JP5159048B2 - Nonaqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、正極、負極および非水電解質からなる非水電解質二次電池に関する。 The present invention relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery including a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte.
現在、高エネルギー密度の二次電池として、非水電解質を使用し、リチウムイオンを正極と負極との間で移動させて充放電を行うようにした非水電解質二次電池が多く利用されている。 Currently, non-aqueous electrolyte secondary batteries that use a non-aqueous electrolyte and charge and discharge by moving lithium ions between the positive electrode and the negative electrode are widely used as secondary batteries with high energy density. .
このような非水電解質二次電池において、一般に正極としてコバルト酸リチウム(LiCoO2 )等のリチウム遷移金属複合酸化物が用いられ、負極としてリチウムの吸蔵および放出が可能な炭素材料、リチウム金属、リチウム合金等が用いられている(例えば、特許文献1参照)。 In such a non-aqueous electrolyte secondary battery, a lithium transition metal composite oxide such as lithium cobaltate (LiCoO 2 ) is generally used as the positive electrode, and a carbon material capable of occluding and releasing lithium as the negative electrode, lithium metal, lithium An alloy or the like is used (for example, see Patent Document 1).
また、非水電解質として、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート等の有機溶媒に四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4 )、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6 )等の電解質塩を溶解させたものが使用されている。 In addition, a non-aqueous electrolyte in which an electrolyte salt such as lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ) or lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) is dissolved in an organic solvent such as ethylene carbonate or diethyl carbonate is used. ing.
近年、このような非水電解質二次電池が様々な携帯用機器の電源等として使用されているが、携帯機器の多機能化による消費電力の増加に伴って、さらに高いエネルギー密度の非水電解質二次電池が要望されている。 In recent years, such non-aqueous electrolyte secondary batteries have been used as power sources for various portable devices, etc., but with the increase in power consumption due to multifunctional portable devices, non-aqueous electrolytes with higher energy density Secondary batteries are desired.
また、非水電解質二次電池の用途の多様化により、コバルト(Co)よりも埋蔵量が豊富で安価な材料が待望されている。 In addition, diversification of uses of nonaqueous electrolyte secondary batteries has led to a demand for materials that are richer and less expensive than cobalt (Co).
このような材料として、マンガン酸リチウムが用いられている。マンガン酸リチウムを正極活物質として用いることにより、高いエネルギー密度が得られることが知られている。 As such a material, lithium manganate is used. It is known that a high energy density can be obtained by using lithium manganate as a positive electrode active material.
正極活物質にマンガン酸リチウムを用いた場合の放電反応は、下式に示すように2段階で起こる。下記式(1)の反応が4V(vs.Li/Li+ )付近の電圧で起こり、下記式(2)の反応が3V(vs.Li/Li+ )付近の電圧で起こる(例えば、非特許文献1参照)。 The discharge reaction when lithium manganate is used as the positive electrode active material occurs in two stages as shown in the following equation. The reaction of the following formula (1) occurs at a voltage near 4 V (vs. Li / Li + ), and the reaction of the following formula (2) occurs at a voltage near 3 V (vs. Li / Li + ) (for example, non-patent Reference 1).
Mn2 O4 +Li+ +e- →LiMn2 O4 ・・・・・・(1)
LiMn2 O4 +Li+ +e- →Li2 Mn2 O4 ・・・(2)
このように、LiMn2 O4 を正極活物質として用い、4V領域および3V領域の電圧を利用することによって、300mAh/gに近い大きな理論容量密度が得られる。
Mn 2 O 4 + Li + + e − → LiMn 2 O 4 (1)
LiMn 2 O 4 + Li + + e − → Li 2 Mn 2 O 4 (2)
Thus, a large theoretical capacity density close to 300 mAh / g can be obtained by using LiMn 2 O 4 as a positive electrode active material and utilizing voltages in the 4 V region and the 3 V region.
また、マンガン(Mn)はコバルトよりも埋蔵量が豊富で安価であるため、マンガン酸リチウムはコバルト酸リチウムに代わる正極活物質材料として望ましい。
しかしながら、マンガン酸リチウムを正極活物質として用いる場合、上式(1)の反応では、比較的良好な充放電サイクル特性が得られるが、上式(2)の反応では、正極活物質の結晶系(結晶構造)が立方晶系のLiMn2 O4 から正方晶系のLi2 Mn2 O4 へ変化するため、充放電サイクル特性が良好でないことが知られている。 However, when lithium manganate is used as the positive electrode active material, relatively good charge / discharge cycle characteristics can be obtained in the reaction of the above formula (1), but in the reaction of the above formula (2), the crystal system of the positive electrode active material is obtained. Since the (crystal structure) changes from cubic LiMn 2 O 4 to tetragonal Li 2 Mn 2 O 4 , it is known that the charge / discharge cycle characteristics are not good.
そのため、上式(1)の反応のみを用いた非水電解質二次電池の研究が盛んになされているが、上式(1)の反応のみを利用する非水電解質二次電池では、高いエネルギー密度を得ることができない。 Therefore, research on non-aqueous electrolyte secondary batteries using only the reaction of the above formula (1) has been actively conducted. However, non-aqueous electrolyte secondary batteries using only the reaction of the above formula (1) have high energy. The density cannot be obtained.
本発明の目的は、良好な充放電サイクル特性を得ることができるとともに、高いエネルギー密度を得ることが可能な非水電解質二次電池を提供することである。 An object of the present invention is to provide a nonaqueous electrolyte secondary battery capable of obtaining good charge / discharge cycle characteristics and obtaining a high energy density.
本発明に係る非水電解質二次電池は、正極活物質を含む正極と、負極と、非水電解質とを備え、満放電状態時において正極活物質は、正方晶系のLi2+xMn2−yMzO4+qを含み、xおよびqは−1よりも大きく1未満であり、yおよびzは0以上0.5以下であり、Mはクロム、鉄、コバルト、ニッケル、銅、アルミニウムおよびマグネシウムよりなる群から選択される1種または複数を含み、正極活物質の表面の少なくとも一部が、当該正極活物質の一次粒子の大きさよりも小さい一次粒子からなる被覆材料により覆われており、被覆材料は、リン酸鉄リチウムを含むものである。
The non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention includes a positive electrode including a positive electrode active material, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte, and the positive electrode active material is tetragonal Li 2 + x Mn 2-y in a fully discharged state. M z O 4 + q is included, x and q are greater than −1 and less than 1, y and z are 0 or more and 0.5 or less, and M is from chromium, iron, cobalt, nickel, copper, aluminum and magnesium One or more selected from the group consisting of at least part of the surface of the positive electrode active material is covered with a coating material composed of primary particles smaller than the size of the primary particles of the positive electrode active material, Includes lithium iron phosphate .
本発明に係る非水電解質二次電池においては、満放電状態時において正極活物質は正方晶系のLi2+x Mn2-y Mz O4+q を含み、この正極活物質の表面の少なくとも一部が、当該正極活物質の一次粒子の大きさよりも小さい一次粒子からなる被覆材料により覆われていることにより、正極活物質にマンガン酸リチウムを用いた場合に起こる下記式(1)および(2)の2段階の放電反応において良好な充放電サイクル特性を得ることが可能である。それにより、高いエネルギー密度を得ることができる。 In the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention, the positive electrode active material contains tetragonal Li 2 + x Mn 2 -y M z O 4 + q in the fully discharged state, and the surface of the positive electrode active material The following formula (1) which occurs when lithium manganate is used as the positive electrode active material by being at least partially covered with a coating material composed of primary particles smaller than the size of the primary particles of the positive electrode active material. Good charge / discharge cycle characteristics can be obtained in the two-stage discharge reaction of (2). Thereby, a high energy density can be obtained.
Mn2 O4 +Li+ +e- →LiMn2 O4 ・・・・・・(1)
LiMn2 O4 +Li+ +e- →Li2 Mn2 O4 ・・・(2)
被覆材料は、電子伝導性およびリチウムイオン伝導性の一方または両方を有してもよい。この場合、充放電反応時において正極活物質の電子伝導性が向上されること、または、リチウムイオンの吸蔵および放出が円滑に行われることが期待できる。それにより、充放電サイクル特性がより良好となる。
Mn 2 O 4 + Li + + e − → LiMn 2 O 4 (1)
LiMn 2 O 4 + Li + + e − → Li 2 Mn 2 O 4 (2)
The coating material may have one or both of electronic conductivity and lithium ion conductivity. In this case, it can be expected that the electron conductivity of the positive electrode active material is improved during the charge / discharge reaction, or that lithium ions are occluded and released smoothly. Thereby, charging / discharging cycle characteristics become better.
正極活物質の表面の少なくとも一部が、メカニカルミリング処理によって被覆材料により覆われてもよい。この場合、メカニカルミリング処理により短時間で正極活物質の表面の少なくとも一部を被覆材料により良好に覆うことが可能となる。 At least a part of the surface of the positive electrode active material may be covered with a coating material by a mechanical milling process. In this case, at least part of the surface of the positive electrode active material can be satisfactorily covered with the coating material in a short time by mechanical milling.
放電終止時においてリチウム金属を基準とする正極活物質の電位が2.8V以下であってもよい。この場合、上式(2)の放電反応を利用することができる。 The potential of the positive electrode active material based on lithium metal at the end of discharge may be 2.8 V or less. In this case, the discharge reaction of the above formula (2) can be used.
充電終止時においてリチウム金属を基準とする正極活物質の電位が4.2V以上であってもよい。この場合、上式(1)の放電反応を利用することができる。 The potential of the positive electrode active material based on lithium metal at the end of charging may be 4.2 V or higher. In this case, the discharge reaction of the above formula (1) can be used.
