JP2017103136A - Negative electrode active material for lithium ion secondary batteries, negative electrode for lithium ion secondary batteries, and lithium ion secondary battery - Google Patents

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康之 川中
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昭信 野島
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正孝 宮下
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a negative electrode active material with good charge and discharge cycle characteristics, and a lithium ion secondary battery using the negative electrode active material.SOLUTION: A negative electrode active material comprises: rod-like particles formed by a compound including Fe and O. In each rod-like particle, an external region is larger than an internal region in crystallite diameter. The crystallite diameter of the external region is 1.2-13.7 nm. Preferably, the crystal structure of the external region of the rod-like particles is FeO. A method for synthesizing a negative electrode active material for lithium ion secondary batteries, including rod-like particles comprises the step of performing a supercritical hydrothermal synthesis of an iron aqueous solution prepared by dissolving a soluble iron salt, a neutralizer and an additive agent in water with a 30%-HOwater as an oxidizing agent under the condition of a preheating temperature of 180°C and a reaction temperature of 400°C.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池用負極活物質、リチウムイオン二次電池用負極及びリチウムイオン二次電池に関するものである。   The present invention relates to a negative electrode active material for lithium ion secondary batteries, a negative electrode for lithium ion secondary batteries, and a lithium ion secondary battery.

リチウムイオン二次電池は、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池等と比べ、軽量、高容量であるため、携帯電子機器用電源として広く応用されている。また、ハイブリッド自動車や、電気自動車用に搭載される電源として有力な候補ともなっている。そして、近年の携帯電子機器の小型化、高機能化に伴い、これらの電源となるリチウムイオン二次電池への更なる高容量化が期待されている。   Lithium ion secondary batteries are widely applied as power sources for portable electronic devices because they are lighter and have a higher capacity than nickel cadmium batteries, nickel metal hydride batteries, and the like. It is also a promising candidate as a power source for use in hybrid vehicles and electric vehicles. With the recent miniaturization and higher functionality of portable electronic devices, further increase in capacity is expected for lithium ion secondary batteries that serve as these power sources.

リチウムイオン二次電池の容量は主に電極の活物質に依存する。負極活物質には、一般に黒鉛が利用されている。しかし、黒鉛の理論容量は372mAh/gであり、実用化されている電池では、既に約350mAh/gの容量が利用されている。よって、将来の高機能携帯機器のエネルギー源として十分な容量を有する非水電解質二次電池を得るためには、さらなる高容量化を実現する必要があり、そのためには、黒鉛以上の理論容量を有する負極材料が必要である。   The capacity of the lithium ion secondary battery mainly depends on the active material of the electrode. In general, graphite is used as the negative electrode active material. However, the theoretical capacity of graphite is 372 mAh / g, and a battery of about 350 mAh / g has already been used in a battery that has been put into practical use. Therefore, in order to obtain a non-aqueous electrolyte secondary battery having a sufficient capacity as an energy source for future high-performance portable devices, it is necessary to further increase the capacity. A negative electrode material is required.

かかる負極活物質の一例として、Fe等の鉄酸化物(鉄を構成元素として含む酸化物)を含む組成のものが挙げられる。これらの鉄酸化物は、リチウムイオンを電気化学的に吸蔵および放出可能であり、黒鉛に比べて非常に大きな容量の充放電が可能である。特にFeの理論放電容量は1005mAh/gであり、黒鉛の2.7倍もの高容量を示すことが知られている。(非特許文献1) As an example of such a negative electrode active material, a composition containing iron oxide (an oxide containing iron as a constituent element) such as Fe 2 O 3 can be given. These iron oxides can occlude and release lithium ions electrochemically, and can charge and discharge with a very large capacity compared to graphite. In particular, the theoretical discharge capacity of Fe 2 O 3 is 1005 mAh / g, which is known to be 2.7 times higher than that of graphite. (Non-Patent Document 1)

JOURNAL OF SOLID STSTE CHRMISTY 55,280−286(1984)JOURNAL OF SOLID STSTE CHRMISTY 55, 280-286 (1984)

しかしながら、上述した非特許文献1に記載された負極活物質においても、充放電サイクル特性は十分ではない。   However, even in the negative electrode active material described in Non-Patent Document 1 described above, the charge / discharge cycle characteristics are not sufficient.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、充放電サイクル特性が良好なリチウムイオン二次電池用負極活物質、リチウムイオン二次電池用負極及びリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。   This invention is made | formed in view of the said subject, and provides the negative electrode active material for lithium ion secondary batteries with favorable charging / discharging cycling characteristics, the negative electrode for lithium ion secondary batteries, and a lithium ion secondary battery. Objective.

上記目的を達成するために、本発明に係るリチウムイオン二次電池用負極活物質は、FeとOからなる化合物によって構成される棒状粒子であって、前記棒状粒子の外部領域の結晶子径は、内部領域の結晶子径よりも大きく、前記外部領域の結晶子径は、1.2nm以上、13.7nm以下であることを特徴とする。   In order to achieve the above object, the negative electrode active material for a lithium ion secondary battery according to the present invention is a rod-like particle composed of a compound composed of Fe and O, and the crystallite diameter of the outer region of the rod-like particle is The crystallite diameter of the outer region is larger than the inner region, and the crystallite size of the outer region is 1.2 nm or more and 13.7 nm or less.

本発明の負極活物質を用いることにより、良好な充放電サイクル特性を得ることができる。結晶子が小さいと、粒界が多くなり、リチウムイオン伝導の反応場が多くなる為優れた電池特性を示す一方、充放電に伴う膨張が大きくなるが、外部領域の結晶子径を内部領域の結晶子径よりも大きく、かつ外部領域の結晶子径が1.2nm以上13.7nm以下とすることにより、外部領域自体が充放電に伴う膨張を抑制することにより、負極活物質の微粉化が抑制される。そのため、電解液との不必要な接触面が減少し、抵抗増加の要因である被膜形成が抑制されるため、優れた充放電サイクル特性が得られたものと考えられる。   By using the negative electrode active material of the present invention, good charge / discharge cycle characteristics can be obtained. When the crystallite is small, the grain boundary increases and the reaction field for lithium ion conduction increases, which shows excellent battery characteristics, while the expansion associated with charge / discharge increases, but the crystallite diameter in the outer region By making the crystallite diameter larger than the crystallite diameter and the crystallite diameter in the outer region 1.2 nm or more and 13.7 nm or less, the outer region itself suppresses expansion associated with charge / discharge, thereby reducing the pulverization of the negative electrode active material. It is suppressed. For this reason, unnecessary contact surfaces with the electrolytic solution are reduced, and film formation, which is a cause of an increase in resistance, is suppressed. Therefore, it is considered that excellent charge / discharge cycle characteristics are obtained.

前記棒状粒子の外部領域はFeOであることが好ましい。   The outer region of the rod-like particles is preferably FeO.

本発明によれば、充放電サイクル特性が良好なリチウムイオン二次電池用負極活物質、リチウムイオン二次電池用負極及びリチウムイオン二次電池を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the negative electrode active material for lithium ion secondary batteries with favorable charging / discharging cycling characteristics, the negative electrode for lithium ion secondary batteries, and a lithium ion secondary battery can be provided.

本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の模式断面図である。It is a schematic cross section of the lithium ion secondary battery according to the present embodiment. 本実施形態に係るFeとOからなる化合物によって構成される棒状粒子のSEM像である。It is a SEM image of the rod-shaped particle comprised with the compound which consists of Fe and O which concerns on this embodiment. 本実施形態に係るFeとOからなる化合物によって構成される棒状粒子のTEM像である。It is a TEM image of the rod-shaped particle comprised with the compound which consists of Fe and O which concerns on this embodiment. 本実施形態に係るFeとOからなる化合物によって構成される棒状粒子の内部領域と外部領域の概念の図示である。It is illustration of the concept of the internal area | region and external area | region of a rod-shaped particle | grain comprised with the compound which consists of Fe and O which concerns on this embodiment. 本実施形態に係るFeとOからなる棒状粒子の外部領域の高分解能透過型電子顕微鏡(TEM)を用いたFast Fourier Transform(FFT)イメージである。It is a Fast Fourier Transform (FFT) image using the high-resolution transmission electron microscope (TEM) of the external area | region of the rod-shaped particle | grains which consist of Fe and O which concerns on this embodiment.

