JP2012212635A - Active material, electrode containing the same, lithium secondary battery comprising the electrode, and method for manufacturing active material - Google Patents

Active material, electrode containing the same, lithium secondary battery comprising the electrode, and method for manufacturing active material Download PDF

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篤史 佐野
Keitaro Otsuki
佳太郎 大槻
Tomohiko Kato
友彦 加藤
Shoji Higuchi
章二 樋口
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an active material excellent in cycle characteristics, an electrode containing the same, a lithium secondary battery comprising the electrode, and a method for manufacturing the active material.SOLUTION: The active material contains a LiVOPOparticle and a polymer compound film, and the polymer compound film covers the surface of the LiVOPOparticle and exhibits a tensile modulus of elasticity of 0.5 GPa or greater at 25°C.

Description

本発明は、活物質、これを含む電極、当該電極を備えるリチウム二次電池、及び活物質の製造方法に関する。   The present invention relates to an active material, an electrode including the active material, a lithium secondary battery including the electrode, and an active material manufacturing method.

構造式LiVOPOで表される結晶においては、リチウムイオンが可逆的に挿入脱離することが知られている。構造式LiVOPOで表される結晶は、α型、β型等の異なる結晶構造を有し、α型はβ型に比して熱力学的に安定な構造であるといわれている。特許文献1には、β型結晶構造(斜方晶)のLiVOPOに比べて、α型結晶構造(三斜晶)のLiVOPOは放電容量が小さいことが報告されている。 In the crystal represented by the structural formula LiVOPO 4 , it is known that lithium ions are reversibly inserted and desorbed. The crystal represented by the structural formula LiVOPO 4 has different crystal structures such as α-type and β-type, and the α-type is said to be a thermodynamically stable structure compared to the β-type. Patent Document 1 reports that LiVOPO 4 having an α-type crystal structure (triclinic crystal) has a smaller discharge capacity than LiVOPO 4 having a β-type crystal structure (orthorhombic crystal).

非特許文献1には、VOPOとLiCOとを炭素の存在下で加熱し、炭素によりVOPOを還元して、β型結晶構造のLiVOPOを作製する方法(カーボサーマルリダクション法(CTR法))が開示されている。非特許文献2には、4価のバナジウムを用いることにより、β型結晶構造のLiVOPOを作製する方法が開示されている。 Non-Patent Document 1 discloses a method for producing LiVOPO 4 having a β-type crystal structure by heating VOPO 4 and Li 2 CO 3 in the presence of carbon and reducing VOPO 4 with carbon (a carbothermal reduction method). CTR method)) is disclosed. Non-Patent Document 2 discloses a method for producing LiVOPO 4 having a β-type crystal structure by using tetravalent vanadium.

特開2004−303527号公報JP 2004-303527 A

J.Baker et al.,J.Electrochem.Soc.,151,A796(2004)J. et al. Baker et al. , J .; Electrochem. Soc. 151, A796 (2004) J.Solid State Chem.,95,352(1991)J. et al. Solid State Chem. , 95, 352 (1991)

しかしながら、特許文献1及び非特許文献1、2に記載された方法により得られたLiVOPOを含む活物質は、十分なサイクル特性を得られるものではなかった。 However, the active material containing LiVOPO 4 obtained by the methods described in Patent Document 1 and Non-Patent Documents 1 and 2 cannot obtain sufficient cycle characteristics.

そこで、本発明は、サイクル特性に優れた活物質、これを含む電極、当該電極を備えるリチウム二次電池、及び活物質の製造方法を提供することを目的とする。   Then, an object of this invention is to provide the active material excellent in cycling characteristics, the electrode containing this, a lithium secondary battery provided with the said electrode, and the manufacturing method of an active material.

すなわち本発明は、LiVOPO粒子と、高分子化合物膜と、を含み、高分子化合物膜は、LiVOPO粒子の表面を覆っており、25℃での引っ張り弾性係数が0.5GPa以上である、活物質を提供する。 That is, the present invention includes LiVOPO 4 particles and a polymer compound film, the polymer compound film covers the surface of the LiVOPO 4 particles, and has a tensile elastic modulus at 25 ° C. of 0.5 GPa or more. Provide active material.

LiVOPO粒子の表面が、25℃での引っ張り弾性係数が0.5GPa以上である高分子化合物膜で覆われていることにより、本発明に係る活物質は、機械的強度が向上し、サイクル特性が向上するものと考えられる。 Since the surface of the LiVOPO 4 particles is covered with a polymer compound film having a tensile elastic modulus at 25 ° C. of 0.5 GPa or more, the active material according to the present invention has improved mechanical strength and cycle characteristics. Is thought to improve.

ここで、LiVOPO粒子は、粒子径が0.2〜2.0μmであってもよい。 Here, the LiVOPO 4 particles may have a particle diameter of 0.2 to 2.0 μm.

また、上記高分子化合物膜は、0.005〜0.03μmの膜厚を有していてもよい。高分子化合物膜の膜厚が上記範囲内の値であると、リチウムイオンの拡散能を高い状態に維持しつつ、活物質に高い電子導電性を付与することができ、放電容量とサイクル特性とを向上させることができる。   The polymer compound film may have a thickness of 0.005 to 0.03 μm. When the film thickness of the polymer compound film is within the above range, it is possible to impart high electronic conductivity to the active material while maintaining the lithium ion diffusing ability at a high level. Can be improved.

また、本発明は、集電体と、上記活物質を含み上記集電体上に設けられた活物質層と、を備える電極を提供する。これにより、サイクル特性に優れた電極が得られる。   The present invention also provides an electrode comprising a current collector and an active material layer including the active material and provided on the current collector. Thereby, the electrode excellent in cycling characteristics is obtained.

また、本発明は、上記電極を備えるリチウム二次電池を提供する。これにより、サイクル特性に優れたリチウム二次電池を得られる。   Moreover, this invention provides a lithium secondary battery provided with the said electrode. Thereby, a lithium secondary battery excellent in cycle characteristics can be obtained.

さらに本発明は、リチウム源、5価のバナジウム源、リン酸源、水、及び、高分子化合物を含む混合物を、加圧下で200℃以上に加熱することにより、LiVOPO及び高分子化合物を含む生成物を得る水熱合成工程を備え、高分子化合物は、水に不溶であって、加圧及び加熱状態で溶融状態となるものであり、かつ、25℃での引っ張り弾性係数が0.5GPa以上である、活物質の製造方法を提供する。 Furthermore, the present invention includes LiVOPO 4 and a polymer compound by heating a mixture containing a lithium source, a pentavalent vanadium source, a phosphate source, water, and a polymer compound to 200 ° C. or higher under pressure. A hydrothermal synthesis step for obtaining a product is provided, the polymer compound is insoluble in water, becomes a molten state under pressure and heating, and has a tensile elastic modulus at 25 ° C. of 0.5 GPa An active material manufacturing method as described above is provided.

必ずしも明らかではないが、本発明者らは、サイクル特性に優れた活物質を製造できる理由について、以下のように推察する。すなわち、上記水熱合成工程においては、リチウム源、5価のバナジウム源、リン酸源、水、及び、高分子化合物を含む混合物中、当該高分子化合物が、水に不溶であり、かつ、加圧下で200℃以上に加熱された状態で溶融状態となるため、水相と高分子化合物相とが混在した状態となっている。水相には、リチウム源、5価のバナジウム源、及びリン酸源が多量に含まれており、これらの化合物からLiVOPOの結晶核が析出し、結晶成長が生じてLiVOPO粒子の前駆体が形成されることとなる。一方、高分子化合物相は、高温高圧の水熱合成中に又は冷却後に、結晶成長したLiVOPO粒子の前駆体を取り囲み、LiVOPO粒子表面が、25℃での引っ張り弾性係数が0.5GPa以上である高分子化合物膜によって覆われることとなり、上記の活物質が形成されると考えられる。 Although not necessarily clear, the present inventors infer the reason why an active material having excellent cycle characteristics can be produced as follows. That is, in the hydrothermal synthesis step, in a mixture containing a lithium source, a pentavalent vanadium source, a phosphoric acid source, water, and a polymer compound, the polymer compound is insoluble in water and added. Since it will be in a molten state when heated to 200 ° C. or higher under pressure, the aqueous phase and the polymer compound phase are mixed. The aqueous phase contains a large amount of a lithium source, a pentavalent vanadium source, and a phosphoric acid source, and LiVOPO 4 crystal nuclei are precipitated from these compounds, resulting in crystal growth and a precursor of LiVOPO 4 particles. Will be formed. On the other hand, the polymer compound phase surrounds the precursor of LiVOPO 4 particles grown during or after cooling at high temperature and high pressure, and the surface of LiVOPO 4 particles has a tensile elastic modulus at 25 ° C. of 0.5 GPa or more. It is considered that the active material is formed by being covered with the polymer compound film.