少なくとも一部の表面が被覆材料により覆われた正極活物質が400℃未満の温度で熱処理されてもよい。 The positive electrode active material having at least a part of the surface covered with the coating material may be heat-treated at a temperature lower than 400 ° C.
上記メカニカルミリング処理により正極活物質の表面の少なくとも一部を被覆材料により覆った場合、正極活物質の比表面積が大きくなってしまうことがある。そこで、メカニカルミリング処理により正極活物質の表面の少なくとも一部を被覆材料により覆った後、この正極活物質を400℃未満の温度で熱処理することにより、正極活物質の比表面積が減少し、優れた充放電サイクル特性を得ることができる正極活物質を生成することができる。 When at least a part of the surface of the positive electrode active material is covered with a coating material by the mechanical milling process, the specific surface area of the positive electrode active material may increase. Then, after covering at least a part of the surface of the positive electrode active material with a coating material by mechanical milling treatment, the specific surface area of the positive electrode active material is reduced by heat-treating the positive electrode active material at a temperature of less than 400 ° C. Thus, a positive electrode active material capable of obtaining charge / discharge cycle characteristics can be generated.
被覆材料は、炭素を含んでもよい。この場合、炭素を用いることにより正極活物質を覆い易くなり、炭素により覆われた正極活物質の導電性を向上できる。 The coating material may include carbon. In this case, it becomes easy to cover the positive electrode active material by using carbon, and the conductivity of the positive electrode active material covered with carbon can be improved.
最初の充放電を行う前段階における正極活物質は、表面の少なくとも一部が炭素により覆われた立方晶系のLiMn2 O4 を基本骨格とし、最初の充放電を行う前段階における負極は、満放電状態時において正極活物質の基本骨格が正方晶系のLi2 Mn2 O4 に変化するために十分なリチウムを含んでもよい。 The positive electrode active material in the stage before performing the first charge / discharge has a cubic LiMn 2 O 4 having a basic skeleton in which at least part of the surface is covered with carbon, and the negative electrode in the stage before the first charge / discharge is Sufficient lithium may be included so that the basic skeleton of the positive electrode active material changes to tetragonal Li 2 Mn 2 O 4 in a fully discharged state.
この場合、最初の充放電を行う前段階の正極活物質におけるリチウム含有量が比較的少なくても、満放電状態時において正極活物質の基本骨格が正方晶系のLi2 Mn2 O4 に変化するために十分なリチウムを含んだ負極を用いることにより、良好な充放電サイクル特性を得ることができる。 In this case, the basic skeleton of the positive electrode active material is changed to tetragonal Li 2 Mn 2 O 4 in the fully discharged state, even if the lithium content in the positive electrode active material in the stage before the first charge / discharge is relatively small. By using a negative electrode containing sufficient lithium for the purpose, good charge / discharge cycle characteristics can be obtained.
被覆材料は、リン酸鉄リチウムを含む。この場合、リン酸鉄リチウムを用いることにより正極活物質を覆い易くなり、リン酸鉄リチウムにより覆われた正極活物質の導電性を向上できる。
The coating material includes lithium iron phosphate. In this case, by using lithium iron phosphate, the positive electrode active material can be easily covered, and the conductivity of the positive electrode active material covered with lithium iron phosphate can be improved.
最初の充放電を行う前段階における正極活物質は、表面の少なくとも一部がリン酸鉄リチウムにより覆われた立方晶系のLiMn2 O4 を基本骨格とし、最初の充放電を行う前段階における負極は、満放電状態時において正極活物質の基本骨格が正方晶系のLi2 Mn2 O4 に変化するために十分なリチウムを含んでもよい。 The positive electrode active material in the stage before performing the first charge / discharge is based on cubic LiMn 2 O 4 having a cubic structure in which at least part of the surface is covered with lithium iron phosphate, and in the stage before the first charge / discharge. The negative electrode may contain sufficient lithium so that the basic skeleton of the positive electrode active material changes to tetragonal Li 2 Mn 2 O 4 in a fully discharged state.
この場合、最初の充放電を行う前段階の正極活物質におけるリチウム含有量が比較的少なくても、満放電状態時において正極活物質の基本骨格が正方晶系のLi2 Mn2 O4 に変化するために十分なリチウムを含んだ負極を用いることにより、良好な充放電サイクル特性を得ることができる。 In this case, the basic skeleton of the positive electrode active material is changed to tetragonal Li 2 Mn 2 O 4 in the fully discharged state, even if the lithium content in the positive electrode active material in the stage before the first charge / discharge is relatively small. By using a negative electrode containing sufficient lithium for the purpose, good charge / discharge cycle characteristics can be obtained.
本発明によれば、良好な充放電サイクル特性を得ることできるとともに、高いエネルギー密度を得ることが可能となる。 According to the present invention, good charge / discharge cycle characteristics can be obtained, and a high energy density can be obtained.
以下、本実施の形態に係る非水電解質二次電池について説明する。本実施の形態に係る非水電解質二次電池は、正極、負極および非水電解質により構成される。 Hereinafter, the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present embodiment will be described. The nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present embodiment includes a positive electrode, a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte.
(1)正極の作製
本実施の形態の正極活物質は、満放電状態において基本骨格として結晶系(結晶構造)が正方晶系のマンガン酸リチウム(Li2 Mn2 O4 )を含む。
(1) Production of positive electrode The positive electrode active material of the present embodiment includes lithium manganate (Li 2 Mn 2 O 4 ) having a tetragonal crystal system (crystal structure) as a basic skeleton in a fully discharged state.
ここで、上記の背景技術で説明したが、正極活物質にマンガン酸リチウムを用いた場合の放電反応は、下記式(1)および(2)に示すように2段階で起こる。 Here, as described in the background art above, the discharge reaction when lithium manganate is used as the positive electrode active material occurs in two stages as shown in the following formulas (1) and (2).
Mn2 O4 +Li+ +e- →LiMn2 O4 ・・・・・・(1)
LiMn2 O4 +Li+ +e- →Li2 Mn2 O4 ・・・(2)
また、正極活物質Li2 Mn2 O4 の表面の少なくとも一部が、当該正極活物質の一次粒子の大きさ(直径)よりも小さな一次粒子からなる材料(以下、被覆材料と称する)により覆われている。このように、正極活物質の一次粒子の大きさよりも小さな一次粒子を用いることにより、正極活物質の表面を覆い易くなる。
Mn 2 O 4 + Li + + e − → LiMn 2 O 4 (1)
LiMn 2 O 4 + Li + + e − → Li 2 Mn 2 O 4 (2)
Further, at least a part of the surface of the positive electrode active material Li 2 Mn 2 O 4 is covered with a material (hereinafter referred to as a coating material) composed of primary particles smaller than the size (diameter) of the primary particles of the positive electrode active material. It has been broken. Thus, it becomes easy to cover the surface of the positive electrode active material by using primary particles smaller than the size of the primary particles of the positive electrode active material.
なお、上式(2)の反応を起こさせるのに十分なリチウムを含んだ負極を用いるのであれば、正極活物質として用いることが可能であるのは上記Li2 Mn2 O4 に限定されるものではなく、結晶系が立方晶系のLiMn2 O4 を基本骨格とする正極活物質を用いることができる。この場合においても、正極活物質LiMn2 O4 の表面の少なくとも一部が、被覆材料により覆われている。 If a negative electrode containing enough lithium to cause the reaction of the above formula (2) is used, the Li 2 Mn 2 O 4 can be used as the positive electrode active material. Instead, a positive electrode active material having a cubic LiMn 2 O 4 crystal system as a basic skeleton can be used. Also in this case, at least a part of the surface of the positive electrode active material LiMn 2 O 4 is covered with the coating material.
上式(2)の反応を起こさせるのに十分なリチウムを含んだ負極としては、リチウム金属、リチウム−炭素層間化合物、またはリチウム合金等を用いることができる。 As the negative electrode containing lithium sufficient to cause the reaction of the above formula (2), lithium metal, a lithium-carbon intercalation compound, a lithium alloy, or the like can be used.
正方晶系のLi2 Mn2 O4 を基本骨格とする正極活物質の組成は、Li2+x Mn2-y Mz O4+q により表される。なお、−1<x<1、0≦y≦0.5、0≦z≦0.5、および−1<q<1であり、Mはクロム(Cr)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)およびマグネシウム(Mg)よりなる群から選択される1種または複数を含む。 The composition of the positive electrode active material having tetragonal Li 2 Mn 2 O 4 as a basic skeleton is represented by Li 2 + x Mn 2−y M z O 4 + q . Note that -1 <x <1, 0 ≦ y ≦ 0.5, 0 ≦ z ≦ 0.5, and −1 <q <1, and M is chromium (Cr), iron (Fe), cobalt (Co ), Nickel (Ni), copper (Cu), aluminum (Al), and magnesium (Mg).
また、立方晶系のLiMn2 O4 を基本骨格とする正極活物質の組成は、Li1-x Mn2-y Mz O4+q により表される。なお、0≦x≦1、0≦y≦0.5、0≦z≦0.5、および−1<q<1であり、Mはクロム、鉄、コバルト、ニッケル、銅、アルミニウムおよびマグネシウムよりなる群から選択される1種または複数を含む。 The composition of the positive electrode active material having cubic LiMn 2 O 4 as a basic skeleton is represented by Li 1-x Mn 2 -y Mz O 4 + q . In addition, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.5, 0 ≦ z ≦ 0.5, and −1 <q <1, and M is from chromium, iron, cobalt, nickel, copper, aluminum, and magnesium One or more selected from the group consisting of:
以下に、正極活物質を被覆材料により覆う方法および被覆材料の詳細について説明する。 Hereinafter, a method of covering the positive electrode active material with the coating material and details of the coating material will be described.
