JP5050346B2 - Water-based lithium secondary battery - Google Patents

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Description

本発明は、電解液としてリチウム塩を水に溶解してなる水系電解液を含有する水系リチウム二次電池に関する。   The present invention relates to an aqueous lithium secondary battery containing an aqueous electrolytic solution obtained by dissolving a lithium salt in water as an electrolytic solution.

非水系電解液を用いたリチウム二次電池は、高電圧・高エネルギー密度が得られ、小型・軽量化が図れるため、パソコンや携帯電話等の情報通信機器の関連分野ではすでに実用化されている。また、リチウム二次電池は、資源問題や環境問題に対応するため、電気自動車やハイブリッド電気自動車に搭載される電源への展開が期待されている。   Lithium secondary batteries using non-aqueous electrolytes have already been put to practical use in the fields related to information and communication equipment such as personal computers and mobile phones because they can achieve high voltage and high energy density, and can be reduced in size and weight. . In addition, lithium secondary batteries are expected to expand to power sources mounted on electric vehicles and hybrid electric vehicles in order to cope with resource problems and environmental problems.

一般に、非水系のリチウム二次電池は、正極活物質としてのリチウム遷移金属複合酸化物と、負極活物質としての炭素材料と、有機溶媒にリチウム塩を溶解してなる非水電解液とを組み合わせて構成されている(特許文献1及び2参照)。
具体的には、正極活物質としては、例えばLiCoO2、LiNiO2、及びLiMn24等が用いられており、これらの活物質は、金属Liに対して3.5〜4.3Vの電位範囲で使用されている。また、負極活物質としては炭素材料等が用いられており、1〜0.1V程度の電位範囲で使用されている。非水系のリチウム二次電池においては、このような正極活物質と負極活物質とを組み合わせて、単セルにおいて3〜4V級の高い起電力を発揮できる。
Generally, a non-aqueous lithium secondary battery is a combination of a lithium transition metal composite oxide as a positive electrode active material, a carbon material as a negative electrode active material, and a non-aqueous electrolyte obtained by dissolving a lithium salt in an organic solvent. (See Patent Documents 1 and 2).
Specifically, for example, LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 and the like are used as the positive electrode active material, and these active materials have a potential of 3.5 to 4.3 V with respect to the metal Li. Used in range. Moreover, a carbon material etc. are used as a negative electrode active material, and it is used in the electric potential range of about 1-0.1V. In a non-aqueous lithium secondary battery, a high electromotive force of 3 to 4 V class can be exhibited in a single cell by combining such a positive electrode active material and a negative electrode active material.

しかし、非水系のリチウム二次電池には、次のような問題が指摘されている。
即ち、非水系のリチウム二次電池は、電解液として、引火性を有し、揮発性の高い有機溶媒等の非水系電解液を含有しているため、常に引火や爆発の危険性を有している。特に、例えば過充電による過熱や、圧力上昇及び衝撃による電池の破損等が起こったときの安全性に問題がある。
このような問題は、特に電気自動車やハイブリッド車等のように大型の電池を必要とする用途においては致命的であると考えられている。また、自動車用電源として用いると、使用温度や充放電サイクルの面でも過酷な条件で使用されることとなり、引火や爆発の危険性がより高くなると考えられている。
However, the following problems have been pointed out for non-aqueous lithium secondary batteries.
In other words, non-aqueous lithium secondary batteries are flammable as electrolytes and contain non-aqueous electrolytes such as highly volatile organic solvents, so there is always a risk of ignition or explosion. ing. In particular, there is a problem in safety when, for example, overheating due to overcharging or damage to the battery due to pressure increase or impact occurs.
Such a problem is considered to be fatal particularly in an application requiring a large battery such as an electric vehicle or a hybrid vehicle. Further, when used as a power source for automobiles, it is used under severe conditions in terms of operating temperature and charge / discharge cycle, and it is considered that the risk of ignition and explosion becomes higher.

また、非水系のリチウム二次電池においては、その製造工程において徹底したドライ環境を維持する必要があり、水分を完全に除去するために特殊な設備と多大な労力を要している。そのため、製造コストが高くなってしまうという問題がある。このような観点からも、非水系のリチウム二次電池は、特に電気自動車用の二次電池をにらんだ将来の量産化に対応し難いという問題があった。   In addition, in a non-aqueous lithium secondary battery, it is necessary to maintain a thorough dry environment in the manufacturing process, and special equipment and a great deal of labor are required to completely remove moisture. Therefore, there exists a problem that manufacturing cost will become high. Also from such a viewpoint, the non-aqueous lithium secondary battery has a problem that it is difficult to cope with mass production in the future, particularly in view of a secondary battery for an electric vehicle.

一方、電解液として水溶液を用いた水系リチウム二次電池がある(特許文献3〜5参照)。水系リチウム二次電池は、電解液に有機溶媒を含有していないため、基本的には燃えることはない。また、製造工程においてドライ環境を必要としないため、製造にかかるコストを大幅に減少させることができる。さらに、水溶液電解液は非水系電解液に比べて一般的に導電性が高いため、水系リチウム二次電池は、非水系のリチウム二次電池に比べて内部抵抗が低くなるという利点がある。しかしその反面、水系リチウム二次電池においては、水の電気分解反応が起こらない電位範囲での使用が求められるため、起電力が非水系のリチウム二次電池比べて低くなる。   On the other hand, there is an aqueous lithium secondary battery using an aqueous solution as an electrolytic solution (see Patent Documents 3 to 5). Since the aqueous lithium secondary battery does not contain an organic solvent in the electrolytic solution, it basically does not burn. In addition, since a dry environment is not required in the manufacturing process, manufacturing costs can be significantly reduced. Furthermore, since aqueous electrolytes generally have higher conductivity than non-aqueous electrolytes, water-based lithium secondary batteries have the advantage of lower internal resistance than non-aqueous lithium secondary batteries. However, on the other hand, water-based lithium secondary batteries are required to be used in a potential range where no electrolysis reaction of water occurs, so that the electromotive force is lower than that of non-aqueous lithium secondary batteries.

したがって、水系リチウム二次電池においては、高電圧即ち高エネルギー密度を犠牲として、安全性、コスト、及び低内部抵抗が確保される。そのため、水系リチウム二次電池は、高エネルギー密度、即ち軽くて小さいことを重視する携帯機器等の用途には向かないが、比較的コストを重視し、大型の電池が必要とされる電気自動車やハイブリッド電気自動車、ひいては家庭用分散電源等の用途に適することが予想される。   Therefore, in the water based lithium secondary battery, safety, cost, and low internal resistance are ensured at the expense of high voltage, that is, high energy density. For this reason, water-based lithium secondary batteries are not suitable for applications such as portable devices that emphasize high energy density, that is, light and small, but are relatively cost-conscious and require electric vehicles that require large batteries. It is expected to be suitable for applications such as hybrid electric vehicles and eventually household distributed power supplies.

これまでに、水系リチウム二次電池としては、リン酸鉄リチウム等の正極活物質をアルミニウム、ステンレス、チタン等からなる正極集電体に密着させてなる正極、及びリチウムバナジウム酸化物等の負極活物質をそれぞれアルミニウム、ステンレス、チタン等からなる負極集電体に密着させてなる負極を含有する電池が開発されている(特許文献3〜5参照)。特に、アルミニウムからなる正極集電体及び負極集電体は、大きなガス発生過電圧を有するため、起電力の大きな電池を構成することができる。そのため、アルミニウムは、上記水系リチウム二次電池の集電体材料として特に好適に用いられていた。   To date, water-based lithium secondary batteries include positive electrodes in which a positive electrode active material such as lithium iron phosphate is adhered to a positive electrode current collector made of aluminum, stainless steel, titanium, or the like, and negative electrode active materials such as lithium vanadium oxide. A battery containing a negative electrode formed by adhering a substance to a negative electrode current collector made of aluminum, stainless steel, titanium or the like has been developed (see Patent Documents 3 to 5). In particular, since a positive electrode current collector and a negative electrode current collector made of aluminum have a large gas generation overvoltage, a battery having a large electromotive force can be formed. Therefore, aluminum has been particularly suitably used as a current collector material for the water based lithium secondary battery.

