JP2018206615A - Negative electrode and nonaqueous electrolyte power storage element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、負極及び非水電解質蓄電素子に関する。 The present invention relates to a negative electrode and a nonaqueous electrolyte storage element.
リチウムイオン二次電池に代表される非水電解質二次電池は、エネルギー密度の高さから、パーソナルコンピュータ、通信端末等の電子機器、自動車等に多用されている。上記非水電解質二次電池は、一般的には、セパレータで電気的に隔離された一対の電極と、この電極間に介在する非水電解質とを有し、両電極間でイオンの受け渡しを行うことで充放電するよう構成される。また、非水電解質二次電池以外の非水電解質蓄電素子として、リチウムイオンキャパシタや電気二重層キャパシタ等のキャパシタも広く普及している。 Nonaqueous electrolyte secondary batteries typified by lithium ion secondary batteries are widely used in electronic devices such as personal computers and communication terminals, automobiles and the like because of their high energy density. The nonaqueous electrolyte secondary battery generally has a pair of electrodes electrically isolated by a separator and a nonaqueous electrolyte interposed between the electrodes, and transfers ions between the electrodes. It is comprised so that it may charge / discharge. In addition, capacitors such as lithium ion capacitors and electric double layer capacitors are widely used as nonaqueous electrolyte storage elements other than nonaqueous electrolyte secondary batteries.
非水電解質蓄電素子の負極に含まれる活物質には、黒鉛等の炭素材料、金属酸化物等が用いられている。蓄電素子の大容量化等のために各種活物質の開発が進められており、非特許文献1においては、GeO2を負極に用いたことが記載されている。
As the active material contained in the negative electrode of the nonaqueous electrolyte storage element, a carbon material such as graphite, a metal oxide, or the like is used. Various active materials have been developed for increasing the capacity of power storage elements, and Non-Patent
非水電解質蓄電素子には、放電容量が大きいことに加え、その維持率が高いことが求められる。しかし、上記GeO2を負極に用いた非水電解質蓄電素子は、ある程度の放電容量を有するものの、容量維持率が高いものではない。 The nonaqueous electrolyte storage element is required to have a high retention rate in addition to a large discharge capacity. However, the nonaqueous electrolyte storage element using GeO 2 as a negative electrode has a certain amount of discharge capacity, but does not have a high capacity retention rate.
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、非水電解質蓄電素子に用いた場合、この非水電解質蓄電素子が十分な放電容量と高い放電容量維持率とを兼ね備えることができる負極、及びこの負極を有する非水電解質蓄電素子を提供することである。 The present invention has been made based on the circumstances as described above, and its purpose is to provide a sufficient discharge capacity and a high discharge capacity maintenance rate when used in a non-aqueous electrolyte storage element. It is providing the negative electrode which can combine these, and the nonaqueous electrolyte electrical storage element which has this negative electrode.
上記課題を解決するためになされた本発明の一態様は、ゲルマニウムと、アルカリ金属、アルカリ土類金属又はこれらの組み合わせとを含む複合酸化物を主成分とする負極合材を備え、上記複合酸化物におけるゲルマニウムに対する酸素の原子数比(O/Ge)が、2.1以上3.2以下である非水電解質蓄電素子用の負極である。 One embodiment of the present invention made to solve the above problems includes a negative electrode mixture mainly containing a composite oxide containing germanium and an alkali metal, an alkaline earth metal, or a combination thereof, and the composite oxide This is a negative electrode for a non-aqueous electrolyte storage element in which the atomic ratio (O / Ge) of oxygen to germanium in the product is 2.1 or more and 3.2 or less.
本発明の他の一態様は、当該負極を有する非水電解質蓄電素子である。 Another embodiment of the present invention is a nonaqueous electrolyte electricity storage device having the negative electrode.
本発明によれば、非水電解質蓄電素子に用いた場合、この非水電解質蓄電素子が十分な放電容量と高い放電容量維持率とを兼ね備えることができる負極、及びこの負極を有する非水電解質蓄電素子を提供することができる。 According to the present invention, when used in a non-aqueous electrolyte storage element, the non-aqueous electrolyte storage element can have both a sufficient discharge capacity and a high discharge capacity retention rate, and a non-aqueous electrolyte storage having the negative electrode An element can be provided.
本発明の一実施形態に係る負極は、ゲルマニウムと、アルカリ金属、アルカリ土類金属又はこれらの組み合わせとを含む複合酸化物を主成分とする負極合材を備え、上記複合酸化物におけるゲルマニウムに対する酸素の原子数比(O/Ge)が、2.1以上3.2以下である非水電解質蓄電素子用の負極である。 A negative electrode according to an embodiment of the present invention includes a negative electrode mixture mainly composed of a complex oxide containing germanium and an alkali metal, an alkaline earth metal, or a combination thereof, and oxygen relative to germanium in the complex oxide. Is a negative electrode for a non-aqueous electrolyte electricity storage device having an atomic ratio (O / Ge) of 2.1 or more and 3.2 or less.
当該負極を非水電解質蓄電素子に用いた場合、この非水電解質蓄電素子が十分な放電容量と高い放電容量維持率とを兼ね備えることができる。この理由は定かでは無いが、以下の理由が推測される。当該負極においては、負極合材の主成分である複合酸化物中のゲルマニウムに対する酸素の原子数比(O/Ge)が、2.1以上である。すなわち、GeO2(O/Ge=2)等と比べて、充放電時に酸化還元しない酸素原子の含有割合が高い。このため、劣化の原因となる充放電時のゲルマニウムの酸化還元に伴うストレスが緩和され、容量維持率が高まっていると推測される。一方、上記複合酸化物中のゲルマニウムに対する酸素の原子数比(O/Ge)は、3.2以下であり、酸化還元が生じるゲルマニウムが十分な量存在し、リチウム等の拡散可能な経路が十分存在することで、十分な放電容量を有することができると推測される。 When the negative electrode is used for a nonaqueous electrolyte storage element, the nonaqueous electrolyte storage element can have both a sufficient discharge capacity and a high discharge capacity retention rate. Although this reason is not certain, the following reason is guessed. In the negative electrode, the atomic ratio (O / Ge) of oxygen to germanium in the composite oxide that is the main component of the negative electrode mixture is 2.1 or more. That is, as compared with GeO 2 (O / Ge = 2) or the like, the content ratio of oxygen atoms that are not oxidized / reduced during charge / discharge is high. For this reason, it is presumed that the stress accompanying the oxidation / reduction of germanium during charge / discharge, which causes deterioration, is alleviated and the capacity maintenance rate is increased. On the other hand, the atomic ratio (O / Ge) of oxygen to germanium in the composite oxide is 3.2 or less, there is a sufficient amount of germanium that causes redox, and there is a sufficient diffusible route for lithium and the like. It is estimated that it can have a sufficient discharge capacity.
ここで、負極合材の「主成分」とは、負極合材の中で含有割合の高い主要な成分をいう。例えば、負極合材の「主成分」は、含有割合が10質量%以上の成分であってよく、30質量%以上の成分であってよく、50質量%以上の成分であってよい。あるいは、負極合材の「主成分」は、負極合材の各成分の中で最も質量基準の含有割合が高い成分であってよい。 Here, the “main component” of the negative electrode mixture refers to a main component having a high content ratio in the negative electrode mixture. For example, the “main component” of the negative electrode composite material may be a component having a content ratio of 10% by mass or more, 30% by mass or more, or 50% by mass or more. Alternatively, the “main component” of the negative electrode mixture may be a component having the highest mass-based content ratio among the components of the negative electrode mixture.
なお、本明細書において、上記複合酸化物は負極活物質として作用するものであり、負極活物質(複合酸化物)に対してリチウムイオン等が吸蔵される還元反応を「充電」、リチウムイオン等が放出される酸化反応を「放電」という。 In the present specification, the composite oxide functions as a negative electrode active material, and a reduction reaction in which lithium ions and the like are occluded with respect to the negative electrode active material (composite oxide) is “charged”, lithium ions, and the like. The oxidation reaction that releases is called “discharge”.
