JP5780834B2 - Lithium secondary battery - Google Patents

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Description

本発明は、高容量、高出力のリチウム二次電池に関するものである。   The present invention relates to a high capacity, high output lithium secondary battery.

近年、二次電池は携帯電話やノートPCだけでなく、電気自動車用バッテリーとしてもその用途を広げている。   In recent years, secondary batteries have been used not only for mobile phones and notebook PCs but also as batteries for electric vehicles.

これらの電池の負極活物質として、ラムスデライト型チタン酸リチウム(LiTi)を使用する電池が提案されており、たとえば特許文献1ではLiTi粉末に電子伝導助剤、バインダ、分散剤を加え加圧成形して固めた電極を用い、良好な急速充放電性能および繰り返し充放電性能(サイクル特性)を達成している。 As a negative electrode active material of these batteries, a battery using ramsdellite-type lithium titanate (Li 2 Ti 3 O 7 ) has been proposed. For example, Patent Document 1 discloses an electron conduction assistant in Li 2 Ti 3 O 7 powder. Using an electrode hardened by pressure molding by adding a binder and a dispersant, good rapid charge / discharge performance and repeated charge / discharge performance (cycle characteristics) are achieved.

特開2008−91079号公報JP 2008-91079 A

しかしながら、特許文献1に記載されている電池は、電極がLiTi粉末に電子伝導助剤、バインダ、分散剤を加え、単に加圧成形して固められたものであり、電池特性に直接寄与しないバインダや電子伝導助剤が多く含まれているために、電極内における活物質充填率が低かった。そのため、電池のエネルギー密度が低く、また電極の体積に対する電池容量も小さいという問題があった。 However, in the battery described in Patent Document 1, the electrode is obtained by adding an electron conduction assistant, a binder, and a dispersing agent to Li 2 Ti 3 O 7 powder, and simply pressing and solidifying the battery characteristics. Since the binder and the electron conduction assistant that do not directly contribute to the content are contained, the active material filling rate in the electrode is low. Therefore, there are problems that the energy density of the battery is low and the battery capacity with respect to the volume of the electrode is small.

本発明は、このような実情に鑑みて提案されたものであり、その目的はサイクル特性に優れ、エネルギー密度及び電極の体積に対する電池容量が高いリチウム二次電池を提供することである。   The present invention has been proposed in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a lithium secondary battery that has excellent cycle characteristics and a high battery capacity with respect to energy density and electrode volume.

本発明のリチウム二次電池は、正極と負極との間に電解質を有し、前記負極が、Nb、Ta、AlおよびFeからなる元素群より選ばれる少なくとも一種の元素が固溶しているラムスデライト型の結晶構造を有するチタン酸リチウムからなるチタン酸リチウム焼結体であり、前記元素群より選ばれる少なくとも一種の元素が前記チタン酸リチウムを構成するTi元素と置換しているとした場合の置換量が、1〜20モル%の範囲であることを特徴とする。
Rams lithium secondary battery of the present invention has an electrolyte between the positive electrode and the negative electrode, the negative electrode, which Nb, Ta, at least one element selected from the element group consisting of Al and Fe in solid solution A lithium titanate sintered body composed of lithium titanate having a delite-type crystal structure , wherein at least one element selected from the element group is substituted with Ti element constituting the lithium titanate The amount of substitution is in the range of 1 to 20 mol% .

本発明に係るリチウム二次電池によれば、エネルギー密度及び電極の体積に対する電池容量を高めることができる。   The lithium secondary battery according to the present invention can increase the battery capacity with respect to the energy density and the volume of the electrode.

本発明の一実施形態であるリチウム二次電池の断面図である。It is sectional drawing of the lithium secondary battery which is one Embodiment of this invention.

図1は本発明の一実施形態であるリチウム二次電池を示す断面図で、正極3と負極7とからなる1対の電極の間に、電解質4が挟持されている。正極缶1は正極集電体2を介して正極3に接着されており、負極集電体6を介して負極7に接着されている負極缶5と、絶縁パッキング8を介してかしめ合わされている。   FIG. 1 is a cross-sectional view showing a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention, in which an electrolyte 4 is sandwiched between a pair of electrodes composed of a positive electrode 3 and a negative electrode 7. The positive electrode can 1 is bonded to the positive electrode 3 via the positive electrode current collector 2, and is bonded to the negative electrode can 5 bonded to the negative electrode 7 via the negative electrode current collector 6 via the insulating packing 8. .

