JP5695062B2 - Electrode for ion secondary battery, method for producing electrode for ion secondary battery, lithium ion secondary battery, and magnesium ion secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、イオン二次電池用電極、イオン二次電池用電極の製造方法、リチウムイオン二次電池およびマグネシウムイオン二次電池に関する。 The present invention relates to an electrode for an ion secondary battery, a method for producing an electrode for an ion secondary battery, a lithium ion secondary battery, and a magnesium ion secondary battery.
イオン二次電池には、例えば、リチウムイオン二次電池やマグネシウムイオン二次電池、ナトリウムイオン二次電池、カルシウムイオン二次電池など、電気伝導を担う金属の種類によって複数種類挙げられる。これらのイオン二次電池は充電を行うことにより蓄電が可能であり、繰り返し使用することができて利便性が高いため、広い分野で利用されている。 Examples of the ion secondary battery include a plurality of types depending on the type of metal responsible for electrical conduction, such as a lithium ion secondary battery, a magnesium ion secondary battery, a sodium ion secondary battery, and a calcium ion secondary battery. Since these ion secondary batteries can be charged and stored, can be used repeatedly, and are highly convenient, they are used in a wide range of fields.
前記した中でもリチウムイオン二次電池は、電圧、容量、エネルギー密度が高いため、特に、携帯電話、ノートパソコン、風力や太陽光などの発電設備の蓄電池、電気自動車、無停電電源装置、家庭用蓄電池などの分野で多く利用されている。 Among the above, lithium ion secondary batteries have high voltage, capacity, and energy density, so in particular, mobile phones, laptop computers, storage batteries for power generation facilities such as wind power and solar power, electric vehicles, uninterruptible power supplies, and household storage batteries. It is used in many fields.
また、前記した中でも、マグネシウムイオン二次電池は、希少金属であるリチウムの替わりに比較的安価で大量に存在するマグネシウムを用いることができ、また、2個の電子を動かすことができるので、充放電容量はリチウムイオン二次電池の2倍になると期待されている。そのため、マグネシウムイオン二次電池は、リチウムイオン二次電池に替わる次世代イオン二次電池として注目を集めており、現在、精力的に研究開発が進められている。 In addition, among the above, magnesium ion secondary batteries can use a relatively inexpensive and large amount of magnesium in place of lithium, which is a rare metal, and can move two electrons. The discharge capacity is expected to be twice that of the lithium ion secondary battery. For this reason, the magnesium ion secondary battery is attracting attention as a next-generation ion secondary battery that replaces the lithium ion secondary battery, and research and development are currently underway.
これらのイオン二次電池の構成を概略的に説明すると、グラファイトを負極として配設し、イオン化傾向の強い金属のイオンをイオンの状態で蓄えることのできる導電体を正極として配設し、これら負極と正極の間を電解液またはゲル状の電解質で満たした構造となっている。 The structure of these ion secondary batteries will be schematically described. Graphite is disposed as a negative electrode, and a conductor capable of storing metal ions having a strong ionization tendency in an ionic state is disposed as a positive electrode. And the positive electrode are filled with an electrolytic solution or a gel electrolyte.
イオン二次電池の性能の向上のためには、正極や負極といった電極、電解質および前記では説明しなかったその他の構成要素についても更なる改良が必要とされており、これまでにも種々の材料、技術などが提案されている。 In order to improve the performance of the ion secondary battery, further improvements are required for the electrodes such as the positive electrode and the negative electrode, the electrolyte, and other components not described above. , Techniques, etc. have been proposed.
例えば、電極、特に、正極は、従来、電極活物質と導電助剤および有機系バインダーを混練して調製される合剤を、アルミニウム箔などの集電体表面に塗布して乾燥させた後、プレス成形して製造していた。近年では、早い充放電レートでも高充放電容量を維持し、充放電サイクル特性に優れた正極を具現することを目的として、例えば、特許文献1に記載の発明が提案されている。 For example, an electrode, particularly a positive electrode, is conventionally applied to a surface of a current collector such as an aluminum foil by applying a mixture prepared by kneading an electrode active material, a conductive additive and an organic binder, and then drying. It was manufactured by press molding. In recent years, for example, the invention described in Patent Document 1 has been proposed in order to realize a positive electrode that maintains a high charge / discharge capacity even at a high charge / discharge rate and is excellent in charge / discharge cycle characteristics.
当該特許文献1には、TiO2、NiO、MnO2などから選択されるナノサイズ微結晶酸化物と、P2O5やSiO2、B2O3などから選択されるガラス相を有する、ナノサイズ微結晶酸化物−ガラス複合メソポーラス粉末または薄膜からなる電極が記載されている。
また、当該粉末または薄膜を製造する方法として、ブロック高分子または界面活性化剤を鋳型とし、金属アルコキシドまたは金属の塩化物、PO(OC2H5)3の水溶液またはこれらをエタノールなどのアルコールに溶かした溶液に、塩酸(HCl)を加える工程、ゾル−ゲル法によってガラス相の金属酸化物−無機酸化物複合メソストラクチャ構造を有する粉末を製造する工程、室温〜90℃で熟成させゲル化させる工程、これを空気中350〜400℃で加熱処理することによってブロック高分子または界面活性化剤を除去しガラス相の金属酸化物−ガラス相複合メソポーラス粉末を製造する工程、さらにこれを400〜700℃で熱処理することによってガラス相の金属酸化物を微結晶に相転移させる工程を行う旨が記載されている。Patent Document 1 discloses a nano-sized microcrystalline oxide selected from TiO 2 , NiO, MnO 2 and the like, and a glass phase selected from P 2 O 5 , SiO 2 , B 2 O 3, and the like. An electrode consisting of a size microcrystalline oxide-glass composite mesoporous powder or thin film is described.
Further, as a method for producing the powder or thin film, a block polymer or a surfactant is used as a template, and a metal alkoxide, a metal chloride, an aqueous solution of PO (OC 2 H 5 ) 3 or an alcohol such as ethanol is used. A step of adding hydrochloric acid (HCl) to the dissolved solution, a step of producing a powder having a glass phase metal oxide-inorganic oxide composite mesostructure structure by a sol-gel method, and aging at room temperature to 90 ° C. for gelation A step of producing a glass phase metal oxide-glass phase composite mesoporous powder by removing the block polymer or the surfactant by heat treatment at 350-400 ° C. in the air, and further, 400-700 It describes that a glass phase metal oxide is subjected to a phase transition process to microcrystals by heat treatment at ℃.
しかしながら、従来法および特許文献1に記載の方法には、製造プロセスが煩雑であるために低コスト化を図ることが難しいという問題があった。
また、従来法には、有機系バインダーを含ませる必要があることから、その分、充放電容量が低下するという問題があった。However, the conventional method and the method described in Patent Document 1 have a problem that it is difficult to reduce the cost because the manufacturing process is complicated.
Moreover, since it is necessary to include an organic binder in the conventional method, there is a problem that the charge / discharge capacity is reduced accordingly.
本発明は前記問題を解決するためになされたものであり、低コストかつ高充放電容量を実現できるイオン二次電池用電極、イオン二次電池用電極の製造方法、リチウムイオン二次電池およびマグネシウムイオン二次電池を提供することを課題とする。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problem, and is an ion secondary battery electrode capable of realizing low cost and high charge / discharge capacity, a method for producing an ion secondary battery electrode, a lithium ion secondary battery, and magnesium. It is an object to provide an ion secondary battery.
前記課題を解決するため本発明は、導電体の表面に溶射または融着させて形成されたバナジウム酸化物被膜を設けたイオン二次電池用電極であり、前記バナジウム酸化物被膜が、結晶と非晶質とを含んでいることを特徴とするイオン二次電池用電極とした。
また、本発明は、前記したイオン二次電池用電極を製造するイオン二次電池用電極の製造方法であって、導電体の表面に、バナジウム酸化物を含む粉末状の溶射材料を溶射してバナジウム酸化物被膜を設けることを特徴とするイオン二次電池用電極の製造方法とした。
さらに、前記したイオン二次電池用電極を用いたことを特徴とするリチウムイオン二次電池またはマグネシウムイオン二次電池とした。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides an electrode for an ion secondary battery provided with a vanadium oxide film formed by spraying or fusing on the surface of a conductor , and the vanadium oxide film is non-crystallized. It was set as the electrode for ion secondary batteries characterized by including crystalline .