当該負極においては、0.0V(vs.Li/Li+)まで充電した後の放電過程において、0.0〜2.0V(vs.Li/Li+)の範囲で放電される電気量Q(0.0−2.0V)に対する0.0〜1.2V(vs.Li/Li+)の範囲で放電される電気量Q(0.0−1.2V)の比(Q(0.0−1.2V)/Q(0.0−2.0V))が、80%以上であることが好ましい。 The In the negative electrode, 0.0 V in the discharge process after charging until (vs.Li/Li +), 0.0~2.0V electric quantity is discharged at a range of (vs.Li/Li +) Q ( The ratio of the quantity of electricity Q (0.0-1.2 V) discharged in the range of 0.0 to 1.2 V (vs. Li / Li + ) to 0.0-2.0 V) (Q (0.0 -1.2V) / Q (0.0-2.0V) ) is preferably 80% or more.
発明者らの知見によれば、約1.2V(vs.Li/Li+)よりも高い電位での放電はコンバージョン反応が主体となり、この反応が容量維持率を低下させる要因となっていると推測される。これに対し、上記比(Q(0.0−1.2V)/Q(0.0−2.0V))が高いことは、1.2V(vs.Li/Li+)以下の電位での反応が主体となっていることを示す。そのため、上記比(Q(0.0−1.2V)/Q(0.0−2.0V))が80%以上である場合、より容量維持率を高めることができる。 According to the knowledge of the inventors, discharge at a potential higher than about 1.2 V (vs. Li / Li + ) is mainly caused by a conversion reaction, and this reaction is a factor that lowers the capacity maintenance rate. Guessed. On the other hand, the high ratio (Q (0.0-1.2 V) / Q (0.0-2.0 V) ) indicates that the potential is 1.2 V (vs. Li / Li + ) or less. Indicates that the reaction is the main component. Therefore, when the ratio (Q (0.0-1.2 V) / Q (0.0-2.0 V) ) is 80% or more, the capacity retention rate can be further increased.
当該負極の複合酸化物におけるゲルマニウムに対する遷移金属の原子数比が1未満であることが好ましい。このように遷移金属の含有割合が低く、相対的にゲルマニウムの含有割合が高い場合、より放電容量等が良好になる。また、例えば銅、コバルト、鉄、亜鉛等の遷移金属が含有されている場合、これらの遷移金属に由来するコンバージョン反応が高電位において進行する傾向がある。そのため、遷移金属の含有割合を低くすることで、容量維持率を下げる要因となるコンバージョン反応が生じ難い組成となり、容量維持率をより高めることができる。なお、「遷移金属」とは第3〜12族元素をいう。 The atomic ratio of transition metal to germanium in the composite oxide of the negative electrode is preferably less than 1. Thus, when the content rate of a transition metal is low and the content rate of germanium is relatively high, discharge capacity etc. become more favorable. For example, when transition metals, such as copper, cobalt, iron, and zinc, are contained, the conversion reaction derived from these transition metals tends to proceed at a high potential. Therefore, by reducing the content ratio of the transition metal, a composition that hardly causes a conversion reaction that causes a decrease in the capacity retention rate is obtained, and the capacity retention rate can be further increased. “Transition metal” refers to a Group 3-12 element.
本発明の一実施形態に係る非水電解質蓄電素子は、当該負極を有する非水電解質蓄電素子である。当該非水電解質蓄電素子は、十分な放電容量と高い放電容量維持率とを兼ね備える。 The nonaqueous electrolyte storage element according to an embodiment of the present invention is a nonaqueous electrolyte storage element having the negative electrode. The non-aqueous electrolyte storage element has both a sufficient discharge capacity and a high discharge capacity maintenance rate.
以下、本発明の一実施形態に係る負極、及び非水電解質蓄電素子について、順に詳説する。 Hereinafter, a negative electrode and a nonaqueous electrolyte storage element according to an embodiment of the present invention will be described in detail.
<負極>
本発明の一実施形態に係る負極は、非水電解質蓄電素子用の負極である。当該負極は、負極基材、及びこの負極基材に直接又は中間層を介して配される負極合材層を備える。
<Negative electrode>
The negative electrode which concerns on one Embodiment of this invention is a negative electrode for nonaqueous electrolyte electrical storage elements. The negative electrode includes a negative electrode substrate and a negative electrode mixture layer disposed on the negative electrode substrate directly or via an intermediate layer.
上記負極基材は、導電性を有する。負極基材の材質としては、銅、ニッケル、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼等の金属又はそれらの合金が用いられ、銅又は銅合金が好ましい。また、負極基材の形成形態としては、箔、蒸着膜等が挙げられ、コストの面から箔が好ましい。つまり、負極基材としては銅箔が好ましい。銅箔としては、圧延銅箔、電解銅箔等が例示される。 The negative electrode substrate has conductivity. As a material of the negative electrode substrate, metals such as copper, nickel, stainless steel, nickel-plated steel or alloys thereof are used, and copper or copper alloys are preferable. Moreover, foil, a vapor deposition film, etc. are mentioned as a formation form of a negative electrode base material, and foil is preferable from the surface of cost. That is, copper foil is preferable as the negative electrode substrate. Examples of the copper foil include rolled copper foil and electrolytic copper foil.
上記中間層は、負極基材の表面の被覆層であり、炭素粒子等の導電性粒子を含むことで負極基材と負極合材層との接触抵抗を低減する。中間層の構成は特に限定されず、例えば樹脂バインダ及び導電性粒子を含有する組成物により形成できる。なお、「導電性」を有するとは、JIS−H−0505(1975年)に準拠して測定される体積抵抗率が107Ω・cm以下であることを意味し、「非導電性」とは、上記体積抵抗率が107Ω・cm超であることを意味する。 The said intermediate | middle layer is a coating layer of the surface of a negative electrode base material, and reduces the contact resistance of a negative electrode base material and a negative electrode compound material layer by containing electroconductive particles, such as a carbon particle. The configuration of the intermediate layer is not particularly limited, and can be formed of a composition containing a resin binder and conductive particles, for example. “Conductive” means that the volume resistivity measured in accordance with JIS-H-0505 (1975) is 10 7 Ω · cm or less, and “nonconductive” Means that the volume resistivity is more than 10 7 Ω · cm.
上記負極合材層は、ゲルマニウムと、アルカリ金属、アルカリ土類金属又はこれらの組み合わせ(以下、「アルカリ金属、アルカリ土類金属又はこれらの組み合わせ」を「特定金属元素」ともいう。)と含む複合酸化物を主成分とするいわゆる負極合材から形成される層である。上記複合酸化物は、負極活物質として機能する。上記負極合材は、必要に応じて、他の負極活物質、導電剤、バインダ、増粘剤、フィラー等の任意成分を含むことができる。上記負極合材層は、負極合材のスラリーを塗工することなどによって形成される。 The negative electrode composite layer is a composite containing germanium and an alkali metal, an alkaline earth metal, or a combination thereof (hereinafter, “alkali metal, alkaline earth metal, or a combination thereof” is also referred to as “specific metal element”). It is a layer formed from a so-called negative electrode mixture mainly composed of an oxide. The composite oxide functions as a negative electrode active material. The negative electrode mixture can contain optional components such as other negative electrode active materials, conductive agents, binders, thickeners, and fillers as necessary. The negative electrode mixture layer is formed by applying a slurry of the negative electrode mixture.
上記複合酸化物は、構成元素として、ゲルマニウムと特定金属元素と酸素とを含む。この複合酸化物におけるゲルマニウムに対する酸素の原子数比(O/Ge)の下限は、2.1であり、2.2が好ましく、2.25がより好ましく、2.5がさらに好ましいこともある。この原子数比を上記下限以上とすることで、容量維持率を高めることができる。一方、上記原子数比(O/Ge)の上限は、3.2であり、3が好ましく、2.5がより好ましいこともある。この原子数比を上記上限以下とすることで、放電容量を大きくすることができる。 The composite oxide includes germanium, a specific metal element, and oxygen as constituent elements. The lower limit of the atomic ratio (O / Ge) of oxygen to germanium in this composite oxide is 2.1, preferably 2.2, more preferably 2.25, and even more preferably 2.5. By making this atomic ratio more than the above lower limit, the capacity retention rate can be increased. On the other hand, the upper limit of the atomic ratio (O / Ge) is 3.2, preferably 3, and more preferably 2.5. The discharge capacity can be increased by setting the atomic ratio to the upper limit or less.
