JP5391934B2 - Secondary battery and method for manufacturing positive electrode - Google Patents
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Description
本発明は、二次電池及び正極の製造方法に関し、更に詳しくは多価金属を用いた二次電池及び正極の製造方法に関する。 The present invention relates to a secondary battery and a method for manufacturing a positive electrode, and more particularly to a secondary battery using a polyvalent metal and a method for manufacturing a positive electrode.
従来、この種の二次電池としては、マグネシウムイオンを吸蔵放出する材料として、五酸化バナジウム/炭素複合材料を正極の活物質に利用することが提案されている(例えば、非特許文献1,2参照)。この非特許文献1では、マグネシウムの挿入サイトとして、酸化バナジウムのピラミッドの内部サイトと層間サイトとの2つが存在し、五酸化バナジウム/炭素複合材料は、五酸化バナジウムと炭素材料との単なる混合物に比して、層間隔がより大きく、拡散長さがより小さい特性を示し、層間サイトをより利用しやすく、マグネシウムを吸蔵・放出する正極活物質として有用であることが提案されている。また、非特許文献2では、五酸化バナジウム/炭素複合材料を用いると、急速充放電にも対応することができると提案されている。 Conventionally, as a secondary battery of this type, it has been proposed to use a vanadium pentoxide / carbon composite material as a positive electrode active material as a material for occluding and releasing magnesium ions (for example, Non-Patent Documents 1 and 2). reference). In this Non-Patent Document 1, there are two internal sites of the vanadium oxide pyramid and an interlayer site as magnesium insertion sites, and the vanadium pentoxide / carbon composite material is a simple mixture of vanadium pentoxide and a carbon material. On the other hand, it has been proposed that the layer spacing is larger and the diffusion length is smaller, the interlayer site is more easily used, and it is useful as a positive electrode active material that occludes and releases magnesium. Further, Non-Patent Document 2 proposes that rapid charging / discharging can be handled by using a vanadium pentoxide / carbon composite material.
上述の非特許文献1,2に記載の五酸化バナジウム/炭素複合材料では、作製時の熱処理温度が120℃と比較的低く、図8に示すように、酸化バナジウムの層間に、2種類の水が存在する積層構造を有している。即ち、2種類の水を含む状態の積層構造によりマグネシウムイオンの吸蔵・放出が円滑に行われるのである。しかしながら、二次電池の構成では、非水系の電解液を用いることから、上述の非特許文献1,2に記載の正極活物質に含まれる水分が電解液へ溶出すると、例えばマグネシウム金属やマグネシウム合金などの負極と反応して酸化物層(水酸化物層)を形成するため、繰り返し充放電時などに、電池性能が低下する問題があった。 In the vanadium pentoxide / carbon composite materials described in Non-Patent Documents 1 and 2 above, the heat treatment temperature at the time of production is relatively low at 120 ° C., and as shown in FIG. Has a laminated structure. In other words, magnesium ions are smoothly occluded / released by a laminated structure containing two types of water. However, in the configuration of the secondary battery, since a non-aqueous electrolyte solution is used, when moisture contained in the positive electrode active material described in Non-Patent Documents 1 and 2 is eluted into the electrolyte solution, for example, magnesium metal or magnesium alloy In order to form an oxide layer (hydroxide layer) by reacting with a negative electrode such as the above, there has been a problem that battery performance deteriorates during repeated charging and discharging.
本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、バナジウムを含み多価金属を吸蔵・放出するものにおいて、電池特性をより高めることができる二次電池及び正極の製造方法を提供することを主目的とする。 The present invention has been made in view of such a problem, and provides a method for manufacturing a secondary battery and a positive electrode that can further improve battery characteristics in the case of containing and releasing polyvalent metals including vanadium. The main purpose.
上述した目的を達成するために鋭意研究したところ、本発明者らは、バナジウムと炭素材料とを含む混合材料を所定の温度範囲で熱処理し、酸化バナジウムから水分を除去すると共に、炭素材料を一部酸化して細孔を形成すると、多価金属を吸蔵・放出するものにおいて電池特性をより高めることができることを見いだし、本発明を完成するに至った。 As a result of diligent research to achieve the above-described object, the present inventors heat-treated a mixed material containing vanadium and a carbon material in a predetermined temperature range to remove moisture from the vanadium oxide and to control the carbon material. It has been found that the formation of pores by partial oxidation can further improve battery characteristics in those that absorb and release polyvalent metals, and the present invention has been completed.
即ち、本発明の二次電池は、
多価金属を用いた二次電池であって、
前記多価金属を吸蔵・放出可能な負極と、
バナジウムを含む正極活物質と炭素材料とを含む正極活物質層を有する正極と、
前記負極と前記正極との間に介在し前記多価金属のイオンを伝導する非水系のイオン伝導媒体と、を備え、
前記正極活物質層は、X線回折測定すると2θが12.2°、15.4°、20.3°及び29.2°に回折ピークを有し、
前記正極活物質層は、窒素吸着測定を行いBJH法により解析すると細孔半径2nmを含む所定の細孔半径範囲でのLog微分細孔容積の平均値である平均細孔容積Vdが1.50×10-2cm3/g以上であるものである。
That is, the secondary battery of the present invention is
A secondary battery using a polyvalent metal,
A negative electrode capable of inserting and extracting the polyvalent metal;
A positive electrode having a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material containing vanadium and a carbon material;
A non-aqueous ion conducting medium that is interposed between the negative electrode and the positive electrode and conducts ions of the polyvalent metal,
The positive electrode active material layer has diffraction peaks at 2θ of 12.2 °, 15.4 °, 20.3 °, and 29.2 ° as measured by X-ray diffraction,
When the positive electrode active material layer is subjected to nitrogen adsorption measurement and analyzed by the BJH method, the average pore volume Vd, which is the average value of the Log differential pore volume in a predetermined pore radius range including a pore radius of 2 nm, is 1.50. × 10 −2 cm 3 / g or more
また、本発明の正極の製造方法は、
多価金属を用いた二次電池の正極の製造方法であって、
バナジウムと炭素材料とを混合した混合材料を調製する混合工程と、
前記混合工程で得られた混合材料を酸化雰囲気において275℃以上で熱処理する熱処理工程と、
を含むものである。
Moreover, the manufacturing method of the positive electrode of the present invention includes:
A method for producing a positive electrode of a secondary battery using a polyvalent metal,
A mixing step of preparing a mixed material in which vanadium and a carbon material are mixed;
A heat treatment step of heat-treating the mixed material obtained in the mixing step at 275 ° C. or higher in an oxidizing atmosphere;
Is included.
本発明では、バナジウムを含み多価金属を吸蔵・放出するものにおいて、電池特性をより高めることができる。このような効果が得られる理由は明らかではないが、以下のように推測される。例えば、多価金属(MgやAlなど)の吸蔵・放出には、酸化バナジウムの層間などに結晶水が存在すると多価金属が移動しやすく好ましいことから、酸化バナジウムから結晶水を除去せずに利用するのが一般的である。しかしながら、この場合、水がイオン伝導媒体中に溶出し、負極活物質の表面で酸化物又は水酸化物を形成することにより、負極が不活性化することがあった。一方、酸化バナジウムから結晶水を単に除去すると、酸化物の結晶化や緻密化など構造変化が進行することにより、多価金属の吸蔵・放出性が低下し、電池性能が低下することがあった。本発明では、熱処理により酸化バナジウムの層間などに存在する水分を除去することによって、正極活物質層をCu管球を用いてX線回折測定すると2θが12.2°、15.4°、20.3°及び29.2°に回折ピークを有するものとし、水との反応により生じる負極の不活性化を抑制するのである。また、これに加え、バナジウムと炭素材料とを混合して酸化雰囲気下で熱処理することにより、炭素材料を燃焼させ平均細孔容積Vdが1.50×10-2cm3/g以上であるものとする、即ち細孔容積を増加することによって活物質層とイオン伝導媒体との接触性を高め、多価金属の吸蔵・放出性の低下を抑制するのである。したがって、バナジウムを含み多価金属を吸蔵・放出するものにおいて、電池特性をより高めることができるものと推察される。 In the present invention, the battery characteristics can be further improved in the case of containing and releasing polyvalent metals including vanadium. The reason why such an effect is obtained is not clear, but is presumed as follows. For example, for occluding and releasing polyvalent metals (Mg, Al, etc.), it is preferable that crystallization water is present between vanadium oxide layers, because the valence metal is easy to move, so it is possible to remove crystallization water from vanadium oxide. It is common to use it. However, in this case, the negative electrode may be deactivated by elution of water into the ion conductive medium and formation of an oxide or hydroxide on the surface of the negative electrode active material. On the other hand, when crystal water is simply removed from vanadium oxide, the structural change such as crystallization and densification of the oxide progresses, so that the occlusion / release property of polyvalent metals is lowered and the battery performance may be lowered. . In the present invention, when the positive electrode active material layer is measured by X-ray diffraction using a Cu tube by removing moisture present between vanadium oxide layers by heat treatment, 2θ is 12.2 °, 15.4 °, 20 It has a diffraction peak at 3 ° and 29.2 °, and suppresses inactivation of the negative electrode caused by reaction with water. In addition, vanadium and a carbon material are mixed and heat-treated in an oxidizing atmosphere to burn the carbon material and have an average pore volume Vd of 1.50 × 10 −2 cm 3 / g or more. That is, by increasing the pore volume, the contact between the active material layer and the ion conductive medium is improved, and the decrease in the occlusion / release property of the polyvalent metal is suppressed. Therefore, it is presumed that the battery characteristics can be further improved in the case of containing and releasing polyvalent metals including vanadium.
