JP6102615B2 - Negative electrode active material and secondary battery using the same - Google Patents
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Description
本発明は負極活物質及びそれを用いた二次電池に関する。 The present invention relates to a negative electrode active material and a secondary battery using the same.
携帯機器等の高性能化及び消費電力の増大、船舶や鉄道等の電力源、電気自動車やハイブリッド自動車の開発及び普及、さらにはスマートグリッド用途等、蓄電需要の増加により、二次電池のいっそうの高性能化が求められている。このような二次電池としては、例えば、リチウム二次電池が挙げられる。 Increased power storage demand, such as higher performance of portable devices and increased power consumption, power sources for ships and railways, development and diffusion of electric vehicles and hybrid vehicles, and smart grid applications, etc. High performance is required. An example of such a secondary battery is a lithium secondary battery.
リチウム二次電池は、例えば、電極活物質としてリチウム遷移金属酸化物(例えばLiCoO2)を用いた正極と、電極活物質として炭素材料等を用いた負極と、リチウム塩を支持塩としてこれを有機溶媒に溶解した非水電解液と、を備えている。このようなリチウム二次電池においては、充電時には正極から脱離したリチウムイオンが負極に吸蔵され、逆に放電時には負極から脱離したリチウムイオンが正極に吸蔵される。つまり、リチウム二次電池は、リチウムイオンをキャリアとするロッキングチェア型の二次電池である。 Lithium secondary batteries include, for example, a positive electrode using a lithium transition metal oxide (for example, LiCoO 2 ) as an electrode active material, a negative electrode using a carbon material or the like as an electrode active material, and organically using a lithium salt as a supporting salt. And a non-aqueous electrolyte solution dissolved in a solvent. In such a lithium secondary battery, lithium ions desorbed from the positive electrode are stored in the negative electrode during charging, and conversely, lithium ions desorbed from the negative electrode are stored in the positive electrode during discharging. That is, the lithium secondary battery is a rocking chair type secondary battery using lithium ions as a carrier.
負極に用いられる電極活物質(即ち負極活物質)としては、炭素材料としての黒鉛が知られている。ただ、負極活物質として黒鉛が用いられる場合、黒鉛にリチウムイオンが吸蔵される際の電圧は、金属リチウムに対して0.09V〜0.2V付近である。そのため、このような電圧の低さによって非水電解液の分解が進行して、リチウム二次電池のサイクル特性が低下することがある。 As an electrode active material (that is, a negative electrode active material) used for the negative electrode, graphite as a carbon material is known. However, when graphite is used as the negative electrode active material, the voltage when lithium ions are occluded in the graphite is about 0.09 V to 0.2 V with respect to metallic lithium. Therefore, decomposition of the non-aqueous electrolyte proceeds due to such a low voltage, and the cycle characteristics of the lithium secondary battery may be deteriorated.
このような課題を解決するために、チタン酸リチウムを用いた負極が知られている。具体的には、特許文献1には、外装材と、外装材内に収納された正極と、外装材内に収納され、正極と空間的に離間し、結晶子径が690Å以下であり、X線回折法によるスピネル型チタン酸リチウムのメインピーク強度を100としたとき、ルチル型TiO2、アナターゼ型TiO2及びLi2TiO3のメインピーク強度がいずれも7以下であるリチウムチタン複合酸化物を含む負極と、外装材内に充填された非水電解質と、を具備する非水電解質電池が記載されている。
In order to solve such a problem, a negative electrode using lithium titanate is known. Specifically,
しかしながら、特許文献1に記載のチタン酸リチウムは、負極として用いた場合、負極の電圧が高くなる傾向にある。そのため、正極と負極との間での電位差が小さくなり、二次電池のエネルギ密度が低下し易い。さらには、エネルギ密度の低下に伴って、サイクル特性も低下し易い。
However, when the lithium titanate described in
本発明が解決しようとする課題は、良好なエネルギ密度とサイクル特性とを有する二次電池を構成可能な負極活物質及びそれを用いた二次電池を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a negative electrode active material capable of constituting a secondary battery having good energy density and cycle characteristics, and a secondary battery using the same.
本発明は、バナジウムと、リンと、を含む酸化物のガラスを含み、当該ガラスのガラス転移点が340℃以上であることを特徴とする、負極活物質及びそれを用いた二次電池である。 The present invention comprises a vanadium, saw including a glass including oxides and Li down, and wherein the glass transition point of the glass is 340 ° C. or higher, using the negative electrode active material and it two Next battery.
本発明によれば、良好なエネルギ密度とサイクル特性とを有する二次電池を構成可能な負極活物質及びそれを用いた二次電池を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the negative electrode active material which can comprise the secondary battery which has a favorable energy density and cycling characteristics, and a secondary battery using the same can be provided.
以下、本発明を実施するための形態(本実施形態)を説明する。 Hereinafter, a form (this embodiment) for carrying out the present invention will be described.
[1.負極活物質]
〔物性〕
本実施形態の負極活物質は、バナジウム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル及び銅からなる群より選ばれる少なくとも1種の遷移金属元素と、リン、バリウム、ゲルマニウム、鉛及びケイ素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、を含んでなる酸化物であり、前記遷移金属元素の非晶質相を含むものである。非晶質とは結晶よりも秩序性の低い構造で熱力学的に非平衡な純安定状態のものをいう。以下、単に「遷移金属元素」という場合には、「バナジウム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル及び銅からなる群より選ばれる少なくとも1種の遷移金属元素」を表すものとする。また、「リン、バリウム、ゲルマニウム、鉛及びケイ素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素」のことを、説明の便宜上、適宜「付加元素」という。
[1. Negative electrode active material]
[Physical properties]
The negative electrode active material of this embodiment is selected from the group consisting of at least one transition metal element selected from the group consisting of vanadium, manganese, iron, cobalt, nickel and copper, and phosphorus, barium, germanium, lead and silicon. An oxide containing at least one element, and containing an amorphous phase of the transition metal element. Amorphous means a purely stable state that is less ordered than a crystal and is thermodynamically non-equilibrium. Hereinafter, the term “transition metal element” simply means “at least one transition metal element selected from the group consisting of vanadium, manganese, iron, cobalt, nickel, and copper”. Further, “at least one element selected from the group consisting of phosphorus, barium, germanium, lead, and silicon” is appropriately referred to as “additional element” for convenience of explanation.
バナジウム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル及び銅(遷移金属元素)は、リチウムイオンが負極活物質に挿入(吸蔵)されたときに、電荷補償をするものである。これらのうち、バナジウムが好ましい。バナジウムは5価の金属であるため、リチウムイオンの挿入に伴う電荷補償可能な量が多くなり、エネルギ密度をより向上させることができるからである。また、バナジウムは、詳細は後記する付加元素によって、より非晶質化され易いためである。さらには、詳細は後記する非晶質相としてのバナジウムガラスが含まれていると、バナジウムガラスはホッピング伝導による電子伝導性を示すため、負極活物質としての機能をより効果的に発揮できる。
なお、負極活物質に含まれる遷移金属元素は1種であってもよく、2種以上が任意の比率及び組み合わせで含まれていてもよい。
Vanadium, manganese, iron, cobalt, nickel, and copper (transition metal element) perform charge compensation when lithium ions are inserted (occluded) into the negative electrode active material. Of these, vanadium is preferred. This is because since vanadium is a pentavalent metal, the amount of charge compensation that accompanies insertion of lithium ions increases, and the energy density can be further improved. In addition, vanadium is more easily amorphized by an additional element described later in detail. Further, when vanadium glass as an amorphous phase, which will be described later in detail, is contained, vanadium glass exhibits electronic conductivity by hopping conduction, and thus can function more effectively as a negative electrode active material.
