JP4625926B2 - ELECTRODE MATERIAL FOR LITHIUM ION SECONDARY BATTERY, ITS MANUFACTURING METHOD, AND SECONDARY BATTERY - Google Patents

ELECTRODE MATERIAL FOR LITHIUM ION SECONDARY BATTERY, ITS MANUFACTURING METHOD, AND SECONDARY BATTERY Download PDF

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Description

本発明は、コア−シェル型Ni/NiO等のナノ結晶による高容量および高出力リチウムイオン二次電池用電極材料及びその製造方法並びに二次電池に関する。   The present invention relates to an electrode material for a high capacity and high power lithium ion secondary battery using nanocrystals such as core-shell type Ni / NiO, a manufacturing method thereof, and a secondary battery.

ナノ構造材料の作製プロセスはCVD法や化学溶液析出法(CBD法)といったボトムアッププロセスによって進歩してきた。これらの方法によって作製された材料の有する高表面積及びハイポロシティーによって表面反応効率の増大や電化輸送などがスームズとなり、電気化学デバイスの特性が大きく向上できようになった。   The fabrication process of nanostructured materials has progressed through bottom-up processes such as CVD and chemical solution deposition (CBD). The high surface area and high porosity of the materials produced by these methods have resulted in a smooth increase in surface reaction efficiency and electrified transport, and the characteristics of electrochemical devices can be greatly improved.

一般に、水を溶媒として用いる典型的なCBD法は、真空システムという特別な装置を用いる必要がなく、また低温で金属酸化物などを作製することができるために、製造コストを下げる意味でも注目されている。
さらに、CBD法により溶液中において、複雑な形態を有するような基板に対しても、均一に膜を析出させることができる。しかしながら、直接金属酸化物を析出させる一般的なCBD法では、ナノ粒子かつメソポーラスな金属酸化物膜の作製は困難である。これは、溶液中では金属酸化物が単結晶の成長様式にしたがって成長し易いためである。
In general, a typical CBD method using water as a solvent does not require the use of a special device called a vacuum system, and can produce metal oxides and the like at a low temperature. ing.
Furthermore, a film can be uniformly deposited on a substrate having a complicated form in a solution by the CBD method. However, it is difficult to produce a nanoparticle and mesoporous metal oxide film by a general CBD method in which a metal oxide is directly deposited. This is because the metal oxide easily grows in the solution according to the growth mode of the single crystal.

本発明者等は、金属酸化物ではなく、金属水酸化物を析出させ、これを熱処理によって金属酸化物にするという自己テンプレート法を報告してきた。
溶液中での不均一核生成によって金属水酸化物の膜を複雑な形態をした基板にも析出することができ、これを熱分解によって容易にナノ粒子かつメソポーラス金属酸化物へと変化させ、なおかつ、金属水酸化物のナノ構造を自己テンプレートとして破壊することなく維持している。
The present inventors have reported a self-template method in which a metal hydroxide, not a metal oxide, is deposited and converted into a metal oxide by heat treatment.
Metal hydroxide films can also be deposited on complex shaped substrates by heterogeneous nucleation in solution, which can be easily converted into nanoparticles and mesoporous metal oxides by pyrolysis, and The metal hydroxide nanostructure is maintained as a self-template without destruction.

近年、エネルギー、環境問題の解決へ向けて、数多くの研究者によって電気自動車用のLi貯蔵デバイスが研究されている。電気自動車への応用のためには、高い容量(高いエネルギー密度)と高い電流密度(高い出力密度)を同時に有する電極の開発が必要とされている。   In recent years, Li storage devices for electric vehicles have been studied by many researchers for solving energy and environmental problems. For application to electric vehicles, it is necessary to develop an electrode having a high capacity (high energy density) and a high current density (high power density) at the same time.

Poizot等によって、NiOなどの遷移金属酸化物のナノ材料が700mAh/gという高いエネルギー密度を持ったLiイオン二次電池の負極材料としての特性を有することが報告された(非特許文献1参照)。
これに続いて、多くの研究者が遷移金属酸化物を用いた負極材料の研究を行っているが、高容量と高出力を併せ持つ遷移金属酸化物電極の報告はなされていない。これには解決すべき、次の四つの問題があることが指摘されている。1)活物質材料内でのLiの拡散長を減少させるための粒子径の減少。2)急速な充放電過程における単位表面積電流密度を減少させるための比表面積の増大、3)急速な充放電過程におけるサイクル特性の向上。4)電極材料の電子伝導性の向上。
P.Poizot外4名著 “Nano-sized transition-metal oxides asnegative-electrode materials for lithium-ion batteries” Nature, 2000, 407,496-499
Poizot et al. Reported that a transition metal oxide nanomaterial such as NiO has characteristics as a negative electrode material for a Li-ion secondary battery having a high energy density of 700 mAh / g (see Non-Patent Document 1). .
Subsequent to this, many researchers have been studying negative electrode materials using transition metal oxides, but there have been no reports of transition metal oxide electrodes having both high capacity and high output. It has been pointed out that there are four problems that need to be solved. 1) Reduction of particle size to reduce the diffusion length of Li in the active material. 2) Increase of specific surface area to reduce unit surface area current density in rapid charge / discharge process, 3) Improvement of cycle characteristics in rapid charge / discharge process. 4) Improvement of the electron conductivity of the electrode material.
P.Poizot and 4 other authors “Nano-sized transition-metal oxides asnegative-electrode materials for lithium-ion batteries” Nature, 2000, 407,496-499

本発明は、上記問題点を解決する、すなわち1)活物質材料内でのLiの拡散長を減少させるための粒子径の減少、2)急速な充放電過程における単位表面積電流密度の減少させるための比表面積の増大、3)急速な充放電過程におけるサイクル特性の向上、4)電極材料の電子伝導性の向上を可能とする、リチウムイオン二次電池用電極材料及びその製造方法並びに二次電池を提供する。   The present invention solves the above problems, that is, 1) reduction of the particle diameter to reduce the diffusion length of Li in the active material, and 2) reduction of the unit surface area current density in the rapid charge / discharge process. 3) Improvement of cycle characteristics during rapid charge / discharge process 4) Electrode material for lithium ion secondary battery, method for producing the same, and secondary battery capable of improving electronic conductivity of electrode material I will provide a.

