JP2017062997A - Method for evaluating positive electrode material for nonaqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、非水系電解質二次電池用正極材料の評価方法に関する。 The present invention relates to a method for evaluating a positive electrode material for a non-aqueous electrolyte secondary battery.
近年、携帯電話やノート型パソコンなどの携帯電子機器の普及に伴い、高いエネルギー密度を有する小型で軽量な非水系電解質二次電池の開発が強く望まれている。また、ハイブリット自動車を始めとする電気自動車用の電池として高出力の二次電池の開発が強く望まれている。このような要求を満たす二次電池として、リチウムイオン二次電池がある。
リチウムイオン二次電池は、正極活物質を主要構成成分とする正極と、負極活物質を主要構成成分とする負極と、非水系電解液とから構成され、負極および正極活物質は、リチウムを脱離・挿入することの可能な材料が用いられている。
In recent years, with the widespread use of portable electronic devices such as mobile phones and laptop computers, development of small and lightweight non-aqueous electrolyte secondary batteries having high energy density is strongly desired. In addition, development of a high output secondary battery is strongly desired as a battery for electric vehicles including hybrid vehicles. As a secondary battery satisfying such requirements, there is a lithium ion secondary battery.
A lithium ion secondary battery includes a positive electrode having a positive electrode active material as a main component, a negative electrode having a negative electrode active material as a main component, and a non-aqueous electrolyte. The negative electrode and the positive electrode active material remove lithium. A material that can be separated and inserted is used.
このようなリチウムイオン二次電池は、現在研究・開発が盛んに行われており、層状型のリチウム金属複合酸化物を正極材料に用いたリチウムイオン二次電池は、4V級の高い電圧が得られるため、高いエネルギー密度を有する電池として実用化が進んでいる。
これまで提案されている材料としては、合成が比較的容易なリチウムコバルト複合酸化物(LiCoO2)やコバルトよりも安価なニッケルを用いたリチウムニッケル複合酸化物(LiNiO2)、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)などを挙げることができる。
Such lithium ion secondary batteries are currently being actively researched and developed, and lithium ion secondary batteries using a layered lithium metal composite oxide as a positive electrode material have a high voltage of 4V. Therefore, practical use is progressing as a battery having a high energy density.
The materials proposed so far include lithium cobalt composite oxide (LiCoO 2 ) that is relatively easy to synthesize, lithium nickel composite oxide (LiNiO 2 ) using nickel that is cheaper than cobalt, and lithium nickel cobalt manganese composite. An oxide (LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 ) can be used.
上記リチウム複合酸化物を自動車用途として開発するためには、現状よりも高出力が得られる材料に改良すること、すなわち正極材の低抵抗化が重要となる。 In order to develop the lithium composite oxide for use in automobiles, it is important to improve the material to obtain a higher output than the current state, that is, to lower the resistance of the positive electrode material.
特許文献1には、リチウムニッケル複合酸化物粉末に、タングステン化合物を溶解させたアルカリ溶液添加、混合してリチウムニッケル複合酸化物粒子表面にタングステン酸リチウムを被覆させることで、正極抵抗が低減し出力特性が改善されることを報告している。この提案では、リチウム伝導性が良いタングステン酸リチウムを被覆することで、抵抗低減に繋がることを述べているが、どのような作用で抵抗低減が実現されるかを示す記載はない。 In Patent Document 1, an alkaline solution in which a tungsten compound is dissolved is added to and mixed with lithium nickel composite oxide powder, and the surface of the lithium nickel composite oxide particles is coated with lithium tungstate to reduce the positive electrode resistance and output. It is reported that the characteristics are improved. In this proposal, it is stated that covering with lithium tungstate having good lithium conductivity leads to a reduction in resistance, but there is no description showing what kind of action the resistance reduction is realized.
上述のような出力特性の改善における開発に際しては、リチウムイオンの挙動を分析する必要があり、リチウムイオンを直接評価する手法として、誘導結合プラズマ発光分光分析法や二次イオン質量分析装置などが挙げられる。しかしながら、誘導結合プラズマ発光分光分析法の場合、特許文献2に記載されているように、正極を全量溶解してリチウムなどの元素を分析するため、電極内のリチウムの拡散を評価することはできない。 In the development for improving the output characteristics as described above, it is necessary to analyze the behavior of lithium ions. Examples of methods for directly evaluating lithium ions include inductively coupled plasma emission spectrometry and secondary ion mass spectrometry. It is done. However, in the case of inductively coupled plasma optical emission spectrometry, as described in Patent Document 2, the entire amount of the positive electrode is dissolved to analyze elements such as lithium, so that the diffusion of lithium in the electrode cannot be evaluated. .
非特許文献1には、二次イオン質量分析装置を用いて、リチウムマンガン酸リチウムのリチウムを直接検出して、リチウム拡散係数を評価している。この提案では、二次イオン質量分析装置を用いて正極のリチウム拡散係数を解析しているのみであり、出力特性の改善に向けたリチウムイオンの挙動の評価に関する検討はなされていない。 Non-Patent Document 1 evaluates the lithium diffusion coefficient by directly detecting lithium of lithium lithium manganate using a secondary ion mass spectrometer. In this proposal, only the lithium diffusion coefficient of the positive electrode is analyzed using a secondary ion mass spectrometer, and no examination is made on the evaluation of the behavior of lithium ions for improving the output characteristics.
本発明は、上記事情に鑑み、正極内のリチウムイオンの拡散性を可視化し、出力特性に影響を及ぼす正極活物質表面の被覆層によるリチウムイオンの挙動の変化を評価することにより、出力特性の改善に利用可能な非水系電解質二次電池用正極材料の評価方法を提供することを課題とする In view of the above circumstances, the present invention visualizes the diffusibility of lithium ions in the positive electrode and evaluates the change in the behavior of lithium ions by the coating layer on the surface of the positive electrode active material that affects the output characteristics. It is an object to provide a method for evaluating a positive electrode material for a non-aqueous electrolyte secondary battery that can be used for improvement
本発明者は、上記課題を解決するため、安定濃縮同位体6Liのラベル化を用いたリチウム金属複合酸化物におけるリチウム拡散の評価について鋭意検討した結果、リチウム金属複合酸化物の表面に形成された被覆層を6Liでラベル化してリチウムイオンの挙動の変化を評価することにより、出力特性の改善を検討する上で有効なデータが得られるとの知見を得て、本発明を完成した。 In order to solve the above-mentioned problems, the present inventor has made extensive studies on the evaluation of lithium diffusion in lithium metal composite oxides using labeling of stable enriched isotope 6 Li. As a result, the present inventors formed a lithium metal composite oxide on the surface. By labeling the coated layer with 6 Li and evaluating the change in the behavior of lithium ions, the inventors have obtained the knowledge that effective data can be obtained for studying the improvement of the output characteristics, thereby completing the present invention.
第1発明の非水系電解質二次電池用正極材料の評価方法は、リチウム金属複合酸化物の表面がリチウムイオン伝導性酸化物で被覆され、該リチウム金属複合酸化物と該リチウムイオン伝導性酸化物が6Liでラベル化された正極と、7Liでラベル化された電解液と、負極と、を含んで構成されている非水系電解質二次電池を充放電させた後、前記正極に二次イオン質量分析を行い、前記正極内における6Liと7Liとの拡散プロファイルを取得することを特徴とする。
第2発明の非水系電解質二次電池用正極材料の評価方法は、第1発明において、リチウム金属複合酸化物およびリチウムイオン伝導性酸化物内の、リチウムの同位体比が6Li/7Li≧90.0/10.0であることを特徴とする。
第3発明の非水系電解質二次電池用正極材料の評価方法は、第1または第2発明において、安定濃縮同位体7Liでラベル化された電解液は、リチウムの同位体比が7Li/6Li≧90.0/10.0であることを特徴とする。
第4発明の非水系電解質二次電池用正極材料の評価方法は、第1〜第3発明いずれかにおいて、負極は、安定濃縮同位体7Liでラベル化され、負極内のリチウムの同位体比が7Li/6Li≧90.0/10.0であることを特徴とする。
第5発明の非水系電解質二次電池用正極材料の評価方法は、第1〜第4発明いずれかにおいて、正極は薄膜であり、該薄膜は物理的成膜法によって作製されていることを特徴とする。
第6発明の非水系電解質二次電池用正極材料の評価方法は、第5発明において、薄膜を構成するリチウムイオン伝導性酸化物の厚さが100〜500nmであることを特徴とする。
第7発明の非水系電解質二次電池用正極材料の評価方法は、第6発明において、前記リチウムイオン伝導性酸化物の厚さの変動幅が10%以内であることを特徴とする。
The method for evaluating a positive electrode material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to the first invention is such that the surface of a lithium metal composite oxide is coated with a lithium ion conductive oxide, the lithium metal composite oxide and the lithium ion conductive oxide Is charged and discharged with a non-aqueous electrolyte secondary battery including a positive electrode labeled with 6 Li, an electrolyte solution labeled with 7 Li, and a negative electrode. Ion mass spectrometry is performed to obtain a diffusion profile of 6 Li and 7 Li in the positive electrode.