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに以下に記載した構成要素は、適宜組み合わせることができる。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to the following embodiment. The constituent elements described below include those that can be easily assumed by those skilled in the art and those that are substantially the same. Furthermore, the constituent elements described below can be appropriately combined.

(リチウムイオン二次電池)
リチウムイオン二次電池は、図1に、リチウムイオン二次電池100の構成断面図を示す。図1のリチウムイオン二次電池100は、外装体50と外装体の内部に設けられた正極10および負極20と、これらの間に配置されたセパレータ18を介して積層されることで形成される電極体30と電解質を含む非水電解液から構成され、上記セパレータ18は充放電時における正負極間でのリチウムイオンの移動媒体である上記非水電解液を保持する。さらに、負極20に一方の端部が電気的に接続されると共に他方の端部が外装体の外部に突出される負極リード62と、正極10に一方の端部が電気的に接続されると共に他方の端部が外装体の外部に突出される正極リード60とを備える。
(Lithium ion secondary battery)
FIG. 1 shows a cross-sectional view of a lithium ion secondary battery 100 as a lithium ion secondary battery. The lithium ion secondary battery 100 of FIG. 1 is formed by laminating via an outer package 50, a positive electrode 10 and a negative electrode 20 provided inside the outer package, and a separator 18 disposed therebetween. The separator 18 is composed of an electrode body 30 and a non-aqueous electrolyte containing an electrolyte, and the separator 18 holds the non-aqueous electrolyte that is a lithium ion moving medium between the positive and negative electrodes during charging and discharging. Furthermore, one end is electrically connected to the negative electrode 20 and the other end protrudes outside the exterior body, and one end is electrically connected to the positive electrode 10. The other end is provided with a positive electrode lead 60 protruding outside the exterior body.

リチウムイオン二次電池の形状としては、特に制限はなく、例えば、円筒型、角型、コイン型、偏平型、ラミネートフィルム型など、いずれであってもよい。本発明では、ラミネートフィルムを外装体50として用い、下記実施例では、アルミラミネートフィルム型電池を作製し評価する。   There is no restriction | limiting in particular as a shape of a lithium ion secondary battery, For example, any, such as a cylindrical type, a square type, a coin type, a flat type, a laminate film type, may be sufficient. In the present invention, a laminate film is used as the outer package 50, and in the following examples, an aluminum laminate film type battery is produced and evaluated.

上記正極10は、リチウムイオンを吸蔵・放出する正極活物質と、導電助剤と、バインダーとを含む正極活物質層14を正極集電体12の少なくとも一方の主面に備えて構成されており、上記負極20は、リチウムイオンを吸蔵・放出する負極活物質と、導電助剤と、バインダーとを含む負極活物質層24を負極集電体22の少なくとも一方の主面に備えて構成されている。   The positive electrode 10 includes a positive electrode active material layer 14 containing a positive electrode active material that absorbs and releases lithium ions, a conductive additive, and a binder on at least one main surface of the positive electrode current collector 12. The negative electrode 20 includes a negative electrode active material layer 24 containing a negative electrode active material that absorbs and releases lithium ions, a conductive additive, and a binder on at least one main surface of the negative electrode current collector 22. Yes.

(負極)
本実施形態の負極20に形成される負極活物質層24は、負極活物質、バインダー、導電助剤を含有している。
(Negative electrode)
The negative electrode active material layer 24 formed on the negative electrode 20 of the present embodiment contains a negative electrode active material, a binder, and a conductive additive.

この負極活物質層24は、負極活物質、バインダー、導電助剤及び溶媒を含む塗料を負極集電体22上に塗布し、負極集電体22上に塗布された塗料中の溶媒を除去することにより製造することができる。   For the negative electrode active material layer 24, a paint containing a negative electrode active material, a binder, a conductive additive and a solvent is applied on the negative electrode current collector 22, and the solvent in the paint applied on the negative electrode current collector 22 is removed. Can be manufactured.

上記の負極活物質は、
FeとOからなる化合物によって構成される棒状粒子であって、前記棒状粒子の外部領域の結晶子径は、内部領域の結晶子径よりも大きいことを特徴とする。図2にFeとOからなる化合物によって構成される棒状粒子のSEM像、図3にFeとOからなる化合物によって構成される棒状粒子のTEM像、図4にFeとOからなる化合物によって構成される棒状粒子の外部領域と内部領域の概念図を示す。
The negative electrode active material is
A rod-like particle composed of a compound composed of Fe and O, wherein the crystallite diameter in the outer region of the rod-like particle is larger than the crystallite diameter in the inner region. 2 is an SEM image of rod-shaped particles composed of a compound composed of Fe and O, FIG. 3 is a TEM image of rod-shaped particles composed of a compound composed of Fe and O, and FIG. 4 is composed of a compound composed of Fe and O. The conceptual diagram of the outer area | region and inner area | region of the rod-shaped particle | grains to show.

FeとOからなる化合物としてはFeO、Fe、Fe、LiFeO、LiFe、LiFeO等を用いることができる。本発明のFeとOからなる化合物によって構成される棒状粒子の外部領域、内部領域ともに前記のいずれのFeとOからなる化合物を用いることは出来るが、外部領域は前述した理由よりFeOが好ましい。また、負極活物質はFeとOからなる化合物を単独で使用しても良いし、他の負極活物質を併用しても良い。その他、例えば、シリコン、スズ等のリチウムと化合物を形成することのできる金属とその酸化物を主体とする非晶質の化合物、チタン酸リチウム(LiTi12)、黒鉛などの負極活物質材料と混合させて使用してもよい。 As the compound composed of Fe and O, FeO, Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , Li 4 FeO 4 , LiFe 5 O 8 , LiFeO 2 and the like can be used. Any of the above-described compounds composed of Fe and O can be used for both the outer region and the inner region of the rod-like particle composed of the compound composed of Fe and O of the present invention, but the outer region is preferably FeO for the reasons described above. In addition, as the negative electrode active material, a compound composed of Fe and O may be used alone, or another negative electrode active material may be used in combination. In addition, for example, a metal capable of forming a compound with lithium such as silicon or tin and an amorphous compound mainly composed of an oxide thereof, lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ), negative electrode active such as graphite You may mix and use a material.

結晶子が小さいと、粒界が多くなり、リチウムイオン伝導の反応場が多くなる為優れた電池特性を示す一方、充放電に伴う膨張が大きくなるが、外部領域の結晶子径を内部領域の結晶子径よりも大きく、かつ外部領域の結晶子径が1.2nm以上13.7nm以下とすることにより、外部領域自体が充放電に伴う膨張を抑制することにより、負極活物質の微粉化が抑制される。そのため、電解液との不必要な接触面が減少し、抵抗増加の要因である被膜形成が抑制されるため、優れた充放電サイクル特性が得られたものと考えられる。     When the crystallite is small, the grain boundary increases and the reaction field for lithium ion conduction increases, which shows excellent battery characteristics, while the expansion associated with charge / discharge increases, but the crystallite diameter in the outer region By making the crystallite diameter larger than the crystallite diameter and the crystallite diameter in the outer region 1.2 nm or more and 13.7 nm or less, the outer region itself suppresses expansion associated with charge / discharge, thereby reducing the pulverization of the negative electrode active material. It is suppressed. For this reason, unnecessary contact surfaces with the electrolytic solution are reduced, and film formation, which is a cause of an increase in resistance, is suppressed. Therefore, it is considered that excellent charge / discharge cycle characteristics are obtained.