上記複合酸化物に含まれる特定金属元素としては、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム等のアルカリ金属、及びマグネシウム、カルシウム、ストロンチウム等アルカリ土類金属である。これらは、1種のみ含有されていてもよいし、2種以上含有されていてもよい。上記特定金属元素としては、アルカリ金属が好ましく、リチウムがより好ましい。また、上記特定金属元素がアルカリ土類金属である場合、アルカリ土類金属としては、マグネシウムが好ましい。 Specific metal elements contained in the composite oxide include alkali metals such as lithium, sodium, potassium, and rubidium, and alkaline earth metals such as magnesium, calcium, and strontium. One of these may be contained, or two or more thereof may be contained. As the specific metal element, an alkali metal is preferable, and lithium is more preferable. When the specific metal element is an alkaline earth metal, magnesium is preferable as the alkaline earth metal.
上記複合酸化物における特定金属元素の含有量としては、特に限定されない。充放電によってリチウム等特定金属元素の組成比率が大きく変動すること、放電末状態では合成時よりも特定金属元素の組成比率が大きくなる可能性があること、合成の際に特定金属元素原料を理論組成比率よりも過剰に加えることが一般的に行われることなどから、上記複合酸化物における特定金属元素の含有量は、負極活物質としての性能等に大きな影響を与えるものでは無い。例えば、上記複合酸化物におけるゲルマニウムに対する特定金属元素(A)の原子数比(A/Ge)の下限としては、0.1であってよく、0.5であってもよい。また、この原子数比(A/Ge)の上限としては、5であってよく、2であってもよい。 The content of the specific metal element in the composite oxide is not particularly limited. The composition ratio of specific metal elements such as lithium varies greatly due to charge and discharge, the composition ratio of specific metal elements may be larger than at the time of synthesis at the end of discharge, and the specific metal element raw material is theorized during synthesis Since addition in excess of the composition ratio is generally performed, the content of the specific metal element in the composite oxide does not significantly affect the performance as a negative electrode active material. For example, the lower limit of the atomic ratio (A / Ge) of the specific metal element (A) to germanium in the composite oxide may be 0.1 or 0.5. In addition, the upper limit of this atomic ratio (A / Ge) may be 5 or 2.
上記複合酸化物は、ゲルマニウム、特定金属元素及び酸素以外の他の元素が、本発明の作用効果に影響を与えない範囲で含有されていてもよい。このような他の任意元素としては、アルミニウム、ケイ素、チタン、バナジウム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、等の金属元素(半金属元素を含む)、窒素、フッ素、臭素等の非金属元素が挙げられる。上記複合酸化物の全原子数に占めるこれらの任意元素の原子数比の上限としては、0.5が好ましく、0.2がより好ましく、0.1がさらに好ましく、0.01がよりさらに好ましく、0.001が特に好ましい。この任意元素は、実質的に含有されていなくてもよい。 The complex oxide may contain germanium, a specific metal element, and an element other than oxygen as long as the effects of the present invention are not affected. Such other optional elements include metal elements (including semi-metal elements) such as aluminum, silicon, titanium, vanadium, manganese, iron, cobalt, nickel and copper, and non-metallic elements such as nitrogen, fluorine and bromine. Is mentioned. The upper limit of the atomic ratio of these optional elements in the total number of atoms of the composite oxide is preferably 0.5, more preferably 0.2, still more preferably 0.1, and still more preferably 0.01. 0.001 is particularly preferable. This optional element may not be substantially contained.
上記複合酸化物におけるゲルマニウムに対する遷移金属の原子数比が1未満であることが好ましい。上記複合酸化物におけるゲルマニウムに対する遷移金属の原子数比の上限は、さらに0.5が好ましく、0.1がより好ましく、0.01がさらに好ましい。上記複合酸化物においては、実質的に遷移金属が含有されていないことがより好ましい。このように遷移金属の含有割合が低い場合、より放電容量や容量維持率が良好になる。 The atomic ratio of transition metal to germanium in the composite oxide is preferably less than 1. The upper limit of the atomic ratio of transition metal to germanium in the composite oxide is more preferably 0.5, more preferably 0.1, and still more preferably 0.01. In the composite oxide, it is more preferable that the transition metal is not substantially contained. Thus, when the content rate of a transition metal is low, a discharge capacity and a capacity maintenance rate become more favorable.
上記複合酸化物は、好適には下記式(1)で表すことができる。
AxGeyOz ・・・(1)
式(1)中、Aは、アルカリ金属、アルカリ土類金属又はこれらの組み合わせである。0<x、0<y、0<z、2.1≦z/y≦3.2である。)
The composite oxide can be preferably represented by the following formula (1).
A x Ge y O z (1)
In formula (1), A is an alkali metal, an alkaline earth metal, or a combination thereof. 0 <x, 0 <y, 0 <z, 2.1 ≦ z / y ≦ 3.2. )
上記式(1)中のAとしては、アルカリ金属が好ましく、リチウム(Li)がより好ましい。Aは、1種又は2種以上であってよい。 As A in said Formula (1), an alkali metal is preferable and lithium (Li) is more preferable. A may be one type or two or more types.
上記式(1)中のx及びyに関し、x/yの下限は、0.1であってよく、0.5であってもよい。一方、x/yの上限は、5であってよく、2であってもよい。 Regarding x and y in the above formula (1), the lower limit of x / y may be 0.1 or 0.5. On the other hand, the upper limit of x / y may be 5 or 2.
上記式(1)中のy及びzに関し、z/yの下限は、2.2が好ましく、2.25がより好ましく、2.5がさらに好ましいこともある。一方、z/yの上限は、3が好ましく、2.5がより好ましいこともある。 Regarding y and z in the above formula (1), the lower limit of z / y is preferably 2.2, more preferably 2.25, and even more preferably 2.5. On the other hand, the upper limit of z / y is preferably 3, and may be more preferably 2.5.
上記複合酸化物としては、Li2Ge4O9、Li4Ge5O12、Li2GeO3、Na2Ge4O9、Na2GeO3、K2Ge8O17、K2Ge4O9、K2GeO3、MgGeO3、MgGe4O9、Mg2GeO3、CaGe2O5、CaGe4O9、CaGeO3、SrGe4O9、SrGe4O9、SrGeO3、CaMgGe2O6、BaMgGe2O6、SrMgGe2O6等を挙げることができる。これらは、上記式(1)で表される複合酸化物である。 Examples of the composite oxide include Li 2 Ge 4 O 9 , Li 4 Ge 5 O 12 , Li 2 GeO 3 , Na 2 Ge 4 O 9 , Na 2 GeO 3 , K 2 Ge 8 O 17 , and K 2 Ge 4 O. 9 , K 2 GeO 3 , MgGeO 3 , MgGe 4 O 9 , Mg 2 GeO 3 , CaGe 2 O 5 , CaGe 4 O 9 , CaGeO 3 , SrGe 4 O 9 , SrGe 4 O 9 , SrGeO 3 , CaMgGe 2 O 6 BaMgGe 2 O 6 , SrMgGe 2 O 6 and the like. These are complex oxides represented by the above formula (1).
