JP5256649B2 - Water-based lithium secondary battery - Google Patents

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Description

本発明は、例えば水系リチウム二次電池等の電池の活物質として用いられる電池用活物質材料、及び該電池用活物質材料を用いた水系リチウム二次電池に関する。   The present invention relates to a battery active material used as an active material of a battery such as a water based lithium secondary battery, and a water based lithium secondary battery using the battery active material.

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。
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。
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.
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. Configured.

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。水系リチウム二次電池は、製造工程において非水系のリチウム二次電池のような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。   On the other hand, there is an aqueous lithium secondary battery using an aqueous solution as an electrolytic solution. Since the water-based lithium secondary battery does not require a dry environment like a non-aqueous lithium secondary battery in the manufacturing process, the manufacturing cost can be greatly reduced. Furthermore, since aqueous electrolytes generally have higher electrical conductivity than non-aqueous electrolytes, aqueous lithium secondary batteries have the advantage of lower internal resistance than non-aqueous lithium secondary batteries.

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、非水系のリチウム二次電池と比較して起電力が小さくなる。
水の電気分解電圧から計算すると、起電力は1.2V程度が限界であるが、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、2V程度が限界であると予想される。
However, on the other hand, an aqueous lithium secondary battery is required to be used in a potential range where no electrolysis reaction of water occurs, and therefore, an electromotive force is smaller than that of a non-aqueous lithium secondary battery.
When calculated from the electrolysis voltage of water, the limit of electromotive force is about 1.2V. However, in reality, overvoltage is necessary to generate gas by electrolysis, so about 2V is expected to be the limit. Is done.

このように、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、低コスト化、及び内部抵抗の低減を図ることができる。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。   Thus, in the water based lithium secondary battery, cost reduction and reduction of internal resistance can be achieved 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.

水系リチウム二次電池を構成する上で重要なことは、水溶液中で安定で、かつ水の電気分解により酸素や水素を発生しない電位範囲において、可逆的に大量のリチウムを吸蔵及び脱離できる活物質、つまり特定の電位範囲において大きな容量を発揮できる活物質を用いる点にある。
また、電解液としては、中性からアルカリ性の電解液を用いることが望まれている。活物質として主として用いられるLi含有酸化物は、一般に酸性の水溶液中における安定性に乏しく、また、酸性電解液中の多量のH+イオンは、純粋なLi+イオンのロッキングチェア反応を阻害するおそれがあるからである。
What is important for the construction of an aqueous lithium secondary battery is that it is stable in an aqueous solution and has an activity capable of reversibly occluding and desorbing a large amount of lithium in a potential range where oxygen and hydrogen are not generated by electrolysis of water. The substance is that an active material that can exhibit a large capacity in a specific potential range is used.
Further, it is desired to use a neutral to alkaline electrolyte as the electrolyte. Li-containing oxides mainly used as an active material generally have poor stability in an acidic aqueous solution, and a large amount of H + ions in an acidic electrolyte may inhibit the rocking chair reaction of pure Li + ions. Because there is.

中性、即ちpH=7の電解液を用いた場合には、水の分解電圧は、水素発生電位が2.62V(vs.Li+/Li)、酸素発生電位が3.85V(vs.Li+/Li)である。また、強アルカリ性、即ちpH=14の電解液を用いた場合には、水の分解電圧は水素発生電位が2.21V(vs.Li+/Li)、酸素発生電位が3.44V(vs.Li+/Li)である。
水系リチウム二次電池において、正極活物質としては、Liを含有し、Liを引き抜くことにより充電していく材料、即ち電位が上昇する材料が好適である。一方、負極活物質としては、Liを挿入することにより電位が減少する材料が好適である。
また、水系リチウム二次電池においては、非水系のリチウム二次電池に比べて電位幅が小さいため、少しでもエネルギー密度を大きくするために、正極及び負極には、いずれも平坦な電位曲線を有する活物質を用いることが望まれている。
In the case of using a neutral, ie, pH = 7 electrolyte, the water decomposition voltage is such that the hydrogen generation potential is 2.62 V (vs. Li + / Li) and the oxygen generation potential is 3.85 V (vs. Li). + / Li). In addition, when an electrolytic solution having strong alkalinity, that is, pH = 14 is used, the water decomposition voltage has a hydrogen generation potential of 2.21 V (vs. Li + / Li) and an oxygen generation potential of 3.44 V (vs. Li + / Li).
In the water-based lithium secondary battery, as the positive electrode active material, a material that contains Li and is charged by extracting Li, that is, a material that increases the potential is preferable. On the other hand, as the negative electrode active material, a material whose potential is reduced by inserting Li is suitable.
In addition, since the potential width of the aqueous lithium secondary battery is smaller than that of the non-aqueous lithium secondary battery, both the positive electrode and the negative electrode have flat potential curves in order to increase the energy density as much as possible. It is desired to use an active material.

これまでに、水系リチウム二次電池に用いられる正極活物質としては、LiMn24、LiFePO4等が提案されている(特許文献1〜3参照)。これらの正極活物質は、水溶液中で比較的安定であり、比較的高い容量を実現できる。 So far, LiMn 2 O 4 , LiFePO 4 and the like have been proposed as positive electrode active materials used in water-based lithium secondary batteries (see Patent Documents 1 to 3). These positive electrode active materials are relatively stable in an aqueous solution and can realize a relatively high capacity.

一方、負極活物質としては、マンガン酸化物、鉄酸化物、鉄酸化水酸化物、バナジウム酸化物、チタン系ポリアニオン化合物等が提案されている(特許文献3〜10及び非特許文献1参照)。
これらの中で、水系リチウム二次電池の負極活物質として、最も有望視されている物質は、バナジウム酸化物であると考えられている。特に、スピネル構造を有するLiV24は、水の分解が起こらない電位範囲で安定に可逆なLiの挿入脱離を起こすことができ、水溶液電界液中で比較的高い容量を発揮することができる。
On the other hand, manganese oxides, iron oxides, iron oxide hydroxides, vanadium oxides, titanium-based polyanion compounds, and the like have been proposed as negative electrode active materials (see Patent Documents 3 to 10 and Non-Patent Document 1).
Among these, the most promising material is considered to be vanadium oxide as the negative electrode active material of the aqueous lithium secondary battery. In particular, LiV 2 O 4 having a spinel structure can cause stable reversible insertion / extraction of Li in a potential range where water does not decompose, and can exhibit a relatively high capacity in an aqueous electrolysis solution. it can.