なお、外部領域とは、図3に示す短軸方向の断面における外周部に相当する領域であって、円柱状の粒子である場合には、円の周縁から円の中心に向かった深さ方向の領域を示す。一方、内部領域とは外部領域の内側を意味する。外部領域および内部領域は高分解能透過型電子顕微鏡(TEM)像におけるコントラストの変化および各領域の結晶子サイズから判断できる。   The external region is a region corresponding to the outer peripheral portion in the cross section in the minor axis direction shown in FIG. 3, and in the case of a columnar particle, the depth direction from the periphery of the circle toward the center of the circle Indicates the area. On the other hand, the inner region means the inside of the outer region. The outer region and the inner region can be determined from the change in contrast in the high-resolution transmission electron microscope (TEM) image and the crystallite size of each region.

内部領域の結晶子径は1.2nm未満が好ましく、外部領域の結晶子径は1.2nm以上13.7nm以下が好ましい。外部領域の結晶子径は1.9nm以上5.2nm以下がより好ましい。上記の内容は、つまり内部領域に存在するFeとOからなる化合物の結晶子径は、1.2nm〜13.7nmの結晶子径を持つ外部領域中のFeとOからなる化合物よりも、結晶子径が小さいことを意味する。したがって、内部領域に存在するFeとOからなる化合物の結晶子は、結晶子の測定ができないアモルファスまたは微結晶であってもよい。   The crystallite size in the inner region is preferably less than 1.2 nm, and the crystallite size in the outer region is preferably 1.2 nm or more and 13.7 nm or less. The crystallite diameter in the outer region is more preferably 1.9 nm or more and 5.2 nm or less. The above contents, that is, the crystallite diameter of the compound composed of Fe and O existing in the inner region is more crystalline than the compound composed of Fe and O in the outer region having a crystallite diameter of 1.2 nm to 13.7 nm. This means that the diameter is small. Therefore, the crystallite of the compound composed of Fe and O existing in the inner region may be an amorphous or microcrystal where the crystallite cannot be measured.

内部領域および外部領域の結晶子径は、高分解能TEMにより観察し、得られたTEM像より内部領域および外部領域それぞれにおいて任意の20点の結晶子径を測長したのち、上下10%をカットしたトリム平均を結晶子径として算出した。   The crystallite diameters in the inner region and the outer region are observed with a high-resolution TEM. After measuring the crystallite diameters of 20 arbitrary points in the inner region and the outer region from the obtained TEM image, the upper and lower 10% are cut. The trimmed average was calculated as the crystallite size.

さらに、棒状粒子の外部領域はFeOであることがより好ましい。   Furthermore, the outer region of the rod-like particles is more preferably FeO.

外部領域の結晶構造はFeOが好ましい。FeOはLiの吸蔵量が少ないためFeO自身の充電に伴う体積変化が少なく、FeO自体の微粉化を抑制し、より充放電サイクル特性が向上すると考えられる。   The crystal structure of the outer region is preferably FeO. Since FeO has a small amount of occlusion of Li, it is considered that the volume change accompanying charging of FeO itself is small, and pulverization of FeO itself is suppressed and charge / discharge cycle characteristics are further improved.

直接倍率40万以上で観察した高分解能TEM像において棒状粒子の外部領域を10nm角のエリアをFast Fourier Transform(FFT)を行い、構成相の同定を行った。   In a high-resolution TEM image directly observed at a magnification of 400,000 or more, the outer region of the rod-shaped particles was subjected to Fast Fourier Transform (FFT) on a 10-nm square area, and the constituent phases were identified.

負極活物質層24中の負極活物質の含有量は、負極活物質、導電助剤及びバインダーの質量の和を基準にして、50〜95質量%であることが好ましく、75〜93質量%であることがより好ましい。上記の範囲であれば、大きな容量をもつ負極を得られる。   The content of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer 24 is preferably 50 to 95% by mass based on the sum of the masses of the negative electrode active material, the conductive additive and the binder, and is 75 to 93% by mass. More preferably. If it is said range, a negative electrode with a big capacity | capacitance can be obtained.

(負極活物質の作製方法)
2液流通式超臨界水熱合成装置を用いてFeとOからなる化合物によって構成される棒状粒子の合成を行った。合成には、FeとOからなる化合物によって構成される棒状粒子の種結晶を生成させる工程(工程1)、FeとOからなる化合物によって構成される棒状粒子の種結晶を粒成長させる工程(工程2)があり、必要に応じて焼成を行っても良い
(工程1)
まず、溶性の鉄塩、中和剤および添加剤を水に溶解させ鉄水溶液を調製した。次に鉄水溶液の流量を25〜120ml/minとし、予熱管、反応管、冷却管の順に流通させ、酸化剤として30%過酸化水素水の流量を18〜36ml/minとし、反応管、冷却管の順に流通させ、予熱温度180℃、反応温度400℃の条件において超臨界水熱合成を行いった。なお、鉄水溶液と30%過酸化水素水は反応管直前で混合させる設計とした。得られたスラリーを濾過、水洗を行い、FeとOからなる化合物によって構成される棒状粒子の種結晶を得た。
(工程2)
さらに、FeとOからなる化合物によって構成される棒状粒子の種結晶を含むスラリーを溶性の鉄塩および中和剤と添加剤を水に溶解させた鉄水溶液と共に混合し、FeとOからなる化合物によって構成される棒状粒子の種結晶を含む鉄水溶液スラリーを調製した。得られた鉄水溶液スラリーを同様の手法にて、超臨界水熱合成を行った。得られたスラリーを濾過、水洗、乾燥を行い、FeとOからなる化合物によって構成される棒状粒子を得た。
さらに、FeとOからなる棒状粒子の粒子を、必要に応じて炭素源等と混合し、空気中または、窒素中で焼成しても良い。
(Method for producing negative electrode active material)
The rod-shaped particle | grains comprised with the compound which consists of Fe and O were synthesize | combined using the 2 liquid flow type supercritical hydrothermal synthesizer. For the synthesis, a step of producing a seed crystal of rod-like particles composed of a compound composed of Fe and O (step 1), a step of growing a seed crystal of rod-shaped particles composed of a compound composed of Fe and O (step) 2) and firing may be performed as necessary (Step 1).
First, a soluble iron salt, a neutralizing agent and an additive were dissolved in water to prepare an iron aqueous solution. Next, the flow rate of the aqueous iron solution is set to 25 to 120 ml / min, and the preheating tube, the reaction tube, and the cooling tube are circulated in this order, the flow rate of 30% hydrogen peroxide water as the oxidizing agent is set to 18 to 36 ml / min, Supercritical hydrothermal synthesis was carried out under the conditions of a preheating temperature of 180 ° C. and a reaction temperature of 400 ° C. in the order of the tubes. The aqueous iron solution and 30% hydrogen peroxide solution were designed to be mixed immediately before the reaction tube. The obtained slurry was filtered and washed with water to obtain a seed crystal of rod-shaped particles composed of a compound composed of Fe and O.
(Process 2)
Furthermore, a slurry containing rod-shaped particle seed crystals composed of a compound composed of Fe and O is mixed with a soluble iron salt, an aqueous iron solution in which a neutralizing agent and an additive are dissolved in water, and a compound composed of Fe and O An aqueous iron slurry containing rod-shaped particle seed crystals composed of The obtained iron aqueous slurry was subjected to supercritical hydrothermal synthesis in the same manner. The obtained slurry was filtered, washed with water, and dried to obtain rod-like particles composed of a compound composed of Fe and O.
Furthermore, rod-like particles made of Fe and O may be mixed with a carbon source or the like as necessary, and fired in air or nitrogen.