本発明の二次電池は、多価金属を吸蔵・放出可能な負極と、バナジウムを含む正極活物質と炭素材料とを含む正極活物質層を有する正極と、負極と正極との間に介在し多価金属のイオンを伝導する非水系のイオン伝導媒体と、を備えている。多価金属としては、電池反応が起きる2価以上の金属であれば特に限定されないが、マグネシウム及びアルミニウムのうち少なくとも1以上であることが好ましく、マグネシウムがより好ましい。 The secondary battery of the present invention includes a negative electrode capable of occluding and releasing a polyvalent metal, a positive electrode having a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material containing vanadium and a carbon material, and a negative electrode and a positive electrode. And a non-aqueous ion conducting medium that conducts ions of polyvalent metals. The polyvalent metal is not particularly limited as long as it is a divalent or higher metal that causes a battery reaction, but at least one of magnesium and aluminum is preferable, and magnesium is more preferable.
本発明の二次電池の負極は、多価金属を含む負極活物質を集電体上に形成したものとしてもよい。負極活物質としては、多価金属の吸蔵・放出が可能である材料であれば特に限定されず、例えば多価金属や多価金属合金、多価金属を吸蔵する導電性高分子や層状化合物(炭素材料や金属酸化物等)などを用いることができる。多価金属としてマグネシウムを用いる場合、例えば、金属マグネシウム、金属マグネシウムとアルカリ金属との合金などを用いることができる。負極の集電体には、銅、ニッケル、ステンレス鋼、チタン、アルミニウム、貴金属、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラス、Al−Cd合金などのほか、接着性、導電性及び耐還元性向上の目的で、例えば銅などの表面をカーボン、ニッケル、チタンや銀などで処理したものも用いることができる。これらについては、表面を酸化処理することも可能である。集電体の形状については、箔状、フィルム状、シート状、ネット状、パンチ又はエキスパンドされたもの、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の形成体などが挙げられる。集電体の厚さは、例えば1〜500μmのものが用いられる。 The negative electrode of the secondary battery of the present invention may have a negative electrode active material containing a polyvalent metal formed on a current collector. The negative electrode active material is not particularly limited as long as it is a material that can occlude and release polyvalent metals. Carbon materials, metal oxides, etc.) can be used. When magnesium is used as the polyvalent metal, for example, metal magnesium, an alloy of metal magnesium and an alkali metal, or the like can be used. The current collector of the negative electrode includes copper, nickel, stainless steel, titanium, aluminum, noble metal, calcined carbon, conductive polymer, conductive glass, Al-Cd alloy, etc., as well as adhesiveness, conductivity and resistance to resistance. For the purpose of improvement, for example, a surface of copper or the like treated with carbon, nickel, titanium, silver or the like can be used. For these, the surface can be oxidized. Examples of the shape of the current collector include foil, film, sheet, net, punched or expanded, lath, porous, foam, and formed fiber group. The thickness of the current collector is, for example, 1 to 500 μm.
本発明の二次電池の正極は、例えば正極活物質と導電材と結着材とを混合し、適当な溶剤を加えてペースト状の正極材としたものを、集電体の表面に塗布乾燥して正極活物質層とし、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成してもよい。正極活物質としては、バナジウムを含む酸化物を用いるものとする。バナジウムを含む酸化物としては、五酸化バナジウム(V2O5)などが挙げられる。この正極活物質層は、X線回折測定すると2θが12.2°、15.4°、20.3°及び29.2°近傍に回折ピークを有している。この2θ=12.2°、29.2°近傍の回折ピークは斜方晶系のV2O5(無水)に由来し、2θ=15.4°、20.3°近傍の回折ピークは正方晶系のV2O5(無水)に由来する。即ち、正極活物質層に含まれる酸化バナジウムは、水分(例えば結晶水)を含まないものである。こうすれば、水が移動し負極上で反応することにより生じる負極の不活性化をより抑制することができ、ひいては電池特性をより向上することができる。ここで、回折ピークの存在する上記2θ値は、水の存在が低減されたV2O5を有することを趣旨とし、「近傍」と表現するように、それぞれ上下1°程度のピークシフトは許容するものとする。また、正極活物質層は、窒素吸着測定を行いBJH法により解析すると細孔半径2nmを含む所定の細孔半径範囲でのLog微分細孔容積の平均値である平均細孔容積Vdが1.50×10-2cm3/g以上であるものとする。こうすれば、正極活物質と電解液との接触性を高めることが可能であり、水の除去に伴う構造変化(緻密化や結晶化など)に起因して生じる多価金属の吸蔵・放出性の低減をより抑制することができる。この2nm近傍での平均細孔容積Vdは、正極活物質層の窒素吸着等温線を測定し、測定結果をBJH法により解析し、得られた解析結果を用い、細孔半径2nmに最も近い点を中心とし、この中心を含めた両側2点(計5点)のLog微分細孔容積(cm3/g)の平均値を計算して得た値とする。なお、細孔半径2nmに最も近い点を中心としこの中心を含めた両側2点(計5点)の範囲が「細孔半径2nmを含む所定の細孔半径範囲」に該当する。この2nm近傍での平均細孔容積Vdは、4.0×10-2cm3/g以上であることがより好ましく、6.0×10-2cm3/g以上であることが更に好ましい。また、この2nm近傍での平均細孔容積Vdは、正極活物質層の作成の容易性の観点から、1.0×10-1cm3/g以下であることが好ましい。 The positive electrode of the secondary battery of the present invention is, for example, a mixture of a positive electrode active material, a conductive material, and a binder, and an appropriate solvent is added to form a paste-like positive electrode material, which is applied to the surface of the current collector and dried. Thus, a positive electrode active material layer may be formed and compressed as necessary to increase the electrode density. As the positive electrode active material, an oxide containing vanadium is used. Examples of the oxide containing vanadium include vanadium pentoxide (V 2 O 5 ). This positive electrode active material layer has diffraction peaks in the vicinity of 12.2 °, 15.4 °, 20.3 ° and 29.2 ° as measured by X-ray diffraction. The diffraction peaks near 2θ = 12.2 ° and 29.2 ° are derived from orthorhombic V 2 O 5 (anhydrous), and the diffraction peaks near 2θ = 15.4 ° and 20.3 ° are square. Derived from crystalline V 2 O 5 (anhydrous). That is, the vanadium oxide contained in the positive electrode active material layer does not contain moisture (for example, crystal water). If it carries out like this, inactivation of the negative electrode which arises when water moves and reacts on a negative electrode can be suppressed more, and a battery characteristic can be improved more by extension. Here, the 2θ value in which a diffraction peak exists is intended to have V 2 O 5 in which the presence of water is reduced, and a peak shift of about 1 ° above and below is allowed so as to be expressed as “near”. It shall be. Further, when the positive electrode active material layer is subjected to nitrogen adsorption measurement and analyzed by the BJH method, the average pore volume Vd, which is the average value of the Log differential pore volume in a predetermined pore radius range including a pore radius of 2 nm, is 1. It shall be 50 × 10 −2 cm 3 / g or more. In this way, it is possible to improve the contact between the positive electrode active material and the electrolytic solution, and occlusion / release of polyvalent metals caused by structural changes (densification, crystallization, etc.) that accompany removal of water. Can be further suppressed. The average pore volume Vd near 2 nm is measured by measuring the nitrogen adsorption isotherm of the positive electrode active material layer, analyzing the measurement result by the BJH method, and using the obtained analysis result, the point closest to the pore radius of 2 nm And the average value of Log differential pore volume (cm 3 / g) at two points (5 points in total) including this center. A range of two points (5 points in total) including the center at the point closest to the pore radius of 2 nm corresponds to the “predetermined pore radius range including the pore radius of 2 nm”. The average pore volume Vd near 2 nm is more preferably 4.0 × 10 −2 cm 3 / g or more, and still more preferably 6.0 × 10 −2 cm 3 / g or more. The average pore volume Vd in the vicinity of 2 nm is preferably 1.0 × 10 −1 cm 3 / g or less from the viewpoint of easy preparation of the positive electrode active material layer.
また、正極活物質層は、炭素材料の重量Wcと酸化バナジウムの重量Wvとの比である重量比Wc/Wvが0.30以上1.30以下であることが好ましく、0.80以上1.20以下であることがより好ましい。重量比Wc/Wvが1.30以下では、電池反応に関わる酸化バナジウムの量が相対的に大きくなり、酸化バナジウムと炭素材料との比率が好適であり好ましい。この炭素材料は、導電材として機能するものとしてもよい。こうすれば、重量比Wc/Wvが0.30以上では導電性をより確保することができる。炭素材料としては、例えば、天然黒鉛(鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛)や人造黒鉛などの黒鉛、アセチレンブラック、ケッチェンブラックなどのカーボンブラック、カーボンウィスカ、ニードルコークス、炭素繊維、活性炭などの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。このうち、アセチレンブラックやケッチェンブラックなどがより好ましい。 In the positive electrode active material layer, the weight ratio Wc / Wv, which is the ratio of the weight Wc of the carbon material to the weight Wv of the vanadium oxide, is preferably 0.30 or more and 1.30 or less, and 0.80 or more and 1. More preferably, it is 20 or less. When the weight ratio Wc / Wv is 1.30 or less, the amount of vanadium oxide involved in the battery reaction is relatively large, and the ratio of vanadium oxide to the carbon material is suitable and preferable. This carbon material may function as a conductive material. In this way, the conductivity can be further ensured when the weight ratio Wc / Wv is 0.30 or more. Examples of the carbon material include graphite such as natural graphite (scale-like graphite, scale-like graphite) and artificial graphite, carbon black such as acetylene black and ketjen black, carbon whisker, needle coke, carbon fiber, activated carbon and the like, or What mixed 2 or more types can be used. Of these, acetylene black and ketjen black are more preferable.