本発明によれば、サイクル特性に優れた活物質、これを含む電極、当該電極を備えるリチウム二次電池、及び活物質の製造方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the active material excellent in cycling characteristics, the electrode containing this, a lithium secondary battery provided with the said electrode, and the manufacturing method of an active material can be provided.

本実施形態に係る活物質の一例を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows an example of the active material which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る活物質の電子顕微鏡写真である。It is an electron micrograph of the active material which concerns on this embodiment. 本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の模式断面図である。It is a schematic cross section of the lithium ion secondary battery according to the present embodiment.

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明するが、本発明の活物質は、以下の実施形態に限定されるものではない。なお、図面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the active material of the present invention is not limited to the following embodiments. In addition, the dimensional ratio of drawing is not restricted to the ratio of illustration.

<活物質>
まず、本実施形態に係る活物質について説明する。図1は、本実施形態に係る活物質の一例を示す模式断面図である。本実施形態に係る活物質3は、LiVOPO粒子1と、高分子化合物膜2と、を含む。高分子化合物膜2は、LiVOPO粒子1の表面を覆っており、25℃での引っ張り弾性係数が0.5GPa以上である。図2は、本実施形態に係る活物質の高分解能走査型電子顕微鏡写真である。LiVOPO粒子1の表面が高分子化合物膜2によって覆われた活物質3は、当該電子顕微鏡写真に示すように、凝集構造を形成する場合がある。
<Active material>
First, the active material according to the present embodiment will be described. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of an active material according to the present embodiment. An active material 3 according to the present embodiment includes LiVOPO 4 particles 1 and a polymer compound film 2. The polymer compound film 2 covers the surface of the LiVOPO 4 particles 1 and has a tensile elastic modulus at 25 ° C. of 0.5 GPa or more. FIG. 2 is a high-resolution scanning electron micrograph of the active material according to the present embodiment. The active material 3 in which the surface of the LiVOPO 4 particles 1 is covered with the polymer compound film 2 may form an aggregated structure as shown in the electron micrograph.

LiVOPO粒子1は、粒子全量を基準として、LiVOPOを80質量%以上、好ましくは90質量%以上、より好ましくは95質量%以上含む。ここで、LiVOPOは、α型結晶構造のLiVOPOやβ型結晶構造のLiVOPO等の異なる結晶構造を含む。これらの結晶構造は、通常、X線回折法により同定することができる。通常、β型結晶構造のLiVOPOは2θ=27.0度にピークが現れ、α型結晶構造のLiVOPOは2θ=27.2度にピークが現れる。LiVOPO粒子1は、α型結晶構造のLiVOPO及びβ型結晶構造のLiVOPOのいずれを主成分として含有していてもよいが、放電容量の観点から、β型の結晶構造がα型の結晶構造よりも多く含まれているとよい。LiVOPO粒子1は、β型結晶構造のLiVOPO及びα型結晶構造のLiVOPO以外にも、未反応の原料成分等を微量含んでもよい。 The LiVOPO 4 particles 1 contain 80% by mass or more, preferably 90% by mass or more, more preferably 95% by mass or more of LiVOPO 4 based on the total amount of particles. Here, LiVOPO 4 includes different crystal structures 4 such as LiVOPO of LiVOPO 4 and β-type crystal structure of the α-type crystal structure. These crystal structures can usually be identified by an X-ray diffraction method. Usually, LiVOPO 4 of β-type crystal structure peaks appear in 2 [Theta] = 27.0 degrees, LiVOPO 4 of α-type crystal structure peaks appear in 2 [Theta] = 27.2 degrees. The LiVOPO 4 particles 1 may contain either an α-type crystal structure LiVOPO 4 or a β-type crystal structure LiVOPO 4 as a main component, but from the viewpoint of discharge capacity, the β-type crystal structure has an α-type crystal structure. It may be contained more than the crystal structure. The LiVOPO 4 particles 1 may contain a small amount of unreacted raw material components in addition to LiVOPO 4 having a β-type crystal structure and LiVOPO 4 having an α-type crystal structure.

LiVOPO粒子1の粒子径は、以下のように測定する。高分解能走査型電子顕微鏡で観察したイメージに基づいて、LiVOPO粒子1の投影面積から投影面積円相当径を測定する。投影面積円相当径とは、LiVOPO粒子1の投影面積と同じ投影面積を持つ球を想定し、その球の直径(円相当径)を粒子径(LiVOPO粒子1の粒子径)として表したものである。20個のLiVOPO粒子1に対してそれぞれ投影面積円相当径を測定し、その平均値をLiVOPO粒子1の粒子径とする。 The particle diameter of the LiVOPO 4 particles 1 is measured as follows. Based on the image observed with the high-resolution scanning electron microscope, the projected area circle equivalent diameter is measured from the projected area of the LiVOPO 4 particles 1. The projected area equivalent circle diameter is assumed to be a sphere having the same projected area as the projected area of LiVOPO 4 particles 1, and the diameter (equivalent circle diameter) of the sphere is expressed as a particle diameter (particle diameter of LiVOPO 4 particles 1). Is. The projected area equivalent circle diameter is measured for each of the 20 LiVOPO 4 particles 1, and the average value is taken as the particle size of the LiVOPO 4 particles 1.

LiVOPO粒子1の粒子径は、0.2〜2.0μmであることが好ましく、0.3〜1.0μmであることがより好ましい。 The particle diameter of the LiVOPO 4 particles 1 is preferably 0.2 to 2.0 μm, and more preferably 0.3 to 1.0 μm.

LiVOPO粒子1の表面は、高分子化合物膜2で覆われている。高分子化合物膜2の膜厚は、LiVOPO粒子1の表面から高分子化合物膜2の表面までの長さのことである。当該膜厚は、0.005〜0.03μmであってもよく、0.007〜0.02μmであることが好ましく、0.09〜0.015μmであることがより好ましい。高分子化合物膜2の膜厚が上記範囲内の値であると、リチウムイオンの拡散能を高い状態に維持しつつ、活物質3に高い電子導電性を付与することができ、放電容量及びサイクル特性がより向上する。高分子化合物膜2の膜厚は、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて、活物質3の断面を観察することによって測定する。 The surface of the LiVOPO 4 particles 1 is covered with a polymer compound film 2. The film thickness of the polymer compound film 2 is the length from the surface of the LiVOPO 4 particle 1 to the surface of the polymer compound film 2. The film thickness may be 0.005 to 0.03 μm, preferably 0.007 to 0.02 μm, and more preferably 0.09 to 0.015 μm. When the film thickness of the polymer compound film 2 is within the above range, it is possible to impart high electronic conductivity to the active material 3 while maintaining a high lithium ion diffusivity, and it is possible to provide discharge capacity and cycle. The characteristics are further improved. The film thickness of the polymer compound film 2 is measured by observing a cross section of the active material 3 using a transmission electron microscope (TEM).

高分子化合物膜2は、LiVOPO粒子1全体を覆っていることが好ましいが、被覆率が5%以上、好ましくは10%以上、より好ましくは20%以上であれば、本発明の効果を奏することができる。 The polymer compound film 2 preferably covers the entire LiVOPO 4 particle 1, but if the coverage is 5% or more, preferably 10% or more, more preferably 20% or more, the effect of the present invention is exhibited. be able to.

高分子化合物膜2は、サイクル特性を向上させる観点から、25℃での引っ張り弾性係数が0.5GPa以上であり、好ましくは0.6GPa以上であり、より好ましくは0.7GPa以上であり、好ましくは5GPa以下であり、より好ましくは3.5GPa以下である。   From the viewpoint of improving cycle characteristics, the polymer compound film 2 has a tensile elastic modulus at 25 ° C. of 0.5 GPa or more, preferably 0.6 GPa or more, more preferably 0.7 GPa or more, preferably Is 5 GPa or less, more preferably 3.5 GPa or less.

高分子化合物膜2中には、LiVOPO粒子1よりも粒子径が小さいLiVOPO粒子が含まれていてもよい。また、LiVOPO粒子1よりも粒子径が小さいLiVOPO粒子は、凝集体を複数形成していてもよく、凝集体は第一のLiVOPO粒子1の粒子径よりも小さい径を有していることが好ましい。これにより、リチウムイオンの拡散能が向上し、より高いレート特性を得ることができる。 The polymer compound film 2 may contain LiVOPO 4 particles having a particle diameter smaller than that of the LiVOPO 4 particles 1. Also, particulate LiVOPO 4 particle diameter is smaller than the particulate LiVOPO 4 1 may be a plurality of forming aggregates, agglomerates have a diameter smaller than the particle size of the first particulate LiVOPO 4 1 It is preferable. Thereby, the diffusibility of lithium ions is improved, and higher rate characteristics can be obtained.