しかしながら、アルミニウムからなる集電体は、アルカリ性の水溶液電解液中で溶解してしまうおそれがある。そのため、アルミニウムからなる集電体を用いた水系リチウム二次電池においては、水溶液電解液のpHがアルカリ性にならないように制御する必要があった。ところが、一般に、水系リチウム二次電池においては、負極活物質として、その容量の大きさや水溶液中での安定性を生かしてリチウムバナジウム酸化物等のバナジウム化合物が好適に用いられており、このような負極活物質においては、充放電により水溶液電解液中にバナジウムが溶出し易く、その結果、水溶液電解液のpHがアルカリ性に傾きやすいという問題があった。そのため、水溶液電解液のpHの制御は困難であり、アルミニウムからなる集電体を用いた水系リチウム二次電池においては、アルミニウムが溶解し易く、容量や充放電効率等の電池性能が劣化し易いという問題があった   However, the current collector made of aluminum may be dissolved in an alkaline aqueous electrolyte. For this reason, in an aqueous lithium secondary battery using a current collector made of aluminum, it is necessary to control the pH of the aqueous electrolyte so that it does not become alkaline. However, in general, in a water based lithium secondary battery, a vanadium compound such as lithium vanadium oxide is preferably used as a negative electrode active material taking advantage of its capacity and stability in an aqueous solution. In the negative electrode active material, there is a problem that vanadium is easily eluted in the aqueous electrolyte solution by charging and discharging, and as a result, the pH of the aqueous electrolyte solution tends to be alkaline. Therefore, it is difficult to control the pH of the aqueous electrolyte, and in a water-based lithium secondary battery using a current collector made of aluminum, aluminum is easily dissolved, and battery performance such as capacity and charge / discharge efficiency is likely to deteriorate. There was a problem

特開平8−78054号公報JP-A-8-78054 特開平11−238527号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-238527 特表平9−508490号公報JP-T 9-508490 特開2000−77073号公報JP 2000-77073 A 特開2002−110221号公報JP 2002-110221 A

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたものであって、充放電効率が高く、アルカリ性の水溶液電解液中においても高い充放電効率を発揮することができる水系リチウム二次電池を提供しようとするものである。   The present invention has been made in view of such conventional problems, and provides an aqueous lithium secondary battery having high charge / discharge efficiency and capable of exhibiting high charge / discharge efficiency even in an alkaline aqueous electrolyte. It is something to try.

本発明は、正極と、負極と、リチウム塩を水に溶解してなる水溶液電解液とを有し、Liイオンを可動イオンとするロッキングチェア型の水系リチウム二次電池において、
上記水溶液電解液は、そのpHが4〜12の範囲にあり、
上記正極は、正極活物質を含有する正極合材を正極集電体に結着してなり、
上記正極活物質は、LiFePO4を基本組成とするオリビン構造のリン酸鉄リチウムを主成分とし、
上記正極集電体は、ニッケルもしくはニッケルを主成分とするニッケル合金からなり、
上記負極は、負極活物質を含有する負極合材を負極集電体に結着してなり、
上記負極活物質は、リチウムバナジウム酸化物を主成分とし、
上記負極集電体は、ステンレス鋼からなることを特徴とする水系リチウム二次電池にある(請求項1)。
The present invention includes a positive electrode, a negative electrode, and an aqueous electrolyte solution obtained by dissolving a lithium salt in water, and a rocking chair type aqueous lithium secondary battery using Li ions as movable ions.
The aqueous electrolyte solution has a pH in the range of 4 to 12,
The positive electrode is formed by binding a positive electrode mixture containing a positive electrode active material to a positive electrode current collector,
The positive electrode active material is mainly composed of lithium iron phosphate having an olivine structure having a basic composition of LiFePO 4 ,
The positive electrode current collector, Ri Do nickel alloy mainly composed of nickel or nickel,
The negative electrode is formed by binding a negative electrode mixture containing a negative electrode active material to a negative electrode current collector,
The negative electrode active material is composed mainly of lithium vanadium oxide,
The negative electrode current collector is an aqueous lithium secondary battery characterized by comprising stainless steel (Claim 1).

本発明の水系リチウム二次電池において、ニッケルもしくはニッケルを主成分とするニッケル合金からなる上記正極集電体は、電子電導性が高い。そのため、上記水系リチウム二次電池は、高い充放電効率を示すことができる。また、アルカリ性の上記水溶液電解液中において、上記正極集電体が溶解してしまうことを防止することができる。そのため、上記水系リチウム二次電池は、より広範囲のpHの水溶液電解液中において、安定に充放電を行うことができる。   In the water based lithium secondary battery of the present invention, the positive electrode current collector made of nickel or a nickel alloy containing nickel as a main component has high electronic conductivity. Therefore, the water based lithium secondary battery can exhibit high charge / discharge efficiency. In addition, the positive electrode current collector can be prevented from being dissolved in the alkaline aqueous electrolyte solution. Therefore, the aqueous lithium secondary battery can be stably charged and discharged in an aqueous electrolyte solution having a wider pH range.

ところで、一般に、水系リチウム二次電池においては、水の電気分解が起こらない電位範囲で作動させる必要があり、水の電気分解電圧から計算すると、起電力は1.2V程度が限界である。しかし、ガスの発生を伴う電気分解に関しては、ガス発生過電圧が存在し、実際には理論的な分解電位を越えてもガスの発生が起こらないか、又は発生しても極めて少ない状態が存在する。よって、水系リチウム二次電池においても、現実には電気分解してガスが発生するには過電圧が必要であるため、1.2Vを越える電池を構成することができる。   By the way, in general, in a water based lithium secondary battery, it is necessary to operate in a potential range in which electrolysis of water does not occur. When calculated from the electrolysis voltage of water, the electromotive force is limited to about 1.2V. However, with regard to electrolysis with gas generation, there is a gas generation overvoltage, and in fact, gas generation does not occur even if the theoretical decomposition potential is exceeded, or there are very few states even if it occurs. . Therefore, even in the water-based lithium secondary battery, an overvoltage is actually required in order to generate gas by electrolysis, so that a battery exceeding 1.2 V can be configured.

本発明の水系リチウム二次電池において、ニッケルもしくはニッケル合金からなる上記正極集電体は、比較的大きなガス発生過電圧を示すことができる。そのため、水の理論的な電気分解電位よりも高い電位で正極を動作させることができる。その結果、上記水系リチウム二次電池は、上記正極集電体から酸素ガスを発生することなく、比較的高い電池電圧を発揮することができる。   In the aqueous lithium secondary battery of the present invention, the positive electrode current collector made of nickel or a nickel alloy can exhibit a relatively large gas generation overvoltage. Therefore, the positive electrode can be operated at a potential higher than the theoretical electrolysis potential of water. As a result, the water based lithium secondary battery can exhibit a relatively high battery voltage without generating oxygen gas from the positive electrode current collector.

このように、本発明によれば、充放電効率が高く、アルカリ性の水溶液電解液中においても高い充放電効率を発揮することができる水系リチウム二次電池を提供することができる。   Thus, according to the present invention, it is possible to provide an aqueous lithium secondary battery that has high charge / discharge efficiency and can exhibit high charge / discharge efficiency even in an alkaline aqueous electrolyte solution.

次に、本発明の好ましい実施の形態について、説明する。
上記水系リチウム二次電池は、例えば、リチウムを吸蔵・放出する正極及び負極と、これらの間に狭装されるセパレータと、正極及び負極間でリチウムを移動させる水溶液電解液等を主要構成要素として構成することができる。
上記正極活物質は、LiFePO4を基本組成とするオリビン構造のリン酸鉄リチウムを主成分とする。上述の「〜を基本組成とする」とは、その組成式で表される組成のものだけでなく、結晶構造におけるLi、Fe等のサイトの一部を他の元素で置換したものも含むことを意味する。さらに、化学量論組成のものだけでなく、Li等の一部の元素が欠損等した非化学量論組成のものも含むことを意味する。
Next, a preferred embodiment of the present invention will be described.
The water-based lithium secondary battery includes, for example, a positive electrode and a negative electrode that occlude / release lithium, a separator that is sandwiched between them, an aqueous electrolyte that moves lithium between the positive electrode and the negative electrode, and the like as main components. Can be configured.
The positive electrode active material is mainly composed of lithium iron phosphate having an olivine structure having a basic composition of LiFePO 4 . The above-mentioned “having a basic composition” includes not only the composition represented by the composition formula but also those obtained by substituting a part of sites such as Li and Fe in the crystal structure with other elements. Means. Furthermore, it means not only those having a stoichiometric composition but also those having a non-stoichiometric composition in which some elements such as Li are deficient.

正極は、例えば上記正極活物質に導電材及び結着材を混合し、必要に応じて適当な溶剤を加えてペースト状にした正極合材を、ニッケルもしくはニッケルを主成分とするニッケル合金からなる上記正極集電体の表面に塗布、乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮することにより形成することができる。   The positive electrode is made of nickel or a nickel alloy containing nickel as a main component, for example, a positive electrode mixture in which a conductive material and a binder are mixed with the positive electrode active material, and an appropriate solvent is added as necessary. It can be formed by applying and drying on the surface of the positive electrode current collector, and compressing to increase the electrode density as necessary.

