JP2014075561A - Composite of manganese compound and carbon raw material, electrode material using the composite, and method for manufacturing them - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、マンガン化合物とカーボン素材の複合体、この複合体を用いた電極及びこれらの製造方法に関する。 The present invention relates to a composite of a manganese compound and a carbon material, an electrode using the composite, and a method for producing them.
現在、リチウム電池の電極としてリチウムを貯蔵、放出するカーボン材料等が用いられているが、マイナス電位が水素の還元分解電位より小さいので電解液の分解という危険性がある。そこで、特許文献1や特許文献2に記載のように、マイナス電位が水素の還元分解電位より大きいチタン酸リチウムの使用が検討されているが、チタン酸リチウムは出力特性が低いという問題点がある。そこで、チタン酸リチウムをナノ粒子化し、炭素に担時させた電極によって、出力特性を向上する試みがある。 At present, carbon materials that store and release lithium are used as electrodes of lithium batteries, but there is a risk of decomposition of the electrolyte because the negative potential is smaller than the reductive decomposition potential of hydrogen. Thus, as described in Patent Document 1 and Patent Document 2, the use of lithium titanate having a negative potential larger than the reductive decomposition potential of hydrogen has been studied. However, lithium titanate has a problem that output characteristics are low. . Therefore, there is an attempt to improve output characteristics by using an electrode in which lithium titanate is made into nanoparticles and supported on carbon.
これらの特許文献に記載の発明は、旋回する反応器内で反応物にずり応力と遠心力を加えて、化学反応を促進させる方法(一般に、メカノケミカル反応と呼ばれる)によって、カーボンに分散担持されたチタン酸リチウムを得るものである。この場合、反応物としては、例えば、チタン酸リチウムの出発原料であるチタンアルコキシドと酢酸リチウム、及びカーボンナノチューブやケッチェンブラック等のカーボン等を使用する。 The inventions described in these patent documents are dispersed and supported on carbon by a method (generally called mechanochemical reaction) that promotes a chemical reaction by applying shear stress and centrifugal force to a reactant in a rotating reactor. Lithium titanate is obtained. In this case, for example, titanium alkoxide and lithium acetate, which are starting materials for lithium titanate, and carbon such as carbon nanotubes and ketjen black are used as reactants.
これらの特許文献に記載のチタン酸リチウムナノ粒子を担持したカーボンを使用した電極は、優れた出力特性を発揮するものの、最近では、この種の電極において、さらに出力特性を向上させ、電気伝導度を向上させる要求がある。また、チタン酸リチウムに代えて、より入手が容易なリチウムが吸蔵可能なマンガン化合物を使用することも要望されている。 Electrodes using carbon carrying lithium titanate nanoparticles described in these patent documents exhibit excellent output characteristics, but recently, in this type of electrode, the output characteristics have been further improved and the electric conductivity has been improved. There is a demand to improve. Moreover, it is also desired to use a manganese compound capable of occluding lithium, which is easier to obtain, instead of lithium titanate.
リチウムが吸蔵可能なマンガン化合物としては、マンガン化合物とカーボン素材とを複合した際に純度の高いマンガン化合物を生成する必要がある。現在、マンガン化合物とカーボン素材との複合化方法としては、種々の方法が提案されている。しかしながら、純度の高い、純度の高いマンガン化合物とカーボン素材との複合体を生成すことは困難であり、生成の際に価数の違うマンガン化合物が生成されやすく、純度の高いマンガン化合物を生成することは、困難であった。 As a manganese compound capable of occluding lithium, it is necessary to produce a highly pure manganese compound when a manganese compound and a carbon material are combined. Currently, various methods have been proposed as a method for combining a manganese compound and a carbon material. However, it is difficult to produce a complex of a high-purity, high-purity manganese compound and a carbon material. Manganese compounds with different valences are easily produced during the production, and a high-purity manganese compound is produced. That was difficult.
本発明は、上述したような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであって、その目的は、純度の高いマンガン化合物とカーボン素材との複合体や、この複合体を用いた出力特性及び高エネルギー密度を達成した電極材料の製造方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、前記複合体及び電極材料を提供することにある。 The present invention has been proposed in order to solve the above-mentioned problems of the prior art, and the object thereof is to use a complex of a high purity manganese compound and a carbon material, or using this complex. An object of the present invention is to provide a method for producing an electrode material that achieves output characteristics and high energy density. Another object of the present invention is to provide the composite and electrode material.
前記の目的を達成するため、本発明は、マンガン化合物とカーボン素材を複合化する電極材料の製造方法であって、以下の工程を含むものである。
(1)マンガン化合物の材料源の1つが溶解する溶液のpHの調整を行うpH調整工程。
(2)カーボン素材と前記pHの調整を行ったマンガン化合物の材料源を含むマンガン化合物の材料源とを混合し、マンガン化合物とカーボン素材との複合体を生成する複合化処理を行う複合化工程。
In order to achieve the above object, the present invention is a method for producing an electrode material in which a manganese compound and a carbon material are combined, and includes the following steps.
(1) A pH adjustment step for adjusting the pH of a solution in which one of the material sources of the manganese compound is dissolved.
(2) A compounding step of mixing a carbon material and a manganese compound material source including a manganese compound material source whose pH has been adjusted, and performing a compounding process for generating a complex of the manganese compound and the carbon material. .
複合化工程では、前記複合体を加熱する加熱工程を更に含ませることも可能である。 In the compounding step, it is possible to further include a heating step of heating the complex.
pH調整工程では、マンガン化合物の材料源の1つを含む溶液をpH3〜5に調整しても良い。 In the pH adjustment step, a solution containing one of the material sources of the manganese compound may be adjusted to pH 3-5.
pH調整工程では、マンガン化合物の材料源の1つを含む溶液をpH11.5〜14に調整しても良い。 In the pH adjustment step, a solution containing one of the material sources of the manganese compound may be adjusted to pH 11.5-14.
マンガン化合物と前記カーボン素材とを複合化させる処理は、それぞれ、旋回する反応容器内で、カーボン素材と金属化合物の材料源とを含む溶液にずり応力と遠心力を加えてメカノケミカル反応する処理である、いわゆる、UC処理としても良い。 The process of compounding the manganese compound and the carbon material is a process in which a mechanochemical reaction is performed by applying shear stress and centrifugal force to a solution containing the carbon material and the metal compound material in a rotating reaction vessel. A so-called UC process may be used.
また、上記のような工程を有する複合体の製造方法や、これらの製造方法により、マンガン化合物とカーボン素材を複合化した複合体や電極材料において、前記マンガン化合物がα−MnO2またはバーネサイトであるも本発明の一態様である。 The step method for producing a composite body and having the above-described, the method for their preparation, in a complex and electrode material complexed manganese compound and carbon material, the manganese compound is alpha-MnO 2 or birnessite Is also an embodiment of the present invention.
本発明によれば、マンガン化合物とカーボン素材とを複合した際に、純度の高いマンガン化合物の複合体を生成することができ、その複合体を使用した電極では大容量且つ高入出力を実現することができる。 According to the present invention, when a manganese compound and a carbon material are combined, a high-purity manganese compound composite can be formed, and an electrode using the composite realizes a large capacity and high input / output. be able to.
以下、本発明を実施する形態について、説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものでない。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described. In addition, this invention is not limited to embodiment described below.
