JP5725000B2 - 電池用活物質および電池 - Google Patents
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Description
まず、本発明の電池用活物質について説明する。本発明の電池用活物質は、Y2−xScxTi2O5S2(0<x<2)で表され、Ruddlesden-Popper構造を有する結晶相を含有することを特徴とするものである。
Y2−xScxTi2O5S2+zLi++ze−⇔LizY2−xScxTi2O5S2
なお、Y2−xScxTi2O5S2結晶相におけるYおよびScは、通常、三価である。
次に、本発明の電池について説明する。本発明の電池は、正極活物質を含有する正極活物質層と、負極活物質を含有する負極活物質層と、上記正極活物質層および上記負極活物質層の間に形成された電解質層とを有する電池であって、上記正極活物質または上記負極活物質が、上述した電池用活物質であることを特徴とするものである。
以下、本発明の電池について、構成ごとに説明する。
まず、本発明における負極活物質層について説明する。本発明における負極活物質層は、少なくとも負極活物質を含有する層である。また、負極活物質層は、負極活物質の他に、導電化材、結着材および固体電解質材料の少なくとも一つを含有していても良い。特に、本発明の電池が固体電解質層を有する固体電池である場合は、負極活物質層が固体電解質材料を含有することが好ましい。固体電解質層は液体電解質層(電解液)に比べて、負極活物質層の内部に浸透しにくく、負極活物質層の内部のイオン伝導性が低くなる可能性があるからである。固体電解質材料を添加することで、負極活物質層のイオン伝導性を容易に向上させることができる。
次に、本発明における正極活物質層について説明する。本発明における正極活物質層は、少なくとも正極活物質を含有する層である。また、正極活物質層は、正極活物質の他に、導電化材、結着材および固体電解質材料の少なくとも一つを含有していても良い。特に、本発明の電池が固体電解質層を有する固体電池である場合は、正極活物質層が固体電解質材料を含有することが好ましい。固体電解質層は液体電解質層(電解液)に比べて、正極活物質層の内部に浸透しにくく、正極活物質層の内部のイオン伝導性が低くなる可能性があるからである。固体電解質材料を添加することで、正極活物質層のイオン伝導性を容易に向上させることができる。
次に、本発明における電解質層について説明する。本発明における電解質層は、上記正極活物質層および上記負極活物質層の間に形成される層である。電解質層に含まれる電解質を介して、正極活物質と負極活物質との間のイオン伝導を行う。電解質層の形態は、特に限定されるものではなく、液体電解質層、ゲル電解質層、固体電解質層等を挙げることができる。
本発明の電池は、上述した負極活物質層、正極活物質層および電解質層を少なくとも有するものである。さらに通常は、正極活物質層の集電を行う正極集電体、および負極活物質層の集電を行う負極集電体を有する。正極集電体の材料としては、例えばSUS、アルミニウム、ニッケル、鉄、チタンおよびカーボン等を挙げることができ、中でもSUSが好ましい。一方、負極集電体の材料としては、例えばSUS、銅、ニッケルおよびカーボン等を挙げることができ、中でもSUSが好ましい。また、正極集電体および負極集電体の厚さや形状等については、電池の用途等に応じて適宜選択することが好ましい。
本発明の電池は、上述した正極活物質層、負極活物質層および電解質層を有するものであれば特に限定されるものではない。本発明の電池の種類としては、例えばリチウム電池、ナトリウム電池、マグネシウム電池およびカルシウム電池等を挙げることができ、中でも、リチウム電池およびナトリウム電池が好ましく、特にリチウム電池が好ましい。また、本発明の電池は、電解質層が固体電解質層である電池であっても良く、電解質層が液体電解質層である電池であって良い。さらに、本発明の電池は、一次電池であっても良く、二次電池であっても良いが、中でも、二次電池であることが好ましい。繰り返し充放電でき、例えば車載用電池として有用だからである。また、本発明の電池の形状としては、例えば、コイン型、ラミネート型、円筒型および角型等を挙げることができる。また、電池の製造方法は、特に限定されるものではなく、一般的な電池における製造方法と同様である。
図2(a)に示すフローチャートに沿って、電池用活物質を作製した。
(TiS2合成)
Arグローブボックス中で、チタン(レアメタリック社製)および硫黄(レアメタリック社製)をモル比が1:2となるように秤量し、乳鉢で混合した。得られた混合物をペレット成型機に詰め、1000kgの圧力でプレスし、ペレットを作製した。得られたペレットを石英管に入れ、真空封入した(真空度10−5Pa)。その後、36時間かけて室温から600℃まで昇温し、600℃で96時間焼成を行った。これにより、硫化チタン(TiS2)を得た。