上記導電材は、正極の電気伝導性を確保するためのものであり、例えばカーボンブラック、アセチレンブラック、天然黒鉛、人造黒鉛、コークス類等の炭素物質粉末状体の1種又は2種以上を混合したものを用いることができる。   The conductive material is for ensuring the electrical conductivity of the positive electrode. For example, one or more of carbon powder materials such as carbon black, acetylene black, natural graphite, artificial graphite, and coke are mixed. Can be used.

上記結着材は、活物質粒子及び導電材粒子を繋ぎ止める役割を果たすものであり、例えばポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、或いはポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート等の熱可塑性樹脂、もしくはポリアクリロニトリル系高分子等を用いることができる。また、水系バインダーであるセルロース系やスチレンブタジエンゴムの水分散体等を用いることもできる。
これら活物質、導電材、結着材を分散させる溶剤としては、例えばN−メチル−2−ピロリドン等の有機溶剤を用いることができる。
The binder serves to bind the active material particles and the conductive material particles. For example, a fluorine-containing resin such as polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, or fluororubber, or polypropylene, polyethylene, polyethylene terephthalate, or the like. A thermoplastic resin or a polyacrylonitrile-based polymer can be used. In addition, an aqueous dispersion of a cellulose-based or styrene-butadiene rubber that is an aqueous binder can also be used.
As a solvent for dispersing these active material, conductive material, and binder, for example, an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone can be used.

また、負極は、上記正極の場合と同様に、例えば負極活物質に導電材や結着材を混合し、必要に応じて適当な溶剤を加えてペースト状にした負極合材を、ステンレス鋼(SUS)メッシュ、アルミニウム箔、ニッケル箔等からなる負極集電体の表面に塗布乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮することにより形成することができる。   Similarly to the positive electrode, the negative electrode is made of, for example, a negative electrode active material mixed with a conductive material or a binder, and an appropriate solvent is added as necessary to form a paste. It can be formed by applying and drying on the surface of a negative electrode current collector made of SUS) mesh, aluminum foil, nickel foil or the like, and then compressing to increase the electrode density as necessary.

また、上記負極は、負極活物質を含有する負極合材を負極集電体に結着してなり、該負極集電体は、ニッケルもしくはニッケルを主成分とするニッケル合金からなることが好ましい
この場合には、上記水系リチウム二次電池の充放電効率をより一層向上させることができる。
The negative electrode is preferably formed by binding a negative electrode mixture containing a negative electrode active material to a negative electrode current collector, and the negative electrode current collector is preferably made of nickel or a nickel alloy containing nickel as a main component .
In this case, the charge / discharge efficiency of the water based lithium secondary battery can be further improved.

また、上記負極活物質としては、上記正極活物質よりも低い電位でLiの挿入・脱離が起こる物質を用いることができる。このような物質は、サイクリックボルタンメトリー測定によって調べることができる。具体的には、例えば次のようにして調べることができる。   In addition, as the negative electrode active material, a material in which Li insertion / desorption occurs at a lower potential than the positive electrode active material can be used. Such materials can be examined by cyclic voltammetry measurements. Specifically, for example, it can be examined as follows.

即ち、まず、負極活物質の候補となる所望の物質と導電材と結着剤とを混合して混合粉末を作製し、SUSメッシュ上に圧着して試料極を作製する。次いで、飽和LiNO3水溶液等の評価用の電解液、銀塩化銀電極等の参照極、白金ワイヤー等(φ0.3×5;コイル状)の対極を用いて、サイクリックボルタンメトリーを行う。測定は3極式のビーカーセルを用いて、一定のスキャン速度で行うことができる。得られるサイクリックボルタモグラムにおいて、上記正極活物質よりも高電位で可逆性を示す物質を負極活物質として用いることができる。 That is, first, a desired material that is a candidate for a negative electrode active material, a conductive material, and a binder are mixed to prepare a mixed powder, and then pressed onto a SUS mesh to prepare a sample electrode. Next, cyclic voltammetry is performed using an electrolytic solution for evaluation such as a saturated LiNO 3 aqueous solution, a reference electrode such as a silver-silver chloride electrode, and a counter electrode such as platinum wire (φ0.3 × 5; coiled). The measurement can be performed at a constant scanning speed using a tripolar beaker cell. In the obtained cyclic voltammogram, a substance that is reversible at a higher potential than the positive electrode active material can be used as the negative electrode active material.

このような負極活物質としては、例えばバナジウム、鉄、チタン、又はマンガン等の金属の酸化物、これらの金属の水酸化物、又はこれらの金属とリチウムとの複合酸化物等がある。より具体的には、バナジウムの酸化物としては、VO2等があり、バナジウムとリチウムとの複合酸化物としては、LiV38、LiV24等がある。 Examples of such a negative electrode active material include oxides of metals such as vanadium, iron, titanium, and manganese, hydroxides of these metals, and composite oxides of these metals and lithium. More specifically, the oxide of vanadium includes VO 2 and the like, and the composite oxide of vanadium and lithium includes LiV 3 O 8 and LiV 2 O 4 and the like.

好ましくは、上記負極活物質は、LiV24を基本組成とするスピネル構造のリチウムバナジウム酸化物を主成分とすることがよい
この場合には、LiV24を基本組成とする上記リチウムバナジウム酸化物が有する酸化還元電位が低いという特徴を生かして、上記水系リチウム二次電池の起電力をより向上させることができる。また、充放電容量を向上させることができる。
また、上記リチウムバナジウム酸化物においては、バナジウム(V)が上記水溶液電解液中に溶出して該水溶液電解液のpHをアルカリ性側にシフトさせるおそれがあるが、上記水系リチウム二次電池においては、上述のごとくアルカリ性の上記水溶液電解液中においても上記正極集電体が安定であるため、負極活物質として上記リチウムバナジウム酸化物を好適に用いることができる。即ち、上記負極活物質として、上記リチウムバナジウム酸化物を用いた場合には、起電力及び充放電容量を向上させることができることに加えて、アルカリ性の水溶液電解液中においても優れた充放電効率を発揮できるという本発明の作用効果をより顕著に発揮させることができる。
Preferably, the negative electrode active material is mainly composed of a lithium vanadium oxide having a spinel structure having LiV 2 O 4 as a basic composition .
In this case, the electromotive force of the aqueous lithium secondary battery can be further improved by taking advantage of the low redox potential of the lithium vanadium oxide having a basic composition of LiV 2 O 4 . In addition, the charge / discharge capacity can be improved.
Further, in the lithium vanadium oxide, vanadium (V) may elute into the aqueous electrolyte solution and shift the pH of the aqueous electrolyte solution to the alkaline side. However, in the aqueous lithium secondary battery, As described above, since the positive electrode current collector is stable even in the alkaline aqueous electrolyte solution, the lithium vanadium oxide can be suitably used as the negative electrode active material. That is, when the lithium vanadium oxide is used as the negative electrode active material, in addition to being able to improve electromotive force and charge / discharge capacity, excellent charge / discharge efficiency can be obtained even in an alkaline aqueous electrolyte. The effect of the present invention that it can be exhibited can be exhibited more remarkably.

上記負極活物質に混合して用いることができる上記導電材としては、上記正極の場合と同様の上記炭素物質粉末状体を用いることができる。また、結着材としては、上記正極と同様に、含フッ素樹脂、熱可塑性樹脂、ポリアクリロニトリル系高分子、水系バインダー等を用いることができる。負極活物質、導電材、及び結着材を分散させる溶剤としては、例えばN−メチル−2−ピロリドン等の有機溶剤を用いることができる。   As the conductive material that can be used by mixing with the negative electrode active material, the same carbon material powder as in the case of the positive electrode can be used. As the binder, a fluorine-containing resin, a thermoplastic resin, a polyacrylonitrile-based polymer, a water-based binder, or the like can be used as in the positive electrode. As a solvent for dispersing the negative electrode active material, the conductive material, and the binder, for example, an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone can be used.

また、正極及び負極に狭装させるセパレータは、正極と負極とを分離し水溶液電解液を保持するものであり、例えばセルロース、ポリエチレン、ポリプロピレン等の薄い微多孔膜等を用いることができる。   Moreover, the separator to be narrowly attached to the positive electrode and the negative electrode is for separating the positive electrode and the negative electrode and holding the aqueous electrolyte solution. For example, a thin microporous film such as cellulose, polyethylene, or polypropylene can be used.

