行うことにより、100サイクル目の不可逆容量が著しく減少し、ポストアニーリング処理の効果が得られることが分かった。しかし、250℃の温度条件でより長時間の30時間の処理時間の場合には、高い特性改善効果は得られるものの、15時間処理時の特性改善効果以上のさらなる改善は特に得られないことが分かった。   In other words, the irreversible capacity at the 100th cycle is obtained by performing the post-annealing treatment for a long time of 3 hours or more at 250 ° C. in the temperature range of 100 to 400 ° C. set as a desirable temperature condition for the post-annealing treatment in the present invention. As a result, it was found that the effect of post-annealing treatment was obtained. However, when the treatment time is longer for 30 hours under the temperature condition of 250 ° C., a high characteristic improvement effect is obtained, but further improvement beyond the characteristic improvement effect at the time of 15 hours treatment may not be obtained. I understood.

かくのごとき100−400℃の温度範囲内の例えば250℃において3時間以上の長時間のポストアニーリング処理を行うことによる特性改善が得られる要因としては、長時間のポストアニーリング処理を行うことによって、結晶粒界のイオンの再配列が起こり、ダングリングボンド(dangling bond)欠陥が解消され、結果的に、充放電サイクルにおけるリチウムイオンの挿入・脱離がより効率的に進行するためであると考えることができる。   As a factor that can improve the characteristics by performing a long-time post-annealing treatment of, for example, 3 hours or more at 250 ° C. within a temperature range of 100 to 400 ° C., by performing a long-time post-annealing treatment, It is considered that the rearrangement of ions at the grain boundary occurs, the dangling bond defect is eliminated, and as a result, the insertion / extraction of lithium ions in the charge / discharge cycle proceeds more efficiently. be able to.

以上のように、ポストアニーリング処理を行う際のポストアニーリング条件のうち、処理時間条件については、100℃以上で400℃以下の温度範囲内のいずれかの温度である場合、少なくとも3時間以上の処理時間とすることを、あらかじめ定めておくべきであることが分かった。   As described above, among the post-annealing conditions when performing the post-annealing treatment, the treatment time condition is that the treatment is performed for at least 3 hours when the temperature is any temperature within a temperature range of 100 ° C. to 400 ° C. It turned out that time should be predetermined.

(実施例3)
次に、実施例3として、ポストアニーリング処理を行う際のポストアニーリング条件のうち、ポストアニーリング処理時の雰囲気を評価した結果について説明する。すなわち、本実施例3においては、ラムスデライト型チタン酸リチウムを、実施例1において説明した製造方法と同様の二段階固相反応により合成し、250℃の温度で5時間の処理時間としたポストアニーリング処理において、ポストアニーリング処理の雰囲気として、実施例1の場合の窒素(N)ガスの他に、アルゴン(Ar)ガス、水素−窒素(H−N)混合ガス、酸素ガス、空気のそれぞれを用いた場合について、結晶構造の変化、電極特性を評価した。
(Example 3)
Next, as Example 3, the result of evaluating the atmosphere during the post-annealing process among the post-annealing conditions when performing the post-annealing process will be described. That is, in Example 3, a ramsdellite-type lithium titanate was synthesized by a two-stage solid phase reaction similar to the production method described in Example 1, and the post-processing time was 5 hours at a temperature of 250 ° C. In the annealing process, as an atmosphere of the post-annealing process, in addition to the nitrogen (N 2 ) gas in the first embodiment, argon (Ar) gas, hydrogen-nitrogen (H 2 -N 2 ) mixed gas, oxygen gas, air For each of the above, changes in crystal structure and electrode characteristics were evaluated.

(1)ポストアニーリング処理時の雰囲気による結晶構造の評価
まず、250℃、5時間のポストアーニング処理を、窒素ガスの他に、Arガス、H−N混合ガス、酸素ガス、空気のそれぞれに雰囲気で行った試料について、XRDパターン測定により、結晶構造の変化を調べた。図3は、本発明に係るリチウム二次電池用負極材料製造方法において同一の温度・時間(250℃、5時間)で種々の雰囲気の中でポストアニーリング処理を行ったラムスデライト型チタン酸リチウムのXRDパターンを示す特性図である。図3の横軸は回折角(2θ:Bragg角の2倍)であり、縦軸には、任意の相対単位のX線強度を、90℃および450℃の温度での各ポストアニーリング処理時の処理時間ごとに示している。
(1) Evaluation of crystal structure according to atmosphere during post-annealing treatment First, post-annealing treatment at 250 ° C. for 5 hours is performed using nitrogen gas, Ar gas, H 2 —N 2 mixed gas, oxygen gas, air With respect to each sample performed in the atmosphere, the change in crystal structure was examined by XRD pattern measurement. FIG. 3 is a schematic view of the ramsdellite-type lithium titanate subjected to post-annealing treatment in various atmospheres at the same temperature and time (250 ° C., 5 hours) in the negative electrode material manufacturing method for lithium secondary battery according to the present invention. It is a characteristic view which shows an XRD pattern. The horizontal axis in FIG. 3 is the diffraction angle (2θ: twice the Bragg angle), and the vertical axis is the X-ray intensity of an arbitrary relative unit at the time of each post-annealing treatment at temperatures of 90 ° C. and 450 ° C. Shown for each processing time.

