JP2014146431A - Positive electrode material for electric power storage devices - Google Patents

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純一 池尻
Hideo Yamauchi
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a positive electrode material for electric power storage devices excellent in rapid charge and discharge performance.SOLUTION: A positive electrode material for electric power storage devices comprises: a positive electrode active material including crystallized glass having, as its main crystal, precipitates of olivine crystals expressed by the general formula, LiMFePO(0≤x<1; and M is at least one kind selected from a group consisting of Nb, Ti, V, Cr, Mn, Co and Ni); and a conductive assistant including conductive carbon black having a volume density of 140-300 kg/m.

Description

本発明は、携帯型電子機器や電気自動車等に用いられるリチウムイオン非水二次電池等の蓄電デバイス用正極材料(以下、単に「正極材料」という)に関する。   The present invention relates to a positive electrode material (hereinafter simply referred to as “positive electrode material”) for an electricity storage device such as a lithium ion non-aqueous secondary battery used for portable electronic devices, electric vehicles, and the like.

蓄電デバイス、なかでもリチウムイオン二次電池は、携帯電子端末や電気自動車等に不可欠な、高容量で軽量な電源としての地位を確立している。従来、リチウムイオン二次電池の正極活物質には、コバルト酸リチウム(LiCoO)やマンガン酸リチウム(LiMn)等の金属酸化物結晶が、導電助剤には、ナノサイズの導電性炭素等が用いられてきた。しかし、近年の電子機器の高性能化による消費電力の増大に伴い、リチウムイオン二次電池の更なる高容量化が要求されている。また、環境保全問題やエネルギー問題の観点から、CoやMn等の環境負荷の大きい正極活物質から、より環境調和型の正極活物質への転換が求められている。さらに、コバルト資源の枯渇問題が注目されており、価格も高騰する傾向にあることから、より安価な正極活物質への転換が望まれている。 Power storage devices, especially lithium ion secondary batteries, have established themselves as high-capacity and lightweight power supplies that are indispensable for portable electronic terminals and electric vehicles. Conventionally, a metal oxide crystal such as lithium cobaltate (LiCoO 2 ) or lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) has been used as a positive electrode active material of a lithium ion secondary battery, and a nano-sized conductive material has been used as a conductive assistant. Carbon and the like have been used. However, with the recent increase in power consumption due to higher performance of electronic devices, further increase in capacity of lithium ion secondary batteries is required. In addition, from the viewpoint of environmental conservation problems and energy problems, there is a demand for conversion from a positive electrode active material having a large environmental load such as Co or Mn to a more environmentally conscious positive electrode active material. Furthermore, since the problem of depletion of cobalt resources has attracted attention and the price tends to rise, it is desired to switch to a cheaper cathode active material.

近年、コストおよび資源等の面で有利なことから、鉄を含有するリチウム化合物の中で一般式LiMFe1−xPO(0≦x≦1、MはNb、Ti、V、Cr、Mn、CoおよびNiから選ばれる少なくとも1種)で表されるオリビン型結晶が正極活物質のひとつとして注目されており、種々の研究および開発が進められている(例えば、特許文献1参照)。LiMFe1−xPO結晶からなる正極活物質は、LiCoOやLiMn等の金属酸化物結晶からなる正極活物質に比べて温度安定性に優れ、高温での安全な動作が期待される。また、リン酸を骨格とする構造であるため、充放電反応による構造劣化への耐性に優れるという特徴を有する。 In recent years, since it is advantageous in terms of cost and resources, among the lithium compounds containing iron, the general formula LiM x Fe 1-x PO 4 (0 ≦ x ≦ 1, M is Nb, Ti, V, Cr, An olivine-type crystal represented by at least one selected from Mn, Co, and Ni has attracted attention as one of the positive electrode active materials, and various researches and developments have been advanced (for example, see Patent Document 1). The positive electrode active material made of LiM x Fe 1-x PO 4 crystal has excellent temperature stability and safe operation at high temperature compared to the positive electrode active material made of metal oxide crystal such as LiCoO 2 or LiMn 2 O 4. Be expected. Moreover, since it is a structure which has phosphoric acid as a skeleton, it has the characteristic that it is excellent in the tolerance to structural deterioration by charging / discharging reaction.

しかし、LiMFe1−xPO結晶からなる正極活物質は、LiCoOやLiMn等の金属酸化物結晶からなる正極活物質に比べて内部抵抗が非常に大きいため、充放電を行った際に抵抗分極が増大し、充分な放電容量が得られにくいという問題がある。 However, since the positive electrode active material made of LiM x Fe 1-x PO 4 crystal has much higher internal resistance than the positive electrode active material made of metal oxide crystal such as LiCoO 2 or LiMn 2 O 4 , When this is done, there is a problem that resistance polarization increases and it is difficult to obtain a sufficient discharge capacity.

このような問題を解決する方法として、LiMFe1−xPO結晶からなる正極活物質をナノサイズまで微粉化することにより、比表面積を大きくしてリチウムイオンの拡散を容易にするとともに、拡散距離を短くすることで内部抵抗を低減する方法が提案されている(例えば、非特許文献1参照)。 As a method of solving such a problem, by finely pulverizing a positive electrode active material made of LiM x Fe 1-x PO 4 crystal to nano size, the specific surface area is increased to facilitate the diffusion of lithium ions, A method for reducing the internal resistance by shortening the diffusion distance has been proposed (see, for example, Non-Patent Document 1).