正極に含まれる導電材としては、正極の電池性能に悪影響を及ぼさない電子伝導性材料であれば特に限定されず、例えば、上述した炭素材料や金属(銅、ニッケル、アルミニウム、銀、金など)などの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。これらの中で、導電材としては、電子伝導性及び塗工性の観点より、カーボンブラック及びアセチレンブラックが好ましい。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(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、或いはポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、エチレン−プロピレン−ジエンマー(EPDM)、スルホン化EPDM、天然ブチルゴム(NBR)等を単独で、あるいは2種以上の混合物として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(SBR)の水分散体等を用いることもできる。正極活物質、導電材、結着材を分散させる溶剤としては、例えばN−メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、アクリル酸メチル、ジエチルトリアミン、N,N−ジメチルアミノプロピルアミン、エチレンオキシド、テトラヒドロフランなどの有機溶剤を用いることができる。また、水に分散剤、増粘剤等を加え、SBRなどのラテックスで活物質をスラリー化してもよい。増粘剤としては、例えば、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロースなどの多糖類を単独で、あるいは2種以上の混合物として用いることができる。塗布方法としては、例えば、アプリケータロールなどのローラコーティング、スクリーンコーティング、ドクターブレイド方式、スピンコーティング、バーコータなどが挙げられ、これらのいずれかを用いて任意の厚さ・形状とすることができる。集電体としては、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼、ニッケル、鉄、貴金属、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラスなどのほか、接着性、導電性及び耐酸化性向上の目的で、アルミニウムや銅などの表面をカーボン、ニッケル、チタンや銀などで処理したものを用いることができる。これらについては、表面を酸化処理することも可能である。集電体の形状は、負極と同様のものを用いることができる。 The conductive material included in the positive electrode is not particularly limited as long as it is an electron conductive material that does not adversely affect the battery performance of the positive electrode. For example, the above-described carbon materials and metals (copper, nickel, aluminum, silver, gold, etc.) What mixed 1 type, or 2 or more types etc. can be used. Among these, as the conductive material, carbon black and acetylene black are preferable from the viewpoints of electron conductivity and coatability. The binder serves to bind the active material particles and the conductive material particles. For example, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), fluorine-containing resin such as fluorine rubber, or polypropylene, Thermoplastic resins such as polyethylene, ethylene-propylene-dienemer (EPDM), sulfonated EPDM, natural butyl rubber (NBR) and the like can be used alone or as a mixture of two or more. In addition, an aqueous dispersion of cellulose or styrene butadiene rubber (SBR), which is an aqueous binder, can also be used. Examples of the solvent for dispersing the positive electrode active material, the conductive material, and the binder include N-methylpyrrolidone, dimethylformamide, dimethylacetamide, methyl ethyl ketone, cyclohexanone, methyl acetate, methyl acrylate, diethyltriamine, and N, N-dimethylaminopropyl. Organic solvents such as amine, ethylene oxide, and tetrahydrofuran can be used. Moreover, a dispersing agent, a thickener, etc. may be added to water, and an active material may be slurried with latex, such as SBR. As the thickener, for example, polysaccharides such as carboxymethyl cellulose and methyl cellulose can be used alone or as a mixture of two or more. Examples of the application method include roller coating such as applicator roll, screen coating, doctor blade method, spin coating, bar coater, and the like, and any of these can be used to obtain an arbitrary thickness and shape. Current collectors include aluminum, titanium, stainless steel, nickel, iron, noble metals, calcined carbon, conductive polymers, conductive glass, etc., as well as aluminum and titanium for the purpose of improving adhesion, conductivity and oxidation resistance. What processed the surface of copper etc. with carbon, nickel, titanium, silver, etc. can be used. For these, the surface can be oxidized. The shape of the current collector can be the same as that of the negative electrode.
本発明の二次電池のイオン伝導媒体としては、支持塩を含む非水系電解液や非水系ゲル電解液などを用いることができる。非水電解液の溶媒としては、カーボネート類、エステル類、エーテル類、ニトリル類、フラン類、スルホラン類及びジオキソラン類などが挙げられ、これらを単独又は混合して用いることができる。具体的には、カーボネート類としてエチレンカーボネートやプロピレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ブチレンカーボネート、クロロエチレンカーボネートなどの環状カーボネート類や、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、エチル−n−ブチルカーボネート、メチル−t−ブチルカーボネート、ジ−i−プロピルカーボネート、t−ブチル−i−プロピルカーボネートなどの鎖状カーボネート類、γ−ブチルラクトン、γ−バレロラクトンなどの環状エステル類、ギ酸メチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酪酸メチルなどの鎖状エステル類、ジメトキシエタン、エトキシメトキシエタン、ジエトキシエタンなどのエーテル類、アセトニトリル、ベンゾニトリルなどのニトリル類、テトラヒドロフラン、メチルテトラヒドロフラン、などのフラン類、スルホラン、テトラメチルスルホランなどのスルホラン類、1,3−ジオキソラン、メチルジオキソランなどのジオキソラン類などが挙げられる。このうち、アセトニトリルがより好ましい。 As the ion conductive medium of the secondary battery of the present invention, a non-aqueous electrolyte solution containing a supporting salt, a non-aqueous gel electrolyte solution, or the like can be used. Examples of the solvent for the nonaqueous electrolytic solution include carbonates, esters, ethers, nitriles, furans, sulfolanes and dioxolanes, and these can be used alone or in combination. Specifically, as carbonates, cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, vinylene carbonate, butylene carbonate, chloroethylene carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl-n-butyl carbonate, methyl-t -Chain carbonates such as butyl carbonate, di-i-propyl carbonate, t-butyl-i-propyl carbonate, cyclic esters such as γ-butyllactone and γ-valerolactone, methyl formate, methyl acetate, ethyl acetate, Chain esters such as methyl butyrate, ethers such as dimethoxyethane, ethoxymethoxyethane, and diethoxyethane; nitriles such as acetonitrile and benzonitrile; Examples include furans such as lan, methyltetrahydrofuran, sulfolanes such as sulfolane and tetramethylsulfolane, and dioxolanes such as 1,3-dioxolane and methyldioxolane. Of these, acetonitrile is more preferred.
本発明の二次電池に含まれている支持塩は、例えば、多価金属を含む塩を用いることができ、例えば多価金属の過塩素酸塩を用いることができる。また、その他、例えば、M(SO2CF3)n(Mは多価金属、nはMの価数に伴う値)や、ホウフッ化塩(M(BF4)n)、トリフルオロメチルスルホン酸塩(M(CF3SO3)n)、ヘキサフルオロ燐酸塩(M(PF6)n)などの塩が挙げられ、1種又は2種以上の塩を組み合わせて用いてもよい。多価金属をマグネシウムとした場合、例えば、Mg(ClO4)2,Mg(SO2CH3)2,Mg(BF4)2,Mg(CF3SO3)2,Mg(PF6)2等のマグネシウム塩を用いることができ、このうちMg(ClO4)2を用いることが好ましい。この支持塩は、非水電解液中の濃度が0.1mol/L以上5mol/L以下であることが好ましく、0.5mol/L以上2mol/L以下であることがより好ましい。支持塩の濃度が0.1mol/L以上では、十分な電流密度を得ることができ、5mol/L以下では、電解液をより安定させることができる。また、この非水電解液には、リン系、ハロゲン系などの難燃剤を添加してもよい。 As the supporting salt included in the secondary battery of the present invention, for example, a salt containing a polyvalent metal can be used, and for example, a perchlorate of a polyvalent metal can be used. In addition, for example, M (SO 2 CF 3 ) n (M is a polyvalent metal, n is a value associated with the valence of M), borofluoride (M (BF 4 ) n ), trifluoromethylsulfonic acid Examples thereof include salts such as a salt (M (CF 3 SO 3 ) n ) and hexafluorophosphate (M (PF 6 ) n ), and one or more salts may be used in combination. When the polyvalent metal is magnesium, for example, Mg (ClO 4 ) 2 , Mg (SO 2 CH 3 ) 2 , Mg (BF 4 ) 2 , Mg (CF 3 SO 3 ) 2 , Mg (PF 6 ) 2, etc. Of these, it is preferable to use Mg (ClO 4 ) 2 . The supporting salt preferably has a concentration in the non-aqueous electrolyte of 0.1 mol / L or more and 5 mol / L or less, and more preferably 0.5 mol / L or more and 2 mol / L or less. If the concentration of the supporting salt is 0.1 mol / L or more, a sufficient current density can be obtained, and if it is 5 mol / L or less, the electrolytic solution can be made more stable. Moreover, you may add flame retardants, such as a phosphorus type and a halogen type, to this non-aqueous electrolyte.
また、液状のイオン伝導媒体の代わりに、固体のイオン伝導性ポリマーをイオン伝導媒体として用いることもできる。イオン伝導性ポリマーとしては、例えば、アクリロニトリル、エチレンオキシド、プロピレンオキシド、メチルメタクリレート、ビニルアセテート、ビニルピロリドン、ポリフッ化ビニリデンなどのポリマーと支持塩とで構成されるポリマーゲルを用いることができる。更に、イオン伝導性ポリマーと非水系電解液とを組み合わせて用いることもできる。また、イオン伝導媒体としては、イオン伝導性ポリマーのほか、無機固体電解質あるいは有機ポリマー電解質と無機固体電解質の混合材料、若しくは有機バインダーによって結着された無機固体粉末などを利用することができる。 Further, instead of the liquid ion conducting medium, a solid ion conducting polymer may be used as the ion conducting medium. As the ion conductive polymer, for example, a polymer gel composed of a polymer such as acrylonitrile, ethylene oxide, propylene oxide, methyl methacrylate, vinyl acetate, vinyl pyrrolidone, and polyvinylidene fluoride and a supporting salt can be used. Further, an ion conductive polymer and a non-aqueous electrolyte can be used in combination. In addition to the ion conductive polymer, an inorganic solid electrolyte, a mixed material of an organic polymer electrolyte and an inorganic solid electrolyte, an inorganic solid powder bound by an organic binder, or the like can be used as the ion conductive medium.
