JP2021157936A - Negative electrode active material, negative electrode, and secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、負極活物質、負極及び二次電池に関する。 The present invention relates to a negative electrode active material, a negative electrode and a secondary battery.
従来、負極活物質として一般的に用いられてきた黒鉛は、理論容量が約372mAh/gである。負極活物質として黒鉛を用いた二次電池では、複数サイクル後や、保存後に容量が低下し、結果的に電池寿命が低下する課題があった。容量の低下は、電池動作時にLi金属基準で電位が0.1V程度まで下がるため、負極における黒鉛の周囲に有機被膜であるSolid Electrolyte Interface(以下、SEI)が形成されることに起因する。有機被膜であるSEIの形成電位はリチウム金属基準で0.7Vであるため、0.7Vを上回る電位の負極活物質に注目が集まっている。 Conventionally, graphite, which has been generally used as a negative electrode active material, has a theoretical capacity of about 372 mAh / g. A secondary battery using graphite as a negative electrode active material has a problem that the capacity is reduced after a plurality of cycles or after storage, and as a result, the battery life is shortened. The decrease in capacity is due to the formation of a Solid Electrolyte Interface (hereinafter, SEI), which is an organic film, around the graphite in the negative electrode because the potential drops to about 0.1 V based on Li metal during battery operation. Since the formation potential of SEI, which is an organic film, is 0.7 V on the basis of lithium metal, attention is focused on negative electrode active materials having a potential higher than 0.7 V.
このような0.7Vを上回る負極活物質として、特許文献1には、一般式LixM1M22O6(0≦x≦5)で表される斜方晶系酸化物を含む電池用活物質が開示されている。ここで、M1はFe及びMnからなる群より選ばれる少なくとも1種であり、M2はNb、Ta及びVからなる群より選ばれる少なくとも1種である。さらに、特許文献2には、少なくとも1つの三価金属を含み、2より大きいNb/Tiのモル比を有する、リチウムフリーの混合チタンニオブ酸化物であって、以下の式(I)の材料及び式(II)の材料を含む群から選択されるリチウムフリーの混合チタンニオブ酸化物が開示されている。
MxTi1−2xNb2+xO7±δ (I): 0<x≦0.20、−0.3≦δ≦0.3
MxTi2−2xNb10+xO29±δ (II): 0<x≦0.40、−0.3≦δ≦0.3
As such a negative electrode active material exceeding 0.7 V,
M x Ti 1-2 x Nb 2 + x O 7 ± δ (I): 0 <x ≦ 0.20, −0.3 ≦ δ ≦ 0.3
MxTi 2-2x Nb 10 + x O 29 ± δ (II): 0 <x ≦ 0.40, −0.3 ≦ δ ≦ 0.3
これに対して近年、上記化合物とは異なる結晶構造を有し、0.7Vを上回る電位である、LixFeNb11O29という材料系の負極活物質が報告されている。本負極活物質の課題は、可逆容量が理論容量より低く現れることである。具体的には、非特許文献1に示されるように粒子形状や焼成雰囲気を調整することで可逆容量の増加に関する報告がなされたものの、非特許文献1では270mAh/gが最大であり、理論容量である380mAh/gに比べて低い。そこで、LixFeNb11O29の可逆容量を向上させるための技術が必要である。
On the other hand, in recent years, a material-based negative electrode active material called Li x FeNb 11 O 29 , which has a crystal structure different from that of the above compound and has a potential exceeding 0.7 V, has been reported. The problem with this negative electrode active material is that the reversible capacity appears lower than the theoretical capacity. Specifically, although it has been reported that the reversible capacity is increased by adjusting the particle shape and the firing atmosphere as shown in
負極活物質としてLixFeNb11O29を元素置換することなく用いた場合、初回のLi挿入時の反応である放電反応の後に、初回のLi脱離時の反応である充電反応をさせた際に生じる容量である可逆容量が、理論容量である380mAh/gと比べて低いという課題があった。この場合、電池のエネルギー密度が低下する課題がある。 When Li x FeNb 11 O 29 is used as the negative electrode active material without element substitution, when the charge reaction, which is the reaction at the time of the first Li desorption, is carried out after the discharge reaction, which is the reaction at the time of the first Li insertion. There is a problem that the reversible capacity, which is the capacity generated in the above, is lower than the theoretical capacity of 380 mAh / g. In this case, there is a problem that the energy density of the battery is lowered.
そこで本発明は、可逆容量を、無置換材であるLixFeNb11O29に比べて向上させた負極活物質を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a negative electrode active material having an improved reversible capacity as compared with Li x FeNb 11 O 29 , which is a non-replacement material.
上記課題を解決するための本発明の特徴は、例えば以下のとおりである。
一般組成式:Fe1−xNb11−yO29−z−aAx+y+z(0≦x≦1、0≦y≦11、−10≦z≦10であり、AはAl、Si、B、P、C、Ge及びBiからなる群より選択される一種以上である)で表される負極活物質。
The features of the present invention for solving the above problems are as follows, for example.
General composition formula: Fe 1-x Nb 11-y O 29-z-a A x + y + z (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 11, -10 ≦ z ≦ 10, where A is Al, Si, B, A negative electrode active material represented by (one or more selected from the group consisting of P, C, Ge and Bi).
本発明により、二次電池の可逆容量を向上させることができる。上記した以外の課題、構成及び効果は以下の実施形態の説明により明らかにされる。 According to the present invention, the reversible capacity of the secondary battery can be improved. Issues, configurations and effects other than those described above will be clarified by the following description of the embodiments.
以下、図面等を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更及び修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings and the like. The following description shows specific examples of the contents of the present invention, and the present invention is not limited to these explanations. It can be changed and modified. Further, in all the drawings for explaining the present invention, those having the same function may be designated by the same reference numerals, and the repeated description thereof may be omitted.
本明細書に記載される「〜」は、その前後に記載される数値を下限値及び上限値として有する意味で使用する。上限値又は下限値が0の場合は、上限値又は下限値を含まない。本明細書に段階的に記載されている数値範囲において、一つの数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的に記載されている上限値又は下限値に置き換えても良い。本明細書に記載される数値範囲の上限値又は下限値は、実施例中に示されている値に置き換えても良い。 The "~" described in the present specification is used to mean that the numerical values described before and after the "~" are used as the lower limit value and the upper limit value. When the upper limit value or the lower limit value is 0, the upper limit value or the lower limit value is not included. In the numerical range described stepwise in the present specification, the upper limit value or the lower limit value described in one numerical range may be replaced with the upper limit value or the lower limit value described in another stepwise. The upper limit value or the lower limit value of the numerical range described in the present specification may be replaced with the value shown in the examples.
本明細書において、二次電池としてリチウムイオン二次電池を例にとり、実施形態についての説明を行う。リチウムイオン二次電池は、リチウムイオンの電極への吸蔵と電極からの放出によって電極間に電位差を生じさせ、それによる電気エネルギーを貯蔵する、あるいは、利用可能とする電気化学デバイスである。 In the present specification, the embodiment will be described by taking a lithium ion secondary battery as an example as the secondary battery. A lithium ion secondary battery is an electrochemical device that creates a potential difference between electrodes by occlusion of lithium ions into the electrodes and discharge from the electrodes, thereby storing or making available electrical energy.
本発明の対象としては、リチウムイオン二次電池とは別の名称で呼ばれる二次電池、例えば、リチウムイオン電池、非水電解質二次電池、非水電解液二次電池等も含まれる。本発明の技術的思想は、ナトリウムイオン二次電池、マグネシウムイオン二次電池、カルシウムイオン二次電池、亜鉛二次電池、アルミニウムイオン二次電池等に対しても適用することができる。 The object of the present invention also includes a secondary battery called by a name different from that of the lithium ion secondary battery, for example, a lithium ion battery, a non-aqueous electrolyte secondary battery, a non-aqueous electrolyte secondary battery, and the like. The technical idea of the present invention can also be applied to a sodium ion secondary battery, a magnesium ion secondary battery, a calcium ion secondary battery, a zinc secondary battery, an aluminum ion secondary battery and the like.
以下の説明で例示した材料群から材料を選択して用いる場合、本明細書で開示されている内容と矛盾しない範囲で、その材料を単独で用いても良く、複数の材料を組み合わせて用いても良い。また、本明細書で開示されている内容と矛盾しない範囲で、以下の説明で例示した材料群以外の材料を用いても良い。 When a material is selected and used from the material group exemplified in the following description, the material may be used alone or in combination of a plurality of materials as long as it does not contradict the contents disclosed in the present specification. Is also good. Further, materials other than the material group exemplified in the following description may be used as long as they do not contradict the contents disclosed in the present specification.
<二次電池>
図1は、二次電池が備える電極体400の斜視図である。この二次電池は、正極100と、負極200と、セパレータ300と、外装体(図示なし)とを備えている。図1の二次電池は、積層型のラミネート電池である。二次電池は、積層型のラミネート電池に代えて、円筒形、角形、ボタン形等の電池としても良い。
<Secondary battery>
FIG. 1 is a perspective view of an
図1に示すように、正極100は、正極合剤層110と、正極集電体120と、正極タブ130とを有している。図示した正極100において、正極合剤層110は、平板状の正極集電体120の両面に形成されている。正極タブ130は、正極集電体120の端部に、平板状の突片として設けられている。
As shown in FIG. 1, the
負極200は、負極合剤層210と、負極集電体220と、負極タブ230とを有している。図示した負極200において、負極合剤層210は、平板状の負極集電体220の両面に形成されている。負極タブ230は、負極集電体220の端部に、平板状の突片として設けられている。
The
図1に示すように、正極100、セパレータ300、及び負極200は、この順に積層されて、一つの電極体400を構成する。二次電池において、外装体には、複数の電極体400を積層して内蔵することができる。電極体400同士は、セパレータ300を挟んで積層されることにより、互いに電気的に絶縁される。
As shown in FIG. 1, the
これらの集電体、電極タブ等は、スポット溶接、超音波接合等の各種の方法で互いに接合することができる。外装体に内蔵される電極体400同士は、電気的に並列に接続しても良いし、複数の電極体400のうち、一部又は全部を、電気的に直列に接続しても良い。
These current collectors, electrode tabs and the like can be bonded to each other by various methods such as spot welding and ultrasonic bonding. The
外装体は、電極体400が内蔵される内空に電解液が注入される。外装体に収容された電極体400は、電解液に浸漬された状態で保持される。電極体400や電解液は、外装体等によって封止されて、水分、空気等との接触が阻止される。
In the exterior body, the electrolytic solution is injected into the inner space where the
外装体として、例えば袋状のラミネート容器が挙げられる。ラミネート容器は、多層フィルムをヒートシール、接着剤等で貼合して形成することができる。多層フィルムは、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリエステル、アルミニウム箔等の各種のフィルムを積層して形成することができる。 Examples of the exterior body include a bag-shaped laminated container. The laminated container can be formed by laminating a multilayer film with a heat seal, an adhesive or the like. The multilayer film can be formed by laminating various films such as polyethylene, polypropylene, polyamide, polyester, and aluminum foil.
