JP6138554B2 - COMPOSITE MATERIAL, METHOD FOR PRODUCING THE COMPOSITE MATERIAL, LITHIUM ION SECONDARY BATTERY AND ELECTROCHEMICAL CAPACITOR USING THE COMPOSITE MATERIAL - Google Patents

COMPOSITE MATERIAL, METHOD FOR PRODUCING THE COMPOSITE MATERIAL, LITHIUM ION SECONDARY BATTERY AND ELECTROCHEMICAL CAPACITOR USING THE COMPOSITE MATERIAL Download PDF

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Description

本発明は、スピネル型のチタン酸リチウム(Li4+xTi12(0≦x≦3))(以下、単に「チタン酸リチウム」と表わす。)のナノ粒子と導電性カーボンとの複合材料であって、チタン酸リチウム生成時に副生しやすい酸化チタンを実質的に含まない複合材料及びその製造方法に関する。本発明はまた、上記複合材料を用いたリチウムイオン二次電池及び電気化学キャパシタに関する。 The present invention relates to a composite material of spinel-type lithium titanate (Li 4 + x Ti 5 O 12 (0 ≦ x ≦ 3)) (hereinafter simply referred to as “lithium titanate”) and conductive carbon. In addition, the present invention relates to a composite material substantially free of titanium oxide that is easily produced as a by-product during the production of lithium titanate and a method for producing the same. The present invention also relates to a lithium ion secondary battery and an electrochemical capacitor using the composite material.

携帯電話やノート型パソコンなどの情報機器の電源として、エネルギー密度が高い非水系電解液を使用したリチウムイオン二次電池が広く使用されている。現在の非水系電解液を使用したリチウムイオン二次電池は、コバルト酸リチウム(LiCoO)を正極活物質とし、黒鉛を負極活物質とし、六フッ化リン酸リチウム(LiPF)などのリチウム塩をエチレンカーボネートやプロピレンカーボネートなどの非水系溶媒に溶解させた液を電解液としたものが主流である。しかし、負極の黒鉛に関しては、黒鉛へのリチウムイオン挿入時に、黒鉛の表面に電解液の分解反応により熱安定性が乏しい固体電解質界面(SEI)被膜が形成されやすい、リチウムデンドライドが析出しやすい、という問題があった。 Lithium ion secondary batteries using non-aqueous electrolytes with high energy density are widely used as power sources for information devices such as cellular phones and notebook computers. A lithium ion secondary battery using a current non-aqueous electrolyte includes lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) as a positive electrode active material, graphite as a negative electrode active material, and a lithium salt such as lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ). The mainstream is an electrolyte obtained by dissolving a solution in a non-aqueous solvent such as ethylene carbonate or propylene carbonate. However, regarding the graphite of the negative electrode, when lithium ions are inserted into the graphite, a solid electrolyte interface (SEI) film with poor thermal stability is easily formed on the surface of the graphite due to the decomposition reaction of the electrolytic solution, and lithium dendride is likely to precipitate. There was a problem.

この問題を解決するために、黒鉛に代わる負極材料としてチタン酸リチウムを使用することが提案されている。チタン酸リチウムの表面にはSEI被膜が形成されにくく、リチウムデンドライドが析出せず、また、チタン酸リチウムにリチウムイオンが挿入・脱離するときの体積変化がほとんどないため、安定に動作するリチウムイオン二次電池が得られることが期待される。しかし、原料となるチタン化合物(チタン源)とリチウム化合物(リチウム源)とを混合して加熱焼成することによりチタン酸リチウムを製造するときに、電池性能を低下させるルチル型酸化チタンが副生しやすいという問題があった。また、得られたチタン酸リチウムは一般に凝集構造を有するため、この材料を負極に用いた電池の容量が低く、また大電流での放電において容量が大幅に低下するという問題があった。   In order to solve this problem, it has been proposed to use lithium titanate as a negative electrode material instead of graphite. Lithium titanate does not easily form an SEI film, lithium dendride does not precipitate, and there is almost no volume change when lithium ions are inserted into or extracted from lithium titanate. An ion secondary battery is expected to be obtained. However, when producing lithium titanate by mixing the raw material titanium compound (titanium source) and lithium compound (lithium source) and firing them, rutile titanium oxide that lowers battery performance is produced as a by-product. There was a problem that it was easy. Further, since the obtained lithium titanate generally has an agglomerated structure, there is a problem that the capacity of a battery using this material as a negative electrode is low, and the capacity is greatly reduced in discharging with a large current.

ところで、出願人は、特許文献1(特開2007−160151号公報)において、旋回可能な反応器内に金属酸化物の原料と導電性カーボンとを含む反応液を導入した後、上記反応器を旋回させて反応液にずり応力と遠心力を加えて導電性カーボンを分散させつつ化学反応を進行させ、導電性カーボン上に金属酸化物前駆体を分散性良く析出させ、次いで、得られた金属酸化物前駆体が担持された導電性カーボンを加熱し、導電性カーボン上で金属酸化物前駆体を金属酸化物に転化させることにより、導電性カーボンの表面に金属酸化物のナノ粒子が担持された複合材料を製造する方法を提案している。この製造方法は、チタン酸リチウムのナノ粒子と導電性カーボンとの複合材料の製造にも好適に応用することができる。なお、「ナノ粒子」とは、球状粒子の場合には直径が100nm以下の粒子を意味し、針状、管状或いは繊維状の粒子の場合には粒子断面の直径(短径)が100nm以下の粒子を意味する。ナノ粒子は、一次粒子であっても二次粒子であっても良い。   By the way, the applicant, in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2007-160151), introduced a reaction liquid containing a raw material of metal oxide and conductive carbon into a swirlable reactor, and then installed the reactor. Rotating and applying a shear stress and centrifugal force to the reaction solution to disperse the conductive carbon to advance the chemical reaction, depositing the metal oxide precursor on the conductive carbon with good dispersibility, and then the obtained metal By heating the conductive carbon on which the oxide precursor is supported and converting the metal oxide precursor to a metal oxide on the conductive carbon, the metal oxide nanoparticles are supported on the surface of the conductive carbon. Has proposed a method of manufacturing composite materials. This production method can also be suitably applied to the production of a composite material of lithium titanate nanoparticles and conductive carbon. The term “nanoparticle” means a particle having a diameter of 100 nm or less in the case of a spherical particle, and a diameter (short axis) of a particle cross section in the case of a needle-like, tubular or fibrous particle of 100 nm or less. Means particles. The nanoparticles may be primary particles or secondary particles.

特許文献2(特開2008−270795号公報)及び特許文献3(特開2011−213556号公報)には、特許文献1に記載された製造方法を改良したチタン酸リチウムのナノ粒子と導電性カーボンとの複合材料の製造方法が記載されている。チタン源としてチタンアルコキシドを用いると、反応条件によってはずり応力と遠心力を加えた化学反応が迅速すぎて、チタン酸リチウムではなく酸化チタンのナノ粒子が主に導電性カーボンに担持された生成物が得られるという問題が生ずる。特許文献2はこの問題を解決すべく、チタンアルコキシドと錯体を形成する酢酸等を反応抑制剤として反応液に添加する方法を開示している。特許文献3は、ずり応力と遠心力を加えた化学反応により導電性カーボン上にチタン酸リチウム前駆体を担持させた後に窒素雰囲気中で加熱処理を施すことにより、窒素がドープされたチタン酸リチウムのナノ粒子を含む複合材料を製造する方法を開示している。窒素雰囲気中での加熱処理の間に、カーボンの還元作用によりチタン酸リチウムに酸素欠陥が生じ、この酸素欠陥に窒素がドープされる。この窒素ドープチタン酸リチウムは高い電気伝導度を有し、またチタン酸リチウムの結晶格子間に対するリチウムイオンの出入りが容易である。   Patent Document 2 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-270795) and Patent Document 3 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-213556) disclose lithium titanate nanoparticles and conductive carbon obtained by improving the production method described in Patent Document 1. And a method for producing a composite material. When titanium alkoxide is used as the titanium source, a chemical reaction in which shear stress and centrifugal force are applied depending on the reaction conditions is too rapid, and a product in which titanium oxide nanoparticles, not lithium titanate, are mainly supported on conductive carbon Problem arises. Patent Document 2 discloses a method of adding acetic acid or the like forming a complex with titanium alkoxide as a reaction inhibitor to the reaction solution in order to solve this problem. Patent Document 3 discloses a lithium titanate doped with nitrogen by carrying a heat treatment in a nitrogen atmosphere after supporting a lithium titanate precursor on conductive carbon by a chemical reaction in which shear stress and centrifugal force are applied. A method for producing a composite material comprising a plurality of nanoparticles is disclosed. During the heat treatment in a nitrogen atmosphere, oxygen defects are generated in the lithium titanate due to the reducing action of carbon, and the oxygen defects are doped with nitrogen. This nitrogen-doped lithium titanate has high electrical conductivity, and lithium ions can easily enter and exit between the crystal lattices of lithium titanate.