本発明の二次電池は、負極と正極との間にセパレータを備えていてもよい。セパレータとしては、二次電池の使用範囲に耐えうる組成であれば特に限定されるものではないが、例えば、ポリプロピレン製不織布やポリフェニレンスルフィド製不織布などの高分子不織布、ポリエチレンやポリプロピレンなどのオレフィン系樹脂の微多孔フィルムが挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、複合して用いてもよい。 The secondary battery of the present invention may include a separator between the negative electrode and the positive electrode. The separator is not particularly limited as long as it has a composition that can withstand the usage range of the secondary battery. For example, a polymer nonwoven fabric such as a polypropylene nonwoven fabric or a polyphenylene sulfide nonwoven fabric, or an olefin resin such as polyethylene or polypropylene. The microporous film of this is mentioned. These may be used alone or in combination.
本発明の二次電池の形状は、特に限定されないが、例えばコイン型、ボタン型、シート型、積層型、円筒型、偏平型、角型などが挙げられる。また、電気自動車等に用いる大型のものなどに適用してもよい。 The shape of the secondary battery of the present invention is not particularly limited, and examples thereof include a coin type, a button type, a sheet type, a laminated type, a cylindrical type, a flat type, and a square type. Moreover, you may apply to the large sized thing etc. which are used for an electric vehicle etc.
次に、多価金属を用いた本発明の二次電池の正極の製造方法について説明する。本発明の正極の製造方法は、バナジウムと炭素材料とを混合した混合材料を調製する混合工程と、混合工程で得られた混合材料を酸化雰囲気において275℃以上で熱処理する熱処理工程と、を含むものである。 Next, the manufacturing method of the positive electrode of the secondary battery of this invention using a polyvalent metal is demonstrated. The positive electrode manufacturing method of the present invention includes a mixing step of preparing a mixed material in which vanadium and a carbon material are mixed, and a heat treatment step of heat-treating the mixed material obtained in the mixing step at 275 ° C. or higher in an oxidizing atmosphere. It is a waste.
(混合工程)
この工程では、バナジウムと炭素材料とを混合し、混合材料を調製する。バナジウムは、金属粉末、塩、酸化物などを用いることができる。また、炭素材料としては、例えば、天然黒鉛(鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛)や人造黒鉛などの黒鉛、アセチレンブラック及びケッチェンブラックなどのカーボンブラック、カーボンウィスカ、ニードルコークス、炭素繊維、活性炭などの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。このうち、アセチレンブラックやケッチェンブラックなどが導電性を向上する観点から、より好ましい。アセチレンブラック及びケッチェンブラックを混合して用いる際には、中実粒子であり熱処理で焼失しにくいアセチレンブラックと、中空粒子であり熱処理で焼失しやすいケッチェンブラックとの混合比率を経験的に求めることにより、正極活物質層の細孔容積などの特性を容易に制御することができる。この混合工程では、バナジウムを溶解したバナジウム錯体溶液からバナジウムを含むゾルを生成したのち、このゾルに炭素材料を混合することにより混合材料を調製するものとしてもよい。バナジウム錯体溶液は、例えば過酸化水素水溶液とするのが、その後ゾル化しやすいため好ましい。あるいは、混合工程では、バナジウムを溶解したバナジウム錯体溶液と炭素材料とを混合したのち、バナジウムを含むゾルを生成することにより混合材料を調製するものとしてもよい。こうすれば、バナジウムと炭素材料とをより均一に混合することができる。
(Mixing process)
In this step, vanadium and a carbon material are mixed to prepare a mixed material. As vanadium, metal powder, salt, oxide, or the like can be used. Examples of the carbon material include graphite such as natural graphite (scale-like graphite, scale-like graphite) and artificial graphite, carbon black such as acetylene black and ketjen black, carbon whisker, needle coke, carbon fiber, activated carbon and the like. A seed or a mixture of two or more kinds can be used. Among these, acetylene black, ketjen black, etc. are more preferable from a viewpoint of improving electroconductivity. When mixing acetylene black and ketjen black, empirically determine the mixing ratio of acetylene black, which is solid particles and not easily burned down by heat treatment, and ketjen black, which is hollow particles and easily burned off by heat treatment. Thus, characteristics such as the pore volume of the positive electrode active material layer can be easily controlled. In this mixing step, a mixed material may be prepared by generating a sol containing vanadium from a vanadium complex solution in which vanadium is dissolved and then mixing a carbon material with the sol. As the vanadium complex solution, for example, an aqueous hydrogen peroxide solution is preferable because it is easily solated thereafter. Alternatively, in the mixing step, the mixed material may be prepared by mixing a vanadium complex solution in which vanadium is dissolved and a carbon material, and then generating a sol containing vanadium. By doing so, vanadium and the carbon material can be mixed more uniformly.
(熱処理工程)
この工程では、混合材料を酸化雰囲気において275℃以上で熱処理する。熱処理温度は、275℃以上であるが、300℃以上であるのが好ましい。275℃以上で処理すると、酸化バナジウムに含まれる水分をより除去することができ好ましい。また、炭素材料の一部が燃焼し、正極活物質層の多孔質化を図る(特に2nm近傍での平均細孔容積Vdをより高める)ことができると考えられ、好ましい。図1は、バナジウム錯体をゾル化したのち炭素材料を混合する処理の概念図である。図1に示すように、熱処理によって炭素材料が焼失することにより、細孔容積が増加し、イオン伝導媒体との接触面積が増大するものと推測される。一般的に、酸化バナジウムは、結晶水を含んだ層状構造を有すると多価金属の吸蔵・放出を円滑に行うことができるとされている。また、水が溶出し、負極に移動すると、負極表面で酸化物又は水酸化物を形成することにより、負極が不活性化することがある。ここでは、酸化バナジウムに含まれる水分を除去することにより、このような負極の不活性化を抑制すると共に、細孔容積を増加することによって活物質とイオン伝導媒体との接触性を高め、多価金属の移動性の低下を抑制するのである。その結果、電池特性をより向上することができる。この熱処理工程では、炭素材料が導電材を兼ねている際には、完全に焼失しない温度で処理するのが好ましく、例えば、400℃以下が好ましく、350℃以下がより好ましく、325℃以下が更に好ましい。また、熱処理工程では、集電体上に混合材料を形成したのち、この集電体を熱処理するものとしてもよい。こうすれば、集電体上への活物質層の固着処理と混合材料の熱処理とを同時に行うことができ、より簡便な処理で正極活物質層を作製することができる。集電体上に混合材料を形成する際には、混合材料には、上述した導電材や結着材などを予め混合するものとしてもよい。あるいは、集電体上に混合材料を形成しないで熱処理する場合には、例えば、混合材料を容器に入れて熱処理を行い、得られた熱処理後の混合材料に導電材や結着材などを混合し、集電体上に形成して、正極活物質層を作製するものとしてもよい。
(Heat treatment process)
In this step, the mixed material is heat-treated at 275 ° C. or higher in an oxidizing atmosphere. The heat treatment temperature is 275 ° C. or higher, but is preferably 300 ° C. or higher. When the treatment is performed at 275 ° C. or higher, moisture contained in vanadium oxide can be further removed, which is preferable. Moreover, it is considered that a part of the carbon material is combusted and the positive electrode active material layer can be made porous (particularly, the average pore volume Vd near 2 nm can be further increased), which is preferable. FIG. 1 is a conceptual diagram of a process of mixing a carbon material after solating a vanadium complex. As shown in FIG. 1, it is presumed that the carbon material is burned out by the heat treatment, whereby the pore volume is increased and the contact area with the ion conductive medium is increased. Generally, vanadium oxide has a layered structure containing crystal water, and can absorb and release polyvalent metals smoothly. Moreover, when water elutes and moves to the negative electrode, the negative electrode may be deactivated by forming an oxide or hydroxide on the negative electrode surface. Here, the moisture contained in the vanadium oxide is removed to suppress such inactivation of the negative electrode, and the pore volume is increased to improve the contact between the active material and the ion conductive medium. This suppresses a decrease in the mobility of the valent metal. As a result, the battery characteristics can be further improved. In this heat treatment step, when the carbon material also serves as a conductive material, it is preferably treated at a temperature that does not completely burn out, for example, preferably 400 ° C. or lower, more preferably 350 ° C. or lower, and more preferably 325 ° C. or lower. preferable. Further, in the heat treatment step, after the mixed material is formed on the current collector, the current collector may be heat treated. In this case, the fixing process of the active material layer on the current collector and the heat treatment of the mixed material can be performed at the same time, and the positive electrode active material layer can be manufactured by a simpler process. When the mixed material is formed on the current collector, the above-described conductive material or binder may be mixed in advance with the mixed material. Alternatively, when heat treatment is performed without forming a mixed material on the current collector, for example, the mixed material is placed in a container and heat treatment is performed, and the obtained mixed material is mixed with a conductive material or a binder. The positive electrode active material layer may be formed on the current collector.
