JP5591205B2 - A novel lithium insertion electrode material based on orthosilicate derivatives - Google Patents
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Description
本発明は、オルトシリケート誘導体に基づく新規なリチウム挿入電極材料、これらの材料を含む電極を有する電気化学的発電装置及び可変光伝導装置に関する。 The present invention relates to novel lithium insertion electrode materials based on orthosilicate derivatives, electrochemical power generation devices and variable photoconductive devices having electrodes comprising these materials.
電極材料は主として遷移金属カルコゲニド、特に酸化物であってラメラ構造、例えばLixCoO2又はスピネル、例えばLi2xMn2O4を有する。これらの材料は通常、単位式中の遷移金属当たり1より小さい交換されたリチウム及び電子(0≦x≦0.6)を伴うリチウム挿入機構を介して作動する。さらに、これらの材料は遷移金属が電極中に浸出して容易に失われるという損害を受ける。コバルトは高価すぎて大規模に使用することができない。
カンラン石型構造のLiFePO4(トリフィル石)及び“□FePO4”として示される準同形脱リチウム材料(ここで“□”はリチウムが抜けた後を意味する)は、平板の放電(リチウム挿入)プラトーを有する液状及びポリマー電解質の双方の安定な窓において、作動電圧が3.5V vs.Li+/Li0であるという利点を有する。
The electrode material is mainly a transition metal chalcogenide, in particular an oxide and has a lamellar structure, for example Li x CoO 2 or a spinel, for example Li 2x Mn 2 O 4 . These materials typically operate via a lithium insertion mechanism with exchanged lithium and electrons (0 ≦ x ≦ 0.6) less than 1 per transition metal in the unit formula. In addition, these materials suffer from the loss of transition metals that can easily be leached into the electrode. Cobalt is too expensive to be used on a large scale.
LiFePO 4 of olivine type structure (Torifiru stone) and "□ FePO 4" homomorphic delithiated material shown as (where "□" means after exiting lithium), the flat plate of the discharge (lithiation) In the stable window of both liquid and polymer electrolyte with plateau, it has the advantage that the operating voltage is 3.5 V vs. Li + / Li 0 .
しかしながらこの材料はLi+拡散速度キネティックス及び電子伝導性が共に相対的に低いために制限され、その原因はホスフェートアニオンの電気陰性度が高いことにある。両相(LiFePO4及び□FePO4)に非−化学量論性又は相互混和性がないことは放電カーブの形から見て有利ではあるが、最終的には高電流密度で材料を細分化し、また電流収集体として作用する炭素粒子との接触を減少させる相転移のキネティックスを制限する。この型のホスフェートは、単位式当たりただ一つのリチウムを交換する可能性を提供する。
逆に、Li2SO4、Li3PO4、Li4SiO4及びその固溶体との複合物はリチウムイオンに対して相対的に高い拡散係数を有するが、レドックス活性を全く有しないことが知られている。
However, this material is limited by the relatively low Li + diffusion rate kinetics and electronic conductivity both due to the high electronegativity of the phosphate anion. The absence of non-stoichiometry or mutual miscibility in both phases (LiFePO 4 and □ FePO 4 ) is advantageous in terms of the shape of the discharge curve, but eventually the material is fragmented at a high current density, It also limits the kinetics of phase transitions that reduce contact with carbon particles acting as current collectors. This type of phosphate offers the possibility of exchanging only one lithium per unit formula.
Conversely, Li 2 SO 4 , Li 3 PO 4 , Li 4 SiO 4 and their composite solutions are known to have relatively high diffusion coefficients for lithium ions, but no redox activity. ing.
本発明で、ビルディングブロックとしてSiO4 4-テトラニオン(tetranion)を含むオルトシリケートが、少なくとも二価の遷移金属を少なくとも一取り込むことによって、レドックス材料として使用される。リチウムが構造体に出入りして、電極として作動中のレドックス共役体の原子価の変化を補償し、また全体としての電気中性度を保持する。 In the present invention, an orthosilicate containing SiO 4 4- tetranion as a building block is used as a redox material by incorporating at least one divalent transition metal. Lithium enters and exits the structure to compensate for changes in the valence of the redox conjugate acting as an electrode and to maintain overall electrical neutrality.
本発明の材料の一般式は以下の通りである:
LixMm-(d+t+q+r)DdTtQqRr[SiO4]1-(p+s+g+v+a+b)[SO4]s[PO4]p[GeO4]g[VO4]v[AlO4]a[BO4]b
式中、
MはMn2+又はFe2+及びその混合物を意味し;
Dは+2酸化状態にある金属で、Mg2+、Ni2+、Co2+、Zn2+、Cu2+、Ti2+、V2+、Ca2+から選択する金属を意味し;
Tは+3酸化状態にある金属で、Al3+、Ti3+、Cr3+、Fe3+、Mn3+、Ga3+、Zn3+、V3+から選択する金属を意味し;
Qは+4酸化状態の金属で、Ti4+、Ge4+、Sn4+、V4+から選択する金属を意味し;
Rは+5酸化状態の金属で、V5+、Nb5+、Ta5+から選択する金属を意味し;
M、D、T、Q、Rはすべて八面体又は四面体部位に位置する元素であり;
s、p、g、v、a及びbは、ケイ素四面体部位に位置するS6+(スルフェート)、P5+(ホスフェート)、Ge4+(ゲルマネート)、V5+(バナデート)、Al3+(アルミネート)及びB3+(ボレート)それぞれに対応する化学量論係数である。
化学量論係数のd、t、q、r、p、s、v、a、bはすべて正の数であり、0(含む)と1(含む)の間の数である。他の条件は:
0≦x≦2; 1≦m≦2; p+s+v+a+b<1(含まない)
x+2m+t+2q+3r=4-p-2s-v+a+b。
The general formula of the material of the present invention is as follows:
Li x M m- (d + t + q + r) D d T t Q q R r [SiO 4 ] 1- (p + s + g + v + a + b) [SO 4 ] s [PO 4 ] p [GeO 4 ] g [VO 4 ] v [AlO 4 ] a [BO 4 ] b
Where
M means Mn 2+ or Fe 2+ and mixtures thereof;
D is a metal in the +2 oxidation state and means a metal selected from Mg 2+ , Ni 2+ , Co 2+ , Zn 2+ , Cu 2+ , Ti 2+ , V 2+ , and Ca 2+ ;
T is a metal in the +3 oxidation state, meaning a metal selected from Al 3+ , Ti 3+ , Cr 3+ , Fe 3+ , Mn 3+ , Ga 3+ , Zn 3+ , V 3+ ;
Q is a metal in the +4 oxidation state, meaning a metal selected from Ti 4+ , Ge 4+ , Sn 4+ , V 4+ ;
R is a metal in the +5 oxidation state, meaning a metal selected from V 5+ , Nb 5+ , Ta 5+ ;
M, D, T, Q, R are all elements located in octahedral or tetrahedral sites;
s, p, g, v, a and b are S 6+ (sulfate), P 5+ (phosphate), Ge 4+ (germanate), V 5+ (vanadate), Al located in the silicon tetrahedral site. 3+ is (aluminate) and B 3+ (borate) stoichiometric coefficient corresponding to each.