正極活物質を被覆材料により覆う方法の例として、メカニカルミリング処理、ハイブリダイゼーションシステムによる処理、摩砕機(固相反応機)による処理、回転流動装置による処理、およびレーザアブレーションシステムによる処理等のような物理的処理のほか、正極活物質と被覆材料とを焼成する処理、および正極活物質の出発原料と被覆材料の出発原料とを焼成する処理等のような化学的処理が挙げられる。本実施の形態においては、メカニカルミリング処理を行うことが好ましい。 Examples of methods for covering the positive electrode active material with a coating material include mechanical milling, treatment with a hybridization system, treatment with an attritor (solid phase reactor), treatment with a rotary flow device, treatment with a laser ablation system, etc. In addition to physical treatment, chemical treatment such as treatment for firing the positive electrode active material and the coating material, and treatment for firing the starting material for the positive electrode active material and the starting material for the coating material, and the like can be given. In the present embodiment, it is preferable to perform a mechanical milling process.
被覆材料は、電子伝導性およびリチウムイオン伝導性の一方または両方を有することが好ましい。このような性質を有する被覆材料を用いて正極活物質を覆うことによって、この正極活物質を非水電解質二次電池に用いた場合に、充放電反応時において正極活物質の電子伝導性が向上されること、または、リチウムイオンの吸蔵および放出が円滑に行われることが期待できる。それにより、充放電サイクル特性が良好となる。 The coating material preferably has one or both of electronic conductivity and lithium ion conductivity. By covering the positive electrode active material with a coating material having such properties, when this positive electrode active material is used in a non-aqueous electrolyte secondary battery, the electron conductivity of the positive electrode active material is improved during the charge / discharge reaction. Or occlusion and release of lithium ions can be expected to be performed smoothly. Thereby, charge / discharge cycle characteristics are improved.
電子伝導性およびリチウムイオン伝導性の一方または両方を有する被覆材料の例として以下のものが挙げられる。なお、下記の例から1種のみを用いてもよいし、複数のものを組み合わせて用いてもよい。 Examples of the coating material having one or both of electron conductivity and lithium ion conductivity include the following. In addition, only 1 type may be used from the following example and it may use it combining several things.
上記被覆材料の例として、炭素(C)、LiCoO2 およびLiNiO2 等の六方晶系(空間群R3mに帰属される結晶系)の遷移金属酸化物、ならびにLiMn2 O4 のようなスピネル構造を有する遷移金属酸化物が挙げられる。 Examples of the coating material include hexagonal crystal systems (crystal systems belonging to the space group R3m) such as carbon (C), LiCoO 2 and LiNiO 2 , and spinel structures such as LiMn 2 O 4. The transition metal oxide which has is mentioned.
また、他の被覆材料の例として、LiTi2 (PO4 )3 、Fe2 (SO4 )3 、Fe2 (MoO4 )3 、Fe2 (SO4 )2 (PO4 )、Li3 Fe2 (PO4 )3 、Li3 V2 (PO4 )3 、Li3 Fe2 (AsO4 )3 、TiNb(PO4 )3 、LiFeNb(PO4 )3 、Li2 FeTi(PO4 )3 、Li2 CrTi(PO4 )3 、Fe4 (P2 O7 )3 、Li1+x Alx Ti2-x (PO4 )3 (0≦x≦2)、Li1+x Scx Ti2-x (PO4 )3 (0≦x≦2)、およびLi3 M2 (PO4 )3 (Mは、イットリウム(Y)、またはランタン(La)を示す。)のようなNasicon系材料が挙げられる。 Examples of other coating materials include LiTi 2 (PO 4 ) 3 , Fe 2 (SO 4 ) 3 , Fe 2 (MoO 4 ) 3 , Fe 2 (SO 4 ) 2 (PO 4 ), Li 3 Fe 2. (PO 4 ) 3 , Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 , Li 3 Fe 2 (AsO 4 ) 3 , TiNb (PO 4 ) 3 , LiFeNb (PO 4 ) 3 , Li 2 FeTi (PO 4 ) 3 , Li 2 CrTi (PO 4 ) 3 , Fe 4 (P 2 O 7 ) 3 , Li 1 + x Al x Ti 2−x (PO 4 ) 3 (0 ≦ x ≦ 2), Li 1 + x Sc x Ti 2− Examples include Nasicon-based materials such as x (PO 4 ) 3 (0 ≦ x ≦ 2) and Li 3 M 2 (PO 4 ) 3 (M represents yttrium (Y) or lanthanum (La)). It is done.
また、他の被覆材料の例として、Fe4 (P2 O7 )3 、LiFeP2 O7 、TiP2 O7 、LiVP2 O7 、MoP2 O7 、およびMo2 P2 O11 のようなリン酸・縮合塩系材料、ならびにLiFePO4 、LiCoPO4 、およびLiMnPO4 のようなOlivine系材料が挙げられる。 Examples of other coating materials include Fe 4 (P 2 O 7 ) 3 , LiFeP 2 O 7 , TiP 2 O 7 , LiVP 2 O 7 , MoP 2 O 7 , and Mo 2 P 2 O 11 . Examples thereof include phosphoric acid / condensed salt-based materials and Oliveline-based materials such as LiFePO 4 , LiCoPO 4 , and LiMnPO 4 .
また、他の被覆材料の例として、MoOPO4 、VOPO4 、LiVOPO4 、VOSO4 、VOAsO4 、およびLi2 VOSiO4 のようなAOBO4 系材料、LiVMoO6 のようなBrannerite系材料、Fe3 BO6 、FeBO3 およびVBO3 のようなBorate系材料、Li3 N、TiN、ZrN、およびTaNのような金属窒化物、TiC、ZrC、TaCおよびWCのような金属炭化物、ならびにTiB2 、ZrB2 およびTaB2 のような金属ホウ化物が挙げられる。
Further, examples of
また、他の被覆材料の例として、Li3 M2 (PO4 )3 (Mは、スカンジウム(Sc)、インジウム(In)、クロム(Cr)または鉄(Fe)を示す。)、およびLix (M1-y M’y )2 (PO4 )3 (Mは、InまたはScを示し、M’は、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)を示し、1≦x≦3,0≦y≦1である。)のようなβ−Fe2 (SO4 )3 型材料、ならびにLi14 Zn(GeO4 )4 が挙げられる。 Examples of other coating materials include Li 3 M 2 (PO 4 ) 3 (M represents scandium (Sc), indium (In), chromium (Cr), or iron (Fe)), and Li x. (M 1-y M ′ y ) 2 (PO 4 ) 3 (M represents In or Sc, M ′ represents zirconium (Zr), niobium (Nb), 1 ≦ x ≦ 3, 0 ≦ y Β-Fe 2 (SO 4 ) 3 type material such as ≦ 1, and Li 14 Zn (GeO 4 ) 4 .
また、他の被覆材料として、Li3 PS4 、Li2 SiS4 、Li4 SiS4 、Li4+x+δ (Ge1-δ'-x Gax )S4 (0≦x≦1,0≦δ’≦1,0≦x+δ’≦1,0≦δ≦3)、Li4-x Ge1-x Px S4 (0≦x≦1)、およびLi4-x Si1-x Px S4 (0≦x≦1)のようなチオLISICON型系材料が挙げられる。 Further, as other coating materials, Li 3 PS 4 , Li 2 SiS 4 , Li 4 SiS 4 , Li 4 + x + δ (Ge 1-δ′-x Ga x ) S 4 (0 ≦ x ≦ 1,0) ≦ δ ′ ≦ 1, 0 ≦ x + δ ′ ≦ 1, 0 ≦ δ ≦ 3), Li 4-x Ge 1-x P x S 4 (0 ≦ x ≦ 1), and Li 4-x Si 1-x P Examples thereof include thio LISICON type materials such as x S 4 (0 ≦ x ≦ 1).
また、他の被覆材料として、LiPON(Li−P−O−N)、LiX−Li2 O−Mm On (Xは、ヨウ素(I)、臭素(Br)、または塩素(Cl)を示し、Mm On は、B2 O3 、P2 O5 、またはGeO2 を示す。)、Li4 SiO4 −Li3 BO3 、Li2 O−SiO2 −B2 O3 、およびLi2 O−SiO2 −ZrO2 のような酸化物系ガラスが挙げられる。
Further, as another coating material, LiPON (Li-P-O -N), LiX-
さらに、他の被覆材料として、Li2 S−P2 S5 、Li2 S−GeS2 、Li2 S−B2 S3 、Li2 S−SiS2 、Li2 S−SiS2 −LiX(Xは、I、Br、またはClを示す。)、Li2 S−SiS2 −Li4 SiO4 、およびLi2 S−SiS2 −Li3 PO4のような硫化物系ガラスが挙げられる。 Furthermore, as other coating materials, Li 2 S—P 2 S 5 , Li 2 S—GeS 2 , Li 2 S—B 2 S 3 , Li 2 S—SiS 2 , Li 2 S—SiS 2 —LiX (X Represents I, Br, or Cl.), Sulfide glasses such as Li 2 S—SiS 2 —Li 4 SiO 4 , and Li 2 S—SiS 2 —Li 3 PO 4 .
本実施の形態では、被覆材料として電子伝導性を有する炭素を用いる。 In this embodiment, carbon having electron conductivity is used as the coating material.
メカニカルミリング処理を行う場合には、遊星ボールミルを用いることが好ましい。遊星ボールミルにおいては、ポットが自転回転するとともに、台盤が公転回転する構成となっている。このような構成により、非常に高い衝撃エネルギーを効率良く発生させることができるので、比較的短時間で正極活物質の表面の少なくとも一部を被覆材料により覆うことが可能となる。 When performing a mechanical milling process, it is preferable to use a planetary ball mill. In the planetary ball mill, the pot rotates and the platform rotates revolvingly. With such a configuration, very high impact energy can be generated efficiently, so that at least a part of the surface of the positive electrode active material can be covered with the coating material in a relatively short time.