外装体は、ラミネート容器に代えて、金属缶として設けることもできる。金属缶は、例えば、アルミニウム合金、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼等を用いて形成することができる。二次電池は、電極体400を積み重ねた積層型としても良いし、帯状の電極体を螺旋状に巻回した巻回型としても良い。
The exterior body can be provided as a metal can instead of the laminated container. The metal can can be formed by using, for example, an aluminum alloy, stainless steel, nickel-plated steel, or the like. The secondary battery may be a laminated type in which electrode
<正極>
正極100の正極合剤層110は、正極活物質を有する正極合剤を用いて形成される。正極合剤層110は、正極活物質と共に、炭素材、バインダ等を含んでいても良い。また、正極合剤層110は、固体電解質を含んでいても良い。正極合剤層110にイオン伝導率が高い固体電解質を用いると、正極中におけるイオン伝導性を向上させることができる。
<Positive electrode>
The positive
正極活物質としては、例えば、LiCo系複合酸化物、LiNi系複合酸化物、LiMn系複合酸化物、LiCoNiMn系複合酸化物、LiFePO4系複合酸化物、LiMnPO4系複合酸化物等の各種の活物質を用いることができる。複合酸化物の具体例としては、LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2等や、これらの遷移金属をCo、Ni、Mn、Al、Ti等の各種の異種元素で置換した複合酸化物が挙げられる。 Examples of the positive electrode active material include various active materials such as LiCo-based composite oxide, LiNi-based composite oxide, LiMn-based composite oxide, LiCoNiMn-based composite oxide, LiFePO 4- based composite oxide, and LiMnPO 4- based composite oxide. Substances can be used. Specific examples of the composite oxide include LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 , LiCo 1/3 Ni 1/3 Mn 1/3 O 2, and the like, and these transition metals are Co, Ni, Mn, Al, and the like. Examples thereof include composite oxides substituted with various different elements such as Ti.
炭素材としては、例えば、カーボンブラック、カーボンナノファイバ、導電性高分子等を用いることができる。カーボンブラックとしては、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、ファーネスブラック、サーマルブラック、黒鉛等が挙げられる。カーボンナノファイバとしては、ピッチ系カーボンナノチューブ、PAN系カーボンナノチューブ等が挙げられる。導電性高分子としては、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリアセン等が挙げられる。 As the carbon material, for example, carbon black, carbon nanofibers, conductive polymer and the like can be used. Examples of carbon black include Ketjen black, acetylene black, furnace black, thermal black, graphite and the like. Examples of carbon nanofibers include pitch-based carbon nanotubes and PAN-based carbon nanotubes. Examples of the conductive polymer include polyacetylene, polyaniline, polyacene and the like.
正極合剤層110を形成するバインダとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、アクリル酸エステル樹脂、メタクリル酸エステル樹脂等を用いることができる。
As the binder forming the positive
正極集電体120としては、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼、チタン等を材料とする金属箔、穿孔箔、エキスパンドメタル、発泡金属板等を用いることができる。正極集電体120の厚さは、機械的強度とエネルギー密度とを両立する観点から、好ましくは10nm〜1mm、より好ましくは1〜100μmとする。正極タブ130は、正極集電体120と同様の材料で形成することができる。
As the positive electrode current collector 120, for example, a metal foil made of aluminum, stainless steel, titanium or the like, a perforated foil, an expanded metal, a foamed metal plate or the like can be used. The thickness of the positive electrode current collector 120 is preferably 10 nm to 1 mm, more preferably 1 to 100 μm, from the viewpoint of achieving both mechanical strength and energy density. The
<負極>
負極200の負極合剤層210は、負極活物質を有する負極合剤を用いて形成される。負極合剤層210は、負極活物質と共に、炭素材、バインダ等を含んでいても良い。また、負極合剤層210は、固体電解質を含んでいても良い。負極合剤層210にイオン伝導率が高い固体電解質を用いると、負極中におけるイオン伝導性を向上させることができる。
<Negative electrode>
The negative
負極活物質としては、後記するように、コンバージョン系の金属酸化物を用いる。コンバージョン系の金属酸化物とは、コンバージョン反応を生じて金属を還元生成する金属酸化物を意味する。金属酸化物とリチウムイオンとのコンバージョン反応では、金属酸化物の還元による単体金属と、リチウムの酸化による酸化リチウムとが生成する。 As the negative electrode active material, a conversion-based metal oxide is used as described later. The conversion-based metal oxide means a metal oxide that undergoes a conversion reaction to reduce and generate a metal. In the conversion reaction between the metal oxide and lithium ion, a single metal is produced by the reduction of the metal oxide, and lithium oxide is produced by the oxidation of lithium.
コンバージョン系の金属酸化物によると、コンバージョン反応と、その逆反応を可逆的に生じさせることにより、二次電池の放電時にはリチウムイオンを吸蔵し、充電時にはリチウムイオンを放出させることができる。コンバージョン系の金属酸化物によると、このような酸化還元反応や、付随する合金化反応等により、電極間に充放電に必要な電位差を発生させることができる。 According to the conversion-type metal oxide, by reversibly causing a conversion reaction and its reverse reaction, lithium ions can be occluded when the secondary battery is discharged and lithium ions can be released when the secondary battery is charged. According to the conversion-type metal oxide, a potential difference required for charging and discharging can be generated between the electrodes by such a redox reaction, an accompanying alloying reaction, or the like.
負極合剤層210を形成するバインダとしては、例えば、スチレン−ブタジエンゴム、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、アクリル酸エステル樹脂、メタクリル酸エステル樹脂等を用いることができる。バインダとしては、カルボキシメチルセルロース等の増粘性の樹脂を併用しても良い。
As the binder for forming the negative
負極合剤層210には、正極合剤層110と同様に、カーボンブラック、カーボンナノファイバ、導電性高分子等の炭素材を用いることができる。
Similar to the positive
負極集電体220としては、例えば、銅、ステンレス鋼、チタン、ニッケル等を材料とする金属箔、穿孔箔、エキスパンドメタル、発泡金属板等を用いることができる。負極集電体220の厚さは、機械的強度とエネルギー密度とを両立する観点から、好ましくは10nm〜1mm、より好ましくは1〜100μmとする。負極タブ230は、負極集電体220と同様の材料で形成することができる。
As the negative electrode
<合剤層形成法>
正極合剤層110や負極合剤層210は、活物質と、バインダ、炭素材等とを、溶媒中で混練して合剤を調製し、調製した合剤を集電体に塗工し、塗工した合剤を乾燥させることによって形成することができる。集電体上に形成した合剤層は、活物質等が所定の密度となるようにプレス成形する。合剤層を成形した集電体に、必要に応じて、打ち抜き加工、切断加工等を施して、電極とすることができる。
<Mixed mixture layer formation method>
In the positive
合剤の混合及び混練は、プラネタリーミキサ、ディスパーミキサ、バタフライミキサ、二軸混練機、ボールミル、ビーズミル等の各種の装置を用いて行うことができる。原料や合剤を分散させる溶媒としては、電極に応じて、1−メチル−2−ピロリドン(NMP)、水、γ−ブチロラクトン等の各種の溶媒を用いることができる。合剤を塗工する方法としては、ロールコート法、ドクターブレード法、ダイコート法、ディッピング法、スプレー法等の各種の方法を用いることができる。 Mixing and kneading of the mixture can be performed using various devices such as a planetary mixer, a dispenser mixer, a butterfly mixer, a twin-screw kneader, a ball mill, and a bead mill. As the solvent for dispersing the raw material and the mixture, various solvents such as 1-methyl-2-pyrrolidone (NMP), water, and γ-butyrolactone can be used depending on the electrode. As a method of applying the mixture, various methods such as a roll coating method, a doctor blade method, a die coating method, a dipping method, and a spray method can be used.
<セパレータ>
セパレータ300は、主として電極間の短絡を防止するために備えられる。セパレータ300としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン−ポリプロピレン共重合体等のポリオレフィン系樹脂や、ガラス繊維等を材料とする微多孔質膜、不織布等を用いることができる。セパレータ300としては、固体電解質を用いても良い。高いイオン伝導率と低い導電率を示す固体電解質を用いると、電極体400同士を電気的に直列に接続したり、二次電池を全固体電池化したりすることができる。
<Separator>
The
固体電解質としては、例えば、Li10Ge2PS12、Li2S−P2S5等の硫化物系固体電解質や、Li7La3Zr2O12等のガーネット型固体電解質や、La2/3−xLi3xTiO3等のペロブスカイト型固体電解質や、NASICON型固体電解質や、イオン液体を樹脂や無機粒子に担持させた半固体電解質や、高分子ゲルによるゲル電解質等の各種の固体電解質を用いることができる。 Examples of the solid electrolyte include sulfide-based solid electrolytes such as Li 10 Ge 2 PS 12 and Li 2 SP 2 S 5 , garnet-type solid electrolytes such as Li 7 La 3 Zr 2 O 12 , and La 2 /. Various solid electrolytes such as perovskite type solid electrolytes such as 3-x Li 3x TiO 3 , NASICON type solid electrolytes, semi-solid electrolytes in which ionic liquids are supported on resins and inorganic particles, and gel electrolytes using polymer gels. Can be used.