また、上記水系リチウム二次電池は、電解液としてリチウム塩を水に溶解してなる水溶液電解液を有する。
上記リチウム塩としては、例えばLiNO3、LiOH、LiCl、及びLi2S等がある。これらのリチウム塩は、それぞれ単独で用いることもできるが、2種以上を併用することもできる。
Moreover, the said water-system lithium secondary battery has aqueous solution electrolyte solution formed by melt | dissolving lithium salt in water as electrolyte solution.
Examples of the lithium salt include LiNO 3 , LiOH, LiCl, and Li 2 S. These lithium salts can be used alone or in combination of two or more.

また、上記水溶液電解液は、そのpHが4〜12の範囲にある。
上記水溶液電解液のpHが4未満の場合には、上記正極活物質の主成分である上記リン酸鉄リチウムが不安定となり、電池の容量が低下するおそれがある。また、充放電サイクル特性が劣化し、充放電を繰り返すことによる容量の低下が大きくなるおそれがある。一方、pHが12を超える場合には、水の電気分解電位、即ち水素発生電位及び酸素発生電位が低下するため、正極で酸素が発生し易くなるおそれがある。より好ましくは、上記水溶液電解液のpHは6〜10がよい。
The aqueous electrolyte solution has a pH in the range of 4-12.
When the pH of the aqueous electrolyte solution is less than 4, the lithium iron phosphate, which is the main component of the positive electrode active material, becomes unstable, and the battery capacity may be reduced. In addition, the charge / discharge cycle characteristics may be deteriorated, and the capacity may be greatly reduced due to repeated charge / discharge. On the other hand, when the pH exceeds 12, since the electrolysis potential of water, that is, the hydrogen generation potential and the oxygen generation potential are lowered, oxygen may be easily generated at the positive electrode. More preferably, the pH of the aqueous electrolyte solution is 6-10.

また、上記水系リチウム二次電池の形状としては、例えばコイン型、円筒型、角型等がある。正極、負極、セパレータ及び水溶液電解液等を収容する電池ケースとしては、これらの形状に対応したものを用いることができる。
上記水系リチウム二次電池は、例えば上記正極と上記負極との間に上記セパレータを狭装してなる電極体を、所定の形状の電池ケースに収納し、上記正極集電体及び上記負極集電体を、リード線を介して正極外部端子及び負極外部端に電気的に接続し、上記電極体に上記水溶液電解液を含浸させて、電池ケースを密閉することにより作製することができる。
Examples of the shape of the water based lithium secondary battery include a coin shape, a cylindrical shape, and a square shape. As the battery case that accommodates the positive electrode, the negative electrode, the separator, the aqueous electrolyte, and the like, those corresponding to these shapes can be used.
The aqueous lithium secondary battery includes, for example, an electrode body in which the separator is sandwiched between the positive electrode and the negative electrode in a battery case having a predetermined shape, and the positive electrode current collector and the negative electrode current collector. The body can be electrically connected to the positive electrode external terminal and the negative electrode external end via lead wires, the electrode body is impregnated with the aqueous electrolyte solution, and the battery case is sealed.

(実施例1)
本例は、水系リチウム二次電池用の集電体として好適な金属を調べる例である。具体的には、Ni箔、Al箔、Pt箔、Ti箔、SUS箔、Cu箔を試験電極として3極式のビーカーセルを作製し、サイクリックボルタンメトリー測定を行う。
即ち、まず、試験電極として、Ni箔、Al箔、Pt箔、Ti箔、SUS箔、Cu箔を準備した。各試験電極は、20mm×20mmの箔状である。また、評価用の電解液として飽和LiNO3水溶液を準備し、さらに参照極として銀塩化銀(AgCl/Ag)電極を、対極として白金ワイヤー(φ0.3×5mm;コイル状)をそれぞれ準備した。
Example 1
In this example, a metal suitable as a current collector for an aqueous lithium secondary battery is examined. Specifically, a tripolar beaker cell is prepared using Ni foil, Al foil, Pt foil, Ti foil, SUS foil, and Cu foil as test electrodes, and cyclic voltammetry measurement is performed.
That is, first, Ni foil, Al foil, Pt foil, Ti foil, SUS foil, and Cu foil were prepared as test electrodes. Each test electrode has a foil shape of 20 mm × 20 mm. In addition, a saturated LiNO 3 aqueous solution was prepared as an electrolytic solution for evaluation, a silver-silver chloride (AgCl / Ag) electrode was prepared as a reference electrode, and a platinum wire (φ0.3 × 5 mm; coiled) was prepared as a counter electrode.

次いで、電解液を入れた容器内に、試験電極と対極とをこれらが対向するように配置すると共に、試験電極と対極との間に参照極を配置して3極式のビーカーセルを作製した。このようにして、Ni箔、Al箔、Pt箔、Ti箔、SUS箔、又はCu箔を試験電極とする6種類のビーカーセルを作製した。
次いで、各ビーカーセルにおいて、試験電極と対極との間に電圧を印加した。電圧の印加は、サイクリックボルタンメトリーにより、スキャン速度(電位掃引速度)2mV/sec(参照極との電位差)で電位を掃引し、試験電極の電位(参照極との電位差)を−1.3V〜最大2.0Vの範囲で変化させるサイクルを1サイクルとし、このサイクルを合計3サイクル実施することにより行った。そして、このときの電流値をモニターした。その結果を図1に示す。
Next, a test electrode and a counter electrode are arranged in a container containing an electrolyte so that they face each other, and a reference electrode is arranged between the test electrode and the counter electrode to produce a tripolar beaker cell. . In this manner, six types of beaker cells were produced using Ni foil, Al foil, Pt foil, Ti foil, SUS foil, or Cu foil as test electrodes.
Next, in each beaker cell, a voltage was applied between the test electrode and the counter electrode. The voltage is applied by sweeping the potential at a scan speed (potential sweep speed) of 2 mV / sec (potential difference from the reference electrode) by cyclic voltammetry, and the potential of the test electrode (potential difference from the reference electrode) is set to -1.3 V to One cycle was changed in the range of 2.0 V at the maximum, and this cycle was carried out by performing a total of 3 cycles. The current value at this time was monitored. The result is shown in FIG.

図1において、電流値(縦軸)が0から正の方向にシフトする電位(横軸)が酸素ガスの発生電位である。また、電流値(縦軸)が0から負の方向にシフトする電位(横軸)が水素ガスの発生電位である。同図から知られるごとく、ニッケル箔は、白金箔及びアルミニウム箔に次いで酸素発生電位が高い、即ち酸素ガス発生過電圧が大きいことがわかる。白金は非常に高価であり、また、アルミニウムはアルカリ性の水溶液中で溶出してしまうため、水溶液電解液を有する水系リチウム二次電池における正極集電体としては、ニッケルからなる集電体が好ましいことがわかる。また、ニッケル箔は、水素ガス発生過電圧についても、アルミニウムを除くと、他の集電体と大差がないため、負極集電体として用いることもできる。
上記のごとく、ニッケルが比較的大きなガス発生過電圧を有する理由は明らかではないが、大気中で表面が不動態化されることがその一因であると考えられる。なお、この不動態膜は非常に薄く、集電体上にとふされ他活物質はその後の電極成形時の加圧等によりその不動態膜を突き破るため、活物質の集電に際しては問題ないと考えられる。
In FIG. 1, the potential at which the current value (vertical axis) shifts from 0 to the positive direction (horizontal axis) is the generation potential of oxygen gas. A potential at which the current value (vertical axis) shifts from 0 to a negative direction (horizontal axis) is a hydrogen gas generation potential. As can be seen from the figure, the nickel foil has the second highest oxygen generation potential after the platinum foil and the aluminum foil, that is, the oxygen gas generation overvoltage is large. Since platinum is very expensive and aluminum is eluted in an alkaline aqueous solution, a positive electrode current collector in an aqueous lithium secondary battery having an aqueous electrolyte solution is preferably a nickel current collector. I understand. Further, the nickel foil can be used as a negative electrode current collector because it is not much different from other current collectors except for aluminum in terms of hydrogen gas generation overvoltage.
As described above, the reason why nickel has a relatively large gas generation overvoltage is not clear, but it is thought that the reason is that the surface is passivated in the atmosphere. Note that this passive film is very thin, and other active materials are passed over the current collector and break through the passive film by pressurization during the subsequent electrode molding, so there is no problem in collecting the active material. it is conceivable that.