特許文献1〜3に記載された方法により、比表面積の大きなチタン酸リチウムのナノ粒子が導電性カーボン上に付着した複合材料が得られる。そして、この複合材料を負極に用いたリチウムイオン二次電池は高い放電容量を示し、また大電流での放電においても容量の低下が抑制された優れたレート特性を示す。これらの文献には、この複合材料が電気化学キャパシタの負極のためにも好適であることも記載されている。   By the method described in Patent Documents 1 to 3, a composite material in which lithium titanate nanoparticles having a large specific surface area are attached on conductive carbon can be obtained. And the lithium ion secondary battery which used this composite material for the negative electrode shows the high discharge capacity, and also shows the outstanding rate characteristic in which the fall of the capacity | capacitance was suppressed also in the discharge by a large current. These documents also describe that this composite material is also suitable for the negative electrode of an electrochemical capacitor.

特開2007−160151号公報JP 2007-160151 A 特開2008−270795号公報JP 2008-270795 A 特開2011−213556号公報JP 2011-213556 A

しかし、特許文献1〜3に記載された方法でチタン酸リチウムのナノ粒子が導電性カーボン上に付着した複合材料を製造し、X線粉末回折により分析した結果、微量の酸化チタンが混在していることがわかった。そして、複合材料1回あたりの製造量を増やすほど、或いは反応液中のチタン源及びリチウム源の濃度を増やすほど、複合材料における酸化チタンの含有量が顕著になった。混在する酸化チタンはリチウムイオン二次電池や電気化学キャパシタの性能を低下させるため、酸化チタンを含まない複合材料の製造が望まれる。   However, as a result of producing a composite material in which lithium titanate nanoparticles adhered to conductive carbon by the method described in Patent Documents 1 to 3 and analyzing by X-ray powder diffraction, a small amount of titanium oxide was mixed. I found out. And the content of titanium oxide in a composite material became remarkable, so that the manufacturing amount per time of composite material was increased, or the density | concentration of the titanium source and lithium source in a reaction liquid was increased. Since the mixed titanium oxide deteriorates the performance of the lithium ion secondary battery and the electrochemical capacitor, it is desired to produce a composite material not containing titanium oxide.

そこで、本発明の目的は、チタン酸リチウムのナノ粒子と導電性カーボンとの複合材料の製造方法であって、酸化チタンを実質的に含まない複合材料の製造方法を提供することである。   Therefore, an object of the present invention is to provide a method for producing a composite material of lithium titanate nanoparticles and conductive carbon, and a method for producing a composite material substantially free of titanium oxide.

発明者らは、特許文献1〜3に示されている反応方法を基礎として鋭意検討した結果、ずり応力と遠心力を加えた化学反応によりチタン酸リチウム前駆体を導電性カーボン上に担持させた後、焼成を2段階で行うことにより、上記目的が達成されることを発見した。   As a result of intensive studies based on the reaction methods disclosed in Patent Documents 1 to 3, the inventors supported a lithium titanate precursor on conductive carbon by a chemical reaction in which shear stress and centrifugal force were applied. Then, it discovered that the said objective was achieved by performing baking in two steps.

したがって、本発明はまず、導電性カーボン粉末と、該導電性カーボン粉末に付着しているスピネル型のチタン酸リチウムのナノ粒子とを含み、酸化チタンを実質的に含まないことを特徴とする複合材料を提供する。「酸化チタンを実質的に含まない」の語は、複合材料のX線粉末回折図に酸化チタンの回折ピークが認められないことを意味する。   Accordingly, the present invention first comprises a composite comprising conductive carbon powder and spinel-type lithium titanate nanoparticles adhering to the conductive carbon powder, and substantially free of titanium oxide. Provide material. The term “substantially free of titanium oxide” means that no diffraction peak of titanium oxide is observed in the X-ray powder diffractogram of the composite material.

本発明の複合材料は、
a)旋回可能な反応器内にリチウム源とチタン源と導電性カーボン粉末とを含む反応液を導入する調製工程、
b)上記反応器を旋回させて上記反応液にずり応力と遠心力とを加えることにより、上記導電性カーボン粉末にチタン酸リチウム前駆体を高分散状態で担持させる担持工程、
c)上記チタン酸リチウム前駆体を担持させた導電性カーボン粉末を、200〜500℃の温度で一次焼成した後、真空中又は窒素中で600〜950℃の温度で二次焼成することにより、上記導電性カーボン粉末上で上記チタン酸リチウム前駆体をスピネル型のチタン酸リチウムのナノ粒子に転化する焼成工程
を含む、本発明の複合材料の製造方法により得ることができる。
The composite material of the present invention is
a) a preparation step of introducing a reaction solution containing a lithium source, a titanium source and a conductive carbon powder into a swirlable reactor;
b) A supporting step of supporting the lithium titanate precursor in a highly dispersed state on the conductive carbon powder by rotating the reactor and applying shear stress and centrifugal force to the reaction solution.
c) By conducting the primary firing of the conductive carbon powder carrying the lithium titanate precursor at a temperature of 200 to 500 ° C, followed by secondary firing at a temperature of 600 to 950 ° C in vacuum or nitrogen, It can be obtained by the method for producing a composite material of the present invention, comprising a firing step of converting the lithium titanate precursor into spinel-type lithium titanate nanoparticles on the conductive carbon powder.

上記担持工程において、上記反応器の旋回により上記反応液にずり応力と遠心力とを加えることにより、導電性カーボン粉末を分散させるとともに、チタン源の加水分解反応、縮合反応及びこれに続くリチウム源との反応を促進させて、リチウムと酸化チタンとの複合体から成るチタン酸リチウム前駆体を導電性カーボン粉末に担持させる。上記反応器の旋回により上記反応液に印加される遠心力は、一般に「超遠心力」といわれる範囲の遠心力であり、好ましくは1500kgms−2以上の遠心力である。この範囲の遠心力により、チタン酸リチウム前駆体が均一な大きさの微粒子として導電性カーボン粉末上に担持される。本明細書において、旋回する反応器内で反応液にずり応力と遠心力とを印加する処理を、「超遠心処理」ということがある。反応器としては、特許文献1(特開2007−160151号公報)の図1に記載されている、外筒と内筒の同心円筒からなり、旋回可能な内筒の側面に貫通孔が設けられ、外筒の開口部にせき板が配置されている反応器が好適に使用される。特許文献1における反応器に関する記載は、参照により本明細書に組み入れられる。上記反応器において、内筒外壁面と外筒内壁面との間隔は、5mm以下であるのが好ましく、2.5mm以下であるのがより好ましい。 In the supporting step, by applying shear stress and centrifugal force to the reaction liquid by swirling the reactor, the conductive carbon powder is dispersed and the titanium source hydrolysis reaction, condensation reaction, and subsequent lithium source The lithium titanate precursor composed of a composite of lithium and titanium oxide is supported on the conductive carbon powder. The centrifugal force applied to the reaction solution by the rotation of the reactor is a centrifugal force in a range generally referred to as “ultracentrifugal force”, and preferably a centrifugal force of 1500 kgms −2 or more. With this range of centrifugal force, the lithium titanate precursor is supported on the conductive carbon powder as fine particles of uniform size. In the present specification, the process of applying shear stress and centrifugal force to the reaction solution in a swirling reactor may be referred to as “ultracentrifugation process”. As a reactor, it consists of the concentric cylinder of the outer cylinder and the inner cylinder described in FIG. 1 of patent document 1 (Unexamined-Japanese-Patent No. 2007-160151). A reactor in which a plate is disposed at the opening of the outer cylinder is preferably used. The description regarding the reactor in Patent Document 1 is incorporated herein by reference. In the reactor, the distance between the inner cylinder outer wall surface and the outer cylinder inner wall surface is preferably 5 mm or less, and more preferably 2.5 mm or less.

上述したように、チタン源がチタンアルコキシドである場合には、反応条件によってはずり応力と遠心力を加えた化学反応が迅速すぎて、チタン酸リチウムではなく酸化チタンのナノ粒子が主に導電性カーボンに担持された生成物が得られる。このことを解消するために、反応液にチタンアルコキシドと錯体を形成する反応抑制剤を含めるのが好ましい。   As described above, when the titanium source is a titanium alkoxide, the chemical reaction in which shear stress and centrifugal force are applied depending on the reaction conditions is too rapid, and the titanium oxide nanoparticles rather than lithium titanate are mainly conductive. A product supported on carbon is obtained. In order to solve this problem, it is preferable to include a reaction inhibitor that forms a complex with titanium alkoxide in the reaction solution.