The present invention also provides an ion secondary battery electrode manufacturing method for manufacturing the above-mentioned ion secondary battery electrode, wherein a powdered thermal spray material containing vanadium oxide is sprayed on the surface of a conductor. It was set as the manufacturing method of the electrode for ion secondary batteries characterized by providing a vanadium oxide film.
Further, a lithium ion secondary battery or a magnesium ion secondary battery using the above-described electrode for an ion secondary battery was obtained.
本発明によれば、低コストかつ高充放電容量を実現できるイオン二次電池用電極、イオン二次電池用電極の製造方法、リチウムイオン二次電池およびマグネシウムイオン二次電池を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of the electrode for ion secondary batteries which can implement | achieve low cost and high charging / discharging capacity, the electrode for ion secondary batteries, a lithium ion secondary battery, and a magnesium ion secondary battery can be provided. .
以下、適宜図面を参照して、本発明に係るイオン二次電池用電極、イオン二次電池用電極の製造方法、リチウムイオン二次電池およびマグネシウムイオン二次電池を実施するための形態について説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, an embodiment for carrying out an electrode for an ion secondary battery, a method for producing an electrode for an ion secondary battery, a lithium ion secondary battery, and a magnesium ion secondary battery according to the present invention will be described with reference to the drawings as appropriate. .
はじめに、本発明の一実施形態に係るイオン二次電池用電極について説明する。
図1に示すように、一実施形態に係るイオン二次電池用電極101は、導電体102の表面に、バナジウム酸化物被膜(以下、単に「被膜」ということもある。)103が設けられている。このバナジウム酸化物被膜103は、非晶質であるバナジウム酸化物、または結晶と非晶質であるバナジウム酸化物を含んでいる。
かかる電極101は、イオン二次電池の正極として好適に用いることができる。First, an ion secondary battery electrode according to an embodiment of the present invention will be described.
As shown in FIG. 1, an ion
Such an
電極101を正極として用いる場合、前記導電体102は、正極に従来から用いられているアルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金および炭素のうちの少なくとも一つで形成することができる。なお、電子伝導性、電池作動電位という観点からは、アルミニウムまたはアルミニウム合金が好ましい。かかる導電体102は、箔、板とすることもできるが、被膜103との高密着化および軽量化の観点から、メッシュ状とするのが好ましい。箔とする場合の厚さは、例えば、10〜20μmなどとするのが好ましい。
When the
なお、電極101は負極としても用いることができる。電極101を負極として用いる場合、前記した導電体102は、リチウムイオン二次電池であれば金属リチウムまたはリチウム合金で形成するのが好ましく、マグネシウムイオン二次電池であれば金属マグネシウムまたはマグネシウム合金で形成するのが好ましい。なお、これらのイオン二次電池の負極に用いる場合において、リチウムイオンやマグネシウムイオンをプレドープするのであれば、負極に用いる導電体102は、正極用として説明した導電体102と同じものを用いることができる。この場合、電子伝導性、電池作動電位という観点からは、銅またはこれの合金が好ましい。前記と同様の理由により、かかる導電体102はメッシュ状とするのが好ましい。箔とする場合の厚さは、例えば、10〜20μmなどとするのが好ましい。なお、本発明におけるプレドープとは、電気化学的手段などにより、金属イオンを電極に予め含ませておくことをいう。
Note that the
本発明におけるバナジウム酸化物被膜103は、ガラス転移点温度が低く、溶射などの手法によってこれを導電体102の表面に直接設けることができるので、従来に比べて大幅な製造工程の削減が可能となり、低コスト化を図ることができる。また、溶射によって直接設けることができるので、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などの有機バインダーを添加する必要がなく、これによっても低コスト化を図ることができる。
さらに、当該被膜103は、バナジウム酸化物を含んでいるため良導電性であり、これを電極活物質として作用させることができるため、カーボンブラック、グラファイト、炭素繊維などの導電助剤を添加する必要がない。従って、これによっても低コスト化を図ることができるだけでなく、有機バインダーや導電助剤を添加しない分だけバナジウム酸化物を含ませることができるため、充放電容量を向上させることが可能となる。
バナジウム酸化物は、バナジウム酸化物被膜103中に、モル分率で0.5〜0.9程度、一例として0.703程度含有させることができる。The
Furthermore, since the
Vanadium oxide can be contained in the
かかる被膜103は、バナジウム(V)と、リン(P)と、銅(Cu)、銀(Ag)、鉄(Fe)、アルカリ土類金属(2族元素)およびアルカリ金属(1族元素)の中から選択される少なくとも一つの元素と、を含有するのが好ましい。
The
前述しているとおりバナジウムはバナジウム酸化物被膜103中において酸化物の形態をとる。詳細は後に述べるが、バナジウム酸化物は特有の結晶構造を有している。かかる結晶構造には原子レベルから分子レベルの大きさの空隙があり、これによりリチウムイオンやマグネシウムイオンなどの金属イオンの挿入と脱離を可能としている。
As described above, vanadium takes the form of an oxide in the
リンは酸化物を形成し、バナジウム酸化物被膜103のガラス相を安定で強固なものとする機能を有する。バナジウム酸化物被膜103中におけるリンの酸化物としては、例えば、PO4四面体などが挙げられる。リンは、原料のP2O5換算でバナジウム酸化物被膜103中に、モル分率で0.05〜0.20程度、一例として0.09程度含有させることができる。なお、本発明においてガラスとは、原子配列がランダムな網目構造を有し、ガラス転移現象を示す固体を意味する。Phosphorus forms an oxide and has a function of making the glass phase of the
銅、銀、アルカリ土類金属およびアルカリ金属の中から選択される少なくとも一つの元素は、結晶化を図った場合に核形成剤として機能する。これにより、バナジウム酸化物被膜103の配向性と結晶構造を好適化することができ、イオンの挿入および脱離が容易となり、充放電サイクルに伴う結晶構造の劣化が低減され、充放電容量維持率の向上が図られる。ここで、アルカリ土類金属としては、ベリリウム(Be)、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)が挙げられる。アルカリ金属としては、リチウム(Li)、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、ルビジウム(Rb)、セシウム(Cs)が挙げられる。これらの元素もリンと同様、バナジウム酸化物被膜103に酸化物の状態で含有させることができる。これらの元素の総量は、バナジウム酸化物被膜103中に、モル分率で0.06〜0.29程度、一例として、Li2Oであれば0.107程度含有させることができる。At least one element selected from copper, silver, alkaline earth metal and alkali metal functions as a nucleating agent when crystallized. Thereby, the orientation and crystal structure of the
なお、これらの他に、WO3、MoO3、Fe2O3、MnO2、BaO、Sb2O3およびBi2O3等のガラス修飾成分を適宜添加してもよい。これらの成分を添加することにより、ガラス非晶質相の特性、例えば耐水性、熱膨張、特性温度を調整することができる。In addition to these, glass modifying components such as WO 3 , MoO 3 , Fe 2 O 3 , MnO 2 , BaO, Sb 2 O 3 and Bi 2 O 3 may be added as appropriate. By adding these components, the characteristics of the glass amorphous phase, such as water resistance, thermal expansion, and characteristic temperature can be adjusted.
本発明におけるバナジウム酸化物被膜103は、前記した材料を用いて製造したガラスブロックを破砕してバナジウム酸化物を含む粉末状の溶射材料を調製し、次いで、当該材料を用いて導電体102の表面に溶射することで製造することができる。粉末状の溶射材料は、例えば、平均粒径が10μm程度であればよい。
The
なお、ガラスブロックは、バナジウム酸化物やリンなどの元素をそれぞれ前記したモル分率の範囲内で混合し、得られた混合粉末を白金るつぼなどの容器に入れて電気炉などの溶解炉で溶解し、黒鉛鋳型などに鋳込むことで製造することができる。溶解炉での溶解条件は、例えば、昇温速度5℃/min、目標温度1000〜1100℃、当該目標温度に達した後攪拌しながら1時間保持すればよい。黒鉛鋳型は、溶解したガラスを鋳込む前に予め150〜300℃に加熱しておくのが好ましい。 The glass block is mixed with elements such as vanadium oxide and phosphorus within the range of the molar fractions described above, and the resulting mixed powder is placed in a container such as a platinum crucible and melted in a melting furnace such as an electric furnace. It can be manufactured by casting into a graphite mold or the like. The melting conditions in the melting furnace may be, for example, a temperature rising rate of 5 ° C./min, a target temperature of 1000 to 1100 ° C., and after maintaining the target temperature for 1 hour while stirring. The graphite mold is preferably preheated to 150 to 300 ° C. before casting molten glass.
