JP2018067506A - Positive electrode active material for lithium secondary battery, positive electrode of lithium secondary battery, lithium secondary battery, and method of producing positive electrode active material for lithium secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、リチウム二次電池の正極活物質、リチウム二次電池の正極、リチウム二次電池およびリチウム二次電池の正極活物質を生産する方法に関する。 The present invention relates to a positive electrode active material for a lithium secondary battery, a positive electrode for a lithium secondary battery, a lithium secondary battery, and a method for producing a positive electrode active material for a lithium secondary battery.
リチウムイオン電池の正極活物質は、典型的にはコバルト酸リチウム(LiCoO2)等の層状複合酸化物である。正極活物質がLiCoO2等の層状複合酸化物である場合は、充電時にリチウムイオン(Li+)を正極活物質から脱離させ放電時にLi+を正極活物質に挿入するインターカレーション反応を起こすことができる。このため、正極活物質がLiCoO2等の層状複合酸化物である場合は、正極活物質は高い充放電の可逆性を有する。インターカレーション反応は、インサーション反応とも呼ばれる。また、正極活物質がLiCoO2等の層状複合酸化物である場合は、正極活物質の容量は、当該層状複合酸化物に含まれるコバルト(Co)等の遷移金属元素の原子のインターカレーション反応における平均価数変化に依存する。 The positive electrode active material of a lithium ion battery is typically a layered composite oxide such as lithium cobaltate (LiCoO 2 ). When the positive electrode active material is a layered composite oxide such as LiCoO 2 , an intercalation reaction occurs in which lithium ions (Li + ) are desorbed from the positive electrode active material during charging and Li + is inserted into the positive electrode active material during discharging. be able to. For this reason, when the positive electrode active material is a layered composite oxide such as LiCoO 2 , the positive electrode active material has high charge / discharge reversibility. The intercalation reaction is also called an insertion reaction. When the positive electrode active material is a layered composite oxide such as LiCoO 2 , the capacity of the positive electrode active material is the intercalation reaction of atoms of transition metal elements such as cobalt (Co) contained in the layered composite oxide. Depends on the average valence change at.
例えば、リチウムイオン電池の正極活物質がLiCoO2である場合は、充電時に、正極活物質に含まれるCo原子が3価のコバルトイオンCo3+から4価のコバルトイオンCo4+に変化し、Co3+からCo4+に変化したCo原子の数に応じた数のLi+が正極活物質から脱離し、放電時に、正極活物質に含まれるCo原子がCo4+からCo3+に変化し、Co4+からCo3+に変化したCo原子の数に応じた数のLi+が正極活物質に挿入される。 For example, when the positive electrode active material of the lithium ion battery is LiCoO 2 , during charging, the Co atom contained in the positive electrode active material changes from trivalent cobalt ion Co 3+ to tetravalent cobalt ion Co 4+ , and Co 3+ the number corresponding to the number of Co atoms and changed to Co 4+ Li + is desorbed from the positive electrode active material from the time of discharge, Co atoms contained in the positive electrode active material is changed to Co 3+ from Co 4+, Co from Co 4+ A number of Li + corresponding to the number of Co atoms changed to 3+ is inserted into the positive electrode active material.
ただし、リチウムイオン電池の正極活物質が高い可逆性を有するためには、正極活物質に含まれるCo原子の全部に価数の変化を起こさせることはできず、正極活物質に含まれるCo原子の約半分にしか価数の変化を起こさせることはできない。これは、正極活物質に含まれるCo原子の約半分以上に価数の変化を起こさせ正極活物質に含まれるLi+の約半分以上を正極活物質から脱離させた場合は、正極活物質の結晶構造が変化し、Li+を再び正極活物質に挿入できなくなるためである。 However, in order for the positive electrode active material of the lithium ion battery to have high reversibility, all of the Co atoms contained in the positive electrode active material cannot be changed in valence, and Co atoms contained in the positive electrode active material Only about half of the valence can be changed. This is because when about half or more of Co atoms contained in the positive electrode active material undergo a change in valence and about half or more of Li + contained in the positive electrode active material is desorbed from the positive electrode active material, the positive electrode active material This is because the crystal structure of this changes and Li + cannot be inserted into the positive electrode active material again.
したがって、リチウム二次電池の正極活物質がLiCoO2である場合は、反応式(1)により表現されるLiCoO2とLi0.5CoO2との間における酸化還元反応が充放電時に起こさせられ、Co原子のインターカレーション反応における平均価数変化は0.5価にとどまる。また、正極活物質が有する容量は、正極活物質に含まれるCo原子の全部に価数の変化を起こさせることはできる場合は約280mAh/gに達するが、実際には約140mAh/gにしかならない。 Therefore, when the positive electrode active material of the lithium secondary battery is LiCoO 2 , an oxidation-reduction reaction between LiCoO 2 and Li 0.5 CoO 2 expressed by the reaction formula (1) is caused during charge / discharge. The average valence change in the intercalation reaction of Co atoms is only 0.5. The capacity of the positive electrode active material reaches about 280 mAh / g when all the Co atoms contained in the positive electrode active material can be changed in valence, but in practice, the capacity is only about 140 mAh / g. Don't be.