本発明の複合材料の製造方法では、上記焼成工程における一次焼成により、導電性カーボン粉末に担持されたチタン酸リチウム前駆体から、LiTiOと酸化チタンとが生成する。導電性カーボン粉末上にチタン酸リチウム前駆体が高分散状態で担持されているため、一次焼成後に、微細なLiTiO及び酸化チタンが導電性カーボン粉末上に均一に生成する。そして、二次焼成により、均一に分布した微細なLiTiOと酸化チタンとから、スピネル型のチタン酸リチウムのナノ粒子が生成する。チタン酸リチウム前駆体からLiTiOと酸化チタンとを生成させる段階を経ることにより、最終的に得られる複合材料中の酸化チタンを実質的に消滅させることができることがわかった。 In the method for producing a composite material of the present invention, Li 2 TiO 3 and titanium oxide are generated from the lithium titanate precursor supported on the conductive carbon powder by the primary firing in the firing step. Since the lithium titanate precursor is supported in a highly dispersed state on the conductive carbon powder, fine Li 2 TiO 3 and titanium oxide are uniformly formed on the conductive carbon powder after the primary firing. Then, by secondary firing, spinel-type lithium titanate nanoparticles are generated from finely distributed Li 2 TiO 3 and titanium oxide. It was found that the titanium oxide in the composite material finally obtained can be substantially eliminated by passing through a step of generating Li 2 TiO 3 and titanium oxide from the lithium titanate precursor.

上記焼成工程において、一次焼成の雰囲気及び焼成時間には厳密な制限がないが、二次焼成は導電性カーボンの消失を防止するために真空中又は窒素中で行う必要がある。焼成温度については、一次焼成が200〜500℃の範囲であり、二次焼成が600〜950℃の範囲である。この範囲であると、良好なチタン酸リチウムが得られ、良好な容量、レート特性が得られる。一次焼成における焼成温度が200℃未満では、チタン酸リチウム前駆体からLiTiO及び酸化チタンへの転化が十分でないため好ましくなく、一次焼成における焼成温度が500℃を超えると、チタン酸リチウム前駆体からLiTiO及び酸化チタンへの転化を経ないでチタン酸リチウムが生成するようになるため好ましくなく、また焼成雰囲気に酸素が含まれている場合には、導電性カーボン粉末の消失が無視できなくなるため好ましくない。二次焼成温度が600℃未満であると、LiTiO及び酸化チタンからチタン酸リチウムへの転化が十分でないため好ましくなく、二次焼成温度が950℃を超えると、チタン酸リチウムが凝集して粒径がナノ粒子のサイズを超えるようになるため好ましくない。 In the firing step, the primary firing atmosphere and firing time are not strictly limited, but the secondary firing needs to be performed in a vacuum or nitrogen in order to prevent the loss of conductive carbon. About baking temperature, primary baking is the range of 200-500 degreeC, and secondary baking is the range of 600-950 degreeC. Within this range, good lithium titanate can be obtained, and good capacity and rate characteristics can be obtained. If the firing temperature in the primary firing is less than 200 ° C., the conversion from the lithium titanate precursor to Li 2 TiO 3 and titanium oxide is not preferable, and if the firing temperature in the primary firing exceeds 500 ° C., the lithium titanate precursor Lithium titanate is generated without undergoing conversion from the body to Li 2 TiO 3 and titanium oxide, and when oxygen is contained in the firing atmosphere, the conductive carbon powder is lost. This is not preferable because it cannot be ignored. When the secondary firing temperature is less than 600 ° C., conversion from Li 2 TiO 3 and titanium oxide to lithium titanate is not preferable, and when the secondary firing temperature exceeds 950 ° C., lithium titanate aggregates. This is not preferable because the particle size exceeds the size of the nanoparticles.

二次焼成は高温での焼成であるため、長時間の焼成を行うと、チタン酸リチウムが凝集して粒径が増大する(特許文献2の実施例2参照)ため好ましくない。この粒径の増大は、二次焼成の温度までの昇温過程及び二次焼成後の降温過程でも生じうる。この粒径の増大を抑制するために、本発明の複合材料の製造方法では、上記焼成工程において、500℃から二次焼成の温度までの昇温過程を真空中又は窒素中で5分以下の時間で行い、二次焼成を1〜20分の範囲で行い、二次焼成後の500℃までの降温過程を真空中又は窒素中で5分以下の時間で行うのが好ましい。この範囲であると、凝集のない良好なチタン酸リチウムが得られ、良好なレート特性が得られる。   Since secondary firing is firing at a high temperature, long-time firing is not preferable because lithium titanate aggregates and the particle size increases (see Example 2 of Patent Document 2). This increase in particle size can also occur in the temperature raising process up to the temperature of secondary firing and the temperature lowering process after secondary firing. In order to suppress the increase in the particle size, in the method for producing a composite material of the present invention, in the firing step, the temperature raising process from 500 ° C. to the temperature of the secondary firing is performed for 5 minutes or less in vacuum or nitrogen. It is preferable to carry out the second baking in the range of 1 to 20 minutes, and perform the temperature lowering process up to 500 ° C. after the second baking in a vacuum or in nitrogen for a time of 5 minutes or less. Within this range, good lithium titanate without aggregation can be obtained, and good rate characteristics can be obtained.

本発明の複合材料において、複合材料中のチタン酸リチウムが酸素欠陥を有し、該酸素欠陥に窒素がドープされていると、窒素ドープチタン酸リチウムが高い電気伝導度を有する上に、結晶格子間に対するリチウムイオンの出入りが容易になるため好ましい。本発明の複合材料の製造方法における焼成工程において、500℃から二次焼成の温度までの昇温過程、二次焼成、及び二次焼成後の500℃までの降温過程を窒素中で行うことにより、窒素ドープチタン酸リチウムを含む複合材料を好適に得ることができる。   In the composite material of the present invention, when the lithium titanate in the composite material has an oxygen defect and the oxygen defect is doped with nitrogen, the nitrogen-doped lithium titanate has a high electrical conductivity and a crystal lattice. It is preferable because lithium ions can easily enter and leave the space. In the firing step in the method for producing a composite material of the present invention, the temperature raising process from 500 ° C. to the secondary firing temperature, the secondary firing, and the temperature lowering process to 500 ° C. after the secondary firing are performed in nitrogen. A composite material containing nitrogen-doped lithium titanate can be suitably obtained.

本発明の複合材料は、高い放電容量と優れたレート特性とを示す電極を与えるため、リチウムイオン二次電池及び電気化学キャパシタの負極のために好適である。したがって、本発明はまた、本発明の複合材料を含む活物質層を有する負極を備えたリチウムイオン二次電池、及び、本発明の複合材料を含む活物質層を有する負極を備えた電気化学キャパシタ、を提供する。   The composite material of the present invention is suitable for a negative electrode of a lithium ion secondary battery and an electrochemical capacitor because it provides an electrode exhibiting a high discharge capacity and excellent rate characteristics. Therefore, the present invention also provides a lithium ion secondary battery having a negative electrode having an active material layer containing the composite material of the present invention, and an electrochemical capacitor having a negative electrode having an active material layer containing the composite material of the present invention. ,I will provide a.

本発明の複合材料の製造方法により、リチウムイオン二次電池や電気化学キャパシタの性能に悪影響を与える酸化チタンを実質的に含まない、スピネル型のチタン酸リチウムのナノ粒子と導電性カーボンとの複合材料が得られる。この複合材料の利用により、放電容量が高く、レート特性に優れたリチウムイオン二次電池及び電気化学キャパシタが得られる。   By the composite material manufacturing method of the present invention, a composite of spinel-type lithium titanate nanoparticles and conductive carbon substantially free of titanium oxide that adversely affects the performance of lithium ion secondary batteries and electrochemical capacitors A material is obtained. By using this composite material, a lithium ion secondary battery and an electrochemical capacitor having a high discharge capacity and excellent rate characteristics can be obtained.

一次焼成を経て製造された複合材料と一次焼成を経ないで製造された複合材料についてのX線粉末回折図である。It is an X-ray powder diffractogram about the composite material manufactured through primary baking, and the composite material manufactured without performing primary baking. 一次焼成を経て製造された複合材料を用いた半電池と、一次焼成を経ないで製造された複合材料を用いた半電池についての、レート特性を示す図である。It is a figure which shows the rate characteristic about the half battery using the composite material manufactured through primary baking, and the half battery using the composite material manufactured without passing through primary baking. 一次焼成を経て製造された複合材料を用いた半電池と、一次焼成を経ないで製造された複合材料を用いた半電池についての、レート特性を容量維持率の形態で示した示す図である。It is the figure which showed the rate characteristic in the form of the capacity | capacitance maintenance factor about the half battery using the composite material manufactured through primary baking, and the half battery using the composite material manufactured without passing through primary baking. .

