JP7285026B2 - リン含有低結晶性バナジウム硫化物 - Google Patents
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Description
前記バナジウムと前記リンとの組成比(P/V)がモル比で0.1~1.0であり、
前記バナジウムと前記硫黄との組成比(S/V)がモル比で4.00~10.00である、
リン含有低結晶性バナジウム硫化物。
PxVSy (1)
[式中、xは0.1~1.0である。yは4.00~10.00である。]
で表される組成を有する、項1に記載のリン含有低結晶性バナジウム硫化物。
原料又は中間体として、バナジウム硫化物及びリン含有材料を含む出発物質を用い、メカニカルミリング処理に供する工程
を備える、製造方法。
本発明のリン含有低結晶性バナジウム硫化物は、バナジウム、リン及び硫黄を構成元素として含み、前記バナジウムと前記リンとの組成比(P/V)がモル比で0.1~1.0であり、前記バナジウムと前記硫黄との組成比(S/V)がモル比で4.00~10.00である。
PxVSy (1)
[式中、xは0.1~1.0である。yは4.00~10.00である。]
で表される組成を有することが好ましい。
測定装置: D8 ADVANCE(Bruker AXS)
X線源:CuKα 40kV/40mA
測定条件:2θ=10°~80°、0.1°ステップ、走査速度0.01°/秒
で測定することができる。
本発明のリン含有低結晶性バナジウム硫化物は、
原料又は中間体として、バナジウム硫化物及びリン含有材料を含む出発物質を用い、メカニカルミリング処理に供する工程
を備える製造方法によって得ることができる。また、出発物質は、目的組成によっては硫黄を含むこともできる。
上記した本発明のリン含有低結晶性バナジウム硫化物は、上記のとおり、初期容量が十分に高く、充放電サイクル特性及び中期の充放電サイクルにおけるクーロン効率を向上させることができることから、特に、リチウムイオン二次電池用電極活物質として有用である。本発明のリン含有低結晶性バナジウム硫化物を電極活物質(特に正極活物質)として有効に使用できるリチウムイオン二次電池は、電解質として非水電解液を用いる非水電解液リチウムイオン二次電池ともし得るし、リチウムイオン伝導性の固体電解質を用いる全固体型リチウムイオン二次電池ともし得る。本発明のリン含有低結晶性バナジウム硫化物によれば、電解液との反応を起こす懸念を少なくすることができるため、非水電解液リチウムイオン二次電池に採用した場合に特に有用である。
市販の硫化バナジウム(III)(V2S3;(株)高純度化学研究所製)及び硫黄(富士フイルム和光純薬(株)製)を、モル比が1:6となるよう、アルゴンガス雰囲気のグローブボックス内(露点-80℃)で秤量し、真空中にてガラス管内に封管を行った。真空封管した試料を管状炉にて400℃で5時間焼成を行った。焼成した試料を真空中にて200℃で8時間焼成することで、余剰硫黄を脱硫し、結晶性バナジウム硫化物VS4(c-VS4)を合成した。
実施例1-1:ミリング15時間
結晶性VS4(c-VS4)及び硫化リン(V)(P2S5;Aldrich製)を、モル比が1:0.05となるよう、アルゴンガス雰囲気のグローブボックス内(露点-80℃)で秤量し、ボールミル装置(フリッチュ製PL-7)で15時間メカニカルミリング処理(ボール径4mm、回転数270rpm)を行うことで、リン含有低結晶性バナジウム硫化物P0.1VS4.25(a-P0.1VS4.25)を合成した。
メカニカルミリング処理を30時間行ったこと以外は実施例1-1と同様に処理を行い、リン含有低結晶性バナジウム硫化物P0.1VS4.25(a-P0.1VS4.25)を合成した。
メカニカルミリング処理を45時間行ったこと以外は実施例1-1と同様に処理を行い、リン含有低結晶性バナジウム硫化物P0.1VS4.25(a-P0.1VS4.25)を合成した。
