JP2014096289A - Electric power storage device - Google Patents
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Abstract
【課題】放電の際に電圧が急激に変化することなく、高電圧の状態で安定した出力が可能な蓄電デバイスを提供する。
【解決手段】少なくとも正極および負極から構成される蓄電デバイスであって、正極が、一般式LiMn1-x-yFexMyPO4(0<x<1、0≦y<1、MはNb、Mg、Al、Ti、Zr、V、Cr、Cu、CoおよびNiから選ばれる少なくとも1種)で表される結晶を含有する正極活物質を含み、負極が、少なくともSnとPおよび/またはBを構成元素とする酸化物材料を含有する負極活物質を含むことを特徴とする蓄電デバイスとする。
【選択図】図1An electric storage device capable of stable output in a high voltage state without causing a sudden voltage change during discharge is provided.
The invention relates to a storage device composed of at least the positive electrode and the negative electrode, positive electrode, the general formula LiMn 1-xy Fe x M y PO 4 (0 <x <1,0 ≦ y <1, M is Nb, And at least one selected from Mg, Al, Ti, Zr, V, Cr, Cu, Co, and Ni), and the negative electrode contains at least Sn and P and / or B. It is set as the electrical storage device characterized by including the negative electrode active material containing the oxide material made into a structural element.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、例えば、携帯型電子機器や電気自動車に用いられるリチウムイオン二次電池等の蓄電デバイスに関する。 The present invention relates to a power storage device such as a lithium ion secondary battery used for portable electronic devices and electric vehicles, for example.
近年、携帯電子機器の普及に伴い、リチウムイオン二次電池等の蓄電デバイスには高エネルギー密度化に対する要望が高まっている。さらに、ハイブリッド型を含む電気自動車等の車載用蓄電デバイスには、優れた急速充放電特性や、低温または高温環境下において安定したサイクル特性が望まれている。 In recent years, with the spread of portable electronic devices, there is an increasing demand for higher energy density in power storage devices such as lithium ion secondary batteries. Furthermore, in-vehicle power storage devices such as electric vehicles including a hybrid type are desired to have excellent rapid charge / discharge characteristics and stable cycle characteristics in a low temperature or high temperature environment.
一般に、リチウムイオン二次電池用の正極材料には、リチウム−遷移金属複合酸化物結晶が用いられ、負極材料には炭素材料が用いられている。これらの材料は、充放電によってリチウムイオンを可逆的に吸蔵および放出する電極活物質として機能し、非水電解液または固体電解質によって電気化学的に連結された、いわゆるロッキングチェア型の二次電池を構成する。これらの電極活物質は、例えば結着剤や導電助剤が添加されてスラリー化され、当該スラリーを、集電体としての役割を果たす金属箔等の表面に塗布することで電極として使用される。 Generally, a lithium-transition metal composite oxide crystal is used as a positive electrode material for a lithium ion secondary battery, and a carbon material is used as a negative electrode material. These materials function as an electrode active material that reversibly occludes and releases lithium ions by charging and discharging, and a so-called rocking chair type secondary battery that is electrochemically connected by a non-aqueous electrolyte or a solid electrolyte. Configure. These electrode active materials are made into a slurry by adding, for example, a binder or a conductive auxiliary agent, and are used as electrodes by applying the slurry to the surface of a metal foil or the like that serves as a current collector. .
正極活物質に用いられるリチウム−遷移金属複合酸化物結晶としては、4V級のLiCoO2、LiNiO2やLiCo1-xNixO2(0<x<1)等が広く用いられている。ここで、Coを含有するリチウム−遷移金属複合酸化物結晶は高価であり、資源面でも制約がある。また、Niを含有するリチウム−遷移金属複合酸化物結晶は容量面では優れるが、熱的に不安定であるため十分な安全性を確保しにくい。これに対し、近年、コストおよび資源などの面で有利なことから、一般式LiFePO4で表されるオリビン型結晶が注目されており、種々の研究および開発が進められている(例えば特許文献1参照)。 As lithium-transition metal complex oxide crystals used for the positive electrode active material, 4V class LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiCo 1-x Ni x O 2 (0 <x <1), etc. are widely used. Here, the lithium-transition metal complex oxide crystal containing Co is expensive and has a limitation in terms of resources. Moreover, although the lithium-transition metal complex oxide crystal containing Ni is excellent in terms of capacity, it is difficult to ensure sufficient safety because it is thermally unstable. On the other hand, in recent years, since it is advantageous in terms of cost and resources, the olivine type crystal represented by the general formula LiFePO 4 has attracted attention, and various researches and developments have been advanced (for example, Patent Document 1). reference).