しかしながら、LiV24等のリチウムバナジウム酸化物は、レアメタル備蓄対象金属に指定されているバナジウム(V)を含有している。そのため、リチウムバナジウム酸化物を用いた負極活物質は、量産化に対応し難く、さらに製造コストが増大してしまうという問題がある。また、バナジウムを主成分とする化合物には、毒物や劇物の指定を受けるものが少なくなく、環境負荷を増大させてしまうおそれがあった。
また、LiV24等のリチウムバナジウム酸化物を用いた水系リチウム二次電池の充放電サイクル特性は未だ充分ではなく、充放電を繰り返したときに、容量が低下し易いという問題があった。
However, lithium vanadium oxides such as LiV 2 O 4 contain vanadium (V) designated as a rare metal storage target metal. Therefore, the negative electrode active material using lithium vanadium oxide has a problem that it is difficult to cope with mass production and the manufacturing cost increases. In addition, many compounds containing vanadium as a main component are designated as poisonous or deleterious substances, which may increase the environmental load.
In addition, the charge / discharge cycle characteristics of an aqueous lithium secondary battery using a lithium vanadium oxide such as LiV 2 O 4 are not yet sufficient, and there is a problem that the capacity tends to decrease when charge / discharge is repeated.

特表平9−508490号公報JP-T 9-508490 特開2002−260722号公報JP 2002-260722 A 特開2002−110221号公報JP 2002-110221 A 特開2000−340256号公報JP 2000-340256 A 特開2000−77073号公報JP 2000-77073 A 特開2001−102086号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2001-102086 特開2002−208403号公報JP 2002-208403 A 特開2003−17057号公報JP 2003-17057 A 特開2005−158604号公報JP 2005-158604 A 特開2006−66085号公報JP 2006-66085 A エイチ・ワン(H.Wang)他、「エレクトロチミカ アクタ(Electrochimica Acta)」、英国、2007年2月15日発行、第52巻、第9号、p.3280−3285H. Wang et al., “Electrochimica Acta”, UK, February 15, 2007, Vol. 52, No. 9, p. 3280-3285

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、環境負荷が小さく、水溶液電解液を有する水系リチウム二次電池に適用することが可能で、優れた充放電サイクル特性を示すことができる電池用活物質材料、及び該電池用活物質材料を用いた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 has a low environmental load, can be applied to an aqueous lithium secondary battery having an aqueous electrolyte, and exhibits excellent charge / discharge cycle characteristics. It is an object of the present invention to provide a battery active material that can be manufactured and a water based lithium secondary battery using the battery active material.

第1の発明は、(TiO)227組成式とするピロリン酸チタン化合物を主成分とし、
リチウム塩を水に溶解してなる水溶液電解液を備えた水系リチウム二次電池、又はリチウム塩を有機溶媒に溶解してなる非水電解液を備えた非水系リチウムイオン二次電池の活物質として用いられることを特徴とする電池用活物質材料にある(請求項1)。
The first invention is mainly composed of a titanium pyrophosphate compound having a composition formula of (TiO) 2 P 2 O 7 ,
As an active material for an aqueous lithium secondary battery having an aqueous electrolyte obtained by dissolving a lithium salt in water, or a non-aqueous lithium ion secondary battery having a non-aqueous electrolyte obtained by dissolving a lithium salt in an organic solvent It is used for the active material material for batteries characterized by being used (Claim 1).

上記第1の発明の電池用活物質材料は、(TiO)227組成式とするピロリン酸チタン化合物を主成分とする。該ピロリン酸チタン化合物は、水溶液中で安定にLiの挿入及び脱離を行うことができると共に、Li+/Li電極に対して約2.2Vの電位でLiの挿入及び脱離を行うことができる。この約2.2V(vs.Li+/Li)という電位は、上述のpH7における水素発生電位(2.62V(vs.Li+/Li))よりも低いが、過電圧が比較的大きいため充放電が可能になる。
そのため、上記電池用活物質材料は、水溶液中で優れた安定性を示すことができる。それ故、上記電池用活物質材料は、例えば水溶液電解液を有する水系リチウム二次電池の負極活物質として好適に用いることができ、比較的安定な水系リチウム二次電池を実現することができる。
The active material for a battery according to the first aspect of the invention is mainly composed of a titanium pyrophosphate compound having a composition formula of (TiO) 2 P 2 O 7 . The titanium pyrophosphate compound can stably insert and desorb Li in an aqueous solution, and can perform Li insertion and desorption at a potential of about 2.2 V with respect to the Li + / Li electrode. it can. This potential of about 2.2 V (vs. Li + / Li) is lower than the hydrogen generation potential (2.62 V (vs. Li + / Li)) at pH 7 described above. Is possible.
Therefore, the battery active material can exhibit excellent stability in an aqueous solution. Therefore, the battery active material can be suitably used, for example, as a negative electrode active material of an aqueous lithium secondary battery having an aqueous electrolyte, and a relatively stable aqueous lithium secondary battery can be realized.

上記電池用活物質材料を例えば水系リチウム二次電池の負極活物質として用いると、充放電を繰り返したときにおける容量の低下を抑制することができ、容量維持率を向上させることができる。また、上記電池用活物質材料は、リチウム塩を有機溶媒に溶解してなる非水系電解液を有するリチウム二次電池に適用することも可能である。   When the battery active material is used as, for example, a negative electrode active material of a water-based lithium secondary battery, it is possible to suppress a decrease in capacity when charging and discharging are repeated, and to improve a capacity retention rate. The battery active material can also be applied to a lithium secondary battery having a non-aqueous electrolyte solution obtained by dissolving a lithium salt in an organic solvent.

また、上記電池用活物質材料は、その組成中に環境負荷が大きなバナジウム(V)等の元素を必須成分元素としていない。そのため、上記電池用活物質材料を電池の活物質として用いた場合には、環境負荷を小さくすることができる。
また、上記ピロリン酸チタン化合物は、その必須成分元素として、バナジウム等の高価な元素を含有していない。そのため、上記電池用活物質材料を用いることにより、電池の低コスト化を図ることができる。
Moreover, the said active material for batteries does not use elements, such as vanadium (V) with a large environmental load, as an essential component element in the composition. Therefore, when the battery active material is used as a battery active material, the environmental load can be reduced.
The titanium pyrophosphate compound does not contain an expensive element such as vanadium as an essential component element. Therefore, by using the battery active material, the cost of the battery can be reduced.

第2の発明は、正極活物質を含有する正極と、負極活物質を含有する負極と、リチウム塩を水に溶解してなる水溶液電解液とを含有する水系リチウム二次電池において、
上記負極活物質は、(TiO)227組成式とするピロリン酸チタン化合物を主成分とし、
上記正極活物質は、上記ピロリン酸チタン化合物より貴な電位でLiの挿入及び脱離が行われる物質を主成分とす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4)。
A second invention is a water based lithium secondary battery comprising a positive electrode containing a positive electrode active material, a negative electrode containing a negative electrode active material, and an aqueous electrolyte obtained by dissolving a lithium salt in water.
The negative electrode active material is mainly composed of a titanium pyrophosphate compound having a composition formula of (TiO) 2 P 2 O 7 ,
The positive electrode active material is a water based lithium secondary battery characterized in that a main component is a material that inserts and desorbs Li at a noble potential from the titanium pyrophosphate compound.