鉄塩としては、塩化鉄、硫酸鉄、硝酸鉄、クエン酸鉄、リン酸鉄などを用いることができ、水への溶解性から塩化鉄、硫酸鉄、硝酸鉄がより好ましく、これらの水和物であっても良い。さらに、これらの1種または2種以上を混合して用いることができる。なお、鉄源仕込み濃度としては、0.1〜1.0Mが好ましい。鉄源仕込み濃度が0.1Mを下回る場合にはFeとOかなる粒子が十分に粒成長をせず棒状粒子が不ぞろいとなる。また1.0Mを上回る場合には、合成後のスラリーの粘度が高く、配管詰まりを引き起こす可能性が高く好ましくない。   As the iron salt, iron chloride, iron sulfate, iron nitrate, iron citrate, iron phosphate and the like can be used, and iron chloride, iron sulfate, iron nitrate are more preferable from the solubility in water, and hydration thereof. It may be a thing. Furthermore, these 1 type (s) or 2 or more types can be mixed and used. In addition, as an iron source preparation density | concentration, 0.1-1.0M is preferable. When the iron source preparation concentration is less than 0.1M, the particles composed of Fe and O do not sufficiently grow and the rod-like particles are uneven. Moreover, when exceeding 1.0M, the viscosity of the slurry after a synthesis | combination is high, and since possibility of causing piping clogging is high, it is not preferable.

中和剤としては、モノエタノールアミン、トリエタノールアミン、尿素等を用いることができ、反応後の水溶液中での酸の発生を抑制するため鉄塩アニオンに対して大過剰加えることが好ましい。   As the neutralizing agent, monoethanolamine, triethanolamine, urea or the like can be used, and it is preferable to add a large excess to the iron salt anion in order to suppress the generation of acid in the aqueous solution after the reaction.

添加剤としては、酒石酸、ピロメリト酸、ギ酸等の有機酸や、オレイン酸、リノール酸、ステアリン酸、ラウリン酸などの脂肪酸を用いることができる。有機酸、脂肪酸の種類によって、適当な濃度は異なり、例えばピロメリト酸は0.1当量以上0.2当量以下が好ましく、ラウリン酸は鉄イオン濃度に対し0.02当量以上0.05当量以下が好ましい。   As additives, organic acids such as tartaric acid, pyromellitic acid and formic acid, and fatty acids such as oleic acid, linoleic acid, stearic acid and lauric acid can be used. The appropriate concentration differs depending on the type of organic acid and fatty acid. For example, pyromellitic acid is preferably 0.1 equivalent or more and 0.2 equivalent or less, and lauric acid is 0.02 equivalent or more and 0.05 equivalent or less with respect to the iron ion concentration. preferable.

炭素源としては、アセチレンブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラックを用いることができる。   As the carbon source, carbon black such as acetylene black, furnace black, channel black, thermal black, ketjen black and the like can be used.

濾過の方法は特に限定されず、生成されたFeとOからなる棒状粒子を捕集できる口径の公知の濾紙を用いることができ、例えばフィルターペーパー、ガラスフィルター、メンブレンフィルターなどを用いることができる。   The filtration method is not particularly limited, and a known filter paper having a diameter capable of collecting the produced rod-like particles composed of Fe and O can be used. For example, a filter paper, a glass filter, a membrane filter, or the like can be used.

乾燥の方法は、乾燥凝集を抑制するため、150℃以下で乾燥させることが好ましく、より好ましくは60〜90℃において6〜12時間の減圧乾燥を行うことが好ましい。   As a drying method, in order to suppress dry aggregation, it is preferable to dry at 150 ° C. or less, and it is more preferable to perform vacuum drying at 60 to 90 ° C. for 6 to 12 hours.

焼成の方法は、結晶子の粒成長を抑制するため、500℃以下で行うことが好ましく、空気中で250〜450℃で1〜6時間の焼成を行えば良い。   The firing method is preferably performed at 500 ° C. or lower in order to suppress crystal grain growth, and may be performed at 250 to 450 ° C. in air for 1 to 6 hours.

(バインダー)
バインダーは、負極活物質同士を結合すると共に、負極活物質と集電体22とを結合している。バインダーは、上述の結合が可能なものであれば特に限定されない。例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等のフッ素樹脂、セルロース、スチレン・ブタジエンゴム、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリアクリル酸、ポリアクリロニトリル、ポリアルギン酸等を用いることができる。
(binder)
The binder binds the negative electrode active materials to the current collector 22 while bonding the negative electrode active materials to each other. A binder will not be specifically limited if the above-mentioned coupling | bonding is possible. For example, a fluororesin such as polyvinylidene fluoride (PVDF), cellulose, styrene / butadiene rubber, polyimide, polyamideimide, polyacrylic acid, polyacrylonitrile, polyalginic acid, or the like can be used.

負極活物質層24中のバインダーの含有量は特に限定されないが、負極活物質、導電助剤及びバインダーの質量の和を基準にして、1〜30質量%であることが好ましく、5〜15質量%であることがより好ましい。   The content of the binder in the negative electrode active material layer 24 is not particularly limited, but is preferably 1 to 30% by mass based on the sum of the masses of the negative electrode active material, the conductive additive and the binder, and 5 to 15 masses. % Is more preferable.

(導電助剤)
導電助剤としては負極活物質層24の導電性を良好にするものであれば特に限定されず、公知の導電助剤を使用できる。例えば、アセチレンブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラック、気相成長炭素繊維(VGCF)、カーボンナノチューブ等の炭素繊維、およびグラファイトなどの炭素材料が挙げられ、これらの1種または2種以上を用いることができる。
(Conductive aid)
The conductive aid is not particularly limited as long as the conductivity of the negative electrode active material layer 24 is improved, and a known conductive aid can be used. For example, carbon black such as acetylene black, furnace black, channel black, thermal black, ketjen black, carbon fiber such as vapor grown carbon fiber (VGCF), carbon nanotube, and carbon material such as graphite, etc. 1 type (s) or 2 or more types can be used.

導電性の観点からケッチェンブラックを用いることがより好ましい。ケッチェンブラックを用いることによってFeとOからなる棒状粒子との良好な導電パスが形成され、優れた充放電サイクル特性が得られる。   It is more preferable to use ketjen black from the viewpoint of conductivity. By using ketjen black, a good conductive path is formed between the rod-like particles made of Fe and O, and excellent charge / discharge cycle characteristics can be obtained.

負極活物質層24中の導電助剤の含有量も特に限定されないが、添加する場合には通常、負極活物質、導電助剤及びバインダーの質量の和を基準にして、1〜10質量%であることが好ましい。   The content of the conductive auxiliary in the negative electrode active material layer 24 is not particularly limited, but when added, it is usually 1 to 10% by mass based on the sum of the mass of the negative electrode active material, conductive auxiliary and binder. Preferably there is.

(溶媒)
溶媒としては、前述の負極活物質、導電助剤、バインダーを塗料化できる物であれば特に限定されないが、例えば、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミド等を用いることができる。
(solvent)
The solvent is not particularly limited as long as it can form the above-described negative electrode active material, conductive additive, and binder. For example, N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylformamide, and the like can be used. .

(負極集電体)
負極集電体22は、導電性の板材で厚みの薄いものであることが好ましく、厚みが8〜30μmの金属箔であることが好ましい。負極集電体22は、リチウムと合金化しない材料から形成されていることが好ましく、特に好ましい材料としては、銅が挙げられる。このような銅箔としては電解銅箔が挙げられる。電解銅箔は、例えば、銅イオンが溶解された電解液中に金属製のドラムを浸漬し、これを回転させながら電流を流すことにより、ドラムの表面に銅を析出させ、これを剥離して得られる銅箔である。
(Negative electrode current collector)
The negative electrode current collector 22 is preferably a conductive plate material having a small thickness, and is preferably a metal foil having a thickness of 8 to 30 μm. The negative electrode current collector 22 is preferably formed of a material that does not alloy with lithium, and a particularly preferable material is copper. Examples of such copper foil include electrolytic copper foil. For example, an electrolytic copper foil is prepared by immersing a metal drum in an electrolytic solution in which copper ions are dissolved, and flowing current while rotating the copper drum, thereby depositing copper on the surface of the drum and peeling it off. It is the obtained copper foil.

また、鋳造した銅塊を所望の厚さに圧延することによって製造される圧延銅箔であってもよく、圧延銅箔の表面に電解法により銅を析出させ表面を粗面化した銅箔であっても良い。   Moreover, the rolled copper foil manufactured by rolling the cast copper lump to desired thickness may be sufficient, and copper is deposited on the surface of the rolled copper foil by an electrolytic method, and the surface is roughened. There may be.