Li0.5CoO2+0.5Li++0.5e−⇔LiCoO2・・・(1) Li 0.5 CoO 2 + 0.5Li + + 0.5e - ⇔LiCoO 2 ··· (1)
この問題と同様の問題が、リチウム二次電池の正極活物質がLiCoO2以外の層状複合酸化物である場合にも生じる。また、この問題と同様の問題が、リチウムイオン電池以外のリチウム二次電池においても生じる。 A problem similar to this problem also occurs when the positive electrode active material of the lithium secondary battery is a layered composite oxide other than LiCoO 2 . In addition, a problem similar to this problem also occurs in lithium secondary batteries other than lithium ion batteries.
特許文献1、非特許文献1および非特許文献2には、本発明に関連する先行技術が記載されている。
特許文献1に記載された先行技術においては、リチウム二次電池の正極活物質がアンダーソン型構造を有するポリオキソメタレートであるNa3[AlMo6O24H6]・7H2OおよびLi3[AlMo6O24H6]・7H2Oとなっている。当該先行技術においては、正極活物質の理論容量が約300mAh/gであり、正極活物質の実際の容量が当該理論容量と同等以上となっている。
In the prior art described in
非特許文献1に記載された先行技術においては、リチウム二次電池の正極活物質がポリオキソメタレートであるTBA3[PMo12O40]となっている。「TBA」は、トリブチルアンモニウムを意味する。当該先行技術においては、正極活物質の理論容量が約250mAh/gであり、正極活物質の実際の容量が当該理論容量と同等以上となっている。
In the prior art described in
非特許文献2に記載された先行技術においては、リチウム二次電池の正極活物質がアンダーソン型構造を有するポリオキソメタレートであるNa3[AlMo6O24H6]となっている。当該先行技術においては、正極活物質の理論容量が約300mAh/gであり、正極活物質の容量が当該理論容量と同等以上となっている。 In the prior art described in Non-Patent Document 2, the positive electrode active material of the lithium secondary battery is Na 3 [AlMo 6 O 24 H 6 ], which is a polyoxometalate having an Anderson type structure. In the prior art, the theoretical capacity of the positive electrode active material is about 300 mAh / g, and the capacity of the positive electrode active material is equal to or greater than the theoretical capacity.
本発明は、平均価数変化が小さいことに起因する、リチウム二次電池の正極活物質の容量が小さいという問題を解決することを目的とする。したがって、本発明が解決しようとする課題は、高い容量を有するリチウム二次電池の正極活物質を得ることである。 An object of this invention is to solve the problem that the capacity | capacitance of the positive electrode active material of a lithium secondary battery resulting from a small average valence change being small. Therefore, the problem to be solved by the present invention is to obtain a positive electrode active material for a lithium secondary battery having a high capacity.
本発明は、リチウム二次電池の正極活物質、当該正極活物質を含むリチウム二次電池の正極、当該正極活物質を含む正極を備えるリチウム二次電池およびリチウム二次電池の正極活物質を生産する方法に関する。リチウム二次電池の正極活物質は、NiおよびMoを含みアンダーソン型構造を有するポリオキソメタレートの塩を含む。 The present invention produces a positive electrode active material of a lithium secondary battery, a positive electrode of a lithium secondary battery including the positive electrode active material, a lithium secondary battery including a positive electrode including the positive electrode active material, and a positive electrode active material of the lithium secondary battery On how to do. The positive electrode active material of the lithium secondary battery includes a salt of polyoxometalate containing Ni and Mo and having an Anderson type structure.
本発明によれば、高い容量を有するリチウム二次電池の正極活物質が得られる。 According to the present invention, a positive electrode active material for a lithium secondary battery having a high capacity can be obtained.
この発明の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。 The objects, features, aspects and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description and the accompanying drawings.
1 着想
表1は、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)およびモリブデン(Mo)の各々である各遷移金属元素について、各遷移金属元素の原子が取りうる価数および各遷移金属元素の原子と酸素原子との結合距離を示す。表1に示される結合距離は、Shannonのイオン半径表から計算され、遷移金属元素がMn、Fe、CoおよびNiである場合は価数が4価であるときの結合距離が100となるように表現されており、遷移金属元素がMoである場合は価数が6価であるときの結合距離が100となるように表現されている。
1 Idea Table 1 shows the valence that each transition metal element can take for each transition metal element of manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), and molybdenum (Mo). The number and the bond distance between the atom of each transition metal element and the oxygen atom are shown. The bond distances shown in Table 1 are calculated from Shannon's ion radius table. When the transition metal elements are Mn, Fe, Co, and Ni, the bond distance when the valence is tetravalent is 100. When the transition metal element is Mo, the bond distance is 100 when the valence is hexavalent.