ところが、LiFePO4は金属リチウムに対する電位が低く、3.4V程度であるという問題がある。そこで、LiFePO4結晶のFeサイトをMnに置換した一般式LiMn1-xFexPO4で表されるオリビン型結晶が、金属リチウムに対する電位が4V級の正極材料として提案されている(特許文献2)。 However, LiFePO 4 has a problem that the potential with respect to metallic lithium is low and is about 3.4V. Therefore, olivine-type crystal represented by the general formula LiMn 1-x Fe x PO 4 obtained by substituting the Fe site of LiFePO 4 crystal Mn is the potential for the lithium metal has been proposed as a 4V class cathode material (Patent Documents 2).
しかしながら、図3(a)に示すように、LiMn1-xFexPO4結晶を含む正極活物質を用いた正極は金属リチウムに対する電位が4.0Vと3.5Vの2段階が存在する。ここで、金属リチウムに対する電位が3.6V以上での放電に相当する容量を「高電位放電容量」、3.6V未満での放電に相当する容量を「低電位放電容量」とする。また、図3(b)に示すように、従来から使用されている炭素材料、チタン酸リチウム等の負極活物質を用いた負極は不可逆容量が極めて小さい。LiMn1-xFexPO4結晶を含む正極活物質と、従来の負極活物質を組み合わせて蓄電デバイスを作製した場合は、図3(c)に示すように、蓄電デバイスは正極の低電位放電容量を含んだ形で充放電されることになるため、その蓄電デバイスの放電中に電圧が急激に低下する。また、図3(d)に示すように、2サイクル目以降についても、同様にその蓄電デバイスの放電中に電圧が急激に低下する。その結果、この蓄電デバイスを使用した装置の動作等に支障が生じるという問題がある。 However, as shown in FIG. 3A, the positive electrode using the positive electrode active material containing the LiMn 1-x Fe x PO 4 crystal has two stages of potentials of 4.0 V and 3.5 V with respect to metallic lithium. Here, a capacity corresponding to discharge at a potential of 3.6 V or higher with respect to metallic lithium is referred to as “high potential discharge capacity”, and a capacity corresponding to discharge at less than 3.6 V is referred to as “low potential discharge capacity”. Further, as shown in FIG. 3B, a negative electrode using a negative electrode active material such as a carbon material or lithium titanate that has been used conventionally has an extremely small irreversible capacity. A cathode active material including LiMn 1-x Fe x PO 4 crystal, the case of manufacturing the conventional electricity storage device by combining the negative electrode active material, as shown in FIG. 3 (c), the power storage device is positive in the low potential discharge Since charging / discharging is performed in a form including a capacity, the voltage rapidly decreases during the discharging of the electricity storage device. In addition, as shown in FIG. 3D, the voltage rapidly decreases during the discharge of the power storage device in the second and subsequent cycles as well. As a result, there is a problem that the operation of the apparatus using the electricity storage device is hindered.
本発明は以上のような状況に鑑みてなされたものであり、放電時において安定かつ高い電圧を得ることができる蓄電デバイスを提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of the above situations, and it aims at providing the electrical storage device which can obtain a stable and high voltage at the time of discharge.