The method for evaluating a positive electrode material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to a second aspect of the present invention is the first aspect, wherein the lithium isotope ratio in the lithium metal composite oxide and the lithium ion conductive oxide is 6 Li / 7 Li ≧ It is 90.0 / 10.0.
The method for evaluating a positive electrode material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to the third aspect of the present invention is the first or second aspect, wherein the electrolyte solution labeled with the stable concentrated isotope 7 Li has a lithium isotope ratio of 7 Li / 6 Li ≧ 90.0 / 10.0.
The positive electrode material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to a fourth aspect of the invention is any one of the first to third aspects, wherein the negative electrode is labeled with a stable concentrated isotope 7 Li, and the isotope ratio of lithium in the negative electrode 7 Li / 6 Li ≧ 90.0 / 10.0.
The positive electrode material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to a fifth aspect of the invention is characterized in that, in any of the first to fourth aspects, the positive electrode is a thin film, and the thin film is produced by a physical film formation method. And
The method for evaluating a positive electrode material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to a sixth aspect of the invention is characterized in that, in the fifth aspect, the lithium ion conductive oxide constituting the thin film has a thickness of 100 to 500 nm.
The method for evaluating a positive electrode material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to a seventh aspect of the invention is characterized in that, in the sixth aspect, the variation width of the thickness of the lithium ion conductive oxide is within 10%.
第1発明によれば、リチウム金属複合酸化物とリチウムイオン伝導性酸化物が6Liでラベル化された正極と、安定濃縮同位体7Liでラベル化された電解液と、負極と、を含んで構成されている非水系電解質二次電池を充放電させた後、6Liと7Liを二次イオン質量分析し、拡散プロファイルを取得することにより、充放電させた際のLiの挙動を把握することが可能となる。すなわち、拡散プロファイルを解析することにより、リチウムイオン伝導性酸化物のリチウムイオンの自己拡散係数の評価が可能であり、出力特性改善の検討に有用なデータが得られる。このため、正極活物質として用いられるリチウム金属複合酸化物の表面にリチウムイオン伝導性酸化物被覆層を形成した際のリチウムイオンの挙動の変化を調査することが可能となり、高出力特性に効果が期待できる被覆層の探索や性能評価に活用でき、その価値は大きい。
第2発明によれば、正極内のリチウムの同位体比が6Li/7Li≧90.0/10.0であることで、放電時に挿入された7Liがより明確になり、より微細な変化も把握することが可能となり、出力特性改善の検討に有用となる。
第3発明によれば、安定濃縮同位体7Liでラベル化した電解液は、リチウムの同位体比が7Li/6Li≧90.0/10.0であることで、放電時に正極活物質に挿入されるLiへの6Liの混入が低減され、ほぼ7Liのみを挿入させることができ、より微細な変化も把握することが可能となる。
第4発明によれば、負極についても、安定濃縮同位体7Liでラベル化され、リチウムの同位体比が7Li/6Li≧90.0/10.0であることで、放電時に挿入されるLiへの6Liの混入を低減させることができる。
第5発明によるPLD法等による物理的製膜法により作成されている正極薄膜は、6Liによるラベル化が容易であり好ましい。
第6発明によれば、リチウムイオン伝導性酸化物の厚さを100〜500nmとすることで、正極材料の各構成材料間の差を明確に把握することができる。
第7発明によれば、厚みの変動による電解液との接触状態やLi拡散速度の変動などの影響を排除することができ、正確な評価を得ることができる。
According to the first invention, a positive electrode in which a lithium metal composite oxide and a lithium ion conductive oxide are labeled with 6 Li, an electrolyte solution labeled with a stable concentrated isotope 7 Li, and a negative electrode are included. After charging / discharging the non-aqueous electrolyte secondary battery composed of the above, 6 Li and 7 Li are subjected to secondary ion mass spectrometry, and the diffusion profile is obtained to understand the behavior of Li during charge / discharge. It becomes possible to do. That is, by analyzing the diffusion profile, the lithium ion self-diffusion coefficient of the lithium ion conductive oxide can be evaluated, and useful data for studying the improvement of output characteristics can be obtained. This makes it possible to investigate changes in the behavior of lithium ions when a lithium ion conductive oxide coating layer is formed on the surface of a lithium metal composite oxide used as a positive electrode active material, which is effective for high output characteristics. It can be used to search for potential coating layers and evaluate performance, and its value is great.
According to the second invention, when the isotope ratio of lithium in the positive electrode is 6 Li / 7 Li ≧ 90.0 / 10.0, 7 Li inserted at the time of discharge becomes clearer and finer It becomes possible to grasp the change, which is useful for examining the improvement of output characteristics.
According to the third invention, the electrolyte solution labeled with the stable concentrated isotope 7 Li has a lithium isotope ratio of 7 Li / 6 Li ≧ 90.0 / 10.0. Mixing of 6 Li into Li inserted into the metal is reduced, and only approximately 7 Li can be inserted, so that even finer changes can be grasped.
According to the fourth invention, the negative electrode is also labeled with the stable concentrated isotope 7 Li, and the lithium isotope ratio is 7 Li / 6 Li ≧ 90.0 / 10.0, so that it is inserted at the time of discharge. 6 Li can be reduced.
The positive electrode thin film prepared by a physical film forming method such as a PLD method according to the fifth invention is preferable because it can be easily labeled with 6 Li.
According to the sixth aspect of the invention, the difference between the constituent materials of the positive electrode material can be clearly grasped by setting the thickness of the lithium ion conductive oxide to 100 to 500 nm.
According to the seventh aspect of the invention, it is possible to eliminate influences such as a contact state with the electrolytic solution due to a variation in thickness and a variation in Li diffusion rate, and an accurate evaluation can be obtained.
本発明の非水系電解質二次電池用正極材料の評価方法(以下、単に「評価方法」という)は、リチウム金属複合酸化物の表面がリチウムイオン伝導性酸化物で被覆され、該リチウム金属複合酸化物と該リチウムイオン伝導性酸化物が6Liでラベル化された正極と、安定濃縮同位体7Liでラベル化した電解液と、負極とを含んで構成されている非水系電解質二次電池を充放電させた後、正極に二次イオン質量分析を行い、正極内における6Liと7Liとの拡散プロファイル取得するものである。 The method for evaluating a positive electrode material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention (hereinafter simply referred to as “evaluation method”) is a method in which the surface of a lithium metal composite oxide is coated with a lithium ion conductive oxide. A non-aqueous electrolyte secondary battery comprising a cathode, a positive electrode in which the lithium ion conductive oxide is labeled with 6 Li, an electrolyte solution labeled with a stable concentrated isotope 7 Li, and a negative electrode After charging and discharging, secondary ion mass spectrometry is performed on the positive electrode, and a diffusion profile of 6 Li and 7 Li in the positive electrode is obtained.