<活物質の製造方法>
本実施形態に係る活物質の製造方法について説明する。本実施形態に係る活物質の製造方法は、下記の原料調整工程と、水熱合成工程と、乾燥工程と、を備える。
[原料調整工程]
原料調整工程は、リチウム源と、5価のバナジウム源と、リン酸源と、水と、高分子化合物とを含む混合物を調整する工程である。
<Method for producing active material>
A method for producing an active material according to this embodiment will be described. The manufacturing method of the active material which concerns on this embodiment is equipped with the following raw material adjustment process, a hydrothermal synthesis process, and a drying process.
[Raw material adjustment process]
A raw material adjustment process is a process of adjusting the mixture containing a lithium source, a pentavalent vanadium source, a phosphoric acid source, water, and a high molecular compound.

(混合物)
リチウム源としては、例えば、LiNO、LiCO、LiOH、LiCl、LiSO及びCHCOOLi等のリチウム化合物が挙げられる。これらの中でも、LiOH、LiNO、LiCOが好ましい。
5価のバナジウム源としては、V及びNHVO等のバナジウム化合物が挙げられる。
リン酸源としては、例えば、HPO、NHPO、(NHHPO及びLiPO等のPO含有化合物が挙げられる。これらの中でも、HPO、(NHHPOが好ましい。
(blend)
Examples of the lithium source include lithium compounds such as LiNO 3 , Li 2 CO 3 , LiOH, LiCl, Li 2 SO 4, and CH 3 COOLi. Among these, LiOH, LiNO 3 and Li 2 CO 3 are preferable.
Examples of the pentavalent vanadium source include vanadium compounds such as V 2 O 5 and NH 4 VO 3 .
Examples of the phosphoric acid source include PO 4 -containing compounds such as H 3 PO 4 , NH 4 H 2 PO 4 , (NH 4 ) 2 HPO 4, and Li 3 PO 4 . Among these, H 3 PO 4 and (NH 4 ) 2 HPO 4 are preferable.

リチウム源は、5価のバナジウム原子のモル数に対するリチウム原子のモル数の割合が0.95〜1.2となるように配合することが好ましい。また、リン酸源は、5価のバナジウム原子のモル数に対するリン原子のモル数の割合が0.95〜1.2となるように配合することが好ましい。リチウム原子及びリン原子の少なくとも一方の配合比率が0.95より少ないと、得られる活物質の放電容量は減少する傾向があり、サイクル特性は低下する傾向がある。リチウム原子及びリン原子の少なくとも一方の配合比率が1.2よりも多いと、得られる活物質の放電容量は減少する傾向がある。   The lithium source is preferably blended so that the ratio of the number of moles of lithium atoms to the number of moles of pentavalent vanadium atoms is 0.95 to 1.2. Moreover, it is preferable to mix | blend a phosphoric acid source so that the ratio of the number of moles of a phosphorus atom with respect to the number of moles of a pentavalent vanadium atom may be 0.95-1.2. If the blending ratio of at least one of lithium atoms and phosphorus atoms is less than 0.95, the discharge capacity of the resulting active material tends to decrease, and the cycle characteristics tend to decrease. When the blending ratio of at least one of lithium atoms and phosphorus atoms is more than 1.2, the discharge capacity of the obtained active material tends to decrease.

高分子化合物は、水に不溶であって、後述する水熱合成の温度及び圧力条件下で溶融状態となるものであり、かつ、25℃での引っ張り弾性係数が0.5GPa以上である。このような高分子化合物としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメタクリル酸メチル、ポリスチレン等の主鎖に炭素原子を含む高分子化合物が挙げられる。高分子化合物は、水への分散のし易さの観点から粒子状であることが好ましい。この高分子化合物を、混合物に、混合物全量を基準として0.1〜20質量%、好ましくは0.3〜10質量%加えるとよい。   The polymer compound is insoluble in water, is in a molten state under the hydrothermal synthesis temperature and pressure conditions described later, and has a tensile elastic modulus at 25 ° C. of 0.5 GPa or more. Examples of such a polymer compound include polymer compounds containing carbon atoms in the main chain, such as polyethylene, polypropylene, polymethyl methacrylate, and polystyrene. The polymer compound is preferably particulate from the viewpoint of ease of dispersion in water. The polymer compound may be added to the mixture in an amount of 0.1 to 20% by mass, preferably 0.3 to 10% by mass based on the total amount of the mixture.

得られた活物質3を用いて電極の活物質含有層を作製する場合、さらに導電性を高めるべく、この活物質の表面に炭素材料等の導電材を接触させてもよい。この方法として、活物質の製造後に活物質と導電材とを混合して活物質含有層を形成してもよいが、例えば、水熱合成の原料となる混合物中に、炭素材料を導電材として添加して活物質に炭素を付着させることもできる。   When the active material-containing layer of the electrode is produced using the obtained active material 3, a conductive material such as a carbon material may be brought into contact with the surface of the active material in order to further increase the conductivity. As this method, the active material and the conductive material may be mixed after the production of the active material to form the active material-containing layer. For example, the carbon material is used as the conductive material in the mixture as a raw material for hydrothermal synthesis. It can also be added to cause carbon to adhere to the active material.

混合物中に炭素材料である導電材を添加する場合の導電材としては、例えば、活性炭、黒鉛、ソフトカーボン、ハードカーボン等が挙げられる。これらの中でも水熱合成時に炭素粒子を混合物中に容易に分散させることができる、活性炭を用いることが好ましい。ただし、導電材は必ずしも水熱合成時に混合物に全量混合されている必要はなく、少なくとも一部が水熱合成時に混合物に混合されることが好ましい。これにより、活物質含有層を形成する際の結合剤を低減して容量密度を増加させることができる場合がある。   Examples of the conductive material in the case where a conductive material that is a carbon material is added to the mixture include activated carbon, graphite, soft carbon, and hard carbon. Among these, it is preferable to use activated carbon that can easily disperse carbon particles in the mixture during hydrothermal synthesis. However, the conductive material is not necessarily mixed in the mixture at the time of hydrothermal synthesis, and it is preferable that at least a part of the conductive material is mixed in the mixture at the time of hydrothermal synthesis. Thereby, the binder at the time of forming an active material content layer can be reduced, and a capacity density can be increased.

水熱合成工程における混合物中の炭素粒子等の上記導電材の含有量は、炭素粒子を構成する炭素原子のモル数Cと、例えば5価のバナジウム化合物に含まれるバナジウム原子のモル数Mとの比C/Mが、0.04≦C/M≦4を満たすように調製することが好ましい。導電材の含有量(モル数C)が少なすぎる場合、活物質と導電材により構成される電極活物質の電子伝導性及び容量密度が低下する傾向がある。導電材の含有量が多すぎる場合、電極活物質に占める活物質の重量が相対的に減少し、電極活物質の容量密度が減少する傾向がある。導電材の含有量を上記の範囲内とすることにより、これらの傾向を抑制できる。   The content of the conductive material such as carbon particles in the mixture in the hydrothermal synthesis step is as follows: the number of moles C of carbon atoms constituting the carbon particles and the number of moles M of vanadium atoms contained in a pentavalent vanadium compound, for example. It is preferable to prepare such that the ratio C / M satisfies 0.04 ≦ C / M ≦ 4. When there is too little content (mole number C) of an electrically conductive material, there exists a tendency for the electronic conductivity and capacity density of the electrode active material comprised with an active material and an electrically conductive material to fall. When there is too much content of a electrically conductive material, the weight of the active material which occupies for an electrode active material will reduce relatively, and there exists a tendency for the capacity density of an electrode active material to reduce. By setting the content of the conductive material within the above range, these tendencies can be suppressed.

混合物中における水の量は水熱合成が可能であれば特に限定されないが、混合物中の水以外の物質の割合は35質量%以下となることが好ましい。   The amount of water in the mixture is not particularly limited as long as hydrothermal synthesis is possible, but the ratio of substances other than water in the mixture is preferably 35% by mass or less.

混合物を調整する際の原料の投入順序は特に制限されない。例えば、上記混合物に含まれる原料をまとめて混合してもよく、また、最初に、水とPO含有化合物とを混合し、その後、5価のバナジウム化合物、リチウム化合物、及び高分子化合物を加えてもよい。水熱合成直前の混合物は、十分に混合させ、リチウム化合物、5価のバナジウム化合物、及びPO含有化合物を十分に水に分散させておいても、また、完全に水に溶解させておいてもよいが、リチウム化合物、5価のバナジウム化合物、及びPO含有化合物を水に完全に溶解させておくことが特に好ましい。高分子化合物は、水に不溶な性質を有するため、リチウム化合物、5価のバナジウム化合物、及びPO含有化合物を多量に含む水相とは分離するが、攪拌等により水相に十分に分散させておくことが好ましい。 There are no particular restrictions on the order in which the raw materials are charged when adjusting the mixture. For example, the raw materials contained in the above mixture may be mixed together, or first, water and a PO 4 -containing compound are mixed, and then a pentavalent vanadium compound, a lithium compound, and a polymer compound are added. May be. The mixture immediately before the hydrothermal synthesis is thoroughly mixed, and the lithium compound, the pentavalent vanadium compound, and the PO 4 -containing compound are sufficiently dispersed in water, or are completely dissolved in water. However, it is particularly preferable that the lithium compound, the pentavalent vanadium compound, and the PO 4 -containing compound are completely dissolved in water. Since the polymer compound is insoluble in water, it is separated from the aqueous phase containing a large amount of the lithium compound, the pentavalent vanadium compound, and the PO 4 -containing compound, but it can be sufficiently dispersed in the aqueous phase by stirring or the like. It is preferable to keep it.