In addition, the transition metal element contained in a negative electrode active material may be 1 type, and 2 or more types may be contained by arbitrary ratios and combinations.
また、リン、バリウム、ゲルマニウム、鉛及びケイ素(付加元素)は、上記の遷移金属元素を非晶質化させるものである。これらのうち、遷移金属元素をより非晶質化させ易いという観点から、リンが好ましい。また、リンは、遷移金属元素を非晶質化する際に、ガラス転移点を上昇させる効果が特に大きい。従って、リンを含有させることでガラス転移点をより上昇させ、負極活物質を用いた負極の電圧をより低下させることができる。ちなみに、リンを含有させると、リンは、通常、後記する非晶質相に含まれることになる。
なお、負極活物質に含まれる付加元素は1種であってもよく、2種以上が任意の比率及び組み合わせで含まれていてもよい。
Phosphorus, barium, germanium, lead, and silicon (additive elements) are those that make the transition metal element amorphous. Of these, phosphorus is preferable from the viewpoint of making the transition metal element more amorphous. Phosphorus has a particularly large effect of raising the glass transition point when the transition metal element is made amorphous. Therefore, the glass transition point can be further increased by containing phosphorus, and the voltage of the negative electrode using the negative electrode active material can be further decreased. Incidentally, when phosphorus is contained, phosphorus is usually contained in an amorphous phase described later.
In addition, the additional element contained in a negative electrode active material may be 1 type, and 2 or more types may be contained by arbitrary ratios and combinations.
また、本実施形態の負極活物質は、遷移金属元素と付加元素とを含む酸化物である。そして、この酸化物(負極活物質)において遷移金属元素が非晶質化され、非晶質相として遷移金属元素が含まれている。負極活物質が遷移金属元素の非晶質相を含むことにより、リチウムイオンが挿入されたときの酸化還元電位を十分に低下させることができる。これにより、負極活物質としての特性を十分に引き出すことができる。また、非晶質相を含むことにより、リチウムイオンが挿入されたときの負極活物質の体積膨張を抑制することができる。これにより、負極性能の低下を抑制することができる。さらに、非晶質相を含むことにより、リチウムイオンが吸蔵される際の電圧が、従来用いられていた負極活物質としての黒鉛等よりも高くすることができ、良好なサイクル特性を達成することができる。 Moreover, the negative electrode active material of this embodiment is an oxide containing a transition metal element and an additional element. In this oxide (negative electrode active material), the transition metal element is made amorphous, and the transition metal element is contained as an amorphous phase. When the negative electrode active material includes an amorphous phase of a transition metal element, the oxidation-reduction potential when lithium ions are inserted can be sufficiently reduced. Thereby, the characteristic as a negative electrode active material can fully be drawn out. In addition, by including an amorphous phase, volume expansion of the negative electrode active material when lithium ions are inserted can be suppressed. Thereby, the fall of negative electrode performance can be suppressed. Furthermore, by including an amorphous phase, the voltage at the time of occlusion of lithium ions can be made higher than that of graphite or the like as a negative electrode active material that has been conventionally used, thereby achieving good cycle characteristics. Can do.
非晶質相は、ガラス転移点を有するガラスであることが好ましい。非晶質相がガラスであることにより、非晶質相の物性を制御し易くなるという利点がある。詳細は後記するが、本実施形態の二次電池に用いられる負極活物質は、例えばガラス転移点を調整することで負極の電圧を良好に低下させ、良好なエネルギ密度を達成できる。 The amorphous phase is preferably a glass having a glass transition point. Since the amorphous phase is glass, there is an advantage that the physical properties of the amorphous phase can be easily controlled. Although details will be described later, the negative electrode active material used in the secondary battery of this embodiment can satisfactorily reduce the voltage of the negative electrode by adjusting the glass transition point, for example, and can achieve a good energy density.
また、負極活物質に含まれる非晶質相の含有量は、負極活物質の全体に対して、90体積%以上であることが好ましい。この理由を以下に説明する。 Moreover, it is preferable that content of the amorphous phase contained in a negative electrode active material is 90 volume% or more with respect to the whole negative electrode active material. The reason for this will be described below.
従来、バナジウム等の遷移金属元素は正極活物質に含まれることが多かった。これは、遷移金属元素を含む正極活物質にリチウムイオンが挿入されたり、正極活物質からリチウムイオンが脱離(放出)されたりするときの電圧(充放電電圧)が高いからである。これにより、正極と負極との間の電位差を大きくすることができ、良好なエネルギ密度とすることができる。 Conventionally, transition metal elements such as vanadium have often been included in the positive electrode active material. This is because the voltage (charge / discharge voltage) when lithium ions are inserted into the positive electrode active material containing a transition metal element or when lithium ions are desorbed (released) from the positive electrode active material is high. Thereby, the electric potential difference between a positive electrode and a negative electrode can be enlarged, and it can be set as a favorable energy density.
ここで、対極をリチウムとして、遷移金属Ma+(aは価数である)にリチウムイオンが挿入されるときに取り出し可能な電圧は、ボルン・ハーバーサイクルを使って記載すると、下記式(1)のようになる。
前記の式(1)式において、バナジウム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅等の遷移金属を含む結晶では、格子エネルギ変化(ΔU(Li挿入後化合物)−ΔU(Li挿入前化合物))が大きく、遷移金属のイオン化ポテンシャルIM a+も大きいため、電圧Eが高くなる。そのため、前記のように、これらの金属を含む活物質は、正極活物質として用いられることが多い。 In the above formula (1), in a crystal containing a transition metal such as vanadium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, etc., the lattice energy change (ΔU (compound after Li insertion) −ΔU (compound before Li insertion)) Since the ionization potential I M a + of the transition metal is large and the voltage E is high. Therefore, as described above, an active material containing these metals is often used as a positive electrode active material.
しかし、これらの遷移金属(本実施形態における「遷移金属元素」)が非晶質相(好適にはガラス)に変化したとき、前記の格子エネルギ変化及びイオン化ポテンシャルが小さくなることを見出した。この理由として、格子エネルギは、原子の凝集エネルギと考えることができる。そのため、非晶質化させることで凝集エネルギを小さくすることができ、格子エネルギも小さくすることができると考えられるためである。イオン化ポテンシャルも同様であり、非晶質化させることにより、非晶質の遷移金属元素はイオンになり易く、イオン化ポテンシャルを小さくすることができると考えられる。 However, it has been found that when these transition metals (“transition metal element” in the present embodiment) are changed to an amorphous phase (preferably glass), the lattice energy change and the ionization potential are reduced. For this reason, the lattice energy can be considered as the cohesive energy of atoms. Therefore, it is considered that the agglomeration energy can be reduced and the lattice energy can be reduced by making the material amorphous. The same applies to the ionization potential, and it is considered that the amorphous transition metal element easily becomes an ion by making it amorphous, and the ionization potential can be reduced.
以上のような理由により、正極活物質として用いられていた遷移金属元素を、非晶質化により、負極活物質として適用することもできる。しかも、前記のように、非晶質化により電圧を十分に低くすることができ、良好なエネルギ密度を得ることができる。 For the reasons described above, the transition metal element used as the positive electrode active material can be applied as the negative electrode active material by amorphization. In addition, as described above, the voltage can be sufficiently lowered by amorphization, and a good energy density can be obtained.