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

負極集電体22上に塗布された塗料中の溶媒を除去する方法は特に限定されず、塗料が塗布された負極集電体22を、例えば80℃〜150℃で乾燥させればよい。   The method for removing the solvent in the paint applied on the negative electrode current collector 22 is not particularly limited, and the negative electrode current collector 22 applied with the paint may be dried at, for example, 80 ° C. to 150 ° C.

そして、このようにして負極活物質層24が形成された負極20を、その後、必要に応じて例えば、ロールプレス装置等によりプレス処理すればよい。ロールプレスの線圧は例えば、100〜5000kgf/cmとすることができる。   Then, the negative electrode 20 on which the negative electrode active material layer 24 has been formed in this way may be subsequently pressed by a roll press device or the like as necessary. The linear pressure of the roll press can be set to 100 to 5000 kgf / cm, for example.

(非水電解液)
非水電解液は、非水溶媒に電解質が溶解されており、非水溶媒として環状カーボネートと、鎖状カーボネートと、を含有してもよい。
(Nonaqueous electrolyte)
The nonaqueous electrolytic solution has an electrolyte dissolved in a nonaqueous solvent, and may contain a cyclic carbonate and a chain carbonate as a nonaqueous solvent.

環状カーボネートとしては、電解質を溶媒和することができるものであれば特に限定されず、公知の環状カーボネートを使用できる。例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート及びブチレンカーボネートなどを用いることができる。   The cyclic carbonate is not particularly limited as long as it can solvate the electrolyte, and a known cyclic carbonate can be used. For example, ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, and the like can be used.

鎖状カーボネートとしては、環状カーボネートの粘性を低下させることができるものであれば特に限定されず、公知の鎖状カーボネートを使用できる。例えば、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が挙げられる。その他、酢酸メチル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、γ−ブチロラクトン、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタンなどを混合して使用してもよい。   The chain carbonate is not particularly limited as long as the viscosity of the cyclic carbonate can be reduced, and a known chain carbonate can be used. Examples thereof include diethyl carbonate, dimethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate. In addition, methyl acetate, ethyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, γ-butyrolactone, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, and the like may be mixed and used.

非水溶媒中の環状カーボネートと鎖状カーボネートの割合は体積にして1:9〜1:1にすることが好ましい。   The ratio of the cyclic carbonate and the chain carbonate in the non-aqueous solvent is preferably 1: 9 to 1: 1 by volume.

電解質としては、例えば、LiPF、LiClO、LiBF、LiCFSO、LiCF、CFSO、LiC(CFSO、LiN(CFSO、LiN(CFCFSO、LiN(CFSO)(CSO)、LiN(CFCFCO)、LiBOB等のリチウム塩が使用できる。なお、これらのリチウム塩は1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。特に、導電性の観点から、LiPFを含むことが好ましい。 Examples of the electrolyte include LiPF 6 , LiClO 4 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 , CF 2 SO 3 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (CF 3 Lithium salts such as CF 2 SO 2 ) 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) (C 4 F 9 SO 2 ), LiN (CF 3 CF 2 CO) 2 , LiBOB can be used. In addition, these lithium salts may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together. In particular, LiPF 6 is preferably included from the viewpoint of conductivity.

LiPFを非水溶媒に溶解する際は、非水電解液中の電解質の濃度を、0.5〜2.0mol/Lに調整することが好ましい。電解質の濃度が0.5mol/L以上であると、非水電解液の導電性を充分に確保することができ、充放電時に十分な容量が得られやすい。また、電解質の濃度が2.0mol/L以内に抑えることで、非水電解液の粘度上昇を抑え、リチウムイオンの移動度を充分に確保することができ、充放電時に十分な容量が得られやすくなる。 When LiPF 6 is dissolved in a non-aqueous solvent, the concentration of the electrolyte in the non-aqueous electrolyte is preferably adjusted to 0.5 to 2.0 mol / L. When the concentration of the electrolyte is 0.5 mol / L or more, the conductivity of the nonaqueous electrolytic solution can be sufficiently secured, and a sufficient capacity can be easily obtained during charging and discharging. Moreover, by suppressing the electrolyte concentration to within 2.0 mol / L, it is possible to suppress an increase in the viscosity of the non-aqueous electrolyte, to sufficiently secure the mobility of lithium ions, and to obtain a sufficient capacity during charging and discharging. It becomes easy.

LiPFをその他の電解質と混合する場合にも、非水電解液中のリチウムイオン濃度が0.5〜2.0mol/Lに調整することが好ましく、LiPFからのリチウムイオン濃度がその50mol%以上含まれることがさらに好ましい。 Even when LiPF 6 is mixed with another electrolyte, the lithium ion concentration in the non-aqueous electrolyte is preferably adjusted to 0.5 to 2.0 mol / L, and the lithium ion concentration from LiPF 6 is 50 mol%. More preferably, it is contained.

(正極)
本実施形態の正極10は、正極集電体12の片面または両面に、正極活物質を含む正極活物質層14が形成された構造を有している。正極活物質層14は、負極製造方法と同様の工程にて、正極活物質、バインダー、導電助剤及び溶媒を含む塗料を正極集電体12上に塗布し、正極集電体12上に塗布された塗料中の溶媒を除去することにより製造することができる。
(Positive electrode)
The positive electrode 10 of the present embodiment has a structure in which a positive electrode active material layer 14 containing a positive electrode active material is formed on one surface or both surfaces of a positive electrode current collector 12. The positive electrode active material layer 14 is coated on the positive electrode current collector 12 with a paint containing the positive electrode active material, a binder, a conductive additive, and a solvent in the same process as the negative electrode manufacturing method. It can be produced by removing the solvent in the applied paint.

正極活物質としては、リチウムイオンの吸蔵及び放出、リチウムイオンの脱離及び挿入(インターカレーション)、又は、リチウムイオンと該リチウムイオンのカウンターアニオン(例えば、ClO )とのドープ及び脱ドープを可逆的に進行させることが可能であれば特に限定されず、公知の電極活物質材料を使用できる。例えば、コバルト酸リチウム(LiCoO)、ニッケル酸リチウム(LiNiO)、リチウムマンガンスピネル(LiMn)、及び、一般式:LiNiCoMn(x+y+z=1)で表される複合金属酸化物、リチウムバナジウム化合物(LiV)、LiMPO(ただし、Mは、Co、Ni、Mn、FeまたはVOを示す)が挙げられる。 Examples of the positive electrode active material include occlusion and release of lithium ions, desorption and insertion (intercalation) of lithium ions, or doping and dedoping of lithium ions and counter anions of the lithium ions (for example, ClO 4 ). Is not particularly limited as long as it can reversibly proceed, and a known electrode active material can be used. For example, lithium cobaltate (LiCoO 2 ), lithium nickelate (LiNiO 2 ), lithium manganese spinel (LiMn 2 O 4 ), and a general formula: LiNi x Co y Mn z O 2 (x + y + z = 1) Examples include composite metal oxides, lithium vanadium compounds (LiV 2 O 5 ), and LiMPO 4 (wherein M represents Co, Ni, Mn, Fe, or VO).

また、リチウムイオンを吸蔵及び放出することが可能な酸化物、硫化物も正極活物質として使用できる。   In addition, oxides and sulfides capable of inserting and extracting lithium ions can be used as the positive electrode active material.

更に、正極活物質材料以外の各構成要素(導電助剤、結着剤)は、負極20で使用されるものと同様の物質を使用することができる。   Furthermore, each constituent element (conductive auxiliary agent and binder) other than the positive electrode active material can use the same substances as those used in the negative electrode 20.

正極集電体12は、リチウムイオン二次電池用の集電体に使用されている各種公知の金属箔を用いることができる。例えば、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケル、チタンまたはこれらの合金などの金属箔を用いることができ、特にアルミニウム箔が好ましい。   As the positive electrode current collector 12, various known metal foils used in current collectors for lithium ion secondary batteries can be used. For example, a metal foil such as aluminum, stainless steel, nickel, titanium, or an alloy thereof can be used, and an aluminum foil is particularly preferable.