セパレータ300は、材料に応じて、シート状に形成して電極間に配置しても良いし、電極上に塗布等によって形成しても良い。セパレータ300の厚さは、電子の絶縁性とエネルギー密度とを両立する観点から、好ましくは数nm〜数mmとする。
Depending on the material, the
<電解液>
電解液は、電荷のキャリアとなる電解質と、電解質を分散・溶解させる溶媒とを有する組成とされる。電解液は、二次電池のサイクル特性や安定性、電解液の難燃性等を向上させる目的で、各種の添加剤が添加されていても良い。ただし、セパレータ300として固体電解質を用いる場合は、電解液を用いなくても良い。正極100、負極200等を電解液に浸漬させる代わりに、これらの電極間に固体電解質を充填しても良い。
<Electrolytic solution>
The electrolytic solution has a composition having an electrolyte that serves as a carrier of electric charges and a solvent that disperses and dissolves the electrolyte. Various additives may be added to the electrolytic solution for the purpose of improving the cycle characteristics and stability of the secondary battery, the flame retardancy of the electrolytic solution, and the like. However, when a solid electrolyte is used as the
電解質としては、例えば、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiCF3SO3、LiCF3CO2、LiAsF6、LiSbF6、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド等のリチウムイミド塩や、リチウムビスオキサレートボラート(LiBOB)等を用いることができる。電解質としては、LiPF6が特に好ましい。 As the electrolyte, for example, LiPF 6, LiBF 4, LiClO 4, LiCF 3 SO 3, LiCF 3 CO 2, LiAsF 6, LiSbF 6, or a lithium imide salt such as lithium bis (fluorosulfonyl) imide, lithium bis oxalate borate Lat (LiBOB) or the like can be used. As the electrolyte, LiPF 6 is particularly preferable.
溶媒としては、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、リン酸トリエステル、トリメトキシメタン、ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン等の各種の溶媒を用いることができる。 Various solvents such as ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), propylene carbonate, butylene carbonate, γ-butyrolactone, phosphate triester, trimethoxymethane, dioxolane, diethyl ether, and sulfolane. Solvents can be used.
<負極活物質>
負極活物質としては、空間群Ammaを持つFeNb11O29に対し、一般組成式、Fe1−xNb11−yO29−z−aAx+y+z(0≦x≦1、0≦y≦11、−10≦z≦10)となるような13族、14族、15族に属する元素Aが添加されることを特徴とする。上記組成式中、aは、酸素欠損や過剰に導入された酸素量を意味し、通常、aの範囲は−5から5の間である。また、x+y+zは0ではない。添加されたAの総量が必ずしも活物質へ元素置換される必要はなく、材料表面に析出し、活物質の一部あるいは全部を被覆していても良い。具体的にAとしてはAl、Si、B、P、C、Ge及びBiからなる群より選択される一種以上を用いることができる。元素置換ではなくAがFeNb11O29の表面に析出したり、Aにより被覆される場合、そのAの構造としては例えばアモルファス的なAであったり、Aの酸化物であったり、Aの単結晶であっても良い。なお、Aが添加される負極活物質の母物質としては、FeNb11O29のFeサイト及びNbサイトの一方、あるいは両方のサイトに対して、それぞれ任意の金属元素を元素置換した活物質を用いても良い。
<Negative electrode active material>
As the negative electrode active material, Fe Nb 11 O 29 having the space group Amma has a general composition formula, Fe 1-x Nb 11-y O 29-z-a A x + y + z (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 11). , -10 ≦ z ≦ 10), and the element A belonging to the 13th, 14th, and 15th groups is added. In the above composition formula, a means an oxygen deficiency or an excessively introduced amount of oxygen, and the range of a is usually between -5 and 5. Also, x + y + z is not 0. The total amount of A added does not necessarily have to be elementally substituted with the active material, and may be precipitated on the surface of the material to cover a part or all of the active material. Specifically, as A, one or more selected from the group consisting of Al, Si, B, P, C, Ge and Bi can be used. When A is deposited on the surface of FeNb 11 O 29 or is coated with A instead of element substitution, the structure of A is, for example, amorphous A, an oxide of A, or a single crystal of A. It may be a crystal. As the base material of the negative electrode active material to which A is added, an active material in which any metal element is elementally substituted for one or both of the Fe site and the Nb site of FeNb 11 O 29 is used. You may.
合成方法は限定されないが、例えば以下の方法を用いることが好ましい。すなわち、添加元素Aの元素源として、13族、14族、15族の元素Aを含む酸化物、オキソ酸、有機化合物とともに、Fe及びNbが所望の化学量論比となるようにFe2O3及びNb2O5を秤量しボールミルにより混合した後、エタノール中で室温でボールミルした後、N2雰囲気下で焼結することで得ることができる。この際、焼結温度及び焼結時間は、空間群Ammaを持つFeNb11O29が合成できれば任意の温度及び時間を設定することができ、表面に析出、被覆されるAの構造を制御するため焼結温度や時間を調整することができる。
The synthesis method is not limited, but it is preferable to use, for example, the following method. That is, as the element source of the additive element A, Fe 2 O so that Fe and Nb have a desired chemical quantitative ratio together with an oxide, an oxo acid, and an organic compound containing the elements A of
このようにして作製した負極活物質の可逆容量は、FeNb11O29の可逆容量に比べて増加する。元素Aが添加されたFeNb11O29において可逆容量の上昇が得られる理由は、必ずしも明らかではないが、以下の原因の組み合わせが考えられる。つまり、添加元素Aの存在により、活物質のオストワルト成長が抑制され、微粒子化が進むこと、電子伝導性の低いFeNb11O29の導電性が、酸素サイトへの一部元素置換により向上すること、導電性の良い析出物としてAが存在することで電極としてのFeNb11O29負極の電子伝導性が確保できること、添加元素により充放電時のLiの拡散性が向上することである。 The reversible capacity of the negative electrode active material thus produced is increased as compared with the reversible capacity of FeNb 11 O 29. The reason why the increase in the reversible capacity is obtained in FeNb 11 O 29 to which the element A is added is not necessarily clear, but a combination of the following causes can be considered. That is, the presence of the additive element A suppresses the Ostwald growth of the active material, promotes fine particle formation, and improves the conductivity of FeNb 11 O 29 , which has low electron conductivity, by substituting some elements for oxygen sites. The presence of A as a precipitate having good conductivity ensures the electron conductivity of the FeNb 11 O 29 negative electrode as an electrode, and the additive element improves the diffusibility of Li during charging and discharging.
本実施形態に係る負極活物質は、FeNb11O29で示される空間群Ammaを基にした結晶構造を保ちつつ、元素Aを添加することで一般組成式、Fe1−xNb11−yO29−z−aAx+y+z(0≦x≦1、0≦y≦11、−10≦z≦10)となれば良く、添加されたAの総量が必ずしも活物質へ元素置換される必要はなく、材料表面に析出していたり、活物質表面の一部あるいは全部がAにより被覆されていても良い。所望の活物質が合成されたか確認する方法としては例えば以下の方法が挙げられる。すなわち、材料合成した後に得た粉末について粉末X線回折測定(X-ray diffraction、以下、XRD)を実施し、得られたピークの中の主相が、空間群Ammaに相当することを確認する。加えて元素置換されているかどうか、またどの程度の化学量論比が活物質中に含まれているかを確認する場合には、高周波誘導結合プラズマ(Inductivity coupled plasma optical emission spectrometer、以下、ICP)発光分光分析法を用いれば良い。具体的には、主相となっている酸化物を酸溶液等に溶解させた後に、ICP発光分光分析法を用い、溶液サンプルをプラズマに導入することで元素置換されている各元素から生じる固有のスペクトルから元素の存在を確かめ、スペクトルの強度から元素の濃度を求め、化学量論比を算出することにより確認することができる。 The negative electrode active material according to the present embodiment has a general composition formula, Fe 1-x Nb 11-y O, by adding element A while maintaining a crystal structure based on the space group Amma represented by FeNb 11 O 29. 29-z-a A x + y + z (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 11, -10 ≦ z ≦ 10) is sufficient, and the total amount of added A does not necessarily have to be replaced with an active material. , It may be deposited on the surface of the material, or a part or all of the surface of the active material may be covered with A. Examples of the method for confirming whether or not the desired active material has been synthesized include the following methods. That is, powder X-ray diffraction (hereinafter referred to as XRD) is performed on the powder obtained after material synthesis, and it is confirmed that the main phase in the obtained peak corresponds to the space group Amma. .. In addition, when confirming whether or not element substitution is performed and how much chemical ratio is contained in the active material, high frequency inductively coupled plasma optical emission spectrometer (ICP) emission is performed. Spectral analysis may be used. Specifically, after dissolving the oxide as the main phase in an acid solution or the like, ICP emission spectroscopy is used to introduce a solution sample into the plasma, so that the unique elements generated from each element are substituted. It can be confirmed by confirming the existence of the element from the spectrum of the above, obtaining the concentration of the element from the intensity of the spectrum, and calculating the chemical ratio.
負極活物質の大きさとしては特に限定されるものではないが、負極活物質の一次粒子は、電子顕微鏡像上で円形近似して計測される円相当径が、好ましくは100μm以下、より好ましくは10μm以下、さらに好ましくは5μm以下であり、良好な結晶性が確保できれば0.5μm以下の一次粒子径であっても良い。粒子は中実構造であっても良いし、一部の一次粒子が中空構造であっても良いし、実質的に略全部の一次粒子が中空構造であっても良い。また、一次粒子は、開気孔のみを有していても良いし、開気孔と閉気孔とを有していても良い。負極活物質の形状や構造は、例えば、走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:SEM)を用いた観察によって確認することができる。 The size of the negative electrode active material is not particularly limited, but the primary particles of the negative electrode active material have a circle-equivalent diameter measured by approximating a circle on an electron microscope image, preferably 100 μm or less, more preferably. The primary particle size may be 10 μm or less, more preferably 5 μm or less, and 0.5 μm or less as long as good crystallinity can be ensured. The particles may have a solid structure, some primary particles may have a hollow structure, or substantially all of the primary particles may have a hollow structure. Further, the primary particles may have only open pores or may have open pores and closed pores. The shape and structure of the negative electrode active material can be confirmed by, for example, observation using a scanning electron microscope (SEM).
導電性を確保するため、電極中に活物質とともに導入される炭素材としては後述する材料を用いることができる。 In order to ensure conductivity, a material described later can be used as the carbon material introduced together with the active material into the electrode.
添加される元素Aの元素源として用いられる酸化物、オキソ酸、有機化合物としては、例えば、シリコン酸化物、酸化ホウ素、ホウ酸、リン酸、リン酸鉄、スクロース、ラクトース、でんぷん、アミロース、セルロース、マンナン、ゲルマニウム酸化物、ビスマス酸化物等を用いることができる。添加される元素Aの元素源として、上記のうち、複数種の原料を用いても良い。用いる金属酸化物の具体例としては、Al2O3、SiO2、H3BO3、B2O3、H3PO4、FePO4・2(H2O)、GeO2、Bi2O3等が挙げられる。 Oxides, oxo acids, and organic compounds used as the element source of the element A to be added include, for example, silicon oxide, boron oxide, boric acid, phosphoric acid, iron phosphate, sucrose, lactose, starch, amylose, and cellulose. , Mannan, germanium oxide, bismuth oxide and the like can be used. Of the above, a plurality of types of raw materials may be used as the element source of the element A to be added. Specific examples of the metal oxide is used, Al 2 O 3, SiO 2 , H 3 BO 3, B 2 O 3, H 3 PO 4, FePO 4 · 2 (H 2 O), GeO 2, Bi 2 O 3 And so on.
