JP5909131B2 - リチウム二次電池用活物質、それを用いたリチウム二次電池用電極及びリチウム二次電池 - Google Patents
リチウム二次電池用活物質、それを用いたリチウム二次電池用電極及びリチウム二次電池 Download PDFInfo
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Description
ここで、平均組成式とは、あるリチウムイオンを挿入脱離可能な化合物粒子に含まれる物質の平均組成式を表すものである。
本発明におけるリチウム二次電池用活物質は、平均組成式Li2NiSi1−xTixO4(0<x<1)で表されるリチウムイオンを可逆的に挿入・脱離可能な新規の化合物を含有するものである。上記平均組成式で表される化合物は、4V(vs.Li/Li+)付近の高いリチウムイオン挿入脱離電位と、大きな理論容量(約290mAh/g)を有することから、この化合物を含有する本発明のリチウム二次電池用活物質は高いエネルギー密度を実現することができる。
リチウム二次電池用活物質に、シリコンの酸化物及び/又はチタンの酸化物が含まれることにより、放電容量を向上させることが可能となる。
この様な組成にすることで、より放電容量の大きなリチウム二次電池用活物質とすることができる。
上記のように、シリコンの酸化物及び/又はチタンの酸化物が含まれることにより、Li2NiTiO4化合物の放電容量を向上させることが可能となる。
さらに、本発明に係るリチウム二次電池用活物質には、シリコンの酸化物及び/又はチタンの酸化物が含まれている。このシリコンの酸化物及び/又はチタンの酸化物が合成反応中に生成し、共存することで上記平均組成式で表される化合物の過度の粒子成長を抑制するため、リチウム二次電池用活物質の放電性能を向上させているものと考えられる。また、他にもシリコンの酸化物及び/又はチタンの酸化物には、その誘電性によってLiの脱溶媒和がしやすくなる、あるいは、Liの挿入脱離反応が可能な比表面積が増大するといった理由による、放電性能への寄与が推測される。
焼成温度は、目的とする化合物が生成する温度以上であることが求められるが、温度が高すぎると化合物粒子の成長が過度に進行して、放電性能が低下する虞があることから500℃以上800℃未満とすることが好ましい。放電性能の観点から、600℃〜700℃がより好ましい。焼成時間は、目的とする化合物のリチウムイオンの挿入・脱離が可能となる程度に粒子成長する以上の時間であることが求められるが、長すぎると放電性能が低下する虞があることから10〜20時間が好ましい。より好ましくは13〜15時間である。
この様な合成方法とすることにより、各元素が均一に分布したリチウム二次電池用活物質を得ることができるため好ましい。
硝酸リチウム(LiNO3)(和光純薬工業社製)0.06mol、硝酸ニッケル六水和物(Ni(NO3)2・6H2O)(和光純薬工業社製)0.03mol及びチタニウムブトキシド(Ti[O(CH2)3CH3]4)(ALDRICH社製)0.018molを量り取り、これらを200mlビーカーに予め準備した200mlのイオン交換水に溶解させ、その後、テトラエトキシシラン(Si(OC2H5)4)(信越化学工業社製)0.012mol及びクエン酸(和光純薬工業社製)0.05molを量り取り、この順番に先程の溶液に加え、溶解・分散させることで前駆体溶液を調製した。この前駆体溶液をホットプレートスターラー(コーニング社製 型番:PC−420D)上で70℃に保ちながら30分間攪拌した後、引き続き110℃まで昇温して水を十分に蒸発除去することで前駆体を得た。得られた前駆体をアルミナ製の坩堝(容積500cm3)に移し、仮焼成を行った。仮焼成温度は300℃とし、加熱時間は3時間とした。仮焼成後の前駆体をメノウ乳鉢で15分間、粉砕・混合を行ったものを再びアルミナ製の坩堝に戻し、本焼成を行った。本焼成温度は600℃とし、加熱時間は14時間とした。なお、仮焼成及び本焼成には、いずれも焼成装置(株式会社デンケン社製卓上マッフル炉 型番:KDF P−90)を使用し、昇温速度は200℃/h、降温速度は200℃/h、焼成装置内の雰囲気は大気雰囲気とした。得られた合成物をメノウ乳鉢で15分間、粉砕することで実施例1に係るリチウム二次電池用活物質を作製した。
前駆体溶液の調製工程において、硝酸リチウム(LiNO3)0.06mol、硝酸ニッケル六水和物(Ni(NO3)2・6H2O)0.03mol及びチタニウムブトキシド(Ti[O(CH2)3CH3]4)0.021molを量り取り、これらを200mlのイオン交換水に溶解させ、その後、テトラエトキシシラン(Si(OC2H5)4)0.009mol及びクエン酸0.05molを量り取り、順番に先程の溶液に加え、溶解・分散させることで前駆体溶液を調製することを除いては、実施例1と同様にして実施例2に係るリチウム二次電池用活物質を作製した。