The stoichiometric coefficients d, t, q, r, p, s, v, a, and b are all positive numbers and are numbers between 0 (including) and 1 (including). Other conditions are:
0 ≦ x ≦ 2; 1 ≦ m ≦ 2; p + s + v + a + b <1 (not included)
x + 2m + t + 2q + 3r = 4-p-2s-v + a + b.
ケイ素は地殻で第二に豊富な元素であり、シリケート構造体は化学的に強固で、従って電気化学的に安定である。鉄及びマンガンに加えて好ましい遷移金属を以下から選択する:チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ニオブ及びタンタル。大量の鉄及び/又はマンガンを含む複合物が好ましいのは、それらの元素が豊富であり、毒性がないからである。さらに、ポテンシャルが電極の作動領域の外にある固定原子価又はレドックス状態の金属を、遷移元素で部分的に置換して、リチウムイオンの拡散特性を改良し及び/又は利用可能な部位の数を増加させ、粒子の大きさの制御を助けかつ電極材料の酸化型及び還元型の間の連続固溶体の存在を可能にすることができる。これらの元素をリチウム、マグネシウム、カルシウム、亜鉛、アルミニウム、ガリウム及びスズから選択するのが好ましい。例えば、鉄及び/又はマンガンが同一相中で異なる二つの酸化状態で共存することを考慮すると、これらの置換は鉄とマンガンのレドックスレベルに近似したレベルの他の元素との特異的な相互反応(例えば、Fe2+/Ti4+⇔Fe3+/Ti3+、Mn2+/V5+⇔Mn3+/V4+など)を導入し、両者は共に電子伝導については好ましく、アニオン性の部位の不整合はLi+に対して優先的な拡散を提供する。 Silicon is the second most abundant element in the crust, and the silicate structure is chemically strong and therefore electrochemically stable. In addition to iron and manganese, preferred transition metals are selected from: titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, niobium and tantalum. Composites containing large amounts of iron and / or manganese are preferred because they are rich in these elements and are not toxic. In addition, fixed valence or redox metals with potentials outside the working region of the electrode may be partially replaced with transition elements to improve lithium ion diffusion properties and / or to increase the number of sites available. It can be increased to help control particle size and to allow the presence of a continuous solid solution between the oxidized and reduced forms of the electrode material. These elements are preferably selected from lithium, magnesium, calcium, zinc, aluminum, gallium and tin. For example, given the coexistence of iron and / or manganese in two different oxidation states in the same phase, these substitutions are specific interactions with other elements at levels similar to the redox level of iron and manganese. (For example, Fe 2+ / Ti 4+ ⇔Fe 3+ / Ti 3+ , Mn 2+ / V 5+ ⇔Mn 3+ / V 4+ etc.), both of which are preferable for electron conduction, anions Sex site mismatch provides preferential diffusion over Li + .
本発明の他の観点はケイ素部位を種々の元素で置換する可能性に関する。オルトシリケートアニオンは、スルフェート、ホスフェート、ゲルマネート及びバナデートアニオンと等量であり、ホウ素及びアルミニウムと同様に、この型の構造体では対応する元素が容易にケイ素を置換し、アニオン性部位における荷電密度を完全に制御する材料の幅広い選択を提供する。同様に、オルトシリケートの、大量の結合手の空きや中間的なイオンに適応する傾向は、リチウムの出入り工程中に構造体を統一的に保持する一方リチウムイオンが拡散するには極めて好ましい。
本発明の材料は、低温型及び高温型のリン酸リチウム(a及びb型)についてX−線及び電子線回折によって決定される斜方晶構造を有するのが好ましく、金属イオンは、残された7個の非占有四面体部位又は4個の八面体部位(ASTM No 25-1020及び15-760)若しくはリチウムオルトシリケートLi4SiO4の部分的に占有された“スタッフドカンラン石型”構造のいずれかを部分的に占有する。160 mAh/gより大きい容量ウエルを得ることができ、これは常用の電極材料より優れている。本発明の材料の他の利点は遷移金属が電極に浸出するのを防止することにあるが、これは、遷移元素を含む多重に荷電したカチオンを選択的に結合するオルトシリケートアニオンSiO4 4-の荷電が高いためである。
Another aspect of the present invention relates to the possibility of replacing the silicon site with various elements. The orthosilicate anion is equivalent to the sulfate, phosphate, germanate and vanadate anions and, like boron and aluminum, in this type of structure, the corresponding element easily replaces silicon and charges at the anionic site. Provides a wide selection of materials that fully control density. Similarly, the tendency of orthosilicates to accommodate large amounts of bond vacancies and intermediate ions is highly favorable for the diffusion of lithium ions while retaining the structure uniformly during the lithium entry and exit process.