しかしながら、メカニカルミリング処理により正極活物質の表面の少なくとも一部を被覆材料である炭素により覆った場合、正極活物質の比表面積が大きくなってしまうことがある。 However, when at least a part of the surface of the positive electrode active material is covered with carbon as a coating material by mechanical milling, the specific surface area of the positive electrode active material may increase.
そこで、メカニカルミリング処理により正極活物質の表面の少なくとも一部を被覆材料により覆った後、この正極活物質を例えば400℃未満の温度で焼成することが好ましい。それにより、正極活物質の比表面積が減少し、優れた充放電サイクル特性を得ることができる正極活物質を生成することができる。ただし、焼成温度が高すぎると、正極活物質の一部と被覆材料である炭素の一部とが反応してしまい、良好な充放電サイクル特性を得ることができない。 Therefore, it is preferable that at least a part of the surface of the positive electrode active material is covered with a coating material by mechanical milling, and then the positive electrode active material is fired at a temperature of, for example, less than 400 ° C. Thereby, the specific surface area of the positive electrode active material is reduced, and a positive electrode active material capable of obtaining excellent charge / discharge cycle characteristics can be generated. However, if the firing temperature is too high, a part of the positive electrode active material reacts with a part of the carbon that is the coating material, and good charge / discharge cycle characteristics cannot be obtained.
正極を作製する際に添加する結着剤(バインダー)は、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレンオキサイド、ポリビニルアセテート、ポリメタクリレート、ポリアクリレート、ポリアクリロニトリル、ポリビニルアルコール、スチレン−ブタジエンラバーおよびカルボキシメチルセルロース等から選択される少なくとも1種を用いることができる。 Binders (binders) added when producing the positive electrode are polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene oxide, polyvinyl acetate, polymethacrylate, polyacrylate, polyacrylonitrile, polyvinyl alcohol, styrene-butadiene rubber and carboxymethylcellulose. At least one selected from the above can be used.
なお、結着剤の添加量が多いと、正極に含まれる正極活物質の割合が少なくなるため、高いエネルギー密度が得られなくなる。したがって、結着剤の添加量は、正極の全体の0〜30重量%の範囲とし、好ましくは0〜20重量%の範囲とし、より好ましくは0〜10重量%の範囲とする。 In addition, when there is much addition amount of a binder, since the ratio of the positive electrode active material contained in a positive electrode will decrease, a high energy density will no longer be obtained. Therefore, the addition amount of the binder is in the range of 0 to 30% by weight, preferably in the range of 0 to 20% by weight, and more preferably in the range of 0 to 10% by weight of the whole positive electrode.
ここで、本実施の形態の正極活物質は導電性を有するが、さらに導電性を向上させ、良好な充放電特性を得るには、正極を作製する際に導電剤を添加することが好ましい。 Here, although the positive electrode active material of the present embodiment has conductivity, it is preferable to add a conductive agent when producing the positive electrode in order to further improve the conductivity and obtain good charge / discharge characteristics.
導電剤としては、炭素材料等を用いることができる。導電性に優れた炭素材料の例としては、ケッチェンブラック、アセチレンブラックおよび黒鉛等が挙げられる。 As the conductive agent, a carbon material or the like can be used. Examples of the carbon material having excellent conductivity include ketjen black, acetylene black, and graphite.
なお、導電剤の添加量が少ないと、正極における導電性を十分に向上させることが困難となる一方、結着剤の添加量が多いと、正極に含まれる正極活物質の割合が少なくなるため、高いエネルギー密度が得られなくなる。したがって、導電剤の添加量は、正極の全体の0〜30重量%の範囲とし、好ましくは0〜20重量%の範囲とし、より好ましくは0〜10重量%の範囲とする。 In addition, when the addition amount of the conductive agent is small, it is difficult to sufficiently improve the conductivity of the positive electrode. On the other hand, when the addition amount of the binder is large, the proportion of the positive electrode active material contained in the positive electrode decreases. High energy density cannot be obtained. Therefore, the addition amount of the conductive agent is in the range of 0 to 30% by weight of the whole positive electrode, preferably in the range of 0 to 20% by weight, more preferably in the range of 0 to 10% by weight.
(2)非水電解質の作製
非水電解質としては、非水溶媒に電解質塩を溶解させたものを用いることができる。
(2) Production of non-aqueous electrolyte As the non-aqueous electrolyte, an electrolyte salt dissolved in a non-aqueous solvent can be used.
非水溶媒としては、通常電池用の非水溶媒として用いられる環状炭酸エステル、鎖状炭酸エステル、エステル類、環状エーテル類、鎖状エーテル類、ニトリル類、アミド類等およびこれらの組合せからなるものが挙げられる。 Examples of non-aqueous solvents include cyclic carbonates, chain carbonates, esters, cyclic ethers, chain ethers, nitriles, amides, and the like, which are usually used as non-aqueous solvents for batteries. Is mentioned.
環状炭酸エステルとしては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート等が挙げられ、これらの水素基の一部または全部がフッ素化されているものも用いることが可能で、例えば、トリフルオロプロピレンカーボネート、フルオロエチルカーボネート等が挙げられる。 Examples of the cyclic carbonate include ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, etc., and those in which some or all of these hydrogen groups are fluorinated can be used. For example, trifluoropropylene carbonate, fluoro Examples include ethyl carbonate.
鎖状炭酸エステルとしては、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、メチルイソプロピルカーボネート等が挙げられ、これらの水素基の一部または全部がフッ素化されているものも用いることが可能である。 Examples of the chain carbonic acid ester include dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, diethyl carbonate, methyl propyl carbonate, ethyl propyl carbonate, methyl isopropyl carbonate, and the like. Some of these hydrogen groups are fluorinated. It is possible to use.
エステル類としては、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、γ−ブチロラクトン等が挙げられる。環状エーテル類としては、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1、3−ジオキソラン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、プロピレンオキシド、1,2−ブチレンオキシド、1,4−ジオキサン、1,3,5−トリオキサン、フラン、2−メチルフラン、1,8−シネオール、クラウンエーテル等が挙げられる。 Examples of the esters include methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, and γ-butyrolactone. Examples of cyclic ethers include 1,3-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, propylene oxide, 1,2-butylene oxide, 1,4-dioxane, 1,3,5. -Trioxane, furan, 2-methylfuran, 1,8-cineol, crown ether, etc. are mentioned.
鎖状エーテル類としては、1,2−ジメトキシエタン、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ジブチルエーテル、ジヘキシルエーテル、エチルビニルエーテル、ブチルビニルエーテル、メチルフェニルエーテル、エチルフェニルエーテル、ブチルフェニルエーテル、ペンチルフェニルエーテル、メトキシトルエン、ベンジルエチルエーテル、ジフェニルエーテル、ジベンジルエーテル、o−ジメトキシベンゼン、1,2−ジエトキシエタン、1,2−ジブトキシエタン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル、1,1−ジメトキシメタン、1,1−ジエトキシエタン、トリエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチル等が挙げられる。 As chain ethers, 1,2-dimethoxyethane, diethyl ether, dipropyl ether, diisopropyl ether, dibutyl ether, dihexyl ether, ethyl vinyl ether, butyl vinyl ether, methyl phenyl ether, ethyl phenyl ether, butyl phenyl ether, pentyl phenyl Ether, methoxytoluene, benzyl ethyl ether, diphenyl ether, dibenzyl ether, o-dimethoxybenzene, 1,2-diethoxyethane, 1,2-dibutoxyethane, diethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol diethyl ether, diethylene glycol dibutyl ether, 1,1 -Dimethoxymethane, 1,1-diethoxyethane, triethylene glycol dimethyl ether, tetraethy Glycols dimethyl, and the like.
ニトリル類としては、アセトニトリル等が挙げられ、アミド類としては、ジメチルホルムアミド等が挙げられる。 Nitriles include acetonitrile and the like, and amides include dimethylformamide and the like.
電解質塩としては、例えば六フッ化リン酸リチウム(LiPF6 )、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4 )、LiCF3 SO3 、LiC4 F9 SO3 、LiN(CF3 SO2 )2 、LiN(C2 F5 SO2 )2 、LiAsF6 、および下記式(3)に示されるジフルオロ(オキサラト)ホウ酸リチウム等からなる群から選択される非水溶媒に可溶な過酸化物でない安全性の高いものを用いる。 Examples of the electrolyte salt include lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , and LiN. (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiAsF 6 , and a non-peroxide that is not soluble in a non-aqueous solvent selected from the group consisting of lithium difluoro (oxalato) borate represented by the following formula (3) Use the one with high.
なお、上記電解質塩のうち1種を用いてもよく、あるいは2種以上を組み合わせて用いてもよい。 In addition, you may use 1 type in the said electrolyte salt, and may use it in combination of 2 or more type.
本実施の形態では、非水電解質として、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとを体積比30:70の割合で混合した非水溶媒に、電解質塩としての六フッ化リン酸リチウムを1mol/lの濃度になるように添加したものを用いる。 In this embodiment, as a nonaqueous electrolyte, a nonaqueous solvent in which ethylene carbonate and diethyl carbonate are mixed at a volume ratio of 30:70, and lithium hexafluorophosphate as an electrolyte salt to a concentration of 1 mol / l. What was added so that it may become is used.
(3)負極の構成
本実施の形態では、リチウムイオンを吸蔵および放出することが可能な材料を用いる。この材料の例として、リチウム、珪素、炭素、錫、ゲルマニウム、アルミニウム、鉛、インジウム、ガリウム、リチウム含有合金、およびリチウムと炭素とを含む化合物よりなる群から選択された1種または複数の材料を用いることができる。なお、リチウムと炭素とを含む上記化合物の例として、例えば黒鉛の層間にリチウムが挿入されたグラファイト層間化合物が挙げられる。
(3) Configuration of negative electrode In this embodiment, a material capable of inserting and extracting lithium ions is used. Examples of this material include one or more materials selected from the group consisting of lithium, silicon, carbon, tin, germanium, aluminum, lead, indium, gallium, lithium-containing alloys, and compounds containing lithium and carbon. Can be used. An example of the above compound containing lithium and carbon is a graphite intercalation compound in which lithium is inserted between graphite layers.