(セパレータ)
セパレータ18は絶縁性の多孔体から形成されていれば、材料、製法等は特に限定されず、リチウムイオン二次電池に用いられている公知のセパレータを使用することができる。例えば、絶縁性の多孔体としては、公知のポリオレフィン樹脂、具体的にはポリエチレン、ポリプロピレン、1−ブテン、4−メチル−1−ペンテン、1−ヘキセンなどを重合した結晶性の単独重合体または共重合体が挙げられる。これらの単独重合体または共重合体は、1種を単独で使用することができるが、2種以上のものを混合して用いてもよい。また、単層であっても複層であってもよい。
(Separator)
As long as the separator 18 is formed of an insulating porous body, the material, the manufacturing method, and the like are not particularly limited, and a known separator used for a lithium ion secondary battery can be used. For example, as the insulating porous material, a known polyolefin resin, specifically, a crystalline homopolymer or copolymer obtained by polymerizing polyethylene, polypropylene, 1-butene, 4-methyl-1-pentene, 1-hexene, or the like. A polymer is mentioned. These homopolymers or copolymers can be used alone or in combination of two or more. Further, it may be a single layer or a multilayer.

外装体50は、電解液の外部への漏出や、外部からのリチウムイオン二次電池100内部への水分等の侵入等を抑止できる物であれば特に限定されず、金属缶、アルミラミネートフィルムなどが使用できる。アルミラミネートフィルムは、例えば、ポリプロピレン、アルミニウム、ナイロンがこの順に積層されてなる3層構造として構成されている。   The outer package 50 is not particularly limited as long as it can prevent leakage of the electrolytic solution to the outside or entry of moisture or the like into the lithium ion secondary battery 100 from the outside, such as a metal can, an aluminum laminate film, or the like Can be used. The aluminum laminate film has a three-layer structure in which, for example, polypropylene, aluminum, and nylon are laminated in this order.

負極リード60、正極リード62はアルミニウムやニッケルなどの導電材料から形成されていればよい。   The negative electrode lead 60 and the positive electrode lead 62 may be formed of a conductive material such as aluminum or nickel.

以上、実施の形態により本発明を詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態においては、ラミネートフィルム構造を有するリチウムイオン二次電池について説明したが、本発明は、正極および負極を折り畳んだり、あるいは積み重ねた構造を有するリチウムイオン二次電池についても同様に適用することができる。さらにコイン型、角型あるいは扁平型などのリチウムイオン二次電池についても好適に応用することができる。   Although the present invention has been described in detail with the embodiments, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made. For example, in the above embodiment, a lithium ion secondary battery having a laminate film structure has been described. However, the present invention also applies to a lithium ion secondary battery having a structure in which a positive electrode and a negative electrode are folded or stacked. Can be applied. Furthermore, the present invention can also be suitably applied to lithium ion secondary batteries such as coin type, square type, and flat type.

作製したリチウムイオン二次電池について、以下の方法によって、評価した。   The produced lithium ion secondary battery was evaluated by the following method.

(充放電サイクル特性の測定)
二次電池充放電試験装置を用いて、電圧範囲を4.0Vから1.0Vまでとし、負極活物質重量当たり1C=800mAh/gとしたときの0.5Cでの電流値で充電、1.0Cでの電流値で放電を行い、充放電サイクル特性の評価を行い放電容量維持率(以降、容量維持率と省略記載することもある。)として示す。なお、容量維持率(%)は、1サイクル目の放電容量を初期放電容量とし、初期放電容量に対する各サイクル数における放電容量の割合であり以下の式(1)で表される。なお1Cとは公称容量値の容量を有する電池セルを定電流充電、または定電流放電して、ちょうど1時間で充放電が終了となる電流値のことである。

Figure 2017103136
この容量維持率が高いほど、充放電サイクル特性が良好であることを意味する。実施例および比較例で作製したリチウムイオン二次電池は、上記の条件によって充放電を繰り返し、100サイクル後の容量維持率によって充放電サイクル特性を評価した。 (Measurement of charge / discharge cycle characteristics)
Using a secondary battery charge / discharge test apparatus, charging is performed at a current value of 0.5 C when the voltage range is 4.0 V to 1.0 V and 1 C = 800 mAh / g per weight of the negative electrode active material. It discharges with the electric current value at 0 C, evaluates charging / discharging cycle characteristics, and shows it as a discharge capacity maintenance rate (it may abbreviate as a capacity maintenance rate hereafter). The capacity retention rate (%) is the ratio of the discharge capacity at each cycle number with respect to the initial discharge capacity, where the discharge capacity at the first cycle is the initial discharge capacity, and is expressed by the following equation (1). Note that 1C is a current value at which charging / discharging is completed in exactly one hour after a constant current charge or constant current discharge is performed on a battery cell having a nominal capacity value.
Figure 2017103136
A higher capacity retention rate means better charge / discharge cycle characteristics. The lithium ion secondary batteries produced in the examples and comparative examples were repeatedly charged and discharged under the above conditions, and the charge / discharge cycle characteristics were evaluated based on the capacity retention rate after 100 cycles.

以下、実施例及び比較例を挙げて本発明について更に詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example are given and this invention is demonstrated in more detail, this invention is not limited to these Examples at all.

以下に示す手順により実施例1〜16、比較例1〜4のリチウムイオン二次電池を作製した。   Lithium ion secondary batteries of Examples 1 to 16 and Comparative Examples 1 to 4 were produced by the following procedure.