溶射は、燃焼炎または電気エネルギーを用いて溶射材料を加熱することで溶射粒子を溶融またはそれに近い状態にし、溶射対象の表面へ吹き付けることで成膜する。被膜103を形成する本発明においては、溶射材料となる粉末状のガラス(ガラス粉末)を当該ガラス粉末のガラス転移点温度以上に加熱して溶射する。溶射には、大気圧プラズマ溶射、減圧プラズマ溶射、フレーム溶射、高速フレーム溶射、アーク溶射、コールドスプレーなどがあるが、本発明ではいずれの手法も適用可能である。
In thermal spraying, a thermal spray material is heated using a combustion flame or electric energy to make the thermal spray particles melt or close to the thermal spray material and sprayed onto the surface of the thermal spray target to form a film. In the present invention for forming the
図2に、溶射の一例としてフレーム溶射によって導電体102の表面にバナジウム酸化物被膜103を設ける装置(被膜成膜装置201)の概略構成図を示す。
図2に示すように、当該被膜成膜装置201は、ガス供給装置202と、ガス供給管203と、ガス加熱器204と、作動ガス供給管205と、スプレーノズル206と、ガラス粉末供給装置207と、ガラス粉末供給管208とを備えている。FIG. 2 shows a schematic configuration diagram of an apparatus (coating film forming apparatus 201) for providing the
As shown in FIG. 2, the coating
ガス供給装置202から供給される高圧ガスは2つの経路に分岐しているガス供給管203を経て、一方の経路を経たガスはガス加熱器204に供給される。ガス加熱器204により加熱されたガスは、作動ガス供給管205を経てスプレーノズル206に供給される。また、他方の経路を経たガスは、ガラス粉末供給装置207に供給され、作動ガスとしてガラス粉末とともに、ガラス粉末供給管208を経てスプレーノズル206に供給される。スプレーノズル206に供給された作動ガスおよびガラス粉末は、スプレーノズル206先端から溶融またはそれに近い状態で導電体102の表面に向かって噴出し、被膜103を形成する。
The high-pressure gas supplied from the
ここで、ガス供給装置202から供給されるガスとしては、例えば、空気を用いることができる。ガスとして空気を用いた場合、その供給圧力は、例えば、0.5MPaとすることができ、その温度は、ガラス粉末の軟化点以上の温度(例えば、300℃)とすることができる。また、ガラス粉末の供給速度は、例えば、10g/分などとすることができる。なお、導電体102の表面にバナジウム酸化物被膜103を設けるにあたっては、当該導電体102を加熱しながら行うのが好ましく、その温度は、例えば、150℃などとすることができる。
Here, as the gas supplied from the
導電体102の表面にバナジウム酸化物被膜103を設ける別の実施形態としては、例えば、前記したようにして製造したガラス粉末をペースト状にして導電体102の表面に塗布し、後記する所定の温度で加熱することによっても得ることができる。ここで、ペースト状にしたガラス粉末(ガラス粉末ペースト)は、例えば、ガラス粉末と、バインダーであるエチルセルロースと、溶剤のブチルカルビトールアセテートとを混合することで調製可能である。そして、このようにして調製したガラス粉末ペーストをスクリーン印刷法やスプレーコート法などで導電体102の表面に塗布した後(塗布法)、150℃程度に加熱してブチルカルビトールアセテートを除去する。そして、330℃以上かつガラスの軟化点以上に加熱し、エチルセルロースを除去するとともに、ガラス粉末を融着させると、本発明におけるバナジウム酸化物被膜103を導電体102の表面に成膜することができる。
As another embodiment in which the
なお、溶射または塗布法において、比較的結晶化し易いガラス粉末を用いる場合には、結晶化し難く、軟化点温度が低いバナジウム酸化物ガラス粉末を、前者のガラス粉末に対して、体積分率で5〜20%程度添加すると、被膜103をより成膜し易くなる。添加するガラス粉末としては、例えば、軟化点が356℃のV-Te-P-Fe-O系ガラス粉末(当該ガラス粉末のモル分率は、V2O5:Te2O:P2O5:Fe2O3=0.430:0.313:0.153:0.104である。)が好ましい。In the spraying or coating method, when glass powder that is relatively easy to crystallize is used, a vanadium oxide glass powder that is difficult to crystallize and has a low softening point temperature is 5% by volume with respect to the former glass powder. When about 20% is added, the
図1に示すように、導電体102の表面に溶射されて成膜されたバナジウム酸化物被膜103の表面はほぼ平坦であるが、図3に示すように、凹凸を設けたバナジウム酸化物被膜303とすることもできる。当該被膜303のように表面に凹凸を設けると、比表面積が増大し、電解液との反応性が向上する。そのため、被膜303を備えたイオン二次電池用電極301は、充放電容量の向上や充放電レートの向上を図ることができる。凹凸は、例えば、導電体302の表面に平坦な被膜を成膜した後、凹凸の形成されたスタンパを当該平坦な被膜の表面に押し当てながら被膜の軟化点以上の温度で加熱することにより形成することができる。加熱は、マイクロ波加熱炉や電気炉などで行うことができる。なお、凹凸は、規則的なものである必要はなく、クラックなどの不規則な凹凸であっても同様の効果を得ることができる。マイクロ波加熱炉により加熱する場合、スタンパはマイクロ波を吸収しない石英ガラス製のものが好適であり、電気炉加熱により加熱する場合には、ニッケルやステンレス製のものが好適である。
As shown in FIG. 1, the surface of the
導電体102(導電体302も同様)の表面に溶射されて設けられたバナジウム酸化物被膜103(被膜303も同様)は、被膜103全体が非晶質の状態となっているが、平坦であるものも、凹凸を形成したものも、その一部を結晶化させ、結晶と非晶質とを含んだものとすることができる。なお、図4は、図1に示したバナジウム酸化物被膜103の一部を結晶化させ、結晶401と非晶質402とを含んだ状態を拡大して示す断面模式拡大図であり、図5は、図3に示したバナジウム酸化物被膜303の一部を結晶化させ、結晶501と非晶質502とを含んだ状態を拡大して示す断面模式拡大図である。
The vanadium oxide coating 103 (also coating 303) provided by spraying on the surface of the conductor 102 (same for the conductor 302) is flat although the
バナジウム酸化物被膜103中の非晶質402(非晶質502も同様)の体積分率が高くなると、非晶質402における原子間隔は結晶401(結晶501も同様)に比べて広いので、充放電時におけるイオンの脱挿入が容易となり、サイクル劣化が低減する。そのため、充放電容量維持率を向上させることができるが、その反面、充放電容量が低下する。
When the volume fraction of amorphous 402 (same for amorphous 502) in the
これに対し、バナジウム酸化物被膜103中の非晶質402に対する結晶401の体積分率が高くなると、充放電容量を向上させ得るが、その反面、充放電容量維持率が低下する。
On the other hand, when the volume fraction of the
被膜103全体を非晶質402のままとするか、結晶401と非晶質402とを含んだものとするかは、イオン二次電池の充放電容量維持率を重視するか、充放電容量を重視するか、これらのバランスを重視するか、目的に応じて適宜決定することができる。例えば、電力貯蔵用イオン二次電池のように、長寿命化が求められる場合には、充放電容量維持率の向上を図るために、結晶化させる工程を経ることなく、完全非晶質相のままのバナジウム酸化物被膜103でイオン二次電池を構成するとよい。
Whether the
バナジウム酸化物被膜103を結晶401と非晶質402とを含んだものとする場合、当該被膜103中の非晶質402に対する結晶401の体積分率は94%以下とするのが好ましい。かかる体積分率が94%を超えると、被膜103中の非晶質402に対する結晶401の体積分率が高過ぎるため、充放電容量維持率が低下するおそれがある。
When the
バナジウム酸化物被膜103における主たる結晶401は、単斜晶であるのが好ましい。つまり、バナジウム酸化物被膜103の取り得る結晶格子において最も多くを占める結晶が単斜晶であるのが好ましい。図6は、単斜晶系のXaV2O5結晶(0.26≦a≦0.59)の結晶構造を示す概念図である。なお、Xは、Cu、Ag、Fe、アルカリ土類金属およびアルカリ金属の中から選択される少なくとも一つの元素である。また、同図中、O原子は酸素原子を表し、V原子はバナジウム原子を表し、X原子は前記選択群から選択される少なくとも一つの元素を表す。The