リチウム(Li)には、原子番号が等しいが質量数の異なる原子である自然同位体として6Liと7Liが存在し、二次イオン質量分析により、物質中のその微量な存在量まで分析が可能である。本発明の評価方法は、6Liを用いてラベル(トレーサー)化し、Liの挙動を二次イオン質量分析により評価するものである。ここで「ラベル化する」とは、ある物体を構成する一の原子について、一の同位体の割合をあらかじめ定められた数値以内とし、該同位体を標識として評価することを可能とすることを言う。 Lithium (Li) has 6 Li and 7 Li as natural isotopes, which are atoms with the same atomic number but different mass numbers. Secondary ion mass spectrometry can be used to analyze even the smallest amount in a substance. Is possible. In the evaluation method of the present invention, 6 Li is used as a label (tracer), and the behavior of Li is evaluated by secondary ion mass spectrometry. Here, “labeling” means that the ratio of one isotope is within a predetermined numerical value for one atom constituting an object, and that the isotope can be evaluated as a label. say.
非水系電解質二次電池の出力特性の改善には、正極活物質として用いられるリチウム金属複合酸化物の表面をリチウムイオン伝導性酸化物で被覆することが有効であるが、更なる出力特性の向上のためには、電解液と正極活物質との間のLiの移動、すなわち電解液とリチウムイオン伝導性酸化物、およびリチウムイオン伝導性酸化物とリチウム金属複合酸化物の間のLiの移動を詳細に把握することが重要となる。 To improve the output characteristics of non-aqueous electrolyte secondary batteries, it is effective to coat the surface of the lithium metal composite oxide used as the positive electrode active material with a lithium ion conductive oxide. For this purpose, the movement of Li between the electrolytic solution and the positive electrode active material, that is, the movement of Li between the electrolytic solution and the lithium ion conductive oxide, and between the lithium ion conductive oxide and the lithium metal composite oxide, It is important to know in detail.
本発明の評価方法では、6Liと7Liを用いてラベル化することにより、電解液と正極活物質との間のLiの移動を容易に把握することができる。Liは充電時に正極活物質から引き抜かれて電解液中に拡散し、放電時には電解液中から正極活物質中に挿入される。したがって、図1に示すように、正極活物質を構成するリチウム金属複合酸化物とその表面のリチウムイオン伝導性酸化物に含まれるLiを6Li、電解液中のLiを7Liとし、充放電前後に6Liと7Liを二次イオン質量分析することにより、出力特性を支配する放電時のLi挙動を把握することができる。 In the evaluation method of the present invention, by using 6 Li and 7 Li for labeling, it is possible to easily grasp the movement of Li between the electrolytic solution and the positive electrode active material. Li is extracted from the positive electrode active material during charging and diffused into the electrolytic solution, and inserted into the positive electrode active material from the electrolytic solution during discharging. Therefore, as shown in FIG. 1, Li contained in the lithium metal composite oxide constituting the positive electrode active material and the lithium ion conductive oxide on its surface is 6 Li, Li in the electrolytic solution is 7 Li, and charging / discharging By performing secondary ion mass spectrometry of 6 Li and 7 Li before and after, it is possible to grasp the Li behavior during discharge that governs the output characteristics.
すなわち、リチウム金属複合酸化物とリチウムイオン伝導性酸化物中のLiの大部分は6Liとして存在する。一方、電解液中には7Liが大量に存在するため、充電時に6Liが引き抜かれて電解液中に拡散しても、大部分は7Liであり、放電時には7Liが挿入されることとなる。したがって、充放電後に6Liと7Liを二次イオン質量分析することにより、充放電させた際のLiの移動に及ぼすリチウムイオン伝導性酸化物の影響を把握することが可能となり、拡散プロファイルを解析することにより、リチウムイオン伝導性酸化物のリチウムイオンの自己拡散係数の評価が可能であり、出力特性改善の検討に有用なデータが得られる。 That is, most of Li in the lithium metal composite oxide and the lithium ion conductive oxide exists as 6 Li. On the other hand, since a large amount of 7 Li is present in the electrolytic solution, even if 6 Li is drawn out during charging and diffuses into the electrolytic solution, the majority is 7 Li, and 7 Li is inserted during discharging. It becomes. Therefore, by secondary ion mass spectrometry of 6 Li and 7 Li after charge and discharge, it becomes possible to grasp the influence of the lithium ion conductive oxide on the movement of Li when charged and discharged, and the diffusion profile is By analyzing, it is possible to evaluate the self-diffusion coefficient of lithium ion of the lithium ion conductive oxide, and data useful for studying improvement of output characteristics can be obtained.
ここで、リチウム金属複合酸化物のみを6Liでラベル化しても、正極活物質のLiの移動に大きな影響を及ぼすリチウムイオン伝導性酸化物中でのLiの移動が不明確になる。したがって、リチウム金属複合酸化物およびリチウムイオン伝導性酸化物を構成するLiを6Liとしてラベル化することに、リチウムイオン伝導性酸化物中でのLiの移動も含めて明確なデータを得ることが可能となる。 Here, even if only the lithium metal composite oxide is labeled with 6 Li, the movement of Li in the lithium ion conductive oxide that greatly affects the movement of Li in the positive electrode active material becomes unclear. Therefore, when Li constituting the lithium metal composite oxide and the lithium ion conductive oxide is labeled as 6 Li, clear data including movement of Li in the lithium ion conductive oxide can be obtained. It becomes possible.
ラベル化するためには、リチウム金属複合酸化物およびリチウムイオン伝導性酸化物中でのLi移動が確認できる程度に6Liが含まれればよいが、リチウムの同位体比が6Li/7Li≧90.0/10.0であることが好ましい。これにより、放電時に挿入された7Liがより明確になり、より微細な変化も把握することが可能となり、出力特性改善の検討に有用である。なお、リチウム金属複合酸化物、およびリチウムイオン伝導性酸化物のそれぞれにおいて、リチウムの同位体比が6Li/7Li≧90.0/10.0であることが好ましいが、これらの二つを合わせた状態でのリチウムの同位体比が6Li/7Li≧90.0/10.0であっても問題ない。 In order to perform labeling, it is sufficient that 6 Li is contained to such an extent that Li movement in the lithium metal composite oxide and the lithium ion conductive oxide can be confirmed, but the lithium isotope ratio is 6 Li / 7 Li ≧ It is preferably 90.0 / 10.0. Thereby, 7 Li inserted at the time of discharge becomes clearer, and it becomes possible to grasp a finer change, which is useful for studying improvement of output characteristics. In each of the lithium metal composite oxide and the lithium ion conductive oxide, it is preferable that the isotope ratio of lithium is 6 Li / 7 Li ≧ 90.0 / 10.0. There is no problem even if the lithium isotope ratio in the combined state is 6 Li / 7 Li ≧ 90.0 / 10.0.
また、前記安定濃縮同位体7Liでラベル化した電解液は、リチウムの同位体比が7Li/6Li≧90.0/10.0であることが好ましい。これにより、放電時に正極活物質に挿入されるLiへの6Liの混入が低減され、ほぼ7Liのみを挿入させることができ、より微細な変化も把握することが可能となる。放電時に挿入されるLiへの6Liの混入を低減させる観点から、前記負極についても、安定濃縮同位体7Liでラベル化され、リチウムの同位体比が7Li/6Li≧90.0/10.0であることが好ましい。
上記態様では、正極を6Liでラベル化したが、7Liでラベル化し、負極および電解液を6Liでラベル化ししてもよい。すなわち、正極と、負極および電解液を異なる同位体のLiでラベル化することでLi挙動を把握することができる。
In addition, the electrolyte solution labeled with the stable concentrated isotope 7 Li preferably has a lithium isotope ratio of 7 Li / 6 Li ≧ 90.0 / 10.0. Thereby, mixing of 6 Li into Li inserted into the positive electrode active material at the time of discharge can be reduced, and only 7 Li can be inserted, and a more minute change can be grasped. From the viewpoint of reducing the mixing of 6 Li into Li inserted during discharge, the negative electrode is also labeled with the stable concentrated isotope 7 Li, and the isotope ratio of lithium is 7 Li / 6 Li ≧ 90.0 / It is preferable that it is 10.0.