上記式(1)で表される複合酸化物以外の上記複合酸化物としては、Li2CoGe3O8、KGaGe3O8、K2TiGe3O9、Cs2TiGe3O9、Rb2TiGe3O9、BaTiGe3O9、RbNbGe3O9、KTaGe3O9、RbTaGe3O9、CaZnGe2O6、SrZnGe2O6、K2SnGe3O9、Cs2SnGe3O9、BaSnGe3O9、CaCu3Ge4O12等を挙げることができる。
Examples of the complex oxide other than the complex oxide represented by the above formula (1) include Li 2 CoGe 3 O 8 , KGaGe 3 O 8 , K 2 TiGe 3 O 9 , Cs 2 TiGe 3 O 9 , and Rb 2 TiGe. 3 O 9, BaTiGe 3 O 9 , RbNbGe 3 O 9, KTaGe 3 O 9, RbTaGe 3 O 9, CaZnGe 2 O 6, SrZnGe 2 O 6, K 2 SnGe 3 O 9, Cs 2 SnGe 3 O 9,
上記複合酸化物は、結晶質であってもよく、非結晶質であってもよい。上記複合酸化物が結晶質である場合の結晶構造も特に限定されるものではない。上記複合酸化物は、例えばCMC21、Pcca、PBCA等の結晶構造を有するものであってよい。これらの中でも、上記複合酸化物は、CMC21又はPccaの結晶構造を有することが好ましい。但し、充放電の繰り返しによって、結晶構造は維持されない場合がある。従って、充放電を行う前の結晶構造が、上記空間群に帰属するものであることが好ましい。 The composite oxide may be crystalline or non-crystalline. The crystal structure when the composite oxide is crystalline is not particularly limited. The composite oxide may have a crystal structure such as CMC21, Pcca, or PBCA. Among these, the composite oxide preferably has a CMC21 or Pcca crystal structure. However, the crystal structure may not be maintained by repeated charge and discharge. Therefore, it is preferable that the crystal structure before charging / discharging belongs to the space group.
複合酸化物のX線回折測定は、X線回折装置(Rigaku社の「MiniFlex II」)を用いた粉末X線回折測定によって、線源はCuKα線、管電圧は30kV、管電流は15mAとして行う。このとき、回折X線は、厚み30μmのKβフィルターを通り、高速一次元検出器(D/teX Ultra 2)にて検出される。また、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とする。得られるX線回折データに基づいて、「RIETAN2000」プログラム(F.Izumi and T.Ikeda,Mater.Sci.Forum,198(2000).)を用いたリートベルト解析により、結晶構造を解析することができる。空間群は、総合粉末X線解析ソフトウェア「PDXL」(Rigaku社製)を用いても同じ結果が得られる。 X-ray diffraction measurement of the composite oxide is performed by powder X-ray diffraction measurement using an X-ray diffractometer (“MiniFlex II” manufactured by Rigaku), with the source being CuKα ray, the tube voltage being 30 kV and the tube current being 15 mA. . At this time, the diffracted X-rays are detected by a high-speed one-dimensional detector (D / teX Ultra 2) through a Kβ filter having a thickness of 30 μm. The sampling width is 0.01 °, the scanning speed is 5 ° / min, the divergence slit width is 0.625 °, the light receiving slit width is 13 mm (OPEN), and the scattering slit width is 8 mm. Based on the obtained X-ray diffraction data, the crystal structure can be analyzed by Rietveld analysis using the “Rietan 2000” program (F. Izumi and T. Ikeda, Mater. Sci. Forum, 198 (2000)). it can. For the space group, the same result can be obtained by using comprehensive powder X-ray analysis software “PDXL” (manufactured by Rigaku).
上記複合酸化物を得る方法については、限定されない。具体的には、例えばゲルマニウムを含む酸化物(GeO2等)と特定金属元素を含む化合物(Li2CO3等)とを所定比率で混合し、焼成法、メカノケミカル法等によって処理することによって得ることができる。このような処理を経て得られる複合酸化物は、通常、粉末状である。 The method for obtaining the composite oxide is not limited. Specifically, for example, an oxide containing germanium (GeO 2 or the like) and a compound containing a specific metal element (Li 2 CO 3 or the like) are mixed at a predetermined ratio and processed by a firing method, a mechanochemical method, or the like. Can be obtained. The composite oxide obtained through such treatment is usually in the form of a powder.
上記負極合材層(負極合材)における上記複合酸化物の含有量の下限としては、例えば10質量%であり、30質量%が好ましく、50質量%がより好ましく、60質量%がさらに好ましく、65質量%がよりさらに好ましい。上記複合酸化物の含有量を上記下限以上とすることで、放電容量をより大きくすることなどができる。一方、この含有量の上限としては、例えば95質量%であってよく、80質量%であってもよい。上記複合酸化物の含有量を上記上限以下とすることで、十分な量の導電剤を含有させることなどができ、十分な導電性等を確保することなどができる。 The lower limit of the content of the composite oxide in the negative electrode mixture layer (negative electrode mixture) is, for example, 10% by mass, preferably 30% by mass, more preferably 50% by mass, further preferably 60% by mass, 65 mass% is still more preferable. By setting the content of the composite oxide to the lower limit or more, the discharge capacity can be further increased. On the other hand, the upper limit of the content may be, for example, 95% by mass or 80% by mass. By making content of the said complex oxide below the said upper limit, a sufficient quantity of electrically conductive agents can be contained etc., sufficient electroconductivity etc. can be ensured.
上記負極合材層(負極合材)に含有されていてもよい他の負極活物質としては特に限定されず、従来公知の負極活物質を挙げることができる。 It does not specifically limit as another negative electrode active material which may be contained in the said negative electrode compound material layer (negative electrode compound material), A conventionally well-known negative electrode active material can be mentioned.
上記導電剤は、導電性を有する物質である。導電剤の形状としては、粉状、繊維状等が挙げられる。上記導電剤としては、蓄電素子性能に悪影響を与えない導電性材料であれば特に限定されない。このような導電剤としては、天然又は人造の黒鉛、ファーネスブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラック、金属、導電性セラミックス等が挙げられ、アセチレンブラックが好ましい。この理由は、以下の通りである。黒鉛やカーボンブラックは、負極活物質としても機能するが、これらの放電容量は上記複合酸化物の放電容量よりも小さい。そのため、放電容量を大きくするためには、これらの導電剤は、可能な限り少なくすることが好ましい。一方、アセチレンブラックは、粒子間が連結したネットワーク構造を形成できるといった性質を有する。これに対し、黒鉛は、通常このようなネットワーク構造を形成する性質を有さない。このため、アセチレンブラックを用いることで、少量であっても良好な導電パスを形成することができる。従って、アセチレンブラックを用いた場合、上記複合酸化物の含有量を十分に増やすことができ、良好な導電性を確保しつつ、放電容量をさらに大きくすることができる。 The conductive agent is a substance having conductivity. Examples of the shape of the conductive agent include powder and fiber. The conductive agent is not particularly limited as long as it is a conductive material that does not adversely affect the performance of the storage element. Examples of such a conductive agent include natural or artificial graphite, furnace black, acetylene black, carbon black such as ketjen black, metal, conductive ceramics, and the like, and acetylene black is preferable. The reason for this is as follows. Graphite and carbon black also function as a negative electrode active material, but their discharge capacity is smaller than that of the composite oxide. Therefore, in order to increase the discharge capacity, it is preferable to reduce these conductive agents as much as possible. On the other hand, acetylene black has a property that it can form a network structure in which particles are connected. In contrast, graphite usually does not have the property of forming such a network structure. For this reason, by using acetylene black, a good conductive path can be formed even in a small amount. Therefore, when acetylene black is used, the content of the composite oxide can be sufficiently increased, and the discharge capacity can be further increased while ensuring good conductivity.
上記負極合材層(負極合材)における上記導電剤の含有量の下限としては、例えば5質量%であり、10質量%が好ましい。上記導電剤の含有量を上記下限以上とすることで、十分な導電性を発揮することができる。一方、この含有量の上限としては、例えば30質量%であり、25質量%が好ましい。上記導電剤の含有量を上記上限以下とすることで、十分な量の複合酸化物を含有させることなどができ、放電容量をより大きくすることなどができる。 As a minimum of content of the above-mentioned conductive agent in the above-mentioned negative electrode compound layer (negative electrode compound material), it is 5 mass%, for example, and 10 mass% is preferred. By setting the content of the conductive agent to the lower limit or higher, sufficient conductivity can be exhibited. On the other hand, as an upper limit of this content, it is 30 mass%, for example, and 25 mass% is preferable. By making content of the said electrically conductive agent below the said upper limit, sufficient quantity of complex oxide can be contained etc., discharge capacity can be enlarged more, etc.
上記バインダ(結着剤)としては、フッ素樹脂(ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等)、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド等の熱可塑性樹脂;エチレン−プロピレン−ジエンゴム(EPDM)、スルホン化EPDM、スチレンブタジエンゴム(SBR)、フッ素ゴム等のエラストマー;多糖類高分子等が挙げられる。 As the binder (binder), thermoplastic resins such as fluororesin (polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), etc.), polyethylene, polypropylene, polyimide; ethylene-propylene-diene rubber (EPDM), Examples thereof include elastomers such as sulfonated EPDM, styrene butadiene rubber (SBR) and fluororubber; polysaccharide polymers and the like.