The material of the present invention preferably has an orthorhombic structure determined by X-ray and electron diffraction for low and high temperature type lithium phosphates (a and b types), with metal ions remaining. seven unoccupied tetrahedral sites or four octahedral sites (ASTM N o 25-1020 and 15-760) or partially occupied lithium orthosilicate Li 4 SiO 4 "staff Boom run stone type" structure Partially occupy any of the. Volume wells greater than 160 mAh / g can be obtained, which is superior to conventional electrode materials. Another advantage of the material of the present invention is that it prevents the transition metal from leaching to the electrode, which is an orthosilicate anion SiO 4 4− that selectively binds multiple charged cations containing transition elements. This is because of the high charge.
本発明の複合物が特に有用なのは、単独で使用する場合又は電気化学的電池、及び陰電極がリチウムイオン源である一次若しくは二次電池において安定な電極材料の成分として他のレドックス−活性複合物と混合して使用する場合である。典型的な例は、制限するものではなく、金属リチウム、リチウム合金、例えばSnO又はSnO2を還元して得られた酸化リチウムマトリックス中の該合金のナノディスパージョン(nanodispersion)、炭素、特にグラファイト又は石油コークス若しくはポリパラフェニレンのような有機誘導体を熱分解して得られる炭素物質中にリチウムを挿入した複合物、一般式 Li1+yTi2-x/4O4(独立に0≦x≦1、0≦y≦1)のリチウム−チタンスピネル及び他のスピネルとのその固溶体又はリチウム−遷移金属混合ニトリド、例えばLi3-xCoxN(0≦x≦1)である。これらの材料を単独で又は混合して使用することができる。
他の適用として、スーパーキャパシター(supercapacitor)における使用又は制御された反射伝達窓(reflection-transmission window)(“スマートウインドウ(smartwindow)”)用の対電極としての使用があり、これは異なる酸化状態にある複合物の光吸収が低いことによるものである。
The composites of the present invention are particularly useful when used alone or in electrochemical cells and other redox-active composites as components of stable electrode materials in primary or secondary batteries where the negative electrode is a lithium ion source. It is a case where it mixes with and uses. Typical examples are not intended to limit, metal lithium, lithium alloys, such as SnO or alloy of nanodispersion in lithium oxide matrix obtained by reducing the SnO 2 (nanodispersion), carbon, in particular graphite or A compound in which lithium is inserted into a carbon material obtained by pyrolyzing an organic derivative such as petroleum coke or polyparaphenylene, and a general formula Li 1 + y Ti 2-x / 4 O 4 (independently 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) lithium-titanium spinel and its solid solution with other spinels or lithium-transition metal mixed nitrides such as Li 3-x Co x N (0 ≦ x ≦ 1). These materials can be used alone or in combination.
Other applications include use in supercapacitors or as counter electrodes for controlled reflection-transmission windows (“smartwindows”), which are in different oxidation states. This is due to the low light absorption of some composites.
本発明の複合物は、当業者に公知の無機化学及びセラミックスの技術によって容易に製造される。一般に、材料の最終組成物に取り込まれる元素の酸化物、塩又は誘導体を、所定の比率で混合し、その温度で加熱して反応を確実なものにする。好ましくは、金属塩は緩和な温度で容易に分解して酸化物を放出するアニオンから誘導される塩である。これらには有機塩、例えば酢酸塩、シュウ酸塩及び一般的にカルボキシル酸誘導体の塩、ベータジケトン、アルコキシド又はそれらの混合物がある。同様に好ましい無機塩を、ヒドロキシド、ニトレート、カーボネート、スルフェートから選択する。いわゆるゾル−ゲル技術が特に評価されるのは、この技術によって元素を高度に分散した形態で取り込むことができ、その結果、相対的に低い温度で粒子の大きさが制御可能な均一な粉末が得られるからである。シリコンアルコキシドが本目的のために特に有用なのは、それが室温で加水分解してシリカ前駆体となり、このようにして形成されたシリカゲルが広い表面積を有し、熱処理によって均一な材料になる金属塩を大量に吸着するからである。ケイ素、チタン、ゲルマニウム、アルミニウム誘導体アルコキシドの広範囲な選択が商業的に可能である。この技術の変形に水性又は非水性媒体からの元素の共沈殿及びペチニ(Pechini)法があり、この方法においてはポリエステルポリ酸が溶液中に形成されかつ溶液からのイオンをキレート化し、次いで乾燥及び熱分解する。元素、特に遷移金属の酸化程度の制御を、制御した環境下で操作することによって達成できる。真空、不活性気体又は還元混合物、例えば水素又は一酸化炭素/二酸化炭素混合物によって、低い酸素分圧を保持することができる。従って、充分に規定した酸素活性を公知の熱力学的データから得ることができる。逆に、空気又は酸素によって遷移金属の原子価状態が高くなる。 The composites of the present invention are readily produced by inorganic chemistry and ceramic techniques known to those skilled in the art. In general, the elemental oxides, salts or derivatives incorporated into the final composition of the material are mixed in a predetermined ratio and heated at that temperature to ensure a reaction. Preferably, the metal salt is a salt derived from an anion that readily decomposes at moderate temperatures to release the oxide. These include organic salts such as acetates, oxalates and generally salts of carboxylic acid derivatives, beta diketones, alkoxides or mixtures thereof. Likewise preferred inorganic salts are selected from hydroxides, nitrates, carbonates, sulfates. The so-called sol-gel technique is particularly appreciated because it allows the incorporation of elements in a highly dispersed form, resulting in a uniform powder with controllable particle size at relatively low temperatures. It is because it is obtained. Silicon alkoxides are particularly useful for this purpose because they are hydrolyzed at room temperature into silica precursors, and the silica gel thus formed has a large surface area and is a homogeneous material upon heat treatment. This is because a large amount is adsorbed. A wide selection of silicon, titanium, germanium, aluminum derivative alkoxides is commercially possible. Variations on this technique include elemental coprecipitation from aqueous or non-aqueous media and the Pechini method, in which polyester polyacids are formed in solution and chelate ions from solution, then dried and Thermally decomposes. Control of the degree of oxidation of elements, especially transition metals, can be achieved by operating in a controlled environment. A low oxygen partial pressure can be maintained by a vacuum, an inert gas or a reducing mixture such as hydrogen or a carbon monoxide / carbon dioxide mixture. Thus, a well-defined oxygen activity can be obtained from known thermodynamic data. Conversely, the valence state of the transition metal is increased by air or oxygen.
