JP2015032425A - 負極活物質及びそれを用いた二次電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】バナジウム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル及び銅からなる群より選ばれる少なくとも1種の遷移金属元素と、リン、バリウム、ゲルマニウム、鉛及びケイ素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、を含んでなる酸化物であり、前記遷移金属元素の非晶質相を含むことを特徴とする、負極活物質及びそれを用いた二次電池とする。
【選択図】図2
Description
〔物性〕
本実施形態の負極活物質は、バナジウム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル及び銅からなる群より選ばれる少なくとも1種の遷移金属元素と、リン、バリウム、ゲルマニウム、鉛及びケイ素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、を含んでなる酸化物であり、前記遷移金属元素の非晶質相を含むものである。非晶質とは結晶よりも秩序性の低い構造で熱力学的に非平衡な純安定状態のものをいう。以下、単に「遷移金属元素」という場合には、「バナジウム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル及び銅からなる群より選ばれる少なくとも1種の遷移金属元素」を表すものとする。また、「リン、バリウム、ゲルマニウム、鉛及びケイ素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素」のことを、説明の便宜上、適宜「付加元素」という。
なお、負極活物質に含まれる遷移金属元素は1種であってもよく、2種以上が任意の比率及び組み合わせで含まれていてもよい。
なお、負極活物質に含まれる付加元素は1種であってもよく、2種以上が任意の比率及び組み合わせで含まれていてもよい。
本実施形態の負極活物質は、任意の方法により製造することができる。以下、本実施形態の負極活物質の製造方法を一例を挙げて説明する。
次に、本実施形態の負極活物質を含む負極を備える二次電池(以下、「本実施形態の二次電池」という)について説明する。二次電池としては種々の構造や種類が考えられるが、以下の説明においては、一例として、筒状のリチウム二次電池を例に、本実施形態の二次電池を説明する。なお、以下の説明はあくまで一例であり、本実施形態の負極活物質を含む負極を備える二次電池は、以下の内容及び図示の例に限定されるものではない。
<実施例1>
(1)負極活物質の作製
バナジウム(遷移金属元素)が65モル%、リンが35モル%の比率で含まれるようにして、負極活物質を作製した。具体的には、まず、負極活物質におけるバナジウム及びリンの含有量が前記の含有量になる量の、五酸化バナジウム及び五酸化二リンを準備した。そして、これらを混合した。得られた混合粉末100gを白金ルツボに入れ、電気炉を用いて5℃/分〜10℃/分の昇温速度で900℃〜1100℃の加熱温度まで加熱して2時間保持した。保持中は均一なガラスとするために攪拌した。
炭素被覆がされた負極活物質55質量部、導電剤としてのJSP(日本黒鉛社製)35質量部、及びバインダ(結着剤)としてのポリフッ化ビニリデン(クレハ社製の#7305)10質量部を混合した。そして、得られた混合物に、N−メチル−2−ピロリドンを添加して、粘度を15Pa・sに調整した負極合剤を得た。
作製した負極板20を使用して、図1に示すラミネートセル型の二次電池100を組み立てた。ただし、本実施例で作製する二次電池100は、10枚の正極10と、11枚の負極20と、20枚のセパレータ30とを有して構成されている。二次電池100の正極板10としては、引き出し電極部分(15mm×15mm)を残し、60mm×110mmとなるように裁断した金属リチウムシートを使用した。また、セパレータ30としては、厚さ30μmのPP(ポリプロピレン)製の多孔質膜を用いた。
二次電池100の充放電電圧特性を評価した。ラミネートセル型のリチウム二次電池100の放電容量及び容量維持率の測定は、充放電試験機(東洋システム社製のTOSCAT3100U)を用いて行った。
遷移金属元素及び付加元素の種類及び含有量を後記する表1のように変更したこと以外は実施例1と同様にして、実施例2〜実施例24の負極活物質(炭素被覆されている)を調製し、二次電池100を作製した。そして、作製した二次電池100について、実施例1と同様にして評価した。
負極活物質として、非晶質相を含まず結晶相のみを含む五酸化バナジウム(比較例1)及び二酸化マンガン(比較例2)を用いたこと以外は実施例1と同様にして、炭素被覆された負極活物質を調製し、二次電池100を作製した。そして、作製した二次電池100について、実施例1と同様にして評価した。
評価結果を表1に示す。なお、表1では、各金属の含有量は、酸化物換算でのモル%で示している。さらに、横軸を遷移金属元素の含有量(モル%、酸化物換算)、縦軸を放電電圧とするグラフを図2に示す。また、一例として、図3に実施例9の負極活物質を用いた二次電池100の評価時に得られた充電曲線を、図4に実施例10の負極活物質を用いた二次電池100の評価時に得られた充電曲線を示す。
なお、本実施例の各試料について、前記の粉末X線回折測定装置を用いて粉末X線回折測定を行ったところ、各試料に結晶相は認められず、非晶質相が100%であることが確認された。
<実施例25〜実施例33>
(1)負極活物質の調製及び二次電池100の作製及び評価
遷移金属元素及び付加元素の種類及び含有量を後記する表2に変更したこと以外は実施例1と同様にして、実施例25〜実施例33の負極活物質(炭素被覆されている)を調製し、二次電池100を作製した。そして、作製した二次電池100について、実施例1と同様にして評価した。