上記第2の発明の水系リチウム二次電池において、上記負極活物質は、(TiO)227組成式とするピロリン酸チタン化合物を主成分とする。該ピロリン酸チタン化合物は、水溶液中で安定にLiの挿入及び脱離を行うことができると共に、Li+/Li電極に対して約2.2Vという非常に低い電位でLiの挿入及び脱離を行うことができる。この2.2Vという電位は、水素発生過電圧を加味すると、水素発生を伴わないための限界電位に非常に近いため、上記水系リチウム二次電池においては、比較的電池電圧を高くすることが可能になり、高出力な電池を実現することができる。また、上記水系リチウム二次電池は、比較的安定に充放電を繰り返し行うことができ、充放電を繰り返したときにおける容量の低下を抑制して容量維持率を向上させることができる。 In the water based lithium secondary battery of the second invention, the negative electrode active material is mainly composed of a titanium pyrophosphate compound having a composition formula of (TiO) 2 P 2 O 7 . The titanium pyrophosphate compound can stably insert and desorb Li in an aqueous solution, and can insert and desorb Li at a very low potential of about 2.2 V with respect to the Li + / Li electrode. It can be carried out. This potential of 2.2 V is very close to the limit potential for not accompanied by hydrogen generation when the hydrogen generation overvoltage is taken into account, so that the battery voltage can be made relatively high in the aqueous lithium secondary battery. Thus, a high output battery can be realized. Moreover, the said water-system lithium secondary battery can repeat charging / discharging comparatively stably, can suppress the fall of the capacity | capacitance when charging / discharging is repeated, and can improve a capacity | capacitance maintenance factor.

また、上記ピロリン酸チタン化合物は、その組成中に環境負荷が大きなバナジウム(V)を必須成分としていない。そのため、上記水系リチウム二次電池においては、環境負荷を小さくすることができる。
また、上記ピロリン酸チタン化合物は、その必須成分元素として、バナジウム等の高価な元素を含有していない。そのため、上記水系リチウム二次電池の低コスト化を図ることができる。
Moreover, the said titanium pyrophosphate compound does not have vanadium (V) with a large environmental load in the composition as an essential component. Therefore, the environmental load can be reduced in the water based lithium secondary battery.
The titanium pyrophosphate compound does not contain an expensive element such as vanadium as an essential component element. Therefore, cost reduction of the water based lithium secondary battery can be achieved.

次に、本発明の好ましい実施の形態について、説明する。
上記第1の発明において、上記電池用活物質材料は、(TiO)227を基本組成とするピロリン酸チタン化合物を主成分とすることができる。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Ti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、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.
In the first aspect of the invention, the battery active material may be composed mainly of a titanium pyrophosphate compound having a basic composition of (TiO) 2 P 2 O 7 . The above-mentioned “having as a basic composition” means that not only the composition represented by the composition formula but also those obtained by substituting a part of sites such as Ti in the crystal structure with other elements. To do. Furthermore, it means that not only a stoichiometric composition but also a non-stoichiometric composition in which some elements are deficient or the like is included.

上記電池用活物質材料は、例えば、リチウム塩を水に溶解してなる水溶液電解液を有する水系リチウム二次電池、又はリチウム塩を有機溶媒に溶解してなる非水電解液を有する非水系リチウムイオン二次電池等の活物質として用いることができる。   The battery active material is, for example, an aqueous lithium secondary battery having an aqueous electrolyte obtained by dissolving a lithium salt in water, or a nonaqueous lithium having a nonaqueous electrolyte obtained by dissolving a lithium salt in an organic solvent. It can be used as an active material such as an ion secondary battery.

好ましくは、上記電池用活物質材料は、上記水系リチウム二次電池の活物質として用いられることがよい(請求項2)。
この場合には、上記電池用活物質材料の水溶液中での優れた安定性を生かして、充放電を繰り返し行ったときにおける容量維持率の高い水系リチウム二次電池を実現することができる。
Preferably, the active material for battery material may be used as the active material of the aqueous lithium secondary battery (claim 2).
In this case, an aqueous lithium secondary battery having a high capacity retention rate when repeatedly charging and discharging can be realized by taking advantage of the excellent stability of the battery active material in an aqueous solution.

また、上記電池用活物質材料は、負極活物質として用いられることが好ましい(請求項3)。
この場合には、比較的大きな出力の電池を実現することができる。
The battery active material is preferably used as a negative electrode active material.
In this case, a battery having a relatively large output can be realized.

次に、第2の発明において、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。
上記負極は、(TiO)227を基本組成とするピロリン酸チタン化合物を主成分とする上記負極活物質を含有する。該負極活物質としては、上記第1の発明の上記電池用活物質材料を用いることができる。
Next, in the second invention, the water based lithium secondary battery includes, for example, a positive electrode and a negative electrode that occlude / release lithium, a separator sandwiched between them, and moves lithium between the positive electrode and the negative electrode. An aqueous electrolyte or the like can be configured as a main component.
The negative electrode contains the negative electrode active material mainly composed of a titanium pyrophosphate compound having a basic composition of (TiO) 2 P 2 O 7 . As the negative electrode active material, the battery active material of the first invention can be used.

負極は、例えば上記負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又はスラリー状にした負極合材を、例えばステンレス鋼(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し、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。   For the negative electrode, for example, a negative electrode mixture obtained by mixing a conductive material and a binder with the negative electrode active material and adding a suitable solvent as necessary to form a paste or a slurry, for example, stainless steel (SUS) mesh, aluminum It can form by apply | coating to the surface of the negative electrode collector which consists of foil, nickel foil, etc., drying, and compressing so that an electrode density may be increased as needed.

また、上記導電材は、負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。   Further, the conductive material is for ensuring the electrical conductivity of the negative electrode. For example, one or more carbon powder powders such as carbon black, acetylene black, natural graphite, artificial graphite, and cokes are used. 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又は水等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 or water can be used.

また、正極は、上記負極の場合と同様に、例えば正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正極合材を、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。   In the same way as in the case of the negative electrode, for example, the positive electrode mixture obtained by mixing a positive electrode active material with a conductive material or a binder and adding a suitable solvent as necessary to form a paste is made of stainless steel ( It can be formed by applying and drying on the surface of a positive electrode current collector made of SUS) mesh, aluminum foil, nickel foil or the like, and compressing to increase the electrode density as necessary.

上記正極活物質は、上記ピロリン酸チタン化合物より貴な電位でLiの挿入及び脱離が行われる物質を主成分とする。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。   The positive electrode active material is mainly composed of a material that can insert and desorb Li at a potential more noble than the titanium pyrophosphate compound. Such materials can be examined by cyclic voltammetry measurements. Specifically, for example, it can be examined as follows.