In the above embodiment has been labeled a positive electrode with 6 Li, and labeled with 7 Li, a negative electrode and an electrolyte may be labeled with 6 Li. That is, the Li behavior can be grasped by labeling the positive electrode, the negative electrode, and the electrolyte with different isotopes of Li.
本発明の評価方法は、6Liと7Liでラベル化可能で充放電後に二次イオン質量分析が可能な正極を有する非水系電解質二次電池(以下、単に「電池」という)であれば適用することが可能であるが、Liの移動をより簡便に分析するため、以下の構成を有する電池を用いて非水系電解質二次電池用正極材料(以下、単に「正極材」という)を評価することが好ましい。 The evaluation method of the present invention is applicable to any nonaqueous electrolyte secondary battery (hereinafter simply referred to as “battery”) having a positive electrode capable of being labeled with 6 Li and 7 Li and capable of secondary ion mass spectrometry after charge and discharge. In order to more easily analyze the movement of Li, a positive electrode material for a non-aqueous electrolyte secondary battery (hereinafter simply referred to as “positive electrode material”) is evaluated using a battery having the following configuration. It is preferable.
本発明の評価方法に用いる電池の好ましい態様は、正極材料としてリチウム金属複合酸化物の表面にリチウムイオン伝導性酸化物により表面を修飾されたリチウム金属複合酸化物を用いた正極電極、セパレーター、負極、電解液から構成されるコイン型非水系電解質二次電池(以下、単に「コイン型セル」という)である。 A preferred embodiment of the battery used in the evaluation method of the present invention is a positive electrode, separator, and negative electrode using a lithium metal composite oxide whose surface is modified with a lithium ion conductive oxide on the surface of the lithium metal composite oxide as a positive electrode material. , A coin-type non-aqueous electrolyte secondary battery (hereinafter simply referred to as “coin-type cell”) composed of an electrolyte.
前記正極材に用いられるリチウム金属複合酸化物は、出力特性の改善を検討する対象とすればよいが、対象としては、例えば4V級の高い電圧が得られ、充放電特性に優れる層状型のリチウム複合酸化物が挙げられる。そして、リチウムコバルト複合酸化物(LiCoO2)、リチウムニッケル複合酸化物(LiNiO2)、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物(LiNi1/3Co1/3Mn1/3)などの材料を対象とすることができるが、出力特性向上のメカニズムを検討する上では、LiCoO2が合成が比較的容易で組成が単純であり、好ましい。 The lithium metal composite oxide used for the positive electrode material may be an object for studying improvement of output characteristics, but as an object, for example, a high voltage of 4V class is obtained, and layered lithium having excellent charge / discharge characteristics is obtained. A composite oxide is mentioned. And it targets materials such as lithium cobalt composite oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel composite oxide (LiNiO 2 ), and lithium nickel cobalt manganese composite oxide (LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 ). However, when examining the mechanism for improving the output characteristics, LiCoO 2 is preferable because it is relatively easy to synthesize and has a simple composition.
さらに、正極材料は、リチウム金属複合酸化物およびリチウムイオン伝導性酸化物の薄膜により構成され、この薄膜を物理的成膜法によって作製することが好ましい。例えば、6Liでラベル化した上記リチウム金属複合酸化物の粉末を焼結しターゲットを作製した後、パルスレーザー堆積(PLD)法により、Pt/Cr/SiO2などの平滑な導電性基板の上にリチウム金属複合酸化物を堆積させた後、被覆層としてリチウムイオン伝導性酸化物を同様にして堆積させると、正極薄膜が得られる。このようなPLD法による正極薄膜は、6Liによるでラベル化が容易であるので好ましい。 Furthermore, the positive electrode material is preferably composed of a thin film of a lithium metal composite oxide and a lithium ion conductive oxide, and this thin film is preferably produced by a physical film formation method. For example, after sintering the above lithium metal complex oxide powder labeled with 6 Li to produce a target, a pulse laser deposition (PLD) method is used to form a Pt / Cr / SiO 2 or other smooth conductive substrate. After depositing a lithium metal composite oxide on the substrate, a lithium ion conductive oxide is deposited in the same manner as a coating layer to obtain a positive electrode thin film. Such a positive electrode thin film by the PLD method is preferable because it is easy to label with 6 Li.
正極薄膜の被覆層となるリチウムイオン伝導性酸化物は、例えば、電気化学的酸化に対して安定な価数が4価以上の金属元素からなる材料が選択される。このような物質としては、Li2WO4、Li4WO5、Li6W2O9、7(Li2WO4)・4H2Oなどのリチウムと価数が6価であるタングステンからなるタングステン酸リチウムが挙げられる。その他の被覆層の材料としては、リチウムを含まない酸化物材料を選択しても良く、このような物質としては、MgO、ZnO、ZrO2などが挙げられる。これらの被覆層は、結晶状態、非晶質状態いずれの状態であっても良い。 As the lithium ion conductive oxide serving as the coating layer for the positive electrode thin film, for example, a material made of a metal element having a valence of 4 or more that is stable against electrochemical oxidation is selected. Examples of such a material include tungsten such as Li 2 WO 4 , Li 4 WO 5 , Li 6 W 2 O 9 , 7 (Li 2 WO 4 ) · 4H 2 O, and tungsten having a valence of six. A lithium acid is mentioned. As the other coating layer material, an oxide material that does not contain lithium may be selected. Examples of such a material include MgO, ZnO, and ZrO 2 . These coating layers may be in a crystalline state or an amorphous state.
正極薄膜を構成するリチウムイオン伝導性酸化物の薄膜の厚さは、100〜500nmであることが好ましい。厚さを100〜500nmとすることにより、正極材料の各構成材料間の差を明確に把握することができる。厚さが100nm未満では、成膜条件によりリチウムイオン伝導性酸化物の効果が十分に得られないことがあり、また、500nmではLiの移動が阻害されることがあり、効果を明確に示すデータが得られないことがある。さらに、リチウムイオン伝導性酸化物の厚さは、変動幅が10%以内であることが好ましい。これにより、厚みの変動による電解液との接触状態やLi拡散速度の変動などの影響を排除することができ、正確な評価を得ることができる。 The thickness of the lithium ion conductive oxide thin film constituting the positive electrode thin film is preferably 100 to 500 nm. By setting the thickness to 100 to 500 nm, it is possible to clearly grasp the difference between the constituent materials of the positive electrode material. If the thickness is less than 100 nm, the effect of the lithium ion conductive oxide may not be sufficiently obtained depending on the film forming conditions, and if the thickness is 500 nm, the movement of Li may be inhibited. May not be obtained. Furthermore, the thickness of the lithium ion conductive oxide preferably has a fluctuation range of 10% or less. As a result, it is possible to eliminate influences such as a contact state with the electrolytic solution due to a variation in thickness and a variation in Li diffusion rate, and an accurate evaluation can be obtained.
以下に、正極薄膜を用いた電池の各構成を詳細に説明する。
(1)正極
正極を形成する正極薄膜電極について説明する。正極を構成する材料は、正極薄膜と基板で構成される。
原料となる6Liでラベル化したリチウム金属複合酸化物の粉末を焼結しターゲットを作製した後、PLD法やスパッタ蒸着法や分子線エピタキシー法などの物理的成膜法を用いて、予めコインセルに適したサイズに裁断されたPt/Cr/SiO2やPtなどの導電性基板の上にリチウム金属複合酸化物の薄膜を堆積させる。
次に、6Liでラベル化したリチウムイオン伝導性酸化物を、物理的成膜法を用いてリチウム金属複合酸化物の薄膜上に堆積させる。
リチウム複合酸化物としては、リチウムコバルト複合酸化物(LiCoO2)、リチウムニッケル複合酸化物(LiNiO2)、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物(LiNi1/3Co1/3Mn1/3)などが挙げられる。
リチウムイオン伝導性酸化物としては、具体的にはTi、V、Nb、Ta、Mo、Wから選ばれる少なくとも1種類を含有するリチウム複合酸化物がある。より具体的なイオン伝導性酸化物としては、例えば、タングステン酸リチウム、モリブデン酸リチウム、チタン酸リチウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等のリチウム複合酸化物が挙げられる。
Below, each structure of the battery using a positive electrode thin film is demonstrated in detail.