[水熱合成工程]
水熱合成工程では、まず、内部を加熱、加圧する機能を有する反応容器(例えば、オートクレーブ等)内に、上述した混合物(リチウム化合物、5価のバナジウム化合物、PO含有化合物、水、高分子化合物等)を投入する。なお、反応容器内で、混合物を調整してもよい。
[Hydrothermal synthesis process]
In the hydrothermal synthesis step, first, in a reaction vessel (for example, an autoclave) having a function of heating and pressurizing the inside, the above mixture (lithium compound, pentavalent vanadium compound, PO 4 -containing compound, water, polymer) Compound). In addition, you may adjust a mixture within reaction container.

次に、反応容器を密閉して、混合物を加圧しながら200℃以上に加熱することにより、混合物の水熱反応を進行させる。これにより、LiVOPOの表面が25℃での引っ張り弾性係数が0.5GPa以上である高分子化合物によって覆われた物質が生成する(以下、「LiVOPO及び高分子化合物を含む生成物」という。)。 Next, the reaction vessel is sealed, and the mixture is heated to 200 ° C. or higher while being pressurized, thereby causing the hydrothermal reaction of the mixture to proceed. As a result, a substance in which the surface of LiVOPO 4 is covered with a polymer compound having a tensile elastic modulus at 25 ° C. of 0.5 GPa or more is generated (hereinafter referred to as “product containing LiVOPO 4 and polymer compound”). ).

LiVOPO及び高分子化合物を含む生成物は、通常、粘性の高いペースト状になっており、例えば、このペーストに水を加えて粘度を低下させ、その後乾燥させる。 The product containing LiVOPO 4 and the polymer compound is usually in the form of a highly viscous paste. For example, water is added to the paste to reduce the viscosity, and then the product is dried.

水熱合成工程において、混合物に加える圧力は、0.1〜30MPaとすることが好ましい。混合物に加える圧力が低すぎると、得られるLiVOPOの結晶性が低下し、活物質の容量密度が減少する傾向がある。混合物に加える圧力が高すぎると、反応容器に高い耐圧性が求められ、活物質製造コストが増大する傾向がある。混合物に加える圧力を上記の範囲内とすることによって、これらの傾向を抑制できる。 In the hydrothermal synthesis step, the pressure applied to the mixture is preferably 0.1 to 30 MPa. If the pressure applied to the mixture is too low, the crystallinity of the resulting LiVOPO 4 tends to decrease, and the volume density of the active material tends to decrease. If the pressure applied to the mixture is too high, the reaction vessel is required to have high pressure resistance, and the active material production cost tends to increase. By setting the pressure applied to the mixture within the above range, these tendencies can be suppressed.

水熱合成工程における混合物の温度は、200〜300℃とすることが好ましく、得られた活物質の放電容量を向上させる観点から、220〜280℃とすることがより好ましい。混合物の温度が低すぎると、得られるLiVOPOの結晶性が低下し、活物質の容量密度が減少する傾向がある。混合物の温度が高すぎると、反応容器に高い耐熱性が求められ、活物質の製造コストが増大する傾向がある。混合物の温度を上記の範囲内とすることによって、これらの傾向も抑制できる。 The temperature of the mixture in the hydrothermal synthesis step is preferably 200 to 300 ° C, and more preferably 220 to 280 ° C from the viewpoint of improving the discharge capacity of the obtained active material. If the temperature of the mixture is too low, the crystallinity of the resulting LiVOPO 4 tends to decrease, and the volume density of the active material tends to decrease. When the temperature of the mixture is too high, the reaction vessel is required to have high heat resistance, and the production cost of the active material tends to increase. By setting the temperature of the mixture within the above range, these tendencies can be suppressed.

[乾燥工程]
本実施形態に係る活物質の製造方法は、水熱合成により得られた材料を加熱する工程をさらに備える。この工程においては、LiVOPO及び高分子化合物を含む生成物の表面に付着した水分を除去する。
[Drying process]
The manufacturing method of the active material which concerns on this embodiment is further equipped with the process of heating the material obtained by hydrothermal synthesis. In this step, moisture adhering to the surface of the product containing LiVOPO 4 and the polymer compound is removed.

乾燥工程では、LiVOPO及び高分子化合物を含む生成物から水分を除去できれば特に制限はない。例えば、短時間で乾燥させるためには70〜110℃に加熱すればよい。加熱温度が高すぎると、活物質の粒成長が進み粒子径が増大する結果、活物質におけるリチウムの拡散が遅くなり、活物質の容量密度が減少する傾向があるため好ましくない。一方、加熱温度が低すぎると、焼成の効果が得られない。加熱温度を上記の範囲内とすることによって、これらの傾向を抑制できる。加熱時間は特に限定されないが、3〜8時間とすることが好ましい。 In the drying step, there is no particular limitation as long as moisture can be removed from the product containing LiVOPO 4 and the polymer compound. For example, in order to dry in a short time, it may be heated to 70 to 110 ° C. If the heating temperature is too high, the grain growth of the active material proceeds and the particle diameter increases, so that the diffusion of lithium in the active material becomes slow and the capacity density of the active material tends to decrease, which is not preferable. On the other hand, if the heating temperature is too low, the firing effect cannot be obtained. By setting the heating temperature within the above range, these tendencies can be suppressed. The heating time is not particularly limited, but is preferably 3 to 8 hours.

乾燥工程の雰囲気は特に限定されない。アルゴンガス、窒素ガス等の不活性雰囲気、大気雰囲気等いずれであってもよい。   The atmosphere of the drying process is not particularly limited. Any of an inert atmosphere such as argon gas and nitrogen gas, an air atmosphere, and the like may be used.

本実施形態に係る活物質の製造方法によれば、LiVOPO粒子1と、高分子化合物膜2と、を含み、高分子化合物膜2は、LiVOPO粒子1の表面を覆っており、常温での引っ張り弾性係数が0.5GPa以上である、活物質3を得ることができる。そして、このような活物質3を用いた電極、及び当該電極を用いたリチウム二次電池は、サイクル特性に優れる。 According to the manufacturing method of the active material according to the present embodiment, the LiVOPO 4 particles 1 and the polymer compound film 2 are included, and the polymer compound film 2 covers the surface of the LiVOPO 4 particles 1 at room temperature. Active material 3 having a tensile elastic modulus of 0.5 GPa or more can be obtained. And the electrode using such an active material 3, and the lithium secondary battery using the said electrode are excellent in cycling characteristics.

<電極及び当該電極を用いたリチウム二次電池>
次に、本実施形態に係る活物質を用いた電極、及び当該電極を用いたリチウムイオン二次電池について説明する。本実施形態に係る電極は、集電体と、上記活物質を含み上記集電体上に設けられた活物質層と、を備える電極である。図3は、当該電極を用いた本実施形態に係るリチウムイオン二次電池100の模式断面図である。
<Electrode and lithium secondary battery using the electrode>
Next, an electrode using the active material according to the present embodiment and a lithium ion secondary battery using the electrode will be described. The electrode which concerns on this embodiment is an electrode provided with a collector and the active material layer provided on the said collector containing the said active material. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a lithium ion secondary battery 100 according to this embodiment using the electrode.

リチウムイオン二次電池100は、主として、積層体30、積層体30を密閉した状態で収容するケース50、及び積層体30に接続された一対のリード60,62を備えている。   The lithium ion secondary battery 100 mainly includes a laminate 30, a case 50 that accommodates the laminate 30 in a sealed state, and a pair of leads 60 and 62 connected to the laminate 30.

積層体30は、一対の正極10、負極20がセパレータ18を挟んで対向配置されたものである。正極10は、板状(膜状)の正極集電体12上に正極活物質層14が設けられたものである。負極20は、板状(膜状)の負極集電体22上に負極活物質層24が設けられたものである。正極活物質層14及び負極活物質層24がセパレータ18の両側にそれぞれ接触している。正極集電体12及び負極集電体22の端部には、それぞれリード60,62が接続されており、リード60,62の端部はケース50の外部にまで延びている。   The laminated body 30 is configured such that a pair of the positive electrode 10 and the negative electrode 20 are opposed to each other with the separator 18 interposed therebetween. The positive electrode 10 is obtained by providing a positive electrode active material layer 14 on a plate-like (film-like) positive electrode current collector 12. The negative electrode 20 is obtained by providing a negative electrode active material layer 24 on a plate-like (film-like) negative electrode current collector 22. The positive electrode active material layer 14 and the negative electrode active material layer 24 are in contact with both sides of the separator 18. Leads 60 and 62 are connected to the end portions of the positive electrode current collector 12 and the negative electrode current collector 22, respectively, and the end portions of the leads 60 and 62 extend to the outside of the case 50.