図3において、図3(b)、(c)、(d)、(e)、(f)には、本実施例1で作製したラムスデライト型チタン酸リチウムの試料について、窒素(N)ガス(実施例1の場合と同じ)、アルゴン(Ar)ガス、水素−窒素(H−N)混合ガス、酸素ガス、空気(air)のそれぞれの雰囲気中で、250℃、5時間のポストアニーリング処理を行った試料のXRDパターンをそれぞれ示している。なお、図3(a)には、参考として、ポストアニーリング処理なしの場合のXRDパターンも示している。 In FIG. 3, FIGS. 3B, 3 </ b> C, 3 </ b> D, 3 </ b> E, and 3 </ b> F show nitrogen (N 2 ) for the sample of ramsdelite-type lithium titanate manufactured in Example 1. In the respective atmospheres of gas (same as in Example 1), argon (Ar) gas, hydrogen-nitrogen (H 2 -N 2 ) mixed gas, oxygen gas, and air (air), The XRD pattern of the sample which performed the post annealing process is shown, respectively. Note that FIG. 3A also shows an XRD pattern without post-annealing processing as a reference.

図3(c)に示すように、ポストアニーリング処理の雰囲気としてArガスを用いる場合は、実施例1の窒素ガスの場合(図3(b)に250℃の温度における窒素ガスの場合について示している)と同様、ポストアニーリング処理後の試料として、三次元トンネル結晶構造を有するラムスデライト型チタン酸リチウムの単相結晶が得られていることを確認した。   As shown in FIG. 3C, when Ar gas is used as the atmosphere of the post-annealing process, the case of the nitrogen gas of Example 1 (FIG. 3B shows the case of nitrogen gas at a temperature of 250 ° C. It was confirmed that a single phase crystal of ramsdellite-type lithium titanate having a three-dimensional tunnel crystal structure was obtained as a sample after the post-annealing treatment.

また、H−N混合ガスを用いている場合には、図3(d)に示すように、実施例1の図1(g)に示した窒素雰囲気中の425℃、5時間ポストアニーリング処理の場合と同様に、ポストアニーリング処理後の試料のXRDパターンには、回折角2θ=27°付近に新たなピークが生じており、ラムスデライト型の結晶構造が崩れていることが確認された。これは、H−N混合ガスという雰囲気の還元性が強いため、試料が還元されてしまうためであると考えられ、ポストアニーリング処理に用いる雰囲気としては望ましくないことを意味している。 When a H 2 —N 2 mixed gas is used, as shown in FIG. 3D, post-annealing at 425 ° C. for 5 hours in the nitrogen atmosphere shown in FIG. As in the case of the treatment, in the XRD pattern of the sample after the post-annealing treatment, a new peak was generated near the diffraction angle 2θ = 27 °, and it was confirmed that the ramsdellite type crystal structure was broken. . This is considered to be because the sample is reduced because the atmosphere of the H 2 —N 2 mixed gas has a strong reducing property, which means that the atmosphere used for the post-annealing process is not desirable.

さらに、酸素ガスや空気を用いている場合は、図3(e)、(f)に示すように、ポストアニーリング処理後の試料のXRDパターンには、ラムスデライト型チタン酸リチウムのXRDパターンとは全く異なるピークが生じており、結晶構造が変化していることが確認された。この要因としては、試料表面のチタンが、雰囲気中の酸素と反応して、チタニア(TiO)を生成することに由来しているものと考えることができる。すなわち、図3(e)、(f)に示すような生成相は、図3(g)に示す公知のルチル型(Rutile Type)の結晶構造を有する酸化チタンのXRDパターン(PDF #75−1757)と一致しており、ポストアニーリング処理時の雰囲気中に酸素が存在することによって、ラムスデライト型チタン酸リチウムがルチル型構造の酸化チタン(TiO)に変化していることが確認された。 Furthermore, when oxygen gas or air is used, as shown in FIGS. 3E and 3F, the XRD pattern of the sample after the post-annealing treatment is different from the XRD pattern of the ramsdellite type lithium titanate. It was confirmed that completely different peaks were generated and the crystal structure was changed. This can be attributed to the fact that titanium on the sample surface reacts with oxygen in the atmosphere to produce titania (TiO 2 ). That is, the generated phase as shown in FIGS. 3E and 3F is an XRD pattern (PDF # 75-1757) of titanium oxide having a known Rutile type crystal structure shown in FIG. ), And the presence of oxygen in the atmosphere during the post-annealing treatment confirmed that the ramsdellite-type lithium titanate was changed to a rutile-type titanium oxide (TiO 2 ).

(2)電極特性の評価:リチウム二次電池の充放電試験による評価
次に、前述のようなそれぞれの雰囲気中でポストアニーリング処理を行ったチタン酸リチウム粉末を用いて、実施例1の製造方法と同様の製造方法により、作用極となる負極材料ペレットをそれぞれ作製し、それぞれの負極材料ペレットを用いた作用極を有する図4に示したようなテストセルを作製して、実施例1の場合と同様、電流密度1mA/cm、電圧範囲0.5―3.5Vの条件で、それぞれのテストセルに関する充放電サイクル測定を行った。
(2) Evaluation of electrode characteristics: Evaluation by charge / discharge test of lithium secondary battery Next, the production method of Example 1 using lithium titanate powder subjected to post-annealing treatment in each atmosphere as described above In the case of Example 1, negative electrode material pellets serving as working electrodes were produced by the same manufacturing method as in Example 1, and a test cell having a working electrode using each negative electrode material pellet as shown in FIG. Similarly, charge / discharge cycle measurement for each test cell was performed under the conditions of a current density of 1 mA / cm 2 and a voltage range of 0.5 to 3.5 V.