材料のレドックス状態を、構造体からのリチウムの化学的抽出又はそれへの挿入によっても制御することができ、これは電極操作を模倣している。リチウムが抽出可能な公知の酸化剤を、臭素、塩素、沃素、安定なアニオンのニトロソニウム又はニトロニウム塩、例えばNO+BF4 -又はNO2 +PF6 -から選択することができるが、これに限定するものではない。還元剤を、ヨージドイオン、LiBH4、縮合芳香核(ナフタレン、アントラセン、ベンゾフェノン)を有するリチウムの遊離基アニオン誘導体、有機金属試薬、例えばブチルリチウム、リチウムチオレートから選択することができるが、これに限定するものではない。本発明の複合物の望ましいリチウム含量は、電気化学的にも得られる。
以下の実施例を本発明を説明するために示すが、その範囲を制限するものと解すべきではない。
The redox state of the material can also be controlled by chemical extraction or insertion of lithium from the structure, which mimics electrode manipulation. Lithium known oxidizing agents that can be extracted, bromine, chlorine, iodine, nitrosonium or nitronium salts stable anions, e.g. NO + BF 4 - or NO 2 + PF 6 - can be selected from, in this It is not limited. The reducing agent can be selected from, but is not limited to, iodide ions, LiBH 4 , free radical anion derivatives of lithium with condensed aromatic nuclei (naphthalene, anthracene, benzophenone), organometallic reagents such as butyl lithium, lithium thiolate. Not what you want. The desired lithium content of the composite of the present invention can also be obtained electrochemically.
The following examples are presented to illustrate the present invention and should not be construed as limiting its scope.
参考例1
90mlの水と10mlのメタノールに20.4gの酢酸リチウム二水化物Li(C2H3O2)・2(H2O)、24.5gの酢酸マンガン四水化物(Mn(C2H3O2)2・4(H2O))及び14.8mlのテトラメトキシシランを添加する。混合物をローラーミル上の厚い壁のプラスチック容器の中でジルコニアペレットと共に60時間粉砕する。濃密なスラリーをPTFE蒸発皿にあけてオーブン中で空気を循環して90℃で乾燥する。得られる物質を乳鉢で粉末にし、空気中で350℃で熱処理して有機残渣を除去する。得られる褐−緑色粉末をアルミナボートに移し、アルゴンで希釈した8%水素を含む還元気流によって電気炉中800℃で複合物を処理する。13gのLi2MnSiO4を得る(収量81%)。
Reference example 1
20.4 g lithium acetate dihydrate Li (C 2 H 3 O 2 ) · 2 (H 2 O), 24.5 g manganese acetate tetrahydrate (Mn (C 2 H 3 O 2 ) in 90 ml water and 10 ml methanol ) 2 · 4 (H 2 O)) and 14.8 ml of tetramethoxysilane are added. The mixture is ground for 60 hours with zirconia pellets in a thick-walled plastic container on a roller mill. The dense slurry is put into a PTFE evaporating dish and air is circulated in an oven to dry at 90 ° C. The resulting material is powdered in a mortar and heat treated at 350 ° C. in air to remove organic residues. The resulting brown-green powder is transferred to an alumina boat and the composite is treated at 800 ° C. in an electric furnace with a reducing air stream containing 8% hydrogen diluted with argon. 13 g of Li 2 MnSiO 4 are obtained (yield 81%).
参考例2
71.8gの酸化第一鉄FeO及び89.9gのリチウムメタシリケートLi2SiO3を高炭素鋼のボールで4時間ボールミルにかける。得られる混合物を石英のアンプルに移し、少量の鉄ターニング(turnings)を添加する。200℃を保ちつつ第二真空下でアンプルを真空にし次いで密封する。以下の反応
FeO+Li2SiO3⇒Li2FeSiO4
が4時間800℃で完了する。冷却後、アンプルをアルゴン雰囲気下で開封し鉄ターニングを磁力で除去する。
Reference example 2
71.8 g ferrous oxide FeO and 89.9 g lithium metasilicate Li 2 SiO 3 are ball milled with high carbon steel balls for 4 hours. The resulting mixture is transferred to a quartz ampoule and a small amount of iron turnings is added. The ampoule is evacuated and sealed under a second vacuum while maintaining 200 ° C. The following reaction
FeO + Li 2 SiO 3 ⇒Li 2 FeSiO 4
Is completed at 800 ° C for 4 hours. After cooling, the ampoule is opened under an argon atmosphere, and the iron turning is removed magnetically.
参考例3
鉄プロトキシドFeO(71.8g)とリチウムメタシリケートLi2SiO3(90g)を高炭素鋼のボールで4時間ボールミルにかける。得られる混合物を石英のアンプルに移し、少量の鉄ターニング(turnings)を添加する。200℃を保ちつつ第二真空下でアンプルを真空にし次いで密封する。以下の反応
FeO+Li2SiO3⇒Li2FeSiO4
が4時間800℃で完了する。
Reference example 3
Iron protooxide FeO (71.8 g) and lithium metasilicate Li 2 SiO 3 (90 g) are ball milled with high carbon steel balls for 4 hours. The resulting mixture is transferred to a quartz ampoule and a small amount of iron turnings is added. The ampoule is evacuated and sealed under a second vacuum while maintaining 200 ° C. The following reaction
FeO + Li 2 SiO 3 ⇒Li 2 FeSiO 4
Is completed at 800 ° C for 4 hours.