また、負極活物質の作製中に得られたガラスについて、5℃/分の昇温速度で示差熱分析(DTA)を行うことによって、ガラス転移点(Tg)を測定した。なお、標準サンプルとしてアルミナ粉末を用いた。図5にガラスのDTA曲線を示す。図5に示すように、ガラス転移点Tgは第一吸熱ピークの開始温度とした。
正極活物質としてLiCoO2粒子(日本化学工業社製)、負極活物質として実施例27の負極活物質を用いて、実施例1と同様にして二次電池100(実施例1の二次電池)を作製した。また、比較として、負極活物質として黒鉛を用いたこと以外は同様にして、二次電池100(比較例1の二次電池)を作製した。
前記の実施例では非水電解液を用いた二次電池100(図1参照)に本実施形態の負極活物質を適用したが、本実施形態の負極活物質は、全固体型の二次電池にも適用可能である。全固体型の二次電池(リチウム二次電池)は、電解質を含む非水電解液に代えて、固体電解質が用いられる。
正極活物質としての平均粒径5μmのLiCoO2粉末と、前記の実施例26のガラス粉末(負極活物質、正極と固体電解質との結着剤として使用)と、固体電解質である平均粒径3μmのLi1.5Al0.5Ti1.5(PO4)3粉末(以下、「LATP」という)と、導電剤である針状(短軸:0.13μm、長軸:1.68μm)の導電性酸化チタン(ルチル型酸化チタンを母体にSbをドープしたSnO2導電層を被覆したもの)とを、それぞれ体積比で53:30:10:7となるように混合した。そして、この混合粉末に樹脂バインダと溶媒とを適量混合し、正極ペーストを作製した。
前記の実施例27の負極活物質と、固体電解質である平均粒径3μmのLATPと、導電剤である針状(短軸:0.13μm、長軸:1.68μm)の導電性酸化チタン(ルチル型酸化チタンを母体にSbをドープしたSnO2導電層を被覆したもの)とを、それぞれ体積比で83:10:7となるように混合した。そして、この混合粉末に樹脂バインダと溶媒とを適量混合し、負極ペーストを作製した。
固体電解質である平均粒径3μmのLATPと、前記の実施例26のガラス粉末(負極活物質、正極と固体電解質との結着剤として使用)とを、それぞれ体積比で70:30となるように混合した。そして、この混合粉末に、樹脂バインダと溶媒とを適量添加して固体電解質ペーストを作製した。
「(3)固体電解質層の作製」において作製したもう一方の面に負極(又は正極)を積層し、正極と固体電解質層と負極との界面の密着性を向上させるため、この積層体を加圧しながら、350℃で1時間、大気中焼成した。そして、得られた積層体の側面を絶縁物でマスキングし、これをCR2025型のコイン電池に組み込み全固体電池を作製した。
作製した電池は動作することが確認できたため、本実施形態の負極活物質は、全固体電池に用いられる負極活物質としても適用可能であることが確認できた。
20 負極
30 セパレータ
100 二次電池
Claims (14)
- バナジウム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル及び銅からなる群より選ばれる少なくとも1種の遷移金属元素と、
リン、バリウム、ゲルマニウム、鉛及びケイ素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、
を含んでなる酸化物であり、
前記遷移金属元素の非晶質相を含むことを特徴とする、負極活物質。 - 前記非晶質相は、ガラスであることを特徴とする、請求項1に記載の負極活物質。
- 前記非晶質相の含有量は、前記負極活物質の全体に対して、90体積%以上であることを特徴とする、請求項1又は2に記載の負極活物質。
- 前記遷移金属元素の含有量は、前記負極活物質の全体に対して、酸化物換算で60モル%以下であることを特徴とする、請求項1乃至3の何れかに記載の負極活物質。
- 前記遷移金属元素としてバナジウムを含み、
前記非晶質相はガラスであり、
ガラス転移点が340℃以上であることを特徴とする、請求項1乃至4の何れかに記載の負極活物質。 - 前記非晶質相は、リンを含むことを特徴とする、請求項1乃至5の何れかに記載の負極活物質。
- リチウム、ナトリウム及びマグネシウムからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を含むことを特徴とする、請求項1乃至6の何れかに記載の負極活物質。
- タングステン及びアンチモンからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を含むことを特徴とする、請求項1乃至7の何れかに記載の負極活物質。
- 鉄を含むことを特徴とする、請求項1に記載の負極活物質
- 炭素材料により被覆されてなることを特徴とする、請求項1乃至8の何れかに記載の負極活物質。
- バナジウム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル及び銅からなる群より選ばれる少なくとも1種の遷移金属元素と、リン、バリウム、ゲルマニウム、鉛及びケイ素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、を含んでなる酸化物であり、前記遷移金属元素の非晶質相を含む負極活物質を有する負極を備えることを特徴とする、二次電池。
- 前記非晶質相は、ガラスであることを特徴とする、請求項11に記載の二次電池。
- 前記非晶質相の含有量は、前記負極活物質の全体に対して、90体積%以上であることを特徴とする、請求項11又は12に記載の二次電池。
- 前記遷移金属元素の含有量は、前記負極活物質の全体に対して、酸化物換算で60モル%以下であることを特徴とする、請求項11乃至13の何れかに記載の二次電池。
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