含まれる非晶質相は、できるだけ多いことが好ましい。ここで、非晶質と結晶とが混じった負極活物質の充放電曲線は、これら二つの特性を合わせたものになる。そして、リチウムイオンが負極活物質に挿入される場合には、電圧の高い結晶の部分から先に反応するため、できるだけこの結晶量を少なくすることが好ましい。具体的には、この結晶量が10体積%以下とすることが好ましく、換言すれば、非晶質相の含有量は、前記負極活物質の全体に対して、90体積%以上とすることが好ましい。これにより、正極と負極との間の電位差をより確実に広げることができ、二次電池としてのエネルギ密度をより確実に達成することができる。 The amorphous phase contained is preferably as much as possible. Here, the charge / discharge curve of the negative electrode active material in which amorphous and crystal are mixed is a combination of these two characteristics. Then, when lithium ions are inserted into the negative electrode active material, it is preferable to reduce the amount of crystals as much as possible, since the reaction takes place first from the high-voltage crystal portion. Specifically, the crystal content is preferably 10% by volume or less. In other words, the content of the amorphous phase is 90% by volume or more with respect to the whole of the negative electrode active material. preferable. Thereby, the electric potential difference between a positive electrode and a negative electrode can be expanded more reliably, and the energy density as a secondary battery can be achieved more reliably.
なお、負極活物質に含まれる遷移金属元素が非晶質相になっているか否かの確認は、CuKα線を用いた粉末X線回折測定装置を用いて行うことができる。具体的な測定装置としては、例えば後記する実施例において用いた測定装置が挙げられる。 Whether or not the transition metal element contained in the negative electrode active material is in an amorphous phase can be confirmed using a powder X-ray diffraction measurement apparatus using CuKα rays. As a specific measuring apparatus, for example, the measuring apparatus used in the examples described later can be cited.
負極活物質に含まれる遷移金属元素の含有量は、負極活物質の全体に対して、酸化物換算で60モル%以下であることが好ましく、30モル%以下であることが好ましく、20モル%以下であることがより好ましい。含有量をこの範囲とすることで、遷移金属元素を非晶質化することにより得られる充放電電圧低下効果(即ち負極電圧の低下効果)をいっそう発揮させることができる。 The content of the transition metal element contained in the negative electrode active material is preferably 60 mol% or less, preferably 30 mol% or less, and preferably 20 mol% in terms of oxide with respect to the whole negative electrode active material. The following is more preferable. By setting the content in this range, the charge / discharge voltage lowering effect (that is, the negative electrode voltage lowering effect) obtained by making the transition metal element amorphous can be further exhibited.
また、本実施形態の負極活物質がバナジウムを含み、前記非晶質相がガラスである場合、負極活物質のガラス転移点は340℃以上であることが好ましい。さらには、前記非晶質相がガラスである場合でもガラスではない場合でも、負極活物質の酸素イオンモル体積が13cm3/mol以上であることが好ましい。ここで、「酸素イオンモル体積」とは、酸素1モルが占有する体積のことであり、この値が小さくなるほど、非晶質(好ましくはガラス)としての骨格が緻密であることを示している。ガラス転移点や酸素イオンモル体積をこの範囲に制御することで、負極電圧をより確実に低下させ、負極としての良好な機能をより確実に達成することができる。 Moreover, when the negative electrode active material of this embodiment contains vanadium and the said amorphous phase is glass, it is preferable that the glass transition point of a negative electrode active material is 340 degreeC or more. Furthermore, it is preferable that the oxygen ion molar volume of the negative electrode active material is 13 cm 3 / mol or more regardless of whether the amorphous phase is glass or not. Here, “oxygen ion molar volume” means a volume occupied by 1 mol of oxygen, and the smaller this value, the denser the skeleton as amorphous (preferably glass). By controlling the glass transition point and the oxygen ion molar volume within this range, the negative electrode voltage can be more reliably lowered, and a favorable function as the negative electrode can be more reliably achieved.
本発明者らが検討したところによると、ガラス転移点や酸素イオンモル体積と負極電圧との間には、相関関係があると考えられる。具体的には、酸素イオンモル体積は、前記式(1)のΔU(Li挿入後化合物)と相関関係にあり、ガラス転移点は、前記式(1)のΔU(Li挿入前化合物)と相関関係にあると考えられる。例えば、酸素イオンモル体積が大きくなるとΔU(Li挿入後化合物)は小さくなり、これにより、電圧が低下すると考えられる。一方で、ガラス転移点が高くなるとΔU(Li挿入前化合物)は大きくなり、これにより、電圧が低下すると考えられる。 According to a study by the present inventors, it is considered that there is a correlation between the glass transition point, the oxygen ion molar volume, and the negative electrode voltage. Specifically, the oxygen ion molar volume is correlated with ΔU (compound after Li insertion) in the formula (1), and the glass transition point is correlated with ΔU (compound before Li insertion) in the formula (1). It is thought that there is. For example, when the oxygen ion molar volume is increased, ΔU (compound after Li insertion) is decreased, which is considered to decrease the voltage. On the other hand, if the glass transition point becomes high, ΔU (compound before Li insertion) becomes large, which is considered to decrease the voltage.
そこで、これらのことを考慮し、負極活物質のガラス転移点はできるだけ高いことが好ましく、具体的には前記の範囲となることが好ましい。また、負極活物質の酸素イオンモル体積も同様にできるだけ大きいことが好ましく、具体的には前記の範囲となることが好ましい。 Therefore, in consideration of these points, the glass transition point of the negative electrode active material is preferably as high as possible, and specifically, is preferably in the above range. Similarly, the oxygen ion molar volume of the negative electrode active material is preferably as large as possible, and specifically, is preferably in the above range.
また、負極活物質には、前記の各成分のほかにも、リチウム、ナトリウム及びマグネシウムからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素が含まれることが好ましい。これらの元素は、二次電池においてキャリアとなりうるイオンであり、これらを予め負極活物質に含有させておくことによって、充放電時の不可逆容量を低下させることができる。 The negative electrode active material preferably contains at least one element selected from the group consisting of lithium, sodium and magnesium in addition to the above-described components. These elements are ions that can serve as carriers in the secondary battery, and the irreversible capacity during charge and discharge can be reduced by preliminarily containing them in the negative electrode active material.
さらに、負極活物質には、タングステン及びアンチモンからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素が含まれることが好ましい。これらの元素が含まれることにより、非晶質相としてのガラスの軟化点を上昇させることができ、二次電池の耐久性を向上させることができる。 Furthermore, the negative electrode active material preferably contains at least one element selected from the group consisting of tungsten and antimony. By containing these elements, the softening point of the glass as an amorphous phase can be raised, and the durability of the secondary battery can be improved.
また、負極活物質には、鉄が含まれることも好ましい。鉄が含まれることによりコンバージョン反応が生じ、二次電池の電池容量を大幅に向上させることできる。 The negative electrode active material preferably contains iron. By containing iron, a conversion reaction occurs, and the battery capacity of the secondary battery can be greatly improved.
さらに、負極活物質は、黒鉛等の炭素材料により被覆されてなることが好ましい。これにより、電気伝導性を向上させることができる。また、負極活物質の粒径は、5μm以下とすることが好ましく、3μm以下とすることがより好ましい。これにより、電気抵抗の大きくなりがちな非晶質相の絶対的な含有量を少なくすることができ、電気伝導性を良好なものとすることができる。 Furthermore, the negative electrode active material is preferably coated with a carbon material such as graphite. Thereby, electrical conductivity can be improved. The particle size of the negative electrode active material is preferably 5 μm or less, more preferably 3 μm or less. As a result, the absolute content of the amorphous phase that tends to increase the electrical resistance can be reduced, and the electrical conductivity can be improved.
〔製造方法〕
本実施形態の負極活物質は、任意の方法により製造することができる。以下、本実施形態の負極活物質の製造方法を一例を挙げて説明する。
〔Production method〕
The negative electrode active material of this embodiment can be manufactured by arbitrary methods. Hereinafter, an example of the method for producing the negative electrode active material of the present embodiment will be described.