正極集電体2または負極集電体6は、正極3または負極7の集電のために配置され、このような集電体6、7を形成する材質としては、たとえば、カーボンブラック、グラファイト、金、銀、ニッケル、酸化亜鉛、酸化錫、酸化インジウム、酸化チタン、チタン酸化カリウムのうちの少なくとも一種類からなる導電性フィラーと、アクリル系樹脂、エポキシ樹脂、シリコン系樹脂、ポリアミド系樹脂、フェノール樹脂、ポリエステル樹脂、ポリイミド系樹脂のうちの少なくとも一種類の高分子粘着材とからなる混合物をあげることができる。   The positive electrode current collector 2 or the negative electrode current collector 6 is disposed for collecting current of the positive electrode 3 or the negative electrode 7, and examples of the material for forming the current collectors 6 and 7 include carbon black, graphite, Conductive filler made of at least one of gold, silver, nickel, zinc oxide, tin oxide, indium oxide, titanium oxide, and titanium potassium oxide, acrylic resin, epoxy resin, silicon resin, polyamide resin, phenol The mixture which consists of at least 1 type of polymer adhesive material among resin, a polyester resin, and a polyimide-type resin can be mention | raise | lifted.

負極7は、Nb、Ta、AlおよびFeからなる元素群より選ばれる少なくとも一種の元素が固溶したラムスデライト型の結晶構造を有するチタン酸リチウムからなるチタン酸リチウム焼結体である。
Negative 7, Nb, Ta, Ru lithium titanate sintered body Der comprising lithium titanate having a crystal structure of at least ramsdellite which one element forms a solid solution selected from the element group consisting of Al and Fe.

ラムスデライト型の結晶構造を有するチタン酸リチウム(LiTi、以下、単にチタン酸リチウムという場合もある)は、サイクル特性に優れており、スピネル型化合物LiTi12などに比べてリチウムイオンの拡散性が良好である。ただし、ラムスデライト型の結晶構造を有するチタン酸リチウムは高温安定相であり、冷却時に低温安定相への体積膨張を伴う相転移が起きるが、本実施形態では、ラムスデライト型の結晶構造を有するチタン酸リチウムに、Nb、Ta、AlおよびFeからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素を固溶させているため、ラムスデライト型結晶構造の熱的安定性を向上させ、低温でも相転移を起こさずにラムスデライト型結晶構造を有するチタン酸リチウムを維持できる。そのため、例えば電解質4に固体酸化物を用い、熱処理によって電解質4と一体化するなど、電池製造において熱処理を必要とする場合においても好適に用いることができる。特にFeが固溶したチタン酸リチウムは、700℃の熱処理においても相転移しないため、高温での熱処理を行うような場合にはチタン酸リチウムにFeを固溶されたものを用いることが好ましい。 Lithium titanate having a ramsdellite-type crystal structure (Li 2 Ti 3 O 7 , hereinafter sometimes simply referred to as lithium titanate) has excellent cycle characteristics, and spinel type compounds such as Li 4 Ti 5 O 12 Compared with the lithium ion diffusibility is better. However, lithium titanate having a ramsdelite-type crystal structure is a high-temperature stable phase, and phase transition accompanied by volume expansion to a low-temperature stable phase occurs during cooling, but in this embodiment, it has a ramsdelite-type crystal structure. Since at least one element selected from the group consisting of Nb, Ta, Al and Fe is dissolved in lithium titanate, the thermal stability of the ramsdellite-type crystal structure is improved and phase transition occurs even at low temperatures. In addition, lithium titanate having a ramsdellite type crystal structure can be maintained. Therefore, for example, when a solid oxide is used for the electrolyte 4 and it is integrated with the electrolyte 4 by heat treatment, it can be suitably used even when heat treatment is required in battery production. In particular, lithium titanate in which Fe is in a solid solution does not undergo phase transition even during heat treatment at 700 ° C. Therefore, when heat treatment is performed at a high temperature, it is preferable to use a solution in which Fe is dissolved in lithium titanate.

また、ラムスデライト型の結晶構造を有するチタン酸リチウムに、Nb、Ta、AlおよびFeからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素を固溶させているため、焼結性が向上して焼結体内部の気孔を減少させ、緻密な焼結体とすることが可能となる。また、添加物が固溶していない従来のチタン酸リチウムを焼結するには少なくとも1100℃以上の温度が必要だが、本実施形態におけるラムスデライト型のチタン酸リチウム焼結体は、1000℃程度の焼成温度で緻密な焼結体を得ることができる。特に焼結体をより緻密化させるためには、チタン酸リチウムにNbまたはTaを固溶させたものを用いることが好ましい。   Further, since at least one element selected from the group consisting of Nb, Ta, Al and Fe is dissolved in lithium titanate having a ramsdellite type crystal structure, the sinterability is improved and the sintered body is improved. It is possible to reduce the internal pores and make a dense sintered body. In addition, a temperature of at least 1100 ° C. or higher is required to sinter the conventional lithium titanate in which the additive is not dissolved, but the ramsdellite-type lithium titanate sintered body in this embodiment is about 1000 ° C. A dense sintered body can be obtained at this firing temperature. In particular, in order to make the sintered body more dense, it is preferable to use a solution obtained by dissolving Nb or Ta in lithium titanate.