TiS2以外の原料として、Y2O3、Sc2O3およびTiO2を用意した。次に、これらの原料を、Arグローブボックス中で、Y:Sc:Ti:O:S=2−x:x:2:5:2のモル比(x=0.2)となるように秤量し、乳鉢で混合した。得られた混合物をペレット成型機に詰め、1000kgの圧力でプレスし、ペレットを作製した。得られたペレットを、石英管中で120℃、10−5Pa、24時間の条件で真空乾燥した。真空乾燥させたペレットを、大気に触れさせることなく石英管中に真空封入した。その後、24時間かけて室温から1100℃まで昇温し、1100℃で96時間焼成を行った。これにより、Y2−xScxTi2O5S2(x=0.2)で表される電池用活物質(焼結体、厚さ0.5mm)を得た。
原料の組成をx=0.4となるように変更したこと以外は、実施例1と同様に電池用活物質を得た。
原料の組成を、それぞれx=0、x=0.8、x=1.0、x=1.2、x=1.6、x=2.0となるように変更したこと以外は、実施例1と同様に電池用活物質を得た。
(1)X線回折測定
実施例1、2および比較例1〜6で得られた活物質を用いて、X線回折(XRD)測定を行った。測定は、CuKα線使用、測定範囲10°〜80°、測定ステップ0.02°、走査速度10°/minの条件で行った。その結果を図3に示す。図3に示されるチャートから、比較例1で得られた活物質は、Ruddlesden-Popper構造を有する結晶相(Y2Ti2O5S2結晶相)を含有するものであることが確認された。Y2Ti2O5S2結晶相を示すピークは、2θ=15.6°、26.2°、31.3°、33.6°、36.4°、41.3°、43.0°、48.2°に現れた。また、実施例1、2は、比較例1とほぼ同じ位置にピークを有するため、Y2−xScxTi2O5S2結晶相を含有するものであることが確認された。なお、Y2−xScxTi2O5S2結晶相の各ピークは、Y2Ti2O5S2結晶相の各ピークを基準とした場合に、その±0.5°の範囲内の位置に確認された。一方、比較例2〜6では、Ruddlesden-Popper構造に特有な26.2°付近のピークは確認されなかった。そのため、上記の合成方法では、パイロクロア構造等の他の結晶構造が形成されている可能性が示唆された。
(第一の評価用電池)
実施例1、2および比較例1〜3で得られた活物質(焼結体、厚さ0.5mm)を正極活物質として用いて評価用電池を作製し、活物質の充放電特性を評価した。電解液として、EC、DMCおよびEMCを、EC:DMC:EMC=3:4:3の体積比で混合した溶媒に、LiPF6を1mol/Lとなるように溶解させたものを用い、負極活物質として金属Liを用意した。これらの部材を用いて、評価用電池(2032型コインセル)を作製した。
図2(b)に示すフローチャートに沿って、電池用活物質を作製した。まず、実施例1と同様にして硫化チタン(TiS2)を得た。次に、TiS2以外の原料として、Y2O3、Sc2O3およびTiO2を用意した。次に、Y2O3を、大気中、900℃、24時間の条件で加熱乾燥し、Arグローブボックス内に保管した。Sc2O3についても、同様に加熱乾燥した。TiO2については、大気中、600℃、24時間の条件で加熱乾燥し、Arグローブボックス内に保管した。その後、これらの原料を、Arグローブボックス中で、Y:Sc:Ti:O:S=2−x:x:2:5:2のモル比(x=0.2)となるように秤量し、乳鉢で混合した。得られた混合物をペレット成型機に詰め、1000kgの圧力でプレスし、ペレットを作製した。得られたペレットを、石英管に入れ、真空封入した(真空度10−5Pa)。その後、24時間かけて室温から1100℃まで昇温し、1100℃で96時間焼成を行った。これにより、Y2−xScxTi2O5S2(x=0.2)で表される電池用活物質を得た。得られた電池用活物質を用いて、X線回折(XRD)測定を行った。その結果、実施例1と同じ位置にピークを有することが確認され、この方法でも、所望の電池用活物質が得られることが確認できた。
比較例1では、M2Ti2O5S2(M=Y)で表される活物質を作製したが、このMを、他のIII族元素とした活物質を同様に合成した。さらに、得られた活物質を用いて、実施例1と同様にして評価用電池を作製し、Li挿入量60%時の放電電位を測定した。その結果を表2に示す。
2 … 負極活物質層
3 … 電解質層
4 … 正極集電体
5 … 負極集電体
6 … 電池ケース
10 … 電池
Claims (3)
- 正極活物質を含有する正極活物質層と、負極活物質を含有する負極活物質層と、前記正極活物質層および前記負極活物質層の間に形成された電解質層とを有する電池であって、
前記電池が、リチウム電池またはナトリウム電池であり、
前記正極活物質または前記負極活物質が、Y2−xScxTi2O5S2(0<x<2)で表され、Ruddlesden-Popper構造を有する結晶相を含有する活物質であることを特徴とする電池。 - 前記xが、0<x≦0.4を満たすことを特徴とする請求項1に記載の電池。
- 前記負極活物質が、前記結晶相を含有する前記活物質であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電池。
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