JP2018152315A - 負極活物質、負極、非水電解質蓄電素子、及び負極活物質の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
Li1+xMo1−yAyOz ・・・ (1)
(式(1)中、Aは、B、C、N、F、Si、P、S、Cl、Ga、As、Br、Te、I又はこれらの組み合わせである。0≦x、0<y<1、0<zである。)
本発明の一実施形態に係る負極活物質は、リチウム(Li)、モリブデン(Mo)及び元素(A)を含む複合酸化物を含有する。
Li1+xMo1−yAyOz ・・・ (1)
式(1)中、Aは、B、C、N、F、Si、P、S、Cl、Ga、As、Br、Te、I又はこれらの組み合わせである。0≦x、0<y<1、0<zである。
Li1+2yMo1−yAyO2+2y ・・・ (1−1)
Li1+y Mo1−yAyO2+y ・・・ (1−2)
式(1−1)及び式(1−2)中、yは、式(1)中のyと同義である。
当該負極活物質の製造方法は特に限定されないが、以下の製造方法が好ましい。すなわち、本発明の一実施形態に係る負極活物質の製造方法は、一種又は複数種の酸化物をメカノケミカル法により処理することを備え、上記一種又は複数種の酸化物が、リチウム、モリブデン及び元素(A)を含み、上記元素(A)が、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、ケイ素、リン、硫黄、塩素、ガリウム、ヒ素、臭素、テルル、ヨウ素又はこれらの組み合わせである負極活物質の製造方法である。
本発明の一実施形態に係る負極は、当該負極活物質を有する非水電解質蓄電素子用の負極である。
本発明の一実施形態に係る非水電解質蓄電素子は、正極、負極及び非水電解質を有する。以下、非水電解質蓄電素子の一例として、非水電解質二次電池について説明する。上記正極及び負極は、通常、セパレータを介して積層又は巻回により交互に重畳された電極体を形成する。この電極体はケースに収納され、このケース内に非水電解質が充填される。上記非水電解質は、正極と負極との間に介在する。また、上記ケースとしては、非水電解質二次電池のケースとして通常用いられる公知のアルミニウムケース、樹脂ケース等を用いることができる。
上記正極は、正極基材、及びこの正極基材に直接又は中間層を介して配される正極合材層を有する。上記中間層は負極の中間層と同様の構成とすることができる。
上記負極としては、本発明の一実施形態に係る負極が用いられる。当該負極の詳細は上述した通りである。
上記セパレータの材質としては、例えば織布、不織布、多孔質樹脂フィルム等が用いられる。これらの中でも、強度の観点から多孔質樹脂フィルムが好ましく、非水電解質の保液性の観点から不織布が好ましい。上記セパレータの主成分としては、強度の観点から例えばポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンが好ましく、耐酸化分解性の観点から例えばポリイミドやアラミド等が好ましい。また、これらの樹脂を複合してもよい。
上記非水電解質としては、非水電解質蓄電素子(二次電池)に通常用いられる公知の電解質が使用できる。上記非水電解質は、非水溶媒と、この非水溶媒に溶解されている電解質塩とを含む。
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、上記態様の他、種々の変更、改良を施した態様で実施することができる。例えば、上記負極において、中間層を設けなくてもよく、負極合材は明確な層を形成していなくてもよい。例えば上記負極は、メッシュ状の負極基材に負極合材が担持された構造などであってもよい。また、上記実施の形態においては、非水電解質蓄電素子が二次電池である形態を中心に説明したが、その他の非水電解質蓄電素子であってもよい。その他の非水電解質蓄電素子としては、キャパシタ(電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ)等が挙げられる。