(1)複合体及び複合体を使用した電極材料
本発明に係る電極材料は、マンガン化合物を導電助剤としてのカーボン素材に担持させた複合体であり、双方とも製造工程において一貫してナノ粒子を維持させたものである。ナノ粒子は、二次粒子を指し、一次粒子の凝集体である。そして、ナノ粒子とは、その凝集体の径が、円形や楕円形や多角形等の塊においては最大径が10nm以下、繊維においては繊維径が10nm以下をいう。
(1) Composite and electrode material using the composite The electrode material according to the present invention is a composite in which a manganese compound is supported on a carbon material as a conductive additive, both of which are nanoparticles consistently in the manufacturing process. Is maintained. A nanoparticle refers to a secondary particle and is an aggregate of primary particles. Nanoparticles mean that the aggregate has a maximum diameter of 10 nm or less in a lump such as a circle, ellipse or polygon, and a fiber diameter of 10 nm or less in a fiber.
この複合体は、粉末として得られ、複合体粉末をバインダーと混錬して成型することで、電気エネルギーを貯蔵する電極となる。この電極は、リチウムを含有する電解液を用いる電気化学キャパシタや電池に用いることができる。すなわち、この二次電池用電極材料により作成された電極は、リチウムイオンの吸蔵、脱着を行うことができ、正極として作動する。 This composite is obtained as a powder, and becomes an electrode for storing electrical energy by kneading the composite powder with a binder and molding it. This electrode can be used for an electrochemical capacitor or a battery using an electrolytic solution containing lithium. That is, the electrode made of this secondary battery electrode material can occlude and desorb lithium ions, and operates as a positive electrode.
カーボン素材は、繊維構造のカーボンナノチューブ、中空シェル構造のカーボンブラックであるケッチェンブラック、アセチレンブラック等のカーボンブラック、無定形炭素、炭素繊維、天然黒鉛、人造黒鉛、活性炭、メソポーラス炭素のうちの一種又は複数種類を混合して使用することができる。カーボンナノチューブは、シングルウォールカーボンナノチューブ(SWCNT)及びマルチウォールカーボンナノチューブ(MWCNT)の何れでもよい。 Carbon materials are carbon nanotubes with fiber structure, carbon black with hollow shell structure such as Ketjen black, acetylene black, etc., amorphous carbon, carbon fiber, natural graphite, artificial graphite, activated carbon, mesoporous carbon Alternatively, a plurality of types can be mixed and used. The carbon nanotube may be either a single wall carbon nanotube (SWCNT) or a multi-wall carbon nanotube (MWCNT).
(マンガン化合物)
本発明にかかるマンガン化合物は、リチウム(Li)を吸蔵及び放出可能なポリマーを周囲に生成することが可能なマンガン化合物である。このマンガン化合物としては、純度の高い4価のマンガン化合物が好ましい。4価のマンガン化合物の一例としては、α−MnO2、バーネサイトなどが挙げられる。本実施例で使用する4価のマンガン化合物は、マンガンの価数が2≦x<4のマンガン化合物及び4<x≦7のマンガン化合物を反応させて得られる。
(Manganese compounds)
The manganese compound according to the present invention is a manganese compound capable of generating a polymer capable of inserting and extracting lithium (Li) around it. As this manganese compound, a highly pure tetravalent manganese compound is preferable. As an example of the tetravalent manganese compound, α-MnO 2 , banesite, and the like can be given. The tetravalent manganese compound used in this example is obtained by reacting a manganese compound having a valence of manganese of 2 ≦ x <4 and a manganese compound having 4 <x ≦ 7.
マンガンの価数が2≦x<4のマンガン化合物は、出発原料として使用する。具体的には、マンガンの価数が2≦x<4のマンガン化合物として、以下にあげる2価のマンガン化合物を使用することができる。
酢酸マンガン Manganese acetate: Mn(CH3CO2)2
酢酸マンガン4水和物 Mn(OAc)2・4H2O
ギ酸マンガン Manganese formate: Mn(COO)2
シュウ酸マンガン Manganese oxalate: MnC2O4
酒石酸マンガン Manganese tartrate: MnC4H4O6
オレイン酸マンガン Manganese oleate: Mn(C17H33COO)2
塩化マンガン Manganese chloride: MnCl2
臭化マンガン Manganese bromide: MnBr2
フッ化マンガン Manganese fluoride: MnF2
ヨウ化マンガン Manganese iodide: MnI2
水酸化マンガン Manganese hydroxide: Mn(OH)2
硫化マンガン Manganese sulfide: MnS
炭酸マンガン Manganese carbonate: MnCO3
過塩素酸マンガン Manganese perchlorate: Mn(ClO4)2
硫酸マンガン Manganese sulfate: MnSO4
硝酸マンガン Manganese nitrate: Mn(NO3)2
リン酸マンガン Manganese phosphate: Mn3(PO4)2, MnHPO4, Mn(H2PO4)2
二リン酸マンガン Manganese diphosphate: Mn2P2O7
次亜リン酸マンガン Manganese Hypophosphite: H4MnO4P2
メタリン酸マンガン Manganese metaphosphate: Mn(PO3)2
ヒ酸マンガン Manganese arsenate: Mn3(AsO4)2
ホウ酸マンガン Manganese borate: MnB4O7
A manganese compound having a valence of manganese of 2 ≦ x <4 is used as a starting material. Specifically, the following divalent manganese compounds can be used as manganese compounds having a valence of manganese of 2 ≦ x <4.
Manganese acetate: Mn (CH 3 CO 2 ) 2
Manganese acetate tetrahydrate Mn (OAc) 2・ 4H 2 O
Manganese formate: Mn (COO) 2
Manganese oxalate: MnC 2 O 4
Manganese tartrate: MnC 4 H 4 O 6
Manganese oleate: Mn (C 17 H 33 COO) 2
Manganese chloride: MnCl 2
Manganese bromide: MnBr 2
Manganese fluoride: MnF 2
Manganese iodide: MnI 2
Manganese hydroxide: Mn (OH) 2
Manganese sulfide: MnS
Manganese carbonate: MnCO 3
Manganese perchlorate: Mn (ClO 4 ) 2
Manganese sulfate: MnSO 4
Manganese nitrate: Mn (NO 3 ) 2
Manganese phosphate: Mn 3 (PO 4 ) 2 , MnHPO 4 , Mn (H 2 PO 4 ) 2
Manganese diphosphate: Mn 2 P 2 O 7
Manganese hypophosphite: H 4 MnO 4 P 2
Manganese metaphosphate: Mn (PO 3 ) 2
Manganese arsenate: Mannese arsenate: Mn 3 (AsO 4 ) 2
Manganese borate Manganese borate: MnB 4 O 7
また、マンガンの価数が2≦x<4のマンガン化合物として、以下にあげる3価のマンガン化合物を使用することができる。
酢酸マンガン Manganese acetate: Mn(CH3CO2)3
ギ酸マンガン Manganese formate: Mn(COO)3
フッ化マンガン Manganese fluoride: MnF3
水酸化マンガン Manganese hydroxide: MnO(OH)
硫酸マンガン Manganese sulfate: Mn2(SO4)3
リン酸マンガン Manganese phosphate: MnPO4
二リン酸マンガン Manganese diphosphate: Mn4(P2O7)3
ヒ酸マンガン Manganese arsenate: MnAsO4
マンガンアセチルアセトナート Manganese acetylacetonate: Mn(CH3COCHCOCH3)3
Moreover, the following trivalent manganese compounds can be used as the manganese compound having a valence of manganese of 2 ≦ x <4.