上記の課題に鑑み、本発明は、
1)ニッケルメッシュ上にメソポーラスナノ結晶からなる遷移金属酸化物被膜被膜を備えていることを特徴とするリチウムイオン二次電池用電極材料
2)ニッケルメッシュは、50〜400メッシュを備えていることを特徴とする上記1記載のリチウムイオン二次電池用電極材料
3) ニッケルメッシュの隙間に電解液及びイオンの拡散経路としての機能を持たせることを特徴とする上記1又は2記載のリチウムイオン二次電池用電極材料
4)2〜50nmのナノ粒子と2〜50nmのメソポアから構成されていることを特徴とする上記1〜3のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池用電極材料
5)20〜300m2/gのBET比表面積を備えていることを特徴とする上記1〜4のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池用電極材料
を提供する。
In view of the above problems, the present invention provides:
1) An electrode material for a lithium ion secondary battery characterized by having a transition metal oxide coating film made of mesoporous nanocrystals on a nickel mesh. 2) The nickel mesh has 50 to 400 mesh. 3. The lithium ion secondary battery electrode material as described in 1 above, wherein the gap between the nickel meshes has a function as a diffusion path for electrolyte and ions. 4. Electrode material for battery 4) Electrode material for lithium ion secondary battery according to any one of 1 to 3 above, characterized in that it is composed of 2 to 50 nm nanoparticles and 2 to 50 nm mesopores. 5. The electrode material for a lithium ion secondary battery as described in any one of 1 to 4 above, which has a BET specific surface area of 300 m 2 / g.

また、本発明は、
6)50〜400メッシュのニッケルメッシュ上に直接遷移金属水酸化物を析出させ、これを熱分解することにより、メソポーラスナノ結晶遷移金属酸化物被膜を前記ニッケルメッシュ上に形成することを特徴とするリチウムイオン二次電池用電極材料の製造方法
7)50〜400メッシュのニッケルメッシュ上に直接ニッケル水酸化物を析出させ、これを熱分解することにより、メソポーラスナノ結晶酸化ニッケル被膜を前記ニッケルメッシュ上に形成することを特徴とするリチウムイオン二次電池用電極材料の製造方法
8)Ni(CH3COO)2・4H2Oを水/メタノールの混合溶液に溶解させ、これにニッケルメッシュを浸漬して該ニッケルメッシュ上にテンプレート膜である層状ニッケル水酸化物酢酸塩を形成し、さらにこれを熱処理することによってメソポーラスナノ結晶酸化ニッケル被膜を前記ニッケルメッシュ上に形成することを特徴とするリチウムイオン二次電池用電極材料の製造方法
9)50〜400メッシュのニッケルメッシュ上に直接コバルト水酸化物を析出させ、これを熱分解することにより、メソポーラスナノ結晶酸化コバルト被膜を前記ニッケルメッシュ上に形成することを特徴とするリチウムイオン二次電池用電極材料の製造方法
10)Co(CH3COO)2・4H2Oを水/メタノールの混合溶液に溶解させ、これにニッケルメッシュを浸漬して該ニッケルメッシュ上にテンプレート膜である層状コバルト水酸化物酢酸塩を形成し、さらにこれを熱処理することによってメソポーラスナノ結晶酸化コバルト被膜を前記ニッケルメッシュ上に形成することを特徴とするリチウムイオン二次電池用電極材料の製造方法
11)50〜400メッシュのニッケルメッシュ上に直接鉄(III)水酸化物或いは鉄(III)酸化水酸化物(FeOOH)を析出させ、これを熱分解することにより、メソポーラスナノ結晶酸化鉄(III)被膜を前記ニッケルメッシュ上に形成することを特徴とするリチウムイオン二次電池用電極材料の製造方法
12)Fe(NO3)3・9H2Oを、尿素を加えた水/メタノールの混合溶液に溶解させ、これにニッケルメッシュを浸漬して該ニッケルメッシュ上にテンプレート膜である鉄(III)水酸化物或いは鉄(III)酸化水酸化物(FeOOH)を形成し。これをさらに、300°Cにて10分間熱処理を行うことによって、多孔質ナノ結晶酸化鉄(Fe2O3)を前記ニッケルメッシュ上に形成することを特徴とするリチウムイオン二次電池用電極材料の製造方法
13)上記1)〜5)のいずれかに記載する電極材料を用いた二次電池であって、充電又は放電レートが10A/gである場合の充電又は放電のエネルギー密度が、充電又は放電レートが0.1A/gである時の5割以上を保つことを特徴とする前記二次電池
14)上記1)〜5)のいずれかに記載する電極材料を用いた二次電池において、充電又は放電レートが10A/gである場合の充電又は放電のエネルギー密度が、充電又は放電レートが0.1A/gである時の7割以上を保つことを特徴とする前記二次電池
を提供する。
The present invention also provides:
6) A mesoporous nanocrystalline transition metal oxide film is formed on the nickel mesh by directly depositing a transition metal hydroxide on a 50-400 mesh nickel mesh and thermally decomposing it. Method for producing electrode material for lithium ion secondary battery 7) A nickel hydroxide is directly deposited on a 50-400 mesh nickel mesh and thermally decomposed to form a mesoporous nanocrystalline nickel oxide coating on the nickel mesh. 8) Ni (CH 3 COO) 2 · 4H 2 O is dissolved in a water / methanol mixed solution, and a nickel mesh is immersed in the solution. Forming a layered nickel hydroxide acetate as a template film on the nickel mesh and further heat-treating the layered nickel hydroxide acetate. A method for producing an electrode material for a lithium ion secondary battery, characterized in that a nanocrystalline nickel oxide coating is formed on the nickel mesh. 9) Cobalt hydroxide is directly deposited on a 50 to 400 mesh nickel mesh. A mesoporous nanocrystalline cobalt oxide film is formed on the nickel mesh by thermal decomposition of the electrode material. 10) Co (CH 3 COO) 2 · 4H 2 O Is dissolved in a water / methanol mixed solution, and nickel mesh is immersed in the solution to form a layered cobalt hydroxide acetate salt as a template film on the nickel mesh. An electrode material for a lithium ion secondary battery, characterized in that a cobalt coating is formed on the nickel mesh. Production Method 11) Iron (III) hydroxide or iron (III) oxide hydroxide (FeOOH) is directly deposited on a 50-400 mesh nickel mesh and thermally decomposed to obtain mesoporous nanocrystalline iron oxide. (III) A method for producing an electrode material for a lithium ion secondary battery, characterized in that a film is formed on the nickel mesh 12) Fe (NO3) 3 · 9H2O is mixed with water / methanol mixed solution with urea added The nickel mesh is immersed in this, and iron (III) hydroxide or iron (III) oxide hydroxide (FeOOH) as a template film is formed on the nickel mesh. A porous nanocrystalline iron oxide (Fe 2 O 3 ) is formed on the nickel mesh by further heat treatment at 300 ° C. for 10 minutes, and an electrode material for a lithium ion secondary battery, 13) A secondary battery using the electrode material according to any one of 1) to 5) above, wherein the charge or discharge energy density is 10A / g. Alternatively, in the secondary battery using the electrode material described in any one of 1) to 5) above, the secondary battery 14) is maintained at 50% or more when the discharge rate is 0.1 A / g. The secondary battery is characterized in that the energy density of charging or discharging when the charging or discharging rate is 10 A / g is maintained at 70% or more when the charging or discharging rate is 0.1 A / g. provide.