メカニカルミリング処理を60時間行ったこと以外は実施例1-1と同様に処理を行い、リン含有低結晶性バナジウム硫化物P0.1VS4.25(a-P0.1VS4.25)を合成した。
実施例2-1:ミリング15時間
結晶性VS4(c-VS4)及び硫化リン(V)(P2S5;Aldrich製)を、モル比が1:0.1となるよう、アルゴンガス雰囲気のグローブボックス内(露点-80℃)で秤量し、ボールミル装置(フリッチュ製PL-7)で15時間メカニカルミリング処理(ボール径4mm、回転数270rpm)を行うことで、リン含有低結晶性バナジウム硫化物P0.2VS4.50(a-P0.2VS4.50)を合成した。
メカニカルミリング処理を30時間行ったこと以外は実施例2-1と同様に処理を行い、リン含有低結晶性バナジウム硫化物P0.2VS4.5(a-P0.2VS4.5)を合成した。
メカニカルミリング処理を45時間行ったこと以外は実施例2-1と同様に処理を行い、リン含有低結晶性バナジウム硫化物P0.2VS4.5(a-P0.2VS4.5)を合成した。
メカニカルミリング処理を60時間行ったこと以外は実施例2-1と同様に処理を行い、リン含有低結晶性バナジウム硫化物P0.2VS4.5(a-P0.2VS4.5)を合成した。
実施例3-1:ミリング15時間
結晶性VS4(c-VS4)及び硫化リン(V)(P2S5;Aldrich製)を、モル比が1:0.15となるよう、アルゴンガス雰囲気のグローブボックス内(露点-80℃)で秤量し、ボールミル装置(フリッチュ製PL-7)で15時間メカニカルミリング処理(ボール径4mm、回転数270rpm)を行うことで、リン含有低結晶性バナジウム硫化物P0.3VS4.75(a-P0.3VS4.75)を合成した。
メカニカルミリング処理を30時間行ったこと以外は実施例3-1と同様に処理を行い、リン含有低結晶性バナジウム硫化物P0.3VS4.75(a-P0.3VS4.75)を合成した。
メカニカルミリング処理を45時間行ったこと以外は実施例3-1と同様に処理を行い、リン含有低結晶性バナジウム硫化物P0.3VS4.75(a-P0.3VS4.75)を合成した。
メカニカルミリング処理を60時間行ったこと以外は実施例3-1と同様に処理を行い、リン含有低結晶性バナジウム硫化物P0.3VS4.75(a-P0.3VS4.75)を合成した。
実施例4-1:ミリング15時間
結晶性VS4(c-VS4)及び硫化リン(V)(P2S5;Aldrich製)を、モル比が1:0.2となるよう、アルゴンガス雰囲気のグローブボックス内(露点-80℃)で秤量し、ボールミル装置(フリッチュ製PL-7)で15時間メカニカルミリング処理(ボール径4mm、回転数270rpm)を行うことで、リン含有低結晶性バナジウム硫化物P0.4VS5.00(a-P0.4VS5.00)を合成した。
メカニカルミリング処理を30時間行ったこと以外は実施例4-1と同様に処理を行い、リン含有低結晶性バナジウム硫化物P0.4VS5.00(a-P0.4VS5.00)を合成した。
メカニカルミリング処理を45時間行ったこと以外は実施例4-1と同様に処理を行い、リン含有低結晶性バナジウム硫化物P0.4VS5.00(a-P0.4VS5.00)を合成した。
メカニカルミリング処理を60時間行ったこと以外は実施例4-1と同様に処理を行い、リン含有低結晶性バナジウム硫化物P0.4VS5.00(a-P0.4VS5.00)を合成した。
結晶性VS4(c-VS4)、硫化リン(V)(P2S5;Aldrich製)及び硫黄(富士フイルム和光純薬(株)製)を、モル比が1:0.25:0.75となるよう、アルゴンガス雰囲気のグローブボックス内(露点-80℃)で秤量し、ボールミル装置(フリッチュ製PL-7)で15時間メカニカルミリング処理(ボール径4mm、回転数270rpm)を行うことで、リン含有低結晶性バナジウム硫化物P0.5VS6.00(a-P0.5VS6.00)を合成した。