Manganese acetate: Mn (CH 3 CO 2 ) 3
Manganese formate: Mn (COO) 3
Manganese fluoride: MnF 3
Manganese hydroxide: MnO (OH)
Manganese sulfate: Mn 2 (SO 4 ) 3
Manganese phosphate: MnPO 4
Manganese diphosphate: Mn 4 (P 2 O 7 ) 3
Manganese arsenate: MnAsO 4
Manganese acetylacetonate: Mn (CH 3 COCHCOCH 3 ) 3
一方、マンガンの価数が4<x≦7のマンガン化合物として、以下にあげる7価のマンガン化合物を使用することができる。
過マンガン酸カリウム Potassium permanganate: KMnO4
過マンガン酸ナトリウム Sodium permanganate: NaMnO4
過マンガン酸リチウム Lithium permanganate: LiMnO4
過マンガン酸マグネシウム Magnesium permanganate: Mg(MnO4)2
過マンガン酸カルシウム Calcium permanganate: Ca(MnO4)2
On the other hand, the following 7-valent manganese compounds can be used as manganese compounds having a valence of manganese of 4 <x ≦ 7.
Potassium permanganate: KMnO 4
Sodium permanganate: NaMnO 4
Lithium permanganate: LiMnO 4
Magnesium permanganate: Mg (MnO 4 ) 2
Calcium permanganate: Ca (MnO 4 ) 2
(2)製造方法
マンガン化合物とカーボン素材の複合体の製造工程の一例を図1に示す。図1に示すように、以下の工程を備える。
(1)マンガン化合物の材料源とカーボン素材とが溶解する溶液のpHの調整を行うpH調整工程。
(2)マンガン化合物とカーボン素材との材料源とを複合処理し、マンガン化合物とカーボン素材との複合体を生成する複合化工程。
(3) 複合化工程により得られた複合体に対して加熱処理を行う加熱工程。
(2) Manufacturing method An example of the manufacturing process of the composite of a manganese compound and a carbon raw material is shown in FIG. As shown in FIG. 1, the following steps are provided.
(1) A pH adjusting step for adjusting the pH of a solution in which the material source of the manganese compound and the carbon material are dissolved.
(2) A compounding process in which a manganese compound and a carbon material are compounded to produce a complex of the manganese compound and the carbon material.
(3) A heating process in which heat treatment is performed on the composite obtained by the composite process.
本発明に係るマンガン化合物とカーボン素材の複合体は、複合体を生成する前に、マンガン化合物の材料源とカーボン素材とが溶解する溶液のpHの調整を行う。その後、マンガン化合物の材料源とカーボン素材との複合化処理を行う。さらには、複合体の凝集を防止し、複合体を利用した電極の性能を向上させるために、複合体に対して加熱処理を施しても良い。 The complex of the manganese compound and the carbon material according to the present invention adjusts the pH of the solution in which the material source of the manganese compound and the carbon material are dissolved before the complex is formed. Thereafter, a composite treatment of the material source of the manganese compound and the carbon material is performed. Furthermore, in order to prevent aggregation of the composite and improve the performance of the electrode using the composite, the composite may be subjected to heat treatment.
(1)pH調整工程
pH調整工程では、マンガン化合物の材料源とカーボン素材とが溶解する溶液のpHを調整する。pH調整は、以下の方法により調整を行う。
(a)溶液に溶解させるマンガン化合物の材料源の量を調整する。
(b)マンガン化合物の材料源を溶解した溶液に対して、NaOH、KOH、LiOHを添加する。
(1) pH adjustment step In the pH adjustment step, the pH of the solution in which the material source of the manganese compound and the carbon material are dissolved is adjusted. The pH is adjusted by the following method.
(a) The amount of the material source of the manganese compound dissolved in the solution is adjusted.
(b) NaOH, KOH, and LiOH are added to the solution in which the material source of the manganese compound is dissolved.
(a)の場合は、複合化処理した際にマンガン化合物の不純物が生成しないように溶液に溶解するマンガン化合物の材料源の量を調整する。生成するマンガン化合物がα−MnO2の場合、溶液のpHをpH3〜5とする。調整するpHの範囲がこの範囲外であるときには、α−MnO2以外のマンガン化合物が生成されることとなり、純度の高いα−MnO2が生成されなくなる。 In the case of (a), the amount of the material source of the manganese compound dissolved in the solution is adjusted so that impurities of the manganese compound are not generated during the composite treatment. When the produced manganese compound is α-MnO 2 , the pH of the solution is adjusted to pH 3-5. When the range of pH adjusting is outside this range, α-MnO 2 except manganese compound becomes to be produced, α-MnO 2 of high purity can not be generated.
溶液のpHをpH3〜5にするには、溶液に溶解するマンガンの価数が2≦x<4のマンガン化合物と、マンガンの価数が4<x≦7のマンガン化合物との比率を調整することで行うことができる。一例としては、マンガンの価数が2≦x<4のマンガン化合物としてMn(OOCCH3)2・4H2Oを、マンガンの価数が4<x≦7のマンガン化合物としてKMnO4を使用する場合、その比率をmolレートで3:2とする。 In order to adjust the pH of the solution to pH 3 to 5, the ratio of the manganese compound having a valence of 2 ≦ x <4 dissolved in the solution and the manganese compound having a valence of manganese of 4 <x ≦ 7 is adjusted. Can be done. As an example, Mn (OOCCH 3 ) 2 · 4H 2 O is used as a manganese compound with a valence of manganese of 2 ≦ x <4, and KMnO 4 is used as a manganese compound with a valence of manganese of 4 <x ≦ 7. The ratio is 3: 2 at the mol rate.
(b)の場合は、マンガン化合物の材料源を溶解した溶液に対して、NaOH、KOH、LiOHを添加することとでpHの調整を行う。生成するマンガン化合物がバーネサイトの場合、溶液のpHをpH11.5〜14とする。調整するpHの範囲がこの範囲外であるときには、バーネサイト以外のマンガン化合物が生成されることとなり、純度の高いα−MnO2が生成されなくなる。 In the case of (b), the pH is adjusted by adding NaOH, KOH, and LiOH to the solution in which the material source of the manganese compound is dissolved. When the produced manganese compound is birnessite, the pH of the solution is adjusted to pH 11.5-14. When the pH range to be adjusted is outside this range, manganese compounds other than banesite are produced, and α-MnO 2 with high purity is not produced.
バーネサイトを生成する溶液のpHをpH11.5〜14にするには、マンガンの価数が2≦x<4のマンガン化合物を溶解させた溶液や、その溶液にカーボンを混合した溶液のpHの調整することで、複合化処理を行う溶液のpHを目的のpHにしても良い。また、マンガンの価数が4<x≦7のマンガン化合物を溶解させた溶液や、その溶液にカーボンを混合した溶液のpHの調整することで、複合化処理を行う溶液のpHを目的のpHにしても良い。 In order to adjust the pH of the solution for generating banesite to pH 11.5 to 14, adjustment of pH of a solution in which a manganese compound having a valence of manganese of 2 ≦ x <4 is dissolved or a solution in which carbon is mixed with the solution By doing so, the pH of the solution for performing the complexing treatment may be set to the target pH. Further, by adjusting the pH of a solution in which a manganese compound having a valence of manganese of 4 <x ≦ 7 or a solution obtained by mixing carbon in the solution is adjusted, the pH of the solution for performing the complexing treatment is adjusted to the target pH. Anyway.