また、本例においては、ニッケル箔からなる集電体に活物質としてのLiFePO4を密着させてなる試験電極を作製し、該試験電極を用いた3極式のビーカーセルを作製した。
具体的には、まず、以下のようにしてオリビン構造のLiFePO4を合成した。
即ち、まず、シュウ酸鉄・二水和物(FeC24・2H2O)、リン酸二水素アンモニウム((NH4)2HPO4)、及び水酸化リチウム(LiOH・H2O)を準備した。次いで、シュウ酸鉄とリン酸二水素アンモニウムと水酸化リチウムとを、組成式LiFePO4の化学量論比にしたがって配合し、自動乳鉢を用いて30分間混合した。得られた混合物をアルゴンガス雰囲気下で温度350℃で5時間仮焼した。その後、自動乳鉢で30分間混合し、さらにアルゴン雰囲気下で温度650℃で6時間焼成することにより、オリビン構造のLiFePO4を得た。
Further, in this example, a test electrode was produced by bringing LiFePO 4 as an active material into close contact with a current collector made of nickel foil, and a tripolar beaker cell using the test electrode was produced.
Specifically, first, LiFePO 4 having an olivine structure was synthesized as follows.
That is, first, iron oxalate dihydrate (FeC 2 O 4 .2H 2 O), ammonium dihydrogen phosphate ((NH 4 ) 2 HPO 4 ), and lithium hydroxide (LiOH.H 2 O) Got ready. Next, iron oxalate, ammonium dihydrogen phosphate, and lithium hydroxide were blended according to the stoichiometric ratio of the composition formula LiFePO 4 and mixed for 30 minutes using an automatic mortar. The resulting mixture was calcined at 350 ° C. for 5 hours under an argon gas atmosphere. Thereafter, the mixture was mixed for 30 minutes in an automatic mortar, and further baked at a temperature of 650 ° C. for 6 hours under an argon atmosphere, thereby obtaining LiFePO 4 having an olivine structure.

次に、活物質としてのLiFePO4100重量部と、導電剤としてのアセチレンブラック11.8重量部と、結着材としてのポリフッ化ビニリデン(呉羽化学工業製の商品名「KFポリマー」)5.9重量部とを混合し、さらに溶剤としてのN−メチル−2−ピロリドン60〜80重量部を加えて混練してペースト状の電極合材を作製した。次いで、この電極合材10mgをニッケル箔からなる集電体上に圧着して試験電極を作製した。また、評価用の電解液として濃度3mol/LのLiNO3水溶液を準備し、さらに参照極として銀塩化銀(AgCl/Ag)電極を、対極として白金ワイヤー(φ0.3×5mm;コイル状)をそれぞれ準備した。 Next, 100 parts by weight of LiFePO 4 as an active material, 11.8 parts by weight of acetylene black as a conductive agent, and polyvinylidene fluoride as a binder (trade name “KF polymer” manufactured by Kureha Chemical Industries) 9 parts by weight was mixed, and 60-80 parts by weight of N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent was further added and kneaded to prepare a paste-like electrode mixture. Next, 10 mg of this electrode mixture was pressure-bonded onto a current collector made of nickel foil to prepare a test electrode. In addition, an LiNO 3 aqueous solution having a concentration of 3 mol / L was prepared as an electrolytic solution for evaluation, a silver-silver chloride (AgCl / Ag) electrode as a reference electrode, and a platinum wire (φ0.3 × 5 mm; coiled) as a counter electrode. Prepared each.

続いて、電解液を入れた容器内に、試験電極と対極とをこれらが対向するように配置すると共に、試験電極と対極との間に参照極を配置して3極式のビーカーセルを作製した。次いで、試験電極と対極との間に電圧を印加した。電圧の印加は、サイクリックボルタンメトリーにより、スキャン速度(電位掃引速度)2mV/sec(参照極との電位差)で電位を掃引し、試験電極の電位(参照極との電位差)を−0.4V〜最大1.3Vの範囲で変化させるサイクルを1サイクルとし、このサイクルを合計3サイクル実施することにより行った。そして、このときの電流値をモニターした。その結果を図2に示す。   Subsequently, a test electrode and a counter electrode are arranged in a container containing an electrolytic solution so that they face each other, and a reference electrode is arranged between the test electrode and the counter electrode to produce a tripolar beaker cell. did. Next, a voltage was applied between the test electrode and the counter electrode. The voltage is applied by sweeping the potential at a scanning speed (potential sweep speed) of 2 mV / sec (potential difference from the reference electrode) by cyclic voltammetry, and the potential of the test electrode (potential difference from the reference electrode) is -0.4V to One cycle was changed in the range of 1.3 V at the maximum, and this cycle was performed by performing a total of 3 cycles. The current value at this time was monitored. The result is shown in FIG.

図2により知られるごとく、ニッケルからなる集電体にオリビン構造のLiFePO4からなる活物質を密着させた試験電極は、0.3V〜1.0Vという電位範囲において、可逆的に大量のLiの挿入及び脱離を起こすことができる。また、上述の図1よりしられるごとく、ニッケルからなる集電体は、約1.4Vまでほとんど酸素ガスを発生しない。よって、ニッケルからなる集電体にLiFePO4からなる正極活物質を密着させた正極は、水系リチウム二次電池に好適であることがわかる。 As is known from FIG. 2, a test electrode in which an active material made of LiFePO 4 having an olivine structure is in close contact with a current collector made of nickel has a reversible amount of Li in a potential range of 0.3 V to 1.0 V. Insertion and detachment can occur. Further, as shown in FIG. 1 described above, the nickel current collector hardly generates oxygen gas up to about 1.4V. Therefore, it can be seen that a positive electrode in which a positive electrode active material made of LiFePO 4 is adhered to a current collector made of nickel is suitable for an aqueous lithium secondary battery.

(実施例2)
本例は、正極集電体にNi箔を用いた水系リチウム二次電池を作製し、その充放電効率について評価する例である。本例においては、水系リチウム二次電池として、ポリエチレン製の袋を電池ケースとして有する簡易電池セルを用いて評価を行う。
図3に示すごとく、本例の水系リチウム二次電池1は、Liイオンを可動イオンとするロッキングチェア型の電池であり、正極2と、負極3と、リチウム塩を水に溶解してなる水溶液電解液とを有する。水溶液電解液のpHは4〜12の範囲にある。正極2は、オリビン構造のリン酸鉄リチウム(LiFePO4)正極活物質を含有する正極合材をニッケルからなる正極集電体に結着してなる。
また、負極3は、スピネル構造のリチウムバナジウム酸化物(LiV24)を主成分とする負極活物質を負極集電体に結着してなる。
(Example 2)
In this example, a water based lithium secondary battery using a Ni foil as a positive electrode current collector is produced and its charge / discharge efficiency is evaluated. In this example, evaluation is performed using a simple battery cell having a polyethylene bag as a battery case as a water based lithium secondary battery.
As shown in FIG. 3, the aqueous lithium secondary battery 1 of this example is a rocking chair type battery using Li ions as movable ions, and an aqueous solution formed by dissolving a positive electrode 2, a negative electrode 3, and a lithium salt in water. An electrolyte solution. The pH of the aqueous electrolyte is in the range of 4-12. The positive electrode 2 is formed by binding a positive electrode mixture containing a lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) positive electrode active material having an olivine structure to a positive electrode current collector made of nickel.
The negative electrode 3 is formed by binding a negative electrode active material mainly composed of spinel lithium vanadium oxide (LiV 2 O 4 ) to a negative electrode current collector.

また、同図に示すごとく、本例の水系リチウム二次電池1は、正極2及び負極3を、これらの間にセパレータ4を狭んだ状態でポリエチレン製の袋からなる電池ケース5に入れてなる簡易電池セルである。なお、図3においては、図面作成の便宜のため正極2、負極3、及びセパレータ4を互いにずらして示してあるが、実際には、正極2及び負極3が互いに接触することを防止するために、セパレータ4は完全に両者を隔てるように、両者の間に挿入されている。   Further, as shown in the figure, the aqueous lithium secondary battery 1 of this example has a positive electrode 2 and a negative electrode 3 placed in a battery case 5 made of a polyethylene bag with a separator 4 sandwiched therebetween. This is a simple battery cell. In FIG. 3, the positive electrode 2, the negative electrode 3, and the separator 4 are illustrated as being shifted from each other for the convenience of drawing, but in actuality, in order to prevent the positive electrode 2 and the negative electrode 3 from contacting each other. The separator 4 is inserted between the two so as to completely separate them.