さらに、本実施形態のチタン酸リチウム焼結体は、Nb、Ta、AlおよびFeからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素が固溶したラムスデライト型の結晶構造を有するチタン酸リチウムからなるもので、他の成分は実質的に含んでおらず、他の成分を含んでいても1質量%以下、さらには0.5質量%以下、好ましくは0.2質量%以下である。そのため、チタン酸リチウム焼結体中には、電池特性に直接寄与しないバインダや電子伝導助剤が実質的に含まれていないため、負極7内における活物質充填率を高めることができる。その結果、二次電池のエネルギー密度を高め、また体積あたりの電池容量を大きくすることができる。   Furthermore, the lithium titanate sintered body of the present embodiment is made of lithium titanate having a ramsdellite type crystal structure in which at least one element selected from the group consisting of Nb, Ta, Al and Fe is dissolved. The other components are not substantially contained, and even if other components are contained, the content is 1% by mass or less, further 0.5% by mass or less, preferably 0.2% by mass or less. Therefore, the lithium titanate sintered body does not substantially contain a binder or an electron conduction aid that does not directly contribute to the battery characteristics, so that the active material filling rate in the negative electrode 7 can be increased. As a result, the energy density of the secondary battery can be increased and the battery capacity per volume can be increased.

またさらに、チタン酸リチウム焼結体の相対密度は高いほうが好ましく、85%以上、さらには90%以上がより好ましい。焼結体の相対密度を高くすることで、活物質充填率が高く、エネルギー密度の高い負極7を実現できる。   Furthermore, the relative density of the lithium titanate sintered body is preferably high, more preferably 85% or more, and even more preferably 90% or more. By increasing the relative density of the sintered body, the negative electrode 7 having a high active material filling rate and a high energy density can be realized.

本実施形態において、ラムスデライト型の結晶構造を有するチタン酸リチウムに固溶している元素の比率は、Nb、Ta、AlおよびFeからなる群より選ばれる少なくとも一
種の元素がチタン酸リチウムを構成するTi元素と置換しているとした場合の置換量として、1〜20モル%の範囲とすることが好ましく、特に、Nb、TaおよびAlにおいては1〜10モル%、Feにおいては1〜15モル%の範囲とすることが好ましい。このような範囲とすることにより、ラムスデライト構造の熱的安定性がより向上する。なお、2種以上の元素が固溶していても構わない。この場合、Ti元素との置換量としては、2種以上の元素による置換量の合計を1〜20モル%の範囲とすることが好ましい。
In the present embodiment, at least one element selected from the group consisting of Nb, Ta, Al and Fe constitutes the lithium titanate in the ratio of the element dissolved in lithium titanate having a ramsdellite type crystal structure. In the case of substitution with Ti element to be substituted, the substitution amount is preferably in the range of 1 to 20 mol%, particularly 1 to 10 mol% in Nb, Ta and Al, and 1 to 15 in Fe. It is preferable to make it the range of mol%. By setting it as such a range, the thermal stability of a ramsdellite structure improves more. Two or more elements may be dissolved. In this case, the amount of substitution with the Ti element is preferably in the range of 1 to 20 mol% of the total amount of substitution with two or more elements.

焼結体におけるTi元素の添加物元素との置換量は、X線回折(XRD)測定により得られるチタン酸リチウム焼結体のラムスデライト型結晶の単位格子体積の、無添加の何も固溶していない場合に対する変化率から求められる。なお、本明細書においては、XRD測定によりラムスデライト型の結晶構造を有するチタン酸リチウム以外の結晶相が確認されず、固溶元素を含むラムスデライト型の結晶構造を有するチタン酸リチウムの単位格子体積が、無添加のラムスデライト型の結晶構造を有するチタン酸リチウムの単位格子体積と異なる場合には、ICPにより検出された添加物元素の全てがラムスデライト型チタン酸リチウムの結晶格子内に固溶し、Ti元素と置換しているものとみなした。   The amount of substitution of the Ti element with the additive element in the sintered body is nothing but the solid solution of the unit cell volume of the ramsdellite-type crystal of the lithium titanate sintered body obtained by X-ray diffraction (XRD) measurement. It is obtained from the rate of change with respect to the case where it is not. In the present specification, a unit cell of lithium titanate having a ramsdelite type crystal structure containing a solid solution element without any crystal phase other than lithium titanate having a ramsdelite type crystal structure being confirmed by XRD measurement. When the volume is different from the unit cell volume of lithium titanate having an additive-free ramsdelite-type crystal structure, all of the additive elements detected by ICP are solidified in the crystal lattice of ramsdelite-type lithium titanate. It was considered that it was dissolved and replaced with Ti element.

また、負極7の厚さは20μm〜200μmが好ましい。これにより、二次電池のエネルギー密度および電池容量を向上させるために必要な活物質の絶対量が確保できるとともに、充放電特性が良好で、ハンドリング性もよく取り扱いが容易な負極7となる。   The thickness of the negative electrode 7 is preferably 20 μm to 200 μm. As a result, the absolute amount of the active material necessary for improving the energy density and battery capacity of the secondary battery can be secured, the charge / discharge characteristics are good, the handling property is good, and the negative electrode 7 is easy to handle.