この図6に示すように、XaV2O5結晶は、b軸方向に配列している2重鎖状のVO6八面体601から構成されている。この2重鎖はa軸方向およびc軸方向にも連結しており、3次元のトンネル構造を形成している。a軸方向に沿ったトンネルの空隙が最も広く、このトンネル内に可逆性のイオンが挿入される。トンネル内へのイオンの挿入は、被膜103の結晶401が配向しているとより容易に行われ、特に、[100]結晶方位が導電体102の表面に対して垂直に配向しているとさらに容易に行われる。つまり、結晶401の結晶方位が導電体102の表面に対してこのように配向していると、a軸方向に沿ったトンネルが導電体102の厚さ方向と平行となるように形成されることになるので、イオンの挿入および脱離が容易となり、充放電サイクルに伴う結晶構造の劣化が低減され、充放電容量維持率の向上を図ることができる。また、2重鎖状のVO6八面体601から構成される層同士を陽イオン(すなわち、X)が規則的に結合しているため、イオンの挿入および脱離によるトンネルの膨張および収縮に伴う層同士の剥離が抑制される。これにより、充放電サイクルに伴う結晶構造の劣化が低減し、充放電容量維持率の向上を図ることができる。As shown in FIG. 6, the X a V 2 O 5 crystal is composed of double-chain VO 6 octahedrons 601 arranged in the b-axis direction. This double chain is also connected in the a-axis direction and the c-axis direction, and forms a three-dimensional tunnel structure. The tunnel gap along the a-axis direction is the widest, and reversible ions are inserted into the tunnel. The insertion of ions into the tunnel is easier when the
このようなバナジウム酸化物被膜103の結晶化は、電気炉加熱によっても行うことができるが、析出結晶の配向度および加熱時間短縮の観点から、マイクロ波加熱炉で行うとより好ましい。マイクロ波による加熱は、例えば、周波数2.45GHzのマイクロ波を適宜の時間および出力を制御して照射することにより行うことができる。なお、マイクロ波による加熱の際には、被膜103の温度を放射温度計などによって計測し、被膜103の温度がガラスの結晶化温度(例えば、約370℃)以上となるようにするとよい。なお、加熱温度が結晶化温度未満であると、結晶化させることができない。
例えば、モル分率で、V2O5を0.703、Li2Oを0.107、Fe2O3を0.1、P2O5を0.09用いて成膜したバナジウム酸化物被膜103について前記した処理を行い、かかる被膜103についてX線回折分析を行うと、[100]に配向した単斜晶のLi0.3V2O5の析出を確認することができる。また、非晶質402に対する結晶401の体積分率は約90%になる。Such crystallization of the
For example, a vanadium oxide film formed using a molar fraction of V 2 O 5 of 0.703, Li 2 O of 0.107, Fe 2 O 3 of 0.1, and P 2 O 5 of 0.09 When the above-described treatment is performed on the
ここで、前記したように被膜103の表面に凹凸を形成する場合は、バナジウム酸化物被膜103の結晶化と凹凸の形成とを同時に行うこともできる。さらに、本発明においては、バナジウム酸化物被膜103の表層部における非晶質402の割合を内部よりも高くすることもできる。このようにすると、イオンの脱挿入が容易となるためより好ましい。
Here, when the unevenness is formed on the surface of the
かかるバナジウム酸化物被膜103には、リチウムイオンやマグネシウムイオンなどの金属イオンを予めプレドープしておくことができる。これらのイオンは製造しようとするイオン二次電池に適したものであればよい。例えば、リチウムイオン二次電池であればリチウムイオンをプレドープし、マグネシウムイオン二次電池であればマグネシウムイオンをプレドープするとよい。
The
金属イオンのプレドープは、電気化学的手法により行うことができる。例えば、導電体102として用いるアルミニウム合金箔の表面にバナジウム酸化物被膜103を設けたイオン二次電池用電極101の場合、この電極101をカソードとし、リチウムやマグネシウムなどのプレドープしようとする金属をアノードとし、これらを非水系の電解液に浸漬させ、両極間に電圧を印加することで、プレドープすることができる。なお、この場合の電解液としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)を体積比1:2で混合した溶媒に、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を1mol/L溶解させたものを用いることができる。プレドープに用いることができる他の溶媒としては、イオン液体などを挙げることができる。印加する電圧は、例えば、3Vなどとすることができ、印加時間は、例えば、1時間などとすることができる。The pre-doping of metal ions can be performed by an electrochemical method. For example, in the case of an ion
例えば、リチウムイオンをプレドープする場合の別の実施形態としては、塩化リチウム(LiCl)や酢酸リチウム(AcOLi)などのリチウム塩、または、ブチルリチウム(C4H9Li)やナフタレンリチウム(C10H8Li)などの有機リチウム化合物と、有機溶媒との混合液に、イオン二次電池用電極101を浸漬させる方法が挙げられる。この際、被膜103を浸漬した状態で、超音波照射やマイクロ波照射などを行ったり、貴金属のアノード電極を設け、アノード電極とイオン二次電池用電極101との間に電圧を印加したりすることで、プレドープ量およびプレドープの効率を向上させることができる。For example, as another embodiment in the case of pre-doping with lithium ions, lithium salts such as lithium chloride (LiCl) and lithium acetate (AcOLi), or butyl lithium (C 4 H 9 Li) and naphthalene lithium (C 10 H) 8 Li) and the like, and a method of immersing the electrode for ion
また例えば、リチウムイオンをプレドープする場合のさらに別の実施形態としては、例えば、導電体102として用いるアルミニウム合金箔の融点以下で溶融する硝酸リチウム(LiNO3)などのリチウムを含有する溶融塩を、前記アルミニウム合金箔の融点以上かつ被膜103のガラスの転移点と軟化点の間の温度に加熱し、この中にイオン二次電池用電極101を浸漬したり、前記同様、さらに貴金属のアノード電極を設け、アノード電極とイオン二次電池用電極101との間に電圧を印加したりすることによりプレドープすることもできる。For example, as another embodiment in the case of pre-doping lithium ions, for example, a molten salt containing lithium such as lithium nitrate (LiNO 3 ) that melts below the melting point of the aluminum alloy foil used as the
本発明の一実施形態に係るイオン二次電池用電極101は、導電体102の表面にバナジウム酸化物被膜103を設けている。かかる被膜103は有機バインダーを含んでいないので、その分、充放電容量を向上させることができる。また、かかる被膜103を溶射により成膜する場合は、大幅な製造工程の削減が可能となり、低コスト化を図ることができる。さらに、かかる被膜103を非晶質402とした場合は、充放電容量維持率を向上させることができ、結晶401と非晶質402とを含んだものとした場合は、高い充放電容量と充放電容量維持率を両立させることができる。
以上、本発明の一実施形態に係るイオン二次電池用電極101について詳細に説明した。An electrode for an ion
Heretofore, the ion
次に、前記したイオン二次電池用電極101を用いた本発明の一実施形態に係るイオン二次電池について説明する。
かかるイオン二次電池としては、リチウムを用いるリチウムイオン二次電池やマグネシウムを用いるマグネシウムイオン二次電池などが挙げられる。これらは同様の構造で具現できるので、以下の説明では、代表的にリチウムイオン二次電池について説明する。Next, an ion secondary battery according to an embodiment of the present invention using the above-described ion
Examples of the ion secondary battery include a lithium ion secondary battery using lithium and a magnesium ion secondary battery using magnesium. Since these can be implemented with the same structure, in the following description, a lithium ion secondary battery will be described as a representative.