(1) Positive electrode The positive electrode thin film electrode which forms a positive electrode is demonstrated. The material constituting the positive electrode is composed of a positive electrode thin film and a substrate.
After sintering the lithium metal composite oxide powder labeled with 6 Li as a raw material to produce a target, a coin cell is previously formed using a physical film-forming method such as PLD method, sputter deposition method or molecular beam epitaxy method. A thin film of lithium metal composite oxide is deposited on a conductive substrate such as Pt / Cr / SiO 2 or Pt that has been cut to a size suitable for the above.
Next, a lithium ion conductive oxide labeled with 6 Li is deposited on the lithium metal composite oxide thin film using a physical film forming method.
Examples of the lithium composite oxide include lithium cobalt composite oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel composite oxide (LiNiO 2 ), and lithium nickel cobalt manganese composite oxide (LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 ). Can be mentioned.
Specific examples of the lithium ion conductive oxide include a lithium composite oxide containing at least one selected from Ti, V, Nb, Ta, Mo, and W. More specific examples of the ion conductive oxide include lithium composite oxides such as lithium tungstate, lithium molybdate, lithium titanate, lithium niobate, and lithium tantalate.
(2)負極
負極は、上述のように7Liでラベル化されていることが好ましく、金属リチウム、もしくはリチウム合金を使用することが好ましい。負極を構成する金属リチウム、もしくはリチウム合金は、コインセルが膨れないように厚みを0.5〜2.0mmの範囲とすることが好ましい。コインセルに収まるように直径を5〜15mm程度の円形に整形することが好ましく、負極は正極より面積が大きいことが好ましい。
(2) Negative electrode The negative electrode is preferably labeled with 7 Li as described above, and it is preferable to use metallic lithium or a lithium alloy. The thickness of the metal lithium or lithium alloy constituting the negative electrode is preferably in the range of 0.5 to 2.0 mm so that the coin cell does not swell. It is preferable to shape the circular shape with a diameter of about 5 to 15 mm so as to fit in the coin cell, and the negative electrode preferably has a larger area than the positive electrode.
(3)セパレーター
正極と負極との間にはセパレーターを挟み込んで配置する。セパレーターは、正極と負極間の絶縁、さらには電解液を保持するなどの機能を持つものであり、一般的な非水系電解質二次電池で使用されているものを用いることができる。例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、あるいはそれら積層品等の多孔膜など、その必要機能を有するものであればよく、一般的な非水系電解質二次電池で使用されているセパレーターで測定妨害元素が含まれなければ、特に限定されるものではない。
(3) Separator A separator is interposed between the positive electrode and the negative electrode. The separator has functions such as insulation between the positive electrode and the negative electrode and further holding the electrolyte, and those used in general non-aqueous electrolyte secondary batteries can be used. For example, a porous film such as polyethylene (PE), polypropylene (PP), or a laminate thereof may be used as long as it has the necessary function, and measured with a separator used in a general non-aqueous electrolyte secondary battery. As long as no interfering element is contained, there is no particular limitation.
(4)非水系電解液
非水系電解液は、電解質としてのリチウム塩を有機溶媒に溶解したものである。有機溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、トリフルオロプロピレンカーボネート等の環状カーボネート、また、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジプロピルカーボネート等の鎖状カーボネート、さらに、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジメトキシエタン等のエーテル化合物、エチルメチルスルホン、ブタンスルトン等の硫黄化合物、リン酸トリエチル、リン酸トリオクチル等のリン化合物等から選ばれる1種を単独で、あるいは2種以上を混合して用いることができる。
電解質としては、安定濃縮同位体7Liでラベル化または自然同位体(7Li/6Li=92.5/7.5)のLiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiN(CF3SO2)2等、およびそれらの複合塩を用いることができる。さらに、非水系電解液は、ラジカル補足剤、界面活性剤および難燃剤等を含んでいてもよい。
(4) Non-aqueous electrolyte The non-aqueous electrolyte is obtained by dissolving a lithium salt as an electrolyte in an organic solvent. Examples of the organic solvent include cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, and trifluoropropylene carbonate; chain carbonates such as diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, and dipropyl carbonate; and tetrahydrofuran, 2- One kind selected from ether compounds such as methyltetrahydrofuran and dimethoxyethane, sulfur compounds such as ethylmethylsulfone and butanesultone, phosphorus compounds such as triethyl phosphate and trioctyl phosphate, etc. are used alone or in admixture of two or more. be able to.
As an electrolyte, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiN (CF 3 SO 3 ) labeled with a stable concentrated isotope 7 Li or a natural isotope ( 7 Li / 6 Li = 92.5 / 7.5) 2 ) 2 etc. and their complex salts can be used. Furthermore, the non-aqueous electrolyte solution may contain a radical scavenger, a surfactant, a flame retardant, and the like.
(5)電池の構成
正極および負極を、セパレーターを介して積層させて電極体とし、この電極体に非水電解液を含浸させる。正極および負極をそれぞれ外部端子と接続して導通させる。以上の構成のものをステンレスなどの金属製の容器に入れてコイン型セルを作製する。
(5) Battery configuration A positive electrode and a negative electrode are laminated via a separator to form an electrode body, and this electrode body is impregnated with a non-aqueous electrolyte. Each of the positive electrode and the negative electrode is connected to an external terminal to conduct. The coin cell is manufactured by putting the above structure into a metal container such as stainless steel.
(実施例1)
図2には、本発明の評価方法に用いた正極電極11の断面の概略図を示す。
実施例1においては、正極活物質13として安定濃縮同位体6Liでラベル化したLiCoO2薄膜を用いた。LiCoO2薄膜は、PLD法により作製した。LiCoO2の組成となるように6Liでラベル化されたLi2CO3(Camblidge Isotope Laboratories社製、6Li/7Li=95/5)とCo3O4を混合し、980℃酸素雰囲気で焼成してLiCoO2粉末を作製した。その後、LiCoO2粉末を1000℃で焼結してペレット作製した。このペレットをターゲットとして、500℃酸素雰囲気下において、Pt/Cr/SiO2基板12上に8mm×8mmの面積でLiCoO2(LCO)薄膜を300nmの厚みに作製した。
Example 1
In FIG. 2, the schematic of the cross section of the positive electrode 11 used for the evaluation method of this invention is shown.
In Example 1, a LiCoO 2 thin film labeled with a stable concentrated isotope 6 Li was used as the positive electrode active material 13. The LiCoO 2 thin film was produced by the PLD method. Li 2 CO 3 (manufactured by Cambridge Isotop Laboratories, 6 Li / 7 Li = 95/5) and Co 3 O 4 mixed with 6 Li so as to have a composition of LiCoO 2 were mixed at 980 ° C. in an oxygen atmosphere. Firing was performed to prepare LiCoO 2 powder. Thereafter, LiCoO 2 powder was sintered at 1000 ° C. to produce pellets. Using this pellet as a target, a LiCoO 2 (LCO) thin film having an area of 8 mm × 8 mm was formed to a thickness of 300 nm on a Pt / Cr / SiO 2 substrate 12 in an oxygen atmosphere at 500 ° C.