結晶性VS4(c-VS4)、硫化リン(V)(P2S5;Aldrich製)及び硫黄(富士フイルム和光純薬(株)製)を、モル比が1:0.5:1.5となるよう、アルゴンガス雰囲気のグローブボックス内(露点-80℃)で秤量し、ボールミル装置(フリッチュ製PL-7)で15時間メカニカルミリング処理(ボール径4mm、回転数270rpm)を行うことで、リン含有低結晶性バナジウム硫化物PVS8.00(a-PVS8.00)を合成した。
実施例7-1:ミリング30時間
結晶性VS4(c-VS4)及び単体リン(P;富士フイルム和光純薬(株)製)を、モル比が1:0.2となるよう、アルゴンガス雰囲気のグローブボックス内(露点-80℃)で秤量し、ボールミル装置(フリッチュ製PL-7)で30時間メカニカルミリング処理(ボール径4mm、回転数270rpm)を行うことで、リン含有低結晶性バナジウム硫化物P0.2VS4.0(a-P0.2VS4.0)を合成した。
メカニカルミリング処理を45時間行ったこと以外は実施例7-1と同様に処理を行い、リン含有低結晶性バナジウム硫化物P0.2VS4.0(a-P0.2VS4.0)を合成した。
メカニカルミリング処理を105時間行ったこと以外は実施例7-1と同様に処理を行い、リン含有低結晶性バナジウム硫化物P0.2VS4.0(a-P0.2VS4.0)を合成した。
実施例8-1:ミリング30時間
結晶性VS4(c-VS4)及び単体リン(P;富士フイルム和光純薬(株)製)を、モル比が1:0.3となるよう、アルゴンガス雰囲気のグローブボックス内(露点-80℃)で秤量し、ボールミル装置(フリッチュ製PL-7)で30時間メカニカルミリング処理(ボール径4mm、回転数270rpm)を行うことで、リン含有低結晶性バナジウム硫化物P0.3VS4.0(a-P0.3VS4.0)を合成した。
メカニカルミリング処理を45時間行ったこと以外は実施例8-1と同様に処理を行い、リン含有低結晶性バナジウム硫化物P0.3VS4.0(a-P0.3VS4.0)を合成した。
メカニカルミリング処理を105時間行ったこと以外は実施例8-1と同様に処理を行い、リン含有低結晶性バナジウム硫化物P0.3VS4.0(a-P0.3VS4.0)を合成した。
実施例9-1:ミリング30時間
結晶性VS4(c-VS4)及び単体リン(P;富士フイルム和光純薬(株)製)を、モル比が1:0.4となるよう、アルゴンガス雰囲気のグローブボックス内(露点-80℃)で秤量し、ボールミル装置(フリッチュ製PL-7)で30時間メカニカルミリング処理(ボール径4mm、回転数270rpm)を行うことで、リン含有低結晶性バナジウム硫化物P0.4VS4.0(a-P0.4VS4.0)を合成した。
メカニカルミリング処理を45時間行ったこと以外は実施例9-1と同様に処理を行い、リン含有低結晶性バナジウム硫化物P0.4VS4.0(a-P0.4VS4.0)を合成した。
メカニカルミリング処理を105時間行ったこと以外は実施例9-1と同様に処理を行い、リン含有低結晶性バナジウム硫化物P0.4VS4.0(a-P0.4VS4.0)を合成した。
実施例10-1:ミリング30時間
結晶性VS4(c-VS4)及び単体リン(P;富士フイルム和光純薬(株)製)を、モル比が1:0.5となるよう、アルゴンガス雰囲気のグローブボックス内(露点-80℃)で秤量し、ボールミル装置(フリッチュ製PL-7)で30時間メカニカルミリング処理(ボール径4mm、回転数270rpm)を行うことで、リン含有低結晶性バナジウム硫化物P0.5VS4.0(a-P0.5VS4.0)を合成した。
メカニカルミリング処理を45時間行ったこと以外は実施例10-1と同様に処理を行い、リン含有低結晶性バナジウム硫化物P0.5VS4.0(a-P0.5VS4.0)を合成した。