図7に示すように、リチウムイオン二次電池701は、前記したイオン二次電池用電極101(図7に図示なし)を正極702として用いた場合、当該正極702と、この正極702と当接して電気を集電する正極集電体703と、正極702の対極となる負極704と、この負極704と当接して電気を集電する負極集電体705と、正極702、負極704および容器706が互いに当接しないように設けられかつ電解液707を含浸させることのできるセパレータ708とが、容器706内に液密に構成されている。なお、負極704には導電性のカーボン(図示せず)を塗布などにより付着させてもよい。
As shown in FIG. 7, the lithium ion
正極集電体703は、アルミニウム合金箔などで形成することができ、負極集電体705は、銅合金箔などで形成することができ、セパレータ708は、微細孔構造を有するポリエチレンとポリプロピレンの積層膜などで形成することができる。容器706は、例えば、ステンレスまたはアルミニウム合金で有底円筒状または有底角筒状に形成され、蓋体709とガスケット710によって液密に密閉できるものであればよい。
The positive electrode
電解液707は、リチウムイオン二次電池の場合は、例えば、エチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)を体積比1:2で混合した溶媒に、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を1mol/L溶解させ、さらに0.8質量%のビニレンカーボネート(VC)を添加したものなどを用いることができる。他方、マグネシウムイオン二次電池の場合は、例えば、0.4mol%/LのMg(ClO4)2と、0.1mol%/LのNaClO4のPC溶液などを用いることができる。In the case of a lithium ion secondary battery, the
なお、正極集電体703、負極704、負極集電体705、容器706、電解液707、セパレータ708、蓋体709およびガスケット710は、前記したものに限定されるものではなく、リチウムイオン二次電池やマグネシウムイオン二次電池などのイオン二次電池に用いられる公知の材料で具現することができる。
例えば、マグネシウムイオン二次電池の負極は、AZ31合金(アルミニウムを3%、亜鉛を1%添加したマグネシウム合金)などで形成することができる。Note that the positive electrode
For example, the negative electrode of the magnesium ion secondary battery can be formed of an AZ31 alloy (a magnesium alloy to which 3% aluminum and 1% zinc are added) or the like.
かかる構成のリチウムイオン二次電池は、例えば、初期充放電容量が345mAh/g、51サイクル後の充放電容量が331mAh/g、51サイクル後の充放電容量維持率が96%を達成することができる。
また、かかる構成のマグネシウムイオン二次電池は、例えば、初期充放電容量が300mAh/g、10サイクル後の充放電容量が285mAh/g、10サイクル後の充放電容量維持率が95%を達成することができる。The lithium ion secondary battery having such a configuration can achieve, for example, an initial charge / discharge capacity of 345 mAh / g, a charge / discharge capacity after 51 cycles of 331 mAh / g, and a charge / discharge capacity maintenance ratio of after 51 cycles of 96%. it can.
The magnesium ion secondary battery having such a configuration achieves, for example, an initial charge / discharge capacity of 300 mAh / g, a charge / discharge capacity after 10 cycles of 285 mAh / g, and a charge / discharge capacity maintenance ratio after 10 cycles of 95%. be able to.
次に、本発明の効果を確認した実施例について説明する。 Next, examples in which the effects of the present invention have been confirmed will be described.
〔1〕ガラス粉末の製造
まず、溶射材料となるガラス粉末を製造した。白金るつぼ内にV2O5、Li2O、Fe2O3、P2O5をそれぞれモル分率で、0.703、0.107、0.100、0.090となるように配合して混合し、混合粉末200gを調製した。
そして、これを電気炉で加熱した。電気炉での加熱は、昇温速度を5℃/minとし、目標温度(1000〜1100℃)に到達した時点から1時間、ガラスを撹拌しながら加熱保持した。
その後、白金るつぼを溶解炉から取り出し、予め150〜300℃に加熱保持していた黒鉛鋳型に鋳込んでガラスブロックを製造し、これを粉砕した。粉砕したガラス粉末の平均粒径は10μmであった。
示差熱分析(DTA)により、当該ガラス粉末の特性点を測定した結果、ガラス転移点(Tg)は252℃、屈伏点(Mg)は271℃、第一結晶化開始温度は315℃、第二結晶化開始温度は428℃であった。[1] Manufacture of glass powder First, glass powder used as a thermal spray material was manufactured. In a platinum crucible, V 2 O 5 , Li 2 O, Fe 2 O 3 , and P 2 O 5 are blended so that the molar fractions are 0.703, 0.107, 0.100, and 0.090, respectively. And mixed to prepare 200 g of mixed powder.
And this was heated with the electric furnace. The heating in the electric furnace was performed while maintaining the glass with stirring for 1 hour from the time when the target temperature (1000 to 1100 ° C.) was reached at a heating rate of 5 ° C./min.
Thereafter, the platinum crucible was taken out from the melting furnace and cast into a graphite mold that had been heated and held in advance at 150 to 300 ° C. to produce a glass block, which was pulverized. The average particle size of the crushed glass powder was 10 μm.
As a result of measuring the characteristic points of the glass powder by differential thermal analysis (DTA), the glass transition point (Tg) was 252 ° C., the yield point (Mg) was 271 ° C., the first crystallization start temperature was 315 ° C., and the second The crystallization start temperature was 428 ° C.
〔2〕バナジウム酸化物被膜の成膜
次に、〔1〕で製造したガラス粉末を用いて導電体の表面にバナジウム酸化物被膜を成膜した。被膜の成膜は、フレーム溶射により行った。フレーム溶射は、被膜成膜装置(図2参照)を用いて行った。なお、導電体は、厚さ20μmのアルミニウム合金箔(三菱アルミニウム株式会社製N5−8X−073)を用いた。溶射条件は、次のとおりであり、成膜されるバナジウム酸化物被膜の平均厚さが約10μmとなるようにした。[2] Vanadium Oxide Film Formation Next, a vanadium oxide film was formed on the surface of the conductor using the glass powder produced in [1]. The film was formed by flame spraying. The flame spraying was performed using a coating film forming apparatus (see FIG. 2). As the conductor, an aluminum alloy foil (N5-8X-073 manufactured by Mitsubishi Aluminum Co., Ltd.) having a thickness of 20 μm was used. The thermal spraying conditions were as follows, and the average thickness of the vanadium oxide film formed was about 10 μm.
《溶射条件》
・スプレーノズルの先端からアルミニウム合金箔までの距離:約15mm
・作動ガス:空気
・作動ガスの供給圧力:0.5MPa
・作動ガスの供給温度:300℃
・ガラス粉末の供給速度:10g/分
・アルミニウム合金箔の加熱温度:150℃《Spraying conditions》
・ Distance from tip of spray nozzle to aluminum alloy foil: approx. 15mm
・ Working gas: Air ・ Working gas supply pressure: 0.5 MPa
・ Working gas supply temperature: 300 ℃
・ Glass powder feed rate: 10 g / min ・ Aluminum alloy foil heating temperature: 150 ° C.
〔3〕バナジウム酸化物被膜の結晶化
次に、〔2〕で導電体の表面に成膜したバナジウム酸化物被膜の結晶化を行った。バナジウム酸化物被膜の結晶化は、マイクロ波加熱炉を用いて行った。マイクロ波加熱炉は、四国計測工業株式会社製マイクロ波反応装置μリアクター(マイクロ波周波数:2.45GHz)を使用した。マイクロ波による加熱は、被膜の温度を放射温度計で計測し、被膜の温度が約370℃となるようにマイクロ波の出力と照射時間を制御した。なお、今回の検討では1000Wで10min程度であった。
被膜にマイクロ波を照射して加熱した後、当該被膜の表面をX線回折分析した結果、[100]に配向した単斜晶のLi0.3V2O5が析出していること、および非晶質に対する結晶の体積分率は90%であることがわかった。[3] Crystallization of vanadium oxide film Next, the vanadium oxide film formed on the surface of the conductor in [2] was crystallized. The vanadium oxide coating was crystallized using a microwave heating furnace. As the microwave heating furnace, a microwave reactor μ reactor (microwave frequency: 2.45 GHz) manufactured by Shikoku Keiki Kogyo Co., Ltd. was used. In the heating by the microwave, the temperature of the coating was measured with a radiation thermometer, and the output of the microwave and the irradiation time were controlled so that the temperature of the coating was about 370 ° C. In this study, it was about 10 min at 1000 W.