次に、正極3に用いる活物質としては、例えば、リチウムコバルト複合酸化物、リチウムマンガン複合酸化物、二酸化マンガン、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムニッケルコバルト複合酸化物、リチウムバナジウム複合酸化物、酸化バナジウムなどが挙げられる。   Next, examples of the active material used for the positive electrode 3 include lithium cobalt composite oxide, lithium manganese composite oxide, manganese dioxide, lithium nickel composite oxide, lithium nickel cobalt composite oxide, lithium vanadium composite oxide, and vanadium oxide. Etc.

正極3は負極7と同様に、相対密度の高い焼結体として用いることが好ましく、その相対密度は85%以上、さらには90%以上であることが好ましい。   Like the negative electrode 7, the positive electrode 3 is preferably used as a sintered body having a high relative density, and the relative density is preferably 85% or more, and more preferably 90% or more.

電解質4としては、有機電解質、高分子固体電解質、無機固体電解質のいずれも用いることができる。   As the electrolyte 4, any of an organic electrolyte, a polymer solid electrolyte, and an inorganic solid electrolyte can be used.

次に、本実施形態のリチウム二次電池を作製する方法について、一例を示す。   Next, an example is shown about the method of producing the lithium secondary battery of this embodiment.

本実施形態のチタン酸リチウム焼結体からなる負極7の製造には、下記の(1)から(3)のいずれを用いても良い。
(1)活物質を、成形助剤、必要に応じて分散剤、可塑剤を加えた水もしくは溶剤と混合してスラリーを調整し、このスラリーを基材フィルムに塗布、乾燥した後、基材フィルムから剥離させ、焼結させる。
(2)活物質を直接もしくは造粒したものを金型に投入し、プレス機で加圧成形した後、焼結させる。
(3)造粒した活物質をロールプレス機で加圧成形してシートに加工し、焼結させる。なお、(2)及び(3)の造粒については、(1)の方法で述べたスラリーから造粒する湿式造粒であっても乾式造粒であってもよい。また、(1)〜(3)において、焼結される活物質は、焼結後の活物質自体であっても良いし、焼結過程における反応により焼結後の活物質を形成する材料であっても構わない。
Any of the following (1) to (3) may be used for manufacturing the negative electrode 7 made of the lithium titanate sintered body of the present embodiment.
(1) A slurry is prepared by mixing an active material with a molding aid, water or a solvent to which a dispersant and a plasticizer are added if necessary, and this slurry is applied to a substrate film, dried, and then dried. Peel from the film and sinter.
(2) A material obtained by directly or granulating an active material is put into a mold, pressed with a press machine, and then sintered.
(3) The granulated active material is pressure-formed with a roll press machine, processed into a sheet shape , and sintered. The granulations (2) and (3) may be wet granulation or dry granulation from the slurry described in the method (1). In (1) to (3), the active material to be sintered may be the active material itself after sintering, or a material that forms the active material after sintering by a reaction in the sintering process. It does not matter.

負極7の原料としては、活物質としての、Nb、Ta、AlおよびFeからなる群より
選ばれる少なくとも一種の元素が固溶したラムスデライト型の結晶構造を有するチタン酸リチウムの形成に必要な材料以外、例えば電子伝導助剤や結合材は積極的に添加しない。
ただし原料やバインダ、さらには工程に起因する不純物としてCa、Na、Si、Zr、Zn、C等が含まれる可能性があるが、このような不純物が含まれたとしてもその量は、1質量%以下、さらには0.5質量%以下、好ましくは0.2質量%以下とすることが良い。
As a raw material of the negative electrode 7, a material necessary for forming lithium titanate having a ramsdellite type crystal structure in which at least one element selected from the group consisting of Nb, Ta, Al and Fe is dissolved as an active material Other than these, for example, an electron conduction aid or a binder is not positively added.
However, there is a possibility that Ca, Na, Si, Zr, Zn, C, etc. are contained as impurities due to raw materials, binders, and processes, but even if such impurities are contained, the amount is 1 mass. % Or less, further 0.5% by mass or less, preferably 0.2% by mass or less.

活物質であるチタン酸リチウムの素原料粉末としては、比表面積20m/g以上、一次粒径0.1μm以下の炭酸リチウム、酸化チタンの微粉を用いる。このような微粉を用いることで、後述する仮焼粉末の製作工程において、平均粒径の小さい仮焼粉末が得られ、また、焼結後に気孔が少なく、相対密度の高い焼結体が得られる。さらに工程上スラリー化を行う場合には、比表面積20〜50m/g、一次粒径0.05〜0.1μmのものを用いるのが好ましい。 As the raw material powder of lithium titanate as an active material, fine powder of lithium carbonate and titanium oxide having a specific surface area of 20 m 2 / g or more and a primary particle size of 0.1 μm or less is used. By using such fine powder, a calcined powder having a small average particle diameter can be obtained in a process for producing a calcined powder to be described later, and a sintered body having few pores after sintering and having a high relative density can be obtained. . Further, when slurrying is performed in the process, it is preferable to use one having a specific surface area of 20 to 50 m 2 / g and a primary particle size of 0.05 to 0.1 μm.