前駆体溶液の調製工程において、硝酸リチウム(LiNO3)0.06mol、硝酸ニッケル六水和物(Ni(NO3)2・6H2O)0.03mol及びチタニウムブトキシド(Ti[O(CH2)3CH3]4)0.024molを量り取り、これらを200mlのイオン交換水に溶解させ、その後、テトラエトキシシラン(Si(OC2H5)4)0.006mol及びクエン酸0.05molを量り取り、順番に先程の溶液に加え、溶解・分散させることで前駆体溶液を調製することを除いては、実施例1と同様にして実施例3に係るリチウム二次電池用活物質を作製した。
前駆体溶液の調製工程において、硝酸リチウム(LiNO3)0.06mol、硝酸ニッケル六水和物(Ni(NO3)2・6H2O)0.03mol及びチタニウムブトキシド(Ti[O(CH2)3CH3]4)0.027molを量り取り、これらを200mlのイオン交換水に溶解させ、その後、テトラエトキシシラン(Si(OC2H5)4)0.003mol及びクエン酸0.05molを量り取り、順番に先程の溶液に加え、溶解・分散させることで前駆体溶液を調製することを除いては、実施例1と同様にして実施例4に係るリチウム二次電池用活物質を作製した。
前駆体溶液の調製工程において、硝酸リチウム(LiNO3)を0.06mol、硝酸ニッケル六水和物(Ni(NO3)2・6H2O)を0.03mol、及び、テトラn−ブチルチタネート(ALDRICH社製)を0.03molを量り取り、これらを200mlのイオン交換水に溶解・分散させ、その後、クエン酸0.05molとテトラエトキシシラン0.003molを量り取り、これらを先程の分散溶液に加えて溶解・分散させることで前駆体溶液を調製することを除いては、実施例1と同様にして実施例5に係るリチウム二次電池用活物質を作製した。
実施例1〜5に係るリチウム二次電池用活物質、導電助剤であるアセチレンブラック(電気化学工業株式会社製)及び結着剤であるポリフッ化ビニリデン(PVdF)(株式会社クレハ製 KFポリマー#7305)を(70:25:5)の質量比(固形分換算)で含有し、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)を溶剤とする正極合材ペーストを調製した。なお、PVdFについては、固形分が溶解分散された液を用いた。この正極ペーストの固形分濃度は22.5質量%であった。該正極ペーストを厚さ10μmのアルミニウム箔集電体に塗布し、80℃でNMPを乾燥除去した後、プレスを行うことで厚み100μm(集電体込み)の正極板を作製した。正極合剤塗布質量は1.8mg/cm2である。この正極板を直径15mmに打ち抜いたものを正極として使用した。
直径15mm、厚み210μmのニッケル製メッシュ集電体の片面に、厚さ150μmのリチウム金属箔(本城金属株式会社製)を貼り合わせてプレス加工したものを負極とした。
エチレンカーボネートとジメチルカーボネートを体積比1:1の割合で混合した混合溶媒に、含フッ素系電解質塩であるLiPF6を1.0mol/lの濃度で溶解させ、非水電解質を作製した。該非水電解質中の水分量は50ppm未満とした。
ステンレス鋼製のコインセル(CR2032)の正極側ケースの周縁にポリプロピレン製ガスケットを配置し、ガスケットの内側に前記正極、直径19mmのポリプロピレン製微多孔膜(セルガード社製)、前記負極、前記負極と同じ大きさで、厚み500μmのステンレス鋼製スペーサーを順に配置し、前記非水電解質を適量含浸させた後、負極ケースを被せて専用の治具でかしめることにより、実施例1〜5に係るリチウム二次電池を作製した。
上記のようにして作製した非水電解質二次電池を温度25℃において、1サイクルの充放電を行う充放電工程に供した。充電条件は、電流8mA/g(正極合剤中の活物質質量当たりの電流値)、終止電圧4.7V、の定電流充電とし、放電条件は、電流8mA/g(正極合剤中の活物質質量当たりの電流値)、終止電圧2.0Vの定電流放電とした。得られた放電容量の結果を表1に示す。また、このときの実施例4に係るリチウム二次電池の充放電曲線を図1に示す。
Claims (4)
- 平均組成式Li2NiSi1−xTixO4(0<x<1)で表されるリチウムイオンを挿入脱離可能な化合物を含有することを特徴とするリチウム二次電池用活物質。
- 平均組成式Li2NiSi1−xTixO4(0.8≦x≦0.9)で表されるリチウムイオンを挿入脱離可能な化合物からな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用活物質。
- 平均組成式Li 2 NiSi 1−x Ti x O 4 (0<x≦1)で表されるリチウムイオンを挿入脱離可能な化合物と、シリコンの酸化物又はシリコンとチタンの酸化物を含有することを特徴とするリチウム二次電池用活物質。
- 請求項1〜3のいずれかに記載のリチウム二次電池用活物質を含有するリチウム二次電池用電極と、対極と、電解質とを備えた二次電池。
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