まず、原料となる、前記の遷移金属元素、及び、前記の付加元素を準備する。これらは単体でも化合物でもよいが、準備の容易さの観点から、酸化物を用いることが好ましい。具体的には、遷移金属元素としてバナジウムを用いる場合には五酸化バナジウムが、付加元素としてリンを用いる場合には五酸化二リン等が使用可能である。 First, the transition metal element and the additional element, which are raw materials, are prepared. These may be simple substances or compounds, but oxides are preferably used from the viewpoint of ease of preparation. Specifically, vanadium pentoxide can be used when vanadium is used as the transition metal element, and diphosphorus pentoxide or the like can be used when phosphorus is used as the additional element.
そして、負極活物質が所望の組成になるようにこれらの使用量を決定し混合後、白金ルツボに入れ、電気炉で加熱する。これにより、所望の組成を有する負極活物質の塊を得ることができる。加熱条件としては特に制限されないが、例えば1分あたり5℃〜10℃程度の昇温速度とし、例えば900℃以上、1100℃以下、好ましくは950℃以下まで昇温させた後、電気炉中で数時間(例えば2時間程度)保持することができる。電気炉中での保持中は、均一に非晶質相が含まれるように、攪拌することが好ましい。 And the usage-amount of these is determined so that a negative electrode active material may become a desired composition, and after mixing, it puts into a platinum crucible and heats with an electric furnace. Thereby, the lump of the negative electrode active material which has a desired composition can be obtained. Although it does not restrict | limit especially as heating conditions, For example, it is set as the temperature increase rate of about 5 degreeC-10 degreeC per minute, for example, after raising temperature to 900 degreeC or more and 1100 degrees C or less, Preferably it is 950 degrees C or less, It can be held for several hours (for example, about 2 hours). During holding in the electric furnace, stirring is preferably performed so that the amorphous phase is uniformly contained.
加熱後に白金ルツボを電気炉から取り出すとき、非晶質相への水分吸着を防止するために、予め100℃〜150℃程度に加熱しておいた黒鉛鋳型やステンレス板上に流し込み、その状態で冷却することが好ましい。そして、冷却して固化した後、所望の粒径になるように粉砕すればよい。粉砕の程度としては、例えば前記の粒径になるまで粉砕することができる。粉砕手段としては、例えばスタンプミルやジェットミルを用いることができる。 When the platinum crucible is removed from the electric furnace after heating, in order to prevent moisture adsorption to the amorphous phase, it is poured onto a graphite mold or stainless steel plate heated to about 100 ° C. to 150 ° C. in that state. It is preferable to cool. And after cooling and solidifying, it may be pulverized to a desired particle size. As the degree of pulverization, for example, pulverization can be performed until the particle diameter is as described above. For example, a stamp mill or a jet mill can be used as the pulverizing means.
また、その後に、ボールミル等を用いて、炭素材料を負極活物質の表面に被覆することが好ましい。これにより、負極活物質の電気伝導性を向上させることができる。 After that, it is preferable to coat the surface of the negative electrode active material with a carbon material using a ball mill or the like. Thereby, the electrical conductivity of a negative electrode active material can be improved.
以上の方法により、本実施形態の負極活物質が得られる。 The negative electrode active material of this embodiment is obtained by the above method.
[2.二次電池]
次に、本実施形態の負極活物質を含む負極を備える二次電池(以下、「本実施形態の二次電池」という)について説明する。二次電池としては種々の構造や種類が考えられるが、以下の説明においては、一例として、筒状のリチウム二次電池を例に、本実施形態の二次電池を説明する。なお、以下の説明はあくまで一例であり、本実施形態の負極活物質を含む負極を備える二次電池は、以下の内容及び図示の例に限定されるものではない。
[2. Secondary battery]
Next, a secondary battery including a negative electrode including the negative electrode active material of the present embodiment (hereinafter referred to as “secondary battery of the present embodiment”) will be described. Although various structures and types are conceivable as the secondary battery, in the following description, the secondary battery of this embodiment will be described by taking a cylindrical lithium secondary battery as an example. In addition, the following description is an example to the last, and a secondary battery provided with the negative electrode containing the negative electrode active material of this embodiment is not limited to the following content and the example of illustration.
図1は、本実施形態の二次電池(リチウム二次電池)100の模式図である。図1中、図示の簡略化のために、一部部材を省略して図示している。リチウム二次電池は、非水電解液中のリチウムイオンが電気伝導を担い、電極に対するリチウムイオンの吸蔵及び放出により、電気エネルギの貯蔵及び利用を可能とする電気化学デバイスである。 FIG. 1 is a schematic diagram of a secondary battery (lithium secondary battery) 100 of the present embodiment. In FIG. 1, some members are omitted for simplification of illustration. A lithium secondary battery is an electrochemical device in which lithium ions in a non-aqueous electrolyte are responsible for electrical conduction, and electrical energy can be stored and used by occlusion and release of lithium ions to and from electrodes.
二次電池100は、正極外部端子10dと、負極外部端子20dとを備え、これらの端子を通じて蓄電及び放電が行われるようになっている。正極外部端子10dには、正極リード線10cを介して、電池容器40内に収容されたシート状の正極板10a,10b(10)が接続されている。また、負極外部端子20dには、負極リード線20cを介して、電池容器40内に収容されたシート状の負極板20a,20b(20)が接続されている。正極板10a,10b(10)と負極板20a,20b(20)とは、セパレータ30を介して交互に積層されている。セパレータ30は、正極板10aと電池容器40との間、及び、負極板20bと電池容器40との間にも設けられ、電池容器40を解した短絡が防止されるようになっている。
The
正極外部端子10dと電池蓋60との間、及び、負極外部端子20dと電池蓋60との間には、絶縁性シール部材70が設けられている。これにより、正極外部端子10dと負極外部端子20dとの短絡が防止されるようになっている。
An insulating
そして、正極板10a,10b(10)、負極板20a,20b(20)及びセパレータ30(以下、これらをまとめて「電極群」という)等を収容する電池容器40は、注液口50を備える電池蓋60により密閉状態に維持されている。即ち、電池容器40に電極群を収納した後に、電池蓋60を電池容器40に被せ、電池蓋60の外周を溶接やかしめ、接着等することで、電池蓋60が電池容器40に固定される。その後、電池蓋60に備えられている注液口50を通じて内部に非水電解液(後記する)を注入後、注液口50を封止することで、電池容器40内が密閉状態に維持されるようになっている。注入された電解液は、電極群の表面及び細孔内部に保持されるようになっている。
The
また、図示はしていないが、正極リード線10cの途中や負極リード線20cの途中には、正温度係数(PTC;Positive temperature coefficient)抵抗素子を利用した電流遮断機構が設けられている。これにより、二次電池100の内部温度が高くなったときに充放電を停止させて、二次電池100を保護することができるようになっている。
Although not shown, a current interruption mechanism using a positive temperature coefficient (PTC) resistance element is provided in the middle of the
正極板10a,10b(10)は、例えば、正極活物質、導電剤、結着剤、溶媒等を含む正極合剤を、例えば、銅、ニッケル、アルミニウム等の薄膜又はメッシュからなる集電体の両面に付与して作製することができる。正極活物質としては、例えば、LiCoO2、LiFePO4、Li3V2(PO4)3等が挙げられる。導電剤としては、例えば、炭素材料等が挙げられる。結着剤としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン、フッ素ゴム等が挙げられる。溶媒としては、例えば、N−メチル−2−ピロリドン等の有機溶媒が挙げられる。
The
負極板20a,20b(20)は、本実施形態の負極活物質のほか、例えば、結着剤、溶媒等を含む負極合剤を、銅箔又はアルミニウム箔又はメッシュからなる集電体の両面に付与し、これを乾燥、プレスして作製することができる。結着剤や溶媒としては、正極板10a,10b(10)の作製に用いたものと同様のものが適用可能である。
In addition to the negative electrode active material of this embodiment, the
セパレータ30としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンを原料とする微多孔膜や不織布等を用いることができる。
As the
絶縁性シール部材70としては、非水電解液と反応せず、気密性に優れたものが挙げられる。具体的には例えば、フッ素樹脂、熱硬化性樹脂、ガラスハーメチックシール等が挙げられる。
Examples of the insulating
非水電解液としては、例えば、リチウム塩と非水溶媒とを混合した溶液を使用することができる。リチウム塩としては、例えば、LiPF6、LiBF4、LiClO4等が挙げられる。非水溶媒としては、例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、テトラヒドロフラン、1,2−ジエトキシエタン等が挙げられる。 As the non-aqueous electrolyte, for example, a solution obtained by mixing a lithium salt and a non-aqueous solvent can be used. Examples of the lithium salt include LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4, and the like. Examples of the non-aqueous solvent include propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, tetrahydrofuran, 1,2-diethoxyethane, and the like.