(A)複合材料及びその製造方法
本発明の複合材料は、導電性カーボン粉末と、該導電性カーボン粉末に付着しているスピネル型のチタン酸リチウムのナノ粒子と、を含み酸化チタンを実質的に含まない。この複合材料は、
a)旋回可能な反応器内にリチウム源とチタン源と導電性カーボン粉末とを含む反応液を導入する調製工程、
b)上記反応器を旋回させて上記反応液にずり応力と遠心力とを加えることにより、上記導電性カーボン粉末にチタン酸リチウム前駆体を高分散状態で担持させる担持工程、
c)上記チタン酸リチウム前駆体を担持させた導電性カーボン粉末を、200〜500℃の温度で一次焼成した後、真空中又は窒素中で600〜950℃の温度で二次焼成することにより、上記導電性カーボン粉末上で上記チタン酸リチウム前駆体をスピネル型のチタン酸リチウムのナノ粒子に転化する焼成工程
を含む方法により、製造することができる。以下、各工程について詳細に説明する。
(A) Composite Material and Method for Producing the Same The composite material of the present invention includes a conductive carbon powder and spinel-type lithium titanate nanoparticles attached to the conductive carbon powder, and substantially contains titanium oxide. Not included. This composite material
a) a preparation step of introducing a reaction solution containing a lithium source, a titanium source and a conductive carbon powder into a swirlable reactor;
b) A supporting step of supporting the lithium titanate precursor in a highly dispersed state on the conductive carbon powder by rotating the reactor and applying shear stress and centrifugal force to the reaction solution.
c) By conducting the primary firing of the conductive carbon powder carrying the lithium titanate precursor at a temperature of 200 to 500 ° C, followed by secondary firing at a temperature of 600 to 950 ° C in vacuum or nitrogen, It can be produced by a method including a firing step of converting the lithium titanate precursor into spinel type lithium titanate nanoparticles on the conductive carbon powder. Hereinafter, each step will be described in detail.

a)調製工程
調製工程では、溶媒に、チタン酸リチウムの原料となるリチウム源及びチタン源と、チタン酸リチウムを付着させるための導電性カーボン粉末とを少なくとも添加し、リチウム源及びチタン源を溶媒に溶解させることによって、反応液を得る。
a) Preparation Step In the preparation step, at least a lithium source and a titanium source that are raw materials for lithium titanate and a conductive carbon powder for adhering lithium titanate are added to the solvent, and the lithium source and the titanium source are used as a solvent. To obtain a reaction solution.

溶媒としては、反応に悪影響を及ぼさない液であれば特に限定なく使用することができ、水、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコールなどを好適に使用することができる。2種以上の溶媒を混合して使用しても良い。   As the solvent, any solvent that does not adversely influence the reaction can be used without particular limitation, and water, methanol, ethanol, isopropyl alcohol, and the like can be suitably used. Two or more solvents may be mixed and used.

リチウム源及びチタン源としては、上記溶媒に溶解可能な化合物を特に限定なく使用することができる。リチウム源の例としては、酢酸リチウム、水酸化リチウム、硝酸リチウム、炭酸リチウム、硫酸リチウムが挙げられる。チタン源としては、チタンのメトキシド、エトキシド、イソプロポキシド、ブトキシド等のアルコキシドが好適であるが、この他に、酢酸塩等の有機金属塩、塩化物、硝酸塩等の無機金属塩が挙げられる。リチウム源及びチタン源のそれぞれについて、単独の化合物を使用しても良く、2種以上の化合物を混合して使用しても良い。チタン源中のチタンに対するリチウム源中のリチウムの原子比は、0.8より大きい値が選択され、略1であるのが好ましい。   As the lithium source and the titanium source, a compound that can be dissolved in the solvent can be used without any particular limitation. Examples of the lithium source include lithium acetate, lithium hydroxide, lithium nitrate, lithium carbonate, and lithium sulfate. As the titanium source, alkoxides such as methoxide, ethoxide, isopropoxide, and butoxide of titanium are suitable, but other than these, organic metal salts such as acetate, and inorganic metal salts such as chloride and nitrate are exemplified. A single compound may be used for each of the lithium source and the titanium source, or two or more compounds may be mixed and used. The atomic ratio of lithium in the lithium source to titanium in the titanium source is selected to be greater than 0.8 and is preferably approximately 1.

導電性カーボン粉末としては、導電性を有しているカーボンであれば特に限定なく使用することができる。例としては、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、チャネルブラックなどのカーボンブラック、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ、無定形炭素、炭素繊維、天然黒鉛、人造黒鉛、黒鉛化ケッチェンブラック、活性炭、メソポーラス炭素などを挙げることができる。また、気相法炭素繊維を使用することもできる。これらのカーボン粉末は、単独で使用しても良く、2種以上を混合して使用しても良い。カーボン粉末の比表面積が大きいと、最終生成物におけるチタン酸リチウムの分散性を向上させることができ、最終生成物の複合材料におけるチタン酸リチウムの含有量を増加させることができるため、カーボン粉末もナノ粒子であるのが好ましい。   As the conductive carbon powder, any conductive carbon powder can be used without particular limitation. Examples include carbon black such as ketjen black, acetylene black, channel black, fullerene, carbon nanotube, carbon nanofiber, amorphous carbon, carbon fiber, natural graphite, artificial graphite, graphitized ketjen black, activated carbon, mesoporous carbon And so on. Also, vapor grown carbon fiber can be used. These carbon powders may be used alone or in combination of two or more. When the specific surface area of the carbon powder is large, the dispersibility of lithium titanate in the final product can be improved, and the content of lithium titanate in the composite material of the final product can be increased. Nanoparticles are preferred.

チタン源がチタンアルコキシドである場合には、例えば、酢酸、クエン酸、蓚酸、ギ酸、乳酸、酒石酸、フマル酸、コハク酸、プロピオン酸、レプリン酸、EDTA、トリエタノールアミン等のチタンアルコキシドと錯体を形成する化合物を、反応抑制剤として、チタンアルコキシドの加水分解反応速度を抑制する目的で反応液中に含めるのが好ましい。   When the titanium source is a titanium alkoxide, for example, a complex with a titanium alkoxide such as acetic acid, citric acid, succinic acid, formic acid, lactic acid, tartaric acid, fumaric acid, succinic acid, propionic acid, repric acid, EDTA, triethanolamine, etc. The compound to be formed is preferably included in the reaction solution as a reaction inhibitor for the purpose of suppressing the hydrolysis reaction rate of titanium alkoxide.

旋回可能な反応器としては、反応液に超遠心力を印加可能な反応器であれば特に限定なく使用することができるが、特許文献1(特開2007−160151号公報)の図1に記載されている、外筒と内筒の同心円筒からなり、旋回可能な内筒の側面に貫通孔が設けられ、外筒の開口部にせき板が配置されている反応器が好適に使用される。以下、この好適な反応器を使用する形態について説明する。   As the reactor capable of swirling, any reactor can be used as long as it can apply a supercentrifugal force to the reaction solution, but it is described in FIG. 1 of Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2007-160151). A reactor having a concentric cylinder of an outer cylinder and an inner cylinder, in which a through-hole is provided in a side surface of the rotatable inner cylinder, and a slat plate is disposed at an opening of the outer cylinder is preferably used. . Hereinafter, the form which uses this suitable reactor is demonstrated.

超遠心力場での反応に付すための反応液は、上記反応器の内筒内に導入される。予め調製した反応液を内筒内に導入しても良く、内筒内で反応液を調製することにより導入しても良い。リチウム源、チタン源、及び必要に応じた反応抑制剤が溶媒に溶解しており且つ導電性カーボン粉末が液に分散している反応液が得られれば良く、溶媒に対するリチウム源、チタン源、必要に応じた反応抑制剤、及び導電性カーボン粉末の添加順序には限定がない。溶媒にチタン源と導電性カーボン粉末とを添加し、得られた液を攪拌して導電性カーボン粉末を液に分散させた後、加水分解のための水を含む溶媒にリチウム源と必要に応じて反応抑制剤とを溶解させた液を混合するのが好ましい。導電性カーボン粉末の分散性を高めることによって、以下の担持工程においてチタン酸リチウム前駆体がより均一且つ微細に導電性カーボン粉末上に担持されるからである。攪拌は、ホモジナイザー等の攪拌手段を用いて行っても良く、反応器内で反応液を調製する場合には反応器を旋回させることによって行っても良い。   A reaction solution for reaction in an ultracentrifugal force field is introduced into the inner cylinder of the reactor. A reaction liquid prepared in advance may be introduced into the inner cylinder, or may be introduced by preparing the reaction liquid in the inner cylinder. It is only necessary to obtain a reaction solution in which a lithium source, a titanium source, and a reaction inhibitor as required are dissolved in a solvent and a conductive carbon powder is dispersed in the solution. There is no limitation on the order of addition of the reaction inhibitor and the conductive carbon powder according to the conditions. Add the titanium source and conductive carbon powder to the solvent, stir the resulting liquid to disperse the conductive carbon powder in the liquid, then add the lithium source and water as needed to the solvent containing water for hydrolysis It is preferable to mix a solution in which the reaction inhibitor is dissolved. This is because by increasing the dispersibility of the conductive carbon powder, the lithium titanate precursor is more uniformly and finely supported on the conductive carbon powder in the following supporting step. Stirring may be performed using a stirring means such as a homogenizer, or when preparing a reaction liquid in the reactor, the stirring may be performed by rotating the reactor.

b)担持工程
担持工程では、反応器を旋回させて反応液にずり応力と遠心力とを加えることにより、導電性カーボン粉末を分散させつつ、チタン源の加水分解反応、縮合反応及びこれに続くリチウム源との反応を促進させて、リチウムと酸化チタンとの複合体から成るチタン酸リチウム前駆体を導電性カーボン粉末上に担持させる。
b) Supporting step In the supporting step, the reactor is swirled to apply shear stress and centrifugal force to the reaction solution, thereby dispersing the conductive carbon powder, followed by hydrolysis reaction, condensation reaction and subsequent titanium source. The reaction with the lithium source is promoted, and a lithium titanate precursor composed of a composite of lithium and titanium oxide is supported on the conductive carbon powder.