そして、これらに添加物として、Nb、Ta、AlおよびFeからなる群より選ばれる少なくとも一種の化合物、好ましくは酸化物粉末を加え、ボールミル等の混合手段を用いて混合した後、450〜850℃の温度で仮焼して仮焼粉末を得る。なお、焼成前の仮焼粉末の段階では、必ずしもラムスデライト構造を有していたり、添加物が固溶している必要はなく、焼結性の点からは、焼成によってNb、Ta、AlおよびFeからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素が固溶したラムスデライト型の結晶構造を有するチタン酸リチウムを形成するものであればよい。   Then, as an additive, at least one compound selected from the group consisting of Nb, Ta, Al and Fe, preferably an oxide powder, is added and mixed using a mixing means such as a ball mill, and then 450 to 850 ° C. Is calcined at a temperature of 5 to obtain a calcined powder. In addition, at the stage of the calcined powder before firing, it is not always necessary to have a ramsdellite structure or the additive is in solid solution. From the viewpoint of sinterability, Nb, Ta, Al and Any material may be used as long as it forms lithium titanate having a ramsdellite type crystal structure in which at least one element selected from the group consisting of Fe is dissolved.

次に、(1)の製法によってチタン酸リチウム焼結体を製造する方法を具体的に説明する。   Next, a method for producing a lithium titanate sintered body by the production method (1) will be specifically described.

まず、得られた仮焼粉末に、バインダ、成形助剤、および水を混合してスラリーを調整する。バインダにはブチラール系バインダが好ましい。ブチラール系バインダは強度が高いため添加量を削減でき、高密度の焼結体が得られる。バインダ量は活物質である仮焼粉末に対して10体積%以下とすることが好ましい。   First, a slurry is prepared by mixing the obtained calcined powder with a binder, a molding aid, and water. The binder is preferably a butyral binder. Since the butyral binder has high strength, the amount added can be reduced, and a high-density sintered body can be obtained. The amount of the binder is preferably 10% by volume or less with respect to the calcined powder that is the active material.

成形助剤としては、例えばポリアクリル酸、カルボキシメチルセルロース、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアルコール、ジアセチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ポリビニルクロライド、ポリビニルピロリドン、ブチラールなどの1種もしくは2種以上の混合物が挙げられる。   Examples of the molding aid include one or a mixture of two or more of polyacrylic acid, carboxymethyl cellulose, polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, diacetyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, polyvinyl chloride, polyvinyl pyrrolidone, butyral, and the like.

そして、得られたスラリーを基材フィルムに塗布し、乾燥させる。基材フィルムとしては、例えばポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリエチレン、テトラフルオロエチレン等の樹脂フィルムを用いることができる。   Then, the obtained slurry is applied to a base film and dried. As a base film, resin films, such as a polyethylene terephthalate, a polypropylene, polyethylene, a tetrafluoroethylene, can be used, for example.

次いで、スラリーを乾燥させた成形シートを基材フィルムから剥離させ、焼結させる。   Next, the molded sheet obtained by drying the slurry is peeled off from the base film and sintered.

チタン酸リチウムの最高焼成温度は、組成に応じて1000〜1300℃の範囲で適宜選択すればよい。最高焼成温度をこのような範囲とすることで、ラムスデライト型の結晶構造を有するチタン酸リチウムを生成し、異相のない焼結体とすることができるとともに、溶融による変形を防止できる。また、本実施形態では通常の炉冷で実現可能な冷却速度、例えば最高温度から300℃まで1500℃/時間以下の冷却速度でも作製することが可能となり、急冷するための設備や冷却能の高い媒体を使用する必要がない。   What is necessary is just to select the maximum baking temperature of lithium titanate suitably in the range of 1000-1300 degreeC according to a composition. By setting the maximum firing temperature in such a range, lithium titanate having a ramsdellite-type crystal structure can be generated, and a sintered body having no heterogeneous phase can be obtained, and deformation due to melting can be prevented. Further, in this embodiment, it is possible to produce at a cooling rate that can be realized by ordinary furnace cooling, for example, a cooling rate of 1500 ° C./hour or less from the highest temperature to 300 ° C., and equipment for rapid cooling and high cooling ability There is no need to use media.

このようにして得られたチタン酸リチウム焼結体を負極7として用いるとともに、別途準備したリチウムコバルト複合酸化物等の焼結体を正極3として用い、カーボンをフィラーとしたエポキシ樹脂系接着剤を用いてそれぞれ負極缶5および正極缶1に接着したのち、負極缶5と正極缶1とを、負極7と正極3とが有機電解液を含んだセパレータを介して
対向するように配置して、絶縁パッキング8を介してかしめ合わせて封口することで、リチウム二次電池を得ることができる。
The lithium titanate sintered body thus obtained was used as the negative electrode 7, and a separately prepared sintered body such as a lithium cobalt composite oxide was used as the positive electrode 3, and an epoxy resin adhesive using carbon as a filler was used. After adhering to the negative electrode can 5 and the positive electrode can 1 respectively, the negative electrode can 5 and the positive electrode can 1 are arranged so that the negative electrode 7 and the positive electrode 3 face each other with a separator containing an organic electrolyte solution, A lithium secondary battery can be obtained by caulking and sealing through the insulating packing 8.