窒素ガス、Arガス、H−N混合ガス、酸素ガス、空気の5種類の雰囲気それぞれを用いて、250℃、5時間でポストアニーリング処理を行って作製した試料を対象にして、1サイクル目、5サイクル目、10サイクル目、50サイクル目、100サイクル目のそれぞれにおける放電容量、100サイクル後における放電容量維持率、および、1サイクル目と100サイクル目とにおける不可逆容量(充電容量と放電容量の差)を測定した結果について、次の表3に示す。なお、表3の左端の欄には、表1の場合と同様、理解し易くするために、本実施例3において使用する試料の場合のみならず、実施例1や実施例2においても使用する試料である場合には、その旨を表示している。 One cycle for a sample prepared by performing post-annealing treatment at 250 ° C. for 5 hours using each of five atmospheres of nitrogen gas, Ar gas, H 2 —N 2 mixed gas, oxygen gas, and air 1st, 5th cycle, 10th cycle, 50th cycle, 100th cycle, discharge capacity maintenance rate after 100th cycle, and irreversible capacity (charge capacity and discharge) in the 1st cycle and 100th cycle The results of measuring the difference in capacity are shown in Table 3 below. Note that the leftmost column of Table 3 is used not only in the case of the sample used in Example 3 but also in Example 1 and Example 2 in order to facilitate understanding, as in Table 1. In the case of a sample, this is indicated.

Figure 2012084358
表3に示すように、酸素ガス、空気のように、酸素を含む雰囲気中でポストアニーリング処理を行った試料の場合、前述のように、ルチル型構造の酸化チタン(TiO)を有する試料に変化しているため、1サイクル目の放電後であっても充電容量が急激に減少し、100サイクル後における放電容量維持率は30%以下という著しく低い値になってしまう。この要因としては、チタン酸リチウムよりも酸化チタンの結晶粒界の抵抗がより高いので、イオン導電性が低下したためであると考えることができる。
Figure 2012084358
As shown in Table 3, in the case of a sample that has been post-annealed in an oxygen-containing atmosphere such as oxygen gas or air, the sample having rutile structure titanium oxide (TiO 2 ) is used as described above. Therefore, even after the first cycle discharge, the charge capacity rapidly decreases, and the discharge capacity retention rate after 100 cycles becomes a remarkably low value of 30% or less. It can be considered that this is because the ion conductivity is reduced because the resistance of the crystal grain boundary of titanium oxide is higher than that of lithium titanate.

また、H−N混合ガスの雰囲気中でポストアニーリング処理を行った試料については、前述のように、ラムスデライト型の結晶構造が崩れてしまうため、充放電サイクルが進むにつれて、放電容量が大きく減少して、100サイクル後における放電容量維持率は、ポストアニーリング処理なしの場合の値(表1に示したように69.8%)よりもさらに低下してしまい、ポストアニーリング処理を行った特性改善効果が全く得られないことが確認された。 In addition, as described above, the ramsdellite-type crystal structure of the sample that has been subjected to the post-annealing process in the atmosphere of the H 2 —N 2 mixed gas is destroyed, so that the discharge capacity increases as the charge / discharge cycle proceeds. The discharge capacity retention rate after 100 cycles was greatly reduced, and further decreased from the value without the post-annealing process (69.8% as shown in Table 1), and the post-annealing process was performed. It was confirmed that no characteristic improvement effect was obtained.

すなわち、表3に示すように、酸素を含まない不活性ガスであるArガスをポストアニーリング処理の雰囲気として用いた場合にのみ、窒素ガスの場合とほぼ同様の特性改善効果が得られ、100サイクル後における放電容量維持率については96%以上であることが確認された。以上により、ポストアニーリング時の雰囲気としては、酸素を含まない不活性ガスを用いることが必須であることが確認された。   That is, as shown in Table 3, only when the Ar gas, which is an inert gas containing no oxygen, is used as the atmosphere for the post-annealing treatment, the characteristic improvement effect almost the same as that of the nitrogen gas can be obtained, and 100 cycles It was confirmed that the subsequent discharge capacity retention rate was 96% or more. From the above, it was confirmed that it was essential to use an inert gas containing no oxygen as the atmosphere during post-annealing.

以上のように、ポストアニーリング処理を行う際のポストアニーリング条件のうち、雰囲気条件については、少なくとも酸素を含まない不活性ガス(例えば窒素(N)ガスまたはアルゴン(Ar)ガス)の雰囲気とすることを、あらかじめ定めておくべきであることが分かった。 As described above, among the post-annealing conditions for performing the post-annealing process, the atmospheric condition is an atmosphere of an inert gas (for example, nitrogen (N 2 ) gas or argon (Ar) gas) that does not contain at least oxygen. I understood that it should be decided beforehand.

(比較例1)
次に、本発明に係るリチウム二次電池用負極材料を負極材料として用いた2320サイズのコインセル型リチウム二次電池と、公知の材料である市販薬品のスピネル型チタン酸リチウム(スピネル型LTO)を負極材料として用いた2320サイズのコインセル型リチウム二次電池との電極特性の比較結果について、さらに説明する。
(Comparative Example 1)
Next, a 2320-size coin cell lithium secondary battery using the negative electrode material for a lithium secondary battery according to the present invention as a negative electrode material, and a commercially available chemical spinel type lithium titanate (spinel type LTO), which is a known material, are used. A comparison result of electrode characteristics with the 2320-size coin cell type lithium secondary battery used as the negative electrode material will be further described.