上記増粘剤としては、カルボキシメチルセルロース(CMC)、メチルセルロース等の多糖類高分子が挙げられる。また、増粘剤がリチウムと反応する官能基を有する場合、予めメチル化等によりこの官能基を失活させておくことが好ましい。 Examples of the thickener include polysaccharide polymers such as carboxymethylcellulose (CMC) and methylcellulose. When the thickener has a functional group that reacts with lithium, it is preferable to deactivate this functional group in advance by methylation or the like.
上記フィラーとしては、蓄電素子性能に悪影響を与えないものであれば特に限定されない。フィラーの主成分としては、ポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィン、シリカ、アルミナ、ゼオライト、ガラス等が挙げられる。 The filler is not particularly limited as long as it does not adversely affect the performance of the storage element. Examples of the main component of the filler include polyolefins such as polypropylene and polyethylene, silica, alumina, zeolite, and glass.
当該負極においては、0.0V(vs.Li/Li+)まで充電した後の放電過程において、以下の関係を満たすことが好ましい。0.0〜2.0V(vs.Li/Li+)の範囲で放電される電気量をQ(0.0−2.0V)とする。このうち、0.0〜1.2V(vs.Li/Li+)の範囲で放電される電気量をQ(0.0−1.2V)とする。上記電気量Q(0.0−2.0V)に対する上記電気量Q(0.0−1.2V)、すなわち比(Q(0.0−1.2V)/Q(0.0−2.0V))の下限が、80%であることが好ましく、90%であることがより好ましく、95%であることがさらに好ましい。比(Q(0.0−1.2V)/Q(0.0−2.0V))が上記下限以上であることで、コンバージョン反応が少ない充放電を行うことができ、容量維持率をより高めることができる。この比(Q(0.0−1.2V)/Q(0.0−2.0V))の上限は、100%であってよく、99%であってもよい。なお、上記の電位は、当該負極を負極として用いた蓄電素子の充放電過程における負極電位である。 In the said negative electrode, it is preferable to satisfy | fill the following relationships in the discharge process after charging to 0.0V (vs.Li/Li <+> ). The amount of electricity discharged in the range of 0.0 to 2.0 V (vs. Li / Li + ) is defined as Q (0.0-2.0 V) . Among these, the quantity of electricity discharged in the range of 0.0 to 1.2 V (vs. Li / Li + ) is defined as Q (0.0-1.2 V) . The electric quantity Q (0.0-1.2 V) to the electric quantity Q (0.0-2.0 V) , that is, the ratio (Q (0.0-1.2 V) / Q (0.0-2. 0V) ) is preferably 80%, more preferably 90%, and even more preferably 95%. When the ratio (Q (0.0-1.2 V) / Q (0.0-2.0 V) ) is equal to or higher than the lower limit, charging / discharging with less conversion reaction can be performed, and the capacity retention rate can be further increased. Can be increased. The upper limit of this ratio (Q (0.0-1.2V) / Q (0.0-2.0V) ) may be 100% or 99%. Note that the above-described potential is a negative electrode potential in a charge / discharge process of a power storage element using the negative electrode as a negative electrode.
<非水電解質蓄電素子>
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金属ケース、樹脂ケース等を用いることができる。
<Nonaqueous electrolyte storage element>
A nonaqueous electrolyte storage element according to an embodiment of the present invention includes a positive electrode, a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte. Hereinafter, a nonaqueous electrolyte secondary battery will be described as an example of a nonaqueous electrolyte storage element. The positive electrode and the negative electrode usually form an electrode body that is alternately superposed by stacking or winding via a separator. This electrode body is housed in a case, and the case is filled with a nonaqueous electrolyte. The non-aqueous electrolyte is interposed between the positive electrode and the negative electrode. In addition, as the case, a known metal case, a resin case, or the like that is usually used as a case of a nonaqueous electrolyte secondary battery can be used.
(正極)
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。
(Positive electrode)
The positive electrode has a positive electrode base material and a positive electrode mixture layer disposed on the positive electrode base material directly or via an intermediate layer. The intermediate layer can have the same structure as the intermediate layer of the negative electrode.
上記正極基材は、導電性を有する。基材の材質としては、アルミニウム、銅、チタン、タンタル、ステンレス鋼等の金属又はそれらの合金が用いられる。これらの中でも、耐電位性、導電性の高さ及びコストのバランスからアルミニウム及びアルミニウム合金が好ましい。また、正極基材の形成形態としては、箔、蒸着膜等が挙げられ、コストの面から箔が好ましい。つまり、正極基材としてはアルミニウム箔が好ましい。 The positive electrode base material has conductivity. As the material of the substrate, metals such as aluminum, copper, titanium, tantalum, stainless steel, or alloys thereof are used. Among these, aluminum and aluminum alloys are preferable from the balance of potential resistance, high conductivity and cost. Moreover, foil, a vapor deposition film, etc. are mentioned as a formation form of a positive electrode base material, and foil is preferable from the surface of cost. That is, an aluminum foil is preferable as the positive electrode base material.
上記正極合材層は、正極活物質を含むいわゆる正極合材から形成される。また、正極合材層を形成する正極合材は、必要に応じて導電剤、バインダ(結着剤)、増粘剤、フィラー等の任意成分を含む。導電剤、結着剤、増粘剤、フィラー等の任意成分は、上述した負極合材層と同様のものを用いることができる。 The positive electrode mixture layer is formed of a so-called positive electrode mixture containing a positive electrode active material. In addition, the positive electrode mixture forming the positive electrode mixture layer includes optional components such as a conductive agent, a binder (binder), a thickener, and a filler as necessary. As the optional components such as the conductive agent, the binder, the thickener, and the filler, the same materials as those of the negative electrode mixture layer described above can be used.
正極活物質としては、非水電解質蓄電素子の正極活物質として従来公知のものが用いられる。具体的な正極活物質としては、例えばLixMOy(Mは、Mo以外の少なくとも一種の遷移金属を表す)で表される複合酸化物(層状のα―NaFeO2型結晶構造を有するLixCoO2,LixNiO2,LixMnO3,LixNiαCo(1−α)O2,LixNiαMnβCo(1−α−β)O2等、スピネル型結晶構造を有するLixMn2O4,LixNiαMn(2−α)O4等)、LiwM’x(XOy)z(M’は、Mo以外の少なくとも一種の遷移金属を表し、Xは例えばP、Si、B、V等を表す)で表されるポリアニオン化合物(LiFePO4,LiMnPO4,LiNiPO4,LiCoPO4,Li3V2(PO4)3,Li2MnSiO4,Li2CoPO4F等)が挙げられる。
As the positive electrode active material, a conventionally known material is used as the positive electrode active material of the nonaqueous electrolyte storage element. As a specific positive electrode active material, for example, a composite oxide (Li x having a layered α-NaFeO 2 type crystal structure) represented by Li x MO y (M represents at least one transition metal other than Mo) is used. CoO 2, Li x NiO 2,
(負極)
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。
(Negative electrode)
As the negative electrode, the negative electrode according to one embodiment of the present invention is used. The details of the negative electrode are as described above.
(セパレータ)
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。
(Separator)
As the material of the separator, for example, a woven fabric, a nonwoven fabric, a porous resin film, or the like is used. Among these, a porous resin film is preferable from the viewpoint of strength, and a nonwoven fabric is preferable from the viewpoint of liquid retention of the nonaqueous electrolyte. The main component of the separator is preferably a polyolefin such as polyethylene or polypropylene from the viewpoint of strength, and is preferably polyimide or aramid from the viewpoint of resistance to oxidative degradation. These resins may be combined.