(2)複合化工程
複合化工程では、マンガン化合物の材料源とカーボン素材とを混合し、カーボン素材をナノ粒子化しつつ、カーボン素材上でマンガン化合物の生成を行う。
(2) Compounding step In the compounding step, the manganese compound material source and the carbon material are mixed, and the manganese compound is generated on the carbon material while making the carbon material into nanoparticles.
マンガン化合物の材料源とカーボン素材とを溶媒に混ぜた混合液を調製する。溶媒は、IPA(イソプロピルアルコール)等のアルコール類や水を用いる。この混合液に対して超遠心力処理(Ultra−Centrifugal force processing method:以下、UC処理という)する。 A mixed solution is prepared by mixing a material source of a manganese compound and a carbon material in a solvent. As the solvent, alcohol such as IPA (isopropyl alcohol) or water is used. This mixed solution is subjected to ultracentrifugal force processing (hereinafter referred to as UC treatment).
UC処理することにより、カーボン素材はナノ粒子化する。また、pH調整を行ったマンガンの価数が2≦x<4のマンガン化合物の材料源と、マンガンの価数が4<x≦7のマンガン化合物の材料源とに対してUC処理することにより、ナノ粒子化したカーボン上にマンガンの価数が4価のマンガン化合物を生成する。 By the UC treatment, the carbon material is converted into nanoparticles. In addition, by performing UC treatment on a manganese compound material source having a manganese valence of 2 ≦ x <4 and a manganese compound material source having a manganese valence of 4 <x ≦ 7. Then, a manganese compound having a valence of manganese of 4 is formed on the nanoparticulated carbon.
ここで、UC処理は、カーボン素材上に生成するマンガン化合物の材料源に対してずり応力と遠心力を付与する。例えば、図2に示す反応容器を用いて行うことができる。 Here, the UC treatment applies shear stress and centrifugal force to the material source of the manganese compound generated on the carbon material. For example, it can be carried out using the reaction vessel shown in FIG.
図2に示すように、反応容器は、開口部にせき板1−2を有する外筒1と、貫通孔2−1を有し旋回する内筒2からなる。この反応器の内筒2内部に反応物を投入し、内筒2を旋回することによってその遠心力で内筒2内部の反応物が内筒の貫通孔2−1を通って外筒の内壁1−3側に移動する。この時反応物は内筒2の遠心力によって外筒の内壁1−3に衝突し、薄膜状となって内壁1−3の上部へずり上がる。この状態では反応物には内壁1−3との間のずり応力と内筒からの遠心力の双方が同時に加わり、薄膜状の反応物に大きな機械的エネルギーが加わることになる。この機械的なエネルギーは反応に必要な化学エネルギー、いわゆる活性化エネルギーに転化するものと思われるが、短時間で反応が進行する。 As shown in FIG. 2, the reaction vessel includes an outer cylinder 1 having a cough plate 1-2 at an opening, and an inner cylinder 2 having a through hole 2-1 and turning. By putting the reactant into the inner cylinder 2 of this reactor and turning the inner cylinder 2, the reactant inside the inner cylinder 2 passes through the through-hole 2-1 of the inner cylinder by the centrifugal force, and the inner wall of the outer cylinder Move to the 1-3 side. At this time, the reaction product collides with the inner wall 1-3 of the outer cylinder by the centrifugal force of the inner cylinder 2, and forms a thin film and slides up to the upper part of the inner wall 1-3. In this state, both the shear stress between the inner wall 1-3 and the centrifugal force from the inner cylinder are simultaneously applied to the reactant, and a large mechanical energy is applied to the thin-film reactant. This mechanical energy seems to be converted into chemical energy required for the reaction, so-called activation energy, but the reaction proceeds in a short time.
この反応において、反応物が薄膜状であると反応物に加えられる機械的エネルギーは大きなものとなるため、薄膜の厚みは5mm以下、好ましくは2.5mm以下、さらに好ましくは1.0mm以下とする。なお、薄膜の厚みはせき板の幅、反応液の量によって設定することができる。例えば、この薄膜を生成するために必要な遠心力は1500n(kgms−2)以上、好ましくは60000n(kgms−2)以上、さらに好ましくは270000n(kgms−2)以上である。 In this reaction, if the reactant is a thin film, the mechanical energy applied to the reactant is large, so the thickness of the thin film is 5 mm or less, preferably 2.5 mm or less, more preferably 1.0 mm or less. . The thickness of the thin film can be set according to the width of the dam plate and the amount of the reaction solution. For example, the centrifugal force required to produce this thin film is 1500 n (kgms −2 ) or more, preferably 60000 n (kgms −2 ) or more, more preferably 270000 n (kgms −2 ) or more.
(3)加熱工程
加熱工程では、複合化工程により得られた複合体の加熱を行う。本実施形態では、複合化工程を経た複合体に対して加熱を行うことにより、マンガン化合物の凝集を防止することができる。すなわち、UC処理によって得られた複合体の加熱工程において、真空中において、100℃〜200℃の温度の範囲で加熱を行う。この範囲内で加熱を行うことにより、マンガン化合物の凝集を防止することができる。加熱処理時の温度が100℃以下であると、アモルファス(非晶質)のマンガン酸化物が形成され凝集が起こりやすくなり、また、加熱処理時の温度が200℃を超えると、粒子の凝集が進行する。
(3) Heating step In the heating step, the composite obtained in the compounding step is heated. In the present embodiment, aggregation of the manganese compound can be prevented by heating the composite that has undergone the composite process. That is, in the heating process of the composite obtained by the UC treatment, heating is performed in a temperature range of 100 ° C. to 200 ° C. in a vacuum. By heating within this range, aggregation of the manganese compound can be prevented. When the temperature during the heat treatment is 100 ° C. or less, amorphous manganese oxide is formed and aggregation easily occurs. When the temperature during the heat treatment exceeds 200 ° C., the particles are aggregated. proceed.
また、複合化工程により、トンネル構造を有するマンガン化合物とカーボン素材との複合体を得た場合、この複合体を真空中で加熱することによって、マンガン化合物のトンネル構造化を促進させ、この複合体を使用した電極や電気化学素子の容量、出力特性を向上させる。この場合の加熱も真空中で行われ、温度範囲は、100℃〜200℃の温度が好適である。加熱処理時の温度が100℃以下であると、アモルファス(非晶質)のマンガン酸化物が形成され、トンネル構造のマンガン酸化物は生成されない。また、加熱処理時の温度が200℃を超えると、粒子の凝集が進行し、トンネル構造の径が大きくなったり、トンネル構造が崩壊し、充放電容量が低下する。 In addition, when a composite of a manganese compound having a tunnel structure and a carbon material is obtained by the composite process, the composite is promoted to form a tunnel structure of the manganese compound by heating the composite in vacuum. Improve the capacity and output characteristics of electrodes and electrochemical devices using The heating in this case is also performed in a vacuum, and a temperature range of 100 ° C. to 200 ° C. is suitable. When the temperature during the heat treatment is 100 ° C. or lower, amorphous manganese oxide is formed, and tunnel structure manganese oxide is not generated. Moreover, when the temperature at the time of heat treatment exceeds 200 ° C., the aggregation of particles proceeds, the diameter of the tunnel structure increases, the tunnel structure collapses, and the charge / discharge capacity decreases.