参考例4
21.6gのシュウ酸鉄二水化物、1.79gのシュウ酸マンガン二水化物及び5.17gの炭酸リチウムを、参考例1と同様に100mlの96%エチルアルコール中の13.4gのポリジエトキシシロキサン(Gelest Inc, Tullytouwn PA, USA カタログNo PSI-023)で粉砕する。得られるスラリーを蒸発し、500℃で空気中で焼成する。ケーキをボールミルで20分間粉砕し、得られる粉末を1050℃で10時間管状炉においてCO2及びCOの等量混合物の存在下に処理する。得られる複合体は式Li1.4Fe1.2Mn0.1SiO4を有している。
Reference example 4
21.6 g of iron oxalate dihydrate, 1.79 g of manganese oxalate dihydrate and 5.17 g of lithium carbonate were added to 13.4 g of polydiethoxysiloxane (Gelest Inc, 100 ml of 96% ethyl alcohol as in Reference Example 1). Tullytouwn PA, ground in a USA catalog N o PSI-023). The resulting slurry is evaporated and calcined in air at 500 ° C. The cake is ground in a ball mill for 20 minutes and the resulting powder is treated in the presence of an equal mixture of CO 2 and CO in a tubular furnace at 1050 ° C. for 10 hours. The resulting composite has the formula Li 1.4 Fe 1.2 Mn 0.1 SiO 4 .
参考例5
50mlのメタノールに19.4gの酢酸リチウム二水化物Li(C2H3O2)・2(H2O)、19.6gの酢酸マンガン四水化物Mn(C2H3O2)2・4(H2O)、14.8mlのテトラメトキシシラン及び2.75mlのイソプロパノール20mlに希釈したチタンテトライソプロポキシドを添加する。混合物をローラーミル上の厚い壁のプラスチック容器の中でジルコニアペレットと共に60時間粉砕する。スラリーをPTFE蒸発皿にあけて空気循環オーブン中で80℃で乾燥する。得られる物質を乳鉢で粉末にし、空気中で350℃で熱処理して有機残渣を除去する。得られる粉末をアルミナボートに移し、アルゴンで希釈した8%水素を含む還元気流によって800℃で複合物を参考例1のように処理する。式Li1.9Mn0.8Ti0.1SiO4に対応する複合物が得られ、式中Tiは+3状態で、マンガンは二価である。
Reference Example 5
19.4 g of lithium acetate dihydrate Li (C 2 H 3 O 2 ) · 2 (H 2 O), 19.6 g of manganese acetate tetrahydrate Mn (C 2 H 3 O 2 ) 2 · 4 ( H 2 O), 14.8 ml tetramethoxysilane and 2.75 ml isopropanol diluted in 20 ml titanium tetraisopropoxide. The mixture is ground for 60 hours with zirconia pellets in a thick-walled plastic container on a roller mill. The slurry is opened in a PTFE evaporating dish and dried at 80 ° C. in an air circulating oven. The resulting material is powdered in a mortar and heat treated at 350 ° C. in air to remove organic residues. The resulting powder is transferred to an alumina boat and the composite is treated as in Reference Example 1 at 800 ° C. with a reducing stream containing 8% hydrogen diluted with argon. A composite corresponding to the formula Li 1.9 Mn 0.8 Ti 0.1 SiO 4 is obtained, where Ti is in the +3 state and manganese is divalent.
参考例6
3gの参考例2の複合物Li2FeSiO4を20mlのアセトニトリルに懸濁させ、1.7gの臭素で室温下に攪拌しながら処理する。2時間後、懸濁物を濾過し、アセトニトリルで洗浄して組成Li1FeSiO4を有する固形物を残す。これは172 mAh/gの電極容量に相当する。同様に、7gの参考例4の材料を50mlのアセトニトリル中において3gの臭素で処理する。濾過後、材料Li0.1Fe1.2Mn0.1SiO4が得られる。これは260 mAh/gの電極容量に相当する。
Reference Example 6
3 g of the composite Li 2 FeSiO 4 of Reference Example 2 is suspended in 20 ml of acetonitrile and treated with 1.7 g of bromine with stirring at room temperature. After 2 hours, the suspension is filtered and washed with acetonitrile, leaving a solid with the composition Li 1 FeSiO 4 . This corresponds to an electrode capacity of 172 mAh / g. Similarly, 7 g of the material of Reference Example 4 is treated with 3 g of bromine in 50 ml of acetonitrile. After filtration, the material Li 0.1 Fe 1.2 Mn 0.1 SiO 4 is obtained. This corresponds to an electrode capacity of 260 mAh / g.
参考例7
5gの参考例1の複合物Li2MnSiO4を40mlのニトロメタンに懸濁させ、室温下に攪拌しつつ12gのニトロニウムヘキサフルオロホスフェートNO2PF6で処理する。2時間後、懸濁液を濾過し、ニトロメタンで洗浄して組成MnSiO4を有する褐−紫色の固形物を残す。これは345 mAh/gの電極容量に相当する。
Reference Example 7
5 g of the composite Li 2 MnSiO 4 of Reference Example 1 is suspended in 40 ml of nitromethane and treated with 12 g of nitronium hexafluorophosphate NO 2 PF 6 with stirring at room temperature. After 2 hours, the suspension is filtered and washed with nitromethane leaving a brown-purple solid having the composition MnSiO 4 . This corresponds to an electrode capacity of 345 mAh / g.
実施例8
8gの参考例1の複合物Li2MnSiO4及び3.36gのリチウム鉄ホスフェートLiFePO4を、粒子の大きさが4μm(4ミクロン)を越えなくなるまで不活性雰囲気下おいて鋼ボールでボールミルによる粉砕を行う。混合物を一端を閉じたニッケル管に入れ、真空にして溶接する。管を750℃で10時間処理し、室温まで放冷する。得られる固溶体は式Li1.7Mn0.7Fe0.3Si0.7P0.3O4を有する。
Example 8
8 g of the composite Li 2 MnSiO 4 of Reference Example 1 and 3.36 g of lithium iron phosphate LiFePO 4 in an inert atmosphere until the particle size does not exceed 4 μm (4 microns), and then pulverized by a ball mill with a steel ball Do. The mixture is placed in a nickel tube closed at one end and welded under vacuum. The tube is treated at 750 ° C. for 10 hours and allowed to cool to room temperature. The resulting solid solution has the formula Li 1.7 Mn 0.7 Fe 0.3 Si 0.7 P 0.3 O 4 .