なお、本発明のリチウム二次電池の形状は角型、円筒型、ボタン型、コイン型、扁平型などに限定されるものではなく、また、正極缶1及び負極缶5に換えて、正極端子および負極端子を備える絶縁性の容器を用いてもよい。   In addition, the shape of the lithium secondary battery of the present invention is not limited to a square shape, a cylindrical shape, a button shape, a coin shape, a flat shape, and the like, and instead of the positive electrode can 1 and the negative electrode can 5, a positive electrode terminal An insulating container including a negative electrode terminal may be used.

また、本実施形態では、電解質に有機電解液を含んだセパレータを用いたが、固体電解質を用いても良く、この場合、負極7および正極3の表面に固体電解質のスラリーを塗布したあと、各電極3、7のスラリー同士を接触させた状態で固体電解質を焼結させることができる温度で焼成することにより全固体酸化物型のリチウム二次電池とすることもできる。   In this embodiment, a separator containing an organic electrolyte is used as the electrolyte. However, a solid electrolyte may be used. In this case, after applying a solid electrolyte slurry to the surfaces of the negative electrode 7 and the positive electrode 3, By firing at a temperature at which the solid electrolyte can be sintered in a state where the slurries of the electrodes 3 and 7 are in contact with each other, an all solid oxide lithium secondary battery can be obtained.

チタン酸リチウム原料として、炭酸リチウムおよび酸化チタンと、添加物として酸化ニオブ、酸化鉄、酸化タンタルおよび酸化アルミニウムのうちいずれか1種とを用い、添加物の添加量を、Ti元素との置換量として表1に示す量になるように秤量してボールミルにて混合し、550〜750℃で仮焼して平均粒径0.2μmのチタン酸リチウム原料を作製した。このチタン酸リチウム原料に、成形助剤、可塑剤、分散剤、溶剤を加えて混合してスラリーを調整した。このスラリーをポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム上にドクターブレード法にて塗布した後乾燥させて、厚さ70〜80μmのグリーンシートを作製した。このグリーンシートを、焼成後の寸法が直径15mmの円形になるように打ち抜き、大気中にて最高温度1100℃で焼成した後、表1に示す冷却条件で冷却して、厚さ60μmのチタン酸リチウム焼結体を得た。なお、表1において急冷とは最高温度で保持後、炉から取り出して室温で放置したことを指す。   Using lithium carbonate and titanium oxide as the lithium titanate raw material and any one of niobium oxide, iron oxide, tantalum oxide and aluminum oxide as the additive, the amount of additive added is the amount of substitution with the Ti element As shown in Table 1, they were weighed and mixed in a ball mill, and calcined at 550 to 750 ° C. to prepare a lithium titanate raw material having an average particle size of 0.2 μm. To this lithium titanate raw material, a molding aid, a plasticizer, a dispersant, and a solvent were added and mixed to prepare a slurry. This slurry was applied on a polyethylene terephthalate (PET) film by a doctor blade method and then dried to produce a green sheet having a thickness of 70 to 80 μm. This green sheet was punched out so that the size after firing was a circle with a diameter of 15 mm, fired at a maximum temperature of 1100 ° C. in the air, cooled under the cooling conditions shown in Table 1, and titanic acid having a thickness of 60 μm. A lithium sintered body was obtained. In Table 1, rapid cooling means that the sample is held at the maximum temperature, then taken out of the furnace and left at room temperature.

そして、得られたチタン酸リチウム焼結体の相対密度および結晶構造、チタン酸リチウムの含有量、単位格子体積、固溶元素及びそのTi元素置換量をそれぞれ確認および算出した。また、表1において結晶構造は、ラムスデライト型を○、それ以外を×として示した。   Then, the relative density and crystal structure of the obtained lithium titanate sintered body, the content of lithium titanate, the unit cell volume, the solid solution element and the Ti element substitution amount were confirmed and calculated. In Table 1, the crystal structure is indicated by ◯ for the rams delite type and by x for the others.