特開平9−134725号公報JP-A-9-134725

Nature 458 (2009) p.190 − p.193Nature 458 (2009) p. 190-p. 193

しかし、正極活物質をナノサイズの微粉にすると、これを用いて得られる正極材料の電極密度が低下して、正極内部に生じる空隙が増大する。また、導電助剤にナノサイズで嵩密度が低い導電性炭素を使用すると、正極材料の電極密度がさらに低下して、正極内部に生じる空隙がさらに増大する。その結果、正極活物質と導電助剤との導電ネットワークの形成が困難になり、急速充放電性能が低下するという問題がある。さらに、正極材料の機械的強度が低下するため、正極材料が正極集電体から剥離しやすくなり、充放電性能が大きく低下する問題がある。   However, when the positive electrode active material is made into nano-sized fine powder, the electrode density of the positive electrode material obtained by using the fine powder decreases, and voids generated inside the positive electrode increase. In addition, when conductive carbon having nano-size and low bulk density is used as the conductive auxiliary agent, the electrode density of the positive electrode material is further reduced, and the voids generated inside the positive electrode are further increased. As a result, it is difficult to form a conductive network between the positive electrode active material and the conductive additive, and there is a problem that rapid charge / discharge performance is deteriorated. Furthermore, since the mechanical strength of the positive electrode material is reduced, the positive electrode material is easily peeled off from the positive electrode current collector, and there is a problem that the charge / discharge performance is greatly reduced.

したがって、本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、急速充放電性能に優れた蓄電デバイス用正極材料を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has been made in view of such a situation, and an object thereof is to provide a positive electrode material for an electricity storage device having excellent rapid charge / discharge performance.

本発明の蓄電デバイス用正極材料は、主結晶として一般式LiMFe1−xPO(0≦x<1、MはNb、Ti、V、Cr、Mn、Co、Niから選ばれる少なくとも1種類)で表されるオリビン型結晶を析出した結晶化ガラスを含有する正極活物質と、嵩密度が140kg/m以上である導電性カーボンブラックを含有する導電助剤を含むことを特徴とする。 The positive electrode material for an electricity storage device of the present invention has at least one selected from the general formula LiM x Fe 1-x PO 4 (0 ≦ x <1, M is Nb, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni as the main crystal. A positive electrode active material containing crystallized glass on which an olivine-type crystal represented by the type) is deposited, and a conductive assistant containing conductive carbon black having a bulk density of 140 kg / m 3 or more. .

前記導電性カーボンブラックは、BET比表面積が40〜200m/gであることが好ましい。 The conductive carbon black preferably has a BET specific surface area of 40 to 200 m 2 / g.

さらに、前記正極材料が、質量%で、正極活物質 85〜92%、導電助剤 1〜8%、結着剤 1〜10%を含有することが好ましい。   Furthermore, the positive electrode material preferably contains 85% to 92% of a positive electrode active material, 1% to 8% of a conductive additive, and 1% to 10% of a binder, in terms of mass%.

前記結晶化ガラスが、酸化物換算のモル%表示で、LiO 20〜50%、Fe 5〜40%およびP 20〜50%を含有することが好ましい。 The crystallized glass preferably contains Li 2 O 20 to 50%, Fe 2 O 3 5 to 40%, and P 2 O 5 20 to 50% in terms of mol% in terms of oxide.

前記結晶化ガラスが、さらに酸化物換算のモル%表示で、Nb+TiO+V+Cr+MnO+CoO+NiO+SiO+B+GeO+Al+Ga+Sb+Bi 0.1〜25%を含有することが好ましい。 The crystallized glass is further expressed in terms of mol% in terms of oxide, Nb 2 O 5 + TiO 2 + V 2 O 5 + Cr 2 O 3 + MnO 2 + CoO + NiO + SiO 2 + B 2 O 3 + GeO 2 + Al 2 O 3 + Ga 2 O 3 + Sb 2 O 3 + Bi 2 O 3 is preferably contained 0.1 to 25%.

前記正極活物質が、質量%で、0.2〜3%の炭素を含有することが好ましい。   The positive electrode active material preferably contains 0.2 to 3% of carbon by mass.

本発明によれば、急速充放電性能に優れた蓄電デバイス用正極材料を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the positive electrode material for electrical storage devices excellent in rapid charge / discharge performance can be provided.

本発明の蓄電デバイス用正極材料は、主結晶として一般式LiMFe1−xPO(0≦x<1、MはNb、Ti、V、Cr、Mn、Co、Niから選ばれる少なくとも1種類)で表されるオリビン型結晶を析出した結晶化ガラスを含有する正極活物質と、嵩密度が140kg/m以上である導電性カーボンブラックを含有する導電助剤を含む。 The positive electrode material for an electricity storage device of the present invention has at least one selected from the general formula LiM x Fe 1-x PO 4 (0 ≦ x <1, M is Nb, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni as the main crystal. A positive electrode active material containing crystallized glass on which an olivine-type crystal represented by (type) is deposited, and a conductive assistant containing conductive carbon black having a bulk density of 140 kg / m 3 or more.

本発明において、正極活物質として上述の結晶化ガラスを用いることにより、正極活物質粒子内のリチウムイオンの移動速度を高くすることができ、正極活物質の粒子径を大きくすることができる。具体的には、酸化物換算のモル%表示で、LiO 20〜50%、Fe 5〜40%およびP 20〜50%を含有することが好ましい。組成を上記のように限定した理由を以下に説明する。 In the present invention, by using the above-mentioned crystallized glass as the positive electrode active material, the movement speed of lithium ions in the positive electrode active material particles can be increased, and the particle diameter of the positive electrode active material can be increased. Specifically, it is preferable to contain Li 2 O 20 to 50%, Fe 2 O 3 5 to 40%, and P 2 O 5 20 to 50% in terms of mol% in terms of oxide. The reason for limiting the composition as described above will be described below.

LiOはLiMFe1−xPO結晶の主成分である。LiOの含有量は20〜50%であることが好ましく、25〜45%であることがより好ましい。LiOの含有量が少なすぎる、あるいは、多すぎると、LiMFe1−xPO結晶が析出しにくくなる。 Li 2 O is a main component of LiM x Fe 1-x PO 4 crystal. The content of Li 2 O is preferably 20 to 50%, more preferably 25 to 45%. If the content of Li 2 O is too small or too large, LiM x Fe 1-x PO 4 crystals are difficult to precipitate.