After the film was irradiated with microwaves and heated, the surface of the film was subjected to X-ray diffraction analysis. As a result, monoclinic Li 0.3 V 2 O 5 oriented in [100] was precipitated and amorphous The volume fraction of crystals relative to quality was found to be 90%.
〔4〕バナジウム酸化物被膜へのリチウムイオンのプレドープ
次に、〔3〕で結晶化したバナジウム酸化物被膜にリチウムイオンをプレドープした。リチウムイオンのプレドープは、電気化学的手法により行った。まず、被膜を設けた導電体をカソードとし、金属リチウムをアノードとし、これらを非水系の電解液に浸漬させ、両極間に3Vの電圧で1時間印加して、被膜へリチウムイオンをプレドープした。なお、電解液は、エチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)を体積比1:2で混合した溶媒に、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を1mol/L溶解させたものを用いた。[4] Pre-doping of lithium ions into vanadium oxide film Next, lithium ions were pre-doped into the vanadium oxide film crystallized in [3]. The lithium ion pre-doping was performed by an electrochemical method. First, a conductor provided with a coating was used as a cathode, metallic lithium was used as an anode, and these were immersed in a non-aqueous electrolyte and applied between both electrodes at a voltage of 3 V for 1 hour to pre-dope lithium ions into the coating. The electrolyte used was a solution in which 1 mol / L of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) was dissolved in a solvent in which ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) were mixed at a volume ratio of 1: 2. It was.
〔5〕リチウムイオン二次電池用電極の特性評価
〔4〕でバナジウム酸化物被膜にリチウムイオンをプレドープした導電体を直径15mmの円盤状に打ち抜き、実施例1に係る電極を製造した。製造した実施例1に係る電極を正極(正極801として図8に示す)として用い、2極式モデルセルにより充放電特性を評価した。[5] Characteristic Evaluation of Electrode for Lithium Ion Secondary Battery In [4], a conductor obtained by pre-doping lithium ions on a vanadium oxide film was punched into a disk shape having a diameter of 15 mm to produce an electrode according to Example 1. The manufactured electrode according to Example 1 was used as a positive electrode (shown as a
図8に、リチウムイオン二次電池用電極の特性評価に用いた2極式モデルセルの概略構成を示す。図8に示すように、正極801とアルミニウム集電箔802、および、PIC(Pseudo Isotoropic Carbon)を銅箔に塗布した負極803と銅集電箔804を、電解液を含浸させた厚さ30μmのセパレータ805を介して積層し、これらを2枚のSUS製治具806で挟み込んだ後、ガラス容器に入れて電池セルとした。使用した電解液は、エチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)を体積比1:2で混合した溶媒に六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を1mol/L溶解させ、さらに0.8質量%のビニレンカーボネート(VC)を添加したものを用いた。FIG. 8 shows a schematic configuration of a bipolar model cell used for evaluating the characteristics of an electrode for a lithium ion secondary battery. As shown in FIG. 8, a
充放電性の評価は、充放電試験機(東洋システム株式会社製TOSCAT3100U)を用いて室温で実施し、充電から開始した。充放電はCC(Constant Current)モードで行い、セル電圧は1.5〜4.2Vとした。なお、充放電時の電流密度は、初回は0.057mA/cm2とし、2サイクル目以降は0.28mA/cm2とした。The charge / discharge evaluation was performed at room temperature using a charge / discharge tester (TOSCAT3100U manufactured by Toyo System Co., Ltd.), and started from charging. Charging / discharging was performed in CC (Constant Current) mode, and the cell voltage was set to 1.5 to 4.2V. The current density during charging and discharging, the first time a 0.057mA / cm 2, the second and subsequent cycles was 0.28mA / cm 2.
他方、実施例1に係る電極と対比するための電極を従来法で製造した。かかる電極は、〔1〕で製造したガラス粉末と、導電助剤として、ケッチェンブラック(ライオン株式会社製EC600JD、粒径:34.0nm以下)と、バインダーとして、N−メチル−2−ピロドリン(NMP)に5質量%溶解させたポリフッ化ビニリデン(PVDF)(株式会社クレハ製#7305)とを、質量比85:5:10の割合で乳鉢を使用して混合した。この際、粘度調整のため、NMPを適宜混合しながらスラリー化した。得られたスラリーを厚さ20μmのアルミニウム合金箔(三菱アルミニウム株式会社製N5−8X−073)上に、ギャップ200μmのブレードコータを用いて塗布した。これを90℃×2hrの条件で大気中にて乾燥した後、直径15mmの円盤状に打ち抜いた。次に、約400MPaでプレスした後、120℃で1時間真空乾燥することで比較例1に係る電極を製造した。そして、製造した比較例1に係る電極を正極(正極901として図9に示す)として用い、3極式モデルセルにより充放電特性を評価した。
On the other hand, an electrode for comparison with the electrode according to Example 1 was manufactured by a conventional method. Such an electrode is composed of the glass powder produced in [1], Ketjen Black (Lion Co., Ltd. EC600JD, particle size: 34.0 nm or less) as a conductive additive, and N-methyl-2-pyrodoline (as a binder). Polyvinylidene fluoride (PVDF) (# 7305 manufactured by Kureha Co., Ltd.) dissolved in 5% by mass in NMP) was mixed using a mortar at a mass ratio of 85: 5: 10. At this time, in order to adjust the viscosity, the slurry was slurried while appropriately mixing NMP. The obtained slurry was applied onto a 20 μm thick aluminum alloy foil (N5-8X-073 manufactured by Mitsubishi Aluminum Co., Ltd.) using a blade coater with a gap of 200 μm. This was dried in air at 90 ° C. × 2 hr, and then punched out into a disk shape having a diameter of 15 mm. Next, after pressing at about 400 MPa, the electrode according to Comparative Example 1 was manufactured by vacuum drying at 120 ° C. for 1 hour. Then, the manufactured electrode according to Comparative Example 1 was used as a positive electrode (shown as a
図9に、リチウムイオン二次電池用電極の特性評価に用いた3極式モデルセルの概略構成を示す。図9に示すように、正極901とアルミニウム集電箔902、負極のLi板903、および、参照極のLi板904を、電解液に含浸させた厚さ30μmのセパレータ905を介して積層し、これらを2枚のSUS製治具906で挟み込んだ後、ガラス容器に入れて電池セルとした。使用した電解液はエチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)を体積比1:2で混合した溶媒に、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を1mol/L溶解させたものを用いた。FIG. 9 shows a schematic configuration of a three-pole model cell used for evaluating the characteristics of the lithium ion secondary battery electrode. As shown in FIG. 9, a
充放電性の評価は、前記と同じ装置を用いて室温で実施した。充放電はCC(Constant Current)モードで行い、セル電圧は1.5〜4.2Vとし、放電から開始した。充放電時の電流密度は、初回は0.057mA/cm2とし、2サイクル目以降は0.28mA/cm2とした。なお、正極の充放電容量は、得られた充放電容量をガラス粉末と導電助剤とバインダーからなる合剤質量で除した値とした。The charge / discharge evaluation was performed at room temperature using the same apparatus as described above. Charging / discharging was performed in CC (Constant Current) mode, the cell voltage was set to 1.5 to 4.2 V, and the discharge was started. Current density during charging and discharging, the first time a 0.057mA / cm 2, the second and subsequent cycles was 0.28mA / cm 2. In addition, the charging / discharging capacity | capacitance of the positive electrode was taken as the value which remove | divided the obtained charging / discharging capacity | capacitance by the mixture mass which consists of glass powder, a conductive support agent, and a binder.