なお、前記の例では、2枚の正極板10a,10b(10)と2枚の負極板20a,20b(20)とが交互に積層されているが、それぞれ、1枚又は3枚以上の構成としてもよい。また、これらが積層される構成に限られず、円筒状、扁平状の任意の形状に巻回されたもの等、種々の形状にすることができる。そして、これらの形状にあわせて、電池容器40の形状も、例えば、円筒型、扁平長円形状、角型等の形状のものを適宜に選択することができる。
In the above example, the two
また、正極リード線10c及び負極リード20cは、ワイヤ状、板状等の任意の形状を採ることができる。さらに、正極リード線10c及び負極リード線20cの形状及び材質については、通電時にオーム損失を小さくすることのでき、非水電解液と反応しない材質のものを用いればよい。
Further, the positive
以上、本実施形態の二次電池を、図1を参照しながら説明したが、本実施形態の二次電池は、前記したように、リチウム二次電池に限られるものではない。即ち、本実施形態の二次電池としては、金属イオンを吸蔵及び放出可能な電極を備える二次電池であればどのようなものでもよく、例えば、ナトリウムイオンが吸蔵及び放出されるナトリウム二次電池、マグネシウムイオンが吸蔵及び放出されるマグネシウム二次電池等にも適用可能である。さらには、電界液を用いた二次電池に限られず、全固体型の二次電池に対しても適用可能である。 The secondary battery of this embodiment has been described above with reference to FIG. 1, but the secondary battery of this embodiment is not limited to the lithium secondary battery as described above. That is, the secondary battery of this embodiment may be any secondary battery provided with an electrode capable of inserting and extracting metal ions, for example, a sodium secondary battery in which sodium ions are inserted and released. The present invention is also applicable to a magnesium secondary battery in which magnesium ions are occluded and released. Furthermore, the present invention is not limited to a secondary battery using an electrolysis solution, and can also be applied to an all solid state secondary battery.
次に、実施例を挙げて、本実施形態をさらに具体的に説明する。 Next, the present embodiment will be described more specifically with reference to examples.
[1.遷移金属元素含有量による放電電圧への影響]
<実施例1>
(1)負極活物質の作製
バナジウム(遷移金属元素)が65モル%、リンが35モル%の比率で含まれるようにして、負極活物質を作製した。具体的には、まず、負極活物質におけるバナジウム及びリンの含有量が前記の含有量になる量の、五酸化バナジウム及び五酸化二リンを準備した。そして、これらを混合した。得られた混合粉末100gを白金ルツボに入れ、電気炉を用いて5℃/分〜10℃/分の昇温速度で900℃〜1100℃の加熱温度まで加熱して2時間保持した。保持中は均一なガラスとするために攪拌した。
[1. Effect of transition metal element content on discharge voltage]
<Example 1>
(1) Production of negative electrode active material A negative electrode active material was produced in such a manner that vanadium (transition metal element) was contained at a ratio of 65 mol% and phosphorus at 35 mol%. Specifically, first, vanadium pentoxide and diphosphorus pentoxide were prepared so that the content of vanadium and phosphorus in the negative electrode active material was the above content. And these were mixed. 100 g of the obtained mixed powder was put into a platinum crucible, heated to a heating temperature of 900 ° C. to 1100 ° C. at a heating rate of 5 ° C./min to 10 ° C./min using an electric furnace, and held for 2 hours. During holding, stirring was performed to obtain a uniform glass.
次に、白金ルツボを電気炉から取り出し、予め100℃に加熱しておいたステンレス板上に流し込み、ステンレスの板を用いてプレス冷却することで、バナジウム及びリンを含む酸化物ガラスを得た。得られた酸化物ガラスをジェットミルを用いて約3μmまで粉砕し、負極活物質を得た。得られた負極活物質に含まれるバナジウムが非晶質相であることの確認は、CuKα線を用いた粉末X線回折測定装置(リガク社製 RINT2500HL)を用いて行った。確認の結果、含まれるバナジウムは非晶質相になっていることが確認された。 Next, the platinum crucible was taken out from the electric furnace, poured onto a stainless steel plate heated to 100 ° C. in advance, and press-cooled using a stainless steel plate to obtain an oxide glass containing vanadium and phosphorus. The obtained oxide glass was pulverized to about 3 μm using a jet mill to obtain a negative electrode active material. Confirmation that vanadium contained in the obtained negative electrode active material was an amorphous phase was performed using a powder X-ray diffraction measurement apparatus (RINT 2500HL, manufactured by Rigaku Corporation) using CuKα rays. As a result of confirmation, it was confirmed that the contained vanadium was in an amorphous phase.
負極活物質:ケッチェンブラック(ライオン社製のEC600JD、粒径34nm以下)=1:0.1となるように配合した。そして、メノウ製のポットにメノウボールを100g入れ、遊星式ボールミルを用いて200rpm、3時間混合することで、負極活物質表面の炭素被覆を行った。以下の負極の作製には、この炭素被覆がされた負極活物質を用いた。 Negative electrode active material: Ketjen black (EC600JD manufactured by Lion Corporation, particle size of 34 nm or less) = 1: 0.1. Then, 100 g of agate balls were put in an agate pot, and carbon coating was performed on the surface of the negative electrode active material by mixing for 3 hours at 200 rpm using a planetary ball mill. This negative electrode active material coated with carbon was used for the production of the following negative electrode.
(2)負極の作製
炭素被覆がされた負極活物質55質量部、導電剤としてのJSP(日本黒鉛社製)35質量部、及びバインダ(結着剤)としてのポリフッ化ビニリデン(クレハ社製の#7305)10質量部を混合した。そして、得られた混合物に、N−メチル−2−ピロリドンを添加して、粘度を15Pa・sに調整した負極合剤を得た。
(2) Production of negative electrode 55 parts by mass of carbon-coated negative electrode active material, 35 parts by mass of JSP (manufactured by Nippon Graphite Co., Ltd.) as a conductive agent, and polyvinylidene fluoride (manufactured by Kureha Co., Ltd.) as a binder (binder) # 7305) 10 parts by mass were mixed. Then, N-methyl-2-pyrrolidone was added to the obtained mixture to obtain a negative electrode mixture whose viscosity was adjusted to 15 Pa · s.