[実施例1]
(負極活物質の作製)
硫酸鉄水和物(78% as Fe(SO)が0.5M、塩化鉄六水和物(FeCl・6HO)を0.2M、トリエタノールアミンが2.4M、ピロメリト酸が0.11Mとなるように鉄水溶液を調製した。次に鉄水溶液の流量20ml/minとし、予熱管、反応管、冷却管の順に流通させ、30%過酸化水素水の流量30ml/minとし、反応温度400℃の条件において超臨界水熱合成を行った。得られたスラリーを濾過、水洗し、実施例1のFeとOからなる棒状粒子の種結晶を得た。 硫酸鉄水和物(78% as Fe(SO)が0.5M、トリエタノールアミンが2.8M、シュウ酸が0.3Mとし、鉄水溶液に対して実施例1のFeとOからなる棒状粒子の前駆体種結晶を15wt%となるようにスラリーを調製した。次にスラリーの流量20ml/minとし、予熱管、反応管、冷却管の順に流通させ、30%過酸化水素水の流量30ml/minとし、反応温度400℃の条件において超臨界水熱合成を行った。得られたスラリーを濾過、水洗、エタノール洗浄、乾燥を行い実施例1の負極活物質であるFeとOからなる棒状粒子を得た。SEM像を図2に示す。
(負極の作製)
負極活物質として上記で作製した実施例1のFeとOからなる棒状粒子を85質量部、導電助剤としてケッチェンブラックを5質量部、バインダーとしてポリアミドイミドを10質量部とを混合して負極合剤とした。続いて、負極合剤をN−メチル−2−ピロリドンに分散させてペースト状の負極合剤塗料とした。この塗料を、厚さ10μmの電解銅箔の一面に、負極活物質の塗布量が2.5mg/cmとなるように塗布し、100℃で乾燥することで負極活物質層を形成した。その後、線圧1000kgf/cmでローラープレスにより加圧成形し、真空中、350℃で3時間熱処理し、厚みが70μmの負極を作製した。
(正極の作製)
正極活物質としてLiCoOを90質量部と、導電助剤としてアセチレンブラックを5質量部、バインダーとしてポリフッ化ビニリデンを5質量部とを混合して正極合剤とした。続いて、正極合剤をN−メチル−2−ピロリドンに分散させてペースト状の正極合剤塗料とした。この塗料を、厚さ20μmのアルミニウム箔の一面に、正極活物質の塗布量が18.4mg/cmとなるように塗布し、100℃で乾燥することで正極活物質層を形成した。その後、ロールプレスにより加圧成形し厚みが132μmの正極を作製した。
(評価用リチウムイオン二次電池の作製)
上記作製した負極と正極とを、厚さ16μmのポリプロピレン製のセパレータを介して積層し、積層体を作製した。負極3枚と正極2枚とを負極と正極が交互に積層されるようセパレータ4枚を介して積層した。さらに、上記電極体の負極において、負極活物質層を設けていない銅箔の突起端部にニッケル製の負極リードを取り付け、一方、積層体の正極においては、正極活物質層を設けていないアルミニウム箔の突起端部にアルミニウム製の正極リードを超音波溶接機によって取り付けた。そしてこの積層体を、アルミラミネートフィルムの外装体内に挿入して周囲の1箇所を除いてヒートシールすることにより閉口部を形成し、上記外装体内にEC/DECが3:7の割合で配合された溶媒中に、リチウム塩として1M(mol/L)のLiPFが添加された非水電解液を注入した後に、残りの1箇所を真空シール機によって減圧しながらヒートシールで密封し、実施例1に係るリチウムイオン二次電池を作製した。
[Example 1]
(Preparation of negative electrode active material)
0.5M iron sulfate hydrate (78% as Fe 2 (SO 4) 3), iron hexahydrate (FeCl 3 · 6H 2 O) of 0.2M chloride, triethanolamine 2.4M, pyromellitic An aqueous iron solution was prepared so that the acid would be 0.11M. Next, the flow rate of the aqueous iron solution is 20 ml / min, the preheating tube, the reaction tube, and the cooling tube are circulated in this order. went. The obtained slurry was filtered and washed with water to obtain a seed crystal of rod-shaped particles composed of Fe and O in Example 1. Iron sulfate hydrate (78% as Fe 2 (SO 4 ) 3 ) was 0.5M, triethanolamine was 2.8M, and oxalic acid was 0.3M. A slurry was prepared so that the precursor seed crystals of rod-shaped particles made of 15 wt%. Next, the flow rate of the slurry is 20 ml / min, the preheating tube, the reaction tube, and the cooling tube are circulated in this order, the flow rate of 30% hydrogen peroxide water is 30 ml / min, and supercritical hydrothermal synthesis is performed at a reaction temperature of 400 ° C. It was. The obtained slurry was filtered, washed with water, washed with ethanol, and dried to obtain rod-like particles composed of Fe and O as the negative electrode active material of Example 1. An SEM image is shown in FIG.
(Preparation of negative electrode)
85 parts by mass of the rod-like particles made of Fe and O of Example 1 prepared above as the negative electrode active material, 5 parts by mass of ketjen black as the conductive auxiliary agent, and 10 parts by mass of polyamideimide as the binder were mixed to form the negative electrode A mixture was prepared. Subsequently, the negative electrode mixture was dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone to obtain a paste-like negative electrode mixture paint. This paint was applied to one surface of an electrolytic copper foil having a thickness of 10 μm so that the amount of the negative electrode active material applied was 2.5 mg / cm 2 and dried at 100 ° C. to form a negative electrode active material layer. Then, it pressure-molded with the roller press with the linear pressure of 1000 kgf / cm, and heat-processed in vacuum at 350 degreeC for 3 hours, and produced the negative electrode with a thickness of 70 micrometers.
(Preparation of positive electrode)
A positive electrode mixture was prepared by mixing 90 parts by mass of LiCoO 2 as a positive electrode active material, 5 parts by mass of acetylene black as a conductive additive, and 5 parts by mass of polyvinylidene fluoride as a binder. Subsequently, the positive electrode mixture was dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone to obtain a paste-like positive electrode mixture paint. This paint was applied to one surface of an aluminum foil having a thickness of 20 μm so that the applied amount of the positive electrode active material was 18.4 mg / cm 2 and dried at 100 ° C. to form a positive electrode active material layer. Then, it pressure-molded with the roll press and produced the positive electrode whose thickness is 132 micrometers.
(Production of evaluation lithium-ion secondary battery)
The produced negative electrode and positive electrode were laminated via a polypropylene separator having a thickness of 16 μm to produce a laminate. Three negative electrodes and two positive electrodes were laminated via four separators so that the negative and positive electrodes were alternately laminated. Further, in the negative electrode of the electrode body, a nickel negative electrode lead is attached to the protruding end portion of the copper foil not provided with the negative electrode active material layer, while the positive electrode of the laminated body is provided with the aluminum not provided with the positive electrode active material layer. An aluminum positive electrode lead was attached to the protruding end of the foil by an ultrasonic welding machine. Then, this laminated body is inserted into an aluminum laminate film outer package and heat sealed except for one place around it to form a closed portion, and EC / DEC is blended in a ratio of 3: 7 in the outer package. After injecting a non-aqueous electrolyte solution to which 1M (mol / L) LiPF 6 as a lithium salt was added into the solvent, the remaining one part was sealed with a heat seal while reducing the pressure with a vacuum sealer. The lithium ion secondary battery which concerns on No. 1 was produced.

[実施例2〜10]
負極活物質の作製方法における工程2の鉄原料の濃度、添加剤種および濃度をそれぞれ表1に示す条件に変更し、表1に示す実施例2〜10の負極活物質を得た。実施例2〜10の負極活物質を用いて実施例2〜10のリチウムイオン二次電池を作製した。
[Examples 2 to 10]
The concentration, additive type, and concentration of the iron raw material in step 2 in the method for producing a negative electrode active material were changed to the conditions shown in Table 1, and negative electrode active materials of Examples 2 to 10 shown in Table 1 were obtained. The lithium ion secondary battery of Examples 2-10 was produced using the negative electrode active material of Examples 2-10.

[実施例11]
実施例1の負極活物質を10g、アセチレンブラックを0.3gをポットミルにより混合し、窒素雰囲気中、400℃で2時間熱処理し、実施例11の負極活物質を得た。実施例10の負極活物質を用いて、実施例1と同様にして、実施例11のリチウムイオン二次電池を作製した。
[Example 11]
10 g of the negative electrode active material of Example 1 and 0.3 g of acetylene black were mixed by a pot mill, and heat-treated at 400 ° C. for 2 hours in a nitrogen atmosphere to obtain the negative electrode active material of Example 11. A lithium ion secondary battery of Example 11 was produced in the same manner as Example 1 using the negative electrode active material of Example 10.

[実施例12]
実施例2の負極活物質を用いたこと以外は実施例11と同様にして実施例12の負極活物質を得た。実施例12の負極活物質を用いて、実施例1と同様にして、実施例12のリチウムイオン二次電池を作製した。
[Example 12]
A negative electrode active material of Example 12 was obtained in the same manner as Example 11 except that the negative electrode active material of Example 2 was used. Using the negative electrode active material of Example 12, a lithium ion secondary battery of Example 12 was produced in the same manner as Example 1.

[実施例13]
実施例1の負極活物質を空気中、350℃で3時間熱処理し、実施例13の負極活物質を得た。実施例13の負極活物質を用いて、実施例1と同様にして、実施例13のリチウムイオン二次電池を作製した。
[Example 13]
The negative electrode active material of Example 1 was heat-treated in air at 350 ° C. for 3 hours to obtain a negative electrode active material of Example 13. Using the negative electrode active material of Example 13, a lithium ion secondary battery of Example 13 was produced in the same manner as Example 1.

[実施例14]
実施例2の負極活物質を用いたこと以外は実施例13と同様にして実施例14の負極活物質を得た。実施例14の負極活物質を用いて、実施例1と同様にして、実施例14のリチウムイオン二次電池を作製した。
[Example 14]
A negative electrode active material of Example 14 was obtained in the same manner as Example 13 except that the negative electrode active material of Example 2 was used. A lithium ion secondary battery of Example 14 was produced in the same manner as Example 1 using the negative electrode active material of Example 14.