充放電特性の評価として次のことが確認された。
実施例1に係る電極(正極)は比較例1に係る電極(正極)に比べて充放電容量が向上しかつ51サイクル後の充放電容量維持率が向上していた。
具体的には、比較例1に係る電極を正極として用いたリチウムイオン二次電池では、初期充放電容量が320mAh/gであり、51サイクル後の充放電容量が260mAh/gであった。つまり、51サイクル後の充放電容量維持率は81%であった。
これに対し、実施例1に係る電極を正極として用いたリチウムイオン二次電池では、初期充放電容量が345mAh/gであり、51サイクル後の充放電容量が331mAh/gであった。つまり、51サイクル後の充放電容量維持率は96%であった。The following was confirmed as an evaluation of the charge / discharge characteristics.
The electrode (positive electrode) according to Example 1 had an improved charge / discharge capacity and an improved charge / discharge capacity retention rate after 51 cycles as compared with the electrode (positive electrode) according to Comparative Example 1.
Specifically, in the lithium ion secondary battery using the electrode according to Comparative Example 1 as the positive electrode, the initial charge / discharge capacity was 320 mAh / g, and the charge / discharge capacity after 51 cycles was 260 mAh / g. That is, the charge / discharge capacity retention ratio after 51 cycles was 81%.
On the other hand, in the lithium ion secondary battery using the electrode according to Example 1 as the positive electrode, the initial charge / discharge capacity was 345 mAh / g, and the charge / discharge capacity after 51 cycles was 331 mAh / g. That is, the charge / discharge capacity retention ratio after 51 cycles was 96%.
また、〔1〕と〔2〕を同じ条件で実施した後、〔3〕の条件、特に、マイクロ波の照射時間を0〜15分の間で異ならせて実施することで、非晶質に対する結晶の体積分率を下記表1のように0〜100%の間で異ならせたNo.1〜6に係る電極を製造した。なお、下記表1のうち、No.3に係る電極は、前記した実施例1に係る電極と同じものである。No.1、2、4、5に係るそれぞれの電極を〔4〕と同様の条件で処理し、〔5〕で説明した2極式モデルセルにより充放電特性を評価した。表1に各電極に対する非晶質に対する結晶の体積分率(%)、初期充放電容量(mAh/g)および51サイクル後の充放電容量維持率(%)を示す。 In addition, after implementing [1] and [2] under the same conditions, the condition of [3], in particular, by changing the microwave irradiation time between 0 to 15 minutes, As shown in Table 1, the volume fraction of the crystals was varied between 0 and 100%. Electrodes according to 1 to 6 were produced. In Table 1 below, no. The electrode according to No. 3 is the same as the electrode according to Example 1 described above. No. The respective electrodes according to 1, 2, 4, and 5 were processed under the same conditions as in [4], and the charge / discharge characteristics were evaluated by the bipolar model cell described in [5]. Table 1 shows the volume fraction (%) of the crystal relative to the amorphous for each electrode, the initial charge / discharge capacity (mAh / g), and the charge / discharge capacity retention ratio (%) after 51 cycles.
表1に示すように、非晶質に対する結晶の体積分率が0%であったNo.1に係る電極は、他の電極と比較して初期充放電容量が若干低いものの、51サイクル後の充放電容量維持率が100%を維持し、極めて優れていた。そのため、非晶質に対する結晶の体積分率が0%、すなわち、バナジウム酸化物被膜が非晶質である場合、長寿命のリチウムイオン二次電池を提供するのに好適であることが強く示唆された。
非晶質に対する結晶の体積分率が94%であったNo.4に係る電極は、初期充電容量が高く、51サイクル後の充放電容量維持率も比較的良好であったため、高い充放電容量リチウムイオン二次電池を提供するのに好適であることが示唆された。
その一方で、非晶質に対する結晶の体積分率が94%を超えたNo.5、6に係る電極は、初期充放電容量および51サイクル後の充放電容量維持率のいずれも良好でない結果となった。As shown in Table 1, No. 1 in which the volume fraction of crystals relative to amorphous was 0%. Although the initial charge / discharge capacity was slightly lower than that of the other electrodes, the electrode according to 1 maintained a charge / discharge capacity retention rate of 51% after 51 cycles and was extremely excellent. Therefore, it is strongly suggested that the volume fraction of the crystal with respect to the amorphous is 0%, that is, if the vanadium oxide film is amorphous, it is suitable for providing a long-life lithium ion secondary battery. It was.
No. 1 in which the volume fraction of crystals relative to amorphous was 94%. The electrode according to No. 4 has a high initial charge capacity and a relatively good charge / discharge capacity retention rate after 51 cycles, suggesting that it is suitable for providing a high charge / discharge capacity lithium ion secondary battery. It was.
On the other hand, the volume fraction of crystals with respect to amorphous exceeded 94%. In the electrodes according to 5 and 6, neither the initial charge / discharge capacity nor the charge / discharge capacity retention ratio after 51 cycles was satisfactory.
〔6〕マグネシウムイオン二次電池用電極の特性評価
次に、〔1〕から〔3〕に記載の条件と同様の条件でアルミニウム合金箔の表面にバナジウム酸化物被膜を成膜し、マグネシウムイオンのプレドープを行わずに、〔5〕に記載のとおり、直径15mmの円盤状に打ち抜き、実施例2に係る電極を製造した。これを正極(正極1001として図10に示す)として用い、3極式モデルセルにより充放電特性を評価した。[6] Characteristic Evaluation of Magnesium Ion Secondary Battery Electrode Next, a vanadium oxide film is formed on the surface of the aluminum alloy foil under the same conditions as described in [1] to [3]. Without pre-doping, as described in [5], the electrode according to Example 2 was manufactured by punching into a disk shape having a diameter of 15 mm. Using this as a positive electrode (shown in FIG. 10 as a positive electrode 1001), the charge / discharge characteristics were evaluated by a three-pole model cell.
図10に、マグネシウムイオン二次電池用電極の特性評価に用いた3極式モデルセルの概略構成を示す。図10に示すように、正極1001とアルミニウム集電箔1002、マグネシウム合金(AZ31合金)負極1003、および、参照極のマグネシウム合金(AZ31合金)板1004を、電解液を含浸させた厚さ30μmのセパレータ1005を介して積層し、これらを2枚のSUS製治具1006で挟み込んだ後、ガラス容器に入れて電池セルとした。使用した電解液は、0.4mol%/LのMg(ClO4)2と0.1mol%/LのNaClO4を含むPC溶液を用いた。FIG. 10 shows a schematic configuration of a three-pole model cell used for evaluating the characteristics of the magnesium ion secondary battery electrode. As shown in FIG. 10, a
充放電評価は、前記と同様、充放電試験機(東洋システム株式会社製TOSCAT3100U)を用いて室温で実施し、充電から開始した。充放電はCC(Constant Current)モードで行い、セル電圧は0.5〜3.0Vとした。なお、充放電時の電流密度は、初回は0.057mA/cm2とし、2サイクル目以降は0.28mA/cm2とした。The charge / discharge evaluation was performed at room temperature using a charge / discharge tester (TOSCAT3100U manufactured by Toyo System Co., Ltd.) as described above, and started from charging. Charging / discharging was performed in CC (Constant Current) mode, and the cell voltage was set to 0.5 to 3.0V. The current density during charging and discharging, the first time a 0.057mA / cm 2, the second and subsequent cycles was 0.28mA / cm 2.