なお、ここで、本発明に係るリチウム二次電池用負極材料としては、実施例1に説明したように窒素雰囲気中で250℃、5時間のポストアニーリング処理を行って作製したラムスデライト型チタン酸リチウムの粉末(LTO)を用いた場合を例にとって以下に説明する。   Here, as the negative electrode material for a lithium secondary battery according to the present invention, a ramsdellite type titanic acid produced by performing a post-annealing treatment at 250 ° C. for 5 hours in a nitrogen atmosphere as described in Example 1. The case where lithium powder (LTO) is used will be described below as an example.

(1)比較する2種類のリチウム二次電池の製造方法
比較する2種類の2320サイズのコインセル型リチウム二次電池については、正極材料を両者とも同じ市販のコバルト酸リチウム(LCO)を用い、負極材料のみを異なる材料としており、一方は、本実施例1と同様の窒素雰囲気中で250℃、5時間のポストアニーリング処理を行ったラムスデライト型チタン酸リチウムの粉末(LTO)を負極に用い、他方の比較対象については、市販薬品のスピネル型チタン酸リチウム(スピネル型LTO)を負極に用いて、それぞれを、LCO−LTO二次電池、LCO−スピネル型LTO二次電池として、2320サイズのコインセル型リチウム二次電池を作製した。
(1) Manufacturing method of two types of lithium secondary batteries to be compared For two types of 2320-size coin cell type lithium secondary batteries to be compared, the same positive electrode material is used as the lithium cobalt oxide (LCO). Only the material is a different material, and one is a ramsdellite-type lithium titanate powder (LTO) that has been subjected to a post-annealing treatment at 250 ° C. for 5 hours in the same nitrogen atmosphere as in Example 1. Regarding the other comparison object, a commercially available spinel type lithium titanate (spinel type LTO) is used as a negative electrode, and each of them is an LCO-LTO secondary battery and an LCO-spinel type LTO secondary battery, and a 2320 size coin cell. Type lithium secondary battery was produced.

最初に、図5に示すような本実施例1と同様のラムスデライト型チタン酸リチウムを負極に用いるLCO−LTO二次電池の製造方法について説明する。なお、図5は、本発明に係るリチウム二次電池用負極材料を用いたリチウム二次電池のコインセルの断面構造の一例を示す電池断面図であり、コインセル型リチウム二次電池の負極の材料については、前述のように、実施例1に前述したような手順にて製造したラムスデライト型チタン酸リチウムをリチウム二次電池用負極材料として用いているが、以下のように、実施例1の図4の場合とは異なる手順でリチウム二次電池を製造している。   First, a method for manufacturing an LCO-LTO secondary battery using the same Rams delite type lithium titanate as shown in FIG. 5 as the negative electrode will be described. FIG. 5 is a battery cross-sectional view showing an example of a cross-sectional structure of a coin cell of a lithium secondary battery using the negative electrode material for a lithium secondary battery according to the present invention. About the material of the negative electrode of the coin cell type lithium secondary battery As described above, the ramsdellite type lithium titanate produced by the procedure described above in Example 1 is used as the negative electrode material for the lithium secondary battery. The lithium secondary battery is manufactured by a procedure different from the case of No. 4.

まず、実施例1と同様の手順によりポストアニーリング処理(条件:250℃、5時間)を行って生成したラムスデライト型チタン酸リチウム(LTO)を含む直径15mmの負極活物質ペレット2を作製した。   First, a negative electrode active material pellet 2 having a diameter of 15 mm containing a ramsdellite-type lithium titanate (LTO) produced by a post-annealing process (conditions: 250 ° C., 5 hours) by the same procedure as in Example 1 was produced.

次に、二次電池の負極ケース1の内側にニッケルメッシュを溶接し、その上に負極活物質ペレット2を載せて、さらに、負極活物質ペレット2を直径17mmのニッケルメッシュで覆った後、該ニッケルメッシュを負極ケース1に溶接および圧着することにより、負極活物質ペレット2を負極ケース1に固定した。   Next, a nickel mesh is welded to the inside of the negative electrode case 1 of the secondary battery, a negative electrode active material pellet 2 is placed thereon, and the negative electrode active material pellet 2 is further covered with a nickel mesh having a diameter of 17 mm. The negative electrode active material pellet 2 was fixed to the negative electrode case 1 by welding and pressure bonding the nickel mesh to the negative electrode case 1.

次いで、負極ケース1の外縁部にガスケット3をセットした。   Next, a gasket 3 was set on the outer edge of the negative electrode case 1.