(3)製造物の特徴
この製造方法により作成されたマンガン化合物は、4価のマンガン化合物である。この4価のマンガン化合物としては、α−MnO2、RyMnO2・xH2O(バーネサイト)などが挙げられる。
(3) Features of the product The manganese compound produced by this production method is a tetravalent manganese compound. Examples of the tetravalent manganese compound include α-MnO 2 , RyMnO 2 .xH 2 O (Burnesite), and the like.
図3は、α−MnO2の構造を表す模式図である。α−MnO2は、4価のマンガン化合物であり、図3に示すように、2×2のトンネル構造を有するマンガン化合物である。α−MnO2の理論容量は、1333mAhg−1である。2×2のトンネル構造を有する構造体でもあるため、イオン篩としての利用も可能である。本実施形態で生成されるα−MnO2は数百nmの針状結晶である。 FIG. 3 is a schematic diagram showing the structure of α-MnO 2 . α-MnO 2 is a tetravalent manganese compound, and is a manganese compound having a 2 × 2 tunnel structure as shown in FIG. The theoretical capacity of α-MnO 2 is 1333 mAhg −1 . Since it is also a structure having a 2 × 2 tunnel structure, it can be used as an ion sieve. Α-MnO 2 produced in the present embodiment is a needle-like crystal having a few hundred nm.
図4は、バーネサイトの構造を表す模式図である。バーネサイト、4価のマンガン化合物であり、図4に示すように、2×∞の構造を有するマンガン化合物である。本実施形態で生成される、バーネサイトは数百nmの針状結晶である。 FIG. 4 is a schematic diagram showing the structure of banesite. Banesite is a tetravalent manganese compound, and as shown in FIG. 4, it is a manganese compound having a 2 × ∞ structure. The birnessite produced in this embodiment is a needle-like crystal of several hundred nm.
この4価のマンガン化合物とカーボン素材の複合体を用いた電極では、1サイクル目の放電により、電極の周りの電解液がポリマーとなりポリマー層を形成し、安定化する。ポリマー層は、充電と放電の2サイクル目以降では、1サイクル目で安定化したポリマー層を保ちつつレドックス反応をおこす。このポリマー層は、充放電の際に一部が可逆反応を起こすが、全体的には安定化している。すなわち、ポリマー層は、充放電のサイクルを経て安定化した後は、成長が抑制され、一定の形状を保つ。 In the electrode using the composite of the tetravalent manganese compound and the carbon material, the electrolyte solution around the electrode becomes a polymer and is stabilized by the discharge in the first cycle to form a polymer layer. In the second and subsequent cycles of charge and discharge, the polymer layer causes a redox reaction while maintaining the polymer layer stabilized in the first cycle. A part of this polymer layer undergoes a reversible reaction during charge / discharge, but is generally stabilized. That is, after the polymer layer is stabilized through a charge / discharge cycle, the growth is suppressed and a certain shape is maintained.
(4)作用
この製造方法により生じる本願発明に主に寄与する現象は以下のように考えられる。
本願発明では、マンガン化合物の材料源の1つのpHの調整を行うことにより、純度の高いマンガン化合物をナノ化したカーボン上に生成することができる。従来では、マンガン化合物の材料源のpHの調整を行わなかったために、様々な組成のMnOxが生成されていた。MnOxは、組成ごとに容量発現に寄与しているかが不明である。
(4) Action The phenomenon mainly contributing to the invention of the present application generated by this manufacturing method is considered as follows.
In the present invention, by adjusting the pH of one of the material sources of the manganese compound, a highly pure manganese compound can be produced on the nanonized carbon. Conventionally, since the pH of the material source of the manganese compound was not adjusted, MnOx having various compositions was generated. It is unclear whether MnOx contributes to capacity development for each composition.
従って、マンガン化合物の材料源の1つのpHの調整を行うことにより、高入出力化及び高容量化を図ることができる組成のMnOxを高純度で生成することができる。この組成のマンガン化合物とカーボン素材とを複合化することで、この複合体を二次電池用電極材料として用いた電池やコンデンサは、その高入出力化及び高容量化が達成されることとなる。 Therefore, by adjusting the pH of one of the material sources of the manganese compound, MnOx having a composition that can achieve high input / output and high capacity can be generated with high purity. By compounding a manganese compound of this composition and a carbon material, a battery or a capacitor using the composite as an electrode material for a secondary battery can achieve higher input / output and higher capacity. .
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples.
[1.第1の特性比較]
実施例1では、図5に示すようにマンガンの価数が2≦x<4のマンガン化合物として、酢酸マンガン4水和物(Mn(OOCCH3)2・4H2O)を使用し、このマンガン化合物が溶解する溶液のpHを調整した。また、マンガンの価数が4<x≦7のマンガン化合物として、過マンガン酸カリウム(KMnO4)とを使用した。
[1. First characteristic comparison]
In Example 1, manganese acetate tetrahydrate (Mn (OOCCH 3 ) 2 · 4H 2 O) was used as a manganese compound having a valence of manganese of 2 ≦ x <4 as shown in FIG. The pH of the solution in which the compound was dissolved was adjusted. Further, potassium permanganate (KMnO 4 ) was used as a manganese compound having a valence of manganese of 4 <x ≦ 7.
実施例1、比較例1の複合体は、次のようにして合成した。
(1) Mn(OOCCH3)2・4H2O1.268gに対して、蒸留水30mLを加えMn(OOCCH3)2・4H2O溶液を作成する。
(2) pHの調整を行ったMn(OOCCH3)2・4H2O水溶液に対して、KBを加え、混合する。
(3) 一方、KMnO40.5453gに対して、蒸留水30mLを加え、KMnO4溶液を作成する。
(4) 上記処理を施したMn(OOCCH3)2・4H2O水溶液に、KMnO4溶液を加え、5分間のUC処理を行う。
(5) さらに、洗浄・ろ過の後、130℃で真空乾燥を16時間行い、最終生成物であるマンガン化合物とKBの複合体を合成した。
The composites of Example 1 and Comparative Example 1 were synthesized as follows.
(1) Mn (OOCCH 3) with respect to 2 · 4H 2 O1.268g, distilled water 30mL added Mn (OOCCH 3) to create a 2 · 4H 2 O solution.
(2) Add KB to the Mn (OOCCH 3 ) 2 · 4H 2 O aqueous solution whose pH has been adjusted and mix.
(3) On the other hand, with respect to KMnO 4 0.5453g, distilled water 30mL was added, creating a KMnO 4 solution.
(4) The KMnO 4 solution is added to the Mn (OOCCH 3 ) 2 · 4H 2 O aqueous solution that has been subjected to the above treatment, and the UC treatment is performed for 5 minutes.
(5) Further, after washing and filtration, vacuum drying was performed at 130 ° C. for 16 hours to synthesize a complex of manganese compound and KB as the final product.