なお、セパレータと電極(通常、正極)との間に、無機層が配設されていても良い。この無機層は、耐熱層等とも呼ばれる多孔質の層である。また、多孔質樹脂フィルムの一方の面に無機層が形成されたセパレータを用いることもできる。上記無機層は、通常、無機粒子及びバインダとで構成され、その他の成分が含有されていてもよい。 An inorganic layer may be provided between the separator and the electrode (usually a positive electrode). This inorganic layer is a porous layer also called a heat-resistant layer. Moreover, the separator by which the inorganic layer was formed in one surface of the porous resin film can also be used. The inorganic layer is usually composed of inorganic particles and a binder, and may contain other components.
(非水電解質)
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。
(Nonaqueous electrolyte)
As said nonaqueous electrolyte, the well-known electrolyte normally used for a nonaqueous electrolyte electrical storage element (secondary battery) can be used. The non-aqueous electrolyte includes a non-aqueous solvent and an electrolyte salt dissolved in the non-aqueous solvent.
上記非水溶媒としては、例えばエチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)等の環状カーボネート、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)等の鎖状カーボネートなどを挙げることができる。 Examples of the non-aqueous solvent include cyclic carbonates such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), and butylene carbonate (BC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), and the like. A chain carbonate etc. can be mentioned.
電解質塩としては、リチウム塩、ナトリウム塩、カリウム塩、マグネシウム塩、オニウム塩等を挙げることができるが、リチウム塩が好ましい。上記リチウム塩としては、LiPF6、LiPO2F2、LiBF4、LiClO4、LiN(SO2F)2等の無機リチウム塩、LiSO3CF3、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2、LiN(SO2CF3)(SO2C4F9)、LiC(SO2CF3)3、LiC(SO2C2F5)3等のフッ化炭化水素基を有するリチウム塩などを挙げることができる。 Examples of the electrolyte salt include lithium salt, sodium salt, potassium salt, magnesium salt, onium salt, and the like, but lithium salt is preferable. Examples of the lithium salt include inorganic lithium salts such as LiPF 6 , LiPO 2 F 2 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiN (SO 2 F) 2 , LiSO 3 CF 3 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiN (SO Fluorohydrocarbon groups such as 2 C 2 F 5 ) 2 , LiN (SO 2 CF 3 ) (SO 2 C 4 F 9 ), LiC (SO 2 CF 3 ) 3 , LiC (SO 2 C 2 F 5 ) 3 A lithium salt having
非水電解質として、常温溶融塩、イオン液体、ポリマー固体電解質などを用いることもできる。 As the non-aqueous electrolyte, a room temperature molten salt, an ionic liquid, a polymer solid electrolyte, or the like can be used.
当該非水電解質蓄電素子は、負極として本発明の一実施形態に係る負極を用いることによって製造することができる。当該製造方法は、例えば、正極を作製する工程、負極を作製する工程、非水電解質を調製する工程、正極及び負極を、セパレータを介して積層又は巻回することにより交互に重畳された電極体を形成する工程、正極及び負極(電極体)をケースに収容する工程、並びに上記ケースに上記非水電解質を注入する工程を備える。注入後、注入口を封止することにより非水電解質蓄電素子を得ることができる。 The non-aqueous electrolyte electricity storage element can be manufactured by using the negative electrode according to one embodiment of the present invention as the negative electrode. The manufacturing method includes, for example, a step of producing a positive electrode, a step of producing a negative electrode, a step of preparing a nonaqueous electrolyte, and an electrode body in which the positive electrode and the negative electrode are alternately superposed by being stacked or wound via a separator. Forming a positive electrode and a negative electrode (electrode body) in a case, and injecting the nonaqueous electrolyte into the case. After the injection, the nonaqueous electrolyte storage element can be obtained by sealing the injection port.
<その他の実施形態>
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。
<Other embodiments>
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented in a mode in which various changes and improvements are made in addition to the above-described mode. For example, in the negative electrode, the intermediate layer may not be provided, and the negative electrode mixture may not form a clear layer. For example, the negative electrode may have a structure in which a negative electrode mixture is supported on a mesh-like negative electrode substrate. Further, in the above embodiment, the description has been made centering on the form in which the nonaqueous electrolyte storage element is a secondary battery, but other nonaqueous electrolyte storage elements may be used. Examples of other nonaqueous electrolyte storage elements include capacitors (electric double layer capacitors, lithium ion capacitors) and the like.
図1に、当該非水電解質蓄電素子の一実施形態である矩形状の非水電解質蓄電素子(二次電池)1の概略図を示す。なお、同図は、容器内部を透視した図としている。図1に示す非水電解質蓄電素子1は、電極体2が容器(ケース)3に収納されている。電極体2は、正極活物質を備える正極と、負極活物質を備える負極とが、セパレータを介して捲回されることにより形成されている。正極は、正極リード4’を介して正極端子4と電気的に接続され、負極は、負極リード5’を介して負極端子5と電気的に接続されている。
FIG. 1 shows a schematic diagram of a rectangular nonaqueous electrolyte storage element (secondary battery) 1 which is an embodiment of the nonaqueous electrolyte storage element. In the figure, the inside of the container is seen through. In the nonaqueous
当該非水電解質蓄電素子(二次電池)の構成については特に限定されるものではなく、円筒型電池、角型電池(矩形状の電池)、扁平型電池等が一例として挙げられる。本発明は、上記の非水電解質蓄電素子を複数備える蓄電装置としても実現することができる。蓄電装置の一実施形態を図2に示す。図2において、蓄電装置30は、複数の蓄電ユニット20を備えている。それぞれの蓄電ユニット20は、複数の非水電解質蓄電素子1を備えている。上記蓄電装置30は、電気自動車(EV)、ハイブリッド自動車(HEV)、プラグインハイブリッド自動車(PHEV)等の自動車用電源として搭載することができる。
The configuration of the nonaqueous electrolyte storage element (secondary battery) is not particularly limited, and examples thereof include a cylindrical battery, a square battery (rectangular battery), a flat battery, and the like. The present invention can also be realized as a power storage device including a plurality of the above nonaqueous electrolyte power storage elements. One embodiment of a power storage device is shown in FIG. In FIG. 2, the
以下、実施例によって本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples.
[実施例1](Li2Ge4O9の合成)
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1:2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800℃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Li2Ge4O9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。
[Example 1] (Synthesis of Li 2 Ge 4 O 9 )
Lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) (manufactured by Nacalai Tesque) and germanium oxide (GeO 2 ) (manufactured by Koyo Chemical Co., Ltd.) were weighed so that the molar ratio of Li: Ge was 1: 2. These were put into a zirconia pot having an internal volume of 80 mL containing 90 g (about 250 pieces) of zirconia balls having a diameter of 5 mm. An additional 10 mL of ethanol was added to the pot and the lid was covered. This was set on a planetary ball mill ("
[実施例2](Li2GeO3の合成)
Li2CO3及びGeO2をLi:Geのモル比が2:1となるように秤取したこと、並びに10時間で常温から950℃まで昇温し、この温度で4時間保持したことを除いては、実施例1と同様の方法で、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。
[Example 2] (Synthesis of Li 2 GeO 3 )
Except that Li 2 CO 3 and GeO 2 were weighed so that the molar ratio of Li: Ge was 2: 1 and that the temperature was raised from room temperature to 950 ° C. in 10 hours and kept at this temperature for 4 hours. Then, a lithium germanium composite oxide represented by the composition formula Li 2 GeO 3 was produced in the same manner as in Example 1.
[実施例3](MgGeO3の合成)
酸化マグネシウムMgO(ナカライテスク社製)及びGeO2をMg:Geのモル比が1:1となるように秤取したこと、並びに10時間で常温から950℃まで昇温し、この温度で4時間保持したことを除いては、実施例1と同様の方法で、組成式MgGeO3で表されるマグネシウムゲルマニウム複合酸化物を作製した。
Example 3 (Synthesis of MgGeO 3 )
Magnesium oxide MgO (manufactured by Nacalai Tesque) and GeO 2 were weighed so that the molar ratio of Mg: Ge was 1: 1, and the temperature was raised from room temperature to 950 ° C. in 10 hours, and at this temperature for 4 hours A magnesium germanium composite oxide represented by the composition formula MgGeO 3 was produced in the same manner as in Example 1 except that the oxide was retained.