本発明の蓄電デバイスは、少なくとも正極および負極を備える蓄電デバイスであって、正極が、一般式LiMn1-x-yFexMyPO4(0<x<1、0≦y<1、MはNb、Mg、Al、Ti、Zr、V、Cr、Cu、CoおよびNiから選ばれる少なくとも1種)で表される結晶を含有する正極活物質を含み、負極が、Snと、P及び/またはBとを含有する酸化物材料を含有する負極活物質を含むことを特徴とする。 The electric storage device according to the present invention is an electric storage device comprising at least a positive electrode and the negative electrode, positive electrode, the general formula LiMn 1-xy Fe x M y PO 4 (0 <x <1,0 ≦ y <1, M is Nb , Mg, Al, Ti, Zr, V, Cr, Cu, Co, and Ni), and the negative electrode includes Sn, P, and / or B. A negative electrode active material containing an oxide material containing
図1(a)に示すように、本発明において、一般式LiMn1-x-yFexMyPO4で表される結晶を含有する正極活物質を用いた正極は、上述したように「高電位放電容量」と「低電位放電容量」を有する。また、図1(b)に示すように、Snと、Pおよび/またはBとを含有する酸化物材料を含有する負極活物質を用いた負極は、初回の充電容量に対する放電容量(初回充放電容量)が低く、初回充電容量と初回放電容量の差である「不可逆容量」を有する。正極と負極の初回充電容量が等しくなるように作製された、本発明の蓄電デバイスは、図1(c)に示すように、負極の不可逆容量が正極の低電位放電容量と等しい、あるいは高い、つまり、負極活物質の初回充放電効率(=「初回放電容量」/「初回充電容量」)が正極活物質の高電位放電容量率(=「高電位放電容量」/(「高電位放電容量」+「低電位放電容量」))と等しい、あるいは低いため、正極の低電位放電を打ち消すことができる。したがって、蓄電デバイスのでは、正極の高電位放電容量に相当する領域のみが可逆的に充放電可能となり、放電時において安定かつ高い電圧を得ることができる。また、図1(d)に示すように、本発明の蓄電デバイスは、2サイクル目以降の放電時においても、安定かつ高い電圧を得ることができる。 As shown in FIG. 1 (a), in the present invention, the positive electrode using the positive electrode active material containing a crystal represented by the general formula LiMn 1-xy Fe x M y PO 4, as described above, "high-potential Discharge capacity ”and“ low potential discharge capacity ”. Further, as shown in FIG. 1B, the negative electrode using the negative electrode active material containing an oxide material containing Sn and P and / or B has a discharge capacity (initial charge / discharge) with respect to the initial charge capacity. Capacity) is low and has an “irreversible capacity” which is the difference between the initial charge capacity and the initial discharge capacity. As shown in FIG. 1 (c), the electricity storage device of the present invention produced so that the initial charge capacity of the positive electrode and the negative electrode is equal, the irreversible capacity of the negative electrode is equal to or higher than the low potential discharge capacity of the positive electrode, That is, the initial charge / discharge efficiency (= “initial discharge capacity” / “initial charge capacity”) of the negative electrode active material is equal to the high potential discharge capacity ratio (= “high potential discharge capacity” / (“high potential discharge capacity”) of the positive electrode active material. + "Low potential discharge capacity"))) or equal to low, the low potential discharge of the positive electrode can be canceled out. Therefore, in the electricity storage device, only the region corresponding to the high potential discharge capacity of the positive electrode can be reversibly charged and discharged, and a stable and high voltage can be obtained during discharge. Moreover, as shown in FIG.1 (d), the electrical storage device of this invention can obtain a stable and high voltage also at the time of the discharge after the 2nd cycle.
また、本発明の蓄電デバイスは、正極活物質が、結晶化ガラスからなることが好ましい。結晶化ガラスであれば、均質性に優れているため、活物質粒子中に磁性不純物がほとんど生成せず、60℃以上の高温での充放電を繰り返しても劣化しにくい。 In the electricity storage device of the present invention, the positive electrode active material is preferably made of crystallized glass. Since crystallized glass is excellent in homogeneity, almost no magnetic impurities are generated in the active material particles, and hardly deteriorates even after repeated charge and discharge at a high temperature of 60 ° C. or higher.