一方、正極材料となるコバルト酸リチウム(LCO)とカーボンのアセチレンブラックとバインダーであるPTFE(polytetrafluoroethylene:ポリテトラフルオロエチレン)とを、重量比で、コバルト酸リチウム(LCO):アセチレンブラック:PTFE=70:25:5となるように、らいかい機(擂潰機)で粉砕・混合した後、ロールプレスにより0.5mmの厚みになるまでシート状に圧延した。得られたシートを直径15mmの円盤状に打ち抜き、真空乾燥を行い、コバルト酸リチウム(LCO)を含む正極材料ペレット4を作製した。   On the other hand, lithium cobaltate (LCO): acetylene black: PTFE = 70 in terms of weight ratio of lithium cobaltate (LCO) as a positive electrode material, carbon acetylene black and PTFE (polytetrafluoroethylene) as a binder. : After crushing and mixing with a roughing machine (crusher) so as to be 25: 5, it was rolled into a sheet shape by a roll press until the thickness became 0.5 mm. The obtained sheet was punched into a disk shape having a diameter of 15 mm and vacuum-dried to produce a positive electrode material pellet 4 containing lithium cobalt oxide (LCO).

次に、コインセルの正極ケース5の内側に直径15mmのチタンメッシュを溶接し、その上に正極材料ペレット4を載せ、さらに、正極材料ペレット4の上を直径17mmのチタンメッシュで覆った。   Next, a titanium mesh with a diameter of 15 mm was welded inside the positive electrode case 5 of the coin cell, the positive electrode material pellet 4 was placed thereon, and the positive electrode material pellet 4 was covered with a titanium mesh with a diameter of 17 mm.

しかる後、覆ったチタンメッシュを正極ケース5に溶接した後で圧着することにより、正極材料ペレット4を正極ケース5に固定した。   Thereafter, the covered titanium mesh was welded to the positive electrode case 5 and then subjected to pressure bonding, whereby the positive electrode material pellet 4 was fixed to the positive electrode case 5.

次いで、正極材料ペレット4を固定した正極ケース5に、リチウムイオン導電性を有する電解質の非水電解液7として、1mol/L LiPF/(EC+DMC)を2mL程度注ぎ、セパレータ6を載せた上で、ガスケット3をセットした負極ケース1を上からかぶせ、全体をかしめることにより、LCO−LTO二次電池として、コインセル型リチウム二次電池を作製した。ここで、(EC+DMC)とは、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとの混合溶媒を示しており、この混合溶媒の中に、電解質であるLiPFのリチウム塩を溶解している。 Next, about 2 mL of 1 mol / L LiPF 6 / (EC + DMC) is poured into the positive electrode case 5 to which the positive electrode material pellet 4 is fixed as a non-aqueous electrolyte solution 7 of an electrolyte having lithium ion conductivity. Then, the negative electrode case 1 on which the gasket 3 was set was covered from above, and the whole was caulked to produce a coin cell type lithium secondary battery as an LCO-LTO secondary battery. Here, (EC + DMC) indicates a mixed solvent of ethylene carbonate and dimethyl carbonate, and a lithium salt of LiPF 6 as an electrolyte is dissolved in the mixed solvent.

次に、比較対象のLCO−スピネル型LTO二次電池の製造方法について説明する。比較対象の市販薬品のスピネル型チタン酸リチウム(スピネル型LTO)を負極に用いたLCO−スピネル型LTO二次電池の製造方法についても、負極材料が異なるだけであり、前述したLCO−LTO二次電池の場合と全く同様の製造方法で、LCO−スピネル型LTO二次電池として、コインセル型リチウム二次電池を作製した。   Next, a method for manufacturing a comparison LCO-spinel type LTO secondary battery will be described. The manufacturing method of the LCO-spinel type LTO secondary battery using the spinel type lithium titanate (spinel type LTO), a commercially available chemical for comparison, as the negative electrode also differs only in the negative electrode material, and the LCO-LTO secondary described above. A coin cell type lithium secondary battery was produced as an LCO-spinel type LTO secondary battery by the same manufacturing method as that for the battery.

(2)電極特性の評価:リチウム二次電池の充放電試験による評価
次に、比較対象として作製した2種類の2320サイズのコインセル型リチウム二次電池、すなわち、LCO−LTO二次電池とLCO−スピネル型LTO二次電池との2種類のコインセル型リチウム二次電池について、実施例1の場合と同様、電流密度1mA/cm、電圧範囲0.5―3.5Vの条件で、充放電サイクル測定を行った。
(2) Evaluation of electrode characteristics: Evaluation by a charge / discharge test of a lithium secondary battery Next, two types of 2320-size coin cell lithium secondary batteries prepared as comparison objects, that is, an LCO-LTO secondary battery and an LCO- As for the two types of coin cell type lithium secondary batteries with the spinel type LTO secondary battery, as in the case of Example 1, under the conditions of a current density of 1 mA / cm 2 and a voltage range of 0.5 to 3.5 V, the charge / discharge cycle Measurements were made.

LCO−LTO二次電池とLCO−スピネル型LTO二次電池との2種類のリチウム二次電池に関する充放電サイクル試験を行い、1サイクル目、5サイクル目、10サイクル目、50サイクル目、100サイクル目のそれぞれにおける放電容量、100サイクル後における放電容量維持率、および、1サイクル目と100サイクル目とにおける不可逆容量(充電容量と放電容量の差)を測定した結果について、比較例1として、次の表4に示す。   A charge / discharge cycle test was conducted on two types of lithium secondary batteries, an LCO-LTO secondary battery and an LCO-spinel type LTO secondary battery, and the 1st cycle, 5th cycle, 10th cycle, 50th cycle, 100th cycle The results of measuring the discharge capacity in each of the eyes, the discharge capacity maintenance rate after 100 cycles, and the irreversible capacity (the difference between the charge capacity and the discharge capacity) between the first cycle and the 100th cycle will be described as Comparative Example 1. Table 4 shows.