参考例9
10mmのニッケルフォイルに被覆した10mmのリチウムアノード、25mmのポリマー電解質及び45mmの陽電極を使用するソリッドステートバッテリーを4cm2の活性表面を有するように構成する。電解質は架橋した縮合ポリマーで、溶質としてリチウムトリフルオロメタンスルホンイミドLi(CF3SO2)2Nを有し、ポリマーのエーテル基からの酸素のLi+に対する比率が16:1に相当し、J. Electrochem. Soc. 141-7, 1915(1994)及びJournal of Power sources, 54-1, 40(1995)に従って製造される。陽電極を、53容量%の分子量200000のPEO、40容量%の参考例4の材料及び参考例6に従う脱リチウム化した材料、並びに7容量%のアセトニトリル中のKetjenblack(登録商標)から、12mmのアルミニウムフォイルへの被覆技術によって得る。式単位当たり1.2のリチウムを3.5〜2.4ボルトの間で循環することができる。
Reference Example 9
A solid state battery using a 10 mm lithium anode coated with 10 mm nickel foil, a 25 mm polymer electrolyte and a 45 mm positive electrode is constructed with a 4 cm 2 active surface. The electrolyte is a cross-linked condensation polymer having lithium trifluoromethanesulfonimide Li (CF 3 SO 2 ) 2 N as a solute, corresponding to a ratio of oxygen to Li + from the ether group of the polymer of 16: 1. Electrochem. Soc. 141-7, 1915 (1994) and Journal of Power sources, 54-1, 40 (1995). The positive electrode was made from 53% by volume of PEO with a molecular weight of 200,000, 40% by volume of the material of Reference Example 4 and the delithiated material according to Reference Example 6, and 7% by volume of Ketjenblack® in acetonitrile. Obtained by coating technique on aluminum foil. 1.2 lithium per formula unit can be circulated between 3.5 and 2.4 volts.
参考例10
ゲル型のロッキングチェア(“リチウムイオン”)バッテリーを、エチレン−プロピレン−ジエンバインダーを5容量%で含むグラファイトフレーク(4mm)から製造した40mmのアノード、並びに10mmの銅フォイルに被覆し、ビニリデンフルオリド−ヘキサフルオロプロピレンコポリマー(Solvay、ベルギー)30質量%、等量のエチレンカーボネート−エチルメチルカーボネート中の1.2モルのリチウムヘキサフルオロフェートより成る液状電解質(65質量%)でゲル化した混合溶媒を有するヒュームドシリカ(5質量%)を含む45mmの電解質を使用して構成する。陽電極は、参考例5の電極材料(80質量%)、Ketjenblack(登録商標)及び電解質で使用したビニリデン−ヘキサフルオロプロピレンコポリマー(12質量%)の混合物より成る。バッテリーを平板の金属−プラスチック被覆容器に入れ、電流のリードが通るようにする。25℃で、バッテリー作動によって2−4.3ボルトの範囲内で陽電極におけるマンガン当たり1.3リチウムの交換が可能である。
本発明をその特定の態様との関連で説明してきたが、さらなる変形が可能であり、本発明は、一般に本発明の考え方に従い、また、当該技術分野で公知又は慣行となるような本記載からの逸脱を含む、本発明のすべての変形、使用又は適応を含む意図であり、さらに先に記載し、以下に添付した請求の範囲の範囲内にある本質的な特徴に適用可能である変形、使用又は適応のすべてを含む意図である。
また、本発明は以下の態様であり得る。
〔1〕
オルトシリケート構造に基づき、以下の一般式を有するリチウム挿入型の電極材料:
Li x M m-(d+t+q+r) D d T t Q q R r [SiO 4 ] 1-(p+s+g+v+a+b) [SO 4 ] s [PO 4 ] p [GeO 4 ] g [VO 4 ] v [AlO 4 ] a [BO 4 ] b
式中、
MはMn 2+ 又はFe 2+ 及びその混合物を意味し;
DはMg 2+ 、Ni 2+ 、Co 2+ 、Zn 2+ 、Cu 2+ 、Ti 2+ 、V 2+ 、Ca 2+ を含む+2酸化状態にある金属を意味し;
TはAl 3+ 、Ti 3+ 、Cr 3+ 、Fe 3+ 、Mn 3+ 、Ga 3+ 、Zn 3+ 、V 3+ を含む+3酸化状態にある金属を意味し;
QはTi 4+ 、Ge 4+ 、Sn 4+ 、V 4+ を含む+4酸化状態にある金属を意味し;
RはV 5+ 、Nb 5+ 、Ta 5+ を含む+5酸化状態にある金属を意味し;
M、D、T、Q、Rは八面体又は四面体部位に位置する元素であり;
s、p、g、v、a及びbは、ケイ素四面体部位に位置するS 6+ (スルフェート)、P 5+ (ホスフェート)、Ge 4+ (ゲルマネート)、V 5+ (バナデート)、Al 3+ (アルミネート)及びB 3+ (ボレート)それぞれに対応する化学量論係数であり;
化学量論係数のd、t、q、r、p、s、v、a、bはすべて正の数であり、0(含む)と1(含む)の間の数であり;
0≦x≦2; 1≦m≦2; p+s+v+a+b<1(含まない);かつ
x+2m+t+2q+3r=4-p-2s-v+a+bである。
〔2〕
リン酸リチウム又はオルトケイ酸リチウムの結晶構造に一致する結晶構造を有する、〔1〕の電極材料。
〔3〕
単位式あたり一より大きいリチウムイオンが抽出又は挿入可能であることを特徴とする、〔1〕及び〔2〕の電極材料。
〔4〕
少なくとも一の陽電極が〔1〕及び〔2〕の材料を含みかつ少なくとも一の陰電極が高い化学活性においてリチウムイオン源であることを特徴とする、少なくとも一の陽電極及び一の陰電極を有する電気発生装置。
〔5〕
陰電極が、金属リチウム、リチウム合金、酸化リチウム中の可能な限りのナノディスパージョン、炭素若しくは有機誘導体の熱分解から得られる炭素物質のリチウム挿入複合物、リチウム−チタンスピネルLi 1+y Ti 2-x/4 O 4 (式中、0≦x≦1、0≦y≦1)及び他のスピネルとのその固溶体、又はリチウム−遷移金属混合ニトリド及びその混合物であることを特徴とする、〔4〕の電気発生装置。