表1から把握できるように、2価のマンガンイオン(Mn2+)と4価のマンガンイオン(Mn4+)との対である酸化還元対Mn2+/Mn4+、2価の鉄イオン(Fe2+)と4価の鉄イオン(Fe4+)との対である酸化還元対Fe2+/Fe4+、2価のコバルトイオン(Co2+)と4価のコバルトイオン(Co4+)との対である酸化還元対Co2+/Co4+または2価のニッケルイオン(Ni2+)と4価のニッケルイオン(Ni4+)との対である酸化還元対Ni2+/Ni4+が利用された場合は、酸化還元反応に伴う結合距離の変化がそれぞれ15%、10%、11%または11%になる。また、4価のモリブデンイオン(Mo4+)と6価のモリブデンイオン(Mo6+)との対である酸化還元対Mo4+/Mo6+が利用された場合は、酸化還元反応に伴う結合距離の変化が3%になる。したがって、酸化還元対Mo4+/Mo6+が利用された場合は、酸化還元対Mn2+/Mn4+、Fe2+/Fe4+、Co2+/Co4+またはNi2+/Ni4+が利用された場合と比較して、酸化還元反応に伴う結合距離の変化が小さくなる。このことからは、酸化還元対Mo4+/Mo6+が利用された場合は、Mo原子の価数の変化によるリチウム二次電池の正極活物質の結晶構造の変化が起こりにくくなることが期待され、正極活物質の可逆性が高くなることが期待される。このため、酸化還元対Mo4+/Mo6+は、高い容量を有する正極活物質の酸化還元中心として有望である。 As can be understood from Table 1, the redox couple Mn 2+ / Mn 4+ , which is a pair of divalent manganese ion (Mn 2+ ) and tetravalent manganese ion (Mn 4+ ), divalent iron ion (Fe 2+ ) And redox pair Fe 2+ / Fe 4+ , which is a pair of tetravalent iron ion (Fe 4+ ), and redox pair which is a pair of divalent cobalt ion (Co 2+ ) and tetravalent cobalt ion (Co 4+ ) When the redox couple Ni 2+ / Ni 4+, which is a pair of Co 2+ / Co 4+ or a divalent nickel ion (Ni 2+ ) and a tetravalent nickel ion (Ni 4+ ), is used in the redox reaction The associated bond distance changes are 15%, 10%, 11%, or 11%, respectively. In addition, when the redox couple Mo 4+ / Mo 6+, which is a pair of tetravalent molybdenum ions (Mo 4+ ) and hexavalent molybdenum ions (Mo 6+ ), is used, the bond distance changes due to the redox reaction. Becomes 3%. Thus, when the redox couple Mo 4+ / Mo 6+ is used, it is compared to the redox couple Mn 2+ / Mn 4+ , Fe 2+ / Fe 4+ , Co 2+ / Co 4+ or Ni 2+ / Ni 4+. Thus, the change in the bond distance accompanying the redox reaction is reduced. From this, when the oxidation-reduction pair Mo 4+ / Mo 6+ is used, it is expected that the change in the crystal structure of the positive electrode active material of the lithium secondary battery due to the change in the valence of the Mo atom is less likely to occur. It is expected that the reversibility of the positive electrode active material is increased. For this reason, the redox couple Mo 4+ / Mo 6+ is promising as a redox center of a positive electrode active material having a high capacity.
一方、クラスターアニオンであるポリオキソメタレート(POM)は、溶液中において電気化学的な多電子移動を起こすことが知られている。POMは、ポリ酸とも呼ばれる。 On the other hand, polyoxometalate (POM), which is a cluster anion, is known to cause electrochemical multi-electron transfer in solution. POM is also called polyacid.
これらのことから、Mo系のPOMの塩を含むリチウム二次電池の正極活物質は、高い容量を有する可能性がある。そこで、Mo系のPOMの塩を探索したところ、正極活物質がNiおよびMoを含みアンダーソン型構造を有するPOMの塩を含む場合に正極活物質が高い容量を有することが見出された。 For these reasons, the positive electrode active material of a lithium secondary battery containing a Mo-based POM salt may have a high capacity. Thus, when a Mo-based POM salt was searched, it was found that the positive electrode active material had a high capacity when the positive electrode active material contained a POM salt containing Ni and Mo and having an Anderson type structure.
2 リチウム二次電池の正極活物質
図1の模式図は、実施形態のリチウム二次電池の正極活物質に含まれる塩を構成するポリオキソメタレート(POM)の1次構造を図示する。
2 Cathode Active Material of Lithium Secondary Battery The schematic diagram of FIG. 1 illustrates the primary structure of polyoxometalate (POM) constituting the salt contained in the cathode active material of the lithium secondary battery of the embodiment.
図1に図示される1次構造においては、POM1000が、1個のNiO6八面体1020ならびに6個のMoO6八面体1040,1041,1042,1043,1044および1045を含む。1個のNiO6八面体1020においては、6個の酸素(O)原子が1個のニッケル(Ni)原子に6配位する。6個のMoO6八面体1040,1041,1042,1043,1044および1045の各々においては、6個のO原子が1個のモリブデン(Mo)原子に6配位する。6個のMoO6八面体1040,1041,1042,1043,1044および1045は、1個のNiO6八面体1020の周りに環状に配置される。隣接する2個のMoO6八面体においては、一方のMoO6八面体および他方のMoO6八面体が稜を共有する。POM1000は、図1に図示されない水素イオン(H+)を含む。このような1次構造を有するPOM1000は、アンダーソン(Anderson)型構造を有するPOMと呼ばれる。
In the primary structure illustrated in FIG. 1,
POM1000は、化学式H6NiMo6O24 4−で表される。POM1000に含まれるH+がアルカリ金属イオン(X1+)に置換されてもよい。例えば、POM1000に含まれるH+がリチウムイオン(Li+)に置換されてもよい。POM1000に含まれるH+がX1+に置換された場合は、化学式H6−mX1mNiMo6O24 4−で表されるPOMが得られる。X1は、アルカリ金属であり、典型的にはリチウム(Li)である。mは、1以上6以下の整数である。 POM1000 is the chemical formula H 6 NiMo 6 O 24 4- represented. H + contained in POM1000 may be substituted with alkali metal ions (X1 + ). For example, H + contained in POM1000 may be replaced with lithium ions (Li + ). When H + contained in POM1000 is substituted with X1 + , a POM represented by the chemical formula H 6-m X1 m NiMo 6 O 24 4− is obtained. X1 is an alkali metal, typically lithium (Li). m is an integer from 1 to 6.