本発明のリチウムイオン二次電池用電極材料は、ニッケルメッシュ上にメソポーラスナノ結晶酸化ニッケル被膜を形成することにより、活物質材料内でのLiの拡散長を減少させるための粒子径を減少させ、急速な充放電過程における単位面積電流密度を減少させ、急速な充放電過程におけるサイクル特性を向上させ、さらに電極材料の電子伝導性を向上させることができるという優れた効果を有するものである。   The electrode material for a lithium ion secondary battery of the present invention reduces the particle size for reducing the diffusion length of Li in the active material by forming a mesoporous nanocrystalline nickel oxide film on the nickel mesh, It has an excellent effect that the unit area current density in the rapid charge / discharge process can be reduced, the cycle characteristics in the rapid charge / discharge process can be improved, and the electron conductivity of the electrode material can be improved.

以下、本発明の特徴を実施例及び図面等を用いて具体的に説明する。なお、以下の説明は、本願発明の理解を容易にするためのものであり、これらに制限されるものではない。すなわち、本願発明の技術思想に基づく変形、実施態様、他の例は、本願発明に全て含まれることを理解すべきである。   The features of the present invention will be specifically described below with reference to examples and drawings. In addition, the following description is for making an understanding of this invention easy, and is not restrict | limited to these. That is, it should be understood that all modifications, embodiments, and other examples based on the technical idea of the present invention are included in the present invention.

リチウムイオン二次電池用負極材料は、高容量と高出力密度を併せ持つLiイオン二次電池の電極材料として極めて有用であり、基本的にニッケルメッシュ上にメソポーラスナノ結晶からなる遷移金属酸化物被膜を形成したものである。具体的な被膜としては、酸化ニッケル被膜、酸化コバルト被膜、酸化鉄被膜を挙げることができる。
これによって、上記課題を解決するすなわち、活物質材料内でのLiの拡散長を減少させるための粒子径を減少させ、急速な充放電過程における単位面積電流密度を減少させ、急速な充放電過程におけるサイクル特性を向上させ、さらに電極材料の電子伝導性を向上させることができるという著しい特性を得ることに成功した。
The negative electrode material for lithium ion secondary batteries is extremely useful as an electrode material for Li ion secondary batteries having both high capacity and high output density. Basically, a transition metal oxide film consisting of mesoporous nanocrystals is formed on a nickel mesh. Formed. Specific examples of the coating include a nickel oxide coating, a cobalt oxide coating, and an iron oxide coating.
As a result, the above problems are solved, that is, the particle size for reducing the diffusion length of Li in the active material is decreased, the unit area current density in the rapid charge / discharge process is decreased, and the rapid charge / discharge process is reduced. Has succeeded in improving the cycle characteristics of the electrode material, and also obtaining remarkable characteristics that the electron conductivity of the electrode material can be improved.

ニッケルメッシュは、50〜400メッシュ(mesh)サイズを備えていることが望ましい。しかし、これ以外のメッシュを使用できることは勿論であり、このサイズ以外を排除するものではないことを理解すべきである。通常、マイクロメートルサイズのニッケルワイヤーを編んで作製したメッシュを使用する。しかし、メッシュ状であれば、ニッケルメッシュの製造方法に特に制限はない。
ニッケルワイヤーを編んで作製されたニッケルメッシュには網目状に隙間が存在し、この隙間は電解液及びイオンの拡散経路としての機能を有する。これは、リチウムイオン二次電池用負極材料としての機能向上に役立つ。上記50〜400メッシュ(mesh)サイズは、この機能を向上させるための好適な数値である。
また、ニッケルワイヤーは低抵抗であり、電子伝道パスとして働く。そして高い表面積を有する酸化ニッケル膜表面は活物質内での拡散長や単位面積電流密度を減少させる。
The nickel mesh preferably has a size of 50 to 400 mesh (mesh). However, it should be understood that other meshes can be used and that other sizes are not excluded. Usually, a mesh produced by knitting micrometer-sized nickel wire is used. However, if it is a mesh shape, there is no restriction | limiting in particular in the manufacturing method of a nickel mesh.
A nickel mesh produced by knitting a nickel wire has a mesh-like gap, and this gap functions as an electrolyte and ion diffusion path. This is useful for improving the function as a negative electrode material for a lithium ion secondary battery. The 50-400 mesh (mesh) size is a suitable numerical value for improving this function.
Nickel wire has low resistance and serves as an electronic transmission path. The nickel oxide film surface having a high surface area reduces the diffusion length and unit area current density in the active material.