Figure 2012084358
表4に示すように、実施例1と同様のポストアニーリング処理(窒素雰囲気、250℃、5時間の処理条件)を行ったラムスデライト型チタン酸リチウムを負極に用いたLCO−LTO二次電池は、100サイクル後においても、95%という高い放電容量維持率を示し、市販薬品のスピネル型チタン酸リチウム(スピネル型LTO)を負極に用いたLCO−スピネル型LTO二次電池に比し、6.5%の放電容量の改善が達成されることが確認された。
Figure 2012084358
As shown in Table 4, the LCO-LTO secondary battery using Rams-delite type lithium titanate subjected to the post-annealing treatment (nitrogen atmosphere, treatment at 250 ° C. for 5 hours) similar to that in Example 1 as the negative electrode was Even after 100 cycles, it shows a high discharge capacity maintenance rate of 95%, compared with an LCO-spinel type LTO secondary battery using a commercially available chemical spinel type lithium titanate (spinel type LTO) as a negative electrode, 6. It was confirmed that a 5% improvement in discharge capacity was achieved.

さらに、ラムスデライト型チタン酸リチウムを負極に用いたLCO−LTO二次電池は、100サイクル目の放電容量についても、195.7mAh/gが得られ、市販薬品のスピネル型チタン酸リチウム(スピネル型LTO)を負極に用いたLCO−スピネル型LTO二次電池に比し、大幅に大きい放電容量(38.9mAh/gの増加量)を示すことが分かった。   Furthermore, the LCO-LTO secondary battery using ramsdelite type lithium titanate as the negative electrode also obtained 195.7 mAh / g in terms of the discharge capacity at the 100th cycle, and spinel type lithium titanate (spinel type), a commercially available chemical. It was found that the discharge capacity (increase of 38.9 mAh / g) was significantly higher than that of the LCO-spinel type LTO secondary battery using (LTO) as the negative electrode.

なお、実施例1においてテストセルの放電容量に関するサイクル特性を示した図7には、本比較例1における2種類のコインセル型リチウム二次電池、すなわち、LCO−LTO二次電池、LCO−スピネル型LTO二次電池それぞれに関する放電容量のサイクル特性についても、それぞれ、破線の四角マーク(破線の白抜き四角マーク)、黒四角マーク(■)で示している。   FIG. 7 showing the cycle characteristics regarding the discharge capacity of the test cell in Example 1 shows two types of coin cell type lithium secondary batteries in Comparative Example 1, that is, an LCO-LTO secondary battery and an LCO-spinel type. The cycle characteristics of the discharge capacity for each of the LTO secondary batteries are also indicated by a dashed square mark (dashed square mark) and a black square mark (■).

図7に示すように、250℃、5時間でポストアニーリング処理を行ったラムスデライト型チタン酸リチウムを負極に用いたLCO−LTO二次電池は、破線の四角マーク(破線の白抜き四角マーク)で示すように、100サイクルまで非常に安定した充放電動作が可能であることが確認されたが、市販薬品のスピネル型チタン酸リチウム(スピネル型LTO)を負極に用いたLCO−スピネル型LTO二次電池の場合は、充放電サイクルを繰り返すと、徐々に放電容量が減少してしまい、1サイクル目で放電容量が大幅に減少し、以降の充放電サイクルにおいても、ポストアニーリング処理を行ったラムスデライト型チタン酸リチウムを負極に用いたLCO−LTO二次電池よりも放電容量が減少してしまうことが分かった。   As shown in FIG. 7, the LCO-LTO secondary battery using Ramsdelite type lithium titanate that has been post-annealed at 250 ° C. for 5 hours as a negative electrode has a dotted square mark (dashed square mark). As shown in Fig. 1, it was confirmed that a very stable charge / discharge operation was possible up to 100 cycles, but an LCO-spinel type LTO using a commercially available chemical spinel type lithium titanate (spinel type LTO) as a negative electrode. In the case of a secondary battery, when the charge / discharge cycle is repeated, the discharge capacity gradually decreases, the discharge capacity decreases significantly in the first cycle, and the post-annealing treatment is performed in the subsequent charge / discharge cycles. It has been found that the discharge capacity is reduced as compared with the LCO-LTO secondary battery using delite type lithium titanate as the negative electrode.

かくのごとく、ポストアニーリング処理を行った本発明によるラムスデライト型チタン酸リチウムの負極材料は、市販薬品である従来のスピネル型チタン酸リチウム系の負極材料よりも、放電容量が改善し、理論容量に近い値が得られるとともに、さらに、充放電時の不可逆容量特性や充放電サイクル特性に優れた大容量のリチウム二次電池を実現することが可能な負極材料であることが確認された。   As described above, the post-annealing-treated ramsdelite type lithium titanate negative electrode material according to the present invention has improved discharge capacity and theoretical capacity compared to the conventional spinel type lithium titanate negative electrode material, which is a commercially available chemical. It was confirmed that the negative electrode material was able to realize a large capacity lithium secondary battery excellent in irreversible capacity characteristics and charge / discharge cycle characteristics during charge / discharge.