[比較例1]
α−FeOOH(高純度化学)10gとアセチレンブラックを0.3gをポットミルにより混合し、窒素雰囲気中、400℃で3時間熱処理し、比較例1の負極活物質を得た。その時の負極活物質は、TEM観察により外部領域と内部領域とをもつ棒状粒子ではなくただの棒状粒子であった。つまり粒子内の結晶子サイズはほぼ均一な棒状粒子である。
この比較例1の負極活物質を用いて、実施例1と同様にして、比較例2のリチウムイオン二次電池を作製した。
[Comparative Example 1]
10 g of α-FeOOH (high purity chemistry) and 0.3 g of acetylene black were mixed by a pot mill and heat-treated at 400 ° C. for 3 hours in a nitrogen atmosphere to obtain a negative electrode active material of Comparative Example 1. The negative electrode active material at that time was not a rod-like particle having an outer region and an inner region by TEM observation, but just a rod-like particle. That is, the crystallite size in the particles is a rod-like particle having a substantially uniform size.
Using the negative electrode active material of Comparative Example 1, a lithium ion secondary battery of Comparative Example 2 was produced in the same manner as Example 1.

[比較例2]
α−FeOOH(高純度化学)を、空気中、400℃で3時間熱処理し、比較例1の負極活物質を得た。その時の負極活物質もまた、TEM観察により外部領域と内部領域とをもつ棒状粒子ではなくただの棒状粒子であった。
この比較例2の負極活物質を用いて、実施例1と同様にして、比較例2のリチウムイオン二次電池を作製した。
[Comparative Example 2]
α-FeOOH (high purity chemistry) was heat-treated in air at 400 ° C. for 3 hours to obtain a negative electrode active material of Comparative Example 1. The negative electrode active material at that time was also a rod-shaped particle, not a rod-shaped particle having an outer region and an inner region, as observed by TEM.
Using the negative electrode active material of Comparative Example 2, a lithium ion secondary battery of Comparative Example 2 was produced in the same manner as Example 1.

(結晶子径の測定および外部領域の構成相の同定)
得られた実施例1の負極活物質を高分解能TEMを用いて観察を行った。図3に示す。得られたTEM像から、実施例1の負極活物質が外部領域と内部領域において結晶子径が異なることが分かった。前述した測定方法により測長した。内部領域の結晶子径は1nm未満であり、外部領域の結晶子径は1.9nmであった。更に、外部領域について10nm角のエリアをFast Fourier Transformを行った結果、図5に示すように格子像に対応する斑点が得られ、中心位置から斑点の距離はFeOの面間隔と一致した。
同様にして、実施例2〜14についても内部領域と外部領域の結晶子径の測定および外部領域の構成相の同定を行った。結果を表1に示す。なお、内部領域の結晶子径はいずれも1nm未満であった。
(Measurement of crystallite size and identification of constituent phases in the external region)
The obtained negative electrode active material of Example 1 was observed using a high-resolution TEM. As shown in FIG. From the obtained TEM image, it was found that the negative electrode active material of Example 1 had different crystallite diameters in the outer region and the inner region. The length was measured by the measurement method described above. The crystallite size in the inner region was less than 1 nm, and the crystallite size in the outer region was 1.9 nm. Further, as a result of performing Fast Fourier Transform on an area of 10 nm square with respect to the outer region, a spot corresponding to the lattice image was obtained as shown in FIG. 5, and the distance from the center position to the spot coincided with the surface interval of FeO.
Similarly, in Examples 2 to 14, the crystallite diameters in the inner region and the outer region were measured and the constituent phases in the outer region were identified. The results are shown in Table 1. The crystallite diameter in the inner region was less than 1 nm.

作製した実施例1〜14、比較例1〜2のリチウムイオン二次電池を上述した充放電サイクル特性の測定方法により測定を行い、100サイクル後の容量維持率の評価を行った。結果を表1に示す。   The produced lithium ion secondary batteries of Examples 1 to 14 and Comparative Examples 1 and 2 were measured by the above-described measurement method for charge / discharge cycle characteristics, and the capacity retention rate after 100 cycles was evaluated. The results are shown in Table 1.

表1より明らかなように、実施例にて得られたFeとOからなる化合物によって構成される棒状粒子は、図4に示した通り外部領域と内部領域を持つ粒子であり、この粒子は棒状であって、前記棒状粒子の外部領域の結晶子径は、内部領域の結晶子径よりも大きく、前記外部領域の結晶子径は、1.2nm以上、13.7nm以下であることにより、外部領域自体が充放電に伴う膨張を抑制し、負極活物質の微粉化が抑制される。そのため、電解液との不必要な接触面が減少し、抵抗増加の要因である被膜形成が抑制されるため、優れた充放電サイクル特性が得られたものと考えられる。   As is clear from Table 1, the rod-like particles composed of the compound consisting of Fe and O obtained in the examples are particles having an outer region and an inner region as shown in FIG. The crystallite diameter of the outer region of the rod-shaped particles is larger than the crystallite diameter of the inner region, and the crystallite diameter of the outer region is 1.2 nm or more and 13.7 nm or less, The region itself suppresses expansion associated with charging / discharging, and pulverization of the negative electrode active material is suppressed. For this reason, unnecessary contact surfaces with the electrolytic solution are reduced, and film formation, which is a cause of an increase in resistance, is suppressed. Therefore, it is considered that excellent charge / discharge cycle characteristics are obtained.

さらに、実施例10〜14から明らかなように、棒状粒子の外部領域の結晶構造がFeOであることより充放電サイクル特性が向上する。これはFeOはLiの吸蔵量が少ないためFeO自身の充電に伴う体積変化が少ないため、FeO自体の微粉化を抑制し、より充放電サイクル特性が向上するためであると考えられる。   Further, as is clear from Examples 10 to 14, the charge / discharge cycle characteristics are improved because the crystal structure of the outer region of the rod-like particles is FeO. This is presumably because FeO has a small amount of occlusion of Li, so that the volume change accompanying the charge of FeO itself is small, so that pulverization of FeO itself is suppressed and charge / discharge cycle characteristics are further improved.

Figure 2017103136
Figure 2017103136

本発明によって充放電サイクル特性に優れたリチウムイオン二次電池を提供することができる。   According to the present invention, a lithium ion secondary battery having excellent charge / discharge cycle characteristics can be provided.

10…正極、12…正極集電体、14…正極活物質層、18…セパレータ、20…負極、22…負極集電体、24…負極活物質層、30…積層体、50…外装体、62…正極リード、60…負極リード、100…リチウムイオン二次電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Positive electrode, 12 ... Positive electrode collector, 14 ... Positive electrode active material layer, 18 ... Separator, 20 ... Negative electrode, 22 ... Negative electrode current collector, 24 ... Negative electrode active material layer, 30 ... Laminated body, 50 ... Outer body, 62 ... Positive electrode lead, 60 ... Negative electrode lead, 100 ... Lithium ion secondary battery

Claims (4)

FeとOからなる化合物によって構成される棒状粒子であって、前記棒状粒子の外部領域の結晶子径は、内部領域の結晶子径よりも大きく、前記外部領域の結晶子径は、1.2nm以上、13.7nm以下であることを特徴とするリチウムイオン二次電池用負極活物質。 A rod-like particle composed of a compound comprising Fe and O, wherein the crystallite diameter of the outer region of the rod-like particle is larger than the crystallite size of the inner region, and the crystallite size of the outer region is 1.2 nm. As described above, a negative electrode active material for a lithium ion secondary battery, which is 13.7 nm or less. 前記棒状粒子の外部領域の結晶構造がFeOであることを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用負極活物質。 The negative electrode active material for a lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein the crystal structure of the outer region of the rod-like particles is FeO. 請求項1から2のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池用負極活物質を含むことを特徴とするリチウムイオン二次電池用負極。 A negative electrode for a lithium ion secondary battery comprising the negative electrode active material for a lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 2. 請求項3に記載のリチウムイオン二次電池用負極と正極を備えることを特徴とするリチウムイオン二次電池。
A lithium ion secondary battery comprising the negative electrode for a lithium ion secondary battery according to claim 3 and a positive electrode.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN108281606A (en) * 2017-12-27 2018-07-13 洛阳理工学院 The method that stainless (steel) wire loads FeO battery cathode is prepared by precipitating reagent hydro-thermal method of hexa

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