〔6〕
伝導性添加物が陽電極に存在することを特徴とする、〔4〕の電気発生装置。
〔7〕
陽電極材料中の伝導性添加物が炭素であることを特徴とする、〔5〕の電気発生装置。
〔8〕
陽電極が式Li λ Fe f Mn m Si s P p O 4 (式中、f+m≦1.2;s+p=1;0≦p≦0.6;8-5p-4s-2m-2f≧λ≧8-5p-4s-4m-3f)の材料を含むことを特徴とする、〔4〕の電気発生装置。
〔9〕
陽電極が〔1〕の材料に加えて他の挿入材料を含むことを特徴とする、〔4〕の電気発生装置。
〔10〕
挿入材料がラメラ状ジカルコゲニド、酸化バナジウムVO x (2.1≦x≦2.5)又はLi 3 Fe 2 (PO 4 ) 3 のようなナシコン(Nasicon)類似材料であることを特徴とする、〔9〕の電気発生装置。
〔11〕
陽電極が重合性バインダーを含むことを特徴とする、〔4〕ないし〔7〕の電気発生装置。
〔12〕
重合性バインダーがテトラフルオロエチレンのホモポリマー若しくはコポリマー又はエチレン−プロピレン−ジエンターポリマーであることを特徴とする、〔4〕及び〔11〕の電気発生装置。
〔13〕
陽電極が非プロトン性の溶媒及び塩を含み、そのカチオンが少なくとも部分的にLi + であることを特徴とする、〔12〕の電気発生装置。
〔14〕
重合性バインダーがイオン性伝導性を有することを特徴とする、〔4〕及び〔11〕の電気発生装置。
〔15〕
重合性バインダーが架橋し又は架橋しないポリエーテルでかつ塩を溶解し、そのカチオンが少なくとも部分的にLi + であることを特徴とする、〔13〕の電気発生装置。
〔16〕
重合性バインダーが非プロトン溶媒で膨潤しかつ塩を含み、そのカチオンが少なくとも部分的にLi + であることを特徴とする、〔11〕の電気発生装置。
〔17〕
重合性バインダーがポリエーテル、ポリエステル、メチルメタクリレートを主体とするポリマー、アクリロニトリルを主体とするポリマー、フッ化ビニリデンを主体とするポリマーであることを特徴とする、〔11〕の電気発生装置。
〔18〕
非プロトン性溶媒がエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチル−エチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、テトラアルキルスルファミド、2000以下の分子量のモノ−、ジ−、トリ−、テトラ−又は高級オリゴ−エチレングリコールのジアルキルエーテル及びこれらの混合物であることを特徴とする、〔13〕及び〔16〕の電気発生装置。
〔19〕
少なくとも一の電極が〔1〕及び〔2〕の材料を含むことを特徴とする、スーパーキャパシター型電気発生装置。
〔20〕
ガラス又はプラスチックで被覆した透明な半導体及び固形又はゲル状電解質で分離した二つの電極から構成する可変光伝導装置であって、少なくとも一の電極が〔1〕の材料を含むことを特徴とする装置。
〔21〕
真空蒸着技術、スパッタリングによる、又はゾル−ゲル前駆体からのガラス又はプラスチックで被覆した透明な半導体に〔1〕の材料の薄いフィルムを載置することによって少なくとも一の電極を得ることを特徴とする、〔20〕の可変光伝導装置。
Reference Example 10
A gel-type rocking chair ("lithium ion") battery is coated with a 40mm anode made from graphite flakes (4mm) containing 5% by volume ethylene-propylene-diene binder, and 10mm copper foil, and vinylidene fluoride. Fume with mixed solvent gelled with liquid electrolyte (65% by weight) consisting of 1.2 mol lithium hexafluorophosphate in 30% by weight of hexafluoropropylene copolymer (Solvay, Belgium), equal amount of ethylene carbonate-ethyl methyl carbonate Consists of 45 mm electrolyte containing dosilica (5% by weight). The positive electrode consists of a mixture of the electrode material of Reference Example 5 (80% by weight), Ketjenblack® and the vinylidene-hexafluoropropylene copolymer (12% by weight) used in the electrolyte. Place the battery in a flat metal-plastic coated container so that current leads can pass through it. At 25 ° C, 1.3 lithium per manganese can be exchanged at the positive electrode within the range of 2-4.3 volts by battery operation.
Although the present invention has been described in connection with specific embodiments thereof, further variations are possible, and the present invention generally follows the spirit of the invention and from this description as known or practiced in the art. Modifications, which are intended to include all modifications, uses or adaptations of the invention, including deviations from, and which are applicable to the essential features described above and within the scope of the appended claims, It is intended to include all uses or indications.
Moreover, this invention can be the following aspects.