<炭素材>
また導電性を確保するため、活物質中に導入される炭素材としては、人造黒鉛、天然黒鉛、難黒鉛化炭素類、気相法炭素繊維、カーボンブラック、カーボンナノファイバ、フラーレン、グラフェン等を用いることができる。カーボンブラックとしては、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、ファーネスブラック、サーマルブラック、黒鉛等が挙げられる。カーボンナノファイバとしては、ピッチ系カーボンナノチューブ、PAN系カーボンナノチューブ等が挙げられる。
<Carbon material>
In addition, as carbon materials introduced into the active material in order to ensure conductivity, artificial graphite, natural graphite, non-graphitized carbons, vapor phase carbon fiber, carbon black, carbon nanofibers, fullerenes, graphene, etc. are used. Can be used. Examples of carbon black include Ketjen black, acetylene black, furnace black, thermal black, graphite and the like. Examples of carbon nanofibers include pitch-based carbon nanotubes and PAN-based carbon nanotubes.
この中でも特に金属酸化物との親和性の良い粒径の炭素材を用いることでより良好な炭素材のネットワークが形成可能になる。親和性を上げるためには具体的に、炭素材の一次粒子の粒子径が、金属酸化物の粒子径と同程度であるか、それ以下の粒径である炭素材を用いることが好ましい。この中でもケッチェンブラックは一次粒子の粒径が小さく、導電性を確保する上では好ましい。また、これらの炭素材を極性溶媒中で加熱加圧した材料を炭素材として用いても良い。 Among these, a better network of carbon materials can be formed by using a carbon material having a particle size that has a particularly good affinity for metal oxides. Specifically, in order to increase the affinity, it is preferable to use a carbon material having a particle size of the primary particles of the carbon material equal to or smaller than the particle size of the metal oxide. Among these, Ketjen Black has a small particle size of the primary particles, which is preferable for ensuring conductivity. Further, a material obtained by heating and pressurizing these carbon materials in a polar solvent may be used as the carbon material.
<負極活物質の製造方法>
負極活物質である一般組成式、Fe1−xNb11−yO29−z−aAx+y+z(0≦x≦1、0≦y≦11、−10≦z≦10)を合成する手法としては、例えば一般的な固相反応法を用いて合成することができる。以下、負極活物質としてFeNb11SixO29−xを合成する方法を例にとり説明する。負極活物質は、原料粉の混合工程と、焼結工程とを有する製造方法によって製造することができる。
<Manufacturing method of negative electrode active material>
As a method for synthesizing a general composition formula, Fe 1-x Nb 11-y O 29-z-a A x + y + z (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 11, -10 ≦ z ≦ 10), which is a negative electrode active material. Can be synthesized, for example, by using a general solid phase reaction method. Hereinafter will be described by taking a method of synthesizing FeNb 11 Si x O 29-x as a negative electrode active material as an example. The negative electrode active material can be produced by a production method including a mixing step of raw material powder and a sintering step.
まず、混合工程では負極活物質の原料を混合する。原料としては、Fe2O3、SiO2、及びNb2O5を用いることができる。これらの原料粉の大きさは特に限定されるものではないが、合成後のFeNb11SizO29−zよりも小粒径の原料を用いることが好ましい。これは焼結工程においてオストワルト成長するため、合成後の物質は原料粉に比べて大粒径化しやすいためである。混合工程での材料混合にはボールミル等の粉砕機等を用いても良い。湿式・乾式双方が有効であるが、均一に混合するためには湿式を用いることが好ましい。湿式にするための溶媒としては例えば、水、エタノール等が挙げられる。原料粉を水、エタノール等の溶媒中に分散させた後、適切なボールを用いて300rpmで1時間以上混合することにより、溶媒に分散された懸濁液が得られる。この、懸濁液より溶媒を分離することで、原料が略均一に混合された混合粉末を得ることができる。溶媒を分離する方法としては、遠心分離やエバポレータを用いた溶媒の減圧蒸留、ろ過等を用いることができる。 First, in the mixing step, the raw materials of the negative electrode active material are mixed. As raw materials, Fe 2 O 3 , SiO 2 , and Nb 2 O 5 can be used. The size of these raw material powders is not particularly limited, it is preferable to use a material having a small particle diameter than FeNb 11 Si z O 29-z after synthesis. This is because Ostwald grows in the sintering process, and the synthesized substance tends to have a larger particle size than the raw material powder. A crusher such as a ball mill may be used for mixing the materials in the mixing step. Both wet and dry methods are effective, but it is preferable to use the wet method for uniform mixing. Examples of the solvent for making it wet include water, ethanol and the like. The raw material powder is dispersed in a solvent such as water or ethanol, and then mixed at 300 rpm for 1 hour or more using an appropriate ball to obtain a suspension dispersed in the solvent. By separating the solvent from the suspension, a mixed powder in which the raw materials are mixed substantially uniformly can be obtained. As a method for separating the solvent, centrifugation, vacuum distillation of the solvent using an evaporator, filtration or the like can be used.
次に、焼結工程では、混合工程により得られた混合粉末を、所定の温度及び雰囲気下で焼結する。具体的には混合粉末を焼結容器に入れた後、電気炉の中に入れて焼結する工程である。焼結温度としては600℃〜1450℃、好ましくは800℃〜1350℃、最も好ましくは900℃〜1250℃が挙げられる。焼結温度を高温にし過ぎると、結晶構造がAmma構造から変態する。一方で低温で焼結し過ぎると所望のAmma構造を得ることができない。さらに、1250℃以上の高温にすると、粒子径が粗大化する傾向がある。焼結時間としては2時間以上、より好ましくは4時間以上が挙げられる。より均一に材料を焼結させるという観点から2時間以上の焼結時間は必要である。一方で、長時間、高温で焼結する場合、粒子径が粗大化する傾向がある。焼結時の雰囲気としては、酸素雰囲気下、大気雰囲気下等の酸化雰囲気下での合成でも良いし、N2雰囲気や、Ar雰囲気、CO雰囲気等の還元雰囲気下での合成でも良い。酸化雰囲気下での合成ではFeNb11O29−aであらわされるaの量が小さくなる傾向があり、還元雰囲気下ではxの量が大きくなる傾向がある。ただし、どちらの雰囲気下でも主相の結晶構造がAmma構造を持つ結晶を得ることができる。なお、炭素源を焼結する場合の雰囲気は、N2雰囲気、Ar雰囲気、CO雰囲気等の還元雰囲気下での合成が好ましい。これは酸化雰囲気下では、炭素源が燃焼によりCO等の気体となり、元素置換や被覆のために使用される炭素の量が減少するためである。C添加については、原料粉とともに混ぜて900〜1250℃の温度で焼結することで得ても良いし、FeNb11O29を合成した後にFeNb11O29の粉末とともに炭素源をボールミル等で混合した後、再度600〜800℃の温度、より好ましくは650℃〜750℃で焼結することで一般組成式、Fe1−xNb11−yO29−z−aAx+y+z(0≦x≦1、0≦y≦11、−10≦z≦10)を合成しても良い。 Next, in the sintering step, the mixed powder obtained in the mixing step is sintered under a predetermined temperature and atmosphere. Specifically, it is a step of putting the mixed powder in a sintering container and then putting it in an electric furnace for sintering. Examples of the sintering temperature include 600 ° C. to 1450 ° C., preferably 800 ° C. to 1350 ° C., and most preferably 900 ° C. to 1250 ° C. If the sintering temperature is too high, the crystal structure is transformed from the Amma structure. On the other hand, if it is sintered too much at a low temperature, a desired Amma structure cannot be obtained. Further, when the temperature is increased to 1250 ° C. or higher, the particle size tends to be coarsened. The sintering time is 2 hours or more, more preferably 4 hours or more. From the viewpoint of more uniformly sintering the material, a sintering time of 2 hours or more is required. On the other hand, when sintering is performed at a high temperature for a long time, the particle size tends to be coarse. The atmosphere during sintering, an oxygen atmosphere, may be in the synthesis of an oxidizing atmosphere such as air atmosphere, and N 2 atmosphere, Ar atmosphere, may be synthesized in a reducing atmosphere such as CO atmosphere. In the synthesis under an oxidizing atmosphere, the amount of a represented by FeNb 11 O 29-a tends to be small, and the amount of x tends to be large under a reducing atmosphere. However, a crystal having an Amma structure as the main phase crystal structure can be obtained in either atmosphere. Incidentally, the atmosphere in the case of sintering the carbon source, N 2 atmosphere, Ar atmosphere, is synthesized in a reducing atmosphere such as CO atmosphere preferred. This is because in an oxidizing atmosphere, the carbon source becomes a gas such as CO by combustion, and the amount of carbon used for element substitution and coating decreases. The addition of C may be obtained by sintering at a temperature of from 900 to 1250 ° C. is mixed with the raw material powder, mixing the carbon source with a ball mill or the like together with powder of FeNb 11 O 29 after synthesizing the FeNb 11 O 29 Then, by sintering again at a temperature of 600 to 800 ° C., more preferably 650 ° C. to 750 ° C., a general composition formula, Fe 1-x Nb 11-y O 29-z-a A x + y + z (0 ≦ x ≦). 1, 0 ≦ y ≦ 11, -10 ≦ z ≦ 10) may be combined.
これらの材料はこの後、より低温、例えば300℃〜600℃程度の温度で、酸化雰囲気下でポストアニールを実施することによりx量を減少させても良い。 After that, these materials may be reduced in x amount by performing post-annealing in an oxidizing atmosphere at a lower temperature, for example, a temperature of about 300 ° C. to 600 ° C.
通常、固相反応法によって合成された本発明における一次粒子は、必要に応じて分級しても良い。また、分級した一次粒子を互いに異なる粒度群同士で組み合わせて負極活物質を得ても良い。 Usually, the primary particles in the present invention synthesized by the solid phase reaction method may be classified if necessary. Further, the negative electrode active material may be obtained by combining the classified primary particles with different particle size groups.