次に、本例の水系リチウム二次電池の製造方法につき、説明する。
まず、正極活物質及び負極活物質を作製し、これらを用いて正極及び負極を作製した。
正極活物質としては、実施例1と同様にして、オリビン構造のリン酸鉄リチウム(LiFePO4)を作製した。このLiFePO4(正極活物質)と、アセチレンブラック(導電材)と、ポリフッ化ビニリデン(結着材)と、N−メチル−2−ピロリドン(溶剤)とを実施例1と同様の割合で配合し、ペースト状の正極合材を作製した。
次いで、正極合材10mgをニッケル箔からなる厚み20μmの正極集電体の片面に塗工して乾燥させた。その後、ロールプレスで高密度化させ、裁断、タブ部のはぎ取りを行うことにより、図3に示すごとく、幅20mm、長さ20mmの正極合材の塗布部分にタブ部25が突き出たような形状の正極2を作製した。なお、正極活物質の付着量は、片面当たり、7.0mg/cm2程度とした。
Next, the manufacturing method of the water based lithium secondary battery of this example will be described.
First, a positive electrode active material and a negative electrode active material were produced, and a positive electrode and a negative electrode were produced using these.
As the positive electrode active material, olivine-structured lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) was produced in the same manner as in Example 1. This LiFePO 4 (positive electrode active material), acetylene black (conductive material), polyvinylidene fluoride (binder), and N-methyl-2-pyrrolidone (solvent) are blended in the same proportions as in Example 1. A paste-like positive electrode mixture was prepared.
Next, 10 mg of the positive electrode mixture was applied to one side of a 20 μm-thick positive electrode current collector made of nickel foil and dried. After that, by densifying with a roll press, cutting, and stripping the tab part, as shown in FIG. 3, the shape that the tab part 25 protrudes to the application part of the positive electrode mixture with a width of 20 mm and a length of 20 mm as shown in FIG. A positive electrode 2 was prepared. In addition, the adhesion amount of the positive electrode active material was about 7.0 mg / cm 2 per side.

次に、負極活物質として、スピネル構造のリチウムバナジウム酸化物(LiV24)を以下のようにして合成した。
即ち、まず、炭酸リチウム(Li2CO3)と、五酸化バナジウム(V25)とを、LiV24となるような化学量論比にて配合し自動乳鉢で20分間混合した。この混合物100重量部に対し、炭素粉末であるケッチェンブラック(東海カーボン製のTB−5500)を2重量部添加し、さらに自動乳鉢で20分間混合した。次いで、得られた混合物を、アルゴン気流中で温度750℃で24時間焼成し、急冷させてLiV24を得た。
Next, a spinel structure lithium vanadium oxide (LiV 2 O 4 ) was synthesized as a negative electrode active material as follows.
That is, first, lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) and vanadium pentoxide (V 2 O 5 ) were blended in a stoichiometric ratio so as to be LiV 2 O 4 and mixed in an automatic mortar for 20 minutes. To 100 parts by weight of the mixture, 2 parts by weight of carbon powder ketjen black (TB-5500, manufactured by Tokai Carbon) was added and further mixed for 20 minutes in an automatic mortar. Next, the obtained mixture was baked at a temperature of 750 ° C. for 24 hours in an argon stream and quenched to obtain LiV 2 O 4 .

このLiV24(負極活物質)100重量部と、アセチレンブラック(導電材)11.8重量部と、ポリフッ化ビニリデン(結着材)5.9重量部と、N−メチル−2−ピロリドン(溶剤)60〜80重量部とを配合し、ペースト状の負極合材を作製した。次いで、負極合材10mgをSUS340からなる厚み20μmの負極集電体の片面に塗工して乾燥させた。その後、上述の正極の場合と同様に、ロールプレスで高密度化させ、裁断、タブ部のはぎ取りを行うことにより、図3に示すごとく、幅20mm、長さ20mmの負極合材の塗布部分にタブ部35が突き出たような形状の負極3を作製した。なお、負極活物質の付着量は、片面当たり7.0mg/cm2程度とした。 100 parts by weight of this LiV 2 O 4 (negative electrode active material), 11.8 parts by weight of acetylene black (conductive material), 5.9 parts by weight of polyvinylidene fluoride (binder), and N-methyl-2-pyrrolidone (Solvent) 60-80 parts by weight were blended to prepare a paste-like negative electrode mixture. Next, 10 mg of a negative electrode mixture was applied to one side of a 20 μm-thick negative electrode current collector made of SUS340 and dried. After that, as in the case of the positive electrode described above, by densifying with a roll press, cutting, and stripping the tab part, as shown in FIG. 3, the negative electrode composite material having a width of 20 mm and a length of 20 mm is applied to the application part. A negative electrode 3 having a shape such that the tab portion 35 protruded was produced. In addition, the adhesion amount of the negative electrode active material was about 7.0 mg / cm 2 per side.

次に、図3に示すごとく、上記のようにして作製した正極2及び負極3をセルロース系のセパレータ4を介して対向させ、ポリエチレン製の袋からなる電池ケース5に入れた。そして、さらに水溶液電解液としての濃度3mol/Lの硝酸リチウム水溶液(pH=7.0)をセパレータ4が完全に含浸する程度に入れ、クリップ(図示略)で、電池ケース5としての袋の上部をとめた。このようにして、水系リチウム二次電池1を作製した。これを電池E1とする。   Next, as shown in FIG. 3, the positive electrode 2 and the negative electrode 3 produced as described above were opposed to each other through a cellulose-based separator 4 and placed in a battery case 5 made of a polyethylene bag. Further, a lithium nitrate aqueous solution (pH = 7.0) having a concentration of 3 mol / L as an aqueous electrolyte solution is added to such an extent that the separator 4 is completely impregnated. I stopped. In this way, an aqueous lithium secondary battery 1 was produced. This is referred to as a battery E1.

また、本例においては、上記電池E1の負極集電体をNi箔からなる集電体に変えた水系リチウム二次電池を作製した。これを参考用電池Xとする。
参考用電池Xは、負極集電体を厚み20μmのNi箔に変えた点を除いては、上記電池E1と同様にして作製した電池である。
In this example, a water based lithium secondary battery in which the negative electrode current collector of the battery E1 was changed to a current collector made of Ni foil was produced. This is designated as a reference battery X.
The reference battery X is a battery produced in the same manner as the battery E1 except that the negative electrode current collector was changed to a 20 μm thick Ni foil.

また、本例においては、電解液として、pH12の水溶液電解液を含有する水系リチウム二次電池を作製した。これを電池E3とする。電池E3の水溶液電解液は、電池E1において電解液として用いたpH7の飽和硝酸リチウム水溶液に、LiOHを加えてそのpHを12に調整することにより作製した。電池E3は、水溶液電解液として、pH12の電解液を用いた点を除いては、上記電池E1と同様にして作製した電池である。   In this example, an aqueous lithium secondary battery containing an aqueous electrolyte solution having a pH of 12 was prepared as the electrolyte solution. This is designated as battery E3. The aqueous electrolyte solution of the battery E3 was prepared by adding LiOH to the saturated lithium nitrate aqueous solution of pH 7 used as the electrolytic solution in the battery E1 and adjusting the pH to 12. The battery E3 is a battery produced in the same manner as the battery E1 except that an electrolyte solution having a pH of 12 was used as the aqueous electrolyte solution.

さらに、本例においては、比較用として、Ni箔以外の金属からなる正極集電体を用いた6種類の水系リチウム二次電池(電池C1〜電池C6)を作製した。
電池C1及び電池C2は、正極集電体として、アルミニウム箔を用いて作製した水系リチウム二次電池である。
電池C1は、正極集電体として厚み20μmのアルミニウム箔を用いた点を除いては、上記電池E1と同様にして作製した電池である。
また、電池C2は、正極集電体として厚み20μmのアルミニウム箔を用い、さらに水溶液電解液として、上記電池E3と同様のpH12の水溶液電解液を用いた点を除いては、上記電池E1と同様にして作製した電池である。
Further, in the present embodiment, as a ratio較用to prepare six types of aqueous lithium secondary battery using a positive electrode current collector made of a metal other than Ni foil (battery C1~ cell C6).
Battery C1 and battery C2 are water based lithium secondary batteries manufactured using aluminum foil as a positive electrode current collector.
The battery C1 is a battery produced in the same manner as the battery E1 except that an aluminum foil having a thickness of 20 μm was used as the positive electrode current collector.
The battery C2 is the same as the battery E1 except that an aluminum foil having a thickness of 20 μm is used as the positive electrode current collector and an aqueous electrolyte solution having a pH of 12 similar to the battery E3 is used as the aqueous electrolyte solution. The battery produced as described above.

次に、電池C3及び電池C4は、正極集電体として、SUS340箔を用いて作製した水系リチウム二次電池である。
電池C3は、正極集電体として厚み20μmのSUS340箔を用いた点を除いては、上記電池E1と同様にして作製した電池である。
また、電池C4は、正極集電体として厚み20μmのSUS340箔を用い、さらに水溶液電解液として、上記電池E3と同様のpH12の水溶液電解液を用いた点を除いては、上記電池E1と同様にして作製した電池である。
Next, the battery C3 and the battery C4 are water based lithium secondary batteries manufactured using SUS340 foil as a positive electrode current collector.
The battery C3 is a battery produced in the same manner as the battery E1 except that a SUS340 foil having a thickness of 20 μm was used as the positive electrode current collector.
The battery C4 is the same as the battery E1 except that a SUS340 foil having a thickness of 20 μm is used as the positive electrode current collector and an aqueous electrolyte solution having a pH of 12 similar to the battery E3 is used as the aqueous electrolyte solution. The battery produced as described above.