また、混合工程において、バナジウム錯体溶液と炭素材料とを混合したのち、バナジウムを含むゾルを生成することにより混合材料を調製した場合には、この熱処理工程では、混合工程で得られた混合材料を不活性雰囲気において250℃以上で熱処理するものとしてもよい。こうしても、水分を除去することによって負極の不活性化を抑制することができると共に、細孔容積を増加することによって活物質層とイオン伝導媒体との接触性を高めて多価金属の移動性の低下を抑制することができる。この理由は、例えば、図2に示すように、バナジウムと炭素材料とが均一に分散しており、炭素材料の表面にバナジウム錯体が吸着し、酸化バナジウムがゾル化する際に炭素材料の表面にコートされることによって、不活性雰囲気下においても細孔容積を増加することができるものと推察される。図2は、バナジウム錯体と炭素材料とを混合したのちゾル化する処理の概念図である。なお、ここでは、不活性雰囲気において熱処理するものとして説明したが、酸化雰囲気で熱処理するものとしてもよい。こうしても、細孔容積を増加することができる。また、熱処理する際には、250℃では4時間以上処理することが、水分を除去する観点から好ましい。以上説明したように、本発明の正極を作製することができる。 In the mixing step, after mixing the vanadium complex solution and the carbon material, and preparing the mixed material by generating a sol containing vanadium, in this heat treatment step, the mixed material obtained in the mixing step is used. Heat treatment may be performed at 250 ° C. or higher in an inert atmosphere. Even in this case, it is possible to suppress the inactivation of the negative electrode by removing water, and by increasing the pore volume, the contact between the active material layer and the ion conductive medium is increased, and the mobility of the polyvalent metal is increased. Can be suppressed. This is because, for example, as shown in FIG. 2, vanadium and the carbon material are uniformly dispersed, the vanadium complex is adsorbed on the surface of the carbon material, and the vanadium oxide is formed on the surface of the carbon material when it is solated. By coating, it is presumed that the pore volume can be increased even under an inert atmosphere. FIG. 2 is a conceptual diagram of a process for forming a sol after mixing a vanadium complex and a carbon material. Here, the heat treatment is described as being performed in an inert atmosphere, but heat treatment may be performed in an oxidizing atmosphere. Even in this case, the pore volume can be increased. Moreover, when heat-processing, it is preferable to process at 250 degreeC for 4 hours or more from a viewpoint of removing a water | moisture content. As described above, the positive electrode of the present invention can be produced.
以上詳述した本実施形態の二次電池及びその正極の製造方法では、バナジウムを含み多価金属を吸蔵・放出するものにおいて、電池特性をより高めることができる。この理由は、水分を除去することによって負極の不活性化を抑制することができると共に、細孔容積(特に2nm近傍での平均細孔容積Vd)を増加することによって活物質層とイオン伝導媒体との接触性を高めて多価金属の吸蔵・放出性の低下を抑制することができるためであると推察される。 In the secondary battery and the method for manufacturing the positive electrode thereof according to the present embodiment described in detail above, the battery characteristics can be further improved in the case where the multivalent metal is occluded and released including vanadium. This is because the inactivation of the negative electrode can be suppressed by removing water, and the active material layer and the ion conducting medium are increased by increasing the pore volume (especially the average pore volume Vd near 2 nm). It is presumed that this is because the lowering of the occlusion / release property of the polyvalent metal can be suppressed by improving the contact property with the metal.
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。 It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it goes without saying that the present invention can be implemented in various modes as long as it belongs to the technical scope of the present invention.
以下には、本発明の二次電池を具体的に作製した例を実験例として説明する。 Below, the example which produced the secondary battery of this invention concretely is demonstrated as an experiment example.
(正極活物質の作製)
0.1gのバナジウム(高純度化学研究所製、99.9%)を氷冷した10mlの過酸化水素水(和光純薬工業製、30%精密分析用)に加えて溶解し、バナジウム錯体溶液を作製した。得られたバナジウム錯体溶液を室温に保持して過剰量の過酸化水素を分解させてV2O5ゾルを生成し、V2O5ゾルを含むバナジウムゾル溶液を得た。次に、得られたバナジウムゾル溶液1mlと、純水1mlと、アセトン1mlと、アセチレンブラック(電気化学工業製デンカブラック、以下abとも称する)23.2mgとをホモジナイザ(Ika製T−25)により混合して混合材料を調製した。混合条件は、24000rpm、5分間の分散とした。得られた混合材料の略称をV2O5/ab−1と称する。このV2O5/ab−1は、重量比率V2O5:ab=1:1.3であった。
(Preparation of positive electrode active material)
0.1 g of vanadium (manufactured by High Purity Chemical Laboratory, 99.9%) is added to ice-cooled 10 ml of hydrogen peroxide water (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., 30% for precision analysis) and dissolved to obtain a vanadium complex solution. Was made. The resulting vanadium complex solution to decompose excess hydrogen peroxide was held at room temperature to produce a V 2 O 5 sol to obtain a vanadium sol solution containing V 2 O 5 sol. Next, 1 ml of the obtained vanadium sol solution, 1 ml of pure water, 1 ml of acetone, and 23.2 mg of acetylene black (Denka Black manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd., hereinafter also referred to as “ab”) are used with a homogenizer (T-25 manufactured by Ika). Mixed materials were prepared by mixing. The mixing conditions were 24000 rpm and dispersion for 5 minutes. The abbreviation of the obtained mixed material is referred to as V 2 O 5 / ab-1. This V 2 O 5 / ab-1 was a weight ratio V 2 O 5 : ab = 1: 1.3.
また、上記得られたバナジウムゾル溶液1mlと、純水1mlと、アセトン1mlと、アセチレンブラック23.2mgと、ケッチェンブラック(ケッチェンブラック・インターナショナル製ケッチェンブラックEC、以下kbとも称する)5.3mgとをホモジナイザにより上記と同様の条件で混合して混合材料を調製した。得られた混合材料の略称をV2O5/ab−2と称する。このV2O5/ab−2は、重量比率V2O5:ab:kb=1:1.3:0.3であった。 4. 1 ml of the obtained vanadium sol solution, 1 ml of pure water, 1 ml of acetone, 23.2 mg of acetylene black, Ketjen Black (Ketjen Black EC manufactured by Ketjen Black International, hereinafter also referred to as kb) 3 mg was mixed with a homogenizer under the same conditions as described above to prepare a mixed material. The abbreviation of the obtained mixed material is referred to as V 2 O 5 / ab-2. This V 2 O 5 / ab-2 was a weight ratio V 2 O 5 : ab: kb = 1: 1.3: 0.3.
また、上記作製したバナジウム錯体溶液1mlを氷冷し、これに純水1mlと、アセトン1mlと、アセチレンブラック23.2mgとを加え、マグネティックスターラーで攪拌しながら緩やかに室温まで液温を上げて過剰量の過酸化水素を分解させ、V2O5ゾルとアセチレンブラックとの混合材料を調製した。得られた混合材料の略称をV2O5/ab−3と称する。このV2O5/ab−3は、重量比率V2O5:ab=1:1.3であった。 In addition, 1 ml of the prepared vanadium complex solution was ice-cooled, and 1 ml of pure water, 1 ml of acetone, and 23.2 mg of acetylene black were added thereto, and the liquid temperature was gradually raised to room temperature while stirring with a magnetic stirrer to make excess. An amount of hydrogen peroxide was decomposed to prepare a mixed material of V 2 O 5 sol and acetylene black. The abbreviation of the obtained mixed material is referred to as V 2 O 5 / ab-3. This V 2 O 5 / ab-3 was a weight ratio V 2 O 5 : ab = 1: 1.3.
(正極の作製)
集電体としてPt板を使用し、V2O5ゾルが約100μgとなるように、上記調製した混合材料V2O5/ab−1、V2O5/ab−2及びV2O5/ab−3のうちいずれかをPt板上に担持させ、後述する雰囲気条件及び温度条件で熱処理を行い、熱処理後に100MPaで加圧成形し、得られたものを正極とした。
(Preparation of positive electrode)
Using a Pt plate as a current collector, the mixed materials V 2 O 5 / ab-1, V 2 O 5 / ab-2 and V 2 O 5 prepared as described above so that the V 2 O 5 sol was about 100 μg. Any one of / ab-3 is supported on a Pt plate, heat-treated under atmospheric conditions and temperature conditions described later, and pressure-molded at 100 MPa after the heat treatment, and the resultant was used as a positive electrode.
(電池の作製)
上述した正極と、対極として2枚のマグネシウムリボン(高純度化学研究所製、99.9%、サイズ3.5cm×0.32cm×0.24mm)を用い、端部にPt箔を巻き付けてリード線とした。セパレータとして、東燃化学製PE単層(厚さ25μm、空孔率37%)を使用した。担持した正極活物質層の脱落等を防止するため、これらの構成物を外側にPTFE板を配置してこれを挟み付け、電極系を構成した。参照極としてAg線を使用した。この電極系をビーカーに入れ、1M(mol/L)の過塩素酸マグネシウム(和光純薬工業製、元素分析用)を溶解したアセトニトリル(和光純薬工業製、脱水)を電解液として注液して電池を構成した。測定中において水分の混入のないように、また電解液の蒸発を防止するため、高純度の窒素(>99.999%、露点<−70℃、酸素<0.5ppm)を供給するアクリル製のグローブボックス(アズワン製、陽圧式)内の密閉式のガラス容器内に電池を入れて使用した。
(Production of battery)
Using the positive electrode described above and two magnesium ribbons (99.9%, high purity chemical research laboratory, size 3.5 cm × 0.32 cm × 0.24 mm) as the counter electrode, Pt foil is wound around the end and lead A line. As the separator, a PE single layer (thickness 25 μm, porosity 37%) manufactured by Tonen Chemical was used. In order to prevent the supported positive electrode active material layer from falling off, a PTFE plate was placed outside these components and sandwiched between them to constitute an electrode system. Ag wire was used as a reference electrode. This electrode system was put into a beaker, and 1M (mol / L) magnesium perchlorate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., for elemental analysis) dissolved in acetonitrile (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., dehydrated) was injected as an electrolyte. A battery was constructed. Made of acrylic to supply high-purity nitrogen (> 99.999%, dew point <-70 ° C., oxygen <0.5 ppm) to prevent moisture contamination during measurement and to prevent evaporation of the electrolyte. A battery was put in a sealed glass container in a glove box (manufactured by ASONE, positive pressure type) and used.