以下、正極10及び負極20を総称して、電極10、20といい、正極集電体12及び負極集電体22を総称して集電体12、22といい、正極活物質層14及び負極活物質層24を総称して活物質層14、24という。   Hereinafter, the positive electrode 10 and the negative electrode 20 are collectively referred to as electrodes 10 and 20, and the positive electrode current collector 12 and the negative electrode current collector 22 are collectively referred to as current collectors 12 and 22, and the positive electrode active material layer 14 and the negative electrode The active material layers 24 are collectively referred to as active material layers 14 and 24.

まず、電極10、20について具体的に説明する。
(正極10)
正極集電体12は、導電性の板材であればよく、例えば、アルミ、銅、ニッケル箔の金属薄板を用いることができる。
正極活物質層14は、本実施形態に係る活物質、結合剤、必要に応じた量の導電材を含むものである。
First, the electrodes 10 and 20 will be specifically described.
(Positive electrode 10)
The positive electrode current collector 12 may be a conductive plate material, and for example, a thin metal plate of aluminum, copper, or nickel foil can be used.
The positive electrode active material layer 14 includes an active material according to the present embodiment, a binder, and a conductive material in an amount as necessary.

結合剤は、活物質同士を結合すると共に、活物質と正極集電体12とを結合している。   The binder binds the active materials to each other and binds the active material to the positive electrode current collector 12.

結合剤の材質としては、上述の結合が可能であればよく、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)等のフッ素樹脂が挙げられる。   The binder may be made of any material as long as the above-described bonding is possible. For example, polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoro Ethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), polyvinyl fluoride A fluororesin such as (PVF) is used.

また、上記の他に、結合剤として、例えば、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF−HFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−HFP−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ペンタフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF−PFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ペンタフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−PFP−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−パーフルオロメチルビニルエーテル−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−PFMVE−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−クロロトリフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−CTFE系フッ素ゴム)等のビニリデンフルオライド系フッ素ゴムを用いてもよい。   In addition to the above, as the binder, for example, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene fluorine rubber (VDF-HFP fluorine rubber), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene fluorine rubber (VDF-HFP) -TFE fluorine rubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene fluorine rubber (VDF-PFP fluorine rubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene-tetrafluoroethylene fluorine rubber (VDF-PFP-TFE fluorine rubber) , Vinylidene fluoride-perfluoromethyl vinyl ether-tetrafluoroethylene fluorine rubber (VDF-PFMVE-TFE fluorine rubber), vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene fluorine It may be used vinylidene fluoride-based fluorine rubbers such as beam (VDF-CTFE-based fluorine rubber).

更に、上記の他に、結合剤として、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、芳香族ポリアミド、セルロース、スチレン・ブタジエンゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、エチレン・プロピレンゴム等を用いてもよい。また、スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体、その水素添加物、スチレン・エチレン・ブタジエン・スチレン共重合体、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体、その水素添加物等の熱可塑性エラストマー状高分子を用いてもよい。更に、シンジオタクチック1,2−ポリブタジエン、エチレン・酢酸ビニル共重合体、プロピレン・α−オレフィン(炭素数2〜12)共重合体等を用いてもよい。   In addition to the above, for example, polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, aromatic polyamide, cellulose, styrene / butadiene rubber, isoprene rubber, butadiene rubber, ethylene / propylene rubber and the like may be used as the binder. Also, thermoplastic elastomeric polymers such as styrene / butadiene / styrene block copolymers, hydrogenated products thereof, styrene / ethylene / butadiene / styrene copolymers, styrene / isoprene / styrene block copolymers, and hydrogenated products thereof. May be used. Further, syndiotactic 1,2-polybutadiene, ethylene / vinyl acetate copolymer, propylene / α-olefin (carbon number 2 to 12) copolymer may be used.

また、結合剤として電子伝導性の導電性高分子やイオン伝導性の導電性高分子を用いてもよい。電子伝導性の導電性高分子としては、例えば、ポリアセチレン等が挙げられる。この場合は、結合剤が導電材の機能も発揮するので導電材を添加しなくてもよい。   Alternatively, an electron conductive conductive polymer or an ion conductive conductive polymer may be used as the binder. Examples of the electron conductive conductive polymer include polyacetylene. In this case, since the binder exhibits the function of the conductive material, it is not necessary to add the conductive material.

イオン伝導性の導電性高分子としては、例えば、リチウムイオン等のイオンの伝導性を有するものを使用することができ、例えば、高分子化合物(ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド等のポリエーテル系高分子化合物、ポリエーテル化合物の架橋体高分子、ポリエピクロルヒドリン、ポリフォスファゼン、ポリシロキサン、ポリビニルピロリドン、ポリビニリデンカーボネート、ポリアクリロニトリル等)のモノマーと、LiClO、LiBF、LiPF、LiAsF、LiCl、LiBr、Li(CFSON、LiN(CSOリチウム塩又はリチウムを主体とするアルカリ金属塩と、を複合化させたもの等が挙げられる。複合化に使用する重合開始剤としては、例えば、上記のモノマーに適合する光重合開始剤または熱重合開始剤が挙げられる。 As the ion-conductive conductive polymer, for example, those having ion conductivity such as lithium ion can be used. For example, polymer compounds (polyether-based polymer compounds such as polyethylene oxide and polypropylene oxide) A crosslinked polymer of a polyether compound, polyepichlorohydrin, polyphosphazene, polysiloxane, polyvinylpyrrolidone, polyvinylidene carbonate, polyacrylonitrile, etc.) monomers, and LiClO 4 , LiBF 4 , LiPF 6 , LiAsF 6 , LiCl, LiBr, Examples include Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 lithium salt, or a composite of alkali metal salt mainly composed of lithium. Examples of the polymerization initiator used for the combination include a photopolymerization initiator or a thermal polymerization initiator that is compatible with the above-described monomer.

正極活物質層14に含まれる結合剤の含有率は、活物質層の質量を基準として0.5〜6質量%であることが好ましい。結合剤の含有率が0.5質量%未満となると、結合剤の量が少なすぎて強固な活物質層を形成できなくなる傾向が大きくなる。また、結合剤の含有率が6質量%を超えると、電気容量に寄与しない結合剤の量が多くなり、十分な体積エネルギー密度を得ることが困難となる傾向が大きくなる。また、この場合、特に結合剤の電子伝導性が低いと活物質層の電気抵抗が上昇し、十分な電気容量が得られなくなる傾向が大きくなる。   It is preferable that the content rate of the binder contained in the positive electrode active material layer 14 is 0.5-6 mass% on the basis of the mass of an active material layer. When the binder content is less than 0.5% by mass, the amount of the binder is too small and a tendency to fail to form a strong active material layer increases. Moreover, when the content rate of a binder exceeds 6 mass%, the quantity of the binder which does not contribute to an electric capacity will increase, and the tendency for it to become difficult to obtain sufficient volume energy density becomes large. In this case, particularly, when the electronic conductivity of the binder is low, the electric resistance of the active material layer is increased, and a tendency that a sufficient electric capacity cannot be obtained increases.

導電材としては、例えば、カーボンブラック類、炭素材料、銅、ニッケル、ステンレス、鉄等の金属微粉、炭素材料及び金属微粉の混合物、ITO等の導電性酸化物が挙げられる。   Examples of the conductive material include carbon blacks, carbon materials, metal fine powders such as copper, nickel, stainless steel, and iron, a mixture of carbon materials and metal fine powders, and conductive oxides such as ITO.

(負極20)
負極集電体22は、導電性の板材であればよく、例えば、アルミ、銅、ニッケル箔の金属薄板を用いることができる。
負極活物質は特に限定されず、公知の電池用の負極活物質を使用できる。負極活物質としては、例えば、リチウムイオンを吸蔵・放出(インターカレート・デインターカレート、或いはドーピング・脱ドーピング)可能な黒鉛、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、低温度焼成炭素等の炭素材料、Al、Si、Sn等のリチウムと化合することのできる金属、SiO、SnO等の酸化物を主体とする非晶質の化合物、チタン酸リチウム(LiTi12)等を含む粒子が挙げられる。
結合剤、導電材は、それぞれ、正極と同様のものを使用できる。
(Negative electrode 20)
The negative electrode current collector 22 may be a conductive plate material, and for example, a thin metal plate of aluminum, copper, or nickel foil can be used.
The negative electrode active material is not particularly limited, and a known negative electrode active material for a battery can be used. Examples of the negative electrode active material include graphite, non-graphitizable carbon, graphitizable carbon, and low-temperature calcined carbon that can occlude / release (intercalate / deintercalate, or dope / dedope) lithium ions. Carbon materials, metals that can be combined with lithium such as Al, Si, and Sn, amorphous compounds mainly composed of oxides such as SiO 2 and SnO 2 , lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ), etc. The particle | grains containing are mentioned.
As the binder and the conductive material, the same materials as those for the positive electrode can be used.