次に、この負極合剤を厚さ20μmのアルミニウム箔からなる集電体(三菱アルミニウム社製のN5−8X−073)の両面に塗工した後、これに加圧成形を施して、乾燥厚さが50μmの負極合剤層を集電体の両面にそれぞれ有するシートを形成した。そして、このシートの負極合剤層を有する部分(負極合剤の塗工部分)の面積が50mm×100mm、引き出し電極として未塗工部分の面積が15mm×15mmとなるようにこのシートを裁断して、後記する二次電池100用の負極板20を作製した。
Next, this negative electrode mixture was applied to both sides of a current collector (N5-8X-073 manufactured by Mitsubishi Aluminum Co., Ltd.) made of an aluminum foil having a thickness of 20 μm, and then subjected to pressure molding to obtain a dry thickness. A sheet having a negative electrode mixture layer having a thickness of 50 μm on both sides of the current collector was formed. And this sheet | seat was cut | judged so that the area of the part which has the negative mix layer layer (application part of a negative mix) of this sheet | seat may be 50 mm x 100 mm, and the area of an uncoated part as an extraction electrode may be 15 mm x 15 mm. Thus, a
(3)二次電池の組立
作製した負極板20を使用して、図1に示すラミネートセル型の二次電池100を組み立てた。ただし、本実施例で作製する二次電池100は、10枚の正極10と、11枚の負極20と、20枚のセパレータ30とを有して構成されている。二次電池100の正極板10としては、引き出し電極部分(15mm×15mm)を残し、60mm×110mmとなるように裁断した金属リチウムシートを使用した。また、セパレータ30としては、厚さ30μmのPP(ポリプロピレン)製の多孔質膜を用いた。
(3) Assembly of Secondary Battery Using the produced
また、二次電池100に注入する非水電解液としては、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)の非水性有機溶媒溶液(1モル/L)を使用した。非水性有機溶媒としては、エチレンカーボネート(EC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、及びジメチルカーボネート(DMC)を、体積比で、EC:EMC:DMC=1:2:2となるように混合したものを使用した。
Further, as the non-aqueous electrolyte injected into the
なお、このラミネートセル型のリチウム二次電池100では、係る積層体がラミネートセル内に前記の非水電解液と共に封入される。そして、正極10及び負極20の引き出し電極部分がラミネートセルの外部に臨むことで、これらの引き出し電極部分に対する電気的な接続が可能となり、外部との充放電が可能になっている。
In this laminate cell type lithium
(3)二次電池の特性評価
二次電池100の充放電電圧特性を評価した。ラミネートセル型のリチウム二次電池100の放電容量及び容量維持率の測定は、充放電試験機(東洋システム社製のTOSCAT3100U)を用いて行った。
(3) Characteristic Evaluation of Secondary Battery The charge / discharge voltage characteristics of the
この測定では、二次電池100に対して放電終止電圧0.5Vまで電流密度0.3mA/cm2の定電流で放電を行い、次いで充電終止電圧4.2Vまで同電流で充電を行った。この時、容量が50Ah/kg時の負極の電圧が1.5V以下の場合には◎、1.5Vより大きく2V以下の場合には○、2Vより大きく3V以下の場合には△、3Vよりも大きい場合には×として評価した。
In this measurement, the
<実施例2及び3並びに参考例4〜24>
遷移金属元素及び付加元素の種類及び含有量を後記する表1のように変更したこと以外は実施例1と同様にして、実施例2及び3並びに参考例4〜24の負極活物質(炭素被覆されている)を調製し、二次電池100を作製した。そして、作製した二次電池100について、実施例1と同様にして評価した。
<Examples 2 and 3 and Reference Examples 4 to 24 >
Negative electrode active materials (carbon coating) of Examples 2 and 3 and Reference Examples 4 to 24 in the same manner as in Example 1 except that the types and contents of transition metal elements and additional elements were changed as shown in Table 1 below. The
なお、マンガンの原料化合物としては二酸化マンガン、鉄の原料化合物としては酸化第二鉄、コバルトの原料化合物としては酸化コバルト、ニッケルの原料化合物としては酸化ニッケル、銅の原料化合物としては酸化銅を用いた。また、バリウムの原料化合物としては酸化バリウム、ゲルマニウムの原料化合物としては二酸化ゲルマニウム、鉛の原料化合物としては酸化鉛、ケイ素の原料化合物としては二酸化ケイ素を用いた。 In addition, manganese dioxide is used as a raw material compound of manganese, ferric oxide is used as a raw material compound of iron, cobalt oxide is used as a raw material compound of cobalt, nickel oxide is used as a raw material compound of nickel, and copper oxide is used as a raw material compound of copper. It was. Further, barium oxide was used as the raw material compound for barium, germanium dioxide was used as the raw material compound for germanium, lead oxide was used as the raw material compound for lead, and silicon dioxide was used as the raw material compound for silicon.
<比較例1及び比較例2>
負極活物質として、非晶質相を含まず結晶相のみを含む五酸化バナジウム(比較例1)及び二酸化マンガン(比較例2)を用いたこと以外は実施例1と同様にして、炭素被覆された負極活物質を調製し、二次電池100を作製した。そして、作製した二次電池100について、実施例1と同様にして評価した。
<Comparative Example 1 and Comparative Example 2>
The anode was coated with carbon in the same manner as in Example 1 except that vanadium pentoxide (Comparative Example 1) and manganese dioxide (Comparative Example 2) containing only the crystalline phase but not the amorphous phase were used. A negative electrode active material was prepared, and a
<結果>
評価結果を表1に示す。なお、表1では、各金属の含有量は、酸化物換算でのモル%で示している。さらに、横軸を遷移金属元素の含有量(モル%、酸化物換算)、縦軸を放電電圧とするグラフを図2に示す。また、一例として、図3に参考例9の負極活物質を用いた二次電池100の評価時に得られた充電曲線を、図4に参考例10の負極活物質を用いた二次電池100の評価時に得られた充電曲線を示す。
なお、本実施例及び参考例の各試料について、前記の粉末X線回折測定装置を用いて粉末X線回折測定を行ったところ、各試料に結晶相は認められず、非晶質相が100%であることが確認された。
<Result>
The evaluation results are shown in Table 1. In Table 1, the content of each metal is shown in mol% in terms of oxide. Further, FIG. 2 is a graph in which the horizontal axis represents the transition metal element content (mol%, converted to oxide), and the vertical axis represents the discharge voltage. As an example, FIG. 3 shows a charging curve obtained during the evaluation of the
In addition, about each sample of a present Example and the reference example , when the powder X-ray-diffraction measurement was performed using the said powder X-ray-diffraction measuring apparatus, a crystal phase was not recognized by each sample, but an amorphous phase was 100. %.
表1に示すように、実施例1〜3及び参考例4〜24の評価結果は全て△以上であり、良好な結果であった。一方で、非晶質を含まず結晶のみを含む比較例1及び比較例2の評価結果はいずれも×であり、結晶質のみからなる場合には、良好な結果が得られないことがわかった。 As shown in Table 1, all of the evaluation results of Examples 1 to 3 and Reference Examples 4 to 24 were Δ or more, which was a good result. On the other hand, the evaluation results of Comparative Example 1 and Comparative Example 2 that contain only crystals and do not contain amorphous are both x, and it has been found that good results cannot be obtained when they are made of only crystalline material. .
また、図2に示すように、放電電圧の傾向は、遷移金属元素の含有量が酸化物換算で60モル%を境に異なることがわかった。具体的には、60モル%以下であれば放電電圧は比較的低い傾向にあるが、60モル%を越えると放電電圧は高い傾向にある。放電電圧が低い方が正極と負極との間の電位差を大きくすることができエネルギ密度が向上することから、遷移金属元素の含有量は、酸化物換算で60モル%以下が好ましいことがわかった。 Further, as shown in FIG. 2, it was found that the tendency of the discharge voltage is different at the transition metal element content at 60 mol% in terms of oxide. Specifically, the discharge voltage tends to be relatively low if it is 60 mol% or less, but the discharge voltage tends to be high if it exceeds 60 mol%. Since the potential difference between the positive electrode and the negative electrode can be increased and the energy density is improved when the discharge voltage is lower, it was found that the transition metal element content is preferably 60 mol% or less in terms of oxide. .