FeもLiMFe1−xPO結晶の主成分である。Feの含有量は5〜40%であることが好ましく、15〜35%であることがより好ましく、25〜35%であることがさらに好ましく、31.6〜34%であることが特に好ましい。Feの含有量が少なすぎると、LiMFe1−xPO結晶が析出しにくくなる。一方、Feの含有量が多すぎると、LiMFe1−xPO結晶が析出しにくくなるとともに、望まないFe結晶が析出しやすくなる。 Fe 2 O 3 is also a main component of LiM x Fe 1-x PO 4 crystal. The content of Fe 2 O 3 is preferably 5 to 40%, more preferably 15 to 35%, further preferably 25 to 35%, and more preferably 31.6 to 34%. Particularly preferred. When Fe 2 content of O 3 is too small, LiM x Fe 1-x PO 4 crystal is less likely to precipitate. On the other hand, when the content of Fe 2 O 3 is too large, with LiM x Fe 1-x PO 4 crystal is less likely to precipitate, Fe 2 O 3 crystals are likely to precipitate unwanted.

もLiMFe1−xPO結晶の主成分である。Pの含有量は20〜50%であることが好ましく、25〜45%であることがより好ましい。Pの含有量が少なすぎる、あるいは、多すぎると、LiMFe1−xPO結晶が析出しにくくなる。 P 2 O 5 is also a main component of LiM x Fe 1-x PO 4 crystal. The content of P 2 O 5 is preferably 20 to 50%, and more preferably 25 to 45%. When the content of P 2 O 5 is too small or too large, LiM x Fe 1-x PO 4 crystals are difficult to precipitate.

また上記成分以外に、LiMFe1−xPO結晶の成分として、例えばTiO、V、Cr、MnO、CoO、NiOを、さらにガラス形成能を向上させる成分として、例えばNb、SiO、B、GeO、Al、Ga、Sb、Biを含有してもよい。これらの成分は合量で、酸化物換算のモル%で、0.1〜25%であることが好ましく、0.3〜20%であることがより好ましい。上記成分の合量が少なすぎると、上記効果が得られにくく、多すぎると、LiMFe1−xPO結晶の析出量が低下しやすくなる。 In addition to the above components, for example, TiO 2 , V 2 O 5 , Cr 2 O 3 , MnO 2 , CoO, and NiO are used as components of the LiM x Fe 1-x PO 4 crystal as components that further improve the glass forming ability. , for example, Nb 2 O 5, SiO 2, B 2 O 3, GeO 2, Al 2 O 3, Ga 2 O 3, Sb 2 O 3, may contain Bi 2 O 3. These components are the total amount, and are mol% in terms of oxide, preferably 0.1 to 25%, more preferably 0.3 to 20%. If the total amount of the above components is too small, the above effect is difficult to obtain, and if it is too large, the amount of LiM x Fe 1-x PO 4 crystals precipitated tends to decrease.

なかでも、Nbは均質な前駆体ガラスを得るために有効な成分である。Nbの含有量は0.1〜10%であることが好ましく、0.2〜5%であることがより好ましく、0.3〜3%であることがさらに好ましい。Nbの含有量が少なすぎると、均質な前駆体ガラスが得られにくい。一方、Nbの含有量が多すぎると、結晶化の際にニオブ酸鉄等の異種結晶が析出して、充放電特性が低下する傾向がある。 Among these, Nb 2 O 5 is an effective component for obtaining a homogeneous precursor glass. The content of Nb 2 O 5 is preferably 0.1 to 10%, more preferably 0.2 to 5%, and still more preferably 0.3 to 3%. If the content of Nb 2 O 5 is too small, it is difficult to obtain a homogeneous precursor glass. On the other hand, when the content of Nb 2 O 5 is too large, the heterogeneous crystals such niobate iron upon crystallization is deposited, charge-discharge characteristics tend to deteriorate.

なお、前記正極活物質は、主結晶である一般式LiMFe1−xPO(0≦x<1、MはNb、Ti、V、Cr、Mn、Co、Niから選ばれる少なくとも1種類)で表されるオリビン型結晶の電子伝導性が低いため、正極活物質粒子の表面に炭素等の導電性を有する層を被覆することにより、放電容量や急速充放電特性が向上する。 The positive electrode active material is a main crystal of the general formula LiM x Fe 1-x PO 4 (0 ≦ x <1, M is at least one selected from Nb, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni) Since the olivine type crystal represented by) has low electronic conductivity, the discharge capacity and rapid charge / discharge characteristics are improved by coating the surface of the positive electrode active material particles with a conductive layer such as carbon.

前記正極活物質が、質量%で、0.2〜3%の炭素を含有することが好ましい。炭素は正極活物質の電子伝導性を高める成分である。その含有量は0.5〜2.5%であることがより好ましく、1〜2%であることがさらに好ましい。炭素の含有量が少なすぎると、正極活物質の電子伝導性が低下するため、放電容量が低下する傾向がある。一方、炭素の含有量が多すぎると、正極活物質粒子界面でのリチウムイオンの拡散抵抗が大きくなるため、放電電圧が低下する傾向がある。   The positive electrode active material preferably contains 0.2 to 3% of carbon by mass. Carbon is a component that enhances the electronic conductivity of the positive electrode active material. The content is more preferably 0.5 to 2.5%, and further preferably 1 to 2%. If the carbon content is too small, the electron conductivity of the positive electrode active material is lowered, and the discharge capacity tends to be lowered. On the other hand, if the carbon content is too large, the diffusion resistance of lithium ions at the interface of the positive electrode active material particles increases, and the discharge voltage tends to decrease.

結晶化ガラスにおいて、LiMFe1−xPO結晶の結晶化度は、質量%で、70%以上であることが好ましく、80%以上であることがより好ましく、90%以上であることがさらに好ましい。LiMFe1−xPO結晶の結晶化度が低すぎると、放電容量が低下する傾向がある。なお、上限については特に限定されないが、現実的には99%以下であることが好ましく、97%以下であることがより好ましい。 In the crystallized glass, the degree of crystallinity of the LiM x Fe 1-x PO 4 crystal in mass% is preferably 70% or more, more preferably 80% or more, and 90% or more. Further preferred. If the crystallinity of the LiM x Fe 1-x PO 4 crystal is too low, the discharge capacity tends to decrease. In addition, although it does not specifically limit about an upper limit, In reality, it is preferable that it is 99% or less, and it is more preferable that it is 97% or less.