炭酸リチウム(Li2CO3)(ナカライテスク社製)、三酸化モリブデン(MoO3)(高純度化学社製)、及び還元剤としてのアセチレンブラックを、Li:Mo:Cのモル比が4:4:3となるように秤取した。これらを直径5mmのジルコニア製ボールが90g(約250個)入った内容積80mLのジルコニア製ポットに投入し、蓋をした。これを遊星型ボールミル(FRITSCH社の「pulverisette 5」)にセットし、公転回転数120rpmで9分混合した後に1分間の休止を入れる操作を計6回繰り返した。次いで、蓋をあけて、ポット内の混合物を薬さじでかき混ぜ、再度、公転回転数120rpmで9分混合した後に1分間の休止を入れる操作を計2回繰り返した。次いで、この混合粉体を容量30mLのアルミナ製るつぼ(型番:1−7745−07)に載置し、このるつぼを卓上真空・ガス置換炉(デンケン・ハイデンタル社の「KDF75」)に設置した。次いで、窒素気流中、常圧下、常温から1000℃まで10時間かけて一定(constant)の昇温速度で昇温し、この温度で4時間保持した後、室温まで自然放冷した。このようにして、組成式LiMoO2で表されるリチウムモリブデン複合酸化物を作製した。
合成例1にて得られたリチウムモリブデン複合酸化物及びリン酸リチウム(Li3PO4)(ナカライテスク社製)をMo:Pのモル比が90:10(実施例1)、80:20(実施例2)、70:30(実施例3)、及び60:40(実施例4)となるように、かつこれらの酸化物の合計の質量がそれぞれ約4.5gとなるように秤取した。これらを直径5mmのタングステンカーバイド製ボールが250g(約250個)入った内容積80mLのタングステンカーバイド製ポットに投入し、アルゴン雰囲気を維持したグローブボックス中で蓋をした。これを遊星型ボールミル(FRITSCH社の「pulverisette 5」)にセットし、公転回転数400rpmで12分混合した後に3分間の休止を入れる操作を計16回繰り返した。このようにして、組成式(1−y)LiMoO2−yLi3PO4、すなわちLi1+2yMo1−yPyO2+2y(y=0.1、0.2、0.3、0.4)で表されるリチウムモリブデンリン複合酸化物を作製した。
合成例1にて得られたリチウムモリブデン複合酸化物及び炭酸リチウム(Li2CO3)(ナカライテスク社製)をMo:Cのモル比が80:20となるように秤取したことを除いては、実施例1と同様の方法で、組成式0.8LiMoO2−0.2Li2CO3、すなわちLi1.2Mo0.8C0.2O2.2で表されるリチウムモリブデン炭素複合酸化物を作製した。
Mo:Pのモル比を100:0とし、これを遊星型ボールミル(FRITSCH社の「pulverisette 5」)にセットし、公転回転数400rpmで12分混合した後に3分間の休止を入れる操作を8回繰り返したことを除いては、実施例1と同様の方法で組成式LiMoO2で表されるリチウムモリブデン複合酸化物を作製した。
三酸化モリブデン(MoO3)(高純度化学社製)を準備した。
三酸化モリブデン(MoO3)(高純度化学社製)及び炭酸リチウム(Li2CO3)(ナカライテスク社製)をLi:Moのモル比が4:5になるように秤量したこと、空気気流中、常圧下、常温から500℃まで10時間かけて一定(constant)の昇温速度で昇温し、500℃で52時間保持したことを除いては、合成例1と同様の手順で、組成式Li4Mo5O17で表されるリチウムモリブデン複合酸化物を作製した。
三酸化モリブデン(MoO3)(高純度化学社製)及び炭酸リチウム(Li2CO3)(ナカライテスク社製)をLi:Moのモル比が2:1になるように秤量したこと、空気気流中、常圧下、常温から600℃まで10時間かけて一定(constant)の昇温速度で昇温し、600℃で4時間保持したことを除いては、合成例1と同様の手順で、組成式Li2MoO4で表されるリチウムモリブデン複合酸化物を作製した。
Mo:Pのモル比を0:100としたこと、すなわちリン酸リチウム(Li3PO4)のみを原料として用いたこと除いては、実施例1と同様の方法の処理を行った。