また、表1に示すように、どの種類の遷移金属元素と付加元素との組み合わせでも、良好な結果を示した。この結果から、遷移金属元素や付加元素の種類によらず、放電電圧を低くすることができることがわかった。 Moreover, as shown in Table 1, good results were obtained with any combination of transition metal elements and additional elements. From this result, it was found that the discharge voltage can be lowered regardless of the type of transition metal element or additional element.
[2.ガラス転移点による放電電圧への影響]
<参考例25及び26並びに実施例27〜実施例33>
(1)負極活物質の調製及び二次電池100の作製及び評価
遷移金属元素及び付加元素の種類及び含有量を後記する表2に変更したこと以外は実施例1と同様にして、参考例25及び26並びに実施例27〜実施例33の負極活物質(炭素被覆されている)を調製し、二次電池100を作製した。そして、作製した二次電池100について、実施例1と同様にして評価した。
[2. Effect of glass transition point on discharge voltage]
< Reference Examples 25 and 26 and Examples 27 to 33>
(1) Preparation of negative electrode active material and production and evaluation of
なお、リチウムの原料化合物としては酸化リチウム、アンチモンの原料化合物としては酸化アンチモン、タングステンの原料化合物としては酸化タングステン、ナトリウムの原料化合物としては酸化ナトリウム、マグネシウムの原料化合物としては酸化マグネシウムを用いた。 Note that lithium oxide was used as the lithium source compound, antimony oxide was used as the antimony source compound, tungsten oxide was used as the tungsten source compound, sodium oxide was used as the sodium source compound, and magnesium oxide was used as the magnesium source compound.
(2)ガラス転移点の評価
また、負極活物質の作製中に得られたガラスについて、5℃/分の昇温速度で示差熱分析(DTA)を行うことによって、ガラス転移点(Tg)を測定した。なお、標準サンプルとしてアルミナ粉末を用いた。図5にガラスのDTA曲線を示す。図5に示すように、ガラス転移点Tgは第一吸熱ピークの開始温度とした。
(2) Evaluation of glass transition point Moreover, about the glass obtained during preparation of a negative electrode active material, a glass transition point (Tg) is obtained by performing a differential thermal analysis (DTA) with the temperature increase rate of 5 degree-C / min. It was measured. Alumina powder was used as a standard sample. FIG. 5 shows the DTA curve of the glass. As shown in FIG. 5, the glass transition point Tg was set to the start temperature of the first endothermic peak.
なお、この評価は、参考例5及び参考例7〜9についても同様に行った。 In addition, this evaluation was performed similarly about the reference example 5 and the reference examples 7-9.
評価結果を表2に示す。一例として、図6に実施例27の負極活物質を用いた二次電池100の評価時に得られた充電曲線を示す。さらに、横軸をガラス転移点、縦軸を放電電圧とするグラフを図7に示す。
The evaluation results are shown in Table 2. As an example, FIG. 6 shows a charging curve obtained during evaluation of the
表2及び図7に示すように、ガラス転移点が340℃以上のときに良好な結果が得られることがわかった。具体的には、図7に示すように、ガラス転移点が340℃以上であれば放電電圧は低くなる傾向となり、負極として好適な特性を示すことがわかった。より具体的には、負極の放電電圧が低くなれば正極との電圧差が広がるため、二次電池100のエネルギ密度を大きくすることができる。一方で、ガラス転移点が340℃未満であれば、負極の放電電圧が高くなる傾向になる。そのため、正極との電圧差が小さくなることから、エネルギ密度が低下することになる。従って、ガラス転移点を340℃以上とすることにより、より良好なエネルギ密度を達成できることがわかった。
As shown in Table 2 and FIG. 7, it was found that good results were obtained when the glass transition point was 340 ° C. or higher. Specifically, as shown in FIG. 7, it was found that when the glass transition point is 340 ° C. or higher, the discharge voltage tends to be low, and the characteristics suitable for the negative electrode are exhibited. More specifically, since the voltage difference with the positive electrode widens as the discharge voltage of the negative electrode decreases, the energy density of the
また、遷移金属元素としてバナジウム(五酸化バナジウム)及び鉄(酸化鉄(III))の2種を使用した場合、それらの合計量が60モル%以下となるときに、放電電圧が良好になった。即ち、含まれる遷移金属元素が1種の場合にはその含有量が(表1参照)、また、含まれる遷移金属元素が2種以上の場合にはそれらの含有量の合計が(表2参照)、負極活物質の全体に対して、酸化物換算で60モル%以下とするとよいことがわかった。 Moreover, when two kinds of vanadium (vanadium pentoxide) and iron (iron (III) oxide) were used as the transition metal elements, the discharge voltage was improved when the total amount thereof was 60 mol% or less. . That is, when the content of the transition metal element is one, the content is (see Table 1). When the content of the transition metal elements is two or more, the total content is (see Table 2). ), It was found to be 60 mol% or less in terms of oxide with respect to the whole negative electrode active material.
[3.サイクル特性の評価]
正極活物質としてLiCoO2粒子(日本化学工業社製)、負極活物質として実施例27の負極活物質を用いて、実施例1と同様にして二次電池100(実施例1の二次電池)を作製した。また、比較として、負極活物質として黒鉛を用いたこと以外は同様にして、二次電池100(比較例1の二次電池)を作製した。
[3. Evaluation of cycle characteristics]
The positive electrode active material as LiCoO 2 particles (manufactured by Nippon Chemical Industrial Co., Ltd.), using a negative electrode active material of Example 27 as the negative electrode active material, the
作製した二つの二次電池について、それぞれ、0.1Cの定電流で充放電を1回行い、その後、1Cの定電流で充放電を9回行った。そして、この組み合わせ(0.1Cでの充放電1回と1Cでの充放電9回)を500回(500サイクル)繰り返し、二次電池のサイクル特性を評価した。 Each of the prepared two secondary batteries was charged and discharged once with a constant current of 0.1 C, and then charged and discharged 9 times with a constant current of 1 C. Then, this combination (one charge / discharge at 0.1 C and nine charge / discharge at 1 C) was repeated 500 times (500 cycles) to evaluate the cycle characteristics of the secondary battery.
なお、「1Cの定電流」とは、二次電池に対して、放電し切った状態から定電流充電する場合において、1時間で100%の充電を完了する電流値、又は充電し切った状態から定電流放電する場合において、1時間で100%の放電を完了する電流値をいう。言い換えれば、1Cとは、充電又は放電の速さが1時間当たり100%であることをいう。よって、0.1Cとは、充電又は放電の速さが1時間当たり10%であることをいう。 In addition, "1C constant current" means a current value that completes 100% charging in one hour or a state in which the secondary battery is fully charged in the case of constant current charging from a fully discharged state to the secondary battery. In the case of constant current discharge, the current value that completes 100% discharge in one hour. In other words, 1C means that the speed of charging or discharging is 100% per hour. Therefore, 0.1 C means that the speed of charging or discharging is 10% per hour.
サイクル特性評価の結果、実施例1の二次電池においては、500サイクル後の容量維持率が、比較例1の二次電池と比べて、5%向上していることがわかった。従って、本実施形態によれば、二次電池のサイクル特性を向上させることができることがわかった。 As a result of the cycle characteristic evaluation, it was found that the capacity retention rate after 500 cycles in the secondary battery of Example 1 was improved by 5% as compared with the secondary battery of Comparative Example 1. Therefore, according to this embodiment, it turned out that the cycling characteristics of a secondary battery can be improved.