なお、結晶化度は、CuKα線を用いた粉末X線回折測定によって得られる2θ値で10〜60°の回折線プロファイルを、結晶性回折線と非晶質ハローとにピーク分離することで求められる。具体的には、回折線プロファイルからバックグラウンドを差し引いて得られた全散乱曲線から、10〜45°におけるブロードな回折線(非晶質ハロー)をピーク分離して求めた積分強度をIa、10〜60°において検出される各結晶性回折線をピーク分離して求めた積分強度の総和をIcとした場合、結晶化度Xcは次式から求められる。   The crystallinity is obtained by separating a diffraction line profile of 10 to 60 ° with a 2θ value obtained by powder X-ray diffraction measurement using CuKα ray into a crystalline diffraction line and an amorphous halo. It is done. Specifically, the integrated intensity obtained by peak-separating a broad diffraction line (amorphous halo) at 10 to 45 ° from the total scattering curve obtained by subtracting the background from the diffraction line profile is Ia, 10 When the total integrated intensity obtained by peak separation of each crystalline diffraction line detected at ˜60 ° is Ic, the crystallinity Xc can be obtained from the following equation.

Xc=[Ic/(Ic+Ia)]×100(%)     Xc = [Ic / (Ic + Ia)] × 100 (%)

正極活物質は非晶質相を含有することが好ましい。活物質粒子表面に非晶質相を含有することにより、活物質粒子界面でのリチウムイオンの拡散抵抗が小さくなり、高速充放電特性が向上する。   The positive electrode active material preferably contains an amorphous phase. By containing an amorphous phase on the surface of the active material particles, the diffusion resistance of lithium ions at the interface of the active material particles is reduced, and high-speed charge / discharge characteristics are improved.

正極活物質の平均粒子径は0.01〜30μmであることが好ましく、0.05〜20μmであることがより好ましく、0.1〜10μmであることがさらに好ましい。正極活物質の平均粒子径が大きすぎると、充放電した際に活物質中に存在するリチウムイオンを有効に吸蔵および放出できずに放電容量が低下する傾向がある。一方、正極活物質の平均粒子径が小さすぎると、均一な電極を製造することが困難になる傾向がある。また、比表面積が大きくなりすぎて、電極形成用のペーストを製造する際に正極活物質粉末が分散しにくくなるため、多量の結着剤や溶剤が必要となる。さらに、電極形成用ペーストの塗布性に劣り、均一な厚みを有する正極を形成しにくくなる。   The average particle size of the positive electrode active material is preferably 0.01 to 30 μm, more preferably 0.05 to 20 μm, and further preferably 0.1 to 10 μm. If the average particle size of the positive electrode active material is too large, lithium ions present in the active material cannot be effectively occluded and released when charged and discharged, and the discharge capacity tends to decrease. On the other hand, if the average particle size of the positive electrode active material is too small, it tends to be difficult to produce a uniform electrode. In addition, since the specific surface area becomes too large and the positive electrode active material powder is difficult to disperse when producing a paste for forming an electrode, a large amount of binder and solvent are required. Furthermore, it is inferior to the applicability of the electrode forming paste, and it becomes difficult to form a positive electrode having a uniform thickness.

なお本発明において、平均粒子径は、正極の電子顕微鏡の観察画像から算出した値を指す。具体的には、電子顕微鏡画像から20個の正極活物質粒子をランダムに選択し、それらの粒子径の平均値から算出したものである。なお、扁平な粒子については、長径と短径の平均値を粒子径とする。   In addition, in this invention, an average particle diameter points out the value computed from the observation image of the electron microscope of a positive electrode. Specifically, 20 positive electrode active material particles are randomly selected from an electron microscope image and calculated from an average value of their particle diameters. In addition, about flat particle | grains, let the average value of a long diameter and a short diameter be a particle diameter.

次に、結晶化ガラスの製造方法について説明する。   Next, the manufacturing method of crystallized glass is demonstrated.

まず、モル%で、LiO 20〜50%、Fe 5〜40%およびP 20〜50%を含有するガラス組成となるように原料粉末を調合し、得られた原料粉末に対し、溶融急冷プロセス、ゾル−ゲルプロセス、溶液ミストの火炎中への噴霧などの化学気相合成プロセス、メカノケミカルプロセス等により前駆体である前駆体ガラスを得る。これらのプロセスによると、ガラス化が促進されやすくなり、結果として、未反応原料の残存や磁性不純物の生成が起こりにくくなる。 First, a raw material powder was prepared so as to have a glass composition containing Li 2 O 20 to 50%, Fe 2 O 3 5 to 40% and P 2 O 5 20 to 50% in mol%, and the obtained raw material Precursor glass as a precursor is obtained from the powder by a melt quenching process, a sol-gel process, a chemical vapor synthesis process such as spraying a solution mist into a flame, a mechanochemical process, or the like. According to these processes, vitrification is easily promoted, and as a result, the remaining of unreacted raw materials and generation of magnetic impurities are less likely to occur.

得られた前駆体ガラスに対して熱処理を施すことにより結晶化ガラスを得る。前駆体ガラスの熱処理は、例えば温度および雰囲気の制御が可能な電気炉中で行われる。   Crystallized glass is obtained by heat-treating the obtained precursor glass. The heat treatment of the precursor glass is performed, for example, in an electric furnace capable of controlling the temperature and the atmosphere.

熱処理温度は前駆体ガラスの組成や、所望とする結晶の含有量によって異なるため特に限定されるものではないが、少なくともガラス転移温度、さらには結晶化温度以上であることが好ましく、具体的には、500℃以上、好ましくは550℃以上であることが好ましい。熱処理温度が低すぎると、結晶の析出が不十分になり放電容量が低下するおそれがある。一方、熱処理温度の上限は900℃、特に850℃であることが好ましい。熱処理温度が高すぎると、異種結晶が析出しやすくなり、放電容量が低下するおそれがある。   The heat treatment temperature is not particularly limited because it varies depending on the composition of the precursor glass and the desired crystal content, but is preferably at least the glass transition temperature, and more preferably the crystallization temperature or more. 500 ° C. or higher, preferably 550 ° C. or higher. If the heat treatment temperature is too low, crystal precipitation may be insufficient and the discharge capacity may be reduced. On the other hand, the upper limit of the heat treatment temperature is preferably 900 ° C., particularly preferably 850 ° C. If the heat treatment temperature is too high, different crystals are likely to precipitate, and the discharge capacity may be reduced.