(4)非水電解質二次電池の作製
上記の正極、負極および非水電解質を用いて、以下に示すように、非水電解質二次電池を作製する。
(4) Production of Nonaqueous Electrolyte Secondary Battery A nonaqueous electrolyte secondary battery is produced using the positive electrode, the negative electrode, and the nonaqueous electrolyte as described below.
図1は、本実施の形態に係る非水電解質二次電池の試験セルの概略説明図である。 FIG. 1 is a schematic explanatory diagram of a test cell of a nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present embodiment.
図1に示すように、不活性雰囲気下において上記正極にリードを取り付けることにより作用極2とするとともに、リチウム金属からなる上記負極にリードを取り付けることにより対極1とする。
As shown in FIG. 1, a working
次に、作用極2と対極1との間にセパレータ4を挿入し、セル容器10内に作用極2、対極1および例えばリチウム金属からなる参照極3を配置する。そして、セル容器10内に上記非水電解質5を注入することにより試験セルとしての非水電解質二次電池を作製する。
Next, the
なお、本実施の形態で作製した非水電解質二次電池を用いて充放電試験を行う場合には、充電終止時において参照極3を基準とする作用極2の電位を4.2V以上とすることにより、上式(1)の放電反応を利用することができ、放電終止時において参照極3を基準とする作用極2の電位を2.8V以下とすることにより、上式(2)の放電反応を利用することができる。
Note that when the charge / discharge test is performed using the nonaqueous electrolyte secondary battery manufactured in this embodiment, the potential of the working
また、マンガン酸リチウム(LiMn2 O4 )と炭素との混合物をメカニカルミリング処理することにより得た正極活物質に対し、化学的または電気化学的にリチウムイオンを挿入することにより生成される正方晶系のLi2 Mn2 O4 を正極活物質として用いてもよい。 In addition, a tetragonal crystal formed by chemically or electrochemically inserting lithium ions into a positive electrode active material obtained by mechanically milling a mixture of lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) and carbon Li 2 Mn 2 O 4 of the system may be used as the positive electrode active material.
(5)本実施の形態における効果
本実施の形態においては、マンガン酸リチウム(LiMn2 O4 )と炭素との混合物をメカニカルミリング処理することにより得た正極活物質を用いることによって、上式(1)および上式(2)の放電反応において良好な充放電サイクル特性を得ることが可能である。それにより、高いエネルギー密度を得ることができる。なお、メカニカルミリング処理の時間は30分以下であることが好ましい。
(5) Effects in the present embodiment In the present embodiment, by using a positive electrode active material obtained by mechanical milling a mixture of lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) and carbon, the above formula ( It is possible to obtain good charge / discharge cycle characteristics in the discharge reaction of 1) and the above formula (2). Thereby, a high energy density can be obtained. In addition, it is preferable that the time of a mechanical milling process is 30 minutes or less.
また、混合物のメカニカルミリング処理後、この混合物を400℃未満の温度で焼成することにより、さらに優れた充放電サイクル特性を有する正極活物質を得ることが可能である。 Moreover, it is possible to obtain the positive electrode active material which has the further outstanding charging / discharging cycling characteristics by baking this mixture at the temperature below 400 degreeC after the mechanical milling process of a mixture.
(6)被覆材料として炭素を用いる場合の実施例
以下、各実施例の非水電解質二次電池およびこれを用いた充放電試験について詳細に説明する。
(6) Examples in which carbon is used as a coating material Hereinafter, the nonaqueous electrolyte secondary battery of each example and a charge / discharge test using the same will be described in detail.
(6−a)実施例1および比較例1
(6−a−1)実施例1の非水電解質二次電池
スピネル構造を有するマンガン酸リチウム(LiMn2 O4 )と、被覆材料の炭素とを、90:5の割合で秤量した後、上記マンガン酸リチウムと炭素との混合物を作製した。
(6-a) Example 1 and Comparative Example 1
(6-a-1) Nonaqueous Electrolyte Secondary Battery of Example 1 After weighing lithium manganate having a spinel structure (LiMn 2 O 4 ) and carbon of the coating material in a ratio of 90: 5, the above A mixture of lithium manganate and carbon was prepared.
この混合物に対し、遊星ボールミルを用いて、300回転/分の回転速度でメカニカルミリング処理を施すことにより正極活物質を得た。なお、メカニカルミリング処理の時間は、15分、30分、60分および120分の4種に設定した。 A positive electrode active material was obtained by subjecting this mixture to mechanical milling using a planetary ball mill at a rotation speed of 300 rotations / minute. In addition, the time of the mechanical milling process was set to four types of 15 minutes, 30 minutes, 60 minutes, and 120 minutes.
結着剤のポリフッ化ビニリデンをN−メチル−2−ピロリドンに溶かした溶液に、得られた正極活物質、上記結着剤および炭素導電剤の重量比が90:5:5となるように、それぞれ添加した後混合することにより正極合剤としてのスラリーを作製した。 In a solution prepared by dissolving polyvinylidene fluoride as a binder in N-methyl-2-pyrrolidone, the weight ratio of the obtained positive electrode active material, the binder, and the carbon conductive agent is 90: 5: 5. A slurry as a positive electrode mixture was prepared by mixing after each addition.
続いて、ドクターブレード法により、作製したスラリーを正極集電体のアルミニウム箔上に塗布した後、真空中で乾燥させ、圧延ローラーにより圧延することによって正極活物質層を形成した。そして、正極活物質層を形成しなかったアルミニウム箔の領域上に正極タブを取り付けることにより作用極2を完成させた。なお、対極1および参照極3にはリチウム金属を用いた。
Then, after apply | coating the produced slurry on the aluminum foil of a positive electrode collector with the doctor blade method, it dried in vacuum and formed the positive electrode active material layer by rolling with a rolling roller. And the working
また、非水電解質5としては、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとを体積比30:70の割合で混合した非水溶媒に、電解質塩としての六フッ化リン酸リチウムを1mol/lの濃度になるように添加したものを用いた。
Further, as the
このようにして得られた作用極2、対極1、参照極3および非水電解質5を用いて、上記実施の形態(図1)に基づいて非水電解質二次電池の試験セルを作製した。
Using the thus obtained working
(6−a−2)比較例1の非水電解質二次電池
比較例1の非水電解質二次電池が実施例1の非水電解質二次電池と異なる点は、炭素を用いたメカニカルミリング処理を行わず、マンガン酸リチウム(LiMn2 O4 )そのものを正極活物質として用いた点である。
(6-a-2) Nonaqueous electrolyte secondary battery of Comparative Example 1 The nonaqueous electrolyte secondary battery of Comparative Example 1 differs from the nonaqueous electrolyte secondary battery of Example 1 in that mechanical milling treatment using carbon is performed. In this case, lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) itself was used as the positive electrode active material.
(6−a−3)充放電試験およびその評価
実施例1および比較例1で作製した非水電解質二次電池において、25℃の温度環境下において、5mAの定電流で参照極3を基準とする作用極2の電位が4.3Vに達するまで充電を行った後、参照極3を基準とする作用極2の電位が1.0Vに達するまで放電を行うサイクルを10サイクル実施した。
(6-a-3) Charging / discharging test and its evaluation In the nonaqueous electrolyte secondary battery produced in Example 1 and Comparative Example 1, the
実施例1および比較例1の非水電解質二次電池における1サイクル目および10サイクル目の放電容量密度、ならびに放電容量密度維持率を表1に示す。なお、放電容量密度維持率は、1サイクル目の放電容量密度に対する10サイクル目の放電容量密度の比率により定義される。また、実施例1(4種のメカニカルミリング処理時間を設定)および比較例1の非水電解質二次電池における充放電特性を図2〜図6に示す。 Table 1 shows the discharge capacity densities and the discharge capacity density retention rates of the first and tenth cycles in the nonaqueous electrolyte secondary batteries of Example 1 and Comparative Example 1. The discharge capacity density maintenance rate is defined by the ratio of the discharge capacity density at the 10th cycle to the discharge capacity density at the 1st cycle. Moreover, the charging / discharging characteristic in the nonaqueous electrolyte secondary battery of Example 1 (4 types of mechanical milling process time is set) and the comparative example 1 is shown in FIGS.
表1に示すように、マンガン酸リチウム(LiMn2 O4 )と被覆材料である炭素との混合物に対し、メカニカルミリング処理を15分間または30分間行うことにより得た正極活物質を用いることによって、比較例1の非水電解質二次電池の放電容量密度維持率よりも高い放電容量密度維持率を得ることができた。 As shown in Table 1, by using a positive electrode active material obtained by performing mechanical milling treatment for 15 minutes or 30 minutes on a mixture of lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) and carbon as a coating material, A discharge capacity density maintenance rate higher than the discharge capacity density maintenance rate of the nonaqueous electrolyte secondary battery of Comparative Example 1 could be obtained.
また、メカニカルミリング処理が60分以上の場合の放電容量密度維持率は、比較例1の放電容量密度維持率よりも小さくなった。これは、メカニカルミリング処理では激しい衝撃が正極活物質に加わるので、このような処理を長い時間行うと、正極活物質の充放電特性が悪化することによるものであると考えられる。 In addition, the discharge capacity density retention rate when the mechanical milling treatment was 60 minutes or longer was smaller than the discharge capacity density retention rate of Comparative Example 1. This is presumably because the mechanical milling process gives a severe impact to the positive electrode active material, and thus, when such a process is performed for a long time, the charge / discharge characteristics of the positive electrode active material deteriorate.