[比較例1]酸化ゲルマニウム(GeO2)
酸化ゲルマニウム(GeO2)(高純度化学社製)を準備した。
[Comparative Example 1] Germanium oxide (GeO 2 )
Germanium oxide (GeO 2 ) (manufactured by Koyo Chemical Co., Ltd.) was prepared.
[比較例2](Li6Ge2O7の合成)
Li2CO3及びGeO2をLi:Geのモル比が3:1となるように秤取したこと、並びに10時間で常温から1050℃まで昇温し、この温度で4時間保持したことを除いては、実施例1と同様の方法で、組成式Li6Ge2O7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。
[Comparative Example 2] (Synthesis of Li 6 Ge 2 O 7 )
Except that Li 2 CO 3 and GeO 2 were weighed so that the molar ratio of Li: Ge was 3: 1 and that the temperature was raised from room temperature to 1050 ° C. in 10 hours and kept at this temperature for 4 hours. Then, a lithium germanium composite oxide represented by the composition formula Li 6 Ge 2 O 7 was produced in the same manner as in Example 1.
[比較例3](Li4GeO4の合成)
Li2CO3及びGeO2をLi:Geのモル比が4:1となるように秤取したこと、並びに10時間で常温から850℃まで昇温し、この温度で4時間保持したことを除いては、実施例1と同様の方法で、組成式Li4GeO4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。
[Comparative Example 3] (Synthesis of Li 4 GeO 4 )
Except that Li 2 CO 3 and GeO 2 were weighed so that the molar ratio of Li: Ge was 4: 1 and that the temperature was raised from room temperature to 850 ° C. in 10 hours and kept at this temperature for 4 hours. Then, a lithium germanium composite oxide represented by the composition formula Li 4 GeO 4 was produced in the same manner as in Example 1.
[複合酸化物の解析]
実施例1〜3及び比較例1〜3で得られた酸化物について、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1〜3及び比較例1〜3の酸化物のX線回折図を図3に示す。得られたX線回折データについて、上記「PDXL」プログラムを用いて解析を実施した。
[Analysis of complex oxides]
The oxides obtained in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 were analyzed by the following method. Powder X-ray diffraction measurement was carried out using an X-ray diffractometer (“MiniFlex II” from Rigaku). The radiation source was CuKα ray, the tube voltage was 30 kV, the tube current was 15 mA, and the diffracted X-ray was detected by a high-speed one-dimensional detector (model number: D / teX Ultra 2) through a Kβ filter having a thickness of 30 μm. The sampling width was 0.01 °, the scanning speed was 5 ° / min, the divergence slit width was 0.625 °, the light receiving slit width was 13 mm (OPEN), and the scattering slit width was 8 mm. The X-ray diffraction patterns of the oxides of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 are shown in FIG. The obtained X-ray diffraction data was analyzed using the “PDXL” program.
上記解析の結果、実施例及び比較例の各酸化物の解析の結果、帰属可能な空間群は以下のとおりである。PDFデータベースに記載の通りの結晶構造に帰属されることが確認できた。
・実施例1(Li2Ge4O9)
空間群Pcca(54)(PDFカード番号:00−037−1363)
・実施例2(Li2GeO3)
空間群CMC21(36)(PDFカード番号:00−001−1146)
・実施例3(MgGeO3)
空間群PBCA(61)(PDFカード番号:00−000−5132)
・比較例1(GeO2)
空間群P3121(152)(PDFカード番号:00−001−0362)
・比較例2(Li6Ge2O7)
空間群P21/n(14)(PDFカード番号:01−075−1524)
・比較例3(Li4GeO4)
空間群Bmmb(63)(PDFカード番号:01−072−1587)
As a result of the above analysis, as a result of the analysis of each oxide of the example and the comparative example, the assignable space groups are as follows. It was confirmed that the crystal structure belonged to the PDF database.
Example 1 (Li 2 Ge 4 O 9 )
Space group Pcca (54) (PDF card number: 00-037-1363)
Example 2 (Li 2 GeO 3 )
Space group CMC21 (36) (PDF card number: 00-001-1146)
Example 3 (MgGeO 3 )
Space group PBCA (61) (PDF card number: 00-000-5132)
Comparative Example 1 (GeO 2 )
Space group P3121 (152) (PDF card number: 00-001-0362)
Comparative Example 2 (Li 6 Ge 2 O 7 )
Space group P21 / n (14) (PDF card number: 01-075-1524)
Comparative Example 3 (Li 4 GeO 4 )
Space group Bmmb (63) (PDF card number: 01-072-1587)
[非水電解質蓄電素子(試験電池)の作製]
実施例1〜3及び比較例1〜3で得られた各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7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2.275g、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℃のホットプレートに60分載置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。
[Production of nonaqueous electrolyte storage element (test battery)]
Using each oxide obtained in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 as a negative electrode active material, negative electrodes were produced in the following manner. 2.275 g of each oxide powder synthesized and 0.700 g of acetylene black (AB) were weighed. These were put into a zirconia pot having an internal volume of 80 mL containing 90 g (about 250 pieces) of zirconia balls having a diameter of 5 mm. An additional 10 mL of ethanol was added to the pot and the lid was covered. This operation was set on a planetary ball mill ("
上記各負極を作用極として試験電池を組立て、負極としての挙動を評価した。単独挙動を正確に観察する目的のため、対極には金属リチウムをニッケル箔集電体に密着させたものを用いた。ここで、試験電池の容量が対極によって制限されないように、十分な量の金属リチウムを配置した。電解質として、エチレンカーボネート(EC)/エチルメチルカーボネート(EMC)/ジメチルカーボネート(DMC)が体積比6:7:7である混合溶媒に濃度が1mol/LとなるようにLiPF6を溶解させた溶液を用いた。セパレータとして、ポリアクリレートで表面改質したポリプロピレン製の微孔膜を用いた。外装体には、ポリエチレンテレフタレート(15μm)/アルミニウム箔(50μm)/金属接着性ポリプロピレンフィルム(50μm)からなる金属樹脂複合フィルムを用い、正極端子及び負極端子の開放端部が外部露出するように電極を収納した。次いで、上記金属樹脂複合フィルムの内面同士が向かい合った融着代を注液孔となる部分を除いて気密封止し、上記電解液を注液後、注液孔を封止した。 A test battery was assembled using each of the negative electrodes as a working electrode, and the behavior as a negative electrode was evaluated. For the purpose of accurately observing the single behavior, a counter electrode in which metallic lithium was adhered to a nickel foil current collector was used. Here, a sufficient amount of metallic lithium was arranged so that the capacity of the test battery was not limited by the counter electrode. A solution obtained by dissolving LiPF 6 as an electrolyte in a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) / ethyl methyl carbonate (EMC) / dimethyl carbonate (DMC) in a volume ratio of 6: 7: 7 so that the concentration becomes 1 mol / L. Was used. As the separator, a polypropylene microporous film whose surface was modified with polyacrylate was used. A metal resin composite film made of polyethylene terephthalate (15 μm) / aluminum foil (50 μm) / metal-adhesive polypropylene film (50 μm) is used for the exterior body, and the electrodes are exposed so that the open ends of the positive electrode terminal and the negative electrode terminal are exposed to the outside. Stowed. Subsequently, the fusion allowance in which the inner surfaces of the metal resin composite film face each other was hermetically sealed except for a portion serving as a liquid injection hole, and the liquid injection hole was sealed after pouring the electrolytic solution.
[充放電試験]
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。
[Charge / discharge test]
In the following tests, voltage control was performed between the working electrode and the counter electrode, but the resistance between metal lithium dissolution and precipitation at the counter electrode was extremely low, so the voltage between terminals during charging and discharging was a reference using metal lithium. It can be regarded as being equal to the potential of the working electrode with respect to the pole. In the following tests, the composite oxide was used as a negative electrode active material for a negative electrode of a nonaqueous electrolyte storage element that was assumed to start from charging in combination with a positive electrode containing lithium that can be occluded and released electrochemically. Since it aims at evaluating, it started from operation which supplies with electricity to the reduction | restoration direction which is a reaction in which lithium ion is occluded electrochemically with respect to the said complex oxide.