さらに、本発明のメソポーラスナノ結晶構造を有する酸化ニッケル被膜、酸化コバルト、酸化鉄等の遷移金属酸化物被膜は、2〜50nmのナノ粒子と2〜50nmのメソポアから構成されていることが大きな特徴である。これは表面積を拡大させ、リチウムイオン二次電池用電極材料としての特性に大きな影響を及ぼす。
これは、約20〜300m2/gのBET比表面積を備えている。この数値は、本発明によって形成されたメソポーラスナノ結晶からなる遷移金属酸化物被膜の好適な例であり、この表面積以外の表面積を排除するものではないことは理解されるべきである。
Furthermore, the nickel oxide film having a mesoporous nanocrystal structure of the present invention, and the transition metal oxide film such as cobalt oxide and iron oxide are characterized by being composed of 2 to 50 nm nanoparticles and 2 to 50 nm mesopores. It is. This enlarges the surface area and greatly affects the characteristics as an electrode material for a lithium ion secondary battery.
This has a BET specific surface area of about 20-300 m 2 / g. It should be understood that this number is a preferred example of a transition metal oxide coating made of mesoporous nanocrystals formed according to the present invention and does not exclude surface areas other than this surface area.

本発明のリチウムイオン二次電池用電極材料の製造方法は、50〜400メッシュのニッケルメッシュ上に、例えば直接ニッケル水酸化物を析出させ、これを熱分解することにより、メソポーラスナノ結晶酸化ニッケル被膜を前記ニッケルメッシュ上に形成するものであり、本発明の大きな特徴の一つである。
さらに、ニッケル酸化物の場合は、Ni(CH3COO)2・4H2Oを水/メタノールの混合溶液に溶解させ、これにニッケルメッシュを浸漬し、テンプレート膜である層状ニッケル水酸化物酢酸塩を得、さらにこれを、熱処理を行うことによってメソポーラスナノ結晶酸化被膜をニッケルメッシュ上に形成する。
これによって、ニッケルメッシュ上にメソポーラスナノ結晶酸化ニッケル被膜を容易に得ることができ、上記に述べた多くの特性を得ることが可能となる。
酸化コバルト及び酸化鉄の場合も、同様にメソポーラスナノ結晶酸化被膜をニッケルメッシュ上に形成する。なお、NiOとCo3O4負極材料であり、Fe2O3は正極材料であることから、リチウム二次電池の正極及び負極のいずれにも、本発明の方法が適用できることが分かる。
The method for producing an electrode material for a lithium ion secondary battery according to the present invention comprises, for example, directly depositing nickel hydroxide on a nickel mesh of 50 to 400 mesh and thermally decomposing it to thereby form a mesoporous nanocrystalline nickel oxide coating. Is formed on the nickel mesh, which is one of the major features of the present invention.
Furthermore, in the case of nickel oxide, Ni (CH 3 COO) 2 · 4H 2 O is dissolved in a water / methanol mixed solution, nickel mesh is immersed in this, and the layered nickel hydroxide acetate that is the template film This is further subjected to heat treatment to form a mesoporous nanocrystalline oxide film on the nickel mesh.
As a result, a mesoporous nanocrystalline nickel oxide coating can be easily obtained on the nickel mesh, and many of the characteristics described above can be obtained.
In the case of cobalt oxide and iron oxide, a mesoporous nanocrystalline oxide film is similarly formed on the nickel mesh. Incidentally, a NiO and Co 3 O 4 anode material, Fe 2 O 3 from it is a cathode material, in any of the positive and negative electrodes of a lithium secondary battery, it can be seen that can be applied the method of the present invention.

以下、本発明の実施例を用いて具体的に説明する。以下の説明は、本願発明の理解を容易にするためのものであり、これらに制限されるものではない。すなわち、本願発明の技術思想に基づく変形、実施態様、他の例は、本願発明に全て含まれることを理解すべきである。   Hereafter, it demonstrates concretely using the Example of this invention. The following description is intended to facilitate understanding of the present invention and is not limited thereto. That is, it should be understood that all modifications, embodiments, and other examples based on the technical idea of the present invention are included in the present invention.

(実施例1)
具体的な例として、Ni(CH3COO)2・4H2Oを、水/メタノールの混合溶液に溶解させた。この溶液に折り畳んだNiメッシュ(200mesh)を浸し、密閉して60°Cに12時間保ち、テンプレート膜である層状ニッケル水酸化物酢酸塩を得た。これをさらに、300°Cにて10分間熱処理を行うことによって、多孔質ナノ結晶酸化ニッケル(NiO)を得た。
このようにして作製した電極を負極にすると共に対極・参照極には金属Liを用い、また電解液には1MのLiClO4を含むEC/DECの混合溶媒を用いて電気化学的評価を行った。
Example 1
As a specific example, Ni (CH 3 COO) 2 .4H 2 O was dissolved in a water / methanol mixed solution. Folded Ni mesh (200 mesh) was immersed in this solution, sealed and kept at 60 ° C. for 12 hours to obtain a layered nickel hydroxide acetate salt as a template film. This was further heat-treated at 300 ° C. for 10 minutes to obtain porous nanocrystalline nickel oxide (NiO).
Electrochemical evaluation was performed using the electrode thus prepared as a negative electrode, using metallic Li for the counter and reference electrodes, and an EC / DEC mixed solvent containing 1M LiClO 4 as the electrolyte. .

図1のaにニッケルメッシュ上に作製したNiO膜のSEM像を示す。低倍率の像は、ニッケルメッシュのすべてがNiO膜によって覆われていることが分かる。このコアシェルNi/NiO形態は、溶液中での不均一核生成を利用するCBD法によって得られたと云える。
一般に、薄膜のLi電池電極材料は低い抵抗と拡散長の短さによって、高い特性が出やすい。しかし、産業上の実用を考えると、薄膜材料では、フラットな基板のある一つの面にしか薄膜が存在せず、表面活物質の量が少ないことが問題となる。
FIG. 1a shows an SEM image of a NiO film produced on a nickel mesh. The low magnification image shows that all of the nickel mesh is covered with the NiO film. It can be said that this core-shell Ni / NiO morphology was obtained by the CBD method utilizing heterogeneous nucleation in solution.
In general, a thin-film Li battery electrode material tends to have high characteristics due to its low resistance and short diffusion length. However, considering industrial practical use, the thin film material has a problem that the thin film exists only on one surface of the flat substrate and the amount of the surface active material is small.