即ち、まず、正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、濃度3mol/LLiNO3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、上記ピロリン酸チタン化合物よりも貴な電位で可逆なLiの挿入脱離を示す物質を正極活物質として用いることができる。 That is, first, a desired substance that is a candidate for a positive 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 evaluation electrolytic solution such as a 3 mol / LLiNO 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 shows reversible insertion and desorption of Li at a higher potential than the titanium pyrophosphate compound can be used as the positive electrode active material.

上記正極活物質は、上記ピロリン酸チタン化合物よりも0.5V以上貴な電位でLiの挿入及び脱離が行われる物質を主成分とすることが好ましい(請求項5)。
この場合には、上記水系リチウム二次電池の電池電圧をより向上させることができる。
It is preferable that the positive electrode active material is mainly composed of a material capable of inserting and desorbing Li at a potential no less than 0.5 V higher than that of the titanium pyrophosphate compound.
In this case, the battery voltage of the water based lithium secondary battery can be further improved.

上記正極活物質は、オリビン構造、スピネル構造、又は層状構造を有する化合物を主成分とすることが好ましい(請求項6)。
この場合には、上記正極活物質の安定性が向上し、上記水系リチウム二次電池の充放電効率を向上させることができる。
It is preferable that the positive electrode active material contains a compound having an olivine structure, a spinel structure, or a layered structure as a main component.
In this case, the stability of the positive electrode active material can be improved, and the charge / discharge efficiency of the aqueous lithium secondary battery can be improved.

上記正極活物質は、LiFePO4を基本組成とするオリビン構造の鉄リン酸リチウム化合物、又はLiMn24を基本組成とするスピネル構造のリチウム−マンガン複合酸化物を主成分とすることが好ましい(請求項7)。
上記鉄リン酸リチウム化合物を主成分とする場合には、その優れたクーロン効率を生かして、上記水系リチウム二次電池のサイクル特性をより向上させることができる。
また、上記リチウム−マンガン複合酸化物を主成分とする場合には、その高い酸化還元電位を生かして、上記水系リチウム二次電池の電池電圧をより高くすることができ、より高いエネルギー密度を実現することができる。
また、上記鉄リン酸リチウム化合物又は上記リチウムーマンガン複合酸化物を主成分とする上記正極活物質は、必須の遷移金属元素として、安価で有害性が低い鉄又はマンガンを含有しているため、上記水系リチウム二次電池の製造コストをより低減できると共に、安全性をより向上させることができる。
The positive electrode active material is preferably composed mainly of a lithium iron phosphate compound having an olivine structure having a basic composition of LiFePO 4 or a lithium-manganese composite oxide having a spinel structure having a basic composition of LiMn 2 O 4 ( Claim 7).
In the case where the lithium iron phosphate compound is a main component, the cycle characteristics of the water based lithium secondary battery can be further improved by taking advantage of its excellent Coulomb efficiency.
In addition, when the lithium-manganese composite oxide is the main component, the high redox potential can be utilized to increase the battery voltage of the aqueous lithium secondary battery, realizing a higher energy density. can do.
In addition, the positive electrode active material mainly composed of the lithium iron phosphate compound or the lithium-manganese composite oxide contains iron or manganese that is inexpensive and less harmful as an essential transition metal element. The manufacturing cost of the water based lithium secondary battery can be further reduced, and the safety can be further improved.

なお、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、Mn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、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。   In addition, the above-mentioned “having a basic composition” is not limited to the composition represented by the composition formula, but a part of sites such as Li, Fe, Mn, etc. in the crystal structure is substituted with other elements. It is meant to include things. Furthermore, it means that not only a stoichiometric composition but also a non-stoichiometric composition in which some elements are deficient or the like is included.

上記正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、上記負極の場合と同様の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、上記負極と同様に、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。正極活物質、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又は水等を用いることができる。   As the conductive material that can be used by mixing with the positive electrode active material, the same carbon material powder as in the case of the negative 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 negative electrode. As a solvent for dispersing the positive electrode active material, the conductive material, and the binder, for example, an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone or water 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、ポリアクリロニトリル、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。   Further, 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, polyacrylonitrile, 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。
上記水溶液電解液のpHは、3〜11であることが好ましい(請求項8)。
上記水溶液電解液のpHが3未満の場合には、酸性の水溶液による化学的な作用によって、上記正極活物質及び/又は上記負極活物質からLiが脱離し、電池電圧を保持することができなくなるおそれがある。また、この場合には、水溶液電解液中のプロトンによってLiの挿入・脱離が阻害されてしまうおそれがある。一方、pHが11を超える場合には、酸素発生電位が3.63V(Li+/Li)程度まで低下する。そのため、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、4〜10がよい。
Moreover, the said aqueous lithium secondary battery has aqueous solution electrolyte solution formed by melt | dissolving lithium salt in water as electrolyte solution.
The aqueous electrolyte solution preferably has a pH of 3 to 11. (Claim 8)
When the pH of the aqueous electrolyte is less than 3, Li is desorbed from the positive electrode active material and / or the negative electrode active material due to the chemical action of the acidic aqueous solution, and the battery voltage cannot be maintained. There is a fear. Further, in this case, there is a possibility that the insertion / extraction of Li may be inhibited by protons in the aqueous electrolyte solution. On the other hand, when the pH exceeds 11, the oxygen generation potential decreases to about 3.63 V (Li + / Li). Therefore, there is a possibility that oxygen is easily generated at the positive electrode. More preferably, the pH of the aqueous electrolyte solution is 4-10.

また、上記リチウム塩としては、例えばLiNO3、LiOH、LiCl、及びLi2S等を用いることができる。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。 Furthermore, as the lithium salt can be used, for example LiNO 3, LiOH, LiCl, and Li 2 S and the like. These lithium salts can be used alone or in combination of two or more.

上記リチウム塩としては、少なくとも硝酸リチウムが用いられていることが好ましい(請求項9)。
この場合には、副反応をほとんど起こすことなく、高い充放電効率を得ることができる。
It is preferable that at least lithium nitrate is used as the lithium salt.
In this case, high charge / discharge efficiency can be obtained with little side reaction.

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子に電気的に接続し、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 terminal via lead wires, the electrode body is impregnated with the aqueous electrolyte solution, and the battery case is sealed.

(実施例1)
次に、本発明の実施例につき説明する。
本例は、ピロリン酸チタン化合物((TiO)227)を主成分とする電池用活物質材料を作製し、その電極としての特性を評価する例である。
Example 1
Next, examples of the present invention will be described.
In this example, an active material for a battery containing a titanium pyrophosphate compound ((TiO) 2 P 2 O 7 ) as a main component is produced, and the characteristics as an electrode are evaluated.