以上の製造方法によって得られる負極活物質は、負極200の材料として用いることができる。負極活物質は、バインダ、炭素材等と、溶媒中で混練して負極合剤を調製することができる。調製した負極合剤を負極集電体220に塗工し、塗工した負極合剤を乾燥させることによって、図1に示すような負極合剤層210を形成することができる。
The negative electrode active material obtained by the above manufacturing method can be used as a material for the
また、以上の製造方法によって得られる負極活物質は、図1に示すような負極合剤層210を形成することにより、正極100と、負極200と、セパレータ300とを備える二次電池とすることができる。このような二次電池は、例えば、携帯電話、携帯用パソコン等の移動体用電源や、電気自動車、ハイブリッド自動車、鉄道車両、ハイブリッド鉄道車両、船舶等の電源や、電力貯蔵用の定置電源等の各種の用途に用いることができる。
Further, the negative electrode active material obtained by the above manufacturing method is a secondary battery including a
以下、実施例を示して本発明について具体的に説明するが、本発明の技術的範囲はこれに限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples, but the technical scope of the present invention is not limited thereto.
<実施例1>
<負極活物質の作製>
負極活物質は、固相反応法を用いて、次の手順で合成した。はじめに、Fe及びNb及びBの化学両論比が1:11:0.5となるようにFe2O3と、RuO2と、H3BO3を秤量し、合計2gになるように粉末の量を調整した。その後、直径3mmのジルコニウムのボールを40g入れたボールミルポットの中に投入した。その後、6gのエタノールをミルポットの中に入れた後、300rpmの速度で1時間ボールミルをした。その後、エバポレータを用いて懸濁液からエタノールを分離した後、60℃で10時間以上真空乾燥した。その後、焼結皿の上に材料を乗せ、電気炉の中で1250℃、Air下で焼結することで目的物を得た。
<Example 1>
<Preparation of negative electrode active material>
The negative electrode active material was synthesized by the following procedure using the solid phase reaction method. First, Fe 2 O 3 , RuO 2 , and H 3 BO 3 are weighed so that the chemical ratio of Fe, Nb, and B is 1: 11: 0.5, and the amount of powder is 2 g in total. Was adjusted. Then, a zirconium ball having a diameter of 3 mm was put into a ball mill pot containing 40 g of the zirconium ball. Then, after putting 6 g of ethanol into the mill pot, the ball mill was carried out at a speed of 300 rpm for 1 hour. Then, ethanol was separated from the suspension using an evaporator, and then vacuum dried at 60 ° C. for 10 hours or more. Then, the material was placed on a sintering dish and sintered in an electric furnace at 1250 ° C. under Air to obtain the desired product.
<結晶相の同定>
XRDを用いて結晶相を同定したところ、主相が、空間群Ammaに属する結晶相が得られた。図2にXRD結果を示す。
<Identification of crystal phase>
When the crystal phase was identified using XRD, a crystal phase in which the main phase belonged to the space group Amma was obtained. FIG. 2 shows the XRD result.
<負極200の作製>
負極200は、次の手順で合成した。合成した負極活物質と、炭素材と、バインダとを、N−メチルー2−ピロリドン:NMPを加えて混合・混練して、スラリー状の負極合剤を調製した。炭素材にはケッチェンブラックを用いた。バインダとしては、アクリル系バインダを用いた。混合比は、固形分比で考えて負極活物質:ケッチェンブラック:バインダ=80wt%:10wt%:10wt%とした。調製した負極合剤を集電箔上に塗工し、乾燥させて負極合剤層を形成した後に、負極合剤層を所定の密度となるようにプレスして負極を得た。
<Manufacturing of
The
<可逆容量の測定>
作製した負極と、対極としての金属リチウムとを用いて、リチウムイオン二次電池である単極セルを作製した。負極活物質の容量を380mAh/gと仮定し、電極中の負極活物質重量を計算し、380mAh/gを乗じた際に算出される電流値を1Cと設定した。単極セルを0.2Cの定電流で終止電圧0.8Vまで放電してLiを挿入した後、0.2Cの定電流で終止電圧3Vまで充電した。この放電過程及び充電過程の組み合わせを1サイクルとして測定した。可逆容量は、放電してLiを挿入した後、3Vまで充電する際に生じる容量とした。測定の結果、可逆容量は270.6mAh/gとなることが明らかとなった。
<Measurement of reversible capacity>
A unipolar cell, which is a lithium ion secondary battery, was produced by using the produced negative electrode and metallic lithium as a counter electrode. Assuming that the capacity of the negative electrode active material is 380 mAh / g, the weight of the negative electrode active material in the electrode is calculated, and the current value calculated when multiplied by 380 mAh / g is set to 1C. The unipolar cell was discharged to a final voltage of 0.8 V with a constant current of 0.2 C, Li was inserted, and then charged to a final voltage of 3 V with a constant current of 0.2 C. The combination of the discharge process and the charge process was measured as one cycle. The reversible capacity was defined as the capacity generated when charging to 3 V after discharging and inserting Li. As a result of the measurement, it was clarified that the reversible capacity was 270.6 mAh / g.
<実施例2>
<負極活物質の作製>
本実施例における負極活物質は、Fe及びNb及びBの化学両論比が1:11:1.0となるようにFe2O3と、RuO2と、H3BO3を秤量して混合工程を実施した以外は実施例1と同様にして作製した。
<Example 2>
<Preparation of negative electrode active material>
In the negative electrode active material in this example, Fe 2 O 3 , RuO 2 , and H 3 BO 3 are weighed and mixed so that the chemical ratio of Fe, Nb, and B is 1: 11: 1.0. Was prepared in the same manner as in Example 1 except that the above was carried out.
<結晶相の同定>
XRDを用いて結晶相を同定したところ、主相が、空間群Ammaに属する結晶相が得られた。図2にXRD結果を示す。
<Identification of crystal phase>
When the crystal phase was identified using XRD, a crystal phase in which the main phase belonged to the space group Amma was obtained. FIG. 2 shows the XRD result.
<負極200の作製>
負極の作製方法は実施例1と同様にした。
<Manufacturing of
The method for producing the negative electrode was the same as in Example 1.
<可逆容量の測定>
可逆容量の測定方法は実施例1と同様にした。その結果、可逆容量は260.1mAh/gとなった。
<Measurement of reversible capacity>
The method for measuring the reversible capacity was the same as in Example 1. As a result, the reversible capacity was 260.1 mAh / g.
<実施例3>
<負極活物質の作製>
本実施例における負極活物質は、Fe及びAl及びNb及びBの化学両論比が0.5:0.5:11:0.25となるようにFe2O3と、Al2O3と、Nb2O5と、H3BO3を秤量して混合工程を実施した以外は実施例1と同様にして作製した。
<Example 3>
<Preparation of negative electrode active material>
The negative electrode active material in this example contains Fe 2 O 3 and Al 2 O 3 so that the chemical ratio of Fe and Al and Nb and B is 0.5: 0.5: 11: 0.25. Nb 2 O 5 and H 3 BO 3 were weighed and mixed, and the mixture was prepared in the same manner as in Example 1.
<結晶相の同定>
XRDを用いて結晶相を同定したところ、主相が、空間群Ammaに属する結晶相が得られた。図2にXRD結果を示す。
<Identification of crystal phase>
When the crystal phase was identified using XRD, a crystal phase in which the main phase belonged to the space group Amma was obtained. FIG. 2 shows the XRD result.
<負極200の作製>
負極の作製方法は実施例1と同様にした。
<Manufacturing of
The method for producing the negative electrode was the same as in Example 1.
<可逆容量の測定>
可逆容量の測定方法は実施例1と同様にした。その結果、可逆容量は268.9mAh/gとなった。
<Measurement of reversible capacity>
The method for measuring the reversible capacity was the same as in Example 1. As a result, the reversible capacity was 268.9 mAh / g.
<比較例1>
<負極活物質の作製>
本実施例における負極活物質は次のように作製した。まず、Fe及びNbの化学両論比が1:11となるようにFe2O3と、Nb2O5を秤量し、合計2gになるように粉末の量を調整した。その後、直径3mmのジルコニウムのボールを40g入れたボールミルポットの中に投入した。その後、6gのエタノールをミルポットの中に入れた後、300rpmの速度で1時間ボールミルをした。その後、遠心分離により懸濁液からエタノールを分離した後、60℃で10時間以上真空乾燥した。その後、焼結皿の上に材料を乗せ、電気炉の中で1250℃、Air下で焼結することで目的物を得た。
<Comparative example 1>
<Preparation of negative electrode active material>
The negative electrode active material in this example was prepared as follows. First, Fe 2 O 3 and Nb 2 O 5 were weighed so that the chemical ratio of Fe and Nb was 1:11, and the amount of powder was adjusted so as to have a total of 2 g. Then, a zirconium ball having a diameter of 3 mm was put into a ball mill pot containing 40 g of the zirconium ball. Then, after putting 6 g of ethanol into the mill pot, the ball mill was carried out at a speed of 300 rpm for 1 hour. Then, after separating ethanol from the suspension by centrifugation, it was vacuum dried at 60 ° C. for 10 hours or more. Then, the material was placed on a sintering dish and sintered in an electric furnace at 1250 ° C. under Air to obtain the desired product.
<結晶相の同定>
XRDを用いて結晶相を同定したところ、主相が、空間群Ammaに属するFeNb11O29−xの結晶相が得られた。図2にXRD結果を示す。
<Identification of crystal phase>
When the crystal phase was identified using XRD, a crystal phase having a main phase of FeNb 11 O 29-x belonging to the space group Amma was obtained. FIG. 2 shows the XRD result.
<負極200の作製>
負極の作製方法は実施例1と同様にした。
<Manufacturing of
The method for producing the negative electrode was the same as in Example 1.
<可逆容量の測定>
可逆容量の測定方法は実施例1と同様にした。その結果、可逆容量は249.8mAh/gとなった。
<Measurement of reversible capacity>
The method for measuring the reversible capacity was the same as in Example 1. As a result, the reversible capacity was 249.8 mAh / g.