次に、電池C5及び電池C6は、正極集電体として、Ti箔を用いて作製した水系リチウム二次電池である。
電池C5は、正極集電体として厚み10μmのTi箔を用いた点を除いては、上記電池E1と同様にして作製した電池である。
また、電池C6は、正極集電体として厚み10μmのTi箔を用い、さらに水溶液電解液として、上記電池E3と同様のpH12の水溶液電解液を用いた点を除いては、上記電池E1と同様にして作製した電池である。
Next, the battery C5 and the battery C6 are water based lithium secondary batteries manufactured using a Ti foil as a positive electrode current collector.
The battery C5 is a battery produced in the same manner as the battery E1, except that a 10 μm thick Ti foil was used as the positive electrode current collector.
The battery C6 is the same as the battery E1 except that a 10 μm thick Ti foil is used as the positive electrode current collector and an aqueous electrolyte solution having a pH of 12 similar to the battery E3 is used as the aqueous electrolyte solution. The battery produced as described above.

次に、上記のようにして作製した各電池(電池E1、参考用電池X、電池E3及び電池C1〜電池C6)について、充放電試験を行った。
充放電試験は、温度20℃の条件下で、各電池を、それぞれ充電電流密度0.5mA/cm2の定電流で、充電上限電圧1.4Vまで充電させ、このときの充電容量を求めた。充電後、1分間休止させた後、放電電流密度0.5mA/cm2の定電流で、放電下限電圧0.1Vまで放電させ、このときの放電容量を求めた。なお、充電容量(mAh/g)は、充電電流値(mA)に、充電に要した時間(hr)を乗じて得られる値を、電池内の正極活物質LiFePO4の重量(g)で除することにより算出できる。同様に、放電容量(mAh/g)は、放電電流値(mA)に、放電に要した時間(hr)を乗じて得られる値を、電池内の正極活物質LiFePO4の重量(g)で除することにより算出できる。各電池の充電容量及び放電容量を表1に示す。
また、各電池の充電容量及び放電容量の結果から、充放電効率(%)=放電容量(mAh/g)/充電容量(mAh/g)×100という式に基づいて充放電効率を算出した。その結果を表1に示す。
Next, a charge / discharge test was performed on each of the batteries (battery E1 , reference battery X, battery E3, and batteries C1 to C6) manufactured as described above.
In the charge / discharge test, each battery was charged to a charge upper limit voltage of 1.4 V with a constant current of a charge current density of 0.5 mA / cm 2 under a temperature of 20 ° C., and the charge capacity at this time was determined. . After charging, after resting for 1 minute, the battery was discharged at a constant current of a discharge current density of 0.5 mA / cm 2 to a discharge lower limit voltage of 0.1 V, and the discharge capacity at this time was determined. The charging capacity (mAh / g) is obtained by dividing the value obtained by multiplying the charging current value (mA) by the time (hr) required for charging by the weight (g) of the positive electrode active material LiFePO 4 in the battery. This can be calculated. Similarly, the discharge capacity (mAh / g) is obtained by multiplying the discharge current value (mA) by the time (hr) required for discharge by the weight (g) of the positive electrode active material LiFePO 4 in the battery. It can be calculated by dividing. Table 1 shows the charge capacity and discharge capacity of each battery.
Moreover, charge / discharge efficiency was computed from the result of the charge capacity and discharge capacity of each battery based on the formula of charge / discharge efficiency (%) = discharge capacity (mAh / g) / charge capacity (mAh / g) × 100. The results are shown in Table 1.

Figure 0005050346
Figure 0005050346

表1より知られるごとく、正極集電体にNi箔を用いて作製した電池E1、参考用電池X、及び電池E3は、Ni以外の金属を正極集電体に用いた電池C1〜電池C6に比べて充放電効率が優れていることがわかる。また、参考用電池Xと電池E1とを比較すると、参考用電池Xは、電池E1よりも充放電効率が若干向上していることがわかる。これは、参考用電池Xにおいては、正極集電体だけでなく、負極集電体においても電子電導性に優れたニッケル箔を用いているためであると考えられる。また、電池E3においては、アルカリ性(pH=12)の電解液水溶液を用いているため、酸素発生過電圧が低下し、やや効率が低くなっている。しかしアルカリ性の水溶液電解液を含有し、他のAl、SUS340、及びTiからなる正極集電体を用いた電池C2、電池C4、電池C6に比べて、電池E3は、高い充放電効率を示した。
As is known from Table 1, the battery E1 , the reference battery X, and the battery E3 produced using Ni foil as the positive electrode current collector are batteries C1 to C6 that use a metal other than Ni as the positive electrode current collector. It can be seen that the charge / discharge efficiency is superior. Moreover, when the reference battery X and the battery E1 are compared, it can be seen that the charge / discharge efficiency of the reference battery X is slightly higher than that of the battery E1. This is presumably because the reference battery X uses a nickel foil excellent in electronic conductivity not only in the positive electrode current collector but also in the negative electrode current collector. Further, in the battery E3, since an alkaline (pH = 12) aqueous electrolyte solution is used, the oxygen generation overvoltage is lowered and the efficiency is slightly lowered. However, the battery E3 showed higher charge / discharge efficiency than the battery C2, the battery C4, and the battery C6 that contained an alkaline aqueous electrolyte and used other positive electrode current collectors made of Al, SUS340, and Ti. .

また、アルミニウム箔を正極集電体に用いた電池C1は、アルミニウム箔からなる正極集電体の高い酸素発生過電圧によって、最も高い充電容量が得られることがわかる。しかし、pHがアルカリ性にシフトすると容量及び充放電効率が大きく低下してしまう(表1の電池C2参照)。これに対し、ニッケルを正極集電体に用いた場合には、アルカリ性の水溶液電解液を用いた場合(電池E3)においても、容量の低下幅が小さく、高い充放電効率を示すことができる。   Further, it can be seen that the battery C1 using the aluminum foil as the positive electrode current collector can obtain the highest charge capacity due to the high oxygen generation overvoltage of the positive electrode current collector made of the aluminum foil. However, when the pH is shifted to alkaline, the capacity and charge / discharge efficiency are greatly reduced (see battery C2 in Table 1). On the other hand, when nickel is used for the positive electrode current collector, even when an alkaline aqueous electrolyte solution is used (battery E3), the decrease in capacity is small and high charge / discharge efficiency can be exhibited.

参考例
本例は、巻回式電極を有する18650型の円筒形状の電池を作製する例である。
図4に示すごとく、本例の水系リチウム二次電池6は、円筒型であり、正極61、負極62、セパレータ63、ガスケット64、及び電池ケース7等よりなっている。電池ケース7は、18650型の円筒形状の電池ケースであり、キャップ71及び外装缶72よりなる。電池ケース7内には、シート状の正極61及び負極62が、これらの間に挟んだセパレータ63と共に捲回した状態で配置されており、捲回式の電極が形成されている。
( Reference example )
In this example, an 18650 type cylindrical battery having a wound electrode is manufactured.
As shown in FIG. 4, the aqueous lithium secondary battery 6 of this example has a cylindrical shape, and includes a positive electrode 61, a negative electrode 62, a separator 63, a gasket 64, a battery case 7, and the like. The battery case 7 is a 18650-type cylindrical battery case, and includes a cap 71 and an outer can 72. In the battery case 7, a sheet-like positive electrode 61 and a negative electrode 62 are arranged in a state of being wound together with a separator 63 sandwiched therebetween, and a wound electrode is formed.

また、電池ケース7のキャップ71の内側には、ガスケット64が配置されており、電池ケース7の内部には、水溶液電解液が注入されている。
正極61及び負極62には、それぞれ正極集電リード611及び負極集電リード621が熔接により設けられている。正極集電リード611は、キャップ71側に配置された正極集電タブ612に熔接により接続されている。また、負極集電リード621は、外装缶72の底に配置された負極集電タブ622に熔接により接続されている。
また、水溶液電解液としては、飽和硝酸リチウム水溶液(pH≒7)を用いており、該水溶液電解液は電池ケース7内に注入されている。
Further, a gasket 64 is disposed inside the cap 71 of the battery case 7, and an aqueous electrolyte is injected into the battery case 7.
A positive electrode current collecting lead 611 and a negative electrode current collecting lead 621 are provided on the positive electrode 61 and the negative electrode 62 by welding, respectively. The positive electrode current collector lead 611 is connected to the positive electrode current collector tab 612 disposed on the cap 71 side by welding. Further, the negative electrode current collecting lead 621 is connected to the negative electrode current collecting tab 622 disposed at the bottom of the outer can 72 by welding.
Further, a saturated lithium nitrate aqueous solution (pH≈7) is used as the aqueous electrolyte solution, and the aqueous electrolyte solution is injected into the battery case 7.