まず、以下のようにして、ピロリン酸チタン化合物((TiO)227)の合成を行った。
即ち、まず、リン酸(H3PO4)を過剰の水で希釈した水溶液150mlに、チタンテトライソプロポキシド([(CH3)2CHO]4Ti)を2−プロパノールで希釈した溶液を、約10分かけて滴下し、生成した沈殿物を濾過により分取した。この沈殿物を温度90℃で24時間乾燥させ、その後空気中で、温度1000℃で24時間焼成した。その結果、ピロリン酸チタン化合物((TiO)227)を主成分とする電池用活物質材料を得た。
First, a titanium pyrophosphate compound ((TiO) 2 P 2 O 7 ) was synthesized as follows.
That is, first, a solution obtained by diluting titanium tetraisopropoxide ([(CH 3 ) 2 CHO] 4 Ti) with 2-propanol in 150 ml of an aqueous solution obtained by diluting phosphoric acid (H 3 PO 4 ) with excess water, The solution was added dropwise over about 10 minutes, and the resulting precipitate was collected by filtration. The precipitate was dried at a temperature of 90 ° C. for 24 hours and then calcined in air at a temperature of 1000 ° C. for 24 hours. As a result, an active material for a battery containing a titanium pyrophosphate compound ((TiO) 2 P 2 O 7 ) as a main component was obtained.

次に、上記電池用活物質材料の電極としての特性を調べるために、試験用のリチウム二次電池(2016型コイン電池)を作製した。
具体的には、まず、上記のようにして合成した電池用活物質材料((TiO)227)70重量部、導電剤としてのカーボン25重量部、及び結着材としてのポリテトラフルオロエチレン(PTFE)5重量部を混合し、混合粉末を作製した。次いで、2016型のコインセル用の電池ケースを準備し、予め電池ケースの内側に溶接したSUSメッシュ上に、混合粉末14.3mg(活物質量10mg)を約0.6ton/cm2で圧着して試験用電極を形成した。
次いで、試験用電極の対極として直径15mmの金属リチウム箔を準備し、試験用電極と対極とをポリエチレン製のセパレータを介して2016型コインセル用の電池ケース中に配置した。さらに電池ケースの端部にガスケットを配置した。
Next, in order to investigate the characteristics of the battery active material as an electrode, a test lithium secondary battery (2016 type coin battery) was prepared.
Specifically, first, 70 parts by weight of the battery active material ((TiO) 2 P 2 O 7 ) synthesized as described above, 25 parts by weight of carbon as a conductive agent, and polytetragon as a binder. 5 parts by weight of fluoroethylene (PTFE) was mixed to prepare a mixed powder. Next, a battery case for a 2016-type coin cell was prepared, and 14.3 mg of mixed powder (10 mg of active material) was pressure-bonded at about 0.6 ton / cm 2 on a SUS mesh previously welded to the inside of the battery case. Test electrodes were formed.
Next, a metal lithium foil having a diameter of 15 mm was prepared as a counter electrode of the test electrode, and the test electrode and the counter electrode were arranged in a battery case for a 2016 type coin cell through a polyethylene separator. Furthermore, a gasket was disposed at the end of the battery case.

次に、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)とエチルメチルカーボネート(EMC)を体積比3:4:3にて混合した混合溶媒に、LiPF6を濃度1mol/Lとなるように溶解することにより電解液を作製した。この電解液を電池ケース内に適量注入して含浸させた。その後、電池ケースを密閉して試験用のリチウム二次電池を作製した。なお、本例のリチウム二次電池の作製にあたっては、上述の試験用電極の形成以降の手順は、全てAr雰囲気のグローブボックスの中で行った。 Next, LiPF 6 is dissolved to a concentration of 1 mol / L in a mixed solvent in which ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), and ethyl methyl carbonate (EMC) are mixed at a volume ratio of 3: 4: 3. Thus, an electrolytic solution was prepared. An appropriate amount of this electrolytic solution was injected into the battery case and impregnated. Thereafter, the battery case was sealed to produce a test lithium secondary battery. In the production of the lithium secondary battery of this example, all the procedures after the formation of the test electrode described above were performed in a glove box in an Ar atmosphere.

次に、上記のようにして作製した試験用のリチウム二次電池の試験用電極を、温度20℃の恒温槽内で、電流密度0.2mA/cm2にて所定の下限電圧まで定電流で還元し、温度20℃の恒温槽内で、電流密度0.2mA/cm2にて所定の上限電圧まで定電流で酸化した。なお、下限電圧は1.0V、上限電圧は3.0Vとした。
次いで、さらにリチウム二次電池の試験用電極を電流密度0.2mA/cm2にて所定の下限電圧まで定電流で還元し、この2回目の還元時における電圧−容量曲線を作製した。また、2回目の還元の後、再び電流密度0.2mA/cm2にて所定の上限電圧まで定電流で酸化し、このときの電圧−容量曲線を作製した。その結果を図1に示す。
Next, the test electrode of the test lithium secondary battery produced as described above was kept at a constant current up to a predetermined lower limit voltage at a current density of 0.2 mA / cm 2 in a constant temperature bath at a temperature of 20 ° C. Reduced and oxidized in a constant temperature bath at a temperature of 20 ° C. with a constant current at a current density of 0.2 mA / cm 2 to a predetermined upper limit voltage. The lower limit voltage was 1.0 V and the upper limit voltage was 3.0 V.
Next, the test electrode of the lithium secondary battery was further reduced with a constant current at a current density of 0.2 mA / cm 2 to a predetermined lower limit voltage, and a voltage-capacity curve at the time of the second reduction was prepared. Further, after the second reduction, oxidation was performed again at a constant current up to a predetermined upper limit voltage at a current density of 0.2 mA / cm 2 , and a voltage-capacity curve at this time was prepared. The result is shown in FIG.

即ち、図1は、活物質(TiO)227についてのLiに対する電位と、酸化・還元容量との関係を示すものである。
図1においては、横軸は容量(酸化容量又は還元容量)を示し、縦軸はLiに対する電位(vs.Li/Li+)を示す。また、図1において、右上がりの曲線が酸化時における電位と容量との関係を示し、右下がりの曲線が還元時における電位と容量との関係を示す。なお、還元容量は、還元電流値に、還元に要した時間(hr)を乗じて得られる値を、電池内の活物質(TiO)227の重量(g)で除することにより算出できる。同様に、酸化容量は、酸化電流値に、酸化に要した時間(hr)を乗じて得られる値を、電池内の活物質(TiO)227の重量(g)で除することにより算出できる。
That is, FIG. 1 shows the relationship between the potential with respect to Li and the oxidation / reduction capacity for the active material (TiO) 2 P 2 O 7 .
In FIG. 1, the horizontal axis represents capacity (oxidation capacity or reduction capacity), and the vertical axis represents potential (vs. Li / Li + ) with respect to Li. Further, in FIG. 1, a curve that rises to the right indicates the relationship between the potential and the capacity during oxidation, and a curve that descends to the right indicates the relationship between the potential and the capacity during reduction. The reduction capacity is obtained by dividing the value obtained by multiplying the reduction current value by the time required for reduction (hr) by the weight (g) of the active material (TiO) 2 P 2 O 7 in the battery. It can be calculated. Similarly, the oxidation capacity is obtained by dividing the value obtained by multiplying the oxidation current value by the time (hr) required for oxidation by the weight (g) of the active material (TiO) 2 P 2 O 7 in the battery. Can be calculated.