1…作用極ケース(負極ケース)、2…負極活物質ペレット、3:ガスケット、4:金属リチウム(正極材料ペレット)、5:対極ケース(正極ケース)、6:セパレータ、7:非水電解液。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Working electrode case (negative electrode case), 2 ... Negative electrode active material pellet, 3: Gasket, 4: Metal lithium (positive electrode material pellet), 5: Counter electrode case (positive electrode case), 6: Separator, 7: Non-aqueous electrolyte .

Claims (10)

チタン酸リチウム系の負極材料として三次元トンネル構造を有するラムスデライト型チタン酸リチウムであるLiTi(0.75≦x≦2.66、1.33≦y≦4、3≦z≦7)を用いたリチウム二次電池用負極材料において、前記ラムスデライト型チタン酸リチウムが、あらかじめ定めたポストアニーリング条件下においてポストアニーリング処理が行われて負極材料として作製されていることを特徴とするリチウム二次電池用負極材料。 A ramsdellite-type lithium titanate having a three-dimensional tunnel structure as a negative electrode material of lithium titanate-based Li x Ti y O z (0.75 ≦ x ≦ 2.66,1.33 ≦ y ≦ 4,3 ≦ z In the negative electrode material for a lithium secondary battery using ≦ 7), the Ramsdelite type lithium titanate is produced as a negative electrode material by performing post-annealing treatment under predetermined post-annealing conditions. A negative electrode material for a lithium secondary battery. 請求項1に記載のリチウム二次電池用負極材料において、前記ポストアニーリング条件の雰囲気条件として、前記ラムスデライト型チタン酸リチウムに対して、酸素を含まない不活性ガス雰囲気中でポストアニーリング処理を行うことにより前記負極材料として作製されていることを特徴とするリチウム二次電池用負極材料。   2. The negative electrode material for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein as the atmospheric condition of the post-annealing condition, a post-annealing process is performed on the ramsdellite-type lithium titanate in an inert gas atmosphere not containing oxygen. A negative electrode material for a lithium secondary battery, wherein the negative electrode material is produced as the negative electrode material. 請求項2に記載のリチウム二次電池用負極材料において、前記ポストアニーリング条件の雰囲気条件とする前記不活性ガス雰囲気として、窒素ガスまたはアルゴンガスのいずれかを用いることを特徴とするリチウム二次電池用負極材料。   3. The lithium secondary battery according to claim 2, wherein either the nitrogen gas or the argon gas is used as the inert gas atmosphere as the post annealing condition. Negative electrode material. 請求項1ないし3のいずれかに記載のリチウム二次電池用負極材料において、前記ポストアニーリング条件の温度条件および処理時間条件として、前記ラムスデライト型チタン酸リチウムに対して、100−400℃の温度範囲内のいずれかの温度で、少なくとも3時間以上のいずれかの時間の間ポストアニーリング処理を行うことにより前記負極材料として作製されていることを特徴とするリチウム二次電池用負極材料。   4. The negative electrode material for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein a temperature of 100 to 400 ° C. is used with respect to the ramsdelite type lithium titanate as a temperature condition and a treatment time condition of the post-annealing condition. A negative electrode material for a lithium secondary battery, which is produced as the negative electrode material by performing a post-annealing treatment at any temperature within the range for at least 3 hours. 三次元トンネル構造を有するラムスデライト型チタン酸リチウムであるLiTi(0.75≦x≦2.66、1.33≦y≦4、3≦z≦7)をリチウム二次電池用の負極材料として作製するリチウム二次電池用負極材料製造方法であって、前記ラムスデライト型チタン酸リチウムをあらかじめ定めたポストアニーリング条件下においてポストアニーリング処理を行うことにより負極材料として作製する工程を含んでいることを特徴とするリチウム二次電池用負極材料製造方法。 Li x Ti y O z (0.75 ≦ x ≦ 2.66, 1.33 ≦ y ≦ 4, 3 ≦ z ≦ 7), which is a ramsdellite type lithium titanate having a three-dimensional tunnel structure, is a lithium secondary battery. A method for producing a negative electrode material for a lithium secondary battery, which is produced as a negative electrode material for a battery, wherein the ramsdellite-type lithium titanate is produced as a negative electrode material by performing a post-annealing treatment under predetermined post-annealing conditions. A method for producing a negative electrode material for a lithium secondary battery, comprising: 請求項5に記載のリチウム二次電池用負極材料製造方法において、前記ポストアニーリング条件の雰囲気条件として、前記ラムスデライト型チタン酸リチウムに対して、酸素を含まない不活性ガス雰囲気中でポストアニーリング処理を行うことを特徴とするリチウム二次電池用負極材料製造方法。   6. The method for producing a negative electrode material for a lithium secondary battery according to claim 5, wherein the post-annealing treatment is performed in an inert gas atmosphere containing no oxygen with respect to the ramsdellite-type lithium titanate as an atmospheric condition of the post-annealing condition. A method for producing a negative electrode material for a lithium secondary battery. 請求項6に記載のリチウム二次電池用負極材料製造方法において、前記ポストアニーリング条件の雰囲気条件とする前記不活性ガス雰囲気として、窒素ガスまたはアルゴンガスのいずれかを用いることを特徴とするリチウム二次電池用負極材料製造方法。   7. The method for producing a negative electrode material for a lithium secondary battery according to claim 6, wherein either the nitrogen gas or the argon gas is used as the inert gas atmosphere as the post annealing condition. A method for producing a negative electrode material for a secondary battery. 請求項5ないし7のいずれかに記載のリチウム二次電池用負極材料製造方法において、前記ポストアニーリング条件の温度条件および処理時間条件として、前記ラムスデライト型チタン酸リチウムに対して、100−400℃の温度範囲内のいずれかの温度で、少なくとも3時間以上のいずれかの時間の間ポストアニーリング処理を行うことを特徴とするリチウム二次電池用負極材料製造方法。   The method for producing a negative electrode material for a lithium secondary battery according to any one of claims 5 to 7, wherein a temperature condition and a treatment time condition of the post-annealing condition are 100 to 400 ° C with respect to the ramsdelite type lithium titanate. A method for producing a negative electrode material for a lithium secondary battery, comprising performing a post-annealing treatment at any temperature within the temperature range for at least 3 hours. チタン酸リチウム系の材料をリチウム二次電池用負極材料として含有する負極と、リチウムイオンの挿入・脱離が可能な正極材料を含有する正極とを備え、リチウムイオンの導電性を有する電解質を前記負極と前記正極との間に配置して構成されるリチウム二次電池において、前記負極に含有される前記リチウム二次電池用負極材料が、請求項1ないし4のいずれかに記載のリチウム二次電池負極材料からなっていることを特徴とするリチウム二次電池。   A negative electrode containing a lithium titanate-based material as a negative electrode material for a lithium secondary battery, and a positive electrode containing a positive electrode material capable of inserting / extracting lithium ions, and comprising an electrolyte having lithium ion conductivity The lithium secondary battery comprised by arrange | positioning between a negative electrode and the said positive electrode WHEREIN: The said negative electrode material for lithium secondary batteries contained in the said negative electrode is a lithium secondary in any one of Claim 1 thru | or 4 A lithium secondary battery comprising a battery negative electrode material. 請求項9に記載のリチウム二次電池において、前記リチウム二次電池用負極材料を、前記リチウム二次電池用負極材料の粉末とカーボンとバインダーとを混合して圧延したシート状か、または、ペレット状かのいずれかに形成して、前記負極として用いることを特徴とするリチウム二次電池。   10. The lithium secondary battery according to claim 9, wherein the negative electrode material for a lithium secondary battery is in the form of a sheet obtained by mixing a powder of the negative electrode material for a lithium secondary battery, carbon, and a binder, or is pelletized. A lithium secondary battery, wherein the lithium secondary battery is used as the negative electrode.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016030698A (en) * 2014-07-25 2016-03-07 本田技研工業株式会社 Titanium oxide and method for producing the same, active material for secondary battery and method for producing the same, and secondary battery with titanium oxide used as active material