(V2O5の熱処理による重量変化の検討)
上記得られたバナジウムゾル溶液1mlと、純水1mlと、アセトン1mlとを加えマグネティックスターラーで攪拌して混合し、V2O5が約600μgとなるようにPt板上に塗布し、60℃で1時間乾燥した。このサンプルを複数用意し、熱処理条件として、250℃で1時間、2時間、3.5時間、6時間、8時間、300℃で1時間、2時間、3時間、4時間、350℃で1時間、2時間、4時間、その各々を大気中で熱処理した。そして、60℃での乾燥後の重量を初期重量W0とし、熱処理後の重量を処理後重量Wとし、重量減少率W/W0を求めた。図3は、V2O5の熱処理条件と重量変化との関係を表す図である。図3に示すように、どの熱処理条件でも所定時間以上経過すると、一定重量を示すことがわかった。このため、この熱処理での重量減少は、V2O5から除去された水分量を表しているものと推察された。この結果より、250℃では3.5時間以上、300℃以上では1時間以上の熱処理により、V2O5に含まれる水分がほぼ完全に除去されることがわかった。また、この重量減少から、初期組成がV2O5・1.9H2Oであると見積もることができた。
(Examination of weight change due to heat treatment of V 2 O 5 )
1 ml of the obtained vanadium sol solution, 1 ml of pure water and 1 ml of acetone are added and mixed by stirring with a magnetic stirrer, and coated on a Pt plate so that V 2 O 5 is about 600 μg, and at 60 ° C. Dried for 1 hour. Prepare a plurality of these samples, and heat treatment conditions are 1 hour at 250 ° C., 2 hours, 3.5 hours, 6 hours, 8 hours, 1 hour at 300 ° C., 2 hours, 3 hours, 4 hours, 1 hour at 350 ° C. Each was heat-treated in air for 2 hours, 4 hours. Then, the weight after drying at 60 ° C. was defined as the initial weight W 0 , the weight after the heat treatment was defined as the post-treatment weight W, and the weight reduction rate W / W 0 was determined. FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the heat treatment condition of V 2 O 5 and the weight change. As shown in FIG. 3, it was found that a constant weight was exhibited when a predetermined time or more passed under any heat treatment condition. For this reason, it was guessed that the weight loss by this heat treatment represents the amount of water removed from V 2 O 5 . From this result, it was found that the moisture contained in V 2 O 5 was almost completely removed by heat treatment at 250 ° C. for 3.5 hours or more and at 300 ° C. or more for 1 hour or more. Further, from this weight reduction, it was possible to estimate that the initial composition was V 2 O 5 · 1.9H 2 O.
(炭素材料の熱処理による重量変化の検討)
純水2mlと、アセトン1mlと、炭素材料(ab及びkbのいずれか一方)23.2mgとを加えマグネティックスターラーで攪拌して混合し、Pt板上に塗布し、60℃で1時間、乾燥した。このサンプルを複数用意した。abのサンプルについては窒素中又は大気中で熱処理し、kbのサンプルについては大気中で熱処理した。また、ab及びkbのサンプルは、それぞれ250℃、275℃、300℃、325℃及び350℃で4時間熱処理した。そして、60℃での乾燥後の重量を初期重量W0とし、熱処理後の重量を処理後重量Wとし、重量減少率W/W0を求めた。図4は、炭素材料の熱処理条件と重量変化との関係を表す図である。図4に示すように、窒素中では、重量減少はほとんど起きなかったが、酸化雰囲気である大気中では、250℃を超えると重量減少がみられた。このため、この熱処理での重量減少は、焼失した炭素量を表しているものと推察された。この結果より、炭素材料の種類により、焼失しやすさが異なり、例えばabでは300℃、4時間で重量減少割合W/W0が0.85(15%が焼失)を示し、kbでは300℃、4時間で重量減少割合W/W0が0.00(100%が焼失)を示すことがわかった。なお、kbは中空球状の炭素であり燃焼して焼失しやすいのに対し、abは中実球状の炭素であり焼失しにくいという違いがある。したがって、酸化する程度が高いkbと酸化する程度が低いabとを経験的な分量で混合することにより、正極活物質層の細孔径分布などを制御することができることがわかった。
(Examination of weight change due to heat treatment of carbon materials)
2 ml of pure water, 1 ml of acetone, and 23.2 mg of a carbon material (either ab or kb) were added and mixed by stirring with a magnetic stirrer, coated on a Pt plate, and dried at 60 ° C. for 1 hour. . Several samples were prepared. The ab sample was heat-treated in nitrogen or air, and the kb sample was heat-treated in air. The ab and kb samples were heat-treated at 250 ° C., 275 ° C., 300 ° C., 325 ° C. and 350 ° C. for 4 hours, respectively. Then, the weight after drying at 60 ° C. was defined as the initial weight W 0 , the weight after the heat treatment was defined as the post-treatment weight W, and the weight reduction rate W / W 0 was determined. FIG. 4 is a diagram illustrating the relationship between the heat treatment condition of the carbon material and the weight change. As shown in FIG. 4, weight reduction hardly occurred in nitrogen, but weight reduction was observed at 250 ° C. or higher in the atmosphere that is an oxidizing atmosphere. For this reason, it was guessed that the weight reduction by this heat processing represents the amount of carbon burnt down. From this result, the susceptibility to burning differs depending on the type of carbon material. For example, ab shows a weight reduction ratio W / W 0 of 0.85 (15% burned out) at 300 ° C. for 4 hours and kb shows 300 ° C. It was found that the weight reduction ratio W / W 0 showed 0.00 (100% burned out) in 4 hours. Note that kb is hollow spherical carbon, which is easily burned and burned, whereas ab is solid spherical carbon, which is difficult to burn. Therefore, it was found that the pore diameter distribution of the positive electrode active material layer can be controlled by mixing kb, which has a high degree of oxidation, and ab, which has a low degree of oxidation, in an empirical amount.
(X線回折測定)
混合材料V2O5/ab−1をガラス板上に塗布したものを複数用意し、窒素雰囲気中で、それぞれ60℃、120℃、200℃及び250℃で8時間熱処理して得られたサンプルをそれぞれX線回折測定した。X線回折測定は、X線回折装置(リガク製RINT−TTR)によりCuKα線を用いて2θが5°〜75°の範囲で行った。図5は、熱処理後の混合材料のX線回折の測定結果である。図5に示すように、200℃までの熱処理では、2θ=26°、30°近傍でのアセチレンブラックなどに由来するブロードな回折ピークと、2θ=6.5°,24.2°近傍でのV2O5・1.6H2Oに由来する回折ピークが得られた。即ち、V2O5は結晶水を有する状態であった。これに対して、250℃、8時間の熱処理では、V2O5・1.6H2Oに由来するピークが大きく減少し、斜方晶系のV2O5(無水)に由来する2θ=12.2°、29.2°の回折ピークと、正方晶系のV2O5(無水)に由来する2θ=15.4°、20.3°の回折ピークとが得られるようになった。即ち、V2O5の構造からほとんどの結晶水を除去することができることがわかった。これらの基本的な熱処理による特性変化を考慮して、以下の実験例に示す熱処理条件を設定し、電池特性について検討した。
(X-ray diffraction measurement)
Samples obtained by preparing a plurality of mixed materials V 2 O 5 / ab-1 coated on a glass plate and heat-treating them at 60 ° C., 120 ° C., 200 ° C. and 250 ° C. for 8 hours in a nitrogen atmosphere, respectively. Were each measured by X-ray diffraction. The X-ray diffraction measurement was performed using CuKα rays with an X-ray diffractometer (RINT-TTR manufactured by Rigaku) in a range of 2θ of 5 ° to 75 °. FIG. 5 is a measurement result of X-ray diffraction of the mixed material after the heat treatment. As shown in FIG. 5, in the heat treatment up to 200 ° C., a broad diffraction peak derived from acetylene black or the like near 2θ = 26 °, 30 °, and 2θ = 6.5 °, around 24.2 °. A diffraction peak derived from V 2 O 5 .1.6H 2 O was obtained. That is, V 2 O 5 was in a state having crystal water. On the other hand, in the heat treatment at 250 ° C. for 8 hours, the peak derived from V 2 O 5 .1.6H 2 O is greatly reduced, and 2θ = from orthorhombic V 2 O 5 (anhydrous). The diffraction peaks of 12.2 ° and 29.2 ° and the diffraction peaks of 2θ = 15.4 ° and 20.3 ° derived from tetragonal V 2 O 5 (anhydrous) have been obtained. . That is, it was found that most of the crystal water can be removed from the structure of V 2 O 5 . Considering the characteristic changes due to these basic heat treatments, the heat treatment conditions shown in the following experimental examples were set, and the battery characteristics were examined.
[実験例1]
混合材料V2O5/ab−1をPt板上に担持させ、窒素雰囲気中、250℃で4時間熱処理して得られたものを実験例1の正極とした。この正極を用いて、上述した作成工程を経て得られた電池を実験例1の二次電池とした。
[Experimental Example 1]
The mixed material V 2 O 5 / ab-1 supported on a Pt plate and heat-treated at 250 ° C. for 4 hours in a nitrogen atmosphere was used as the positive electrode of Experimental Example 1. Using this positive electrode, the battery obtained through the above-described production process was used as the secondary battery of Experimental Example 1.