図1より知られるごとく、クーロン効率は若干悪いが、(TiO)227は、非水電解液中で可逆なLiの挿入・脱離を起こすことがわかる。電位の挙動はいくつかの領域に分かれており、酸化還元電位を一つしか持たない二相共存型の領域や、Liの挿入・脱離に伴って組成などが連続的に変化し、電位もそれに伴って変化する領域等が混在していた。おおむね3つの領域が存在し、2.6V(vs.Li+/Li)、2.2V(vs.Li+/Li)、及び1.6V(vs.Li+/Li)に比較的平坦な電位をもつことを確認した。 As can be seen from FIG. 1, the Coulomb efficiency is slightly worse, but (TiO) 2 P 2 O 7 causes reversible Li insertion / extraction in the non-aqueous electrolyte. The behavior of the potential is divided into several regions. The two-phase coexistence region that has only one oxidation-reduction potential, the composition changes continuously with the insertion and removal of Li, and the potential is also Along with this, there were mixed areas and the like. Generally there are three regions, 2.6V (vs.Li + /Li),2.2V(vs.Li + / Li), and relatively flat potential 1.6V (vs.Li + / Li) I confirmed that I have.

ところで、一般に、水溶液電解液を有する水系リチウム二次電池において、pH=7の電解液を用いた場合には水素発生電位は2.62V(vs.Li+/Li)であり、pH=14の電解液を用いた場合には水素発生電位は2.21V(vs.Li+/Li)である。即ち、この水素発生電位以下では水素が発生し、水溶液中でLiの挿入・脱離が起こらない。実際には、ガス発生過電圧があるため、上記水素発生電位より少し低い電位までLiの挿入・脱離が起こる可能性があることを考慮すると、図1の結果から、上記の(TiO)227は、水系リチウム二次電池の負極活物質としての電位範囲に約150mAh/gの容量を有することがわかる。 By the way, in general, in an aqueous lithium secondary battery having an aqueous electrolyte, when an electrolyte with pH = 7 is used, the hydrogen generation potential is 2.62 V (vs. Li + / Li), and pH = 14. When the electrolytic solution is used, the hydrogen generation potential is 2.21 V (vs. Li + / Li). That is, hydrogen is generated below this hydrogen generation potential, and Li insertion / extraction does not occur in the aqueous solution. Actually, since there is a gas generation overvoltage, considering the possibility of Li insertion / desorption up to a potential slightly lower than the hydrogen generation potential, from the result of FIG. 1, the above (TiO) 2 P It can be seen that 2 O 7 has a capacity of about 150 mAh / g in the potential range as the negative electrode active material of the water based lithium secondary battery.

(実施例2)
本例は、実施例1において作製した(TiO)227を負極活物質として用いて、水系リチウム二次電池を作製し、その充放電サイクル特性を評価する例である。
図2に示すごとく、本例の水系リチウム二次電池1は、正極活物質を含有する正極2と、負極活物質を含有する負極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。負極活物質は、実施例1において作製した電池用活物質材料((TiO)227)を用いる。
また、正極2は、正極活物質としてLiFePO4を含有する。また、水系リチウム二次電池1は、水溶液電解液として、濃度6mol/LのLiNO3水溶液を含有する。
(Example 2)
In this example, an aqueous lithium secondary battery is produced using (TiO) 2 P 2 O 7 produced in Example 1 as a negative electrode active material, and its charge / discharge cycle characteristics are evaluated.
As shown in FIG. 2, the aqueous lithium secondary battery 1 of this example includes a positive electrode 2 containing a positive electrode active material, a negative electrode 3 containing a negative electrode active material, and an aqueous electrolyte obtained by dissolving a lithium salt in water. Have As the negative electrode active material, the battery active material ((TiO) 2 P 2 O 7 ) prepared in Example 1 is used.
The positive electrode 2 contains LiFePO 4 as a positive electrode active material. Furthermore, water based lithium secondary battery 1, as the aqueous electrolyte solution contains a LiNO 3 solution of concentration 6 mol / L.

水系リチウム二次電池1においては、2016型の電池ケース11中に、正極2及び負極3と共に、これらの間に狭装させた状態でセパレータ4が配置されている。また、電池ケース11内には、水溶液電解液が注入されている。電池ケース11内の端部には、ガスケット45が配置されており、電池ケース11は封口板12により密閉されている。   In the water based lithium secondary battery 1, a separator 4 is disposed in a 2016 type battery case 11 together with a positive electrode 2 and a negative electrode 3 in a state of being sandwiched between them. An aqueous electrolyte solution is injected into the battery case 11. A gasket 45 is disposed at an end in the battery case 11, and the battery case 11 is sealed with a sealing plate 12.

次に、本例の水系リチウム二次電池1の作製方法につき、説明する。
まず、以下のようにして正極活物質としてのLiFePO4を合成する。
即ち、まず、炭酸リチウムと、鉄の価数が2価であるシュウ酸鉄と、リン酸二水素アンモニウムとを、Li:Fe:Pがそれぞれモル比で1.2:1:1となるように混合した。次いで、得られる混合粉末を、ペレット状に成形して、アルゴンガス雰囲気下、温度650℃で24時間焼成した。このようにして、LiFePO4を得た。なお、LiFePO4の合成においては、得られるLiFePO4においてはLiとFeとのモル比は1:1であるのに対して、上記のごとくLiとFeとのモル比が1.2:1となるようにLi源とFe源とを混合している。これは、Liが高温で雰囲気中に放出されやすいことを考慮して配合を行ったためである。
また、負極活物質としては、実施例1と同様の電池用活物質材料((TiO)227)を作製した。
Next, a manufacturing method of the water based lithium secondary battery 1 of this example will be described.
First, LiFePO 4 as a positive electrode active material is synthesized as follows.
That is, first, lithium carbonate, iron oxalate having a valence of iron, and ammonium dihydrogen phosphate are mixed so that the molar ratio of Li: Fe: P is 1.2: 1: 1, respectively. Mixed. Next, the obtained mixed powder was formed into a pellet and fired at a temperature of 650 ° C. for 24 hours in an argon gas atmosphere. In this way, LiFePO 4 was obtained. In the synthesis of LiFePO 4, the molar ratio of Li and Fe in LiFePO 4 obtained 1: whereas a 1, the molar ratio of the above as Li and Fe is 1.2: 1 and In this way, the Li source and the Fe source are mixed. This is because Li was blended in consideration that Li is easily released into the atmosphere at a high temperature.
Further, as the negative electrode active material, the same battery active material ((TiO) 2 P 2 O 7 ) as in Example 1 was produced.