<実施例4>
<負極活物質の作製>
負極活物質は、固相反応法を用いて、次の手順で合成した。はじめに、Fe及びNb及びSiの化学両論比が1:11:0.25となるようにFe2O3と、Al2O3と、SiO2を秤量し、合計2gになるように粉末の量を調整した。その後、直径3mmのジルコニウムのボールを40g入れたボールミルポットの中に投入した。その後、6gのエタノールをミルポットの中に入れた後、300rpmの速度で1時間ボールミルをした。その後、遠心分離により懸濁液からエタノールを分離した後、60℃で10時間以上真空乾燥した。その後、焼結皿の上に材料を乗せ、電気炉の中で1250℃、Air下で焼結することで目的物を得た。
<Example 4>
<Preparation of negative electrode active material>
The negative electrode active material was synthesized by the following procedure using the solid phase reaction method. First, Fe 2 O 3 , Al 2 O 3 , and SiO 2 are weighed so that the chemical ratio of Fe, Nb, and Si is 1: 11: 0.25, and the amount of powder is 2 g in total. Was adjusted. Then, a zirconium ball having a diameter of 3 mm was put into a ball mill pot containing 40 g of the zirconium ball. Then, after putting 6 g of ethanol into the mill pot, the ball mill was carried out at a speed of 300 rpm for 1 hour. Then, after separating ethanol from the suspension by centrifugation, it was vacuum dried at 60 ° C. for 10 hours or more. Then, the material was placed on a sintering dish and sintered in an electric furnace at 1250 ° C. under Air to obtain the desired product.
<結晶相の同定>
XRDを用いて結晶相を同定したところ、主相が、空間群Ammaに属する結晶相が得られた。図3にXRD結果を示す。
<Identification of crystal phase>
When the crystal phase was identified using XRD, a crystal phase in which the main phase belonged to the space group Amma was obtained. FIG. 3 shows the XRD result.
<負極200の作製>
負極の作製方法は実施例1と同様にした。
<Manufacturing of
The method for producing the negative electrode was the same as in Example 1.
<可逆容量の測定>
可逆容量の測定方法は実施例1と同様にした。その結果、可逆容量は269.6mAh/gとなった。
<Measurement of reversible capacity>
The method for measuring the reversible capacity was the same as in Example 1. As a result, the reversible capacity was 269.6 mAh / g.
<実施例5>
<負極活物質の作製>
本実施例における負極活物質は、Fe及びNb及びSiの化学両論比が1:11:0.5となるようにFe2O3と、RuO2と、SiO2を秤量して混合工程を実施した以外は実施例4と同様にして合成した。
<Example 5>
<Preparation of negative electrode active material>
For the negative electrode active material in this example, Fe 2 O 3 , RuO 2 , and SiO 2 are weighed and mixed so that the chemical ratio of Fe, Nb, and Si is 1: 11: 0.5. It was synthesized in the same manner as in Example 4 except for the above.
<結晶相の同定>
XRDを用いて結晶相を同定したところ、主相が、空間群Ammaに属する結晶相が得られた。図3にXRD結果を示す。
<Identification of crystal phase>
When the crystal phase was identified using XRD, a crystal phase in which the main phase belonged to the space group Amma was obtained. FIG. 3 shows the XRD result.
<負極200の作製>
負極の作製方法は実施例1と同様にした。
<Manufacturing of
The method for producing the negative electrode was the same as in Example 1.
<可逆容量の測定>
可逆容量の測定方法は実施例1と同様にした。その結果、可逆容量は270.7mAh/gとなった。
<Measurement of reversible capacity>
The method for measuring the reversible capacity was the same as in Example 1. As a result, the reversible capacity was 270.7 mAh / g.
<実施例6>
<負極活物質の作製>
負極活物質は、固相反応法を用いて、次の手順で合成した。はじめに、Fe及びNb及びPの化学両論比が1:11:0.25となるようにFe2O3と、FePO4・2(H2O)と、Nb2O5を秤量した以外は実施例4と同様にした。
<Example 6>
<Preparation of negative electrode active material>
The negative electrode active material was synthesized by the following procedure using the solid phase reaction method. First, Fe and Nb, and stoichiometric ratios of P 1: 11: and Fe 2 O 3 so as to be 0.25, and FePO 4 · 2 (H 2 O ), except that weighed Nb 2 O 5 is performed The same as in Example 4.
<結晶相の同定>
XRDを用いて結晶相を同定したところ、主相が、空間群Ammaに属する結晶相が得られた。図4にXRD結果を示す。
<Identification of crystal phase>
When the crystal phase was identified using XRD, a crystal phase in which the main phase belonged to the space group Amma was obtained. FIG. 4 shows the XRD result.
<負極200の作製>
負極の作製方法は実施例1と同様にした。
<Manufacturing of
The method for producing the negative electrode was the same as in Example 1.
<可逆容量の測定>
可逆容量の測定方法は実施例1と同様にした。その結果、可逆容量は255.6mAh/gとなった。
<Measurement of reversible capacity>
The method for measuring the reversible capacity was the same as in Example 1. As a result, the reversible capacity was 255.6 mAh / g.
<実施例7>
<負極活物質の作製>
本実施例における負極活物質は、Fe及びNb及びPの化学両論比が1:11:0.5となるようにFe2O3と、FePO4・2(H2O)と、Nb2O5を秤量した以外は実施例4と同様にして合成した。
<Example 7>
<Preparation of negative electrode active material>
Negative electrode active material in this embodiment, stoichiometric ratio of Fe and Nb and P 1: 11: and Fe 2 O 3 so that the 0.5, FePO 4 · 2 and (H 2 O), Nb 2 O It was synthesized in the same manner as in Example 4 except that 5 was weighed.
<結晶相の同定>
XRDを用いて結晶相を同定したところ、主相が、空間群Ammaに属する結晶相が得られた。図4にXRD結果を示す。
<Identification of crystal phase>
When the crystal phase was identified using XRD, a crystal phase in which the main phase belonged to the space group Amma was obtained. FIG. 4 shows the XRD result.
<負極200の作製>
負極の作製方法は実施例1と同様にした。
<Manufacturing of
The method for producing the negative electrode was the same as in Example 1.
<可逆容量の測定>
可逆容量の測定方法は実施例1と同様にした。その結果、可逆容量は253.6mAh/gとなった。
<Measurement of reversible capacity>
The method for measuring the reversible capacity was the same as in Example 1. As a result, the reversible capacity was 253.6 mAh / g.
<実施例8>
<負極活物質の作製>
本実施例における負極活物質は、Fe及びNbの化学両論比が1:11となるようにFe2O3と、Nb2O5を秤量して、混合工程を実施した。その後、Air下で1250℃で4hの焼結過程を実施し、元素置換していないFeNb11O29を得た。その後、FeNb11O29及びCのモル比が1:0.025となるように、重量比では約100:7wt%となるようにFeNb11O29及びスクロース(C12H22O11)を秤量した後、直径3mmのジルコニウムのボールを40g入れたボールミルポットの中に投入した。その後、6gのエタノールをミルポットの中に入れ、300rpmの速度で1時間ボールミルをした。その後、エバポレータを用いて懸濁液からエタノールを分離し、60℃で10時間以上真空乾燥した。その後、焼結皿の上に材料を乗せ、電気炉の中で730℃、Ar下で焼結することで目的物を得た。この際、一部の炭素はFNOへの元素置換と同時に、活物質の表面に被覆層として残留するものと考えられる。
<Example 8>
<Preparation of negative electrode active material>
For the negative electrode active material in this example, Fe 2 O 3 and Nb 2 O 5 were weighed so that the chemical ratio of Fe and Nb was 1:11, and the mixing step was carried out. Then, a sintering process for 4 hours was carried out under Air at 1250 ° C. to obtain FeNb 11 O 29 without element substitution. Then, FeNb 11 O 29 and the molar ratio of C 1: As a 0.025, a weight ratio of about 100: FeNb so that 7 wt% 11 O 29 and weighed sucrose (C 12 H 22 O 11) After that, a zirconium ball having a diameter of 3 mm was put into a ball mill pot containing 40 g of the ball. Then, 6 g of ethanol was put into a mill pot, and a ball mill was performed at a speed of 300 rpm for 1 hour. Then, ethanol was separated from the suspension using an evaporator and vacuum dried at 60 ° C. for 10 hours or more. Then, the material was placed on a sintering dish and sintered in an electric furnace at 730 ° C. under Ar to obtain the desired product. At this time, it is considered that some carbon remains as a coating layer on the surface of the active material at the same time as the element substitution with FNO.
<結晶相の同定>
XRDを用いて結晶相を同定したところ、主相が、空間群Ammaに属する結晶相が得られた。図5にXRD結果を示す。
<Identification of crystal phase>
When the crystal phase was identified using XRD, a crystal phase in which the main phase belonged to the space group Amma was obtained. FIG. 5 shows the XRD result.
<負極200の作製>
負極の作製方法は実施例1と同様にした。
<Manufacturing of
The method for producing the negative electrode was the same as in Example 1.
<可逆容量の測定>
可逆容量の測定方法は実施例1と同様にした。その結果、可逆容量は241.2mAh/gとなった。可逆容量は比較例1に比べ減少したものの、仕込みの炭素源の添加量を用いて、FeNb11O29自体の可逆容量を計算すると、258.1mAh/gと試算でき、負極活物質の可逆容量は向上したものと考えられる。焼結後に残存している炭素の残存量は仕込み量である7wt%より少ない。
<Measurement of reversible capacity>
The method for measuring the reversible capacity was the same as in Example 1. As a result, the reversible capacity was 241.2 mAh / g. Although the reversible capacity was reduced as compared with Comparative Example 1, when the reversible capacity of FeNb 11 O 29 itself was calculated using the amount of carbon source added, it could be estimated to be 258.1 mAh / g, and the reversible capacity of the negative electrode active material could be calculated. Is considered to have improved. The residual amount of carbon remaining after sintering is less than the charged amount of 7 wt%.
<実施例9>
<負極活物質の作製>
本実施例における負極活物質は、Fe及びNb及びCの化学両論比が1:11:0.025となるようにFe2O3と、Nb2O5と、スクロースを秤量して、混合工程を実施した。その後、エバポレータを用いて懸濁液からエタノールを分離し、60℃で10時間以上真空乾燥した。その後、焼結皿の上に材料を乗せ、電気炉の中で900℃、N2下で焼結することで目的物を得た。
<Example 9>
<Preparation of negative electrode active material>
The negative electrode active material in this example is a mixing step in which Fe 2 O 3 and Nb 2 O 5 and sucrose are weighed so that the chemical ratio of Fe, Nb, and C is 1: 11: 0.025. Was carried out. Then, ethanol was separated from the suspension using an evaporator and vacuum dried at 60 ° C. for 10 hours or more. Then, place the material on the Shoyuisara, 900 ° C. in an electric furnace to obtain a desired product by sintering under N 2.
<結晶相の同定>
XRDを用いて結晶相を同定したところ、主相が、空間群Ammaに属する結晶相が得られた。図5にXRD結果を示す。
<Identification of crystal phase>
When the crystal phase was identified using XRD, a crystal phase in which the main phase belonged to the space group Amma was obtained. FIG. 5 shows the XRD result.