図2の模式図は、実施形態のリチウム二次電池の正極活物質に含まれる塩を構成するPOMの2次構造を図示する。 The schematic diagram of FIG. 2 illustrates the secondary structure of the POM constituting the salt contained in the positive electrode active material of the lithium secondary battery of the embodiment.
図2に図示される2次構造においては、POMの塩1060が、POM1000、アンモニウムイオン(NH4 +)1080および水分子(H2O)1081を含む。POM1000は、アニオンである。アンモニウムイオン1080は、POM1000の対カチオンである。水分子1081は、水和水である。
In the secondary structure illustrated in FIG. 2, the
POMの塩1060は、ポリ酸化合物であり、化学式(NH4)4POM(H2O)4で表される。POMは、これまでに説明したポリオキソメタレートである。POMの塩1060に含まれるNH4 +がアルカリ金属イオン(X2+)に置換されてもよい。例えば、POMの塩1060に含まれるNH4 +がナトリウムイオン(Na+)に置換されてもよい。POMの塩1060に含まれるNH4 +がX2+に置換される場合は、化学式(NH4)4−nX2nPOM(H2O)4で表されるPOMの塩が得られる。X2は、アルカリ金属であり、典型的にナトリウム(Na)である。nは、1以上4以下の整数である。
The
3 正極活物質の合成
化学式(NH4)4(H6NiMo6O24)(H2O)4で表されるPOMの塩(以下では「ANMH」という。)は、七モリブデン酸イオンMo7O24 6−を含む塩とニッケルイオンNi2+を含む塩とを溶液中で反応させることにより合成される。例えば、ANMHは、七モリブデン酸六アンモニウム四水和物((NH4)6Mo7O24(H2O)4)を水に溶解させて第1の水溶液を調製し、硫酸ニッケル(NiSO4)を水に溶解させて第2の水溶液を調製し、第2の水溶液を第1の水溶液に混合して混合水溶液を調製し、混合水溶液からANMHを析出させることにより合成される。第1の水溶液、第2の水溶液および混合水溶液は必要に応じて加熱される。析出させられたANMHに再結晶操作が行われてもよい。例えば、析出させられたANMHが水に溶解させられて再結晶のための水溶液が調製され、再結晶のための水溶液からANMHが析出させられてもよい。再結晶操作によりANMHが析出させられる場合には、例えば貧溶媒が再結晶のための水溶液に混合される。
3 Synthesis of Positive Electrode Active Material A salt of POM represented by the chemical formula (NH 4 ) 4 (H 6 NiMo 6 O 24 ) (H 2 O) 4 (hereinafter referred to as “ANMH”) is a heptamolybdate ion Mo 7 It is synthesized by reacting a salt containing O 24 6− and a salt containing nickel ion Ni 2+ in solution. For example, ANMH prepares a first aqueous solution by dissolving hexaammonium hexamolybdate tetrahydrate ((NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 (H 2 O) 4 ) in water, and nickel sulfate (NiSO 4 ) Is dissolved in water to prepare a second aqueous solution, the second aqueous solution is mixed with the first aqueous solution to prepare a mixed aqueous solution, and ANMH is precipitated from the mixed aqueous solution. The first aqueous solution, the second aqueous solution, and the mixed aqueous solution are heated as necessary. A recrystallization operation may be performed on the deposited ANMH. For example, the precipitated ANMH may be dissolved in water to prepare an aqueous solution for recrystallization, and ANMH may be precipitated from the aqueous solution for recrystallization. When ANMH is precipitated by the recrystallization operation, for example, a poor solvent is mixed with an aqueous solution for recrystallization.
図3は、実施形態のリチウム二次電池の正極活物質の合成の手順を図示するフローチャートである。 FIG. 3 is a flowchart illustrating a procedure for synthesizing the positive electrode active material of the lithium secondary battery according to the embodiment.
図3のフローチャートにより示される手順は、AHNMに含まれる水素イオン(H+)がリチウムイオン(Li+)に置き換えられたPOMの塩(以下では「Li−NM」という。)およびAHNMに含まれるアンモニウムイオン(NH4 +)がナトリウムイオン(Na+)に置き換えられたPOMの塩(以下では「Na−NM」という。)が合成される場合に好適に採用される。 The procedure shown by the flowchart of FIG. 3 is included in a salt of POM (hereinafter referred to as “Li-NM”) in which hydrogen ions (H + ) contained in AHNM are replaced with lithium ions (Li + ) and AHNM. This is suitably used when a POM salt (hereinafter referred to as “Na-NM”) in which ammonium ions (NH 4 + ) are replaced with sodium ions (Na + ) is synthesized.