次に、上記のようにして作製した正極活物質及び負極活物質を用いて、水系リチウム二次電池を作製する。
具体的には、まず、負極活物質を70重量部、導電剤としてのカーボンブラックを25重量部、及び結着材としてのポリエチレンテレフタレートを5重量部混合し、負極合材を作製した。この負極合材14.3mg(活物質量10mg)を予めコインセルの内側に溶接したSUSメッシュ上に約0.6ton/cm2で圧着して負極3を形成した(図2参照)。
また、正極活物質としてのLiFePO4を70重量部、導電剤としてのカーボンブラックを25重量部、及び結着材としてのポリロエチレンテレフタレートを5重量部混合し、正極合材を作製した。この正極合材14.3mg(活物質量10mg)を予めコインセルの内側に溶接したSUSメッシュ上に約0.6ton/cm2で圧着して正極2を形成した(図2参照)。
Next, an aqueous lithium secondary battery is produced using the positive electrode active material and negative electrode active material produced as described above.
Specifically, first, 70 parts by weight of the negative electrode active material, 25 parts by weight of carbon black as a conductive agent, and 5 parts by weight of polyethylene terephthalate as a binder were mixed to prepare a negative electrode mixture. This negative electrode mixture 14.3 mg (active material amount 10 mg) was pressure-bonded at about 0.6 ton / cm 2 on a SUS mesh previously welded to the inside of the coin cell to form the negative electrode 3 (see FIG. 2).
Further, 70 parts by weight of LiFePO 4 as a positive electrode active material, 25 parts by weight of carbon black as a conductive agent, and 5 parts by weight of polyethylene terephthalate as a binder were mixed to prepare a positive electrode mixture. 14.4 mg of this positive electrode mixture (active material amount 10 mg) was pressure-bonded at about 0.6 ton / cm 2 on a SUS mesh previously welded to the inside of the coin cell to form the positive electrode 2 (see FIG. 2).

次に、図2に示すごとく、2016型のコインセル用の電池ケース11を準備し、この電池ケース11内に、正極2と負極3とを配置した。このとき、正極2と負極3との間には、ポリエチレン製のセパレータ4を配置した。
次いで、電池ケース11内にガスケット45を配置し、さらに電池ケース11内に水溶液電解液を適量注入し含浸させた。本例においては、水溶液電解液としては、濃度6mol/LのLiNO3水溶液(pH≒4.5)を用いた。
次に、電池ケース11の開口部に封口板12を配置し、電池ケース11及び封口板12の端部をかしめ加工することにより、電池ケース11を密封して、水系リチウム二次電池1を作製した。これを電池Eとする。
Next, as shown in FIG. 2, a battery case 11 for a 2016-type coin cell was prepared, and the positive electrode 2 and the negative electrode 3 were arranged in the battery case 11. At this time, a polyethylene separator 4 was disposed between the positive electrode 2 and the negative electrode 3.
Next, a gasket 45 was placed in the battery case 11, and an appropriate amount of an aqueous electrolyte solution was injected into the battery case 11 and impregnated. In this example, a 6 mol / L LiNO 3 aqueous solution (pH≈4.5) was used as the aqueous electrolyte solution.
Next, the sealing plate 12 is disposed in the opening of the battery case 11, and the battery case 11 is sealed by caulking the ends of the battery case 11 and the sealing plate 12, thereby producing the aqueous lithium secondary battery 1. did. This is referred to as a battery E.

また、本例においては、上記電池Eの比較用として、負極活物質としてLiV24を含有する水系リチウム二次電池(電池C)を作製した。電池Cは、負極活物質として、LiV24を用いた点を除いては、上記電池Eと同様にして作製したものである。
LiV24の合成は、以下のようにして行った。
即ち、まず、炭酸リチウム(Li2CO3)及び五酸化バナジウム(V25)を上記組成式(LiV24)の化学量論比にしたがって秤量し、自動乳鉢で20分間混合した。その後、混合物100重量部に対して、カーボンブラック(東海カーボン株式会社製の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。その混合物をアルゴン気流中、温度750℃で24時間焼成した後、急冷し、LiV24を得た。
得られたLiV24を用いて、その他は上記電池Eと同様にして水系リチウム二次電池を作製した。これを電池Cとする。
In this example, for comparison with the battery E, an aqueous lithium secondary battery (battery C) containing LiV 2 O 4 as a negative electrode active material was produced. Battery C was produced in the same manner as Battery E, except that LiV 2 O 4 was used as the negative electrode active material.
LiV 2 O 4 was synthesized as follows.
That is, first, lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) and vanadium pentoxide (V 2 O 5 ) were weighed according to the stoichiometric ratio of the composition formula (LiV 2 O 4 ) and mixed in an automatic mortar for 20 minutes. Thereafter, 2 parts by weight of carbon black (TB-5500 manufactured by Tokai Carbon Co., Ltd.) was added to 100 parts by weight of the mixture, and further mixed for 20 minutes in an automatic mortar. The mixture was baked in an argon stream at a temperature of 750 ° C. for 24 hours and then rapidly cooled to obtain LiV 2 O 4 .
Using the obtained LiV 2 O 4 , a water-based lithium secondary battery was produced in the same manner as the battery E except for the above. This is battery C.

次に、上記電池E及び電池Cの2種類の水系リチウム二次電池について、充放電サイクル試験を行った。
充放電サイクル試験は、各電池(電池E及び電池C)を、温度20℃の条件下で、電流密度0.1mA/cm2の定電流で、電池電圧1.4Vまで充電し、その後、電流密度0.1mA/cm2の定電流で電池電圧0.6Vまで放電する充放電を1サイクルとし、このサイクルを20サイクル繰り返すことにより行った。そして初回の放電容量と20サイクル目の放電容量を測定した。放電容量は、放電電流値(mA)に放電に要した時間(hr)を乗じて得られた値を、電池内の正極活物質の重量(g)で除することにより算出した。図3に、電池E1についての初回の放電曲線を示す。また、初回の放電容量及び20サイクル目の放電容量から、20サイクル後における容量維持率を算出した。その結果を表1に示す。
Next, a charge / discharge cycle test was performed on the two types of water-based lithium secondary batteries, the battery E and the battery C.
In the charge / discharge cycle test, each battery (battery E and battery C) was charged to a battery voltage of 1.4 V at a constant current of a current density of 0.1 mA / cm 2 at a temperature of 20 ° C. Charging / discharging to discharge the battery voltage to 0.6 V with a constant current of density 0.1 mA / cm 2 was defined as one cycle, and this cycle was repeated 20 times. The initial discharge capacity and the discharge capacity at the 20th cycle were measured. The discharge capacity was calculated by dividing the value 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 in the battery. FIG. 3 shows an initial discharge curve for the battery E1. Further, the capacity retention rate after 20 cycles was calculated from the initial discharge capacity and the 20th cycle discharge capacity. The results are shown in Table 1.