焼結体の相対密度は、アルキメデス法により測定した焼結体密度とラムスデライト型のチタン酸リチウムの理論密度3.63g/cmとから算出した。チタン酸リチウム焼結体の結晶構造は、X線回折(XRD)測定により確認した。さらに、チタン酸リチウム焼結体におけるチタン酸リチウムの単位格子体積は、XRDパターンにおけるラムスデライト型のチタン酸リチウムの複数の回折ピークから最小二乗法を用いて算出した。チタン酸リチウムのTi元素置換量は、Nb、Ta、FeおよびAl元素の含有量をICP分析により測定し、X線回折測定によりいずれの試料においても添加成分に起因する結晶相が確認できず、かつラムスデライト型チタン酸リチウムの単位格子体積が無添加の場合と比較して変化していることから、ICPにより測定されたNb、Ta、FeおよびAl元素のすべてがチタン酸リチウム結晶格子内に固溶し、Ti元素と置換しているものとした。 The relative density of the sintered body was calculated from the sintered body density measured by the Archimedes method and the theoretical density of Ramus delite type lithium titanate 3.63 g / cm 3 . The crystal structure of the lithium titanate sintered body was confirmed by X-ray diffraction (XRD) measurement. Further, the unit cell volume of lithium titanate in the lithium titanate sintered body was calculated from a plurality of diffraction peaks of ramsdellite type lithium titanate in the XRD pattern by using the least square method. The amount of Ti element substitution in lithium titanate was measured by ICP analysis for the content of Nb, Ta, Fe and Al elements, and the crystal phase due to the additive component could not be confirmed in any sample by X-ray diffraction measurement. In addition, since the unit cell volume of ramsdelite type lithium titanate is changed as compared with the case of no addition, all of Nb, Ta, Fe and Al elements measured by ICP are in the lithium titanate crystal lattice. The solid solution was substituted for the Ti element.

さらに、これらの焼結体を作用極として、Li金属箔を集電金属板に圧着した対極とを、セパレータを介して対向させ電池セルを組み立てた。セパレータには、有機電解液を含浸させたポリエチレン製の不織布を用い、有機電解液としてエチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)を体積比3:7の比で混合した溶媒に、ヘキサフル
オロリン酸リチウムLiPFを1mol/Lで溶解させたものを用いた。
Furthermore, using these sintered bodies as working electrodes, a counter electrode obtained by pressure-bonding a Li metal foil to a current-collecting metal plate was opposed to each other through a separator to assemble a battery cell. For the separator, a polyethylene non-woven fabric impregnated with an organic electrolyte solution is used, and hexafluorophosphorus is added to a solvent in which ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) are mixed at a volume ratio of 3: 7 as the organic electrolyte solution. lithium acid LiPF 6 was used dissolved in 1 mol / L.

また、試料No.10の作用極を以下のようにして作製した。原料として試料No.9の仮焼したチタン酸リチウム原料を1100℃で焼成した後急冷し、粉砕処理した粉末と
、バインダとしてポリフッ化ビニリデンを10質量%と、導電材としてカーボンブラックを5質量%とを用い、これらを混合して、分散剤を加えてスラリーを作製した。次に得られたスラリーをアルミニウム箔上に塗布しプレス処理した後、直径15mmに打ち抜き電極とした。この電極の活物質充填率は55%であった。
Sample No. Ten working electrodes were produced as follows. Sample No. as a raw material. 9 calcined lithium titanate raw material was fired at 1100 ° C. and then rapidly cooled, pulverized powder, 10% by mass of polyvinylidene fluoride as a binder, and 5% by mass of carbon black as a conductive material. And a dispersant was added to prepare a slurry. Next, the obtained slurry was applied onto an aluminum foil and pressed, and then punched to a diameter of 15 mm to form an electrode. The active material filling rate of this electrode was 55%.

以上のようにして作製した電池セルについて、定電流充放電方式にて10時間率に相当する電流値にて充放電試験を行った。   The battery cell produced as described above was subjected to a charge / discharge test at a current value corresponding to a 10 hour rate by a constant current charge / discharge method.

充放電レート:0.1C
充電終止電圧:2.5V
放電終止電圧:1.0V
測定温度 :30℃
サイクル :放電−充電1回を1サイクルとし、3サイクル繰り返し
なお、充放電レート0.1Cとは、10時間で電池容量の全てを放電または充電しきる電流値である。
Charge / discharge rate: 0.1C
End-of- charge voltage: 2.5V
End-of- discharge voltage: 1.0V
Measurement temperature: 30 ° C
Cycle: One discharge-charge is defined as one cycle, and three cycles are repeated. The charge / discharge rate of 0.1 C is a current value at which the entire battery capacity is discharged or charged in 10 hours.

充放電試験の結果を表1に示す。なお、放電容量、3サイクル容量維持率は以下のようにして算出した。   The results of the charge / discharge test are shown in Table 1. The discharge capacity and the 3-cycle capacity maintenance rate were calculated as follows.

放電容量1 :放電時間×電流値/負極重量
放電容量2 :放電時間×電流値/負極体積
容量維持率 :サイクル試験後の放電容量/初期の放電容量
Discharge capacity 1: Discharge time x current value / negative electrode weight Discharge capacity 2: Discharge time x current value / negative electrode volume Capacity retention ratio: Discharge capacity after cycle test / initial discharge capacity

Figure 0005780834
Figure 0005780834

表1に示すように、試料No.1〜7では、XRD測定によりラムスデライト型チタン酸リチウムの構造が維持されていることが確認された。また、ICP測定では、調合時に用いた元素と同じ元素が検出され、不純物の検出は確認されなかった。特に試料No.1、3〜7では90%以上の相対密度を有する緻密な電極が得られた。放電容量は、試料No.1〜5において高い値を示した。さらに、試料No.1〜7すべてが優れたサイクル特性を示し、特に実施例1、2、5、6は、3サイクルでほとんど劣化がなかった。   As shown in Table 1, sample no. 1 to 7, it was confirmed by XRD measurement that the structure of the ramsdellite-type lithium titanate was maintained. Further, in the ICP measurement, the same element as that used at the time of preparation was detected, and the detection of impurities was not confirmed. In particular, sample no. In Examples 1 and 3 to 7, dense electrodes having a relative density of 90% or more were obtained. The discharge capacity was measured according to Sample No. 1-5 showed a high value. Furthermore, sample no. All of 1 to 7 showed excellent cycle characteristics, and Examples 1, 2, 5, and 6 showed almost no deterioration in 3 cycles.