チタン源及びリチウム源からチタン酸リチウム前駆体への転化、及び、チタン酸リチウム前駆体の導電性カーボン粉末への担持は、反応液に加えられるずり応力と遠心力の機械的エネルギーによって実現されると考えられるが、このずり応力と遠心力は内筒の旋回により反応液に加えられる遠心力によって生じる。内筒の反応液に加えられる遠心力は、一般に「超遠心力」といわれる範囲の遠心力であり、一般には1500kgms−2以上、好ましくは70000kgms−2以上、特に好ましくは270000kgms−2以上である。 Conversion from a titanium source and a lithium source to a lithium titanate precursor and loading of the lithium titanate precursor onto a conductive carbon powder is realized by mechanical energy of shear stress and centrifugal force applied to the reaction solution. However, the shear stress and the centrifugal force are generated by the centrifugal force applied to the reaction liquid by the rotation of the inner cylinder. The centrifugal force applied to the reaction solution in the inner cylinder is a centrifugal force in a range generally referred to as “ultracentrifugal force”, and is generally 1500 kgms −2 or more, preferably 70000 kgms −2 or more, particularly preferably 270000 kgms −2 or more. .

上述した外筒と内筒とを有する好適な反応器を使用する形態について説明すると、反応液を導入した反応器の内筒を旋回させると、内筒の旋回による遠心力によって、内筒内の反応液が貫通孔を通じて外筒に移動し、内筒外壁と外筒内壁の間の反応液が薄膜状となって外筒内壁上部にずり上がる。その結果、この薄膜にずり応力と遠心力が加わり、この機械的なエネルギーが反応に必要な化学エネルギー、いわゆる活性化エネルギーに転化するものと思われるが、短時間で反応が進行する。   The embodiment using the preferred reactor having the outer cylinder and the inner cylinder described above will be described. When the inner cylinder of the reactor into which the reaction liquid has been introduced is swung, the centrifugal force generated by the swirling of the inner cylinder causes The reaction liquid moves to the outer cylinder through the through hole, and the reaction liquid between the outer wall of the inner cylinder and the inner wall of the outer cylinder becomes a thin film and slides up to the upper part of the inner wall of the outer cylinder. As a result, shear stress and centrifugal force are applied to this thin film, and this mechanical energy seems to be converted into chemical energy necessary for the reaction, so-called activation energy, but the reaction proceeds in a short time.

上記反応において、内筒外壁面と外筒内壁面との間隔が狭いほど、薄膜に大きな機械的エネルギーを印加できるため好ましい。内筒外壁面と外筒内壁面との間隔は、5mm以下であるのが好ましく、2.5mm以下であるのがより好ましく、1.0mm以下であるのが特に好ましい。内筒外壁面と外筒内壁面との間隔は、反応器のせき板の幅及び反応器に導入される反応液の量によって設定することができる。   In the above reaction, the narrower the distance between the outer wall surface of the inner cylinder and the inner wall surface of the outer cylinder, the more preferable mechanical energy can be applied to the thin film. The distance between the inner cylinder outer wall surface and the outer cylinder inner wall surface is preferably 5 mm or less, more preferably 2.5 mm or less, and particularly preferably 1.0 mm or less. The distance between the inner cylinder outer wall surface and the outer cylinder inner wall surface can be set by the width of the reactor plate and the amount of the reaction liquid introduced into the reactor.

内筒の旋回時間には厳密な制限がなく、反応液の量や内筒の旋回速度(遠心力の値)によっても変化するが、一般的には0.5分〜10分の範囲である。反応終了後に、内筒の旋回を停止し、チタン酸リチウム前駆体を担持させた導電性カーボン粉末を回収して乾燥する。   The turning time of the inner cylinder is not strictly limited and varies depending on the amount of the reaction solution and the turning speed (centrifugal force) of the inner cylinder, but is generally in the range of 0.5 to 10 minutes. . After completion of the reaction, the inner cylinder stops turning, and the conductive carbon powder carrying the lithium titanate precursor is recovered and dried.

この担持工程では、旋回する反応器を用いることにより、導電性カーボン粉末が反応液中に高分散し、この高分散した導電性カーボン上にチタン酸リチウム前駆体が高分散状態で担持される。   In this supporting step, by using a rotating reactor, the conductive carbon powder is highly dispersed in the reaction solution, and the lithium titanate precursor is supported in a highly dispersed state on the highly dispersed conductive carbon.

c)焼成工程
焼成工程では、担持工程において得られたチタン酸リチウム前駆体を担持させた導電性カーボン粉末を、200〜500℃の温度で一次焼成した後に、真空中又は窒素中で600〜950℃の温度で二次焼成する。
c) Firing step In the firing step, the conductive carbon powder carrying the lithium titanate precursor obtained in the carrying step is first calcined at a temperature of 200 to 500 ° C, and then in vacuum or in nitrogen in 600 to 950. Secondary firing at a temperature of ° C.

一次焼成は、200〜500℃の範囲の温度で行われる。一次焼成により、導電性カーボン粉末に担持されたチタン酸リチウム前駆体がLiTiOと酸化チタンとに転化する。 The primary firing is performed at a temperature in the range of 200 to 500 ° C. By primary firing, the lithium titanate precursor supported on the conductive carbon powder is converted into Li 2 TiO 3 and titanium oxide.

一次焼成の雰囲気には特に限定がなく、真空中での焼成でも良く、窒素中の焼成でも良く、大気等の酸素含有雰囲気中での焼成でも良い。一次焼成の時間にも特別な限定がないが、一般には30分〜10時間の範囲である。一次焼成における焼成温度が200℃未満では、チタン酸リチウム前駆体からLiTiO及び酸化チタンへの転化が十分でないため好ましくなく、一次焼成における焼成温度が500℃を超えると、チタン酸リチウム前駆体からLiTiO及び酸化チタンへの転化を経ないでチタン酸リチウムが生成するようになるため好ましくなく、また焼成雰囲気に酸素が含まれると導電性カーボン粉末の消失が無視できなくなるため好ましくない。 The atmosphere for the primary firing is not particularly limited, and may be firing in a vacuum, firing in nitrogen, or firing in an oxygen-containing atmosphere such as air. Although there is no special limitation in the time of primary baking, generally it is the range of 30 minutes-10 hours. If the firing temperature in the primary firing is less than 200 ° C., the conversion from the lithium titanate precursor to Li 2 TiO 3 and titanium oxide is not preferable, and if the firing temperature in the primary firing exceeds 500 ° C., the lithium titanate precursor It is not preferable because lithium titanate is produced without undergoing conversion from the body to Li 2 TiO 3 and titanium oxide, and it is not preferable because the loss of the conductive carbon powder cannot be ignored if oxygen is contained in the firing atmosphere. Absent.

上記担持工程において、導電性カーボン粉末上にチタン酸リチウム前駆体が高分散状態で担持されるため、一次焼成後に、微細なLiTiO及び酸化チタンが導電性カーボン粉末上に均一に生成する。 In the supporting step, since the lithium titanate precursor is supported in a highly dispersed state on the conductive carbon powder, fine Li 2 TiO 3 and titanium oxide are uniformly formed on the conductive carbon powder after the primary firing. .

一次焼成の終了後に、二次焼成が行われる。一次焼成の後直ぐに二次焼成を行ってもよいが、一次焼成後に冷却過程を設け、その後に二次焼成を行ってもよい。一次焼成により導電性カーボン粉末上に均一に生成した微細なLiTiOと酸化チタンが、二次焼成によりスピネル型のチタン酸リチウムのナノ粒子に導電性カーボン粉末上で転化する。 Secondary baking is performed after completion | finish of primary baking. Although secondary baking may be performed immediately after primary baking, a cooling process may be provided after primary baking, and then secondary baking may be performed. Fine Li 2 TiO 3 and titanium oxide uniformly formed on the conductive carbon powder by the primary firing are converted into spinel-type lithium titanate nanoparticles on the conductive carbon powder by the secondary firing.

二次焼成は、導電性カーボンの消失を防止するために真空中又は窒素中で行う必要がある。焼成温度は、600〜950℃の範囲で選択される。二次焼成の温度が600℃未満であると、LiTiO及び酸化チタンからチタン酸リチウムへの転化が十分でないため好ましくなく、二次焼成温度が950℃を超えると、チタン酸リチウムが凝集して粒径がナノ粒子のサイズを超えるようになるため好ましくない。 The secondary firing needs to be performed in vacuum or nitrogen in order to prevent disappearance of the conductive carbon. The firing temperature is selected in the range of 600 to 950 ° C. When the secondary firing temperature is less than 600 ° C., conversion from Li 2 TiO 3 and titanium oxide to lithium titanate is not preferable, and when the secondary firing temperature exceeds 950 ° C., lithium titanate aggregates. Then, the particle size exceeds the size of the nanoparticles, which is not preferable.