[実験例2〜5]
混合材料V2O5/ab−1をPt板上に担持させ、大気雰囲気中、275℃、300℃、325℃、350℃でそれぞれ4時間熱処理して得られたものをそれぞれ実験例2〜5の正極とした。これらの正極をそれぞれ用いて、上述した作成工程を経て得られた電池をそれぞれ実験例2〜5の二次電池とした。
[Experimental Examples 2 to 5]
The mixed materials V 2 O 5 / ab-1 were supported on a Pt plate and heat-treated at 275 ° C., 300 ° C., 325 ° C., and 350 ° C. for 4 hours in the atmosphere, respectively. No. 5 positive electrode. Using these positive electrodes, the batteries obtained through the above-described production steps were used as secondary batteries of Experimental Examples 2 to 5, respectively.
[実験例6]
混合材料V2O5/ab−2をPt板上に担持させ、大気雰囲気中、300℃で4時間熱処理して得られたものを実験例6の正極とした。この正極を用いて、上述した作成工程を経て得られた電池を実験例6の二次電池とした。
[Experimental Example 6]
The mixed material V 2 O 5 / ab-2 supported on a Pt plate and heat-treated at 300 ° C. for 4 hours in an air atmosphere was used as the positive electrode of Experimental Example 6. Using this positive electrode, a battery obtained through the above-described production process was used as a secondary battery of Experimental Example 6.
[実験例7]
混合材料V2O5/ab−3をPt板上に担持させ、窒素雰囲気中、250℃で4時間熱処理して得られたものを実験例7の正極とした。この正極を用いて、上述した作成工程を経て得られた電池を実験例7の二次電池とした。
[Experimental Example 7]
The mixed material V 2 O 5 / ab-3 supported on a Pt plate and heat-treated at 250 ° C. for 4 hours in a nitrogen atmosphere was used as the positive electrode of Experimental Example 7. Using this positive electrode, the battery obtained through the above-described production process was used as the secondary battery of Experimental Example 7.
[実験例8〜10]
混合材料V2O5/ab−1をPt板上に担持させ、窒素雰囲気中、60℃、120℃、200℃でそれぞれ4時間熱処理して得られたものをそれぞれ実験例8〜10の正極とした。これらの正極をそれぞれ用いて、上述した作成工程を経て得られた電池をそれぞれ実験例8〜10の二次電池とした。
[Experimental Examples 8 to 10]
The mixed material V 2 O 5 / ab-1 was supported on a Pt plate and heat-treated at 60 ° C., 120 ° C., and 200 ° C. for 4 hours in a nitrogen atmosphere, respectively. It was. Using these positive electrodes, the batteries obtained through the above-described preparation steps were used as secondary batteries of Experimental Examples 8 to 10, respectively.
[実験例11]
純水2mlと、アセトン1mlと、アセチレンブラック23.2mgとを加えマグネティックスターラーで攪拌して混合し、Pt板上に塗布し、60℃で1時間、乾燥したのち、窒素雰囲気中、250℃で4時間熱処理して得られたものを実験例11の正極とした。この正極を用いて、上述した作成工程を経て得られた電池を実験例11の二次電池とした。
[Experimental Example 11]
2 ml of pure water, 1 ml of acetone, and 23.2 mg of acetylene black were added and mixed by stirring with a magnetic stirrer, coated on a Pt plate, dried at 60 ° C. for 1 hour, and then at 250 ° C. in a nitrogen atmosphere. The product obtained by heat treatment for 4 hours was used as the positive electrode of Experimental Example 11. Using this positive electrode, the battery obtained through the above-described production process was used as the secondary battery of Experimental Example 11.
[実験例12]
上記得られたバナジウムゾル溶液1mlと、純水1mlと、アセトン1mlとを加えマグネティックスターラーで攪拌して混合し、V2O5が約600μgとなるようにPt板上に塗布し、60℃で1時間乾燥した。こののち、窒素雰囲気中、250℃で4時間熱処理して得られたものを実験例12の正極とした。この正極を用いて、上述した作成工程を経て得られた電池を実験例12の二次電池とした。
[Experimental example 12]
1 ml of the obtained vanadium sol solution, 1 ml of pure water and 1 ml of acetone are added and mixed by stirring with a magnetic stirrer, and coated on a Pt plate so that V 2 O 5 is about 600 μg, and at 60 ° C. Dried for 1 hour. Thereafter, a positive electrode of Experimental Example 12 was obtained by heat treatment at 250 ° C. for 4 hours in a nitrogen atmosphere. Using this positive electrode, a battery obtained through the above-described production process was used as a secondary battery of Experimental Example 12.
[実験例13〜16]
熱処理時の雰囲気を窒素雰囲気とした以外は、実験例2〜5と同様の工程を経て得られた正極及び二次電池をそれぞれ実験例13〜16とした。
[Experimental Examples 13 to 16]
Except that the atmosphere during the heat treatment was changed to a nitrogen atmosphere, positive electrodes and secondary batteries obtained through the same steps as in Experimental Examples 2 to 5 were set as Experimental Examples 13 to 16, respectively.
(電池特性測定)
上記構成した二次電池を用いて、電流−電位(I−V)特性を測定した。Ag基準電位で、−0.4V〜1.5V(Mg/Mg2+基準での2.0V〜3.9V)の電位範囲で掃引速度0.2mV・s-1にて3サイクル電位掃引し、3サイクル目において、Mg/Mg2+基準での2.0V〜3.5Vの電位範囲で、貴な方向に電位掃引したときに流れた電気量Qaと卑な方向に電位掃引したときに流れた電気量Qcとの差として、電気量Q=(Qa−Qc)/2を算出した。また、アセチレンブラックのみを担持した正極を用いて上記と同様に電池を構成し、上記電流−電位測定を行い、アセチレンブラック/電解液界面に形成される電気二重層容量によって生じる電気量Qeを求めた。そして、Mg/Mg2+のドープ(脱ドープ)によって生じる電気量(Q−Qe)を算出し、担持したV2O5がすべてV3+とV5+との間で価数変化した場合の電気量Q0との比率から、バナジウム利用率Urv=(Q−Qe)/Q0を算出した。
(Battery characteristics measurement)
Using the secondary battery configured as described above, current-potential (IV) characteristics were measured. Three cycle potential sweep at a sweep rate of 0.2 mV · s −1 in the potential range of −0.4 V to 1.5 V (2.0 V to 3.9 V based on Mg / Mg 2+ ) at the Ag reference potential. In the third cycle, in the potential range of 2.0 V to 3.5 V on the Mg / Mg 2+ basis, when the potential is swept in the noble direction and when the potential was swept in the base direction The amount of electricity Q = (Qa−Qc) / 2 was calculated as the difference from the amount of electricity Qc that flowed. In addition, a battery was constructed in the same manner as described above using a positive electrode carrying only acetylene black, and the current-potential measurement was performed to determine the amount of electricity Qe generated by the electric double layer capacity formed at the acetylene black / electrolyte interface. It was. When the quantity of electricity (Q-Qe) generated by doping (de-doping) with Mg / Mg 2+ is calculated, and the valence of all the supported V 2 O 5 changes between V 3+ and V 5+ The vanadium utilization rate Urv = (Q−Qe) / Q 0 was calculated from the ratio of the amount of electricity to Q 0 .
(細孔分布測定)
実験例1〜7及び実験例11,12の正極活物質層の細孔分布測定を行った。細孔分布は、QUANTACHROME製AUTOSORP−1を用いて窒素吸着等温線を測定し、測定結果をBJH法により解析して求めた。得られた解析結果を用い、細孔半径2nmに最も近い点を中心とし、中心を含めた両側2点(計5点)のLog微分細孔容積(cm3/g)の平均値を計算し、得られた値を平均細孔容積Vd(cm3/g)とした。図6は、各サンプルの細孔分布曲線である。図6に示すように、V2O5又はアセチレンブラックのみのサンプルでは、細孔半径2nm近傍領域での平均細孔容積Vd(cm3/g)は値0であった。これに対して、実験例1では細孔半径2nm近傍領域での平均細孔容積Vdが微量存在し、実験例2〜7では、この平均細孔容積Vdが1.50×10-2(cm3/g)以上の値を示した。
(Measurement of pore distribution)
The pore distribution measurement of the positive electrode active material layers of Experimental Examples 1 to 7 and Experimental Examples 11 and 12 was performed. The pore distribution was obtained by measuring a nitrogen adsorption isotherm using AUTOSORP-1 manufactured by QUANTACHROME and analyzing the measurement result by the BJH method. Using the obtained analysis results, calculate the average value of the Log differential pore volume (cm 3 / g) at the two points on the both sides including the center (5 points in total) centered on the point closest to the pore radius of 2 nm. The obtained value was defined as the average pore volume Vd (cm 3 / g). FIG. 6 is a pore distribution curve of each sample. As shown in FIG. 6, in the sample of only V 2 O 5 or acetylene black, the average pore volume Vd (cm 3 / g) in the region near the pore radius of 2 nm was 0. In contrast, in Experimental Example 1, there is a small amount of average pore volume Vd in the region near the pore radius of 2 nm. In Experimental Examples 2 to 7, this average pore volume Vd is 1.50 × 10 −2 (cm 3 / g) or more.