さらに、本発明の蓄電デバイスは、結晶化ガラスが、モル%で、Li2O 20〜50%、MnO2 20〜55%、Fe2O3 1〜20%およびP2O5 20〜50%を含有することが好ましい。当該構成によれば、一般式LiMn1-x-yFexMyPO4で表される結晶を析出しやすい。 Furthermore, in the electricity storage device of the present invention, the crystallized glass is in mol%, Li 2 O 20-50%, MnO 2 20-55%, Fe 2 O 3 1-20% and P 2 O 5 20-50%. It is preferable to contain. According to this configuration, the crystals easily precipitate represented by the general formula LiMn 1-xy Fe x M y PO 4.
さらに、本発明の蓄電デバイスは、結晶化ガラスが、上記成分に加え、モル%で、Nb2O5+MgO+Al2O3+TiO2+ZrO2+V2O5+Cr2O3+CuO+CoO+NiO 0.1〜25%を含有することが好ましい。当該構成によれば、一般式LiMn1-x-yFexMyPO4で表される結晶を含有する結晶化ガラス中のリチウムイオン伝導性が向上しやすくなる。 Furthermore, in the electricity storage device of the present invention, the crystallized glass is Nb 2 O 5 + MgO + Al 2 O 3 + TiO 2 + ZrO 2 + V 2 O 5 + Cr 2 O 3 + CuO + CoO + NiO 0.1 to 25% in mol% in addition to the above components. It is preferable to contain. According to this configuration, the lithium ion conductivity of the crystallized glass is likely to increase containing crystals represented by the general formula LiMn 1-xy Fe x M y PO 4.
また、本発明の蓄電デバイスは、正極活物質が、非晶質相を含有することが好ましい。非晶質相を含有することにより、高速充放電性能が向上しやすくなるとともに、60℃以上の高温下での繰り返し充放電において放電容量の低下が起こりにくくなる。 In the electricity storage device of the present invention, the positive electrode active material preferably contains an amorphous phase. By containing an amorphous phase, the high-speed charge / discharge performance is easily improved, and the discharge capacity is less likely to be reduced during repeated charge / discharge at a high temperature of 60 ° C. or higher.
本発明の蓄電デバイスは、負極活物質に含まれる酸化物材料が、モル%で、SnO 45〜95%およびP2O5 5〜55%を含有することが好ましい。当該構成によれば、負極活物質の不可逆容量が適正量になるため、正極の低電位放電容量を打ち消すことができる。 In the electricity storage device of the present invention, the oxide material contained in the negative electrode active material preferably contains SnO 45 to 95% and P 2 O 5 5 to 55% in mol%. According to this configuration, since the irreversible capacity of the negative electrode active material becomes an appropriate amount, the low potential discharge capacity of the positive electrode can be canceled out.
さらに、本発明の蓄電デバイスは、負極活物質が、非晶質相を含有することが好ましい。当該構成によれば、負極活物質表面における遷移金属の析出をより効果的に抑制することが可能となる。 Furthermore, in the electricity storage device of the present invention, the negative electrode active material preferably contains an amorphous phase. According to the said structure, it becomes possible to suppress more effectively precipitation of the transition metal in the negative electrode active material surface.
さらに、本発明の蓄電デバイスは、負極活物質が、Si、SnおよびAlから選ばれる少なくとも1種の金属、または、それらの金属からなる合金を含む無機材料を含有することが好ましい。この無機材料を含有することにより、負極活物質の重量あたりの放電容量を高めることができる。 Furthermore, in the electricity storage device of the present invention, the negative electrode active material preferably contains an inorganic material including at least one metal selected from Si, Sn, and Al, or an alloy made of these metals. By containing this inorganic material, the discharge capacity per weight of the negative electrode active material can be increased.
本発明の蓄電デバイスは、放電の際に電圧が急激に変化することなく、高電圧の状態で安定した出力を得ることができる。 The electricity storage device of the present invention can obtain a stable output in a high voltage state without a sudden voltage change during discharge.
図2は本発明の蓄電デバイスの模式説明図を示す。蓄電デバイス1は、互いに電気的に接続された正極2および負極3、ならびに非水電解質4から構成される。非水電解質4において、正極2と負極3の間にはセパレータ5が形成されている。セパレータ5はリチウムイオン等のイオンを通過させる性質を有する。
FIG. 2 is a schematic explanatory view of the electricity storage device of the present invention. The
以下、構成部材ごとに詳細に説明する。 Hereinafter, each constituent member will be described in detail.