図3の工程S101においては、化学式(NH4)6(NiMo9O32)(H2O)6で表されるPOMの塩(以下では「ANM」という。)が合成される。化学式NiMo9O32 6−で表されるPOMは、オールマン−ウォー(Allman-Waugh)型構造を有するPOMと呼ばれる。ANMが合成される場合は、例えば、七モリブデン酸六アンモニウム四水和物((NH4)6Mo7O24(H2O)4)が水に溶解させられて第1の水溶液が調製され、硫酸ニッケル(NiSO4)および硫酸ナトリウム(Na2SO4)が水に溶解させられて第2の水溶液が調製され、第2の水溶液が第1の水溶液に混合されて混合水溶液が調製され、混合水溶液からANMが析出させられる。第1の水溶液、第2の水溶液および混合水溶液は必要に応じて加熱される。 In step S101 of FIG. 3, a salt of POM represented by the chemical formula (NH 4 ) 6 (NiMo 9 O 32 ) (H 2 O) 6 (hereinafter referred to as “ANM”) is synthesized. The POM represented by the chemical formula NiMo 9 O 32 6− is called POM having an Allman-Waugh type structure. When ANM is synthesized, for example, hexammonium hexamolybdate tetrahydrate ((NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 (H 2 O) 4 ) is dissolved in water to prepare a first aqueous solution. Nickel sulfate (NiSO 4 ) and sodium sulfate (Na 2 SO 4 ) are dissolved in water to prepare a second aqueous solution, and the second aqueous solution is mixed with the first aqueous solution to prepare a mixed aqueous solution, ANM is precipitated from the mixed aqueous solution. The first aqueous solution, the second aqueous solution, and the mixed aqueous solution are heated as necessary.
図3の工程S102においては、ANMがアルカリ金属イオンを含むアルカリ水溶液に溶解させられて水溶液が調製される。アルカリ金属イオンを含むアルカリ水溶液は、Li−NMが合成される場合は例えば水酸化リチウム(LiOH)水溶液であり、Na−NMが合成される場合は例えば水酸化ナトリウム(NaOH)水溶液である。 In step S102 of FIG. 3, ANM is dissolved in an aqueous alkali solution containing alkali metal ions to prepare an aqueous solution. The alkaline aqueous solution containing alkali metal ions is, for example, a lithium hydroxide (LiOH) aqueous solution when Li-NM is synthesized, and is a sodium hydroxide (NaOH) aqueous solution when Na-NM is synthesized.
図3の工程S103においては、Li−NMまたはNa−NMが水溶液から析出させられ、正極活物質が得られる。 In step S103 of FIG. 3, Li-NM or Na-NM is precipitated from an aqueous solution, and a positive electrode active material is obtained.
工程S102およびS103において行われる再結晶操作により、オールマン−ウォー(Allman-Waugh)型構造を有するPOMは、アンダーソン(Anderson)型構造を有するPOMに変化する。 By the recrystallization operation performed in steps S102 and S103, the POM having the Allman-Waugh type structure is changed to the POM having the Anderson type structure.
4 リチウム二次電池の基本構造
図4の模式図は、実施の形態のリチウム二次電池の基本構造を図示する。
4 Basic Structure of Lithium Secondary Battery The schematic diagram of FIG. 4 illustrates the basic structure of the lithium secondary battery of the embodiment.
図4に図示される基本構造においては、リチウム二次電池1100が、正極1120、負極1121および電解液1122を備える。正極1120、負極1121および電解液1122は、リチウム二次電池1100に仕様に応じて変更され、基本構造にさらに付加される集電体、容器、セパレータ等の付加物もリチウム二次電池1100に仕様に応じて変更される。
In the basic structure illustrated in FIG. 4, a lithium
正極1120は、これまでに説明した正極活物質を含み、望ましくは導電剤および結着剤をさらに含む。正極1120が導電剤および結着剤を含む場合は、正極活物質の粉末および導電剤の粉末が互いに混合された混合物に含まれる多数の粉末粒子が結着剤により互いに結着される。
The
導電剤は、電子伝導性を有し、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、気相法炭素繊維(VGCF)、カーボンナノチューブ等からなる。 The conductive agent has electronic conductivity and is made of ketjen black, acetylene black, vapor grown carbon fiber (VGCF), carbon nanotube, or the like.
結着剤は、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、ポリイミド等からなる。 The binder is made of polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), carboxymethyl cellulose (CMC), styrene-butadiene rubber (SBR), polyimide, or the like.