次に、本実施形態に係る電極10,20の製造方法について説明する。
(電極10,20の製造方法)
本実施形態に係る電極10,20の製造方法は、電極活物質層14,24の原料である塗料を、集体上に塗布する工程(以下、「塗布工程」ということがある。)と、集電体上に塗布された塗料中の溶媒を除去する工程(以下、「溶媒除去工程」ということがある。)と、を備える。
Next, a method for manufacturing the electrodes 10 and 20 according to this embodiment will be described.
(Method for manufacturing electrodes 10 and 20)
The method for manufacturing the electrodes 10 and 20 according to the present embodiment includes a step of applying a coating material, which is a raw material of the electrode active material layers 14 and 24, onto the aggregate (hereinafter, also referred to as “application step”), And a step of removing the solvent in the paint applied on the electric body (hereinafter, also referred to as “solvent removal step”).

(塗布工程)
塗料を集電体12、22に塗布する塗布工程について説明する。塗料は、上記活物質、結合剤、及び溶媒を含む。塗料には、これらの成分の他に、例えば、活物質の導電性を高めるための導電材が含まれていてもよい。溶媒としては、例えば、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミド等を用いることができる。
(Coating process)
An application process for applying the paint to the current collectors 12 and 22 will be described. The paint contains the active material, the binder, and the solvent. In addition to these components, the coating material may contain, for example, a conductive material for increasing the conductivity of the active material. As the solvent, for example, N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylformamide and the like can be used.

活物質、結合剤、溶媒、導電材等の塗料を構成する成分の混合方法は特に制限されず、混合順序もまた特に制限されない。例えば、まず、活物質、導電材及び結合剤を混合し、得られた混合物に、N−メチル−2−ピロリドンを加えて混合し、塗料を調整する。   The mixing method of the components constituting the paint such as the active material, the binder, the solvent, and the conductive material is not particularly limited, and the mixing order is not particularly limited. For example, first, an active material, a conductive material, and a binder are mixed, and N-methyl-2-pyrrolidone is added to the obtained mixture and mixed to prepare a paint.

上記塗料を、集電体12、22に塗布する。塗布方法としては、特に制限はなく、通常電極を作製する場合に採用される方法を用いることができる。例えば、スリットダイコート法、ドクターブレード法が挙げられる。   The paint is applied to the current collectors 12 and 22. There is no restriction | limiting in particular as an application | coating method, The method employ | adopted when producing an electrode normally can be used. Examples thereof include a slit die coating method and a doctor blade method.

(溶媒除去工程)
続いて、集電体12、22上に塗布された塗料中の溶媒を除去する。除去法は特に限定されず、塗料が塗布された集電体12、22を、例えば80℃〜150℃の雰囲気下で乾燥させればよい。
(Solvent removal step)
Subsequently, the solvent in the paint applied on the current collectors 12 and 22 is removed. The removal method is not particularly limited, and the current collectors 12 and 22 to which the paint is applied may be dried, for example, in an atmosphere of 80 ° C. to 150 ° C.

そして、このようにして活物質層14、24が形成された電極を、その後、必要に応じて例えば、ロールプレス装置等によりプレス処理すればよい。ロールプレスの線圧は例えば、10〜50kgf/cmとすることができる。   Then, the electrodes on which the active material layers 14 and 24 are formed in this way may then be pressed by a roll press device or the like as necessary. The linear pressure of the roll press can be, for example, 10 to 50 kgf / cm.

以上の工程を経て、本実施形態に係る電極を作製することができる。   The electrode according to this embodiment can be manufactured through the above steps.

本実施形態に係る電極によれば、正極活物質として本実施形態に係る活物質を用いるため、十分な放電容量の電極が得られる。   According to the electrode according to this embodiment, since the active material according to this embodiment is used as the positive electrode active material, an electrode having a sufficient discharge capacity can be obtained.

ここで、上述のように作製した電極を用いたリチウムイオン二次電池100の他の構成要素を説明する。   Here, another component of the lithium ion secondary battery 100 using the electrode manufactured as described above will be described.

電解質は、正極活物質層14、負極活物質層24、及び、セパレータ18の内部に含有させるものである。電解質としては、特に限定されず、例えば、本実施形態では、リチウム塩を含む電解質溶液(電解質水溶液、有機溶媒を使用する電解質溶液)を使用することができる。ただし、電解質水溶液は電気化学的に分解電圧が低いことにより、充電時の耐用電圧が低く制限されるので、有機溶媒を使用する電解質溶液(非水電解質溶液)であることが好ましい。電解質溶液としては、リチウム塩を非水溶媒(有機溶媒)に溶解したものが好適に使用される。リチウム塩としては、例えば、LiPF、LiClO、LiBF、LiAsF、LiCFSO、LiCFCFSO、LiC(CFSO、LiN(CFSO、LiN(CFCFSO、LiN(CFSO)(CSO)、LiN(CFCFCO)、LiBOB等の塩が使用できる。なお、これらの塩は1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。 The electrolyte is contained in the positive electrode active material layer 14, the negative electrode active material layer 24, and the separator 18. The electrolyte is not particularly limited, and, for example, in the present embodiment, an electrolyte solution containing a lithium salt (electrolyte aqueous solution, electrolyte solution using an organic solvent) can be used. However, the electrolyte aqueous solution is preferably an electrolyte solution (non-aqueous electrolyte solution) using an organic solvent because the electrochemical decomposition voltage is low, and the withstand voltage during charging is limited to a low level. As the electrolyte solution, a lithium salt dissolved in a non-aqueous solvent (organic solvent) is preferably used. Examples of the lithium salt include LiPF 6 , LiClO 4 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CF 2 SO 3 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN Salts such as (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) (C 4 F 9 SO 2 ), LiN (CF 3 CF 2 CO) 2 , LiBOB can be used. In addition, these salts may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together.

また、有機溶媒としては、例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、及び、ジエチルカーボネート等が好ましく挙げられる。これらは単独で使用してもよく、2種以上を任意の割合で混合して使用してもよい。   Moreover, as an organic solvent, propylene carbonate, ethylene carbonate, diethyl carbonate, etc. are mentioned preferably, for example. These may be used alone or in combination of two or more at any ratio.

なお、本実施形態において、電解質は液状以外にゲル化剤を添加することにより得られるゲル状電解質であってもよい。また、電解質溶液に代えて、固体電解質(固体高分子電解質又はイオン伝導性無機材料からなる電解質)が含有されていてもよい。   In the present embodiment, the electrolyte may be a gel electrolyte obtained by adding a gelling agent in addition to liquid. Further, instead of the electrolyte solution, a solid electrolyte (a solid polymer electrolyte or an electrolyte made of an ion conductive inorganic material) may be contained.

セパレータ18は、電気絶縁性の多孔体であり、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン又はポリオレフィンからなるフィルムの単層体、積層体や上記樹脂の混合物の延伸膜、或いは、セルロース、ポリエステル及びポリプロピレンからなる群より選択される少なくとも1種の構成材料からなる繊維不織布が挙げられる。   The separator 18 is an electrically insulating porous body, for example, a single layer of a film made of polyethylene, polypropylene or polyolefin, a stretched film of a laminate or a mixture of the above resins, or a group consisting of cellulose, polyester and polypropylene. Examples thereof include a nonwoven fabric made of at least one selected constituent material.

ケース50は、その内部に積層体30及び電解質溶液を密封するものである。ケース50は、電解液の外部への漏出や、外部からの電気化学デバイス100内部への水分等の侵入等を抑止できる物であれば特に限定されない。例えば、ケース50として、図3に示すように、金属箔52を高分子膜54で両側からコーティングした金属ラミネートフィルムを利用できる。金属箔52としては例えばアルミ箔を、高分子膜54としてはポリプロピレン等の膜を利用できる。例えば、外側の高分子膜54の材料としては融点の高い高分子例えばポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリアミド等が好ましく、内側の高分子膜54の材料としてはポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)等が好ましい。   The case 50 seals the laminate 30 and the electrolyte solution therein. The case 50 is not particularly limited as long as it can prevent leakage of the electrolytic solution to the outside and entry of moisture and the like into the electrochemical device 100 from the outside. For example, as the case 50, as shown in FIG. 3, a metal laminate film in which a metal foil 52 is coated with a polymer film 54 from both sides can be used. For example, an aluminum foil can be used as the metal foil 52 and a film such as polypropylene can be used as the polymer film 54. For example, the material of the outer polymer film 54 is preferably a polymer having a high melting point such as polyethylene terephthalate (PET) or polyamide, and the material of the inner polymer film 54 is polyethylene (PE) or polypropylene (PP). preferable.

リード60,62は、アルミ等の導電材料から形成されている。   The leads 60 and 62 are made of a conductive material such as aluminum.