各実施例では、Mn(OOCCH3)2・4H2OとKMnO4との比率を次のように調整した。
実施例1では、UC処理を行う溶液に溶解するMn(OOCCH3)2・4H2OとKMnO4との比率をmolレートで3:2とし、水溶液のpHを4に調整する。
比較例1では、UC処理を行う溶液に溶解するMn(OOCCH3)2・4H2OとKMnO4との比率をmolレートで3:2以外とし、水溶液のpHを3〜5以外に調整する。
In each example, the ratio of Mn (OOCCH 3 ) 2 .4H 2 O and KMnO 4 was adjusted as follows.
In Example 1, the ratio of Mn (OOCCH 3 ) 2 .4H 2 O and KMnO 4 dissolved in the solution to be subjected to UC treatment is adjusted to 3: 2 at a molar rate, and the pH of the aqueous solution is adjusted to 4.
In Comparative Example 1, the ratio of Mn (OOCCH 3 ) 2 .4H 2 O and KMnO 4 dissolved in the UC treatment solution is adjusted to a molar rate other than 3: 2, and the pH of the aqueous solution is adjusted to other than 3-5. .
実施例1及び比較例1では、マンガン化合物の材料源とカーボン素材の重量比率は、60:40とする。 In Example 1 and Comparative Example 1, the weight ratio between the material source of the manganese compound and the carbon material is 60:40.
この実施例1及び比較例1の複合体に対して、TG−DTA(示差熱‐熱重量同時測定)、XRD(X線粉末回折法)による結晶構造の解析、TEM(透過型電子顕微鏡)による結晶系の同定および形態観察及び複合体の放電サイクル特性比較をおこなった。 The composite of Example 1 and Comparative Example 1 was analyzed by TG-DTA (differential thermo-thermogravimetric measurement), crystal structure analysis by XRD (X-ray powder diffraction method), and TEM (transmission electron microscope). The crystal system was identified and observed, and the discharge cycle characteristics of the composite were compared.
[TG−DTAによる熱分析、カーボン比率の算出]
図6は、真空において130℃で加熱した実施例1の複合体に対するTG−DTA(示差熱‐熱重量同時測定による熱特性及びカーボン比率を表した図である。
[Thermal analysis by TG-DTA, calculation of carbon ratio]
FIG. 6 is a diagram showing TG-DTA (thermal characteristics and carbon ratio by simultaneous differential thermal-thermogravimetric measurement) for the composite of Example 1 heated at 130 ° C. in vacuum.
DTA(示差熱分析)の結果によると、実施例1の複合体のTG(熱重量同時測定)によるカーボン比率は、マンガン化合物:KBが59:41であることがわかる。マンガン化合物:KBが3:2となるマンガン化合物はα−MnO2であるため、複合化処理を行う溶液のmolレートを3:2としpHを4とすることで、α−MnO2以外のマンガン化合物が生成していなことがわかる。この結果は、複合化処理を行う溶液のmolレートを調整したpHを3〜5とした場合にでも同様の結果が得られる。 According to the result of DTA (differential thermal analysis), the carbon ratio by TG (simultaneous thermogravimetric measurement) of the composite of Example 1 shows that manganese compound: KB is 59:41. Manganese compound: Since the manganese compound with KB of 3: 2 is α-MnO 2 , manganese other than α-MnO 2 can be obtained by setting the molar rate of the solution for the complexing treatment to 3: 2 and the pH to 4. It can be seen that no compound was formed. This result is the same as that obtained when the pH adjusted for the mol rate of the solution to be subjected to the complexing treatment is 3-5.
[TEMによる結晶系の同定および形態観察]
図7,8は、実施例1の複合体の結晶構造のTEM像である。複合体の結晶構造は、TEM(透過型電子顕微鏡)を使用することにより観察した。図7からは、数百nmの不純物が含まれない針状結晶が生成されていることがわかる。また、図8からは、針状結晶は、トンネル構造を有するものであり、α−MnO2であることが観察される。すなわち、複合化処理を行う溶液のmolレートを3:2とし、pHを4とすることで、単一のα−MnO2の結晶構造を有する複合体を生成することがわかる。この結果は、複合化処理を行う溶液のmolレートを調整したpHを3〜5とした場合にでも同様の結果が得られる。
[Identification and morphology observation of crystal system by TEM]
7 and 8 are TEM images of the crystal structure of the composite of Example 1. FIG. The crystal structure of the composite was observed by using a TEM (transmission electron microscope). From FIG. 7, it can be seen that needle-like crystals not containing impurities of several hundred nm are generated. Moreover, it can be observed from FIG. 8 that the acicular crystal has a tunnel structure and is α-MnO 2 . That is, it can be seen that a complex having a single α-MnO 2 crystal structure is generated by setting the mol rate of the solution for the complexing treatment to 3: 2 and the pH to 4. This result is the same as that obtained when the pH adjusted for the mol rate of the solution to be subjected to the complexing treatment is 3-5.
[XRDによる結晶構造解析]
図9は、実施例1の複合体に対して行ったXRD(X線粉末回折法)による結晶構造解析の結果を表した図である。
[Crystal structure analysis by XRD]
FIG. 9 is a diagram showing the results of crystal structure analysis by XRD (X-ray powder diffraction method) performed on the composite of Example 1.
図9では、実施例1の複合体の結晶構造として、マンガン化合物としてα−MnO2のみが生成していることがわかる。マンガン化合物の材料源の1つを含む溶液のpHを一定の値に調整することによって、単一のマンガン化合物の結晶構造を有する複合体を生成することがわかる。特に、複合化処理を行う溶液のmolレートを3:2とし、pHを4とすることで、α−MnO2が単独で生成することがわかる。この結果は、複合化処理を行う溶液のmolレートを調整したpHを3〜5とした場合にでも同様の結果が得られる。なお、比較例1のXRD解析結果では、バーネサイトなどの不純物が検出され、α−MnO2が単独で生成されないことがわかる。 FIG. 9 shows that only α-MnO 2 is produced as the manganese compound as the crystal structure of the composite of Example 1. It can be seen that by adjusting the pH of the solution containing one of the material sources of the manganese compound to a certain value, a composite having a single manganese compound crystal structure is formed. In particular, it can be seen that α-MnO 2 is produced alone by setting the molar rate of the solution for the complexing treatment to 3: 2 and the pH to 4. This result is the same as that obtained when the pH adjusted for the mol rate of the solution to be subjected to the complexing treatment is 3-5. In the XRD analysis result of Comparative Example 1, it can be seen that impurities such as banesite are detected and α-MnO 2 is not produced alone.
[充電サイクル特性]
図10は、複合体の放電サイクル特性を表した図である。図10では、実施例1の複合体をバインダーとしてのポリフッ化ビニリデンPVDFと共に(MnO2/KB:PVDF=80:20)、SUS板上に溶接されたSUSメッシュ中に投入し、作用電極W.E.とした。前記電極上にセパレータと対極C.E.及び参照極としてLiフォイルを乗せ、電解液として、1.0M 六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)/炭酸エチレン(EC):炭酸ジメチル(DEC)(1:1 w/w)を浸透させて、セルとした。この状態で、作用電流200mAg−1,作用電圧0.0−2.5Vとして、その充放電特性を調べた。
[Charging cycle characteristics]
FIG. 10 is a diagram showing the discharge cycle characteristics of the composite. In FIG. 10, the composite of Example 1 is put together with polyvinylidene fluoride PVDF as a binder (MnO2 / KB: PVDF = 80: 20) into a SUS mesh welded on a SUS plate, and the working electrode W.V. E. It was. A separator and a counter electrode on the electrode C.I. E. Lithium foil is placed as a reference electrode, and 1.0M lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) / ethylene carbonate (EC): dimethyl carbonate (DEC) (1: 1 w / w) is infiltrated as an electrolyte. And cell. In this state, the charge / discharge characteristics were examined with an operating current of 200 mAg −1 and an operating voltage of 0.0-2.5 V.