このコアシェル形態ならば、メッシュなどのあらゆる面にコーティングできる、つまり、三次元的な高表面積な支持体のすべてを活物質で覆うことができるために、活物質量は多くなり、その問題を解決できる。さらに、ニッケルメッシュの隙間は電解液やLiイオンの拡散経路として振舞う。
ニッケルワイヤーは低抵抗であり、電子伝道パスとして働く。高倍率のSEM像(図1のb)及びTEM像(図1のc)では、NiO膜がナノシートによって構成されていることが分かる。
In this core shell form, all surfaces such as mesh can be coated, that is, all the three-dimensional high surface area supports can be covered with the active material, so the amount of active material increases and the problem is solved. it can. Furthermore, the gap in the nickel mesh behaves as a diffusion path for the electrolyte and Li ions.
Nickel wire is low resistance and acts as an electronic mission path. It can be seen from the high-magnification SEM image (b in FIG. 1) and TEM image (c in FIG. 1) that the NiO film is composed of nanosheets.

さらに、それぞれのシートは、約5nmのナノ粒子とメソポアによって構成されている。窒素吸着による測定においてもメソポアの存在を確認することができ、ポアサイズの分散は1〜15nmでピーク位置は約3nmであった。
これらのメソポアは電解液やLiイオンの拡散経路として振舞う。さらに、高い表面積(BET表面積215m2/g)を有するNiO膜表面は活物質内での拡散長や電流密度を減少させる効果を有する。
Furthermore, each sheet is composed of about 5 nm nanoparticles and mesopores. The presence of mesopores could also be confirmed by measurement by nitrogen adsorption, the pore size dispersion was 1 to 15 nm, and the peak position was about 3 nm.
These mesopores behave as diffusion paths for electrolytes and Li ions. Furthermore, a NiO film surface having a high surface area (BET surface area of 215 m 2 / g) has an effect of reducing the diffusion length and current density in the active material.

NiO電極の電気化学特性について、サイクリックボルタンメトリーを図2aに示す。すべてのカーブは0.9Vのカソードピークと2.3Vのアノードピークを示す。これらは、NiOとLiの電気化学酸化還元によるものである。その反応メカニズムは、次のように考えることができる。
NiO + 2Li+ + 2e- ⇔ Li2O +Ni
2Li ⇔ 2Li+ + 2e-
NiO + 2Li ⇔ Li2O +Ni
最初のサイクルの0.7VのカソードピークはSEIによる不可逆な反応のピークである。また、2回目から20回目のサイクルでは表面レドックス種によるピークも観察される。
Cyclic voltammetry is shown in Figure 2a for the electrochemical properties of the NiO electrode. All curves show a 0.9V cathode peak and a 2.3V anode peak. These are due to the electrochemical redox of NiO and Li. The reaction mechanism can be considered as follows.
NiO + 2Li + + 2e - ⇔ Li 2 O + Ni
2Li ⇔ 2Li + + 2e -
NiO + 2Li ⇔ Li 2 O + Ni
The cathode peak of 0.7V in the first cycle is an irreversible peak due to SEI. In addition, peaks due to surface redox species are also observed in the second to twentieth cycles.

次に、Li貯蔵特性について示す。図2bに0.1A/g、1A/g 、5A/g 、10A/gの充放電特性を示す。いずれも900、860、750、695mAh/gという同様の高い容量を示している。特に10A/gという高い出力密度においても、695mAh/gという理論容量である714mAh/gとほぼ同じ特性を示している。
0.1A/gから5A/gまでの容量が理論容量を上回っているのは、CVで見られた、表面反応種の容量が入っているためと考えられる。
上記の通り、本発明の電極材料を二次電池の電極として利用した場合、充電(又は放電)レートを0.1A/gより10倍(1.0A/g)、さらには100倍(10A/g)まで高くしても、充電(又は放電)のエネルギー密度はレートが0.1A/g時の5〜7割以上を保つ二次電池が得られるという優れた効果を有する。
Next, Li storage characteristics will be described. FIG. 2b shows the charge / discharge characteristics of 0.1 A / g, 1 A / g, 5 A / g and 10 A / g. All show the same high capacity of 900, 860, 750, and 695 mAh / g. In particular, even at a high output density of 10 A / g, it shows almost the same characteristics as 714 mAh / g, which is a theoretical capacity of 695 mAh / g.
The reason why the capacity from 0.1 A / g to 5 A / g exceeds the theoretical capacity is thought to be due to the capacity of surface reactive species found in CV.
As described above, when the electrode material of the present invention is used as an electrode of a secondary battery, the charge (or discharge) rate is 10 times (1.0 A / g) from 0.1 A / g, and further 100 times (10 A / g). Even if it raises to g), it has the outstanding effect that the energy density of charge (or discharge) can obtain the secondary battery which keeps 50 to 70% or more at the rate of 0.1 A / g.

図2cと図2dに、サイクル数に対する放電容量とクーロン効率を示した。この図2cと図2dに示す通り、10A/gの高出力密度まで、サイクル特性は一定であり、高いサイクル特性を示している。また、クーロン効率も95%以上の高い値を示している。
一般に、リチウムの挿入、脱挿入の反応には体積変化が伴うために、充放電過程を繰り返すことによって、その容量は減少してしまう。この電極は自己テンプレート法によって作製されたナノ粒子及びメソポーラスな材料であるため、体積変化を緩和することが可能であり、結果として高いサイクル特性を示したといえる。
2c and 2d show the discharge capacity and the Coulomb efficiency with respect to the number of cycles. As shown in FIGS. 2c and 2d, the cycle characteristics are constant up to a high power density of 10 A / g, indicating high cycle characteristics. The coulomb efficiency is also a high value of 95% or more.
In general, since the volume change is accompanied by the reaction of lithium insertion / desorption, the capacity is reduced by repeating the charge / discharge process. Since this electrode is a nanoparticle and a mesoporous material produced by a self-template method, it can be said that volume change can be mitigated, and as a result, high cycle characteristics were exhibited.