炭酸リチウム(Li2CO3)(ナカライテスク社製)及び酸化ゲルマニウム(GeO2)(高純度化学社製)を、Li:Geのモル比が2:1となるように秤取した。これらを直径5mmのジルコニア製ボールが90g(約250個)入った内容積80mLのジルコニア製ポットに投入した。このポットにさらにエタノール10mLを投入し、蓋をした。これを遊星型ボールミル(FRITSCH社の「pulverisette 5」)にセットし、公転回転数300rpmで9分混合した後に1分間の休止を入れる操作を計6回繰り返した。この混合物を80℃の乾燥機で3時間以上乾燥し、混合粉体を得た。この混合粉体を容量30mLのアルミナ製るつぼ(型番:1−7745−07)に載置し、このるつぼを卓上真空・ガス置換炉(デンケン・ハイデンタル社の「KDF75」)に設置した。次いで、空気気流中、常圧下、10時間で常温から950℃まで昇温し、この温度で4時間保持した後、室温まで自然放冷した。このようにして、組成式Li2GeO3で表されるリチウムゲルマニウム複合酸化物を作製した。
合成例1にて得られたリチウムモリブデン複合酸化物及び合成例2にて得られたリチウムゲルマニウム複合酸化物をMo:Geのモル比が80:20となるように秤取したことを除いては、実施例1と同様の方法で、組成式0.8LiMoO2−0.2Li2GeO3、すなわちLi1.2Mo0.8Ge0.2O2.2で表されるリチウムモリブデンゲルマニウム複合酸化物を作製した。
実施例1〜5及び比較例1〜7で得られた複合酸化物について、以下の方法にて解析を行った。X線回折装置(Rigaku社の「MiniFlex II」)を用いて粉末X線回折測定を行った。線源はCuKα線、管電圧は30kV、管電流は15mAとし、回折X線は厚み30μmのKβフィルターを通し高速一次元検出器(型番:D/teX Ultra 2)にて検出した。サンプリング幅は0.01°、スキャンスピードは5°/min、発散スリット幅は0.625°、受光スリット幅は13mm(OPEN)、散乱スリット幅は8mmとした。実施例1〜4及び比較例2、6の複合酸化物のX線回折図を図3に示す。また、実施例5及び比較例7の複合酸化物のX線回折図を図4に示す。得られたX線回折データについて、上記「RIETAN2000」プログラムを用いてリートベルト解析を実施した。
・実施例1及び比較例2、7:空間群Fm−3m
・実施例2、5:空間群R−3m及び空間群Fm−3m(2相共存)
・実施例3、4:空間群R−3m、空間群Fm−3m及びLi3PO4(3相共存)
・比較例1:空間群C2/m又はR−3m
・比較例3:MoO3(PDF番号00−000−1672)
・比較例4:Li4Mo5O17(PDF番号01−088−1122)
・比較例5:Li2MoO4(PDF番号00−012−0763)
・比較例6:Li3PO4(PDF番号00−025−1030)
実施例1〜4、6及び比較例6、7で得られた各複合酸化物を負極活物質として用い、以下の要領で負極を作製した。合成した各複合酸化物の粉末2.275gとアセチレンブラック(AB)0.700gとをそれぞれ秤取した。これらを直径5mmのジルコニア製ボールが90g(約250個)入った内容積80mLのジルコニア製ポットに投入した。このポットにさらにアセトン10mLを投入し、アルゴン雰囲気を維持したグローブボックス中で蓋をした。これを遊星型ボールミル(FRITSCH社の「pulverisette 5」)にセットし、公転回転数300rpmで12分混合した後に3分間の休止を入れる操作を計48回繰り返した。この混合物を乾燥機で75℃で3時間以上乾燥し、混合粉体を調製した。この混合粉体2.04g、PVDFの12質量%N−メチルピロリドン(NMP)溶液及びNMPを所定のプラスチック容器に入れ、アルゴン雰囲気を維持したグローブボックス中で蓋をした。これを撹拌脱泡装置(シンキー社の「あわとり練太郎」(商品名))にセットし、2000rpmで十分に混練することで、N−メチルピロリドン(NMP)を分散媒とするスラリーを調整した。スラリー中の負極活物質、AB及びPVDFの質量比は65:20:15である。このスラリーを厚さ20μmの銅箔基材の片面に塗布した。これを80℃のホットプレート上で60分乾燥して分散媒を蒸発させた後、ロールプレスを行うことで負極を得た。