[4.図1とは異なる形状の電池への適用]
前記の実施例では非水電解液を用いた二次電池100(図1参照)に本実施形態の負極活物質を適用したが、本実施形態の負極活物質は、全固体型の二次電池にも適用可能である。全固体型の二次電池(リチウム二次電池)は、電解質を含む非水電解液に代えて、固体電解質が用いられる。
[4. Application to batteries with shapes different from those in FIG.
In the above-described example, the negative electrode active material of the present embodiment is applied to the secondary battery 100 (see FIG. 1) using a non-aqueous electrolyte. However, the negative electrode active material of the present embodiment is an all-solid secondary battery. It is also applicable to. An all solid state secondary battery (lithium secondary battery) uses a solid electrolyte instead of a non-aqueous electrolyte containing an electrolyte.
(1)正極の作製
正極活物質としての平均粒径5μmのLiCoO2粉末と、前記の実施例26のガラス粉末(負極活物質、正極と固体電解質との結着剤として使用)と、固体電解質である平均粒径3μmのLi1.5Al0.5Ti1.5(PO4)3粉末(以下、「LATP」という)と、導電剤である針状(短軸:0.13μm、長軸:1.68μm)の導電性酸化チタン(ルチル型酸化チタンを母体にSbをドープしたSnO2導電層を被覆したもの)とを、それぞれ体積比で53:30:10:7となるように混合した。そして、この混合粉末に樹脂バインダと溶媒とを適量混合し、正極ペーストを作製した。
(1) Production of positive electrode LiCoO 2 powder having an average particle diameter of 5 μm as a positive electrode active material, the glass powder of the above-described Example 26 (used as a binder between the negative electrode active material and the positive electrode and the solid electrolyte), and a solid electrolyte Li 1.5 Al 0.5 Ti 1.5 (PO 4 ) 3 powder (hereinafter referred to as “LATP”) having an average particle diameter of 3 μm and needle-like (short axis: 0.13 μm, long) as a conductive agent Axis: 1.68 μm) conductive titanium oxide (a rutile-type titanium oxide base material coated with SnO 2 conductive layer doped with Sb) so that the volume ratio is 53: 30: 10: 7, respectively. Mixed. Then, an appropriate amount of a resin binder and a solvent was mixed with the mixed powder to produce a positive electrode paste.
なお、樹脂バインダとしては、エチルセルロースやニトロセルロース、溶媒としてはブチルカルビトールアセテートを用いた。後記する負極及び固体電解質層の作製においても、同様である。 In addition, ethyl cellulose or nitrocellulose was used as the resin binder, and butyl carbitol acetate was used as the solvent. The same applies to the production of the negative electrode and the solid electrolyte layer described later.
この正極ペーストを厚さ20μmのアルミニウム箔に塗布し、脱溶媒、脱バインダのための熱処理後に、大気中390℃で1時間焼成し、正極活物質層厚さが10μmの正極シートを得た。これを直径14mmの円盤状に打ち抜き、正極とした。 This positive electrode paste was applied to an aluminum foil having a thickness of 20 μm, and after heat treatment for solvent removal and binder removal, the positive electrode paste was baked in the atmosphere at 390 ° C. for 1 hour to obtain a positive electrode sheet having a positive electrode active material layer thickness of 10 μm. This was punched out into a disk shape having a diameter of 14 mm to obtain a positive electrode.
(2)負極の作製
前記の実施例27の負極活物質と、固体電解質である平均粒径3μmのLATPと、導電剤である針状(短軸:0.13μm、長軸:1.68μm)の導電性酸化チタン(ルチル型酸化チタンを母体にSbをドープしたSnO2導電層を被覆したもの)とを、それぞれ体積比で83:10:7となるように混合した。そして、この混合粉末に樹脂バインダと溶媒とを適量混合し、負極ペーストを作製した。
(2) Production of Negative Electrode The negative electrode active material of Example 27, LATP having an average particle size of 3 μm as a solid electrolyte, and needles as a conductive agent (short axis: 0.13 μm, long axis: 1.68 μm) The conductive titanium oxide (which is a rutile titanium oxide base material coated with a SnO 2 conductive layer doped with Sb) was mixed at a volume ratio of 83: 10: 7. Then, an appropriate amount of a resin binder and a solvent was mixed with this mixed powder to prepare a negative electrode paste.
この負極ペーストを厚さ20μmのアルミニウム箔に塗布し、脱溶媒、脱バインダのための熱処理後、大気中360℃で1時間焼成し、負極活物質層厚さが10μmの負極シートを得た。これを直径14mmの円盤状に打ち抜き、負極とした。 This negative electrode paste was applied to an aluminum foil having a thickness of 20 μm, heat-treated for solvent removal and binder removal, and then fired at 360 ° C. for 1 hour in the air to obtain a negative electrode sheet having a negative electrode active material layer thickness of 10 μm. This was punched out into a disk shape having a diameter of 14 mm to obtain a negative electrode.
(3)固体電解質層の作製
固体電解質である平均粒径3μmのLATPと、前記の参考例26のガラス粉末(負極活物質、正極と固体電解質との結着剤として使用)とを、それぞれ体積比で70:30となるように混合した。そして、この混合粉末に、樹脂バインダと溶媒とを適量添加して固体電解質ペーストを作製した。
(3) Production of Solid Electrolyte Layer Each volume of LATP, which is a solid electrolyte, having an average particle diameter of 3 μm and the glass powder of Reference Example 26 (used as a negative electrode active material, a binder between the positive electrode and the solid electrolyte), respectively It mixed so that it might become 70:30 by ratio. An appropriate amount of a resin binder and a solvent was added to the mixed powder to prepare a solid electrolyte paste.
この固体電解質ペーストを正極(又は負極)に塗布し、脱溶媒、脱バインダのための熱処理後、390℃で1時間大気中焼成し、正極上に、厚さ15μmの固体電解質層を形成した。そして、これを直径15mmの円盤状に打ち抜いた。 This solid electrolyte paste was applied to the positive electrode (or negative electrode), heat-treated for solvent removal and binder removal, and then fired in the air at 390 ° C. for 1 hour to form a solid electrolyte layer having a thickness of 15 μm on the positive electrode. This was punched into a disk shape having a diameter of 15 mm.
(4)全固体電池の作製
「(3)固体電解質層の作製」において作製したもう一方の面に負極(又は正極)を積層し、正極と固体電解質層と負極との界面の密着性を向上させるため、この積層体を加圧しながら、350℃で1時間、大気中焼成した。そして、得られた積層体の側面を絶縁物でマスキングし、これをCR2025型のコイン電池に組み込み全固体電池を作製した。
(4) Production of all-solid battery A negative electrode (or positive electrode) is laminated on the other surface produced in “(3) Production of solid electrolyte layer” to improve the adhesion at the interface between the positive electrode, the solid electrolyte layer and the negative electrode. Therefore, the laminate was fired in the air at 350 ° C. for 1 hour while being pressurized. Then, the side surface of the obtained laminate was masked with an insulator, and this was incorporated into a CR2025 type coin battery to produce an all-solid battery.
(5)動作確認
作製した電池は動作することが確認できたため、本実施形態の負極活物質は、全固体電池に用いられる負極活物質としても適用可能であることが確認できた。
(5) Confirmation of operation Since it was confirmed that the produced battery was operated, it was confirmed that the negative electrode active material of the present embodiment was also applicable as a negative electrode active material used for an all solid state battery.
10 正極
20 負極
30 セパレータ
100 二次電池
10
Claims (10)
当該ガラスのガラス転移点が340℃以上であることを特徴とする、負極活物質。 And vanadium, look including a glass of including oxide and Li down, the,
A negative electrode active material, wherein the glass transition point of the glass is 340 ° C. or higher .
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