その後、作製したLiCoO2薄膜の表面にリチウムイオン伝導性酸化物14としてタングステン酸リチウム(LWO)薄膜を形成した。薄膜の作製には、PLD法を用いた。6Liでラベル化されたLiOH・H2O(Sigma−Aldrich社製、6Li/7Li=95/5)とWO3とをモル比Li:W = 2:1で混合した後、120℃で24時間乾燥させることにより、LWO薄膜作製のターゲットとなるLi−W−O粉末を得た。この粉末を650℃で焼結してペレットにしてターゲットとした。このターゲットを用いて、上記で得られたLiCoO2薄膜の上にさらにLWO薄膜を500℃で300nmの厚さで形成し、図2に示す正極薄膜電極11を作製した。X線回折法(XRD)で分析したところ、結晶化したRhombohedral型のLi2WO4であった。 Thereafter, a lithium tungstate (LWO) thin film was formed as the lithium ion conductive oxide 14 on the surface of the prepared LiCoO 2 thin film. The PLD method was used for the production of the thin film. After mixing LiOH.H 2 O labeled with 6 Li (manufactured by Sigma-Aldrich, 6 Li / 7 Li = 95/5) and WO 3 at a molar ratio of Li: W = 2: 1, 120 ° C. Was dried for 24 hours to obtain a Li—W—O powder serving as a target for producing an LWO thin film. This powder was sintered at 650 ° C. to make a pellet as a target. Using this target, an LWO thin film was further formed at a thickness of 300 nm at 500 ° C. on the LiCoO 2 thin film obtained above to produce a positive electrode thin film electrode 11 shown in FIG. When analyzed by X-ray diffraction (XRD), it was crystallized Rhohedral type Li 2 WO 4 .
正極薄膜の評価には図3に示すコイン型セルを用いた。図3に示すように、コインセルはケース2と、このケース2内に収容された電極3とから構成されている。
ケース2は、中空かつ一端が開口された正極缶2aと、この正極缶2aの開口部に配置される負極缶2bとを有しており、負極缶2bを正極缶2aの開口部に配置すると、負極缶2bと正極缶2aとの間に電極3を収容する空間が形成されるように構成されている。
電極3は、正極(正極薄膜)3a、セパレーター3cおよび負極3bとからなり、この順に並ぶように積層されており、正極3aが正極缶2aの内面に接触し、負極3bが負極2bの内面に接触するようにケース2に収容されている。
なお、ケース2はガスケット2cを備えており、このガスケット2cによって、正極缶2aと負極缶2bとの間が非接触の状態を維持するように相対的な移動が固定されている。
For the evaluation of the positive electrode thin film, a coin-type cell shown in FIG. 3 was used. As shown in FIG. 3, the coin cell includes a case 2 and an electrode 3 accommodated in the case 2.
The case 2 has a positive electrode can 2a that is hollow and open at one end, and a negative electrode can 2b that is disposed in the opening of the positive electrode can 2a. When the negative electrode can 2b is disposed in the opening of the positive electrode can 2a, A space for accommodating the electrode 3 is formed between the negative electrode can 2b and the positive electrode can 2a.
The electrode 3 includes a positive electrode (positive electrode thin film) 3a, a separator 3c, and a negative electrode 3b, which are stacked in this order. The positive electrode 3a contacts the inner surface of the positive electrode can 2a, and the negative electrode 3b contacts the inner surface of the negative electrode 2b. It is accommodated in the case 2 so as to come into contact.
The case 2 includes a gasket 2c, and relative movement is fixed by the gasket 2c so as to maintain a non-contact state between the positive electrode can 2a and the negative electrode can 2b.
用いたコイン型セルは、以下のようにして作製した。
作製した正極薄膜を正極3aとし、負極3b、セパレーター3cおよび電解液とを用いて、図3のコイン型セルを露点が−60℃以下に管理されたAr雰囲気のグローブボックス内で作製した。
なお、負極3bには直径13mmの円盤状に打ち抜かれた圧さ0.5mmの自然同位体(7Li/6Li=92.5/7.5)の金属リチウムを用いた。
また、セパレーター3cには膜厚25μmのポリエチレン多孔膜を用いた。
The coin cell used was prepared as follows.
The produced positive electrode thin film was used as the positive electrode 3a, and using the negative electrode 3b, the separator 3c, and the electrolyte, the coin-type cell of FIG. 3 was produced in a glove box in an Ar atmosphere in which the dew point was controlled to −60 ° C. or less.
Note that the negative electrode 3b using metallic lithium natural isotopes 0.5mm pressure was punched into a disc having a diameter of 13mm (7 Li / 6 Li = 92.5 / 7.5).
Further, a polyethylene porous film having a film thickness of 25 μm was used for the separator 3c.
電解液は、自然同位体(7Li/6Li=92.5/7.5)の1MのLiPF6を支持電解質とするエチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)とエチルメチルカーボネート(EMC)の等量混合液(宇部興産株式会社製)を用いた。 The electrolytes are ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), and ethyl methyl carbonate (EMC) using 1M LiPF 6 of natural isotope ( 7 Li / 6 Li = 92.5 / 7.5) as a supporting electrolyte. The equivalent liquid mixture (made by Ube Industries, Ltd.) was used.
正極界面抵抗はコイン型セルを充電電位4.0Vまで充電して、周波数応答アナライザおよびポテンショガルバノスタットを使用して、交流インピーダンス測定を行い図4に示すインピーダンススペクトルを取得し、図5に示す等価回路モデルを組んで正極界面抵抗を解析した。ここで、Rsはバルク抵抗、R1は正極被膜抵抗、Rctは電解液/正極界面抵抗(界面のLi+移動抵抗)、Wはワーブルグ成分、CPE1、CPE2は定相要素を示す。表1に実施例1の正極界面抵抗を示す。 The positive electrode interface resistance is obtained by charging a coin-type cell to a charging potential of 4.0 V, measuring an AC impedance using a frequency response analyzer and a potentio galvanostat, and obtaining the impedance spectrum shown in FIG. A positive electrode interface resistance was analyzed using a circuit model. Here, Rs is a bulk resistance, R1 is a positive electrode film resistance, Rct is an electrolyte / positive electrode interface resistance (Li + movement resistance at the interface), W is a Warburg component, and CPE1 and CPE2 are constant phase elements. Table 1 shows the positive electrode interface resistance of Example 1.
次に、二次イオン質量分析(SIMS)を用いて実施例1の正極内におけるリチウムの拡散性を評価した。
交流インピーダンス測定を行ったコインセルを3.0Vまで放電し、Ar雰囲気のグローブボックス内でコインセルを解体し、正極薄膜のみを取り出し、付着したLiPF6を除去するためにDMCで洗浄し乾燥させ、SIMS用のサンプルとした。比較用に電気化学測定を実施していない成膜直後のLWO被覆LCO正極薄膜も用意した。上記サンプルは大気に触れないようにトランスファーベッセルを用いてAr雰囲気のグローブボックスからSIMS装置(CAMECA製、IMS−7f)に搬送し、サンプル表面に15kVに加速したCs+イオンを照射し、サンプルから放出される6Liと7Liの二次イオンを検出してSIMSによる深さ方向分析を行い、図6(B)に示すLiの拡散プロファイルを得た。比較のために、図6(A)には成膜直後のLi拡散プロファイルを示す。図6(A)〜(D)では、縦軸はリチウムの同位体の密度、横軸は正極の厚み方向で、横軸の300nmを境に左側が被覆層、右側が正極活物質である。また、6Liを実線で、7Liを点線で表している。
Next, the diffusibility of lithium in the positive electrode of Example 1 was evaluated using secondary ion mass spectrometry (SIMS).
The coin cell in which the AC impedance measurement was performed was discharged to 3.0 V, the coin cell was disassembled in a glove box in an Ar atmosphere, only the positive electrode thin film was taken out, washed with DMC to remove the attached LiPF 6 , dried, and SIMS A sample was prepared. For comparison, an LWO-coated LCO positive electrode thin film immediately after film formation without electrochemical measurement was also prepared. The sample is transferred from a glove box in an Ar atmosphere to a SIMS device (made by CAMECA, IMS-7f) using a transfer vessel so as not to be exposed to the atmosphere, and irradiated with Cs + ions accelerated to 15 kV on the sample surface. The secondary ions of 6 Li and 7 Li released were detected and analyzed in the depth direction by SIMS, and the Li diffusion profile shown in FIG. 6B was obtained. For comparison, FIG. 6A shows a Li diffusion profile immediately after film formation. 6A to 6D, the vertical axis represents the lithium isotope density, the horizontal axis represents the thickness direction of the positive electrode, the left side is the coating layer, and the right side is the positive electrode active material, with the horizontal axis being 300 nm. In addition, 6 Li is represented by a solid line and 7 Li is represented by a dotted line.