図2は、実施例1において15分のメカニカルミリング処理により得た正極活物質を用いた非水電解質二次電池の充放電特性を示したグラフであり、図3は、実施例1において30分のメカニカルミリング処理により得た正極活物質を用いた非水電解質二次電池の充放電特性を示したグラフであり、図4は、実施例1において60分のメカニカルミリング処理により得た正極活物質を用いた非水電解質二次電池の充放電特性を示したグラフである。 FIG. 2 is a graph showing the charge / discharge characteristics of a nonaqueous electrolyte secondary battery using a positive electrode active material obtained by mechanical milling for 15 minutes in Example 1, and FIG. FIG. 4 is a graph showing charge / discharge characteristics of a nonaqueous electrolyte secondary battery using a positive electrode active material obtained by mechanical milling of FIG. 4, and FIG. 4 is a positive electrode active material obtained by mechanical milling for 60 minutes in Example 1 It is the graph which showed the charging / discharging characteristic of the non-aqueous electrolyte secondary battery using A.
また、図5は、実施例1において120分のメカニカルミリング処理により得た正極活物質を用いた非水電解質二次電池の充放電特性を示したグラフであり、図6は、比較例1の非水電解質二次電池の充放電特性を示したグラフである。 5 is a graph showing the charge / discharge characteristics of a nonaqueous electrolyte secondary battery using a positive electrode active material obtained by mechanical milling for 120 minutes in Example 1, and FIG. It is the graph which showed the charging / discharging characteristic of the nonaqueous electrolyte secondary battery.
図2〜図6に示すように、各1サイクル目の放電曲線において、4V領域および3V領域にプラトー(電位平坦部)が確認できた。これらの曲線は、背景技術の部分で述べた非特許文献1における放電曲線とほぼ同じである。このことから、非特許文献1と同様に、上式(1)の反応が4V(vs.Li/Li+ )付近の電圧で起こり、上式(2)の反応が3V(vs.Li/Li+ )付近の電圧で起こったと考えられる。なお、上式(2)の反応では、正極活物質の結晶系が立方晶系のLiMn2 O4 から正方晶系のLi2 Mn2 O4 へ変化したと考えられる。
As shown in FIGS. 2 to 6, plateaus (potential flat portions) were confirmed in the 4V region and the 3V region in the discharge curve of each first cycle. These curves are almost the same as the discharge curves in
(6−b)実施例2および比較例2
(6−b−1)実施例2および比較例2の各正極活物質
実施例2では、スピネル構造を有するマンガン酸リチウム(LiMn2 O4 )と、被覆材料の炭素とを、90:5の割合で秤量した後、上記マンガン酸リチウムと炭素との混合物を作製した。
(6-b) Example 2 and Comparative Example 2
(6-b-1) Each positive electrode active material of Example 2 and Comparative Example 2 In Example 2, 90: 5 of lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) having a spinel structure and carbon of the coating material were used. After weighing in proportion, a mixture of the lithium manganate and carbon was prepared.
この混合物に対し、遊星ボールミルを用いて、300回転/分の回転速度でメカニカルミリング処理を15分間施すことにより実施例2の正極活物質を得た。 A positive electrode active material of Example 2 was obtained by subjecting this mixture to mechanical milling for 15 minutes using a planetary ball mill at a rotation speed of 300 rotations / minute.
一方、比較例2では、上記と同じマンガン酸リチウムと炭素とを、90:5の割合で秤量した後、乳鉢で十分に混合することにより比較例2の正極活物質を得た。 On the other hand, in Comparative Example 2, the same lithium manganate and carbon as described above were weighed at a ratio of 90: 5, and then sufficiently mixed in a mortar to obtain the positive electrode active material of Comparative Example 2.
(6−b−2)各正極活物質の観察およびその評価
実施例2および比較例2の各正極活物質をそれぞれ走査型電子顕微鏡(SEM)により観察した。
(6-b-2) Observation of each positive electrode active material and its evaluation Each positive electrode active material of Example 2 and Comparative Example 2 was observed with a scanning electron microscope (SEM).
図7は、メカニカルミリング処理により得た正極活物質のSEMによる拡大写真であり、図8は、乳鉢で混合することにより得た正極活物質のSEMによる拡大写真である。なお、図7および図8において、大粒状のものがマンガン酸リチウムであり、小粒状のものが炭素である。 FIG. 7 is an enlarged photograph by SEM of the positive electrode active material obtained by mechanical milling, and FIG. 8 is an enlarged photograph by SEM of the positive electrode active material obtained by mixing in a mortar. In FIGS. 7 and 8, the large particles are lithium manganate, and the small particles are carbon.
図7から、マンガン酸リチウムの一部が炭素により覆われていることがわかった。一方、図8からマンガン酸リチウムと炭素とは互いに分散した状態となっていることがわかった。 From FIG. 7, it was found that a part of lithium manganate was covered with carbon. On the other hand, FIG. 8 shows that lithium manganate and carbon are dispersed.
以上により、マンガン酸リチウム(LiMn2 O4 )と炭素との混合物に対し、メカニカルミリング処理を行うことにより、マンガン酸リチウムの表面の少なくとも一部を炭素により被覆することができることがわかった。 As described above, it was found that at least a part of the surface of the lithium manganate can be covered with carbon by performing mechanical milling treatment on the mixture of lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) and carbon.
(6−c)実施例3および比較例3
(6−c−1)実施例3の非水電解質二次電池
スピネル構造を有するマンガン酸リチウム(LiMn2 O4 )と、被覆材料の炭素とを、90:5の割合で秤量した後、上記マンガン酸リチウムと炭素との混合物を作製した。
(6-c) Example 3 and Comparative Example 3
(6-c-1) Nonaqueous Electrolyte Secondary Battery of Example 3 After weighing lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) having a spinel structure and carbon of the coating material in a ratio of 90: 5, the above A mixture of lithium manganate and carbon was prepared.
この混合物に対し、遊星ボールミルを用いて、300回転/分の回転速度でメカニカルミリング処理を15分間施した後、大気中においてこれを焼成した。なお、焼成時間は6時間とし、焼成温度は200℃、300℃、400℃および500℃の4種に設定した。 The mixture was mechanically milled for 15 minutes at a rotational speed of 300 revolutions / minute using a planetary ball mill, and then fired in the atmosphere. The firing time was 6 hours, and the firing temperature was set to four types of 200 ° C., 300 ° C., 400 ° C. and 500 ° C.
結着剤のポリフッ化ビニリデンをN−メチル−2−ピロリドンに溶かした溶液に、得られた正極活物質、上記結着剤および炭素導電剤の重量比が90:5:5となるように、それぞれ添加した後混合することにより正極合剤としてのスラリーを作製した。 In a solution prepared by dissolving polyvinylidene fluoride as a binder in N-methyl-2-pyrrolidone, the weight ratio of the obtained positive electrode active material, the binder, and the carbon conductive agent is 90: 5: 5. A slurry as a positive electrode mixture was prepared by mixing after each addition.
続いて、ドクターブレード法により、作製したスラリーを正極集電体のアルミニウム箔上に塗布した後、真空中で乾燥させ、圧延ローラーにより圧延することによって正極活物質層を形成した。そして、正極活物質層を形成しなかったアルミニウム箔の領域上に正極タブを取り付けることにより作用極2を完成させた。なお、対極1および参照極3にはリチウム金属を用いた。
Then, after apply | coating the produced slurry on the aluminum foil of a positive electrode collector with the doctor blade method, it dried in vacuum and formed the positive electrode active material layer by rolling with a rolling roller. And the working
また、非水電解質5としては、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとを体積比30:70の割合で混合した非水溶媒に、電解質塩としての六フッ化リン酸リチウムを1mol/lの濃度になるように添加したものを用いた。
Further, as the
このようにして得られた作用極2、対極1、参照極3および非水電解質5を用いて、上記実施の形態(図1)に基づいて非水電解質二次電池の試験セルを作製した。
Using the thus obtained working
(6−c−2)比較例3の非水電解質二次電池
比較例3の非水電解質二次電池が実施例3の非水電解質二次電池と異なる点は、炭素を用いたメカニカルミリング処理を行わず、マンガン酸リチウム(LiMn2 O4 )そのものを正極活物質として用いた点である。
(6-c-2) Nonaqueous Electrolyte Secondary Battery of Comparative Example 3 The nonaqueous electrolyte secondary battery of Comparative Example 3 is different from the nonaqueous electrolyte secondary battery of Example 3 in that mechanical milling treatment using carbon is performed. In this case, lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) itself was used as the positive electrode active material.
(6−c−3)充放電試験およびその評価
放電終止電圧を1.5Vとした点を除き、上述の実施例1および比較例1と同様に充放電試験を行った。
(6-c-3) Charge / Discharge Test and its Evaluation A charge / discharge test was conducted in the same manner as in Example 1 and Comparative Example 1 except that the discharge end voltage was 1.5V.
実施例3および比較例3の非水電解質二次電池における1サイクル目および10サイクル目の放電容量密度、ならびに放電容量密度維持率を表2に示す。また、実施例3(4種の焼成温度を設定)および比較例3の非水電解質二次電池における充放電特性を図9〜図13に示す。 Table 2 shows the discharge capacity densities and the discharge capacity density retention ratios at the first cycle and the tenth cycle in the nonaqueous electrolyte secondary batteries of Example 3 and Comparative Example 3. Moreover, the charge / discharge characteristics in the nonaqueous electrolyte secondary battery of Example 3 (four kinds of firing temperatures are set) and Comparative Example 3 are shown in FIGS.