二次焼成は高温での焼成であるため、長時間の焼成を行うと、チタン酸リチウムが凝集して粒径が増大するため好ましくない。この粒径の増大は、二次焼成の温度までの昇温過程及び二次焼成後の降温過程でも生じうる。したがって、この凝集を抑制するために、500℃から二次焼成の温度までの昇温過程を真空中又は窒素中で5分以下の時間で行い、二次焼成を1〜20分の時間で行い、二次焼成後の500℃までの降温過程を真空中又は窒素中で5分以下の時間で行うのが好ましい。   Since secondary firing is firing at a high temperature, performing firing for a long time is not preferable because lithium titanate aggregates and the particle size increases. This increase in particle size can also occur in the temperature raising process up to the temperature of secondary firing and the temperature lowering process after secondary firing. Therefore, in order to suppress this agglomeration, the temperature raising process from 500 ° C. to the temperature of the secondary firing is performed in a vacuum or nitrogen in a time of 5 minutes or less, and the secondary firing is performed in a time of 1 to 20 minutes. The temperature lowering process up to 500 ° C. after the secondary firing is preferably performed in vacuum or nitrogen for a time of 5 minutes or less.

二次焼成は窒素中で行うのが好ましい。窒素中での二次焼成の間に、カーボンの還元作用によりチタン酸リチウムに酸素欠陥が生じ、この酸素欠陥に窒素がドープされる。この窒素ドープチタン酸リチウムは高い電気伝導度を有し、またチタン酸リチウムの結晶格子間に対するリチウムイオンの出入りが容易である。この窒素ドープチタン酸リチウムは、500℃から二次焼成の温度までの昇温過程、二次焼成、及び二次焼成後の500℃までの降温過程の全てを窒素中で行うことにより、好適に得ることができる。   The secondary firing is preferably performed in nitrogen. During secondary firing in nitrogen, oxygen deficiency occurs in lithium titanate due to the reducing action of carbon, and this oxygen defect is doped with nitrogen. This nitrogen-doped lithium titanate has high electrical conductivity, and lithium ions can easily enter and exit between the crystal lattices of lithium titanate. This nitrogen-doped lithium titanate is suitably obtained by performing all of the temperature rising process from 500 ° C. to the temperature of the secondary firing, the secondary firing, and the temperature lowering process to 500 ° C. after the secondary firing in nitrogen. Can be obtained.

一次焼成によってチタン酸リチウム前駆体からLiTiOと酸化チタンを生成させる段階を経ることにより、二次焼成後に得られる複合材料中の酸化チタンを実質的に消滅させることができる。担持工程において得られたチタン酸リチウム前駆体を担持させた導電性カーボン粉末を、一次焼成を経ずに、窒素中或いは真空中で600〜950℃の温度で焼成しても、酸化チタンが混在した複合材料しか得られない。 By passing through the step of generating Li 2 TiO 3 and titanium oxide from the lithium titanate precursor by primary firing, the titanium oxide in the composite material obtained after the secondary firing can be substantially eliminated. Even if the conductive carbon powder carrying the lithium titanate precursor obtained in the carrying step is fired in nitrogen or vacuum at a temperature of 600 to 950 ° C. without undergoing primary firing, titanium oxide is mixed. Can only be obtained.

(B)複合材料の用途
本発明の複合材料は、リチウムイオン二次電池の負極のために好適である。したがって、本発明はまた、本発明の複合材料を含む活物質層を有する負極と、リチウムイオンの挿入・脱離が可能な正極活物質を含む活物質層を備えた正極と、負極と正極との間に配置された非水系電解液を保持したセパレータとを備えたリチウムイオン二次電池を提供する。
(B) Use of composite material The composite material of this invention is suitable for the negative electrode of a lithium ion secondary battery. Therefore, the present invention also provides a negative electrode having an active material layer containing the composite material of the present invention, a positive electrode including an active material layer containing a positive electrode active material capable of inserting and removing lithium ions, and a negative electrode and a positive electrode. A lithium ion secondary battery including a separator that holds a non-aqueous electrolyte disposed between the two is provided.

負極のための活物質層は、必要に応じてバインダを溶解した溶媒に、本発明の複合材料を分散させ、得られた分散物をドクターブレード法などによって集電体上に塗工し、乾燥することにより作成することができる。また、得られた分散物を所定形状に成形し、集電体上に圧着しても良い。   The active material layer for the negative electrode is obtained by dispersing the composite material of the present invention in a solvent in which a binder is dissolved, if necessary, and applying the obtained dispersion on a current collector by a doctor blade method or the like, followed by drying. Can be created. Further, the obtained dispersion may be formed into a predetermined shape and may be pressure-bonded on the current collector.

集電体としては、白金、金、ニッケル、アルミニウム、チタン、鋼、カーボンなどの導電材料を使用することができる。集電体の形状は、膜状、箔状、板状、網状、エキスパンドメタル状、円筒状などの任意の形状を採用することができる。   As the current collector, a conductive material such as platinum, gold, nickel, aluminum, titanium, steel, or carbon can be used. As the shape of the current collector, any shape such as a film shape, a foil shape, a plate shape, a net shape, an expanded metal shape, and a cylindrical shape can be adopted.

バインダとしては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレンコポリマー、ポリフッ化ビニル、カルボキシメチルセルロースなどの公知のバインダが使用される。バインダの含有量は、混合材料の総量に対して1〜30質量%であるのが好ましい。1質量%以下であると活物質層の強度が十分でなく、30質量%以上であると、負極の放電容量が低下する、内部抵抗が過大になるなどの不都合が生じる。   As the binder, known binders such as polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, polyvinyl fluoride, and carboxymethyl cellulose are used. The content of the binder is preferably 1 to 30% by mass with respect to the total amount of the mixed material. If it is 1% by mass or less, the strength of the active material layer is not sufficient, and if it is 30% by mass or more, disadvantages such as a decrease in the discharge capacity of the negative electrode and an excessive internal resistance occur.

正極としては、公知の正極活物質を含む活物質層を備えた正極を特に限定無く使用することができる。正極活物質の例としては、例えば、LiMn、LiMnO、LiV、LiNiO、LiCoOなどのリチウムと遷移金属との複合酸化物、TiS、MoSなどの硫化物、NbSeなどのセレン化物、Cr、V、V13、VO、Cr、MnO、TiO、MoVなどの遷移金属の酸化物、ポリフルオレン、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリパラフェニレンなどの導電性高分子を使用することができる。 As the positive electrode, a positive electrode provided with an active material layer containing a known positive electrode active material can be used without any particular limitation. Examples of the positive electrode active material include, for example, lithium and transition metal composite oxides such as LiMn 2 O 4 , LiMnO 2 , LiV 3 O 5 , LiNiO 2 , and LiCoO 2 , sulfides such as TiS 2 and MoS 2 , Selenides such as NbSe 3 , transition metal oxides such as Cr 3 O 8 , V 2 O 5 , V 5 O 13 , VO 2 , Cr 2 O 5 , MnO 2 , TiO 2 , and MoV 2 O 8 , polyfluorene In addition, conductive polymers such as polythiophene, polyaniline, and polyparaphenylene can be used.

正極のための活物質層は、必要に応じてバインダを溶解した溶媒に、上記正極活物質と導電剤とを分散させ、得られた分散物をドクターブレード法などによって集電体上に塗工し、乾燥することにより作成することができる。また、得られた分散物を所定形状に成形し、集電体上に圧着しても良い。   The active material layer for the positive electrode is dispersed on the current collector by the doctor blade method or the like by dispersing the positive electrode active material and the conductive agent in a solvent in which a binder is dissolved as necessary. And can be made by drying. Further, the obtained dispersion may be formed into a predetermined shape and may be pressure-bonded on the current collector.

集電体及びバインダについては、負極のための集電体及びバインダについての記載が正極においてもあてはまる。導電剤としては、カーボンブラック、天然黒鉛、人造黒鉛などの炭素粉末を使用することができる。   Regarding the current collector and binder, the description of the current collector and binder for the negative electrode also applies to the positive electrode. As the conductive agent, carbon powder such as carbon black, natural graphite, and artificial graphite can be used.

セパレータとしては、例えばポリオレフィン繊維不織布、ガラス繊維不織布などが好適に使用される。セパレータに保持される電解液は、非水系溶媒に電解質を溶解させた電解液が使用され、公知の非水系電解液を特に制限なく使用することができる。   As the separator, for example, a polyolefin fiber nonwoven fabric or a glass fiber nonwoven fabric is preferably used. As the electrolytic solution retained in the separator, an electrolytic solution in which an electrolyte is dissolved in a non-aqueous solvent is used, and a known non-aqueous electrolytic solution can be used without any particular limitation.

非水系電解液の溶媒としては、電気化学的に安定なエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、スルホラン、3−メチルスルホラン、γ−ブチロラクトン、アセトニトリル及びジメトキシエタン、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルホルムアミド又はこれらの混合物を好適に使用することができる。   As the solvent for the non-aqueous electrolyte, electrochemically stable ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, diethyl carbonate, sulfolane, 3-methyl sulfolane, γ-butyrolactone, acetonitrile and dimethoxyethane, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethylformamide or a mixture thereof can be preferably used.