熱処理時間は、前駆体ガラスの結晶化が十分に進行するよう適宜調整される。具体的には、10〜180分間、特に20〜120分間であることが好ましい。   The heat treatment time is appropriately adjusted so that the crystallization of the precursor glass proceeds sufficiently. Specifically, it is preferably 10 to 180 minutes, particularly 20 to 120 minutes.

熱処理の際、前駆体ガラスに界面活性剤等の有機化合物を添加し、不活性または還元雰囲気にて焼成を行うことが好ましい。当該方法によれば、結晶化ガラス表面に電子伝導性の非晶質被覆層が形成された正極活物質が得られるため、正極活物質表面における電子伝導性が向上し、蓄電デバイスにおいて良好な急速充放電特性を得ることが可能となる。また、当該非晶質被覆層は、遷移金属イオンの溶出を抑制する役割も果たす。なお、有機化合物は焼成することで還元作用を示すため、結晶化する際にガラス中の鉄の価数が2価に変化しやすく、LiMFe1−xPO結晶を高い割合で選択的に得ることができる。 During the heat treatment, it is preferable to add an organic compound such as a surfactant to the precursor glass and perform firing in an inert or reducing atmosphere. According to this method, a positive electrode active material having an electron-conductive amorphous coating layer formed on the crystallized glass surface is obtained, so that the electron conductivity on the surface of the positive electrode active material is improved, and good rapidity can be achieved in an electricity storage device. Charge / discharge characteristics can be obtained. The amorphous coating layer also plays a role of suppressing elution of transition metal ions. In addition, since the organic compound exhibits a reducing action by firing, the valence of iron in the glass is likely to change to divalent when crystallized, and LiM x Fe 1-x PO 4 crystals are selectively selected at a high rate. Can get to.

有機化合物の添加量は、前駆体ガラス100質量部に対して、0.1〜50質量部であることが好ましく、1〜30質量部であることがより好ましく、1.5〜20質量部であることがさらに好ましい。有機化合物の添加量が少なすぎると、上記効果が得られにくい。一方、有機化合物の添加量が多すぎると、蓄電デバイスにおいて正極と負極の電位差が小さくなり、所望の起電力が得られなくなるおそれがある。   The addition amount of the organic compound is preferably 0.1 to 50 parts by mass, more preferably 1 to 30 parts by mass, and 1.5 to 20 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the precursor glass. More preferably it is. If the amount of the organic compound added is too small, the above effect is difficult to obtain. On the other hand, when the amount of the organic compound added is too large, the potential difference between the positive electrode and the negative electrode in the electricity storage device becomes small, and a desired electromotive force may not be obtained.

本発明の蓄電デバイス用正極材料において、導電助剤は、導電性カーボンブラックを含有する。導電性カーボンブラックは、少量の添加で優れた導電性を発揮するため、急速充放電性能を向上させることができる。   In the positive electrode material for an electricity storage device of the present invention, the conductive additive contains conductive carbon black. Since the conductive carbon black exhibits excellent conductivity when added in a small amount, the rapid charge / discharge performance can be improved.

導電性カーボンブラックの嵩密度は140kg/m以上であり、150kg/m以上であることが好ましい。嵩密度が小さいと、導電性カーボンブラックの一次粒子同士の結合が弱いため電極ペースト作製時の混練によって導電ネットワークが切断される傾向がある。その結果、急速充放電性能が低下しやすくなる。なお、上限については特に限定されないが、現実的には300kg/m以下であることが好ましく、200kg/m以下であることがより好ましい。 The bulk density of the conductive carbon black is 140 kg / m 3 or more, and preferably 150 kg / m 3 or more. When the bulk density is small, the bond between the primary particles of conductive carbon black is weak, so that the conductive network tends to be cut by kneading during electrode paste preparation. As a result, rapid charge / discharge performance tends to be reduced. In addition, although it does not specifically limit about an upper limit, It is preferable that it is 300 kg / m < 3 > or less practically, and it is more preferable that it is 200 kg / m < 3 > or less.

導電性カーボンブラックは、BET比表面積が40〜200m/gであることが好ましく、50〜100m/gであることがより好ましく、55〜80m/gであることがさらに好ましい。BET比表面積が小さすぎると、正極材料中での電子伝導パスが形成しにくくなるため、放電容量が低下しやすい。一方。BET比表面積が大きすぎると、導電性カーボンブラックの多孔度が増大し、導電性カーボンブラック内での導電ネットワークが切断される傾向がある。その結果、導電性カーボンブラックの導電性が低下し、急速充放電性能が低下する。 Conductive carbon black is preferably a BET specific surface area of 40 to 200 m 2 / g, more preferably 50 to 100 m 2 / g, further preferably 55~80m 2 / g. If the BET specific surface area is too small, it becomes difficult to form an electron conduction path in the positive electrode material, so that the discharge capacity is likely to decrease. on the other hand. If the BET specific surface area is too large, the porosity of the conductive carbon black increases, and the conductive network in the conductive carbon black tends to be cut. As a result, the conductivity of the conductive carbon black decreases, and the rapid charge / discharge performance decreases.

本発明において、結着剤としては、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、フッ素系ゴム、スチレンーブタンジエンゴム(SBR)等の熱可塑性直鎖状高分子;熱硬化性ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリアミド、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン等の熱硬化性樹脂;カルボキシメチルセルロース(カルボキシメチルセルロースナトリム等のカルボキシメチルセルロース塩も含む。以下同様)、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、エチルセルロースおよびヒドロキシメチルセルロース等のセルロース誘導体、ポリビニルアルコール、ポリアクリルアミド、ポリビニルピロリドンおよびその共重合体等の水溶性高分子を用いることができる。   In the present invention, examples of the binder include thermoplastic linear polymers such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), fluorine-based rubber, and styrene-butanediene rubber (SBR); Thermosetting resins such as conductive polyimide, polyamideimide, polyamide, phenol resin, epoxy resin, urea resin, melamine resin, unsaturated polyester resin, polyurethane; carboxymethylcellulose (including carboxymethylcellulose salts such as carboxymethylcellulose sodium; the same shall apply hereinafter). , Cellulose derivatives such as hydroxypropylmethylcellulose, hydroxypropylcellulose, hydroxyethylcellulose, ethylcellulose and hydroxymethylcellulose, polyvinyl alcohol, polyacrylamide Water-soluble polymers such as polyvinylpyrrolidone and copolymers thereof can be used.