負極1121は、負極活物質を含む。負極活物質は、金属リチウム又はリチウム合金である。リチウム(Li)と合金を形成する物質には、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、アルミニウム(Al)、ケイ素(S)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)、銀(Ag)、金(Au)、亜鉛(Zn)、カドミウム(Cd)、水銀(Hg)等がある。負極活物質が、充電時にリチウムイオン(Li+)を負極活物質に挿入し放電時にLi+を負極活物質から脱離させることができる物質であってもよい。例えば、負極活物質が、Li+がプレドープされた炭素であってもよい。
The
電解液1122は、リチウムイオン伝導性を有し、正極1120および負極1121に接触する。電解液1122の溶媒は、炭酸エステル等を含む。炭酸エステルは、エチレンカーボネート(EC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)等である。電解液1122の溶質は、リチウム塩を含む。リチウム塩は、LiPF6、LiBF4、LiClO4、Li(CF3SO2)2N(LiTFSI)、LiN(SO2C2F5)2(LiBETI)、LiC4BO8(LiBOB)等からなる。電解液1122が添加剤を含んでもよい。添加剤は、ビニレンカーボネート(VC)、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、LiC4BO8(LiBOB)等である。液体電解質である電解液1122が固体電解質に置き換えられてもよい。
The
リチウム二次電池1100が充電される場合は、Li+が正極1120から電解液1122を経由して負極1121へ移動する。リチウム二次電池1100が放電させられる場合は、Li+が負極1121から電解液1122を経由して正極1120へ移動する。
When the lithium
リチウム二次電池1100は、正極活物質が異なることを除いて、従来のリチウム二次電池と同様に生産される。
The lithium
5 CR2032型コインセル
図5の模式図は、実施の形態のリチウム二次電池の一例であるCR2032型コインセルを図示する分解斜視図である。
5 CR2032-type coin cell The schematic diagram of FIG. 5 is an exploded perspective view illustrating a CR2032-type coin cell which is an example of the lithium secondary battery of the embodiment.
図5に図示されるCR2032型コインセル1140は、正極缶1160、スプリング1161、スペーサー1162、正極集電体1163、正極1164、ガスケット1165、セパレータ1166、セパレータ1167、電解液、リチウム金属負極1168および負極缶1169を備える。電解液は、図5には図示されていない。
5 includes a positive electrode can 1160, a
正極缶1160は負極缶1169に結合される。これにより、正極缶1160および負極缶1169は、内部に収容空間が形成されたコイン状容器を構成する。正極缶1160と負極缶1169との間の隙間は、ガスケット1165により封止される。これにより、収容空間が気密空間になる。
Positive electrode can 1160 is coupled to negative electrode can 1169. As a result, the positive electrode can 1160 and the negative electrode can 1169 constitute a coin-shaped container in which an accommodation space is formed. A gap between the positive electrode can 1160 and the negative electrode can 1169 is sealed with a
正極1164は正極集電体1163に保持される。スプリング1161、スペーサー1162、正極1164を保持する正極集電体1163、セパレータ1166、セパレータ1167およびリチウム金属負極1168は、記載された順序で積層され、スプリング1161が正極缶1160に接触しリチウム金属負極1168が負極缶1169に接触するように収容空間に収容される。スプリング1161、スペーサー1162および正極集電体1163は、電子伝導性を有する材料からなる。負極缶1169は、電子伝導性を有する材料からなる。したがって、正極缶1160、スプリング1161、スペーサー1162および正極集電体1163は、互いに導通し、正極1164への充放電経路を構成する。また、負極缶1169は、リチウム金属負極1168への充放電経路を構成する。
The
正極集電体1163は、アルミニウム、ニッケル等の金属またはステンレス鋼等の合金からなるメッシュからなる。メッシュからなる正極集電体1163が箔からなる正極集電体に置き換えられてもよい。金属または合金からなるメッシュからなる正極集電体1163がカーボンペーパーからなる正極集電体に置き換えられてもよい。
The positive electrode
セパレータ1166および1167は、ポリオレフィン微多孔膜、ガラスフィルター等からなり、Li+を透過させる。ポリオレフィン微多孔膜を構成するポリオレフィンは、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)等である。
The
電解液は、収容空間に充填される。 The electrolytic solution is filled in the accommodation space.
6 実験
6.1 正極活物質の合成
ANM、AHNM、Na−NMおよびLi−NMを合成した。
6 Experiment 6.1 Synthesis of positive electrode active material ANM, AHNM, Na-NM and Li-NM were synthesized.
ANMの合成においては、七モリブデン酸六アンモニウム四水和物を蒸留水25mlに溶解させて第1の水溶液を調製し、第1の水溶液を撹拌しながらオイルバスを用いて95℃まで加熱した。次に、硫酸ニッケルおよび硫酸ナトリウムを蒸留水に溶解させて調製した第2の水溶液25mlを第1の水溶液に加えて混合水溶液を得、混合水溶液を100℃まで加熱し20分間撹拌した。次に、混合水溶液を吸引濾過して濾液を得、濾液を室温まで冷却して濾液からANMを析出させた。 In the synthesis of ANM, a first aqueous solution was prepared by dissolving hexaammonium hexamolybdate tetrahydrate in 25 ml of distilled water, and heated to 95 ° C. using an oil bath while stirring the first aqueous solution. Next, 25 ml of a second aqueous solution prepared by dissolving nickel sulfate and sodium sulfate in distilled water was added to the first aqueous solution to obtain a mixed aqueous solution. The mixed aqueous solution was heated to 100 ° C. and stirred for 20 minutes. Next, the mixed aqueous solution was subjected to suction filtration to obtain a filtrate, and the filtrate was cooled to room temperature to precipitate ANM from the filtrate.