非水系電解液の溶質としては、有機電解液に溶解したときにリチウムイオンを生成する塩を、特に限定なく使用することができる。例えば、LiPF、LiBF、LiClO、LiN(CFSO、LiCFSO、LiC(SOCF、LiN(SO、LiAsF、LiSbF、又はこれらの混合物を好適に使用することができる。非水系電解液の溶質として、リチウムイオンを生成する塩に加えて、第4級アンモニウムカチオン又は第4級ホスホニウムカチオンを有する第4級アンモニウム塩又は第4級ホスホニウム塩を使用することができる。例えば、R又はRで表されるカチオン(ただし、R、R、R、Rは炭素数1〜6のアルキル基を表す)と、PF 、BF 、ClO 、N(CFSO 、CFSO 、C(SOCF 、N(SO 、AsF 又はSbF からなるアニオンとからなる塩、又はこれらの混合物を好適に使用することができる。 As a solute of the nonaqueous electrolytic solution, a salt that generates lithium ions when dissolved in an organic electrolytic solution can be used without any particular limitation. For example, LiPF 6, LiBF 4, LiClO 4, LiN (CF 3 SO 2) 2, LiCF 3 SO 3, LiC (SO 2 CF 3) 3, LiN (SO 2 C 2 F 5) 2, LiAsF 6, LiSbF 6 Or a mixture thereof can be preferably used. As a solute of the nonaqueous electrolytic solution, a quaternary ammonium salt or a quaternary phosphonium salt having a quaternary ammonium cation or a quaternary phosphonium cation can be used in addition to a salt that generates lithium ions. For example, a cation represented by R 1 R 2 R 3 R 4 N + or R 1 R 2 R 3 R 4 P + (where R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are alkyl having 1 to 6 carbon atoms) Group), PF 6 , BF 4 , ClO 4 , N (CF 3 SO 3 ) 2 , CF 3 SO 3 , C (SO 2 CF 3 ) 3 , N (SO 2 C 2 A salt composed of an anion composed of F 5 ) 2 , AsF 6 or SbF 6 , or a mixture thereof can be suitably used.

本発明の複合材料を含む活物質層を備えた負極は、上述したリチウムイオン二次電池における正極を分極性電極に変更することにより、電気化学キャパシタを構成するために好適に使用することができる。したがって、本発明はまた、本発明の複合材料を含む活物質層を有する負極と、正極としての分極性電極と、負極と正極との間に配置された非水系電解液を保持したセパレータとを備えた電気化学キャパシタを提供する。   The negative electrode provided with the active material layer containing the composite material of the present invention can be suitably used to configure an electrochemical capacitor by changing the positive electrode in the above-described lithium ion secondary battery to a polarizable electrode. . Therefore, the present invention also includes a negative electrode having an active material layer containing the composite material of the present invention, a polarizable electrode as a positive electrode, and a separator holding a non-aqueous electrolyte disposed between the negative electrode and the positive electrode. An electrochemical capacitor is provided.

電気化学キャパシタの正極として用いる分極性電極のために、活性炭、カーボンナノチューブ、メソポーラス炭素等の炭素質材料を用いることができる。活性炭としては、やしがら、フェノール樹脂、石油コークス等が挙げられ、また活性炭原料の賦活方法としては水蒸気賦活法、溶融アルカリ賦活法等が挙げられる。バインダを溶解した溶媒に、上記炭素質材料と導電剤とを分散させ、得られた分散物をドクターブレード法などによって集電体上に塗工し、乾燥することにより、分極性電極を作成することができる。また、得られた分散物を所定形状に成形し、集電体上に圧着しても良い。集電体、導電剤及びバインダとしては、上述したリチウムイオン二次電池の正極のための集電体、導電剤及びバインダについての記載がこの場合にもあてはまる。また、上述したリチウムイオン二次電池の負極、非水系電解液及びセパレータについての記載が電気化学キャパシタにおいてもあてはまる。   For the polarizable electrode used as the positive electrode of the electrochemical capacitor, a carbonaceous material such as activated carbon, carbon nanotube, or mesoporous carbon can be used. Examples of the activated carbon include palm, phenol resin, petroleum coke and the like, and examples of the activated carbon raw material activation method include a steam activation method and a molten alkali activation method. The carbonaceous material and the conductive agent are dispersed in a solvent in which the binder is dissolved, and the obtained dispersion is applied onto a current collector by a doctor blade method or the like, and dried to create a polarizable electrode. be able to. Further, the obtained dispersion may be formed into a predetermined shape and may be pressure-bonded on the current collector. As the current collector, the conductive agent, and the binder, the description of the current collector, the conductive agent, and the binder for the positive electrode of the lithium ion secondary battery described above also applies to this case. Moreover, the description about the negative electrode of the lithium ion secondary battery mentioned above, a non-aqueous electrolyte, and a separator is applicable also to an electrochemical capacitor.

本発明の複合材料の利用により、放電容量が高く、レート特性に優れたリチウムイオン二次電池及び電気化学キャパシタが得られる。   By using the composite material of the present invention, a lithium ion secondary battery and an electrochemical capacitor having a high discharge capacity and excellent rate characteristics can be obtained.

本発明を以下の実施例を用いて説明するが、本発明は以下の実施例に限定されない。   The present invention will be described with reference to the following examples, but the present invention is not limited to the following examples.

実施例
カーボンナノファイバ0.24gとテトライソプロポキシチタン2.96gとをイソプロピルアルコール15.62gに添加して、テトライソプロポキシチタンをイソプロピルアルコールに溶解させた。チタンアルコキシドとカーボンナノファイバの質量比は、最終生成物である複合材料においてチタン酸リチウムとカーボンナノファイバの質量比が約8:2となるように選択した。得られた液を、特許文献1(特開2007−160151号公報)の図1に示されている、外筒と内筒の同心円筒からなり、内筒の側面に貫通孔が設けられ、外筒の開口部にせき板が配置されている反応器の内筒内に導入し、35000kgms−2の遠心力が液に印加されるように内筒を300秒間旋回させて、カーボンナノファイバを液に高分散させた。
Example 0.24 g of carbon nanofibers and 2.96 g of tetraisopropoxy titanium were added to 15.62 g of isopropyl alcohol, and tetraisopropoxy titanium was dissolved in isopropyl alcohol. The mass ratio of titanium alkoxide and carbon nanofibers was selected so that the mass ratio of lithium titanate and carbon nanofibers in the composite material as the final product was about 8: 2. The obtained liquid is composed of a concentric cylinder of an outer cylinder and an inner cylinder shown in FIG. 1 of Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2007-160151), and a through hole is provided on a side surface of the inner cylinder. The carbon nanofibers are introduced into the inner cylinder of a reactor in which a swash plate is arranged at the opening of the cylinder, and the inner cylinder is swung for 300 seconds so that a centrifugal force of 35000 kgms- 2 is applied to the liquid. Highly dispersed.

酢酸1.99gと酢酸リチウム0.62gとを、イソプロピルアルコール1.74gと水1.84gとの混合溶媒に溶解した。得られた液を上記反応器の内筒内に導入し、反応液を調製した。この反応液に35000kgms−2の遠心力が印加されるように内筒を300秒間旋回させて、外筒の内壁に反応液の薄膜を形成させると共に、反応液にずり応力と遠心力を加えて化学反応を促進させ、チタン酸リチウムの前駆体を高分散状態でカーボンナノファイバ上に担持させた。 Acetic acid 1.99 g and lithium acetate 0.62 g were dissolved in a mixed solvent of isopropyl alcohol 1.74 g and water 1.84 g. The obtained liquid was introduced into the inner cylinder of the reactor to prepare a reaction liquid. The inner cylinder is swung for 300 seconds so that a centrifugal force of 35000 kgms- 2 is applied to the reaction liquid, and a thin film of the reaction liquid is formed on the inner wall of the outer cylinder, and shear stress and centrifugal force are applied to the reaction liquid. The chemical reaction was promoted, and the lithium titanate precursor was supported on the carbon nanofibers in a highly dispersed state.

次いで、上記反応器の内容物を回収し、大気中で溶媒を蒸発させ、さらに100℃で17時間乾燥した。得られたチタン酸リチウムの前駆体を担持させたカーボンナノファイバを、窒素中、400℃で1時間一次焼成し、室温まで冷却した後、窒素中、2分で室温から700℃まで昇温し、3分間二次焼成し、500℃まで3分で降温することにより、5〜20nmのナノ粒子がカーボンナノファイバ上に高分散状態で担持された複合材料を得た。   Next, the contents of the reactor were recovered, the solvent was evaporated in the atmosphere, and the mixture was further dried at 100 ° C. for 17 hours. The obtained carbon nanofiber carrying the lithium titanate precursor was primarily fired in nitrogen at 400 ° C. for 1 hour, cooled to room temperature, and then heated from room temperature to 700 ° C. in 2 minutes in nitrogen. By performing secondary firing for 3 minutes and lowering the temperature to 500 ° C. in 3 minutes, a composite material in which 5 to 20 nm nanoparticles were supported in a highly dispersed state on carbon nanofibers was obtained.