メカニカルミリング処理を105時間行ったこと以外は実施例10-1と同様に処理を行い、リン含有低結晶性バナジウム硫化物P0.5VS4.0(a-P0.5VS4.0)を合成した。
実施例1~4及び比較例1で得られた粉末について、
測定装置:D8 ADVANCE(Bruker AXS)
X線源:CuKα 40kV/40mA
0.1°step
走査速度:0.02°/秒
を用いたX線回折(XRD)を測定した。結果を図1に示す。
比較例1で得たVS4粉末、実施例1-1で得たP0.1VS4.25粉末、実施例2-1で得たP0.2VS4.50粉末、実施例4-1で得たP0.4VS5.00粉末、実施例5で得たP0.5VS6.00粉末、及び実施例6で得たPVS8.00粉末について、粒度分布測定装置(日機装株式会社 AEROTRAC SPR MODEL:7340)により、粒度分布及び平均粒子径D50を測定した。結果を図2~7に示す。測定の結果、各試料で平均粒径は約1μm(0.93~1.12μm)であり、X線回折パターンのブロード化は、粒径によるものではなく、材料の結晶性が低下(低結晶性)したことに由来していることが理解できる。
次に、比較例1で得たVS4粉末、実施例1-1で得たP0.1VS4.25粉末、実施例2-1で得たP0.2VS4.50粉末、実施例4-1で得たP0.4VS5.00粉末、実施例5で得たP0.5VS6.00粉末、実施例6で得たPVS8.00粉末、実施例7-1で得たP0.2VS4.00粉末、実施例8-1で得たP0.3VS4.00粉末、実施例9-1で得たP0.4VS4.00粉末、又は実施例10-1で得たP0.5VS4.00粉末を正極活物質として用いて、以下の方法で試験用電気化学セル(リチウム二次電池)を作製し、30℃において、充放電レート:0.1C(1C=1197mAh/g)で、電圧1.5~2.6V(実施例6で得たPVS8.00粉末は1.5~3.0V)の範囲内で、サイクル間の休止時間10分として、定電流充放電測定を行った。
Claims (10)
- バナジウム、リン及び硫黄を構成元素として含み、
前記バナジウムと前記リンとの組成比(P/V)がモル比で0.1~1.0であり、
前記バナジウムと前記硫黄との組成比(S/V)がモル比で4.00~10.00である、
リン含有低結晶性バナジウム硫化物。 - 一般式(1):
PxVSy (1)
[式中、xは0.1~1.0である。yは4.00~10.00である。]
で表される組成を有する、請求項1に記載のリン含有低結晶性バナジウム硫化物。 - VS4型結晶構造を有する、請求項1又は2に記載のリン含有低結晶性バナジウム硫化物。
- CuKα線によるX線回折図における回折角2θ=10°~80°の範囲内において、±1.0°の許容範囲で、少なくとも、15.0°、24.3°、32.9°、36.2°及び53.9°に極大値を有するピークを有する、請求項1~3のいずれか1項に記載のリン含有低結晶性バナジウム硫化物。
- 前記2θ=15.0°に極大値を有するピークの半値全幅が、1.0°~3.0°である、請求項4に記載のリン含有低結晶性バナジウム硫化物。
- 請求項1~5のいずれか1項に記載のリン含有低結晶性バナジウム硫化物の製造方法であって、
原料又は中間体として、バナジウム硫化物及びリン含有材料を含む出発物質を用い、メカニカルミリング処理に供する工程
を備える、製造方法。 - 前記出発物質が、さらに、硫黄を含む、請求項6に記載の製造方法。
- 請求項1~5のいずれか1項に記載のリン含有低結晶性バナジウム硫化物を含有する、リチウムイオン二次電池用電極活物質。
- 請求項8に記載のリチウムイオン二次電池用電極活物質を含有する、リチウムイオン二次電池用電極。
- 請求項9に記載のリチウムイオン二次電池用電極を備える、リチウムイオン二次電池。
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