そして、公知の方法により、リード60、62を正極集電体12、負極集電体22にそれぞれ溶接し、正極10の正極活物質層14と負極20の負極活物質層24との間にセパレータ18を挟んだ状態で、電解液と共にケース50内に挿入し、ケース50の入り口をシールすればよい。   Then, the leads 60 and 62 are welded to the positive electrode current collector 12 and the negative electrode current collector 22 by a known method, respectively, and a separator is provided between the positive electrode active material layer 14 of the positive electrode 10 and the negative electrode active material layer 24 of the negative electrode 20. 18 may be inserted into the case 50 together with the electrolytic solution with the 18 interposed therebetween, and the entrance of the case 50 may be sealed.

以上、本発明の活物質、それを用いた電極、当該電極を備えるリチウムイオン二次電池、及び、それらの製造方法の好適な一実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。   As described above, the preferred embodiment of the active material of the present invention, the electrode using the same, the lithium ion secondary battery including the electrode, and the manufacturing method thereof has been described in detail. It is not limited.

例えば、本発明の活物質を用いた電極は、リチウムイオン二次電池以外の電気化学素子にも用いることができる。電気化学素子としては、金属リチウム二次電池(カソードとして本発明の活物質を用い、アノードに金属リチウムを用いたもの)等のリチウムイオン二次電池以外の二次電池や、リチウムキャパシタ等の電気化学キャパシタ等が挙げられる。これらの電気化学素子は、自走式のマイクロマシン、ICカードなどの電源や、プリント基板上又はプリント基板内に配置される分散電源の用途に使用することが可能である。   For example, the electrode using the active material of the present invention can be used for an electrochemical element other than a lithium ion secondary battery. Electrochemical elements include secondary batteries other than lithium ion secondary batteries such as metal lithium secondary batteries (those using the active material of the present invention as the cathode and metal lithium as the anode), and electric batteries such as lithium capacitors. Examples include chemical capacitors. These electrochemical elements can be used for power sources such as self-propelled micromachines and IC cards, and distributed power sources arranged on or in a printed circuit board.

以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated more concretely based on an Example and a comparative example, this invention is not limited to a following example.

(実施例1)
[水熱合成]
0.5Lのオートクレーブのガラス製の円筒容器内に、23.06g(0.20mol)のHPO(ナカライテスク社製、純度85%)、及び、200gの蒸留水(ナカライテスク社製、HPLC用)、18.37g(0.10mol)のV(ナカライテスク社製、純度99%)、8.48g(0.20mol)のLiOH・HO(ナカライテスク社製、純度99%)、3.00gポリエチレン(PE)多孔シート(厚み2mm)の粗粉砕粒子(融点:約130℃;旭化成ケミカルズ社製、AQ−800(商品名))をこの順に入れた。その後、容器を密閉し、ヒータのスイッチをオンして、250℃で16時間、強力マグネチックスターラで攪拌を続けた。容器内の温度が室温になるまで放冷し、約300mlの蒸留水を加え、橙茶色と緑色の斑状のペーストを得た。この物質のpHを測定したところ、pHは3であった。この物質をバットに広げ、90℃で23.5時間かけてオーブンで蒸発乾固させ、緑黄色の乾固物を得た。乾固物を粉砕し、黄土色の粉体36.73gを得た。
Example 1
[Hydrothermal synthesis]
In a 0.5 L autoclave glass cylindrical container, 23.06 g (0.20 mol) of H 3 PO 4 (Nacalai Tesque, purity 85%) and 200 g of distilled water (Nacalai Tesque, For HPLC), 18.37 g (0.10 mol) of V 2 O 5 (Nacalai Tesque, purity 99%), 8.48 g (0.20 mol) LiOH · H 2 O (Nacalai Tesque, purity 99) %), 3.00 g polyethylene (PE) porous sheet (thickness 2 mm) coarsely pulverized particles (melting point: about 130 ° C .; AQ-800 (trade name) manufactured by Asahi Kasei Chemicals Corporation) were put in this order. Thereafter, the container was sealed, the heater was turned on, and stirring was continued with a strong magnetic stirrer at 250 ° C. for 16 hours. The container was allowed to cool to room temperature, and about 300 ml of distilled water was added to obtain an orange brown and green patchy paste. The pH of this substance was measured and found to be 3. This material was spread on a vat and evaporated to dryness in an oven at 90 ° C. for 23.5 hours to obtain a greenish yellow solid. The dried product was pulverized to obtain 36.73 g of an ocherous powder.

[X線回折測定による活物質の同定]
得られた活物質のX線回折測定を行った。複数のピークのうち、2θ=27.0°、27.5°、28.4°において、強度が相対的に高いピークが得られ、活物質は、主にβ型の結晶構造を有するLiVOPOを含有することを確認した。
[Identification of active material by X-ray diffraction measurement]
X-ray diffraction measurement of the obtained active material was performed. Among the plurality of peaks, peaks with relatively high intensity are obtained at 2θ = 27.0 °, 27.5 °, and 28.4 °, and the active material is mainly LiVOPO 4 having a β-type crystal structure. It was confirmed to contain.

[活物質の状態の観察]
高分解能走査型電子顕微鏡(日本電子社製,装置名:JEM−2100F)により活物質の形状を観察した。得られた活物質は、図2に示すように、複数のLiVOPO粒子が凝集したものであった。
[Observation of active material state]
The shape of the active material was observed with a high-resolution scanning electron microscope (manufactured by JEOL Ltd., apparatus name: JEM-2100F). As shown in FIG. 2, the obtained active material was an aggregate of a plurality of LiVOPO 4 particles.

[粒子径の測定]
得られたLiVOPO粒子1について、上記高分解能走査型電子顕微鏡で観察したイメージに基づいた投影面積(20個)から求められる投影面積円相当径をそれぞれ算出した。求めた第一のLiVOPO粒子1に対する投影面積円相当径の平均値を算出し、LiVOPO粒子1の粒子径を算出した。結果を表1に示す。
[Measurement of particle size]
With respect to the obtained LiVOPO 4 particles 1, the projected area equivalent circle diameters calculated from the projected areas (20) based on the images observed with the high-resolution scanning electron microscope were calculated. The average value of the projected area equivalent circle diameters for the first LiVOPO 4 particles 1 thus obtained was calculated, and the particle diameter of the LiVOPO 4 particles 1 was calculated. The results are shown in Table 1.

[電極及び評価用セルの作製]
実施例1の活物質と、結合剤であるポリフッ化ビニリデン(PVDF)と、導電材であるアセチレンブラックと、を混合したものを、溶媒であるN−メチル−2−ピロリドン(NMP)中に分散させてスラリーを調製した。なお、スラリーにおいて活物質とアセチレンブラックとPVDFとの重量比が84:8:8となるように、スラリーを調製した。このスラリーを集電体であるアルミニウム箔上に塗布し、乾燥させた後、圧延を行い、実施例1の活物質を含む活物質層が形成された電極(正極)を得た。
[Preparation of electrode and evaluation cell]
A mixture of the active material of Example 1, polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder, and acetylene black as a conductive material is dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) as a solvent. To prepare a slurry. The slurry was prepared so that the weight ratio of the active material, acetylene black, and PVDF was 84: 8: 8 in the slurry. This slurry was applied onto an aluminum foil as a current collector, dried, and then rolled to obtain an electrode (positive electrode) on which an active material layer containing the active material of Example 1 was formed.

次に、得られた電極と、その対極であるLi箔とを、それらの間にポリエチレン微多孔膜からなるセパレータを挟んで積層し、積層体(素体)を得た。この積層体を、アルミラミネートパックに入れ、このアルミラミネートパックに、電解液として1MのLiPF溶液を注入した後、真空シールし、実施例1の評価用セルを作製した。 Next, the obtained electrode and the Li foil as the counter electrode were laminated with a separator made of a polyethylene microporous film interposed therebetween to obtain a laminate (element body). This laminate was put in an aluminum laminate pack, and 1M LiPF 6 solution was injected as an electrolyte into the aluminum laminate pack, followed by vacuum sealing to produce an evaluation cell of Example 1.

[サイクル特性の評価]
実施例1の評価用セルを用いて、放電レートを1C(25℃で定電流放電を行ったときに1時間で放電終了となる電流値)とした場合の放電容量(単位:mAh/g)を測定した。また、1回目の放電容量に対する100サイクル目の放電容量の割合をサイクル特性として評価した。実施例1の評価用セルの第1回目の放電容量は1.5mAh/gであり、サイクル特性は、81%であった。
[Evaluation of cycle characteristics]
Using the evaluation cell of Example 1, the discharge capacity (unit: mAh / g) when the discharge rate is 1 C (current value at which discharge is completed in 1 hour when constant current discharge is performed at 25 ° C.) Was measured. The ratio of the discharge capacity at the 100th cycle to the discharge capacity at the first time was evaluated as cycle characteristics. The first discharge capacity of the evaluation cell of Example 1 was 1.5 mAh / g, and the cycle characteristics were 81%.