図2eに容量と電流密度との関係を示す。20A/gまで0.1A/gの容量とほぼ一致した高い容量を維持していることが分かる。非常に高い50A/gという電流密度においても195mA/gという、現在用いられている代表的は負極材料のグラファイトカーボンの理論容量(372mA/g)の半分もの容量を示しており、本発明のコアシェル型Ni/NiO電極の有用性が分かる。   FIG. 2e shows the relationship between capacitance and current density. It can be seen that up to 20 A / g, a high capacity almost consistent with the capacity of 0.1 A / g is maintained. Even at a very high current density of 50 A / g, 195 mA / g, which is typically used, shows a capacity that is half the theoretical capacity of graphite carbon (372 mA / g) as the negative electrode material. The usefulness of type Ni / NiO electrodes can be seen.

(実施例2)
具体的な例(酸化コバルトの例)として、Co(CH3COO)2・4H2Oを、水/メタノールの混合溶液に溶解させた。この溶液に折り畳んだNiメッシュ(200mesh)を浸し、密閉して60°Cに12時間保ち、テンプート膜である層状コバルト水酸化物酢酸塩を得た。これをさらに、300°Cにて10分間熱処理を行うことによって、多孔質ナノ結晶酸化コバルト(Co3O4)を得た。
このようにして作製した電極を負極にすると共に対極・参照極には金属Liを用い、また電解液には1MのLiClO4を含むEC/DECの混合溶媒を用いて電気化学的評価を行った。
(Example 2)
As a specific example (an example of cobalt oxide), Co (CH 3 COO) 2 .4H 2 O was dissolved in a water / methanol mixed solution. Folded Ni mesh (200 mesh) was immersed in this solution, sealed and kept at 60 ° C. for 12 hours to obtain a layered cobalt hydroxide acetate salt as a template film. This was further heat-treated at 300 ° C. for 10 minutes to obtain porous nanocrystalline cobalt oxide (Co 3 O 4 ).
Electrochemical evaluation was performed using the electrode thus prepared as a negative electrode, using metallic Li for the counter and reference electrodes, and an EC / DEC mixed solvent containing 1M LiClO 4 as the electrolyte. .

図3のaにニッケルメッシュ上に作製したCo3O4膜のSEM像を示す。低倍率の像は、ニッケルメッシュのすべてがCo3O4膜によって覆われていることが分かる。高倍率のSEM像(図3のb)では、Co3O4膜がナノシートによって構成されていることが分かる。このニッケルメッシュ上に作製したメソポーラスナノ結晶Co3O4被膜も実施例1に示す酸化ニッケル被膜と同等の効果を得ることができる。
図4に、Co3O4膜を用いたニッケルメッシュのコアシェル型の電極を用いたリチウム電池の1A/gという比較的大きな電流密度におけるサイクル特性を示す。図4に示す通り、高容量と良好なサイクル特性を有する。
FIG. 3 a shows an SEM image of the Co 3 O 4 film produced on the nickel mesh. The low magnification image shows that all of the nickel mesh is covered with the Co 3 O 4 film. It can be seen from the high-magnification SEM image (b in FIG. 3) that the Co 3 O 4 film is composed of nanosheets. The mesoporous nanocrystalline Co 3 O 4 coating produced on this nickel mesh can also obtain the same effect as the nickel oxide coating shown in Example 1.
FIG. 4 shows cycle characteristics at a relatively large current density of 1 A / g of a lithium battery using a nickel-mesh core-shell electrode using a Co 3 O 4 film. As shown in FIG. 4, it has a high capacity and good cycle characteristics.

(実施例3)
具体的な例(酸化鉄の例)として、Fe(NO3)3・9H2Oを、尿素を加えた水/メタノールの混合溶液に溶解させた。この溶液に折り畳んだNiメッシュ(200mesh)を浸し、密閉して60°Cに24時間保ち、テンプレート膜を得た。これをさらに、300°Cにて10分間熱処理を行うことによって、多孔質ナノ結晶酸化鉄(Fe2O3)を得た。
このようにして作製した電極を正極にすると共に対極・参照極には金属Liを用い、また電解液には1MのLiClO4を含むPCの混合溶媒を用いて電気化学的評価を行った。
(Example 3)
As a specific example (an example of iron oxide), Fe (NO3) 3 · 9H2O was dissolved in a water / methanol mixed solution to which urea was added. Folded Ni mesh (200mesh) was immersed in this solution, sealed and kept at 60 ° C for 24 hours to obtain a template film. This was further heat-treated at 300 ° C. for 10 minutes to obtain porous nanocrystalline iron oxide (Fe 2 O 3 ).
Electrochemical evaluation was performed using the electrode thus prepared as a positive electrode, metallic Li as the counter electrode and reference electrode, and a mixed solvent of PC containing 1M LiClO 4 as the electrolyte.