(重量比Wc/Wvの算出)
実験例1〜16の熱処理後の炭素の重量WcとV2O5の重量Wvとの重量比Wc/Wvを算出した。この重量比は、熱処理前後の正極の重量を測定することにより熱処理における重量減少量を算出し、この重量減少量から水分の減量分を差し引いた値を炭素材料の減量とし、混合時に入っている炭素材料の重量からこの炭素材料の減量を差し引いて、各実験例において残存する炭素材料の重量を計算した。そして、残存する炭素材料の重量を、混合時に入っているV2O5の重量で除算することにより、重量比Wc/Wvを算出した。なお、窒素雰囲気中で熱処理したものは炭素材料の減量はないものとして重量比Wc/Wvを算出した。
(Calculation of weight ratio Wc / Wv)
The weight ratio Wc / Wv between the weight Wc of carbon after the heat treatment in Experimental Examples 1 to 16 and the weight Wv of V 2 O 5 was calculated. The weight ratio is calculated by measuring the weight of the positive and negative electrodes before and after heat treatment, and calculating the weight reduction amount in the heat treatment. The value obtained by subtracting the weight loss from the weight reduction amount is the carbon material weight loss and is included in the mixing. The weight of the carbon material remaining in each experimental example was calculated by subtracting the weight loss of the carbon material from the weight of the carbon material. Then, the weight ratio Wc / Wv was calculated by dividing the weight of the remaining carbon material by the weight of V 2 O 5 contained during mixing. In addition, the weight ratio Wc / Wv was calculated on the assumption that there was no weight loss of the carbon material when heat-treated in a nitrogen atmosphere.
(測定結果と考察)
各サンプルの内容と、熱処理条件、熱処理後の炭素/V2O5の重量比Wc/Wv、平均細孔容積Vd(cm3/g)及びバナジウム利用率を実験例1〜11については表1に示し、実験例1,12〜15については表2に示した。また、熱処理温度とバナジウム利用率との関係を図7に示した。図7に示すように、熱処理温度の低い実験例8〜10では、V2O5に結晶水が存在することから、バナジウム利用率は約0.2以上と比較的高い値を示した。しかしながら、実験例8〜10では、繰り返し充放電などを行うと、この結晶水による不具合が生じるものと予測される。この正極活物質層を250℃で熱処理すると、水分を完全に除去することはできるが、バナジウム利用率が0.12まで低下した(実験例1)。また、窒素中で熱処理した実験例13〜16では、熱処理温度が250℃以上であってもバナジウム利用率は向上しなかった。これは、V2O5又から結晶水が除去されることによりマグネシウムの吸蔵・放出が十分に行えなくなったためであると推察された。また、この理由としては、図4に示すように、窒素雰囲気では、熱処理温度の増加によっても炭素質の重量減がほとんどない、即ち細孔容積の増加が起きないためであるとも推察された。これに対して、大気雰囲気中で275℃以上の熱処理を行うと、250℃で熱処理した実験例1に比してバナジウム利用率が向上することがわかった。このバナジウム利用率の向上は、2nm近傍での平均細孔容積Vdの増加に関係しているものと推察された。なお、大気雰囲気中、325℃以上で熱処理した際にバナジウム利用率が低下する理由は、本実験条件においては電池反応での導電性を担うアセチレンブラックの焼失量が増加し導電性が低下してしまうことから、見かけ上バナジウム利用率が低下してしまうものであると推察された。このため、混合材料の熱処理後に導電材を更に加えるなどすれば、325℃以上で熱処理してもバナジウム利用率が低下してしまうのを抑制することができるものと予想された。また、アセチレンブラックとケッチェンブラックとを用いた実験例6では、細孔半径が2nm近傍での平均細孔容積Vd及びバナジウム利用率が最も高く、電解液と正極活物質との接触がより良好であるものと推察された。また、バナジウム錯体溶液にアセチレンブラックを投入したあとにバナジウムゾルを生成した実験例7では、バナジウムと炭素材料との均一分散性が最も良好であり、窒素雰囲気中、250℃での熱処理にもかかわらず、平均細孔容積Vdが1.50×10-2cm3/g以上あり、バナジウム利用率も0.3を超えるなど、良好な特性を示した。これらのことより、V2O5に水がなく、且つ2nm近傍での平均細孔容積Vdが1.50×10-2cm3/g以上であるものとすれば、バナジウムを含み多価金属を吸蔵・放出するものにおいて、電池特性、特にバナジウム利用率などをより高めることができることが明らかとなった。
(Measurement results and discussion)
Table 1 shows the contents of each sample, heat treatment conditions, weight ratio Wc / Wv of carbon / V 2 O 5 after heat treatment, average pore volume Vd (cm 3 / g), and vanadium utilization rate for Experimental Examples 1 to 11. The experimental examples 1, 12 to 15 are shown in Table 2. The relationship between the heat treatment temperature and the vanadium utilization rate is shown in FIG. As shown in FIG. 7, in Experimental Examples 8 to 10 having a low heat treatment temperature, since water of crystallization was present in V 2 O 5 , the vanadium utilization rate was a relatively high value of about 0.2 or more. However, in Experimental Examples 8 to 10, when repeated charging and discharging are performed, it is predicted that a defect due to the crystal water occurs. When this positive electrode active material layer was heat-treated at 250 ° C., moisture could be completely removed, but the vanadium utilization rate decreased to 0.12 (Experimental Example 1). Moreover, in Experimental Examples 13-16 heat-processed in nitrogen, even if the heat processing temperature was 250 degreeC or more, the vanadium utilization factor did not improve. This was presumed to be due to the fact that magnesium was not able to be fully occluded / released by removing water of crystallization from V 2 O 5 . Further, as shown in FIG. 4, it is presumed that this is because, in a nitrogen atmosphere, there is almost no weight loss of carbonaceous material even when the heat treatment temperature is increased, that is, no increase in pore volume occurs. On the other hand, when heat treatment at 275 ° C. or higher was performed in the air atmosphere, it was found that the vanadium utilization rate was improved as compared with Experimental Example 1 where heat treatment was performed at 250 ° C. This improvement in the vanadium utilization rate was presumed to be related to an increase in the average pore volume Vd near 2 nm. The reason why the vanadium utilization rate decreases when heat-treated at 325 ° C. or higher in the air atmosphere is that, under this experimental condition, the amount of acetylene black responsible for conductivity in the battery reaction is increased and the conductivity is decreased. Therefore, it was speculated that the vanadium utilization rate seemed to decrease. For this reason, it was expected that if a conductive material is further added after the heat treatment of the mixed material, the vanadium utilization rate can be suppressed from being lowered even if the heat treatment is performed at 325 ° C. or higher. In Experimental Example 6 using acetylene black and ketjen black, the average pore volume Vd and vanadium utilization rate were highest when the pore radius was around 2 nm, and the contact between the electrolyte and the positive electrode active material was better. It was guessed that. In Experimental Example 7 in which vanadium sol was formed after acetylene black was added to the vanadium complex solution, the uniform dispersibility of vanadium and the carbon material was the best, and despite the heat treatment at 250 ° C. in a nitrogen atmosphere. The average pore volume Vd was 1.50 × 10 −2 cm 3 / g or more, and the vanadium utilization rate exceeded 0.3. From these facts, if V 2 O 5 has no water and the average pore volume Vd near 2 nm is 1.50 × 10 −2 cm 3 / g or more, it contains vanadium and a polyvalent metal. It has been clarified that the battery characteristics, particularly the vanadium utilization rate, can be further improved in those that absorb and release.
本発明は、二次電池の製造分野に利用可能である。 The present invention can be used in the field of manufacturing secondary batteries.
Claims (6)
バナジウム錯体溶液と炭素材料とを混合したのち、バナジウムを含むゾルを生成することによりバナジウムと炭素材料とを混合した混合材料を調製する混合工程と、
前記混合工程で得られた混合材料を不活性雰囲気において250℃以上で熱処理する熱処理工程と、
を含む正極の製造方法。 A method for producing a positive electrode of a secondary battery using a polyvalent metal,
A mixing step of preparing a mixed material in which vanadium and a carbon material are mixed by forming a sol containing vanadium after mixing the vanadium complex solution and the carbon material ;
A heat treatment step of heat-treating the mixed material obtained in the mixing step at 250 ° C. or higher in an inert atmosphere;
The manufacturing method of the positive electrode containing this.
前記多価金属を吸蔵・放出可能な負極と、
請求項1〜3のいずれか1項に記載の正極の製造方法で製造され、バナジウムを含む正極活物質と炭素材料とを含む正極活物質層を有する正極と、
前記負極と前記正極との間に介在し前記多価金属のイオンを伝導する非水系のイオン伝導媒体と、を備え、
前記正極活物質層は、X線回折測定すると2θが12.2°、15.4°、20.3°及び29.2°に回折ピークを有し、
前記正極活物質層は、窒素吸着測定を行いBJH法により解析すると細孔半径2nmを含む所定の細孔半径範囲でのLog微分細孔容積の平均値である平均細孔容積Vdが1.50×10-2cm3/g以上である、
二次電池。 A secondary battery using a polyvalent metal,
A negative electrode capable of inserting and extracting the polyvalent metal;
A positive electrode produced by the method for producing a positive electrode according to any one of claims 1 to 3, and having a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material containing vanadium and a carbon material,
A non-aqueous ion conducting medium that is interposed between the negative electrode and the positive electrode and conducts ions of the polyvalent metal,
The positive electrode active material layer has diffraction peaks at 2θ of 12.2 °, 15.4 °, 20.3 °, and 29.2 ° as measured by X-ray diffraction,
When the positive electrode active material layer is subjected to nitrogen adsorption measurement and analyzed by the BJH method, the average pore volume Vd, which is the average value of the Log differential pore volume in a predetermined pore radius range including a pore radius of 2 nm, is 1.50. × 10 −2 cm 3 / g or more,
Secondary battery.
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