Figure 0005256649
Figure 0005256649

図3より知られるごとく、 (TiO)227は、水系リチウム二次電池の負極活物質として動作可能であることがわかる。
また、表1より知られるごとく、(TiO)227を負極活物質として用いた水系リチウム二次電池(電池E)は、LiV24を負極活物質として用いた水系リチウム二次電池(電池Cよりも容量維持率が向上しており、優れた充放電サイクル特性を示すことがわかる。
したがって、(TiO)227を主成分とする活物質は、水系リチウム二次電池の負極活物質として特に好適に用いることができ、かかる負極活物質を用いた水系リチウム二次電池は、優れた充放電サイクル特性を示すことができる。また、(TiO)227を主成分とする活物質は、環境負荷が小さく、高価な金属元素を含有していないため、低コストで作製することができる。
As can be seen from FIG. 3, it can be seen that (TiO) 2 P 2 O 7 can operate as a negative electrode active material of an aqueous lithium secondary battery.
Further, as is known from Table 1, an aqueous lithium secondary battery (battery E) using (TiO) 2 P 2 O 7 as a negative electrode active material is an aqueous lithium secondary battery using LiV 2 O 4 as a negative electrode active material. It can be seen that the capacity retention rate of the battery (battery C is improved and excellent charge / discharge cycle characteristics are exhibited.
Therefore, the active material mainly composed of (TiO) 2 P 2 O 7 can be particularly preferably used as the negative electrode active material of the water based lithium secondary battery, and the water based lithium secondary battery using such a negative electrode active material is Excellent charge / discharge cycle characteristics can be exhibited. An active material containing (TiO) 2 P 2 O 7 as a main component has a low environmental load and does not contain an expensive metal element, and thus can be manufactured at low cost.

実施例1にかかる、電池用活物質材料(TiO)227の電位と容量との関係を示す線図。According to Example 1, graph showing the relationship between the potential and the capacity of the battery active material (TiO) 2 P 2 O 7 . 実施例2にかかる、水系リチウム二次電池の構成を示す説明図。FIG. 3 is an explanatory diagram showing a configuration of an aqueous lithium secondary battery according to Example 2. 実施例2にかかる、水系リチウム二次電池(電池E)の初回放電時における容量と電圧との関係を示す線図。The diagram which shows the relationship between the capacity | capacitance at the time of the first discharge of the water-system lithium secondary battery (battery E) concerning Example 2, and a voltage.

符号の説明Explanation of symbols

1 水系リチウム二次電池
2 正極
3 負極
1 Water-based lithium secondary battery 2 Positive electrode 3 Negative electrode

Claims (9)

(TiO)227組成式とするピロリン酸チタン化合物を主成分とし、
リチウム塩を水に溶解してなる水溶液電解液を備えた水系リチウム二次電池、又はリチウム塩を有機溶媒に溶解してなる非水電解液を備えた非水系リチウムイオン二次電池の活物質として用いられることを特徴とする電池用活物質材料。
The main component is a titanium pyrophosphate compound having a composition formula of (TiO) 2 P 2 O 7 ,
As an active material for an aqueous lithium secondary battery having an aqueous electrolyte obtained by dissolving a lithium salt in water, or a non-aqueous lithium ion secondary battery having a non-aqueous electrolyte obtained by dissolving a lithium salt in an organic solvent An active material for a battery, characterized by being used .
請求項1において、上記電池用活物質材料は、上記水系リチウム二次電池の活物質として用いられることを特徴とする電池用活物質材料。 According to claim 1, said active material for battery material, active material for a battery, characterized in that used as the active material of the aqueous lithium secondary battery. 請求項1又は2において、上記電池用活物質材料は、負極活物質として用いられることを特徴とする電池用活物質材料。   3. The battery active material according to claim 1, wherein the battery active material is used as a negative electrode active material. 正極活物質を含有する正極と、負極活物質を含有する負極と、リチウム塩を水に溶解してなる水溶液電解液とを含有する水系リチウム二次電池において、
上記負極活物質は、(TiO)227組成式とするピロリン酸チタン化合物を主成分とし、
上記正極活物質は、上記ピロリン酸チタン化合物より貴な電位でLiの挿入及び脱離が行われる物質を主成分とすることを特徴とする水系リチウム二次電池。
In an aqueous lithium secondary battery containing a positive electrode containing a positive electrode active material, a negative electrode containing a negative electrode active material, and an aqueous electrolyte obtained by dissolving a lithium salt in water,
The negative electrode active material is mainly composed of a titanium pyrophosphate compound having a composition formula of (TiO) 2 P 2 O 7 ,
The water-based lithium secondary battery, wherein the positive electrode active material contains as a main component a substance that inserts and desorbs Li at a potential more noble than the titanium pyrophosphate compound.
請求項4において、上記正極活物質は、上記ピロリン酸チタン化合物よりも0.5V以上貴な電位でLiの挿入及び脱離が行われる物質を主成分とすることを特徴とする水系リチウム二次電池。   5. The aqueous lithium secondary material according to claim 4, wherein the positive electrode active material is mainly composed of a material capable of inserting and desorbing Li at a potential of 0.5 V or higher than the titanium pyrophosphate compound. battery. 請求項4又は5において、上記正極活物質は、オリビン構造、スピネル構造、又は層状構造を有する化合物を主成分とすることを特徴とする水系リチウム二次電池。   6. The aqueous lithium secondary battery according to claim 4, wherein the positive electrode active material contains a compound having an olivine structure, a spinel structure, or a layered structure as a main component. 請求項4〜6のいずれか一項において、上記正極活物質は、LiFePO4を基本組成とするオリビン構造の鉄リン酸リチウム化合物、又はLiMn24を基本組成とするスピネル構造のリチウム−マンガン複合酸化物を主成分とすることを特徴とする水系リチウム二次電池。 7. The positive electrode active material according to claim 4, wherein the positive electrode active material is an iron phosphate lithium compound having an olivine structure having a basic composition of LiFePO 4 or lithium-manganese having a spinel structure having a basic composition of LiMn 2 O 4. An aqueous lithium secondary battery comprising a composite oxide as a main component. 請求項4〜7のいずれか一項において、上記水溶液電解液のpHは、3〜11であることを特徴とする水系リチウム二次電池。   The aqueous lithium secondary battery according to any one of claims 4 to 7, wherein the aqueous electrolyte solution has a pH of 3 to 11. 請求項4〜8のいずれか一項において、上記リチウム塩としては、少なくとも硝酸リチウムが用いられていることを特徴とする水系リチウム二次電池。   The aqueous lithium secondary battery according to any one of claims 4 to 8, wherein at least lithium nitrate is used as the lithium salt.
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