他方、実施例2に係る電極と対比するための電極を従来法で製造した。かかる電極は、〔1〕で製造したガラス粉末と、導電助剤として、ケッチェンブラック(ライオン株式会社製EC600JD、粒径:34.0nm以下)と、バインダーとして、N−メチル−2−ピロドリン(NMP)に5質量%溶解させたポリフッ化ビニリデン(PVDF)(株式会社クレハ製#7305)とを、質量比85:5:10の割合で乳鉢を使用して混合した。この際、粘度調整のため、NMPを適宜混合しながらスラリー化した。得られたスラリーを厚さ20μmのアルミニウム合金箔(三菱アルミニウム株式会社製N5−8X−073)上に、ギャップ200μmのブレードコータを用いて塗布した。これを90℃×2hrの条件で大気中にて乾燥した後、直径15mmの円盤状に打ち抜いた。次に、約400MPaでプレスした後、120℃で1時間真空乾燥することで比較例2に係る電極を製造した。そして、製造した比較例2に係る電極を正極として用い、図10を参照して説明した3極式モデルセルと同様のモデルセルおよび条件により充放電特性を評価した。 On the other hand, an electrode for comparison with the electrode according to Example 2 was manufactured by a conventional method. Such an electrode is composed of the glass powder produced in [1], Ketjen Black (Lion Co., Ltd. EC600JD, particle size: 34.0 nm or less) as a conductive additive, and N-methyl-2-pyrodoline (as a binder). Polyvinylidene fluoride (PVDF) (# 7305 manufactured by Kureha Co., Ltd.) dissolved in 5% by mass in NMP) was mixed using a mortar at a mass ratio of 85: 5: 10. At this time, in order to adjust the viscosity, the slurry was slurried while appropriately mixing NMP. The obtained slurry was applied onto a 20 μm thick aluminum alloy foil (N5-8X-073 manufactured by Mitsubishi Aluminum Co., Ltd.) using a blade coater with a gap of 200 μm. This was dried in air at 90 ° C. × 2 hr, and then punched out into a disk shape having a diameter of 15 mm. Next, after pressing at about 400 MPa, the electrode according to Comparative Example 2 was manufactured by vacuum drying at 120 ° C. for 1 hour. Then, the manufactured electrode according to Comparative Example 2 was used as the positive electrode, and the charge / discharge characteristics were evaluated under the same model cell and conditions as those of the tripolar model cell described with reference to FIG.
充放電特性の評価として次のことが確認された。
実施例2に係る電極(正極)は比較例2に係る電極(正極)に比べて充放電容量が向上しかつ10サイクル後の充放電容量維持率が向上していた。
具体的には、比較例2に係る電極を正極として用いたマグネシウムイオン二次電池では、初期充放電容量が250mAh/gであり、10サイクル後の充放電容量が175mAh/gであった。つまり、10サイクル後の充放電容量維持率は70%であった。
これに対し、実施例2に係る電極を正極として用いたマグネシウムイオン二次電池では、初期充放電容量が300mAh/gであり、10サイクル後の充放電容量が285mAh/gであった。つまり、10サイクル後の充放電容量維持率は95%であった。The following was confirmed as an evaluation of the charge / discharge characteristics.
Compared with the electrode (positive electrode) according to Comparative Example 2, the electrode (positive electrode) according to Example 2 had an improved charge / discharge capacity and an improved charge / discharge capacity retention rate after 10 cycles.
Specifically, in the magnesium ion secondary battery using the electrode according to Comparative Example 2 as the positive electrode, the initial charge / discharge capacity was 250 mAh / g, and the charge / discharge capacity after 10 cycles was 175 mAh / g. That is, the charge / discharge capacity retention rate after 10 cycles was 70%.
On the other hand, in the magnesium ion secondary battery using the electrode according to Example 2 as the positive electrode, the initial charge / discharge capacity was 300 mAh / g, and the charge / discharge capacity after 10 cycles was 285 mAh / g. That is, the charge / discharge capacity retention rate after 10 cycles was 95%.
101 イオン二次電池用電極(電極)
102 導電体
103 バナジウム酸化物被膜(被膜)
201 被膜成膜装置
202 ガス供給装置
203 ガス供給管
204 ガス加熱器
205 作動ガス供給管
206 スプレーノズル
207 ガラス粉末供給装置
208 ガラス粉末供給管
301 イオン二次電池用電極
302 導電体
303 バナジウム酸化物被膜(被膜)
401 結晶
402 非晶質
501 結晶
502 非晶質
601 2重鎖状のVO6八面体
701 リチウムイオン二次電池
702 正極
703 正極集電体
704 負極
705 負極集電体
706 容器
707 電解液
708 セパレータ
709 蓋体
710 ガスケット
801 正極
802 アルミニウム集電箔
803 負極
804 銅集電箔
805 セパレータ
806 SUS製治具
901 正極
902 アルミニウム集電箔
903 負極のLi板
904 参照極のLi板
905 セパレータ
906 SUS製治具
1001 正極
1002 アルミニウム集電箔
1003 マグネシウム合金(AZ31合金)負極
1004 参照極のマグネシウム合金(AZ31合金)板
1005 セパレータ
1006 SUS製治具101 Ion secondary battery electrode (electrode)
102
DESCRIPTION OF
401
Claims (13)
前記バナジウム酸化物被膜が、バナジウムを含有し、リンを含有し、銅、銀、鉄、アルカリ土類金属およびアルカリ金属の中から選択される少なくとも一つの元素を含有することを特徴とするイオン二次電池用電極。 An electrode for an ion secondary battery according to claim 1,
The vanadium oxide film contains vanadium, phosphorus, and at least one element selected from copper, silver, iron, alkaline earth metal and alkali metal. Secondary battery electrode.
前記バナジウム酸化物被膜中の非晶質に対する結晶の体積分率が94%以下であることを特徴とするイオン二次電池用電極。 An electrode for an ion secondary battery according to claim 1 ,
An electrode for an ion secondary battery, wherein a volume fraction of crystals with respect to amorphous in the vanadium oxide film is 94% or less.
前記バナジウム酸化物被膜における主たる結晶が単斜晶であることを特徴とするイオン二次電池用電極。 An electrode for an ion secondary battery according to claim 1 ,
An electrode for an ion secondary battery, wherein a main crystal in the vanadium oxide film is a monoclinic crystal.
前記バナジウム酸化物被膜が、結晶と非晶質とを含んでいるイオン二次電池用電極であって、
前記バナジウム酸化物被膜中の前記結晶が配向していることを特徴とするイオン二次電池用電極。 Provide a vanadium oxide film formed by softening on the surface of the conductor,
The vanadium oxide film is an electrode for an ion secondary battery containing crystal and amorphous,
An electrode for an ion secondary battery, wherein the crystal in the vanadium oxide film is oriented.
前記バナジウム酸化物被膜中で配向している前記結晶の[100]結晶方位が前記導電体の表面に対して垂直であることを特徴とするイオン二次電池用電極。 An electrode for an ion secondary battery according to claim 5 ,
An electrode for an ion secondary battery, wherein the [100] crystal orientation of the crystal oriented in the vanadium oxide film is perpendicular to the surface of the conductor.
前記バナジウム酸化物被膜表面に凹凸が形成されていることを特徴とするイオン二次電池用電極。 An electrode for an ion secondary battery in which a vanadium oxide film formed by softening is provided on the surface of a conductor,
An electrode for an ion secondary battery, wherein irregularities are formed on the surface of the vanadium oxide film.
前記バナジウム酸化物被膜にリチウムイオンがプレドープされていることを特徴とするイオン二次電池用電極。 An electrode for an ion secondary battery according to claim 1,
An electrode for an ion secondary battery, wherein the vanadium oxide film is pre-doped with lithium ions.
前記導電体が、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金および炭素のうちの少なくとも一つで形成されていることを特徴とするイオン二次電池用電極。 An electrode for an ion secondary battery according to claim 1,
An electrode for an ion secondary battery, wherein the conductor is made of at least one of aluminum, an aluminum alloy, copper, a copper alloy, and carbon.
導電体の表面に、バナジウム酸化物を含む粉末状の溶射材料を溶射してバナジウム酸化物被膜を設ける工程を含むことを特徴とするイオン二次電池用電極の製造方法。 A method for producing an ion secondary battery electrode for producing an ion secondary battery electrode according to any one of claims 1 to 9 ,
A method for producing an electrode for an ion secondary battery, comprising a step of spraying a powder thermal spray material containing vanadium oxide on a surface of a conductor to provide a vanadium oxide film.
前記工程の後に、前記バナジウム酸化物被膜を設けた導電体を、当該バナジウム酸化物被膜の結晶化温度で加熱する工程を含むことを特徴とするイオン二次電池用電極の製造方法。 A manufacturing method of an ion secondary battery electrode according to the first 0 wherein claims,
A method for producing an electrode for an ion secondary battery, comprising the step of heating the conductor provided with the vanadium oxide film at the crystallization temperature of the vanadium oxide film after the step.
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