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06223831A (en) * 1993-01-22 1994-08-12 Fuji Photo Film Co Ltd Lithium secondary battery
JPH10188977A (en) * 1996-12-25 1998-07-21 Mitsubishi Chem Corp Lithium secondary battery
JPH10247496A (en) * 1997-03-04 1998-09-14 Japan Storage Battery Co Ltd Lithium battery and its active material
JP2000012090A (en) * 1998-06-23 2000-01-14 Matsushita Electric Ind Co Ltd Lithium secondary battery
JP2008091079A (en) * 2006-09-29 2008-04-17 Toshiba Corp Negative electrode active material for nonaqueous electrolyte battery, nonaqueous electrolyte battery, battery pack, and automobile
JP2008123787A (en) * 2006-11-10 2008-05-29 Toshiba Corp Nonaqueous electrolyte battery, lithium titanium composite oxide, and battery pack
JP2009181901A (en) * 2008-01-31 2009-08-13 Ohara Inc Solid battery
JP2010129194A (en) * 2008-11-25 2010-06-10 Toyota Central R&D Labs Inc Anode for lithium ion secondary battery and lithium ion secondary battery
JP2010170799A (en) * 2009-01-21 2010-08-05 Toshiba Corp Negative electrode active material for battery, nonaqueous electrolyte battery, and battery pack

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06223831A (en) * 1993-01-22 1994-08-12 Fuji Photo Film Co Ltd Lithium secondary battery
JPH10188977A (en) * 1996-12-25 1998-07-21 Mitsubishi Chem Corp Lithium secondary battery
JPH10247496A (en) * 1997-03-04 1998-09-14 Japan Storage Battery Co Ltd Lithium battery and its active material
JP2000012090A (en) * 1998-06-23 2000-01-14 Matsushita Electric Ind Co Ltd Lithium secondary battery
JP2008091079A (en) * 2006-09-29 2008-04-17 Toshiba Corp Negative electrode active material for nonaqueous electrolyte battery, nonaqueous electrolyte battery, battery pack, and automobile
JP2008123787A (en) * 2006-11-10 2008-05-29 Toshiba Corp Nonaqueous electrolyte battery, lithium titanium composite oxide, and battery pack
JP2009181901A (en) * 2008-01-31 2009-08-13 Ohara Inc Solid battery
JP2010129194A (en) * 2008-11-25 2010-06-10 Toyota Central R&D Labs Inc Anode for lithium ion secondary battery and lithium ion secondary battery
JP2010170799A (en) * 2009-01-21 2010-08-05 Toshiba Corp Negative electrode active material for battery, nonaqueous electrolyte battery, and battery pack

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016030698A (en) * 2014-07-25 2016-03-07 本田技研工業株式会社 Titanium oxide and method for producing the same, active material for secondary battery and method for producing the same, and secondary battery with titanium oxide used as active material

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