表2に示すように、マンガン酸リチウム(LiMn2 O4 )と被覆材料である炭素との混合物に対し、メカニカルミリング処理を15分間行った後、200℃または300℃の大気雰囲気中でこれを6時間焼成することにより得た正極活物質を用いることによって、比較例1の非水電解質二次電池の放電容量密度維持率よりも著しく高い放電容量密度維持率を得ることができた。 As shown in Table 2, the mixture of lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) and carbon as a coating material was subjected to mechanical milling for 15 minutes, and then this was performed in an air atmosphere at 200 ° C. or 300 ° C. By using the positive electrode active material obtained by firing for 6 hours, a discharge capacity density maintenance rate significantly higher than the discharge capacity density maintenance rate of the nonaqueous electrolyte secondary battery of Comparative Example 1 could be obtained.
また、焼成温度が400℃以上の場合の放電容量密度維持率は、比較例1の放電容量密度維持率よりも小さくなった。これは、400℃以上の高温により正極活物質中のマンガンが還元され、正極活物質の充放電特性が悪化することによるものであると考えられる。 In addition, the discharge capacity density maintenance rate when the firing temperature was 400 ° C. or higher was smaller than the discharge capacity density maintenance rate of Comparative Example 1. This is presumably because manganese in the positive electrode active material is reduced at a high temperature of 400 ° C. or higher, and the charge / discharge characteristics of the positive electrode active material deteriorate.
図9は、実施例3において200℃の大気雰囲気中での焼成により得た正極活物質を用いた非水電解質二次電池の充放電特性を示したグラフであり、図10は、実施例3において300℃の大気雰囲気中での焼成により得た正極活物質を用いた非水電解質二次電池の充放電特性を示したグラフであり、図11は、実施例3において400℃の大気雰囲気中での焼成により得た正極活物質を用いた非水電解質二次電池の充放電特性を示したグラフである。 FIG. 9 is a graph showing the charge / discharge characteristics of a nonaqueous electrolyte secondary battery using a positive electrode active material obtained by firing in an air atmosphere at 200 ° C. in Example 3, and FIG. FIG. 11 is a graph showing the charge / discharge characteristics of a nonaqueous electrolyte secondary battery using a positive electrode active material obtained by firing in an air atmosphere at 300 ° C. in FIG. It is the graph which showed the charging / discharging characteristic of the nonaqueous electrolyte secondary battery using the positive electrode active material obtained by baking by.
また、図12は、実施例3において500℃の大気雰囲気中での焼成により得た正極活物質を用いた非水電解質二次電池の充放電特性を示したグラフであり、図13は、比較例3の非水電解質二次電池の充放電特性を示したグラフである。 FIG. 12 is a graph showing the charge / discharge characteristics of a nonaqueous electrolyte secondary battery using a positive electrode active material obtained by firing in an air atmosphere at 500 ° C. in Example 3, and FIG. 5 is a graph showing charge / discharge characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary battery of Example 3. FIG.
図9〜図13に示すように、各1サイクル目の放電曲線において、4V領域および3V領域にプラトー(電位平坦部)が確認できた。これらの曲線は、背景技術の部分で述べた非特許文献1における放電曲線とほぼ同じである。このことから、非特許文献1と同様に、上式(1)の反応が4V(vs.Li/Li+ )付近の電圧で起こり、上式(2)の反応が3V(vs.Li/Li+ )付近の電圧で起こったと考えられる。なお、上式(2)の反応では、正極活物質の結晶系が立方晶系のLiMn2 O4 から正方晶系のLi2 Mn2 O4 へ変化したと考えられる。
As shown in FIGS. 9 to 13, plateaus (potential flat portions) were confirmed in the 4V region and the 3V region in the discharge curve of each first cycle. These curves are almost the same as the discharge curves in
(6−d)実施例1〜3の総合評価
マンガン酸リチウム(LiMn2 O4 )と炭素との混合物をメカニカルミリング処理することにより得た正極活物質を用いることによって、上式(1)および上式(2)の放電反応において良好な充放電サイクル特性を得ることが可能であることがわかった。それにより、高いエネルギー密度を得ることができることがわかった。なお、被覆材料として炭素を用いる場合のメカニカルミリング処理の時間は30分以下であることが好ましいことがわかった。
(6-d) Comprehensive evaluation of Examples 1 to 3 By using a positive electrode active material obtained by mechanical milling a mixture of lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) and carbon, the above formula (1) and It was found that good charge / discharge cycle characteristics can be obtained in the discharge reaction of the above formula (2). Thereby, it was found that a high energy density can be obtained. In addition, when using carbon as a coating | covering material, it turned out that it is preferable that the time of the mechanical milling process is 30 minutes or less.
また、混合物のメカニカルミリング処理後、この混合物を400℃未満の温度で焼成することにより、さらに優れた充放電サイクル特性を有する正極活物質を得ることが可能であることがわかった。 Moreover, it turned out that the positive electrode active material which has the further outstanding charging / discharging cycling characteristics can be obtained by baking this mixture at the temperature below 400 degreeC after the mechanical milling process of a mixture.
(7)他の実施の形態
上記実施の形態および実施例1〜3においては、被覆材料として炭素を用いる場合について説明したが、以下、被覆材料としてリン酸鉄リチウム(LiFePO4 )を用いる場合について説明する。
(7) Other Embodiments In the above embodiment and Examples 1 to 3, the case where carbon is used as the coating material has been described. Hereinafter, the case where lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) is used as the coating material. explain.
正極活物質LiMn2 O4 の表面の少なくとも一部を覆う被覆材料としてリン酸鉄リチウム(LiFePO4 )を用いる点を除いて、上記実施の形態と同様に正極を作製する。 A positive electrode is produced in the same manner as in the above embodiment except that lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) is used as a coating material covering at least a part of the surface of the positive electrode active material LiMn 2 O 4 .
なお、マンガン酸リチウム(LiMn2 O4 )とリン酸鉄リチウムとの混合物をメカニカルミリング処理することにより得た正極活物質に対し、化学的または電気化学的にリチウムイオンを挿入することにより生成される正方晶系のLi2 Mn2 O4 を正極活物質として用いてもよい。 It is produced by chemically or electrochemically inserting lithium ions into the positive electrode active material obtained by mechanical milling a mixture of lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) and lithium iron phosphate. Tetragonal Li 2 Mn 2 O 4 may be used as the positive electrode active material.
また、上記実施の形態と同様に、非水電解質および負極を作製し、これらを用いて非水電解質二次電池を作製する。 Further, similarly to the above embodiment, a nonaqueous electrolyte and a negative electrode are produced, and a nonaqueous electrolyte secondary battery is produced using them.
(8)他の実施の形態における効果
マンガン酸リチウム(LiMn2 O4 )とリン酸鉄リチウム(LiFePO4 )との混合物をメカニカルミリング処理することにより得た正極活物質を用いることによって、上式(1)および上式(2)の放電反応において良好な充放電サイクル特性を得ることが可能である。それにより、高いエネルギー密度を得ることができる。なお、メカニカルミリング処理の時間は約120分であることが好ましい。
(8) Effect in Other Embodiments By using a positive electrode active material obtained by subjecting a mixture of lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) and lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) to mechanical milling, the above formula It is possible to obtain good charge / discharge cycle characteristics in the discharge reaction of (1) and the above formula (2). Thereby, a high energy density can be obtained. The mechanical milling time is preferably about 120 minutes.
(9)被覆材料としてリン酸鉄リチウムを用いる場合の実施例
(9−a)実施例4および比較例4
(9−a−1)実施例4の非水電解質二次電池
スピネル構造を有するマンガン酸リチウム(LiMn2 O4 )と、被覆材料のリン酸鉄リチウム(LiFePO4 )とを、90:5の割合で秤量した後、上記マンガン酸リチウムとリン酸鉄リチウムとの混合物を作製した。
(9) Example in which lithium iron phosphate is used as coating material (9-a) Example 4 and Comparative Example 4
(9-a-1) Nonaqueous electrolyte secondary battery of Example 4 Lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) having a spinel structure and lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) as a coating material were mixed at 90: 5 After weighing in proportion, a mixture of the above lithium manganate and lithium iron phosphate was prepared.
ここで、マンガン酸リチウム(LiMn2 O4 )およびリン酸鉄リチウム(LiFePO4 )の粒子径について調べた。図14は、マンガン酸リチウム(LiMn2 O4 )のSEMによる拡大写真であり、図15は、リン酸鉄リチウム(LiFePO4 )のSEMによる拡大写真である。 Here, the particle diameters of lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) and lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) were examined. FIG. 14 is an enlarged photograph of lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) by SEM, and FIG. 15 is an enlarged photograph of lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) by SEM.
図14に示すように、マンガン酸リチウム(LiMn2 O4 )の一次粒子径は約0.5〜1.0μmであった。一方、図15に示すように、リン酸鉄リチウム(LiFePO4 )の一次粒子径は、約0.1〜0.2μmであった。これにより、リン酸鉄リチウム(LiFePO4 )の一次粒子径は、マンガン酸リチウム(LiMn2 O4 )の一次粒子径よりも小さいことがわかった。 As shown in FIG. 14, the primary particle diameter of lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) was about 0.5 to 1.0 μm. On the other hand, as shown in FIG. 15, the primary particle diameter of lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) was about 0.1 to 0.2 μm. Thus, the primary particle diameter of lithium iron phosphate (LiFePO 4) was found to be smaller than the primary particle diameter of the lithium manganate (LiMn 2 O 4).
次に、マンガン酸リチウムとリン酸鉄リチウムとの混合物に対し、遊星ボールミルを用いて、300回転/分の回転速度でメカニカルミリング処理を施すことにより正極活物質を得た。なお、メカニカルミリング処理の時間は、120分に設定した。 Next, a positive electrode active material was obtained by subjecting a mixture of lithium manganate and lithium iron phosphate to a mechanical milling treatment at a rotational speed of 300 revolutions / minute using a planetary ball mill. The time for the mechanical milling process was set to 120 minutes.