実施例1〜3及び比較例1〜3の各酸化物を用いて得られた非水電解質蓄電素子を用いて、25℃に設定した恒温槽内で充放電サイクル試験を行った。充電は定電流定電圧(CCCV)充電とし、充電下限電位は0.0V(vs.Li/Li+)、充電終止条件は、充電電流が2mA/gに減衰した時点又は充電下限電位に到達してから3時間又は15時間を経過した時点とした。この時間は、表1に「充電CV最大時間」として示す。放電は定電流(CC)放電とし、放電終止電位は2.0V(vs.Li/Li+)とした。充電の定電流値は、負極が含有する負極活物質の質量に対して100mA/gとした。放電の定電流値は、負極が含有する負極活物質の質量に対して20mA/gとした。以上の充電及び放電を1サイクルとし、このサイクルを10サイクル実施した。各サイクルにおいて、充電後及び放電後に10分間の休止時間を設定した。この充放電サイクル試験における3サイクル目の放電容量を表1に示す。3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を「容量維持率(%)」として求めた。この容量維持率も表1に示す。また、3サイクル目の放電過程における放電電気量比(Q(0.0−1.2V)/Q(0.0−2.0V))を求めた。この比(Q(0.0−1.2V)/Q(0.0−2.0V))も表1に示す。 A charge / discharge cycle test was performed in a thermostatic chamber set at 25 ° C. using the nonaqueous electrolyte electricity storage devices obtained using the oxides of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3. Charging is constant current constant voltage (CCCV) charging, the charging lower limit potential is 0.0 V (vs. Li / Li + ), and the charge termination condition is reached when the charging current decays to 2 mA / g or reaches the charging lower limit potential. 3 hours or 15 hours have passed since then. This time is shown in Table 1 as “Charging CV Maximum Time”. The discharge was a constant current (CC) discharge, and the discharge end potential was 2.0 V (vs. Li / Li + ). The constant current value of charge was 100 mA / g with respect to the mass of the negative electrode active material which a negative electrode contains. The constant current value of discharge was 20 mA / g with respect to the mass of the negative electrode active material which a negative electrode contains. The above charge and discharge were made into 1 cycle, and this cycle was implemented 10 cycles. In each cycle, a pause time of 10 minutes was set after charging and discharging. Table 1 shows the discharge capacity at the third cycle in this charge / discharge cycle test. The ratio of the discharge capacity at the 10th cycle to the discharge capacity at the 3rd cycle was determined as “capacity maintenance ratio (%)”. This capacity retention rate is also shown in Table 1. Further, the discharge electricity quantity ratio (Q (0.0-1.2 V) / Q (0.0-2.0 V) ) in the discharge process of the third cycle was determined. This ratio (Q (0.0-1.2V) / Q (0.0-2.0V) ) is also shown in Table 1.
実施例1の3、7及び10サイクル目の放電曲線を図4に示す。実施例2の3、7及び10サイクル目の放電曲線を図5に示す。 FIG. 4 shows the discharge curves of the third, seventh and tenth cycles of Example 1. The discharge curves for the third, seventh and tenth cycles of Example 2 are shown in FIG.
上記実施例及び比較例に係る作用極(負極)は、アセチレンブラック(AB)を含有している。従って、観測される充放電挙動はABの寄与分を含むため、その寄与分を考慮する必要がある。そこで、上記酸化物に代えて電気化学的に不活性なAl2O3を用いたこと以外は実施例1と同様の手順で試験電池(以下、「AB電池」という。)を作製した。そして、充電終止条件を充電下限電位に到達してから15時間を経過した時点とし、充電の定電流値を10mA/g、放電の定電流値を10mA/gとしたこと以外は同様の条件にて充放電試験を行った。AB電池における3サイクル目のAl2O3質量当たりの放電容量は69mAh/Al2O3−g、比(Q(0.0−1.2V)/Q(0.0−2.0V))は、82.6%であった。 The working electrode (negative electrode) according to the above Examples and Comparative Examples contains acetylene black (AB). Therefore, since the observed charge / discharge behavior includes the contribution of AB, it is necessary to consider the contribution. Therefore, a test battery (hereinafter referred to as “AB battery”) was produced in the same procedure as in Example 1 except that electrochemically inactive Al 2 O 3 was used instead of the oxide. The charge termination condition is the time when 15 hours have passed since reaching the charge lower limit potential, and the same conditions except that the constant current value for charging is 10 mA / g and the constant current value for discharging is 10 mA / g. The charge / discharge test was conducted. The discharge capacity per 3 mass of Al 2 O 3 in the third cycle in the AB battery is 69 mAh / Al 2 O 3 -g, ratio (Q (0.0-1.2 V) / Q (0.0-2.0 V) ) Was 82.6%.
表1に示されるように、O/Ge比が2.1以上3.2以上の複合酸化物を用いた実施例1〜3の非水電解質蓄電素子は、ABの寄与を除いた場合においても200mAh/g以上の大きな放電容量、かつ90%を超える高い容量維持率を有することがわかる。特に、特定金属元素としてリチウムを含む複合酸化物を用いた実施例1、2の非水電解質蓄電素子の放電容量は、黒鉛の理論容量(372mAh/g)と比べても顕著に大きいものである。そのため、負極合材の主成分として実施例1、2等の複合酸化物を用いた場合は、主成分として黒鉛を用いた場合と比しても放電容量を顕著に大きくすることができる。また、実施例1〜3の非水電解質蓄電素子は、比(Q(0.0−1.2V)/Q(0.0−2.0V))が、94.5%以上であり、1.2V(vs.Li/Li+)以上の高い電位で生じる傾向にあるコンバージョン反応がほとんど生じず、これにより高い容量維持率が発揮されることが推測される。 As shown in Table 1, the non-aqueous electrolyte electricity storage devices of Examples 1 to 3 using a composite oxide having an O / Ge ratio of 2.1 or more and 3.2 or more are also in the case where the contribution of AB is removed. It can be seen that the battery has a large discharge capacity of 200 mAh / g or more and a high capacity maintenance rate exceeding 90%. In particular, the discharge capacity of the nonaqueous electrolyte electricity storage devices of Examples 1 and 2 using a composite oxide containing lithium as the specific metal element is significantly larger than the theoretical capacity of graphite (372 mAh / g). . Therefore, when the composite oxides of Examples 1 and 2 are used as the main component of the negative electrode mixture, the discharge capacity can be remarkably increased as compared with the case where graphite is used as the main component. In addition, the non-aqueous electrolyte storage elements of Examples 1 to 3 have a ratio (Q (0.0-1.2 V) / Q (0.0-2.0 V) ) of 94.5% or more, It is presumed that almost no conversion reaction tends to occur at a high potential of .2 V (vs. Li / Li + ) or higher, thereby exhibiting a high capacity retention rate.
一方、O/Ge比が2.1を下回る酸化物を用いた比較例1は、放電容量は大きいものの容量維持率が低かった。また、O/Ge比が3.2を上回る酸化物を用いた比較例2、3は、容量維持率は高いものの、放電容量自体が小さかった。 On the other hand, Comparative Example 1 using an oxide having an O / Ge ratio of less than 2.1 had a large capacity, but a low capacity retention rate. In Comparative Examples 2 and 3 using an oxide having an O / Ge ratio exceeding 3.2, the discharge capacity itself was small although the capacity retention rate was high.
本発明は、パーソナルコンピュータ、通信端末等の電子機器、自動車などの電源として使用される非水電解質二次電池、及びこれに備わる負極、負極活物質などに適用できる。 The present invention can be applied to electronic devices such as personal computers and communication terminals, non-aqueous electrolyte secondary batteries used as power sources for automobiles, and the negative and negative electrode active materials provided therein.
1 非水電解質蓄電素子
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
DESCRIPTION OF
Claims (4)
上記複合酸化物におけるゲルマニウムに対する酸素の原子数比(O/Ge)が、2.1以上3.2以下である非水電解質蓄電素子用の負極。 A negative electrode mixture mainly composed of a complex oxide containing germanium and an alkali metal, an alkaline earth metal, or a combination thereof,
The negative electrode for nonaqueous electrolyte electrical storage elements whose atomic ratio (O / Ge) of oxygen with respect to germanium in the said complex oxide is 2.1-3.2.
The nonaqueous electrolyte electrical storage element which has a negative electrode of any one of Claims 1-3.
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