図5のaにニッケルメッシュ上に作製したFe2O3膜のSEM像を示す。低倍率の像は、ニッケルメッシュのすべてがFe2O3膜によって覆われていることが分かる。高倍率のSEM像(図5のb)では、Fe2O3膜がナノシートによって構成されていることが分かる。このニッケルメッシュ上に作製したメソポーラスナノ結晶Fe2O3被膜も実施例1に示す酸化ニッケル被膜と同等の効果を得ることができる。
図6に、Fe2O3膜を用いたニッケルメッシュのコアシェル型の電極を用いたリチウム電池の1A/gという比較的大きな電流密度におけるサイクル特性を示す。図6に示す通り、高容量と良好なサイクル特性を有する。Fe2O3は正極材料である。したがって、リチウムイオン二次電池の正極材としても使用することができる。
FIG. 5 a shows an SEM image of the Fe 2 O 3 film produced on the nickel mesh. The low magnification image shows that all of the nickel mesh is covered with the Fe 2 O 3 film. It can be seen from the high-magnification SEM image (b in FIG. 5) that the Fe 2 O 3 film is composed of nanosheets. The mesoporous nanocrystalline Fe 2 O 3 coating produced on this nickel mesh can also achieve the same effect as the nickel oxide coating shown in Example 1.
FIG. 6 shows cycle characteristics at a relatively large current density of 1 A / g of a lithium battery using a nickel-mesh core-shell electrode using an Fe 2 O 3 film. As shown in FIG. 6, it has high capacity and good cycle characteristics. Fe 2 O 3 is a positive electrode material. Therefore, it can be used also as a positive electrode material of a lithium ion secondary battery.

ニッケルメッシュ上に形成されたメソポーラスナノ結晶からなる遷移金属酸化物被膜は、活物質材料内でのLiの拡散長を減少させるための粒子径を減少させ、急速な充放電過程における電流密度を減少させ、急速な充放電過程におけるサイクル特性を向上させ、さらに電極材料の電子伝導性を向上させることができるという優れた効果を有するものであり、リチウムイオン二次電池用電極材料として極めて有用である。   Transition metal oxide coatings composed of mesoporous nanocrystals formed on a nickel mesh reduce the particle size to reduce the diffusion length of Li in the active material and reduce the current density during rapid charge and discharge processes It has an excellent effect of improving the cycle characteristics in the rapid charge / discharge process and further improving the electron conductivity of the electrode material, and is extremely useful as an electrode material for lithium ion secondary batteries. .

図1のaとbはNi/NiOのコアシェル電極のSEM像であり、図1のcはNi/NiOのコアシェル電極のTEM像である。1A and 1B are SEM images of Ni / NiO core-shell electrodes, and c in FIG. 1 is a TEM image of Ni / NiO core-shell electrodes. Ni/NiOの電極を用いたLiイオン二次電池のCV特性を示す図である。It is a figure which shows the CV characteristic of the Li ion secondary battery using the electrode of Ni / NiO. Ni/NiOの電極を用いたLiイオン二次電池の充放電特性を示す図である。It is a figure which shows the charging / discharging characteristic of the Li ion secondary battery using the electrode of Ni / NiO. Ni/NiOの電極を用いたLiイオン二次電池充・放電のサイクル特性を示す図である。It is a figure which shows the cycling characteristics of Li ion secondary battery charging / discharging using the electrode of Ni / NiO. Ni/NiOの電極を用いたLiイオン二次電池のクーロン効率特性を示す図である。It is a figure which shows the Coulomb efficiency characteristic of the Li ion secondary battery using the electrode of Ni / NiO. Ni/NiOの電極を用いたLiイオン二次電池の電流密度と容量の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the current density of a Li ion secondary battery using the electrode of Ni / NiO, and a capacity | capacitance. aとbはNi/ Co3O4のコアシェル電極のSEM像である。a and b are SEM images of Ni / Co 3 O 4 core-shell electrodes. Ni/ Co3O4の電極を用いたリチウム二次電池充・放電のサイクル特性を示す図である。It is a diagram showing the cycle characteristics of the lithium secondary battery charging and discharging using an electrode of Ni / Co 3 O 4. aとbはNi/ Fe2O3のコアシェル電極のSEM像である。a and b are SEM images of Ni / Fe 2 O 3 core-shell electrodes. Ni/ Fe2O3の電極を用いたリチウム二次電池充・放電のサイクル特性を示す図である。It is a diagram showing the cycle characteristics of the lithium secondary battery charging and discharging using an electrode of Ni / Fe 2 O 3.

Claims (13)