<負極200の作製>
負極の作製方法は実施例1と同様にした。
<Manufacturing of
The method for producing the negative electrode was the same as in Example 1.
<可逆容量の測定>
可逆容量の測定方法は実施例1と同様にした。その結果、可逆容量は257.7mAh/gとなった。
<Measurement of reversible capacity>
The method for measuring the reversible capacity was the same as in Example 1. As a result, the reversible capacity was 257.7 mAh / g.
<実施例10>
<負極活物質の作製>
本実施例における負極活物質は、Fe及びNb及びCの化学両論比が1:11:0.025となるようにFe2O3と、Nb2O5と、スクロースを秤量して、混合工程を実施した。その後、エバポレータを用いて懸濁液からエタノールを分離した後、60℃で10時間以上真空乾燥した。その後、焼結皿の上に材料を乗せ、電気炉の中で1050℃、N2下で焼結することで目的物を得た。
<Example 10>
<Preparation of negative electrode active material>
The negative electrode active material in this example is a mixing step in which Fe 2 O 3 and Nb 2 O 5 and sucrose are weighed so that the chemical ratio of Fe, Nb, and C is 1: 11: 0.025. Was carried out. Then, ethanol was separated from the suspension using an evaporator, and then vacuum dried at 60 ° C. for 10 hours or more. Then, place the material on the Shoyuisara, 1050 ° C. in an electric furnace to obtain a desired product by sintering under N 2.
<結晶相の同定>
XRDを用いて結晶相を同定したところ、主相が、空間群Ammaに属する結晶相が得られた。図5にXRD結果を示す。
<Identification of crystal phase>
When the crystal phase was identified using XRD, a crystal phase in which the main phase belonged to the space group Amma was obtained. FIG. 5 shows the XRD result.
<負極200の作製>
負極の作製方法は実施例1と同様にした。
<Manufacturing of
The method for producing the negative electrode was the same as in Example 1.
<可逆容量の測定>
可逆容量の測定方法は実施例1と同様にした。その結果、可逆容量は262.0mAh/gとなった。
<Measurement of reversible capacity>
The method for measuring the reversible capacity was the same as in Example 1. As a result, the reversible capacity was 262.0 mAh / g.
<実施例11>
<負極活物質の作製>
本実施例における負極活物質は、Fe及びNb及びGeの化学両論比が1:11:0.5となるようにFe2O3と、Nb2O5と、GeO2を秤量して混合工程を実施した以外は実施例4と同様にして合成した。
<Example 11>
<Preparation of negative electrode active material>
In the negative electrode active material in this example, Fe 2 O 3 , Nb 2 O 5 , and Ge O 2 are weighed and mixed so that the chemical ratio of Fe, Nb, and Ge is 1: 11: 0.5. Was synthesized in the same manner as in Example 4 except that.
<結晶相の同定>
XRDを用いて結晶相を同定したところ、主相が、空間群Ammaに属する結晶相が得られた。図6にXRD結果を示す。
<Identification of crystal phase>
When the crystal phase was identified using XRD, a crystal phase in which the main phase belonged to the space group Amma was obtained. FIG. 6 shows the XRD result.
<負極200の作製>
負極の作製方法は実施例1と同様にした。
<Manufacturing of
The method for producing the negative electrode was the same as in Example 1.
<可逆容量の測定>
可逆容量の測定方法は実施例1と同様にした。その結果、可逆容量は255.3mAh/gとなった。
<Measurement of reversible capacity>
The method for measuring the reversible capacity was the same as in Example 1. As a result, the reversible capacity was 255.3 mAh / g.
<実施例12>
<負極活物質の作製>
本実施例における負極活物質は、Fe及びNb及びGeの化学両論比が0.5:11:0.5となるようにFe2O3と、Nb2O5と、GeO2を秤量して混合工程を実施した以外は実施例4と同様にして合成した。
<Example 12>
<Preparation of negative electrode active material>
For the negative electrode active material in this example, Fe 2 O 3 , Nb 2 O 5 , and Ge O 2 are weighed so that the chemical ratio of Fe, Nb, and Ge is 0.5: 11: 0.5. Synthesis was carried out in the same manner as in Example 4 except that the mixing step was carried out.
<結晶相の同定>
XRDを用いて結晶相を同定したところ、主相が、空間群Ammaに属する結晶相が得られた。図6にXRD結果を示す。
<Identification of crystal phase>
When the crystal phase was identified using XRD, a crystal phase in which the main phase belonged to the space group Amma was obtained. FIG. 6 shows the XRD result.
<負極200の作製>
負極の作製方法は実施例1と同様にした。
<Manufacturing of
The method for producing the negative electrode was the same as in Example 1.
<可逆容量の測定>
可逆容量の測定方法は実施例1と同様にした。その結果、可逆容量は254.1mAh/gとなった。
<Measurement of reversible capacity>
The method for measuring the reversible capacity was the same as in Example 1. As a result, the reversible capacity was 254.1 mAh / g.
<実施例13>
<負極活物質の作製>
本実施例における負極活物質は、Fe及びNb及びGeの化学両論比が0.5:11:1.0となるようにFe2O3と、Nb2O5と、GeO2を秤量して混合工程を実施した以外は実施例4と同様にして合成した。
<Example 13>
<Preparation of negative electrode active material>
For the negative electrode active material in this example, Fe 2 O 3 , Nb 2 O 5 , and Ge O 2 are weighed so that the chemical ratio of Fe, Nb, and Ge is 0.5: 11: 1.0. Synthesis was carried out in the same manner as in Example 4 except that the mixing step was carried out.
<結晶相の同定>
XRDを用いて結晶相を同定したところ、主相が、空間群Ammaに属する結晶相が得られた。図6にXRD結果を示す。
<Identification of crystal phase>
When the crystal phase was identified using XRD, a crystal phase in which the main phase belonged to the space group Amma was obtained. FIG. 6 shows the XRD result.
<負極200の作製>
負極の作製方法は実施例1と同様にした。
<Manufacturing of
The method for producing the negative electrode was the same as in Example 1.
<可逆容量の測定>
可逆容量の測定方法は実施例1と同様にした。その結果、可逆容量は254.1mAh/gとなった。
<Measurement of reversible capacity>
The method for measuring the reversible capacity was the same as in Example 1. As a result, the reversible capacity was 254.1 mAh / g.
<実施例14>
<負極活物質の作製>
本実施例における負極活物質は、Fe及びNb及びBiの化学両論比が0.5:11:0.5となるようにFe2O3と、Nb2O5と、Bi2O3を秤量して混合工程を実施した以外は実施例4と同様にして合成した。
<Example 14>
<Preparation of negative electrode active material>
The negative electrode active material in this example weighs Fe 2 O 3 , Nb 2 O 5 , and Bi 2 O 3 so that the chemical ratio of Fe, Nb, and Bi is 0.5: 11: 0.5. The mixture was synthesized in the same manner as in Example 4 except that the mixing step was carried out.
<結晶相の同定>
XRDを用いて結晶相を同定したところ、主相が、空間群Ammaに属する結晶相が得られた。図7にXRD結果を示す。
<Identification of crystal phase>
When the crystal phase was identified using XRD, a crystal phase in which the main phase belonged to the space group Amma was obtained. FIG. 7 shows the XRD result.
<負極200の作製>
負極の作製方法は実施例1と同様にした。
<Manufacturing of
The method for producing the negative electrode was the same as in Example 1.
<可逆容量の測定>
可逆容量の測定方法は実施例1と同様にした。その結果、可逆容量は265.0mAh/gとなった。
<Measurement of reversible capacity>
The method for measuring the reversible capacity was the same as in Example 1. As a result, the reversible capacity was 265.0 mAh / g.
<比較例2>
<負極活物質の作製>
本実施例における負極活物質は、Fe及びNb及びMgの化学両論比が1:11:0.25となるようにFe2O3と、Nb2O5と、MgOを秤量して混合工程を実施した以外は実施例4と同様にして合成した。
<Comparative example 2>
<Preparation of negative electrode active material>
For the negative electrode active material in this example, Fe 2 O 3 , Nb 2 O 5, and Mg O are weighed and mixed so that the chemical ratio of Fe, Nb, and Mg is 1: 11: 0.25. It was synthesized in the same manner as in Example 4 except that it was carried out.
<結晶相の同定>
XRDを用いて結晶相を同定したところ、主相が、空間群Ammaに属する結晶相が得られた。図8にXRD結果を示す。
<Identification of crystal phase>
When the crystal phase was identified using XRD, a crystal phase in which the main phase belonged to the space group Amma was obtained. FIG. 8 shows the XRD result.
<負極200の作製>
負極の作製方法は実施例1と同様にした。
<Manufacturing of
The method for producing the negative electrode was the same as in Example 1.
<可逆容量の測定>
可逆容量の測定方法は実施例1と同様にした。その結果、可逆容量は249.2mAh/gとなった。
<Measurement of reversible capacity>
The method for measuring the reversible capacity was the same as in Example 1. As a result, the reversible capacity was 249.2 mAh / g.
<比較例3>
<負極活物質の作製>
本実施例における負極活物質は、Fe及びNb及びMgの化学両論比が1:11:0.5となるようにFe2O3と、Nb2O5と、MgOを秤量して混合工程を実施した以外は実施例4と同様にして合成した。
<Comparative example 3>
<Preparation of negative electrode active material>
For the negative electrode active material in this example, Fe 2 O 3 , Nb 2 O 5, and Mg O are weighed and mixed so that the chemical ratio of Fe, Nb, and Mg is 1: 11: 0.5. It was synthesized in the same manner as in Example 4 except that it was carried out.
<結晶相の同定>
XRDを用いて結晶相を同定したところ、主相が、空間群Ammaに属する結晶相が得られた。図8にXRD結果を示す。
<Identification of crystal phase>
When the crystal phase was identified using XRD, a crystal phase in which the main phase belonged to the space group Amma was obtained. FIG. 8 shows the XRD result.
<負極200の作製>
負極の作製方法は実施例1と同様にした。
<Manufacturing of
The method for producing the negative electrode was the same as in Example 1.
<可逆容量の測定>
可逆容量の測定方法は実施例1と同様にした。その結果、可逆容量は236.2mAh/gとなった。
<Measurement of reversible capacity>
The method for measuring the reversible capacity was the same as in Example 1. As a result, the reversible capacity was 236.2 mAh / g.