図6(A)に示すように、成膜直後のサンプルは正極の厚み方向(図6紙面の左右方向)全体で6Li/7Liの比が0.95/0.05と一定であり、LWO被覆LCO薄膜電極が安定濃縮同位体6Liでラベル化されていることが分かる。一方、実施例1のLi拡散プロファイルにおいては、図6(B)に示すように、LWO被覆層内は6Liが電解液中の自然同位体7Liと約20%交換されており、LCO領域は50%以上7Liと交換されていることが分かる。これは、放電時に電解液に存在する多量の7LiがLWO層内で滞っていることが影響していると考える。 As shown in FIG. 6 (A), in the sample immediately after film formation, the ratio of 6 Li / 7 Li in the whole thickness direction of the positive electrode (the left-right direction in FIG. 6) is constant at 0.95 / 0.05, It can be seen that the LWO coated LCO thin film electrode is labeled with the stable enriched isotope 6 Li. On the other hand, in the Li diffusion profile of Example 1, as shown in FIG. 6B, about 20% of 6 Li is exchanged with the natural isotope 7 Li in the electrolyte solution in the LWO coating layer. It can be seen that is exchanged for 50% or more and 7 Li. This is considered to be due to the fact that a large amount of 7 Li present in the electrolyte during discharge is stagnating in the LWO layer.
次に、トレーサー拡散実験を行い、被覆したRhombohedral型のLi2WO4のLiの自己拡散係数を評価した。上記電解液を一定量、成膜直後の実施例1のLWO被覆LCO薄膜電極に滴下し、25℃で1時間放置した。その後、DMCで洗浄し、SIMS用のサンプルとし、上記と同じ方法でSIMSによる深さ方向分析を行い、図7に示す7Liの拡散プロファイルを取得した。 Next, a tracer diffusion experiment was performed to evaluate the Li self-diffusion coefficient of Limboedral type Li 2 WO 4 coated. A certain amount of the electrolytic solution was dropped onto the LWO-coated LCO thin film electrode of Example 1 immediately after film formation and left at 25 ° C. for 1 hour. Thereafter, the sample was washed with DMC to obtain a sample for SIMS, and a depth direction analysis was performed by SIMS in the same manner as described above, and a 7 Li diffusion profile shown in FIG. 7 was obtained.
電解液からLWO層内部へ拡散する7Liの自己拡散係数は、拡散方程式から導出された(1)式を用いて図7に示す拡散プロファイルにフィッティングさせることにより算出した。得られたRhombohedral型のLi2WO4のLiの自己拡散係数は4.0×10−15cm2/secであった。
(実施例2)
LiOH・H2O(6Li/7Li=95/5)とWO3とをモル比Li:W = 4:1で混合してLWO薄膜作製のターゲットとなるLi−W−O粉末を得た以外は、実施例1と同様にして正極薄膜電極11を得るとともに評価した。XRDで正極薄膜のLWOの状態を確認したところ、結晶化したTetragonal型のLi2WO4であった。
(Example 2)
LiOH.H 2 O ( 6 Li / 7 Li = 95/5) and WO 3 were mixed at a molar ratio of Li: W = 4: 1 to obtain a Li—W—O powder serving as a target for LWO thin film production. Except for the above, the positive electrode thin film electrode 11 was obtained and evaluated in the same manner as in Example 1. When the state of LWO of the positive electrode thin film was confirmed by XRD, it was crystallized Tetragonal type Li 2 WO 4 .
電池性能を評価したところ、図3と表1に示すように実施例2のLWO被覆LCO薄膜は、実施例1よりも正極界面抵抗が低減され、出力特性が向上していることが確認された。また、電極内のLi拡散性を評価したところ、図6(C)に示すように実施例2のLi拡散プロファイルは、LWO被覆層内はエンリッチされた6Liが電解液中の自然同位体の7Liと約80%交換されており、LCO領域は電解液中の自然同位体の7Liとほぼ完全に交換されていることが分かる。これは、実施例1よりも電極内の6Liが電解液中の7Liと入れ替わっていることを示し、電極内のLi拡散性が向上したことが確認された。 When the battery performance was evaluated, as shown in FIG. 3 and Table 1, it was confirmed that the LWO-coated LCO thin film of Example 2 had a lower positive electrode interface resistance than that of Example 1 and improved output characteristics. . Further, when the Li diffusibility in the electrode was evaluated, as shown in FIG. 6C, the Li diffusion profile of Example 2 shows that 6 Li enriched in the LWO coating layer is a natural isotope in the electrolyte. 7 Li and has been replaced about 80%, LCO region is seen that they are almost completely replaced with 7 Li of natural isotopes in the electrolyte. This indicates that 6 Li in the electrode is replaced with 7 Li in the electrolytic solution as compared with Example 1, and it was confirmed that Li diffusibility in the electrode was improved.
さらに、トレーサー拡散実験結果、図7に示すように実施例2のTetragonal型のLi2WO4は、実施例1のRhombohedral型のLi2WO4よりも電解液中の7LiがLWO被覆層へ拡散していることが分かる。また、リチウムの自己拡散係数を算出したところ、表1に示すようにTetragonal型のLiの自己拡散係数は6.5×10−14cm2/secであり、Liの自己拡散係数が高いことが確認された。 Furthermore, as a result of the tracer diffusion experiment, as shown in FIG. 7, the tetragonal Li 2 WO 4 of Example 2 was transferred to the LWO coating layer by 7 Li in the electrolyte solution rather than the Rhombedral type Li 2 WO 4 of Example 1. You can see that it is spreading. Moreover, when the self-diffusion coefficient of lithium was calculated, as shown in Table 1, the self-diffusion coefficient of Tetragonal Li was 6.5 × 10 −14 cm 2 / sec, and the self-diffusion coefficient of Li was high. confirmed.
(実施例3)
LiOH・H2O(6Li/7Li=95/5)とWO3とをモル比Li:W = 4:1で混合してLWO薄膜作製のターゲットとなるLi−W−O粉末を得たこと、LWO薄膜を25℃で300nmの厚さに形成したこと以外は、実施例1と同様にして正極薄膜電極11を得るとともに評価した。XRDで正極薄膜電極11のLWOの状態を確認したところ、非晶質状態であった。
(Example 3)
LiOH.H 2 O ( 6 Li / 7 Li = 95/5) and WO 3 were mixed at a molar ratio of Li: W = 4: 1 to obtain a Li—W—O powder serving as a target for LWO thin film production. In addition, the positive electrode thin film electrode 11 was obtained and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the LWO thin film was formed at 25 ° C. to a thickness of 300 nm. When the LWO state of the positive electrode thin film electrode 11 was confirmed by XRD, it was in an amorphous state.
電池性能を評価したところ、図3と表1に示すように実施例3のLWO被覆LCO薄膜は、実施例1、2よりも正極界面抵抗が低減され、出力特性が大幅に向上していることが確認された。また、電極内のLi拡散性を評価したところ、図6(D)に示すように実施例3のLi拡散プロファイルは、電極内のLiは自然同位体の割合(7Li/6Li=92.5/7.5)で一定となり、6Liでラベル化された電極内のLiは、電解液中の自然同位体の7Liと完全に交換され、リチウムイオンが滞りなくスムーズに拡散され、電極内のLi拡散性がさらに向上したことが確認された。 When the battery performance was evaluated, as shown in FIG. 3 and Table 1, the LWO-coated LCO thin film of Example 3 had a lower positive electrode interface resistance than Examples 1 and 2, and the output characteristics were greatly improved. Was confirmed. Further, when the Li diffusibility in the electrode was evaluated, as shown in FIG. 6D, the Li diffusion profile of Example 3 shows that the Li in the electrode is a natural isotope ratio ( 7 Li / 6 Li = 92. 5 / 7.5), Li in the electrode labeled with 6 Li is completely exchanged with natural Li isotope 7 Li in the electrolyte, and lithium ions are smoothly diffused without stagnation. It was confirmed that the internal Li diffusibility was further improved.