ニッケルメッシュ上に、酸化ニッケル、酸化コバルトおよび酸化鉄からなる群から選択された、メソポーラスナノ結晶からなる遷移金属酸化物被膜を形成し、ニッケルメッシュの隙間に電解液及びイオンの拡散経路としての機能を持たせたことを特徴とするリチウムイオン二次電池用電極。 On a nickel mesh, nickel oxide, selected from the group consisting of cobalt oxide and iron oxide, a transition metal oxide composed of mesoporous nanocrystalline film is formed, as a diffusion path of the electrolyte solution and ions in the gap nickel mesh An electrode for a lithium ion secondary battery characterized by having a function . ニッケルメッシュは、50〜400メッシュを備えていることを特徴とする請求項1記載のリチウムイオン二次電池用電極。   The electrode for a lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein the nickel mesh has 50 to 400 mesh. 2〜50nmのナノ粒子と2〜50nmのメソポアから構成されていることを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池用電極。 Lithium ion secondary battery electrode according to claim 1 or 2, characterized in that it consists mesopores of nanoparticles and 2 to 50 nm of 2 to 50 nm. 20〜300m2/gのBET比表面積を備えていることを特徴とする請求項1〜のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池用電極。 The electrode for a lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 3 , comprising a BET specific surface area of 20 to 300 m 2 / g. ニッケルメッシュ上に、酸化ニッケル、酸化コバルトおよび酸化鉄からなる群から選択された、メソポーラスナノ結晶からなる遷移金属酸化物の被膜を形成し、ニッケルメッシュの隙間に電解液及びイオンの拡散経路としての機能を持たせたことを特徴とするリチウムイオン二次電池用電極の製造方法であって、
50〜400メッシュのニッケルメッシュ上に直接、上記遷移金属水酸化物を析出させ、これを熱分解することにより、メソポーラスナノ結晶遷移金属酸化物被膜を前記ニッケルメッシュ上に形成することを特徴とするリチウムイオン二次電池用電極の製造方法。
On the nickel mesh, a transition metal oxide film made of mesoporous nanocrystals selected from the group consisting of nickel oxide, cobalt oxide and iron oxide is formed, and the electrolyte mesh and ion diffusion paths are formed in the gaps of the nickel mesh. A method for producing an electrode for a lithium ion secondary battery characterized by having a function,
50 to 400 mesh directly on a nickel mesh, to precipitate a hydroxide of the transition metal, by this thermal decomposition, and characterized by forming a mesoporous nanocrystalline transition metal oxide coating on the nickel mesh A method for manufacturing an electrode for a lithium ion secondary battery.
50〜400メッシュのニッケルメッシュ上に直接ニッケル水酸化物を析出させ、これを熱分解することにより、メソポーラスナノ結晶酸化ニッケル被膜を前記ニッケルメッシュ上に形成することを特徴とする、請求項5に記載のリチウムイオン二次電池用電極の製造方法。 6. The mesoporous nanocrystalline nickel oxide film is formed on the nickel mesh by directly depositing nickel hydroxide on a 50-400 mesh nickel mesh and thermally decomposing it. The manufacturing method of the electrode for lithium ion secondary batteries of description . Ni(CH3COO)2・4H2Oを水/メタノールの混合溶液に溶解させ、これにニッケルメッシュを浸漬して該ニッケルメッシュ上にテンプレート膜である層状ニッケル水酸化物酢酸塩を形成し、さらにこれを熱処理することによってメソポーラスナノ結晶酸化ニッケル被膜を前記ニッケルメッシュ上に形成することを特徴とする、請求項5に記載のリチウムイオン二次電池用電極の製造方法。 Ni (CH 3 COO) 2 · 4H 2 O is dissolved in a mixed solution of water / methanol, and a nickel mesh is immersed in the nickel mesh to form a layered nickel hydroxide acetate as a template film on the nickel mesh, 6. The method for producing an electrode for a lithium ion secondary battery according to claim 5, wherein a mesoporous nanocrystalline nickel oxide coating is further formed on the nickel mesh by heat-treating the same. 50〜400メッシュのニッケルメッシュ上に直接コバルト水酸化物を析出させ、これを熱分解することにより、メソポーラスナノ結晶酸化コバルト被膜を前記ニッケルメッシュ上に形成することを特徴とする、請求項5に記載のリチウムイオン二次電池用電極の製造方法。 The mesoporous nanocrystalline cobalt oxide film is formed on the nickel mesh by directly depositing a cobalt hydroxide on a 50-400 mesh nickel mesh and thermally decomposing it. The manufacturing method of the electrode for lithium ion secondary batteries of description . Co(CH3COO)2・4H2Oを水/メタノールの混合溶液に溶解させ、これにニッケルメッシュを浸漬して該ニッケルメッシュ上にテンプレート膜である層状コバルト水酸化物酢酸塩を形成し、さらにこれを熱処理することによってメソポーラスナノ結晶酸化コバルト被膜を前記ニッケルメッシュ上に形成することを特徴とする、請求項5に記載のリチウムイオン二次電池用電極の製造方法。 Co (CH 3 COO) 2 · 4H 2 O is dissolved in a mixed solution of water / methanol, and a nickel mesh is immersed therein to form a layered cobalt hydroxide acetate salt as a template film on the nickel mesh. The method for producing an electrode for a lithium ion secondary battery according to claim 5, wherein a mesoporous nanocrystalline cobalt oxide film is further formed on the nickel mesh by heat treatment. 50〜400メッシュのニッケルメッシュ上に直接鉄(III)水酸化物或いは鉄(III)酸化水酸化物(FeOOH)を析出させ、これを熱分解することにより、メソポーラスナノ結晶酸化鉄(III)被膜を前記ニッケルメッシュ上に形成することを特徴とする、請求項5に記載のリチウムイオン二次電池用電極の製造方法。 A mesoporous nanocrystalline iron (III) oxide film is formed by directly depositing iron (III) hydroxide or iron (III) oxide hydroxide (FeOOH) on a 50-400 mesh nickel mesh and thermally decomposing it. The method for manufacturing an electrode for a lithium ion secondary battery according to claim 5, wherein the electrode is formed on the nickel mesh. Fe(NO3)3・9H2Oを、尿素を加えた水/メタノールの混合溶液に溶解させ、これにニッケルメッシュを浸漬して該ニッケルメッシュ上にテンプレート膜である鉄(III)水酸化物或いは鉄(III)酸化水酸化物(FeOOH)を形成し、これをさらに、300℃にて10分間熱処理を行うことによって、多孔質ナノ結晶酸化鉄(Fe2O3)を前記ニッケルメッシュ上に形成することを特徴とする、請求項5に記載のリチウムイオン二次電池用電極の製造方法。 Fe (NO 3 ) 3 · 9H 2 O is dissolved in a water / methanol mixed solution to which urea is added, and a nickel mesh is immersed in this, and the iron (III) hydroxide as a template film is formed on the nickel mesh. Alternatively, iron (III) oxide hydroxide (FeOOH) is formed, and this is further subjected to heat treatment at 300 ° C. for 10 minutes, whereby porous nanocrystalline iron oxide (Fe 2 O 3 ) is deposited on the nickel mesh. The method for producing an electrode for a lithium ion secondary battery according to claim 5, wherein the electrode is formed. 請求項1〜のいずれかに記載する電極を用いた二次電池であって、充電又は放電レートが10A/gである場合の充電又は放電のエネルギー密度が、充電又は放電レートが0.1A/gである時の5割以上を保つことを特徴とする前記二次電池。 A secondary battery using the electrode according to any one of claims 1 to 4 , wherein the charge or discharge energy density when the charge or discharge rate is 10 A / g is 0.1 A or less. The secondary battery is characterized by maintaining at least 50% of the amount of / g. 請求項1〜のいずれかに記載する電極を用いた二次電池において、充電又は放電レートが10A/gである場合の充電又は放電のエネルギー密度が、充電又は放電レートが0.1A/gである時の7割以上を保つことを特徴とする前記二次電池。 The secondary battery using the electrode according to any one of claims 1 to 4 , wherein the charge or discharge energy density when the charge or discharge rate is 10 A / g, the charge or discharge rate is 0.1 A / g. The secondary battery is characterized by maintaining at least 70% of the above.
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