<比較例4>
<負極活物質の作製>
本実施例における負極活物質は、Fe及びNb及びCaの化学両論比が1:11:0.5となるようにFe2O3と、Nb2O5と、CaCO3を秤量して混合工程を実施した以外は実施例4と同様にして合成した。
<Comparative example 4>
<Preparation of negative electrode active material>
In the negative electrode active material in this example, Fe 2 O 3 , Nb 2 O 5 , and Ca CO 3 are weighed and mixed so that the chemical ratio of Fe, Nb, and Ca is 1: 11: 0.5. Was synthesized in the same manner as in Example 4 except that.
<結晶相の同定>
XRDを用いて結晶相を同定したところ、主相が、空間群Ammaに属する結晶相が得られた。図8にXRD結果を示す。
<Identification of crystal phase>
When the crystal phase was identified using XRD, a crystal phase in which the main phase belonged to the space group Amma was obtained. FIG. 8 shows the XRD result.
<負極200の作製>
負極の作製方法は実施例1と同様にした。
<Manufacturing of
The method for producing the negative electrode was the same as in Example 1.
<可逆容量の測定>
可逆容量の測定方法は実施例1と同様にした。その結果、可逆容量は234.6mAh/gとなった。
<Measurement of reversible capacity>
The method for measuring the reversible capacity was the same as in Example 1. As a result, the reversible capacity was 234.6 mAh / g.
<比較例5>
<負極活物質の作製>
本実施例における負極活物質は、Fe及びNb及びCaの化学両論比が1:11:1.0となるようにFe2O3と、Nb2O5と、CaCO3を秤量して混合工程を実施した以外は実施例4と同様にして合成した。
<Comparative example 5>
<Preparation of negative electrode active material>
In the negative electrode active material in this example, Fe 2 O 3 , Nb 2 O 5 , and Ca CO 3 are weighed and mixed so that the chemical ratio of Fe, Nb, and Ca is 1: 11: 1.0. Was synthesized in the same manner as in Example 4 except that.
<結晶相の同定>
XRDを用いて結晶相を同定したところ、主相が、空間群Ammaに属する結晶相が得られた。図8にXRD結果を示す。
<Identification of crystal phase>
When the crystal phase was identified using XRD, a crystal phase in which the main phase belonged to the space group Amma was obtained. FIG. 8 shows the XRD result.
<負極200の作製>
負極の作製方法は実施例1と同様にした。
<Manufacturing of
The method for producing the negative electrode was the same as in Example 1.
<可逆容量の測定>
可逆容量の測定方法は実施例1と同様にした。その結果、可逆容量は212.1mAh/gとなった。
<Measurement of reversible capacity>
The method for measuring the reversible capacity was the same as in Example 1. As a result, the reversible capacity was 212.1 mAh / g.
<比較例6>
<負極活物質の作製>
本実施例における負極活物質は、Fe及びNb及びLiの化学両論比が1:11:10となるようにFe2O3と、Nb2O5と、Li2CO3を秤量して混合工程を実施した以外は実施例4と同様にして合成した。
<Comparative Example 6>
<Preparation of negative electrode active material>
In the negative electrode active material in this example, Fe 2 O 3 , Nb 2 O 5 , and Li 2 CO 3 are weighed and mixed so that the chemical ratio of Fe, Nb, and Li is 1:11:10. Was synthesized in the same manner as in Example 4 except that.
<結晶相の同定>
XRDを用いて結晶相を同定したところ、主相が、空間群Ammaに属さない結晶相が得られた。図8にXRD結果を示す。
<Identification of crystal phase>
When the crystal phase was identified using XRD, a crystal phase in which the main phase did not belong to the space group Amma was obtained. FIG. 8 shows the XRD result.
<負極200の作製>
負極の作製方法は実施例1と同様にした。
<Manufacturing of
The method for producing the negative electrode was the same as in Example 1.
<可逆容量の測定>
可逆容量の測定方法は実施例1と同様にした。その結果、可逆容量は83.5mAh/gとなった。
<Measurement of reversible capacity>
The method for measuring the reversible capacity was the same as in Example 1. As a result, the reversible capacity was 83.5 mAh / g.
<計測結果>
表1に、実施例及び比較例のパラメータ及び計測結果を示す。なお、この中で特にCを添加した試料では、実施例でも示したように、C源がCOやCO2等として無くならないようにN2雰囲気下で焼結しているが、実施例8では、900℃以下の温度で焼結した場合、Ammaの結晶構造が得られにくいため、一旦1250℃でFeNb11O29を合成した後に、炭素源を混合することで本発明における活物質を得た。
<Measurement result>
Table 1 shows the parameters and measurement results of Examples and Comparative Examples. In particular, in the sample to which C was added, as shown in the example, the sample was sintered in an N 2 atmosphere so that the C source did not disappear as CO, CO 2, etc., but in Example 8, it was sintered. Since it is difficult to obtain the crystal structure of Amma when sintered at a temperature of 900 ° C. or lower, the active material of the present invention was obtained by synthesizing FeNb 11 O 29 at 1250 ° C. and then mixing the carbon source. ..
<考察>
実施例1〜14と比較例1の結果から、13族〜15族に属する元素で元素置換を行うか、あるいは表面に析出させることでFeNb11O29の一部を被覆した材料は、無置換である比較例1に比べて可逆容量が向上することが明らかとなった。加えて、実施例3より、可逆容量上昇の効果はAlとBの同時置換材料でも現れ、比較例1の性能を上回ることが分かり、他の元素置換との同時適用も可逆容量向上に効果があることが分かった。以上から、13〜15族に属する元素を用いた元素置換を試みた場合、無置換材料に比べて性能向上が得られることが分かった。この原因については明らかではないが、以下の原因の組み合わせと考えられる。つまり、添加元素Aの存在により、活物質のオストワルト成長が抑制され、微粒子化が進むこと、電子伝導性の低いFeNb11O29の導電性が、酸素サイトへの一部元素置換により向上すること、導電性の良い析出物としてAが存在することで電極としてのFeNb11O29負極の電子伝導性が確保できること、添加元素により充放電時のLiの拡散性が向上することである。
<Discussion>
From the results of Examples 1 to 14 and Comparative Example 1, the material coated with a part of FeNb 11 O 29 by element substitution with an element belonging to Group 13 to Group 15 or by precipitating on the surface is not substituted. It was clarified that the reversible capacity was improved as compared with Comparative Example 1. In addition, from Example 3, it was found that the effect of increasing the reversible capacity also appeared in the simultaneous substitution material of Al and B, which exceeded the performance of Comparative Example 1, and simultaneous application with other element substitutions was also effective in improving the reversible capacitance. It turned out that there was. From the above, it was found that when an attempt was made to replace an element using an element belonging to groups 13 to 15, performance improvement was obtained as compared with a non-replacement material. The cause of this is not clear, but it is considered to be a combination of the following causes. That is, the presence of the additive element A suppresses the Ostwald growth of the active material, promotes fine particle formation, and improves the conductivity of FeNb 11 O 29 , which has low electron conductivity, by substituting some elements for oxygen sites. The presence of A as a precipitate having good conductivity ensures the electron conductivity of the FeNb 11 O 29 negative electrode as an electrode, and the additive element improves the diffusibility of Li during charging and discharging.
図9に、B、Si、P、Cを添加した材料のSEM−EDX測定結果を無添加の試料と比較して示す。図9から、材料の一次粒子表面及び内部にSiやPやCが均一に分散していることが分かるとともに、これらの元素を添加しない場合に比べて粒子径が小さく、結晶成長が抑制されていることが明らかとなった。このため可逆容量が向上した可能性がある。加えて、B、Si、P、Cは、凝集することなく分散していることが分かる。そのため、活物質において一部置換されるか、あるいは活物質の表面に析出することで、活物質の一部あるいは活物質の全部を被覆しているものと考えることができる。 FIG. 9 shows the SEM-EDX measurement results of the material to which B, Si, P, and C were added in comparison with the sample to which no addition was added. From FIG. 9, it can be seen that Si, P, and C are uniformly dispersed on the surface and inside of the primary particles of the material, and the particle size is smaller than that when these elements are not added, and crystal growth is suppressed. It became clear that there was. Therefore, the reversible capacity may be improved. In addition, it can be seen that B, Si, P, and C are dispersed without agglutination. Therefore, it can be considered that a part of the active material or the whole of the active material is covered by being partially replaced by the active material or precipitated on the surface of the active material.
一方で、比較例で示すように、2族の元素であるMg及びCa置換では可逆容量が大きく低下した。これらの原因としては、1族及び2族の元素置換ではLiサイトへの元素置換が進み、Liイオンが収蔵できるサイトが異種元素で占有された結果、可逆容量が低下するものと考えられる。
On the other hand, as shown in the comparative example, the reversible capacitance was significantly reduced by the substitution of Mg and Ca, which are the elements of Group 2. It is considered that the cause of these problems is that in
また、Liを元素置換した比較例6では可逆容量の低下が大きく、さらに図8に示すように主相が空間群Ammaとならず、図中で▽とした、FeNb11O29由来以外の不純物ピークが主相となった。これは、固相反応が進む温度ではAmmaに由来するFeNb11O29の構造が安定相ではないことを意味しており、固相反応法で元素置換を進めるのは不適切であることを意味する。 Further, in Comparative Example 6 in which Li was replaced with an element, the reversible capacity was significantly reduced, and as shown in FIG. 8, the main phase was not the space group Amma, and impurities other than those derived from FeNb 11 O 29, which were designated as ▽ in the figure, were used. The peak became the prime minister. This means that the structure of FeNb 11 O 29 derived from Amma is not a stable phase at the temperature at which the solid phase reaction proceeds, and it means that it is inappropriate to proceed with element substitution by the solid phase reaction method. do.
15族、14族の重元素であるBiやGeでも、置換による可逆容量の上昇が見られたことから、13〜15族の元素は元素数によらず可逆容量向上が見込めるものと考えられた。以上から、13族〜15族に属する元素を添加することで可逆容量が向上する傾向が現れることが明らかとなった。
Since the reversible capacity of the heavy elements of
100 正極
110 正極合剤層
120 正極集電体
130 正極タブ
200 負極
210 負極合剤層
220 負極集電体
230 負極タブ
300 セパレータ
400 電極体
100
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CN115043435A (en) * | 2022-07-12 | 2022-09-13 | 扬州大学 | Oxygen-deficient iron niobate nanosheet and preparation method thereof |
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CN115043435A (en) * | 2022-07-12 | 2022-09-13 | 扬州大学 | Oxygen-deficient iron niobate nanosheet and preparation method thereof |
CN115043435B (en) * | 2022-07-12 | 2023-04-14 | 扬州大学 | Oxygen-deficient iron niobate nanosheet and preparation method thereof |
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