[1]
Lithium-insertion-type electrode material based on an orthosilicate structure and having the following general formula:
Li x M m- (d + t + q + r) D d T t Q q R r [SiO 4 ] 1- (p + s + g + v + a + b) [SO 4 ] s [PO 4 ] p [GeO 4 ] g [VO 4 ] v [AlO 4 ] a [BO 4 ] b
Where
M means Mn 2+ or Fe 2+ and mixtures thereof;
D means a metal in the +2 oxidation state including Mg 2+ , Ni 2+ , Co 2+ , Zn 2+ , Cu 2+ , Ti 2+ , V 2+ , Ca 2+ ;
T means a metal in the +3 oxidation state including Al 3+ , Ti 3+ , Cr 3+ , Fe 3+ , Mn 3+ , Ga 3+ , Zn 3+ , V 3+ ;
Q means a metal in the +4 oxidation state, including Ti 4+ , Ge 4+ , Sn 4+ , V 4+ ;
R means a metal in the +5 oxidation state including V 5+ , Nb 5+ , Ta 5+ ;
M, D, T, Q, R are elements located in octahedral or tetrahedral sites;
s, p, g, v, a and b are S 6+ (sulfate), P 5+ (phosphate), Ge 4+ (germanate), V 5+ (vanadate), Al located in the silicon tetrahedral site. 3+ be (aluminate) and B 3+ (borate) stoichiometric coefficient corresponding to each;
The stoichiometric coefficients d, t, q, r, p, s, v, a, b are all positive numbers and are numbers between 0 (including) and 1 (including);
0 ≦ x ≦ 2; 1 ≦ m ≦ 2; p + s + v + a + b <1 (not included); and
x + 2m + t + 2q + 3r = 4-p-2s-v + a + b.
[2]
The electrode material according to [1], which has a crystal structure that matches the crystal structure of lithium phosphate or lithium orthosilicate.
[3]
The electrode material according to [1] and [2], wherein more than one lithium ion can be extracted or inserted per unit formula.
[4]
At least one positive electrode and one negative electrode, characterized in that at least one positive electrode comprises a material of [1] and [2] and at least one negative electrode is a lithium ion source in high chemical activity Having an electricity generator.
[5]
The cathode is a metallic lithium, lithium alloy, as much nano-dispersion as possible in lithium oxide, a lithium insertion composite of carbon material obtained from pyrolysis of carbon or organic derivatives, lithium-titanium spinel Li 1 + y Ti 2 -x / 4 O 4 (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) and solid solutions thereof with other spinels, or lithium-transition metal mixed nitrides and mixtures thereof, 4] The electricity generator.
[6]
The electricity generator according to [4], wherein the conductive additive is present in the positive electrode.
[7]
The electricity generator according to [5], wherein the conductive additive in the positive electrode material is carbon.
[8]
The positive electrode has the formula Li λ Fe f Mn m Si s P p O 4 (where f + m ≦ 1.2; s + p = 1; 0 ≦ p ≦ 0.6; 8-5p-4s-2m-2f ≧ λ ≧ 8-5p-4s-4m-3f) [4] The electricity generator characterized by including the material.
[9]
[4] The electricity generating device according to [4], wherein the positive electrode includes another insertion material in addition to the material of [1].
[10]
The insertion material is a Nasicon-like material such as lamellar dichalcogenide , vanadium oxide VO x (2.1 ≦ x ≦ 2.5) or Li 3 Fe 2 (PO 4 ) 3 according to [9] Electricity generator.
[11]
The electricity generator according to [4] to [7], wherein the positive electrode contains a polymerizable binder.
[12]
The electricity generator according to [4] and [11], wherein the polymerizable binder is a homopolymer or copolymer of tetrafluoroethylene or an ethylene-propylene-diene terpolymer.
[13]
[12] The electricity generator according to [12], wherein the positive electrode contains an aprotic solvent and a salt, and the cation is at least partially Li + .
[14]
The electricity generator of [4] and [11], wherein the polymerizable binder has ionic conductivity.
[15]
[13] The electricity generator according to [13], wherein the polymerizable binder is a crosslinked or non-crosslinked polyether, dissolves a salt, and its cation is at least partially Li + .
[16]
The electricity generator according to [11], wherein the polymerizable binder swells with an aprotic solvent and contains a salt, and the cation is at least partially Li + .
[17]
[11] The electricity generating device according to [11], wherein the polymerizable binder is a polymer mainly composed of polyether, polyester, or methyl methacrylate, a polymer mainly composed of acrylonitrile, or a polymer mainly composed of vinylidene fluoride.
[18]
Aprotic solvent is ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl-ethyl carbonate, γ-butyrolactone, tetraalkylsulfamide, mono-, di-, tri-, tetra- or higher molecular weight of 2000 or less The electricity generator according to [13] and [16], which is a dialkyl ether of oligo-ethylene glycol and a mixture thereof.
[19]
A supercapacitor-type electricity generator, wherein at least one electrode includes the materials [1] and [2].
[20]
A variable photoconductive device comprising a transparent semiconductor coated with glass or plastic and two electrodes separated by a solid or gel electrolyte, wherein at least one electrode comprises the material [1] .
[21]
At least one electrode is obtained by placing a thin film of the material of [1] on a transparent semiconductor coated with glass or plastic from a vacuum deposition technique, sputtering or from a sol-gel precursor. [20] The variable photoconductive device.
Claims (21)
LixMm-tTt[SiO4]1-p[PO4]p
式中、
MはMn2+又はFe2+及びその混合物を意味し;
TはAl3+、Ti3+、Cr3+、Fe3+、Mn3+、Ga3+、Zn3+、及びV3+から成る群から選択される+3酸化状態にある金属を意味し;かつ0≦t≦1であり、
SiO4 4-アニオンはビルディングブロックであり、
M及びTは八面体又は四面体部位に位置する元素であり;
pは、ケイ素四面体部位に位置するP5+に対応する化学量論係数であり;かつ0<p<1;0≦x≦2; 1≦m≦2;かつx+2m=4-pである。 Lithium ion reversible insertion type electrode material having an orthosilicate structure and having the following formula:
Li x M mt T t [SiO 4 ] 1-p [PO 4 ] p
Where
M means Mn 2+ or Fe 2+ and mixtures thereof;
T means a metal in the +3 oxidation state selected from the group consisting of Al 3+ , Ti 3+ , Cr 3+ , Fe 3+ , Mn 3+ , Ga 3+ , Zn 3+ , and V 3+ And 0 ≦ t ≦ 1,
SiO 4 4- anions are building blocks,
M and T are elements located in octahedral or tetrahedral sites;
p is the stoichiometric coefficient corresponding to P 5+ located in the silicon tetrahedral site; and 0 <p <1; 0 ≦ x ≦ 2; 1 ≦ m ≦ 2; and x + 2m = 4-p It is.
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