AHNMの合成においては、七モリブデン酸六アンモニウム四水和物を蒸留水25mlに溶解させて第1の水溶液を調製し、第1の水溶液を撹拌しながらオイルバスを用いて95℃まで加熱した。次に、硫酸ニッケルを蒸留水に溶解させて調製した第2の水溶液25mlを第1の水溶液に加えて混合水溶液を得、混合水溶液を100℃まで加熱し20分間撹拌した。次に、混合水溶液を吸引濾過し濾液を得、濾液を室温まで冷却し濾液からAHNMを析出させた。次に、撹拌を行いながらAHNM0.15gを蒸留水10mlに溶解させて再結晶のための溶液を得た。次に、撹拌を行いながらエタノール100mlを再結晶のための水溶液に投入してAHNMを再結晶させた。次に、遠心分離により、再結晶させられたAHNMを単離した。単離されたAHNMは、ナノ粒子となっていた。 In the synthesis of AHNM, hexammonium heptamolybdate tetrahydrate was dissolved in 25 ml of distilled water to prepare a first aqueous solution, and the first aqueous solution was heated to 95 ° C. using an oil bath while stirring. Next, 25 ml of a second aqueous solution prepared by dissolving nickel sulfate in distilled water was added to the first aqueous solution to obtain a mixed aqueous solution. The mixed aqueous solution was heated to 100 ° C. and stirred for 20 minutes. Next, the mixed aqueous solution was subjected to suction filtration to obtain a filtrate. The filtrate was cooled to room temperature, and AHNM was precipitated from the filtrate. Next, 0.15 g of AHNM was dissolved in 10 ml of distilled water while stirring to obtain a solution for recrystallization. Next, 100 ml of ethanol was added to an aqueous solution for recrystallization while stirring to recrystallize AHNM. Next, the recrystallized AHNM was isolated by centrifugation. The isolated AHNM became nanoparticles.
Na−NMの合成においては、撹拌を行いながらANMをpHが10である水酸化ナトリウム水溶液10mlに5分間かけて溶解させて再結晶のための水溶液を調製した。次に、撹拌を行いながらエタノール100mlを再結晶のための水溶液に投入してNa−NMを再結晶させた。Na−NMは、再結晶操作によりナノ粒子となっていた。 In the synthesis of Na-NM, an aqueous solution for recrystallization was prepared by dissolving ANM in 10 ml of an aqueous sodium hydroxide solution having a pH of 10 over 5 minutes while stirring. Next, 100 ml of ethanol was added to an aqueous solution for recrystallization while stirring to recrystallize Na-NM. Na-NM became nanoparticles by recrystallization operation.
Li−NMの合成は、水酸化ナトリウム水溶液に代えて水酸化リチウム水溶液を用いたことを除いて、Na−NMの合成と同様に行った。Li−NMは、再結晶操作によりナノ粒子となっていた。 The synthesis of Li-NM was performed in the same manner as the synthesis of Na-NM except that a lithium hydroxide aqueous solution was used instead of the sodium hydroxide aqueous solution. Li-NM became nanoparticles by the recrystallization operation.
6.2 Na−NMおよびLi−NMのX線回折パターン
図6は、合成されたNa−NMおよびLi−NMならびにリファレンスとなるAHNMのX線回折パターンを図示する図である。
6.2 X-ray diffraction pattern of Na-NM and Li-NM FIG. 6 is a diagram illustrating the X-ray diffraction pattern of synthesized Na-NM and Li-NM and reference AHNM.
図6に示されるように、合成されたNa−NMおよびLi−NMのX線回折パターンは、リファレンスとなるAHNMのX線回折パターンに近似しているが、合成されたNa−NMおよびLi−NMのX線回折パターンにおけるピーク角度は、リファレンスとなるAHNMのX線回折パターンにおけるピーク角度と微妙に異なる。このことから、合成されたNa−NMおよびLi−NMの結晶構造は、AHNMの結晶構造に近似しているが、合成されたNa−NMおよびLi−NMの格子定数は、AHNMの格子定数と微妙に異なることを把握できる。すなわち、再結晶操作において用いる金属塩の種類により析出する結晶の格子定数が微妙に異なることを把握できる。 As shown in FIG. 6, the X-ray diffraction patterns of the synthesized Na-NM and Li-NM are similar to the X-ray diffraction pattern of the reference AHNM, but the synthesized Na-NM and Li-NM The peak angle in the NM X-ray diffraction pattern is slightly different from the peak angle in the reference AHNM X-ray diffraction pattern. From this, the crystal structure of synthesized Na-NM and Li-NM approximates the crystal structure of AHNM, but the lattice constant of synthesized Na-NM and Li-NM is the same as that of AHNM. You can see the difference. That is, it can be understood that the lattice constant of the crystal to be deposited is slightly different depending on the type of metal salt used in the recrystallization operation.
6.3 コインセルの作製および充放電特性の評価
合成したANM、AHNM、Na−NMおよびLi−NMをそれぞれ正極活物質として用いて先述のCR2032型コインセルを作製した。また、作製したコインセルの充放電特性を評価した。
6.3 Production of Coin Cell and Evaluation of Charge / Discharge Characteristics The above-described CR2032 type coin cell was produced using synthesized ANM, AHNM, Na-NM, and Li-NM as positive electrode active materials, respectively. Moreover, the charge / discharge characteristic of the produced coin cell was evaluated.