ここで、メカニカルミリング処理により得た正極活物質をSEMにより観察した。 Here, the positive electrode active material obtained by the mechanical milling process was observed by SEM.
図16は、マンガン酸リチウム(LiMn2 O4 )とリン酸鉄リチウム(LiFePO4 )との混合物にメカニカルミリング処理を施すことにより得た正極活物質のSEMによる拡大写真である。 FIG. 16 is an SEM enlarged photograph of a positive electrode active material obtained by subjecting a mixture of lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) and lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) to mechanical milling.
図16に示すように、大粒状(粒子径が、約0.5〜1.0μm)のマンガン酸リチウムの一部が、小粒状(粒子径が、約0.1〜0.2μm)のリン酸鉄リチウムにより覆われていることがわかった。 As shown in FIG. 16, a part of the lithium manganate having a large particle size (particle diameter of about 0.5 to 1.0 μm) is a small particle (a particle diameter of about 0.1 to 0.2 μm) phosphorous. It was found to be covered with lithium iron oxide.
次に、結着剤のポリフッ化ビニリデンをN−メチル−2−ピロリドンに溶かした溶液に、得られた正極活物質、上記結着剤および炭素導電剤の重量比が90:5:5となるように、それぞれ添加した後混合することにより正極合剤としてのスラリーを作製した。 Next, a weight ratio of the obtained positive electrode active material, the binder, and the carbon conductive agent is 90: 5: 5 in a solution obtained by dissolving polyvinylidene fluoride as a binder in N-methyl-2-pyrrolidone. Thus, the slurry as a positive electrode mixture was produced by mixing after adding each.
続いて、ドクターブレード法により、作製したスラリーを正極集電体のアルミニウム箔上に塗布した後、真空中で乾燥させ、圧延ローラーにより圧延することによって正極活物質層を形成した。そして、正極活物質層を形成しなかったアルミニウム箔の領域上に正極タブを取り付けることにより作用極2を完成させた。なお、対極1および参照極3にはリチウム金属を用いた。
Then, after apply | coating the produced slurry on the aluminum foil of a positive electrode collector with the doctor blade method, it dried in vacuum and formed the positive electrode active material layer by rolling with a rolling roller. And the working
また、非水電解質5としては、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとを体積比30:70の割合で混合した非水溶媒に、電解質塩としての六フッ化リン酸リチウムを1mol/lの濃度になるように添加したものを用いた。
Further, as the
このようにして得られた作用極2、対極1、参照極3および非水電解質5を用いて、上記実施の形態(図1)に基づいて非水電解質二次電池の試験セルを作製した。
Using the thus obtained working
(9−a−2)比較例4の非水電解質二次電池
比較例4の非水電解質二次電池が実施例4の非水電解質二次電池と異なる点は、リン酸鉄リチウム(LiFePO4 )を用いたメカニカルミリング処理を行わず、マンガン酸リチウム(LiMn2 O4 )そのものを正極活物質として用いた点である。
(9-a-2) Nonaqueous Electrolyte Secondary Battery of Comparative Example 4 The nonaqueous electrolyte secondary battery of Comparative Example 4 differs from the nonaqueous electrolyte secondary battery of Example 4 in that lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) Using lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) itself as a positive electrode active material.
(9−a−3)充放電試験およびその評価
放電終止電圧を1.5Vとした点を除き、上述の実施例1および比較例1と同様に充放電試験を行った。
(9-a-3) Charge / Discharge Test and Evaluation The charge / discharge test was conducted in the same manner as in Example 1 and Comparative Example 1 except that the discharge end voltage was 1.5V.
実施例4および比較例4の非水電解質二次電池における1サイクル目および10サイクル目の放電容量密度、ならびに放電容量密度維持率を表3に示す。また、実施例4および比較例4の非水電解質二次電池における充放電特性を図17および図18に示す。 Table 3 shows the discharge capacity densities and the discharge capacity density retention rates at the first and tenth cycles in the nonaqueous electrolyte secondary batteries of Example 4 and Comparative Example 4. The charge / discharge characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary batteries of Example 4 and Comparative Example 4 are shown in FIGS.
表3に示すように、マンガン酸リチウム(LiMn2 O4 )と被覆材料であるリン酸鉄リチウム(LiFePO4 )との混合物に対し、メカニカルミリング処理を120分間行うことにより得た正極活物質を用いることによって、比較例4の非水電解質二次電池の放電容量密度維持率よりも著しく高い放電容量密度維持率を得ることができた。 As shown in Table 3, a positive electrode active material obtained by subjecting a mixture of lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) and lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) as a coating material to mechanical milling for 120 minutes By using it, a discharge capacity density maintenance rate significantly higher than the discharge capacity density maintenance rate of the nonaqueous electrolyte secondary battery of Comparative Example 4 could be obtained.
また、被覆材料として炭素を用いた場合には、メカニカルミリング処理の時間が30分以下の場合に高い放電容量密度維持率を得ることができたが、被覆材料としてリン酸鉄リチウムを用いた場合には、メカニカルミリング処理の時間を120分に設定することにより、高い放電容量密度維持率を得ることができた。これは、マンガン酸リチウムおよびリン酸鉄リチウムが、ともにセラミックであるため、互いに混合されにくいことによるものであると考えられる。 In addition, when carbon was used as the coating material, a high discharge capacity density retention rate could be obtained when the mechanical milling time was 30 minutes or less, but when lithium iron phosphate was used as the coating material. In this case, a high discharge capacity density retention rate could be obtained by setting the mechanical milling time to 120 minutes. This is considered to be because lithium manganate and lithium iron phosphate are both ceramics and thus are hardly mixed with each other.
また、図17および図18に示すように、各1サイクル目の放電曲線において、4V領域および3V領域にプラトー(電位平坦部)が確認できた。これらの曲線は、背景技術の部分で述べた非特許文献1における放電曲線とほぼ同じである。このことから、非特許文献1と同様に、上式(1)の反応が4V(vs.Li/Li+ )付近の電圧で起こり、上式(2)の反応が3V(vs.Li/Li+ )付近の電圧で起こったと考えられる。なお、上式(2)の反応では、正極活物質の結晶系が立方晶系のLiMn2 O4 から正方晶系のLi2 Mn2 O4 へ変化したと考えられる。
Further, as shown in FIGS. 17 and 18, plateaus (potential flat portions) were confirmed in the 4V region and the 3V region in the discharge curve of each first cycle. These curves are almost the same as the discharge curves in
(9−b)実施例4の評価
マンガン酸リチウム(LiMn2 O4 )とリン酸鉄リチウム(LiFePO4 )との混合物をメカニカルミリング処理することにより得た正極活物質を用いることによって、上式(1)および上式(2)の放電反応において良好な充放電サイクル特性を得ることが可能であることがわかった。それにより、高いエネルギー密度を得ることができることがわかった。なお、被覆材料としてリン酸鉄リチウムを用いる場合のメカニカルミリング処理の時間は120分であることが好ましいことがわかった。
(9-b) Evaluation of Example 4 By using a positive electrode active material obtained by mechanically milling a mixture of lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) and lithium iron phosphate (LiFePO 4 ), the above formula It was found that good charge / discharge cycle characteristics can be obtained in the discharge reaction of (1) and the above formula (2). Thereby, it was found that a high energy density can be obtained. In addition, it turned out that it is preferable that the time of the mechanical milling process in the case of using lithium iron phosphate as a coating material is 120 minutes.
本発明に係る非水電解質二次電池は、携帯用電源および自動車用電源等の種々の電源として利用することができる。 The nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention can be used as various power sources such as a portable power source and an automotive power source.
1 対極
2 作用極
3 参照極
4 セパレータ
5 非水電解質
10 セル容器
1
Claims (6)
満放電状態時において前記正極活物質は、正方晶系のLi2+x Mn2−yMzO4+qを含み、前記xおよび前記qは−1よりも大きく1未満であり、前記yおよび前記zは0以上0.5以下であり、前記Mはクロム、鉄、コバルト、ニッケル、銅、アルミニウムおよびマグネシウムよりなる群から選択される1種または複数種を含み、
前記正極活物質の表面の少なくとも一部が、当該正極活物質の一次粒子の大きさよりも小さい一次粒子からなる被覆材料により覆われており、
前記被覆材料は、リン酸鉄リチウムを含むことを特徴とする非水電解質二次電池。 A positive electrode containing a positive electrode active material, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte,
The positive active material during fully discharged state includes tetragonal Li 2 + x Mn 2-y M z O 4 + q, the x and the q is less than 1 greater than -1, the y and the z is 0 or more and 0.5 or less, and the M includes one or more selected from the group consisting of chromium, iron, cobalt, nickel, copper, aluminum, and magnesium,
At least a part of the surface of the positive electrode active material is covered with a coating material composed of primary particles smaller than the size of the primary particles of the positive electrode active material ,
The non-aqueous electrolyte secondary battery , wherein the coating material contains lithium iron phosphate .
最初の充放電を行う前段階における前記負極は、満放電状態時において前記正極活物質の基本骨格が正方晶系のLi2Mn2O4に変化するために十分なリチウムを含むことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の非水電解質二次電池。
The positive electrode active material in the stage before the first charge / discharge is based on cubic LiMn 2 O 4 in a cubic system in which at least a part of the surface is covered with lithium iron phosphate,
The negative electrode in a stage before performing the first charge / discharge includes a sufficient amount of lithium so that the basic skeleton of the positive electrode active material changes to tetragonal Li 2 Mn 2 O 4 in a full discharge state. The nonaqueous electrolyte secondary battery according to any one of claims 1 to 5 .
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