図10からは、実施例1の複合体を使用したセルでは、100サイクルを超えても安定的に容量を発現していることがわかる。すなわち、マンガン化合物の材料源の1つを含む溶液のpHを調整することによって生成した、単一のマンガン化合物の結晶構造を有する複合体を用いた電極では、放電サイクルを経ても容量の減少が起きることのない特性を有している。 From FIG. 10, it can be seen that the cell using the composite of Example 1 stably developed the capacity even after exceeding 100 cycles. That is, in an electrode using a composite having a single manganese compound crystal structure produced by adjusting the pH of a solution containing one of the material sources of the manganese compound, the capacity decreases even after a discharge cycle. It has characteristics that never happen.
[効果]
以上より、実施例のようなマンガン化合物としてα−MnO2が生成している複合体を利用した電極では、高入出力化及び高容量化を図ることができる。また、このような電極は、放電サイクルを経ても容量の減少が起きることのない特性を有している。つまり、その高入出力化及び高容量化が達成されることとなる。
[effect]
As described above, in the electrode using the composite in which α-MnO 2 is generated as the manganese compound as in the example, high input / output and high capacity can be achieved. Further, such an electrode has a characteristic that the capacity does not decrease even after the discharge cycle. That is, higher input / output and higher capacity are achieved.
[2.第2の特性比較]
実施例4〜6では、図11に示すようにマンガンの価数が2≦x<4のマンガン化合物として、酢酸マンガン4水和物(Mn(OOCCH3)2・4H2O)を使用し、このマンガン化合物が溶解する溶液のpHを調整した。また、マンガンの価数が4<x≦7のマンガン化合物として、過マンガン酸カリウム(KMnO4)とを使用した。
[2. Second characteristic comparison]
In Examples 4 to 6, as shown in FIG. 11, manganese acetate tetrahydrate (Mn (OOCCH 3 ) 2 .4H 2 O) was used as the manganese compound having a valence of manganese of 2 ≦ x <4. The pH of the solution in which the manganese compound was dissolved was adjusted. Further, potassium permanganate (KMnO 4 ) was used as a manganese compound having a valence of manganese of 4 <x ≦ 7.
実施例2、比較例2の複合体は、次のようにして合成した。
(1) Mn(OOCCH3)2・4H2O1.268gに対して、蒸留水30mLを加えMn(OOCCH3)2・4H2O溶液を作成する。
(2) Mn(OOCCH3)2・4H2O溶液に対して、KOHを加えて、水溶液のpHを調整する。
(3) pHの調整を行ったMn(OOCCH3)2・4H2O水溶液に対して、KBを加え、混合する。
(4) 一方、KMnO40.5453gに対して、蒸留水30mLを加え、KMnO4溶液を作成する。
(5) 上記処理を施したMn(OOCCH3)2・4H2O水溶液に、KMnO4溶液を加え、5分間のUC処理を行う。
(6) さらに、洗浄・ろ過の後、130℃で真空乾燥を16時間行い、最終生成物であるマンガン化合物とKBの複合体を合成した。
The composites of Example 2 and Comparative Example 2 were synthesized as follows.
(1) Mn (OOCCH 3) with respect to 2 · 4H 2 O1.268g, distilled water 30mL added Mn (OOCCH 3) to create a 2 · 4H 2 O solution.
(2) Adjust the pH of the aqueous solution by adding KOH to the Mn (OOCCH 3 ) 2 · 4H 2 O solution.
(3) Add KB to the Mn (OOCCH 3 ) 2 · 4H 2 O aqueous solution whose pH has been adjusted and mix.
(4) On the other hand, with respect to KMnO 4 0.5453G, distilled water 30mL was added, creating a KMnO 4 solution.
(5) The KMnO 4 solution is added to the Mn (OOCCH 3 ) 2 · 4H 2 O aqueous solution that has been subjected to the above treatment, and the UC treatment is performed for 5 minutes.
(6) Further, after washing and filtration, vacuum drying was performed at 130 ° C. for 16 hours to synthesize a complex of manganese compound and KB as the final product.
各実施例では、(2)において、次のように調整した。
実施例2では、Mn(OOCCH3)2・4H2O溶液に対して、1MのKOHを11ml加えて、水溶液のpHを12に調整する。
比較例2では、Mn(OOCCH3)2・4H2O溶液に対して、1MのKOHを4ml加えて、水溶液のpHを8.5に調整する。
In each example, the following adjustment was made in (2).
In Example 2, 11 ml of 1M KOH is added to the Mn (OOCCH 3 ) 2 .4H 2 O solution to adjust the pH of the aqueous solution to 12.
In Comparative Example 2, 4 ml of 1M KOH is added to the Mn (OOCCH 3 ) 2 .4H 2 O solution to adjust the pH of the aqueous solution to 8.5.
実施例2及び比較例2では、Mn(OOCCH3)2・4H2OとKMnO4との比率をmolレートで3:2とした。また、マンガン化合物の材料源とカーボン素材の重量比率は、60:40とする。 In Example 2 and Comparative Example 2, the ratio of Mn (OOCCH 3 ) 2 .4H 2 O and KMnO 4 was set to 3: 2 at the mol rate. The weight ratio of the material source of the manganese compound and the carbon material is 60:40.
この実施例2及び比較例2の複合体に対して、TEM(透過型電子顕微鏡)による結晶系の同定、XRD(X線粉末回折法)による結晶構造の解析、及び複合体の放電サイクル特性比較をおこなった。 For the composite of Example 2 and Comparative Example 2, identification of the crystal system by TEM (transmission electron microscope), analysis of the crystal structure by XRD (X-ray powder diffraction method), and comparison of discharge cycle characteristics of the composite I did it.
[TEMによる結晶系の同定および形態観察]
図12,13は、実施例2の複合体の結晶構造のTEM像である。複合体の結晶構造は、TEM(透過型電子顕微鏡)を使用することにより観察した。図12からは、数百nmの不純物が含まれないロッド状結晶が生成されていることがわかる。また、図13からは、ロッド状結晶は2×∞のロッド構造を有するバーネサイトであることが観察される。すなわち、マンガン化合物の材料源の1つを含む溶液のpHを一定の値に調整することによって、単一のマンガン化合物の結晶構造を有する複合体を生成することがわかる。すなわち、複合化処理を行う溶液のpHを12とすることで、単一のバーネサイトの結晶構造を有する複合体を生成することがわかる。この結果は、複合化処理を行う複合化処理を行う溶液のpHを11.5〜14とした場合にでも同様の結果が得られる。
[Identification and morphology observation of crystal system by TEM]
12 and 13 are TEM images of the crystal structure of the composite of Example 2. FIG. The crystal structure of the composite was observed by using a TEM (transmission electron microscope). From FIG. 12, it can be seen that a rod-like crystal containing no impurities of several hundred nm is generated. Further, from FIG. 13, it is observed that the rod-like crystals are barnesites having a 2 × ∞ rod structure. That is, it can be seen that by adjusting the pH of the solution containing one of the material sources of the manganese compound to a certain value, a complex having a single manganese compound crystal structure is generated. That is, it turns out that the composite_body | complex which has the crystal structure of a single birnessite is produced | generated by setting the pH of the solution which performs a composite process to 12. This result can be obtained even when the pH of the solution for performing the complexing process is 11.5 to 14.