本例の水気リチウム二次電池6の作製にあたっては、まず、実施例2の電池E1と同様にして、ペースト状の正極合材及び負極合材を作製した。即ち、正極合材は、正極活物質としてマンガンスピネル(LiFePO4)を含有し、負極合材は、負極活物質として、LiV24を含有する。この正極合材及び負極合材を、厚さ20μmのニッケル箔からなる正極集電体及び負極集電体の両面にそれぞれ塗布して、乾燥させた。その後、ロールプレスで高密度化させ、正極合材を塗布した正極集電体については、幅54mm、長さ500mmの形状に切り出し、負極合材を塗布した負極集電体については、幅56mm、長さ520mmの形状に切り出し、シート状の正極61及び負極62をそれぞれ作製した。 In producing the water-based lithium secondary battery 6 of this example, first, a paste-like positive electrode mixture and negative electrode mixture were produced in the same manner as the battery E1 of Example 2. That is, the positive electrode mixture contains manganese spinel (LiFePO 4 ) as the positive electrode active material, and the negative electrode mixture contains LiV 2 O 4 as the negative electrode active material. The positive electrode mixture and the negative electrode mixture were applied to both surfaces of a positive electrode current collector and a negative electrode current collector made of a nickel foil having a thickness of 20 μm, and dried. Thereafter, the positive electrode current collector is made dense with a roll press and coated with the positive electrode mixture, cut into a shape with a width of 54 mm and a length of 500 mm, and the negative electrode current collector coated with the negative electrode mixture with a width of 56 mm, The sheet was cut into a shape having a length of 520 mm, and a sheet-like positive electrode 61 and a negative electrode 62 were produced.

その後、正極61において正極合材を塗工した塗工部の端部から正極合材を一部削りとり、最終的な正極合材の塗工部の長さが450mmとなるようにした。また、負極についても、同様にして、負極における最終的な負極合材の塗工部の長さが500mmとなるようにした。
なお、正極活物質及び負極活物質の付着量は、片面当たり、それぞれ7mg/cm2程度とした。
Thereafter, a part of the positive electrode mixture was scraped off from the end of the coating portion where the positive electrode mixture was applied in the positive electrode 61 so that the final length of the coated portion of the positive electrode mixture was 450 mm. Similarly, for the negative electrode, the length of the coating portion of the final negative electrode mixture in the negative electrode was set to 500 mm.
In addition, the adhesion amount of the positive electrode active material and the negative electrode active material was about 7 mg / cm 2 for each side.

次に、上記のようにして得られたシート状の正極61及び負極62にそれぞれ正極集電リード611及び負極集電リード621を熔接した。次いで、正極61及び負極62を、これらの間に幅58mm、厚さ25μmのポリエチレン製のセパレータ63を挟んだ状態で捲回し、スパイラル状の捲回式電極を作製した。   Next, the positive electrode current collector lead 611 and the negative electrode current collector lead 621 were welded to the sheet-like positive electrode 61 and negative electrode 62 obtained as described above, respectively. Next, the positive electrode 61 and the negative electrode 62 were wound in a state where a polyethylene separator 63 having a width of 58 mm and a thickness of 25 μm was sandwiched between them, to produce a spiral wound electrode.

続いて、この捲回式電極を、外装缶72及びキャップ71よりなる18650型の円筒形状の電池ケース7に挿入した。このとき、電池ケース7のキャップ71側に配置した正極集電タブ612に、正極集電リード611を熔接により接続すると共に、外装缶72の底に配置した負極集電タブ622に負極集電リード621を熔接により接続した。   Subsequently, the wound electrode was inserted into an 18650-type cylindrical battery case 7 including an outer can 72 and a cap 71. At this time, the positive electrode current collecting lead 611 is connected to the positive electrode current collecting tab 612 disposed on the cap 71 side of the battery case 7 by welding, and the negative electrode current collecting lead is disposed on the negative electrode current collecting tab 622 disposed on the bottom of the outer can 72. 621 was connected by welding.

次に、電池ケース7内に、水溶液電解液としての飽和硝酸リチウム水溶液(pH≒7)を含浸させた。そして、キャップ71の内側にガスケット64を配置すると共に、キャップ71を外装缶72の開口部に配置した。続いて、キャップ71にかしめ加工を施すことにより電池ケース7を密閉し、水系リチウム二次電池6を作製した。   Next, the battery case 7 was impregnated with a saturated lithium nitrate aqueous solution (pH≈7) as an aqueous electrolyte solution. The gasket 64 was disposed inside the cap 71 and the cap 71 was disposed in the opening of the outer can 72. Subsequently, the battery case 7 was hermetically sealed by caulking the cap 71, and the aqueous lithium secondary battery 6 was produced.

本例の水系リチウム二次電池6は、実施例2の電池E1、参考用電池X、及び電池E3と同様に、ニッケル箔からなる正極集電体にLiFePO4からなる正極活物質を密着させた正極を有している。そのため、本例の水系リチウム二次電池6は、充放電効率が高く、アルカリ性の水溶液電解液中においても高い充放電効率を発揮することができる。 In the aqueous lithium secondary battery 6 of this example, as in the battery E1 , the reference battery X, and the battery E3 of Example 2, a positive electrode active material made of LiFePO 4 was adhered to a positive electrode current collector made of nickel foil. It has a positive electrode. Therefore, the aqueous lithium secondary battery 6 of this example has high charge / discharge efficiency, and can exhibit high charge / discharge efficiency even in an alkaline aqueous electrolyte solution.

実施例1にかかる、種々の金属からなる集電体の水溶液電解液中におけるサイクリックボルタモグラムを示す線図。The diagram which shows the cyclic voltammogram in the aqueous solution electrolyte of the collector which consists of various metals concerning Example 1. FIG. 実施例2にかかる、ニッケル箔からなる集電体にLiFePO4からなる活物質を密着させてなる電極のサイクリックボルタモグラムを示す線図。According to the second embodiment, the diagram showing a cyclic voltammogram of an electrode made in close contact with the active material composed of LiFePO 4 in a current collector made of nickel foil. 実施例2にかかる、水系リチウム二次電池(簡易電池セル)の構成を示す説明図。Explanatory drawing which shows the structure of the water based lithium secondary battery (simple battery cell) concerning Example 2. FIG. 参考例にかかる、水系リチウム二次電池(18650型の円筒型電池)の構成を示す説明図。Explanatory drawing which shows the structure of the water based lithium secondary battery (18650 type cylindrical battery) concerning a reference example .

符号の説明Explanation of symbols

1(6) 水系リチウム二次電池
2(61) 正極
3(62) 負極
4(63) セパレータ
1 (6) Aqueous lithium secondary battery 2 (61) Positive electrode 3 (62) Negative electrode 4 (63) Separator

Claims (1)

正極と、負極と、リチウム塩を水に溶解してなる水溶液電解液とを有し、Liイオンを可動イオンとするロッキングチェア型の水系リチウム二次電池において、
上記水溶液電解液は、そのpHが4〜12の範囲にあり、
上記正極は、正極活物質を含有する正極合材を正極集電体に結着してなり、
上記正極活物質は、LiFePO4を基本組成とするオリビン構造のリン酸鉄リチウムを主成分とし、
上記正極集電体は、ニッケルもしくはニッケルを主成分とするニッケル合金からなり、
上記負極は、負極活物質を含有する負極合材を負極集電体に結着してなり、
上記負極活物質は、リチウムバナジウム酸化物を主成分とし、
上記負極集電体は、ステンレス鋼からなることを特徴とする水系リチウム二次電池。
In a rocking chair type aqueous lithium secondary battery having a positive electrode, a negative electrode, and an aqueous electrolyte obtained by dissolving a lithium salt in water, and using Li ions as movable ions,
The aqueous electrolyte solution has a pH in the range of 4 to 12,
The positive electrode is formed by binding a positive electrode mixture containing a positive electrode active material to a positive electrode current collector,
The positive electrode active material is mainly composed of lithium iron phosphate having an olivine structure having a basic composition of LiFePO 4 ,
The positive electrode current collector, Ri Do nickel alloy mainly composed of nickel or nickel,
The negative electrode is formed by binding a negative electrode mixture containing a negative electrode active material to a negative electrode current collector,
The negative electrode active material is composed mainly of lithium vanadium oxide,
An aqueous lithium secondary battery , wherein the negative electrode current collector is made of stainless steel .
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