以下の試験は作用極と対極との間で電圧制御を行ったが、対極における金属リチウムの溶解・析出反応抵抗が極めて低いことから、充放電中の端子間電圧は、金属リチウムを用いた参照極に対する作用極の電位と等しいとみなすことができる。また、以下の試験では、電気化学的に吸蔵・放出可能なリチウムを含有する正極と組み合わせ、充電から開始することを想定した非水電解質蓄電素子の負極に用いる負極活物質として上記複合酸化物を評価することを目的としているため、上記複合酸化物に対して電気化学的にリチウムイオンが吸蔵される反応である還元方向に通電する操作から開始した。
充電下限電位を0.1V(vs.Li/Li+)としたこと以外は、上記充放電試験(0.2−3.0V)と同様にして、充放電試験(0.1−3.0V)を行った。この充放電サイクル試験における2サイクル目の放電容量、及び2サイクル目の放電容量に対する10サイクル目の放電容量の比である容量維持率も表5に示す。ここに示した放電容量は、負極が含有するABを除く負極活物質の質量当たりの放電容量から、後述のAB電池で見積もられるABの寄与分を除いた値である。また、実施例2の2サイクル目、7サイクル目及び10サイクル目の放電曲線を図10に示す。
比較例6の複合酸化物(Li3PO4)を用いて得られた非水電解質蓄電素子については、充電下限電位を0.0V(vs.Li/Li+)としたこと以外は、上記充放電試験(0.2−3.0V)と同様にして、充放電試験を行った。この非水電解質蓄電素子においては、ABの寄与を除いた放電容量は、0mAh/gであった。
2 電極体
3 容器
4 正極端子
4’ 正極リード
5 負極端子
5’ 負極リード
20 蓄電ユニット
30 蓄電装置
Claims (7)
- リチウム、モリブデン及び元素(A)を含み、
上記元素(A)が、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、ケイ素、リン、硫黄、塩素、ガリウム、ヒ素、臭素、テルル、ヨウ素又はこれらの組み合わせである複合酸化物を含有する非水電解質蓄電素子用の負極活物質。 - 上記複合酸化物が、下記式(1)で表される請求項1の負極活物質。
Li1+xMo1−yAyOz ・・・ (1)
(式(1)中、Aは、B、C、N、F、Si、P、S、Cl、Ga、As、Br、Te、I又はこれらの組み合わせである。0≦x、0<y<1、0<zである。) - 上記モリブデンと上記元素(A)との合計含有量に対する上記元素(A)の含有量が1モル%以上50モル%未満である請求項1又は請求項2の負極活物質。
- 上記複合酸化物が、空間群Fm−3mに帰属可能な結晶構造を含む請求項1、請求項2又は請求項3の負極活物質。
- 請求項1から請求項4のいずれか1項の負極活物質を有する非水電解質蓄電素子用の負極。
- 請求項5の負極を有する非水電解質蓄電素子。
- 一種又は複数種の酸化物をメカノケミカル法により処理することを備え、
上記一種又は複数種の酸化物が、リチウム、モリブデン及び元素(A)を含み、
上記元素(A)が、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、ケイ素、リン、硫黄、塩素、ガリウム、ヒ素、臭素、テルル、ヨウ素又はこれらの組み合わせである非水電解質蓄電素子用の負極活物質の製造方法。
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JP2021128848A (ja) * | 2020-02-12 | 2021-09-02 | 株式会社豊田中央研究所 | 電極活物質、蓄電デバイス及び電極活物質の製造方法 |
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