正極集電体としては、例えばアルミニウム箔やアルミニウム合金箔を用いることができる。アルミニウム合金としては、アルミニウムと、マグネシウム、亜鉛、ケイ素等の元素とからなる合金が挙げられる。   As the positive electrode current collector, for example, an aluminum foil or an aluminum alloy foil can be used. Examples of the aluminum alloy include alloys made of aluminum and elements such as magnesium, zinc, and silicon.

本発明の蓄電デバイス用正極材料は、質量%で、正極活物質 85〜92%、導電助剤 1〜8%、結着剤 1〜10%を含有することが好ましい。組成を上記のように限定した理由を以下に説明する。   The positive electrode material for an electricity storage device of the present invention is preferably% by mass and contains 85 to 92% of a positive electrode active material, 1 to 8% of a conductive additive, and 1 to 10% of a binder. The reason for limiting the composition as described above will be described below.

正極活物質の含有量は、85〜92%であることが好ましく、90〜92%であることがより好ましい。正極活物質の含有量が少なすぎると、正極の単位質量あたりの充電容量や放電容量が低下しやすくなる。一方、正極活物質の含有量が多すぎると、結着剤との接触面積が低減して結着性が低下するため、正極材料が正極集電体から欠落しやすくなり、充電容量や放電容量が低下やすくなる。   The content of the positive electrode active material is preferably 85 to 92%, and more preferably 90 to 92%. When there is too little content of a positive electrode active material, the charge capacity and discharge capacity per unit mass of a positive electrode will fall easily. On the other hand, if the content of the positive electrode active material is too large, the contact area with the binder is reduced and the binding property is lowered, so that the positive electrode material is easily lost from the positive electrode current collector, and the charge capacity and discharge capacity are reduced. Tends to decrease.

導電助剤の含有量は、1〜8%であることが好ましく、3〜5%であることがより好ましい。導電助剤の含有量が少なすぎると、正極の電子伝導性が低下し、急速充放電性能が低下しやすくなる。一方、導電助剤の含有量が多すぎると、正極活物質の割合が減ってしまうため、正極の単位質量あたりの充電容量や放電容量が低下しやすくなる。   The content of the conductive assistant is preferably 1 to 8%, and more preferably 3 to 5%. When there is too little content of a conductive support agent, the electronic conductivity of a positive electrode will fall and rapid charge / discharge performance will fall easily. On the other hand, when there is too much content of a conductive support agent, since the ratio of a positive electrode active material will reduce, the charge capacity per unit mass of a positive electrode and discharge capacity will fall easily.

結着剤の含有量は、1〜10%であることが好ましく、3〜7%であることがより好ましい。結着剤の含有量が少なすぎると、正極集電体と正極材料の結着性が悪くなるため、正極材料が正極集電体から欠落しやすくなり、充電容量や放電容量が低下やすくなる。一方、結着剤が多すぎると、正極活物質の割合が減ってしまうため、正極の単位質量あたりの充電容量や放電容量が低下する。   The content of the binder is preferably 1 to 10%, and more preferably 3 to 7%. When the content of the binder is too small, the binding property between the positive electrode current collector and the positive electrode material is deteriorated, so that the positive electrode material is easily lost from the positive electrode current collector, and the charge capacity and the discharge capacity are easily reduced. On the other hand, since the ratio of a positive electrode active material will reduce when there are too many binders, the charge capacity and discharge capacity per unit mass of a positive electrode will fall.

本発明の正極は、正極活物質、導電助剤および結着剤を混合し、これらを水や、N−メチルピロリドン等の溶媒に懸濁させてスラリー化し、このスラリーをアルミニウム箔等の正極集電体に塗布、乾燥、プレスして帯状に成形することにより作製することができる。   In the positive electrode of the present invention, a positive electrode active material, a conductive additive, and a binder are mixed and suspended in water or a solvent such as N-methylpyrrolidone to form a slurry. It can be produced by coating, drying and pressing an electric body to form a strip.

以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明するが、本発明はかかる実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated in detail based on an Example, this invention is not limited to this Example.

(実施例1)
(1)正極活物質の作製
メタリン酸リチウム(LiPO)、炭酸リチウム(LiCO)、酸化第二鉄(Fe)および酸化ニオブ(Nb)を原料とし、酸化物換算のモル%表示で、LiO 35.1%、Fe 32.2%、P 32.2%、Nb 0.5%の組成となるように原料粉末を調合し、1250℃にて1時間、大気雰囲気中にて溶融を行った。その後、一対のロールに溶融ガラスを流し込み、急冷しながらフィルム状に成形することにより、前駆体ガラスを作製した。
Example 1
(1) Preparation of positive electrode active material Lithium metaphosphate (LiPO 3 ), lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), ferric oxide (Fe 2 O 3 ) and niobium oxide (Nb 2 O 5 ) as raw materials, oxide The raw material powders were converted so as to have a composition of 35.1% Li 2 O, 32.2% Fe 2 O 3, 32.2% P 2 O 5 and 0.5% Nb 2 O 5 in terms of mol% in terms of conversion. The mixture was prepared and melted in air at 1250 ° C. for 1 hour. Then, molten glass was poured into a pair of rolls, and a precursor glass was produced by forming into a film shape while rapidly cooling.