次に、作製した正極薄膜を用いて、実施例1、2と同様にしてコイン型セルを作製し、電池性能を比較した。その結果、図3と表1に示すように実施例3のLWO被覆LCO薄膜は、実施例1、2よりも正極界面抵抗が低減され、出力特性が大幅に向上している様子が分かる。 Next, using the produced positive electrode thin film, coin type cells were produced in the same manner as in Examples 1 and 2, and the battery performance was compared. As a result, as shown in FIG. 3 and Table 1, it can be seen that the LWO-coated LCO thin film of Example 3 has a lower positive electrode interface resistance than that of Examples 1 and 2, and significantly improved output characteristics.
次に、作製した正極薄膜を用いて、実施例1、2と同様にして電極内のLi拡散性を調査した。その結果、図6(D)に示すように実施例3のLi拡散プロファイルを見ると、電極内のLiは自然同位体の割合(7Li/6Li=92.5/7.5)で一定となり、6Liでラベル化された電極内のLiは、電解液中の自然同位体の7Liと完全に交換され、リチウムイオンが滞りなくスムーズに拡散されたことが分かる。 Next, using the produced positive electrode thin film, Li diffusibility in the electrode was investigated in the same manner as in Examples 1 and 2. As a result, as shown in FIG. 6D, when the Li diffusion profile of Example 3 is seen, Li in the electrode is constant at a natural isotope ratio ( 7 Li / 6 Li = 92.5 / 7.5). Thus, it can be seen that Li in the electrode labeled with 6 Li was completely exchanged with natural Li isotope 7 Li in the electrolyte, and lithium ions were smoothly diffused without stagnation.
さらに、トレーサー拡散実験結果、図7に示すように実施例3の非晶質状態のLWOは、実施例1、2に示す結晶状態のLWOよりも電解液中の7LiがLWO被覆層へ拡散していることが分かる。また、リチウムの自己拡散係数を算出したところ、表1に示すように3.0×10−12cm2/secであり、実施例1、2の結晶状態のLWOよりもLiの自己拡散係数が高いことが確認された。
以上のように、本発明の評価方法により、リチウムイオン伝導性酸化物で被覆されたリチウム金属複合酸化物におけるリチウムイオンの拡散性が可視化され、出力特性に影響を及ぼすリチウムイオンの挙動の変化を評価することが可能であることが確認された。
Furthermore, as a result of the tracer diffusion experiment, as shown in FIG. 7, in the amorphous LWO of Example 3, 7 Li in the electrolyte solution diffuses into the LWO coating layer more than the LWO in the crystalline state shown in Examples 1 and 2. You can see that Further, when the self-diffusion coefficient of lithium was calculated, it was 3.0 × 10 −12 cm 2 / sec as shown in Table 1, and the Li self-diffusion coefficient was higher than the LWO in the crystalline state of Examples 1 and 2. It was confirmed to be high.
As described above, the evaluation method of the present invention makes it possible to visualize the diffusivity of lithium ions in the lithium metal composite oxide coated with the lithium ion conductive oxide, and to change the behavior of lithium ions affecting the output characteristics. It was confirmed that it was possible to evaluate.
(比較例)
リチウムイオン伝導性酸化物の被覆層を有しない正極活物質として安定濃縮同位体6Liでラベル化したLiCoO2薄膜を用いた以外は、実施例1と同様に評価した。実施例2、3よりも正極抵抗が増加して出力特性が低下していることが確認された。
(Comparative example)
Evaluation was performed in the same manner as in Example 1 except that a LiCoO 2 thin film labeled with a stable concentrated isotope 6 Li was used as a positive electrode active material having no coating layer of a lithium ion conductive oxide. It was confirmed that the positive electrode resistance was increased and the output characteristics were lower than those in Examples 2 and 3.
本発明の非水系電解質二次電池用正極材料の評価方法は、高出力が要求される電気自動車やハイブリッド自動車用リチウムイオン二次電池において、正極や負極の表面を被覆するために使われる様々な被覆層の評価や電極内で生じる現象解明に適している。将来的には本発明は、リチウムイオン二次電池だけでなく、新しい全固体電池材料の開発にも役立つものと考える。 The method for evaluating a positive electrode material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention includes various methods used to coat the surfaces of a positive electrode and a negative electrode in a lithium ion secondary battery for electric vehicles and hybrid vehicles that require high output. It is suitable for the evaluation of coating layers and the elucidation of phenomena occurring in electrodes. In the future, the present invention will be useful not only for lithium ion secondary batteries but also for development of new all-solid-state battery materials.
1 コイン型セル
2 ケース
2a 正極缶
2b 負極缶
2c ガスケット
3 電極
3a 正極
3b 負極
3c セパレーター
11 正極薄膜電極
12 基板
13 正極活物質
14 リチウムイオン伝導酸化物
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Coin type cell 2 Case 2a Positive electrode can 2b Negative electrode can 2c Gasket 3 Electrode 3a Positive electrode 3b Negative electrode 3c Separator 11 Positive electrode thin film electrode 12 Substrate 13 Positive electrode active material
14 Lithium ion conductive oxide
Claims (7)
7Liでラベル化された電解液と、
負極と、を含んで構成されている非水系電解質二次電池を充放電させた後、
前記正極に二次イオン質量分析を行い、前記正極内における6Liと7Liとの拡散プロファイルを取得する
ことを特徴とする非水系電解質二次電池用正極材料の評価方法。 A surface of the lithium metal composite oxide is coated with a lithium ion conductive oxide, the lithium metal composite oxide and a positive electrode in which the lithium ion conductive oxide is labeled with 6 Li;
An electrolyte labeled with 7 Li;
After charging and discharging a non-aqueous electrolyte secondary battery comprising a negative electrode,
A method for evaluating a positive electrode material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, wherein secondary ion mass spectrometry is performed on the positive electrode to obtain a diffusion profile of 6 Li and 7 Li in the positive electrode.
ことを特徴とする請求項1記載の非水系電解質二次電池用正極材料の評価方法。 2. The non-lithographic composition according to claim 1, wherein an isotope ratio of lithium in the lithium metal composite oxide and the lithium ion conductive oxide is 6 Li / 7 Li ≧ 90.0 / 10.0. Evaluation method of positive electrode material for aqueous electrolyte secondary battery.
ことを特徴とする請求項1または2記載の非水系電解質二次電池用正極材料の評価方法。 3. The electrolyte solution labeled with the stable concentrated isotope 7 Li has a lithium isotope ratio of 7 Li / 6 Li ≧ 90.0 / 10.0. 4. Evaluation method of positive electrode material for non-aqueous electrolyte secondary battery.
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の非水系電解質二次電池用正極材料の評価方法。 The negative electrode is labeled with the stably concentrated isotope 7 Li, and the isotope ratio of lithium in the negative electrode is 7 Li / 6 Li ≧ 90.0 / 10.0. The evaluation method of the positive electrode material for nonaqueous electrolyte secondary batteries in any one of 3.
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の非水系電解質二次電池用正極材料の評価方法。 The method for evaluating a positive electrode material for a nonaqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein the positive electrode is a thin film, and the thin film is produced by a physical film formation method.
ことを特徴とする請求項5記載の非水系電解質二次電池用正極材料の評価方法。 6. The method for evaluating a positive electrode material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 5, wherein the lithium ion conductive oxide constituting the thin film has a thickness of 100 to 500 nm.
ことを特徴とする請求項6記載の非水系電解質二次電池用正極材料の評価方法。 The method for evaluating a positive electrode material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 6, wherein the thickness fluctuation range of the lithium ion conductive oxide is within 10%.
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