一方、何も固溶させないチタン酸リチウムを用いた試料No.8は、冷却速度500℃/時間で炉冷したことによりサンプルが破壊した。これは冷却時の相転移に伴う体積膨張によるものであり、XRD測定においても異相の生成が確認された。また、何も固溶させ
ないチタン酸リチウムを焼成後に急冷した試料No.9では、ラムスデライト構造を有し相対密度89%の焼結体が得られたが、サイクル特性に劣るものであった。さらに、チタン酸リチウム粉末を加圧成形しただけの試料No.10では、負極にバインダや導電剤が多く含まれるため、負極の単位体積あたりの放電容量が低いものとなった。
On the other hand, sample no. In No. 8, the sample was destroyed by furnace cooling at a cooling rate of 500 ° C./hour. This is due to the volume expansion accompanying the phase transition during cooling, and the generation of a heterogeneous phase was also confirmed in the XRD measurement. In addition, sample No. 1 was obtained by quenching lithium titanate that was not solid-solved at all after firing. In No. 9, a sintered body having a ramsdellite structure and a relative density of 89% was obtained, but the cycle characteristics were inferior. In addition, sample No. 1 was simply formed by pressure-molding lithium titanate powder. In No. 10, since the negative electrode contains a large amount of binder and conductive agent, the discharge capacity per unit volume of the negative electrode was low.

1:正極缶、2:正極集電体、3:正極、4:電解質、5:負極缶、6:負極集電体、7:負極、8:絶縁パッキング   1: positive electrode can, 2: positive electrode current collector, 3: positive electrode, 4: electrolyte, 5: negative electrode can, 6: negative electrode current collector, 7: negative electrode, 8: insulating packing

Claims (3)

正極と負極との間に電解質を有するリチウム二次電池であって、前記負極が、Nb、Ta、AlおよびFeからなる元素群より選ばれる少なくとも一種の元素が固溶しているラムスデライト型の結晶構造を有するチタン酸リチウムからなるチタン酸リチウム焼結体であり、
前記元素群より選ばれる少なくとも一種の元素が前記チタン酸リチウムを構成するTi元素と置換しているとした場合の置換量が、1〜20モル%の範囲であることを特徴とするリチウム二次電池。
A lithium secondary battery having an electrolyte between a positive electrode and a negative electrode, wherein the negative electrode is a ramsdellite type in which at least one element selected from the element group consisting of Nb, Ta, Al and Fe is dissolved. It is a lithium titanate sintered body made of lithium titanate having a crystal structure,
Lithium secondary, wherein the substitution amount is in the range of 1 to 20 mol% when at least one element selected from the element group is substituted with Ti element constituting the lithium titanate battery.
前記チタン酸リチウム焼結体の相対密度が、90%以上であることを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池。   The lithium secondary battery according to claim 1, wherein a relative density of the lithium titanate sintered body is 90% or more. bおよびTaのうち少なくとも一種の元素が、前記チタン酸リチウムに固溶していることを特徴とする請求項1または2に記載のリチウム二次電池。 At least one element is a lithium secondary battery according to claim 1 or 2, characterized in that a solid solution in the lithium titanate of the N b and Ta.
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JP6067902B2 (en) * 2015-03-13 2017-01-25 株式会社東芝 Active materials, non-aqueous electrolyte batteries, battery packs, assembled batteries, and automobiles
WO2018139657A1 (en) * 2017-01-30 2018-08-02 セントラル硝子株式会社 Electrode laminate and all solid lithium cell
JP6901632B2 (en) * 2018-05-17 2021-07-14 日本碍子株式会社 Coin-type lithium secondary battery and IoT device

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000164217A (en) * 1998-11-27 2000-06-16 Kyocera Corp Lithium battery
KR101096856B1 (en) * 2003-05-09 2011-12-22 유니베르시떼 몽펠리에 Ⅱ Negative electrode for lithium batteries
CN101495666B (en) * 2006-07-27 2012-09-26 Jx日矿日石金属株式会社 Lithium-containing transition metal oxide target, process for producing the same and lithium ion thin-film secondary battery
JP4602306B2 (en) * 2006-09-29 2010-12-22 株式会社東芝 Anode active material for non-aqueous electrolyte battery, non-aqueous electrolyte battery, battery pack and automobile
JP5095179B2 (en) * 2006-11-10 2012-12-12 株式会社東芝 Nonaqueous electrolyte battery, lithium titanium composite oxide and battery pack

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