得られた複合材料40質量部を、カルボキシメチルセルロース1質量部、アクリル系ゴムバインダ1質量部、及び水300質量部と混合し、この混合物を銅箔に塗布した後に乾燥して、活物質層の厚さが10μmの電極を作製した。   40 parts by mass of the obtained composite material was mixed with 1 part by mass of carboxymethyl cellulose, 1 part by mass of an acrylic rubber binder, and 300 parts by mass of water, and this mixture was applied to a copper foil and then dried to obtain a thickness of the active material layer. An electrode having a thickness of 10 μm was produced.

得られた電極と対極としてのリチウム箔とをセパレータを介して対向させ、電解液として1M LiBF4/プロピレンカーボネートを用いて、半電池を作製した。得られた半電池について、広範囲の電流密度で充放電特性を評価した。この評価は半電池としての評価であるが、正極を用いた全電池においても同様の効果が期待できる。 The obtained electrode and a lithium foil as a counter electrode were opposed to each other through a separator, and 1M LiBF 4 / propylene carbonate was used as an electrolytic solution to prepare a half cell. The charge / discharge characteristics of the obtained half battery were evaluated over a wide range of current densities. Although this evaluation is an evaluation as a half battery, the same effect can be expected in all batteries using the positive electrode.

比較例
チタン酸リチウムの前駆体を担持させたカーボンナノファイバを、窒素中、2分で室温から700℃まで昇温し、3分間焼成(一段階焼成)し、500℃まで3分で降温した点を除いて、実施例の手順を繰り返した。
Comparative Example A carbon nanofiber carrying a lithium titanate precursor was heated from room temperature to 700 ° C. in 2 minutes in nitrogen, fired for 3 minutes (one-step firing), and cooled to 500 ° C. in 3 minutes. The procedure of the example was repeated with the exception.

図1には、実施例において得られた複合材料と比較例において得られた複合材料についてのX線粉末回折図を示した。比較例において得られた複合材料、すなわち一段階焼成により得られた複合材料には、スピネル型のチタン酸リチウム(LiTi12)に加えて酸化チタンが混在していることがわかる。これに対し、実施例において得られた複合材料、すなわち一次焼成と二次焼成を経て得られた複合材料のX線粉末回折図には、酸化チタンの回折ピークが認められず、導電性カーボン粉末(カーボンナノファイバ)と該導電性カーボン粉末に付着しているスピネル型のチタン酸リチウムのナノ粒子とを含み、酸化チタンを実質的に含まない複合材料が得られていた。また、窒素ドープによりTi−N結合が存在していることを確認するために、実施例及び比較例において得られた複合材料についてX線光電子分光分析(XPS)を行った。いずれの複合材料のXPSスペクトルにもTi−N結合を示すN 1s結合エネルギーのピーク396eVが認められ、いずれの複合材料においてもチタン酸リチウムに窒素がドープされていることが確認された。 FIG. 1 shows an X-ray powder diffraction diagram of the composite material obtained in the example and the composite material obtained in the comparative example. It can be seen that the composite material obtained in the comparative example, that is, the composite material obtained by one-step firing, contains titanium oxide in addition to spinel type lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ). On the other hand, in the X-ray powder diffractogram of the composite material obtained in the examples, that is, the composite material obtained through the primary firing and the secondary firing, the diffraction peak of titanium oxide is not recognized, and the conductive carbon powder A composite material containing (carbon nanofibers) and spinel-type lithium titanate nanoparticles adhering to the conductive carbon powder and substantially free of titanium oxide has been obtained. Moreover, in order to confirm that Ti-N bond exists by nitrogen dope, the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was performed about the composite material obtained in the Example and the comparative example. In any XPS spectrum of the composite material, a peak of 396 eV of N 1s bond energy indicating a Ti—N bond was observed, and it was confirmed that lithium titanate was doped with nitrogen in any composite material.

図2及び図3は、実施例及び比較例における半電池についてのレート特性の評価結果を示した図である。図2は、活物質であるLiTi12あたりの容量とレートとの関係を示しており、図3は、レート12Cにおける容量を100%としたときの容量維持率とレートとの関係を示している。 2 and 3 are diagrams showing the evaluation results of the rate characteristics for the half-cells in the examples and comparative examples. FIG. 2 shows the relationship between the capacity per Li 4 Ti 5 O 12 as the active material and the rate, and FIG. 3 shows the relationship between the capacity maintenance rate and the rate when the capacity at the rate 12C is 100%. Is shown.

これらの図から明らかなように、導電性カーボン粉末(カーボンナノファイバ)と該導電性カーボン粉末に付着しているスピネル型のチタン酸リチウムのナノ粒子とを含み、酸化チタンを実質的に含まない複合材料を用いた実施例の半電池は、酸化チタンを含む複合材料を用いた比較例の半電池に比較して、高い容量を有する上に、高レートでの容量低下率が抑制された、優れた電池特性を有していた。   As is clear from these figures, the conductive carbon powder (carbon nanofiber) and spinel-type lithium titanate nanoparticles adhering to the conductive carbon powder are included, and titanium oxide is substantially not included. The half-cell of the example using the composite material has a higher capacity than the half-cell of the comparative example using the composite material containing titanium oxide, and the capacity reduction rate at a high rate is suppressed. It had excellent battery characteristics.

本発明の複合材料の利用により、放電容量が高く、レート特性に優れたリチウムイオン二次電池及び電気化学キャパシタが得られる。   By using the composite material of the present invention, a lithium ion secondary battery and an electrochemical capacitor having a high discharge capacity and excellent rate characteristics can be obtained.

Claims (4)

導電性カーボン粉末と、該導電性カーボン粉末に付着しているスピネル型のチタン酸リチウムのナノ粒子と、を含み、酸化チタンを実質的に含まない複合材料の製造方法であって、
a)旋回可能な反応器内にリチウム源とチタン源と導電性カーボン粉末とを含む反応液を導入する調製工程、
b)前記反応器を旋回させて前記反応液にずり応力と遠心力とを加えることにより、前記導電性カーボン粉末にチタン酸リチウム前駆体を高分散状態で担持させる担持工程、
c)前記チタン酸リチウム前駆体を担持させた導電性カーボン粉末を、200〜500℃の温度で一次焼成した後、真空中又は窒素中で600〜950℃の温度で二次焼成することにより、前記導電性カーボン粉末上で前記チタン酸リチウム前駆体をスピネル型のチタン酸リチウムのナノ粒子に転化する焼成工程
を含むことを特徴とする複合材料の製造方法。
A method for producing a composite material comprising conductive carbon powder and spinel-type lithium titanate nanoparticles adhering to the conductive carbon powder, substantially free of titanium oxide ,
a) a preparation step of introducing a reaction solution containing a lithium source, a titanium source and a conductive carbon powder into a swirlable reactor;
b) A supporting step of supporting the lithium titanate precursor in a highly dispersed state on the conductive carbon powder by rotating the reactor and applying shear stress and centrifugal force to the reaction solution.
c) After first firing the conductive carbon powder carrying the lithium titanate precursor at a temperature of 200 to 500 ° C., then secondary firing at a temperature of 600 to 950 ° C. in vacuum or in nitrogen, A method for producing a composite material comprising: a firing step of converting the lithium titanate precursor into spinel-type lithium titanate nanoparticles on the conductive carbon powder.
前記焼成工程において、500℃から二次焼成の温度までの昇温過程を真空中又は窒素中で5分以下の時間で行い、二次焼成を1〜20分の範囲で行い、二次焼成後の500℃までの降温過程を真空中又は窒素中で5分以下の時間で行う、請求項に記載の複合材料の製造方法。 In the firing step, the temperature raising process from 500 ° C. to the temperature of the secondary firing is performed in a vacuum or nitrogen in a time of 5 minutes or less, the secondary firing is performed in a range of 1 to 20 minutes, and after the secondary firing. The method for producing a composite material according to claim 1 , wherein the temperature lowering process to 500 ° C. is performed in vacuum or in nitrogen for a period of 5 minutes or less. 前記スピネル型のチタン酸リチウムが酸素欠陥を有し、該酸素欠陥に窒素がドープされており、
前記焼成工程において、500℃から二次焼成の温度までの昇温過程、二次焼成、及び二次焼成後の500℃までの降温過程を窒素中で行う、請求項1又は2に記載の複合材料の製造方法。
The spinel type lithium titanate has an oxygen defect, and the oxygen defect is doped with nitrogen,
3. The composite according to claim 1, wherein in the firing step, a temperature raising process from 500 ° C. to a secondary firing temperature, a secondary firing, and a temperature lowering process to 500 ° C. after the secondary firing are performed in nitrogen. Material manufacturing method.
前記反応液に含まれているチタン源がチタンアルコキシドであり、前記反応液にチタンアルコキシドと錯体を形成する反応抑制剤がさらに含まれている、請求項1〜3のいずれか1項に記載の複合材料の製造方法。 The titanium source contained in the said reaction liquid is a titanium alkoxide, The reaction inhibitor which forms a complex with a titanium alkoxide in the said reaction liquid is further contained, The any one of Claims 1-3 . A method for producing a composite material.
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