得られた前駆体ガラスに対し、φ20mmのAl玉石を使用したボールミル粉砕を5時間、次にφ5mmのZrO玉石を使用したアルコール中でのボールミル粉砕を40時間、さらにφ0.3mmのZrOビーズを使用したアルコール中でのビーズミル粉砕を8時間行い、平均粒子径(D50)が0.5μmの前駆体ガラス粉末を得た。 The obtained precursor glass is subjected to ball milling using Al 2 O 3 boulders of φ20 mm for 5 hours, then ball milling in alcohol using φ5 mm ZrO 2 boulders for 40 hours, and further to φ0.3 mm. Bead milling in alcohol using ZrO 2 beads was performed for 8 hours to obtain a precursor glass powder having an average particle size (D50) of 0.5 μm.

前駆体ガラス粉末100質量部に対して、カーボン源として非イオン性界面活性剤であるポリエチレンオキシドノニルフェニルエーテル(HLB値:13.3、質量平均分子量:660)を11.8質量部(炭素換算7質量部に相当)および純水を60質量部十分に混合した後、100℃で約1時間乾燥させた。その後、窒素雰囲気下で800℃にて30分間熱処理を行うことにより、表面にカーボン含有層が形成された、LiFePO結晶化ガラス粉末からなる正極活物質を得た。得られた正極活物質について粉末X線回折パターンを確認したところ、LiFePO由来の回折線が確認された。 11.8 parts by mass (carbon equivalent) of polyethylene oxide nonylphenyl ether (HLB value: 13.3, mass average molecular weight: 660), which is a nonionic surfactant, as a carbon source with respect to 100 parts by mass of the precursor glass powder 7 parts by mass) and 60 parts by mass of pure water were sufficiently mixed and then dried at 100 ° C. for about 1 hour. Then, by heat treatment for 30 minutes at 800 ° C. under a nitrogen atmosphere, a carbon-containing layer formed on the surface, to obtain a positive electrode active material composed of LiFePO 4 crystallized glass powder. When the obtained cathode active material was confirmed by a powder X-ray diffraction pattern, the diffraction line from LiFePO 4 was confirmed.

(2)正極の作製
上記で得られた正極活物質と、導電助剤として嵩密度が160kg/m、BET比表面積が62m/gである導電性カーボンブラック(導電助剤1)、さらに結着剤としてフッ化ポリビニリデンをそれぞれ90:5:5(質量比)の割合になるように秤量し、N−メチルピロリドン溶媒中に分散させ、自転・公転ミキサーで十分に撹拌してスラリー化した。
(2) Production of positive electrode The positive electrode active material obtained above, conductive carbon black (conductive auxiliary agent 1) having a bulk density of 160 kg / m 3 and a BET specific surface area of 62 m 2 / g as a conductive auxiliary agent, Polyvinylidene fluoride as a binder was weighed to a ratio of 90: 5: 5 (mass ratio), dispersed in N-methylpyrrolidone solvent, and sufficiently stirred with a rotating / revolving mixer to form a slurry. did.

次に、得られたスラリーを隙間200μmのドクターブレードを用いて、正極集電体である厚さ20μmのアルミ箔上にコートし、70℃で乾燥後、一対の回転ローラー間に通し、1t/cmでプレスすることにより電極シートを得た。この電極シートを電極打ち抜き機で直径11mmに打ち抜き、温度170℃にて10時間、減圧下で乾燥させて円形の正極を得た。 Next, the obtained slurry was coated on a 20 μm thick aluminum foil as a positive electrode current collector using a doctor blade having a gap of 200 μm, dried at 70 ° C., passed between a pair of rotating rollers, and 1 t / An electrode sheet was obtained by pressing at cm 2 . This electrode sheet was punched to a diameter of 11 mm with an electrode punching machine and dried under reduced pressure at a temperature of 170 ° C. for 10 hours to obtain a circular positive electrode.

(3)試験電池の作製
次に、得られた正極を、アルミ箔面を下に向けてコインセルの下蓋に載置し、その上に200℃8時間乾燥したガラスフィルター、および、対極である金属リチウムを積層し、試験電池を作製した。電解液としては、1M LiPF溶液/EC:DEC=1:1(EC=エチレンカーボネート、DEC=ジエチルカーボネート)を用いた。なお試験電池の組み立ては露点温度−40℃以下の環境で行った。
(3) Production of test battery Next, the obtained positive electrode was placed on the lower lid of the coin cell with the aluminum foil surface facing down, and dried at 200 ° C. for 8 hours, and a counter electrode. Metallic lithium was laminated to produce a test battery. As the electrolytic solution, 1M LiPF 6 solution / EC: DEC = 1: 1 (EC = ethylene carbonate, DEC = diethyl carbonate) was used. The test battery was assembled in an environment with a dew point temperature of −40 ° C. or lower.

(4)充放電試験
充放電試験は次のように行った。30℃で開回路電圧(OCV)から4VまでCC(定電流)充電(正極活物質からのリチウムイオン放出)を行い、正極活物質の単位質量中に充電された電気量(充電容量)を求めた。次に、4Vから2VまでCC放電(正極活物質へのリチウムイオン吸蔵)させ、正極活物質の単位質量中に放電された電気量(放電容量)を求めた。以降は、2V〜4Vで繰り返しCC充放電させて充放電容量を求めた。なお、Cレートは0.1〜20Cまで変化させ、充電とその直後の放電のCレートは同一とした。その結果を表1に示す。
(4) Charging / discharging test The charging / discharging test was performed as follows. Perform CC (constant current) charge (lithium ion release from the positive electrode active material) from open circuit voltage (OCV) to 4V at 30 ° C, and obtain the amount of electricity (charge capacity) charged in the unit mass of the positive electrode active material It was. Next, CC discharge (lithium ion occlusion in the positive electrode active material) was performed from 4 V to 2 V, and the amount of electricity (discharge capacity) discharged in the unit mass of the positive electrode active material was determined. Thereafter, CC charge / discharge was repeatedly performed at 2V to 4V to determine the charge / discharge capacity. The C rate was changed from 0.1 to 20 C, and the C rate for charging and discharging immediately thereafter was the same. The results are shown in Table 1.