[XRDによる結晶構造解析]
図14は、実施例2及び比較例2の複合体に対して行ったXRD(X線粉末回折法)による結晶構造解析の結果を表した図である。
[Crystal structure analysis by XRD]
FIG. 14 is a diagram showing the results of crystal structure analysis by XRD (X-ray powder diffraction method) performed on the composites of Example 2 and Comparative Example 2.
図14では、pHが12の実施例2の複合体の結晶構造として、マンガン化合物としてバーネサイトのみが生成していることがわかる。一方、pHが8.5の比較例2の複合体の結晶構造としては、バーネサイトは生成されず、α−MnO2や他のマンガン化合物が生成していることがわかる。すなわち、複合化処理を行う溶液のpHを12とすることで、単一のバーネサイトの結晶構造を有する複合体を生成することがわかる。この結果は、複合化処理を行う複合化処理を行う溶液のpHを11.5〜14とした場合にでも同様の結果が得られる。 In FIG. 14, it can be seen that, as the crystal structure of the complex of Example 2 having a pH of 12, only banesite is generated as the manganese compound. On the other hand, as for the crystal structure of the composite of Comparative Example 2 having a pH of 8.5, it can be seen that banesite is not generated and α-MnO 2 and other manganese compounds are generated. That is, it turns out that the composite_body | complex which has the crystal structure of a single birnessite is produced | generated by setting the pH of the solution which performs a composite process to 12. This result can be obtained even when the pH of the solution for performing the complexing process is 11.5 to 14.
[充電サイクル特性]
図15は、複合体の放電サイクル特性を表した図である。図15では、実施例2の複合体をバインダーとしてのポリフッ化ビニリデンPVDFと共に(MnO2/KB:PVDF=80:20)、SUS板上に溶接されたSUSメッシュ中に投入し、作用電極W.E.とした。前記電極上にセパレータと対極C.E.及び参照極としてLiフォイルを乗せ、電解液として、1.0M 六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)/炭酸エチレン(EC):炭酸ジメチル(DEC)(1:1 w/w)を浸透させて、セルとした。この状態で、作用電流200mAg−1,作用電圧0.0−2.5Vとして、その充放電特性を調べた。
[Charging cycle characteristics]
FIG. 15 is a diagram showing the discharge cycle characteristics of the composite. In FIG. 15, the composite of Example 2 was put together with polyvinylidene fluoride PVDF as a binder (MnO 2 / KB: PVDF = 80: 20) into a SUS mesh welded on a SUS plate, and the working electrode W.V. E. It was. A separator and a counter electrode on the electrode C.I. E. Lithium foil is placed as a reference electrode, and 1.0M lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) / ethylene carbonate (EC): dimethyl carbonate (DEC) (1: 1 w / w) is infiltrated as an electrolyte. And cell. In this state, the charge / discharge characteristics were examined with an operating current of 200 mAg −1 and an operating voltage of 0.0-2.5 V.
図15からは、実施例2の複合体を使用したセルでは、100サイクルを超えても安定的に容量を発現していることが判る。すなわち、マンガン化合物の材料源の1つを含む溶液のpHを調整することによって生成した、単一のマンガン化合物の結晶構造を有する複合体を用いた電極では、放電サイクルを経ても容量の減少が起きることのない特性を有している。 From FIG. 15, it can be seen that the cell using the composite of Example 2 stably developed the capacity even after exceeding 100 cycles. That is, in an electrode using a composite having a single manganese compound crystal structure produced by adjusting the pH of a solution containing one of the material sources of the manganese compound, the capacity decreases even after a discharge cycle. It has characteristics that never happen.
[効果]
以上より、実施例のようなマンガン化合物としてバーネサイトが生成している複合体を利用した電極では、高入出力化及び高容量化を図ることができる。また、このような電極は、放電サイクルを経ても容量の減少が起きることのない特性を有している。つまり、その高入出力化及び高容量化が達成されることとなる。
[effect]
As described above, in an electrode using a composite in which banesite is generated as a manganese compound as in the examples, higher input / output and higher capacity can be achieved. Further, such an electrode has a characteristic that the capacity does not decrease even after the discharge cycle. That is, higher input / output and higher capacity are achieved.
1 … 外筒
1−2… せき板
1−3… 内壁
2 … 内筒
2−1… 貫通孔
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Outer cylinder 1-2 ... Baffle 1-3 ... Inner wall 2 ... Inner cylinder 2-1 ... Through-hole
Claims (9)
マンガン化合物の材料源とカーボン素材とが混合する溶液のpHの調整を行うpH調整工程と、
マンガン化合物の材料源とカーボン素材とを複合化処理し、カーボンとマンガン化合物の複合体を生成する複合化工程と、
を有することを特徴とする複合体の製造方法。 A method for producing a composite comprising a manganese compound and a carbon material,
A pH adjusting step for adjusting the pH of the solution in which the material source of the manganese compound and the carbon material are mixed;
A compounding step of combining a material source of a manganese compound and a carbon material to generate a composite of carbon and a manganese compound;
The manufacturing method of the composite_body | complex characterized by having.
マンガン化合物の材料源とカーボン素材とが混合する溶液のpHの調整を行うpH調整工程と、
マンガン化合物の材料源とカーボン素材とを複合化処理し、カーボンとマンガン化合物の複合体を生成する複合化工程と、
を有することを特徴とする電極材料の製造方法。 A method for producing an electrode material comprising a composite of a manganese compound and a carbon material,
A pH adjusting step for adjusting the pH of the solution in which the material source of the manganese compound and the carbon material are mixed;
A compounding step of combining a material source of a manganese compound and a carbon material to generate a composite of carbon and a manganese compound;
A method for producing an electrode material comprising:
それぞれ、旋回する反応容器内で、カーボン素材と金属化合物の材料源とを含む溶液にずり応力と遠心力を加えてメカノケミカル反応させる処理であること、を特徴とする請求項2〜6のいずれか1項に記載の電極材料の製造方法。 The compounding process includes
7. A process of applying a shear stress and a centrifugal force to a solution containing a carbon material and a metal compound material source to cause a mechanochemical reaction, respectively, in a rotating reaction vessel. A method for producing the electrode material according to claim 1.
前記複合化したマンガン化合物がα−MnO2またはバーネサイトであることを特徴とする複合体。 A composite of a manganese compound and a carbon material,
The complex characterized in that the complexed manganese compound is α-MnO 2 or birnessite.
前記複合化したマンガン化合物がα−MnO2またはバーネサイトであることを特徴とする電極材料。 An electrode material that combines a manganese compound and a carbon material,
An electrode material, wherein the complexed manganese compound is α-MnO 2 or birnessite.
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