(実施例2)
ポリエチレン粒子に代えて、ポリプロピレン(PP)粒子(融点:約165℃;アルドリッチ社製)を用いた以外は実施例1と同様にして、活物質、電極、及び評価用セルを作製した。
また、実施例1と同様にして、LiVOPO粒子の粒子径を測定し、サイクル特性を評価した。結果を表1に示す。
(Example 2)
An active material, an electrode, and an evaluation cell were prepared in the same manner as in Example 1 except that polypropylene (PP) particles (melting point: about 165 ° C .; manufactured by Aldrich) were used in place of the polyethylene particles.
Further, in the same manner as in Example 1, the particle size of LiVOPO 4 particles was measured, and the cycle characteristics were evaluated. The results are shown in Table 1.

(実施例3)
ポリエチレン粒子に代えて、ポリメタクリル酸メチル(PMMA))粒子(融点:約160℃;アルドリッチ社製)を用いた以外は実施例1と同様にして、活物質、電極、及び評価用セルを作製した。
また、実施例1と同様にして、LiVOPO粒子の粒子径を測定し、サイクル特性を評価した。結果を表1に示す。
(Example 3)
An active material, an electrode, and an evaluation cell were produced in the same manner as in Example 1 except that polymethyl methacrylate (PMMA) particles (melting point: about 160 ° C .; manufactured by Aldrich) were used instead of polyethylene particles. did.
Further, in the same manner as in Example 1, the particle size of LiVOPO 4 particles was measured, and the cycle characteristics were evaluated. The results are shown in Table 1.

(実施例4)
ポリエチレン粒子に代えて、ポリスチレン(PS)粒子(融点:約230℃;アルドリッチ社製)を用いた以外は実施例1と同様にして、活物質、電極、及び評価用セルを作製した。
また、実施例1と同様にして、LiVOPO粒子の粒子径を測定し、サイクル特性を評価した。結果を表1に示す。
Example 4
An active material, an electrode, and an evaluation cell were prepared in the same manner as in Example 1 except that polystyrene (PS) particles (melting point: about 230 ° C .; manufactured by Aldrich) were used in place of the polyethylene particles.
Further, in the same manner as in Example 1, the particle size of LiVOPO 4 particles was measured, and the cycle characteristics were evaluated. The results are shown in Table 1.

(比較例1)
ポリエチレン粒子を用いなかった以外は実施例1と同様にして、活物質、電極、及び評価用セルを作製した。
また、実施例1と同様にして、LiVOPO粒子の粒子径を測定し、サイクル特性を評価した。結果を表1に示す。
(Comparative Example 1)
An active material, an electrode, and an evaluation cell were prepared in the same manner as in Example 1 except that polyethylene particles were not used.
Further, in the same manner as in Example 1, the particle size of LiVOPO 4 particles was measured, and the cycle characteristics were evaluated. The results are shown in Table 1.

(比較例2)
ポリエチレン粒子に代えて、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)粒子(融点:約80〜100℃;アルドリッチ社製)を用いた以外は実施例1と同様にして、活物質、電極、及び評価用セルを作製した。
また、実施例1と同様にして、LiVOPO粒子の粒子径を測定し、サイクル特性を評価した。結果を表1に示す。
(Comparative Example 2)
An active material, an electrode, and an evaluation cell were prepared in the same manner as in Example 1 except that styrene-butadiene rubber (SBR) particles (melting point: about 80 to 100 ° C .; manufactured by Aldrich) were used instead of polyethylene particles. Produced.
Further, in the same manner as in Example 1, the particle size of LiVOPO 4 particles was measured, and the cycle characteristics were evaluated. The results are shown in Table 1.

(比較例3)
ポリエチレン粒子に代えて、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)粒子(融点:約330℃;アルドリッチ社製)を用いた以外は実施例1と同様にして、活物質、電極、及び評価用セルを作製した。
また、実施例1と同様にして、LiVOPO粒子の粒子径を測定し、サイクル特性を評価した。結果を表1に示す。
(Comparative Example 3)
An active material, an electrode, and an evaluation cell were produced in the same manner as in Example 1 except that polytetrafluoroethylene (PTFE) particles (melting point: about 330 ° C .; manufactured by Aldrich) were used instead of polyethylene particles. .
Further, in the same manner as in Example 1, the particle size of LiVOPO 4 particles was measured, and the cycle characteristics were evaluated. The results are shown in Table 1.

実施例1〜4で得られた活物質は、高分子化合物が、水に不溶であって、加圧下で200℃以上に加熱された状態で溶融状態となるものであり、かつ、25℃での引っ張り弾性係数が0.5GPa以上であるため、高分子化合物を用いない比較例1、高分子化合物として、25℃での引っ張り弾性係数が0.5GPaを下回る材料を用いた比較例2、及び、高分子化合物として、加圧下で200℃以上に加熱された状態で溶融状態とならず、また、25℃での引っ張り弾性係数が0.5GPaを下回る比較例3で得られた活物質に比べ、サイクル特性に優れることが明らかである。
また、得られた活物質は、LiVOPO粒子の表面が、25℃での引っ張り弾性係数が0.5GPa以上の高分子化合物膜で覆われているため、機械的強度が向上し、サイクル特性が向上したものと考えられる。
The active materials obtained in Examples 1 to 4 are those in which the polymer compound is insoluble in water and is in a molten state when heated to 200 ° C. or higher under pressure, and at 25 ° C. Comparative Example 1 using no polymer compound, Comparative Example 2 using a material whose tensile elastic modulus at 25 ° C. is lower than 0.5 GPa, and Compared to the active material obtained in Comparative Example 3 as a polymer compound, which does not enter a molten state when heated to 200 ° C. or higher under pressure and whose tensile elastic modulus at 25 ° C. is less than 0.5 GPa. It is clear that the cycle characteristics are excellent.
In addition, since the surface of LiVOPO 4 particles is covered with a polymer compound film having a tensile elastic modulus at 25 ° C. of 0.5 GPa or more, the obtained active material has improved mechanical strength and cycle characteristics. It is thought to have improved.

1…LiVOPO粒子、2…高分子化合物膜、3…活物質、10…正極、20…負極、12…正極集電体、14…正極活物質層、18…セパレータ、22…負極集電体、24…負極活物質層、30…積層体、50…ケース、52…金属箔、54…高分子膜、60,62…リード、100…リチウムイオン二次電池。 1 ... LiVOPO 4 particles, 2 ... polymer membranes, 3 ... active material, 10 ... positive electrode, 20 ... negative electrode, 12 ... cathode current collector, 14 ... positive electrode active material layer, 18 ... separator, 22 ... negative electrode current collector 24 ... negative electrode active material layer, 30 ... laminate, 50 ... case, 52 ... metal foil, 54 ... polymer film, 60, 62 ... lead, 100 ... lithium ion secondary battery.

Claims (6)

LiVOPO粒子と、
前記高分子化合物膜と、を含み、
前記高分子化合物膜は、前記LiVOPO粒子の表面を覆っており、25℃での引っ張り弾性係数が0.5GPa以上である、活物質。
LiVOPO 4 particles,
The polymer compound film,
The polymer compound film is an active material that covers the surface of the LiVOPO 4 particles and has a tensile elastic modulus at 25 ° C. of 0.5 GPa or more.
前記LiVOPO粒子は、粒子径が0.2〜2.0μmである、請求項1に記載の活物質。 The active material according to claim 1, wherein the LiVOPO 4 particles have a particle diameter of 0.2 to 2.0 μm. 前記高分子化合物膜は、0.005〜0.03μmの膜厚を有する、請求項1又は2に記載の活物質。   The active material according to claim 1, wherein the polymer compound film has a thickness of 0.005 to 0.03 μm. 集電体と、
請求項1〜3のいずれか一項に記載の活物質を含み、前記集電体上に設けられた活物質層と、
を備える電極。
A current collector,
An active material layer comprising the active material according to any one of claims 1 to 3 and provided on the current collector;
Electrode.
請求項4に記載の電極を備えるリチウム二次電池。   A lithium secondary battery comprising the electrode according to claim 4. リチウム源、5価のバナジウム源、リン酸源、水、及び、高分子化合物を含む混合物を、加圧下で200℃以上に加熱することにより、LiVOPO及び高分子化合物を含む生成物を得る水熱合成工程を備え、
前記高分子化合物は、水に不溶であって、前記加圧及び前記加熱状態で溶融状態となるものであり、かつ、25℃での引っ張り弾性係数が0.5GPa以上である、活物質の製造方法。
Water to obtain a product containing LiVOPO 4 and a polymer compound by heating a mixture containing a lithium source, a pentavalent vanadium source, a phosphate source, water, and a polymer compound to 200 ° C. or higher under pressure. With thermal synthesis process,
Production of an active material, wherein the polymer compound is insoluble in water, becomes a molten state in the pressurized and heated state, and has a tensile elastic modulus at 25 ° C of 0.5 GPa or more. Method.
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