(比較例1)
導電助剤が、嵩密度が30kg/m、BET比表面積が800m/gである導電性カーボンブラック(導電助剤2)であること以外は、実施例1と同様の方法で試験電池を作製し、充放電試験を行った。その結果を表1に示す。
(Comparative Example 1)
A test battery was prepared in the same manner as in Example 1 except that the conductive auxiliary agent was conductive carbon black (conductive auxiliary agent 2) having a bulk density of 30 kg / m 3 and a BET specific surface area of 800 m 2 / g. It produced and the charge / discharge test was done. The results are shown in Table 1.

(比較例2)
水酸化リチウム一水和物(LiOH・HO)、シュウ酸鉄(FeC・2HO)、リン酸水素水素二アンモニウム((NH)HPO)を原料とし、モル%でLiO 25%、FeO 50%、P 25%の組成となるように原料を調合し、平均粒子径0.4μmとなるようにボールミルで粉砕混合した後、窒素雰囲気中675℃で24時間固相反応させてLiFePO結晶粉末を得た。
(Comparative Example 2)
Using lithium hydroxide monohydrate (LiOH.H 2 O), iron oxalate (FeC 2 O 4 .2H 2 O), diammonium hydrogen phosphate ((NH 4 ) 2 HPO 4 ) as raw materials, mol% The raw materials were prepared so that the composition of Li 2 O 25%, FeO 50%, and P 2 O 5 25% was obtained, and pulverized and mixed with a ball mill so that the average particle size became 0.4 μm, and then 675 ° C. in a nitrogen atmosphere. For 24 hours to obtain LiFePO 4 crystal powder.

得られた結晶粉末に対して、実施例1と同様にカーボン源を混合した後、熱処理を行うことにより、表面にカーボン含有層が形成された、LiFePO結晶粉末からなる正極活物質を得た。 The obtained crystal powder was mixed with a carbon source in the same manner as in Example 1 and then subjected to heat treatment to obtain a positive electrode active material made of LiFePO 4 crystal powder having a carbon-containing layer formed on the surface. .

このようにして得られた正極活物質を用いて、実施例1と同様にして正極を作製した。さらに、当該正極を用いた以外は、実施例1と同様にして試験電池を作製し、充放電試験を行った。その結果を表1に示す。   Using the positive electrode active material thus obtained, a positive electrode was produced in the same manner as in Example 1. Furthermore, a test battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the positive electrode was used, and a charge / discharge test was performed. The results are shown in Table 1.

表1から明らかなように、実施例1における10Cレートの充電容量と放電容量は、ともに122mAh/g以上と高かった。一方、比較例1および2における10Cレートの充電容量と放電容量は42mAh/g以下と低かった。   As is clear from Table 1, the 10 C rate charge capacity and discharge capacity in Example 1 were both as high as 122 mAh / g or more. On the other hand, the charge capacity and discharge capacity at 10 C rate in Comparative Examples 1 and 2 were as low as 42 mAh / g or less.

本発明の蓄電デバイス用正極材料は、携帯型電子機器や電気自動車等に用いられるリチウムイオン非水二次電池等の蓄電デバイス用正極材料として好適である。   The positive electrode material for an electricity storage device of the present invention is suitable as a positive electrode material for an electricity storage device such as a lithium ion non-aqueous secondary battery used for portable electronic devices, electric vehicles and the like.

Claims (6)

主結晶として一般式LiMFe1−xPO(0≦x<1、MはNb、Ti、V、Cr、Mn、Co、Niから選ばれる少なくとも1種類)で表されるオリビン型結晶を析出した結晶化ガラスを含有する正極活物質と、嵩密度が140kg/m以上である導電性カーボンブラックを含有する導電助剤を含むことを特徴とする蓄電デバイス用正極材料。 An olivine type crystal represented by the general formula LiM x Fe 1-x PO 4 (0 ≦ x <1, M is at least one selected from Nb, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni) is used as the main crystal. A positive electrode material for an electricity storage device, comprising: a positive electrode active material containing precipitated crystallized glass; and a conductive additive containing conductive carbon black having a bulk density of 140 kg / m 3 or more. 前記導電性カーボンブラックは、BET比表面積が40〜200m/gであることを特徴とする請求項1に記載の蓄電デバイス用正極材料。 The positive electrode material for an electricity storage device according to claim 1, wherein the conductive carbon black has a BET specific surface area of 40 to 200 m 2 / g. 質量%で、正極活物質 85〜92%、導電助剤 1〜8%、結着剤 1〜10%を含有することを特徴とする請求項1または2に記載の蓄電デバイス用正極材料。   3. The positive electrode material for an electricity storage device according to claim 1, wherein the positive electrode active material contains 85 to 92% of a positive electrode active material, 1 to 8% of a conductive auxiliary agent, and 1 to 10% of a binder. 前記結晶化ガラスが、酸化物換算のモル%表示で、LiO 20〜50%、Fe 5〜40%およびP 20〜50%を含有することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の蓄電デバイス用正極材料。 Claim wherein the crystallized glass, which by mol% of oxide equivalent, Li 2 O 20 to 50%, characterized in that it contains Fe 2 O 3 5 to 40% and P 2 O 5 20 to 50% The positive electrode material for electrical storage devices in any one of 1-3. 前記結晶化ガラスが、さらに酸化物換算のモル%表示で、Nb+TiO+V+Cr+MnO+CoO+NiO+SiO+B+GeO+Al+Ga+Sb+Bi 0.1〜25%を含有することを特徴とする請求項4に記載の蓄電デバイス用正極材料。 The crystallized glass is further expressed in terms of mol% in terms of oxide, Nb 2 O 5 + TiO 2 + V 2 O 5 + Cr 2 O 3 + MnO 2 + CoO + NiO + SiO 2 + B 2 O 3 + GeO 2 + Al 2 O 3 + Ga 2 O 3 + Sb 2 The positive electrode material for an electricity storage device according to claim 4, comprising 0.1 to 25% of O 3 + Bi 2 O 3 . 前記正極活物質が、質量%で、0.2〜3%の炭素を含有することを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の蓄電デバイス用正極材料。
The positive electrode active material according to claim 1, wherein the positive electrode active material contains 0.2 to 3% of carbon by mass.
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