図7、8、9および10は、正極活物質がANM、AHNM、Na−NMおよびLi−NMである場合の充放電特性をそれぞれ示すグラフである。 7, 8, 9 and 10 are graphs showing charge / discharge characteristics in the case where the positive electrode active material is ANM, AHNM, Na-NM and Li-NM, respectively.
酸化還元対Mo4+/Mo6+が利用された場合の理論容量は約300mAh/gであるが、図7、8、9および10からは、正極活物質がANM、AHNM、Na−NMおよびLi−NMのいずれである場合も理論容量と同等の以上の容量が得られることを把握できる。また、正極活物質がLi−NMである場合は、約600mAhという理論容量を大きく上回る容量が得られる。その理由は不明であるが、モリブデン(Mo)原子が4価以下まで還元されたことなどが理由として考えられる。 The theoretical capacity when redox couple Mo 4+ / Mo 6+ is utilized is about 300 mAh / g, but from FIGS. 7, 8, 9 and 10 the positive electrode active materials are ANM, AHNM, Na—NM and Li— It can be understood that in any case of NM, a capacity equal to or higher than the theoretical capacity can be obtained. Further, when the positive electrode active material is Li-NM, a capacity that is much higher than the theoretical capacity of about 600 mAh can be obtained. The reason is unknown, but it is considered that the molybdenum (Mo) atom has been reduced to tetravalent or less.
発明は詳細に示され記述されたが、上記の記述は全ての局面において例示であって限定的ではない。したがって、発明の範囲からはずれることなく無数の修正及び変形が案出されうると解される。 Although the invention has been shown and described in detail, the above description is illustrative in all aspects and not restrictive. Accordingly, it is understood that numerous modifications and variations can be devised without departing from the scope of the invention.
1000 ポリオキソメタレート(POM)
1060 ポリオキソメタレート(POM)の塩
1080 アンモニウムイオン(NH4+)
1081 水分子(H2O)
1100 リチウム二次電池
1120 正極
1121 負極
1122 電解液
1140 CR2032型コインセル
1000 Polyoxometalate (POM)
1060 Salt of polyoxometalate (POM) 1080 Ammonium ion (NH 4+ )
1081 Water molecule (H 2 O)
1100 Lithium
Claims (10)
請求項1のリチウム二次電池の正極活物質。 The positive electrode active material of the lithium secondary battery according to claim 1, wherein an anion in the polyoxometalate is represented by a chemical formula H 6 NiMo 6 O 24 4−
X1は、アルカリ金属であり、
mは、1以上6以下の整数である
請求項1のリチウム二次電池の正極活物質。 The anion in the polyoxometalate is represented by the chemical formula H 6-m X1 m NiMo 6 O 24 4-
X1 is an alkali metal,
The positive electrode active material for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein m is an integer of 1 to 6.
請求項3のリチウム二次電池の正極活物質。 X1 is lithium, The positive electrode active material of the lithium secondary battery of Claim 3.
POMは、前記ポリオキソメタレートである
請求項1から4までのいずれかのリチウム二次電池の正極活物質。 The salt is represented by the chemical formula (NH 4 ) 4 POM (H 2 O) 4 ,
5. The positive electrode active material for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein POM is the polyoxometalate.
POMは、前記ポリオキソメタレートであり、
X2は、アルカリ金属であり、
nは、1以上4以下の整数である
請求項1から4までのいずれかのリチウム二次電池の正極活物質。 The salt is represented by the chemical formula (NH 4 ) 4-n X2 n POM (H 2 O) 4 ,
POM is the polyoxometalate,
X2 is an alkali metal,
n is an integer of 1 or more and 4 or less, The positive electrode active material of the lithium secondary battery in any one of Claim 1 to 4.
請求項6のリチウム二次電池の正極活物質。 X2 is sodium, The positive electrode active material of the lithium secondary battery of Claim 6.
負極と、
リチウムイオン伝導性を有し前記正極および前記負極に接触する電解質と、
を備えるリチウム二次電池。 A positive electrode containing a positive electrode active material of any of the lithium secondary batteries according to claim 1;
A negative electrode,
An electrolyte having lithium ion conductivity and in contact with the positive electrode and the negative electrode;
A lithium secondary battery comprising:
b) アルカリ金属イオンを含むアルカリ水溶液に前記塩を溶解させて水溶液を調製する工程と、
c) NiおよびMoを含みアンダーソン型構造を有するポリオキソメタレートの塩を前記水溶液から析出させリチウム二次電池の正極活物質を得る工程と、
を備えるリチウム二次電池の正極活物質を生産する方法。 a) preparing a salt of a polyoxometalate represented by the chemical formula (NH 4 ) 6 (NiMo 9 O 32 ) (H 2 O) 6 ;
b) preparing an aqueous solution by dissolving the salt in an aqueous alkali solution containing alkali metal ions;
c) depositing a salt of polyoxometalate containing Ni and Mo and having an Anderson structure from the aqueous solution to obtain a positive electrode active material of a lithium secondary battery;
A method for producing a positive electrode active material for a lithium secondary battery.
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