1)正極
正極は、正極集電体と、正極集電体の片面または両面に形成された正極活物質含有層を備える。正極活物質含有層は、正極活物質、導電助剤および結着剤を含有する。
1) Positive electrode The positive electrode includes a positive electrode current collector and a positive electrode active material-containing layer formed on one or both surfaces of the positive electrode current collector. A positive electrode active material content layer contains a positive electrode active material, a conductive support agent, and a binder.
正極活物質は、一般式LiMn1-x-yFexMyPO4(0<x<1、0≦y<1、MはNb、Mg、Al、Ti、Zr、V、Cr、Cu、CoおよびNiから選ばれる少なくとも1種)で表される結晶を含有する。 The positive electrode active material, the general formula LiMn 1-xy Fe x M y PO 4 (0 <x <1,0 ≦ y <1, M is Nb, Mg, Al, Ti, Zr, V, Cr, Cu, Co and A crystal represented by at least one selected from Ni).
正極活物質は、結晶化ガラスからなることが好ましい。結晶化ガラスであれば、均質性に優れているため、活物質粒子中に磁性不純物が生成しにくく、60℃以上の高温での充放電を繰り返しても劣化しにくい。 The positive electrode active material is preferably made of crystallized glass. Since crystallized glass is excellent in homogeneity, it is difficult for magnetic impurities to be generated in the active material particles, and it is difficult to deteriorate even when repeated charge and discharge at a high temperature of 60 ° C. or higher.
結晶化ガラスは、モル%で、Li2O 20〜50%、MnO2 20〜55%、Fe2O3 1〜20%およびP2O5 20〜50%を含有することが好ましい。ガラス組成を上記のように限定した理由を以下に説明する。 The crystallized glass preferably contains, in mol%, Li 2 O 20 to 50%, MnO 2 20 to 55%, Fe 2 O 3 1 to 20% and P 2 O 5 20 to 50%. The reason for limiting the glass composition as described above will be described below.
Li2Oは、LiMn1-x-yFexMyPO4結晶の主成分である。Li2Oの含有量は20〜50%、好ましくは25〜45%である。Li2Oの含有量が少なすぎる、あるいは多すぎると、LiMn1-x-yFexMyPO4結晶が析出しにくくなる。
Li 2 O is a main component of LiMn 1-xy Fe x M y
MnO2も、LiMn1-x-yFexMyPO4結晶の主成分である。MnO2の含有量は20〜55%、25〜54%、30〜52%、特に35〜50%であることが好ましい。MnO2の含有量が少なすぎると、LiMn1-x-yFexMyPO4結晶が析出しにくくなる。MnO2の含有量が多すぎると、LiMn1-x-yFexMyPO4結晶が析出しにくくなるとともに、望まないMnO2結晶が析出しやすくなる。
MnO 2 is also a major component of LiMn 1-xy Fe x M y
Fe2O3も、LiMn1-x-yFexMyPO4結晶の主成分である。Fe2O3の含有量は1〜20%、2〜15%、特に3〜10%であることが好ましい。Fe2O3の含有量が少なすぎると、LiMn1-x-yFexMyPO4結晶が析出しにくくなる。Fe2O3の含有量が多すぎると、LiMn1-x-yFexMyPO4結晶が析出しにくくなるとともに、望まないFe2O3結晶が析出しやすくなる。
Fe 2 O 3 is also a major component of LiMn 1-xy Fe x M y
P2O5も、LiMn1-x-yFexMyPO4結晶の主成分である。P2O5の含有量は20〜50%、好ましくは25〜45%である。P2O5の含有量が少なすぎる、あるいは多すぎると、LiMn1-x-yFexMyPO4結晶が析出しにくくなる。
P 2 O 5 is also a major component of LiMn 1-xy Fe x M y
また上記成分以外に、LiMn1-x-yFexMyPO4結晶の構成成分として、例えばNb2O5、MgO、Al2O3、TiO2、ZrO2、V2O5、Cr2O3、CuO、CoOおよびNiOから選ばれる少なくとも1種の酸化物を添加してもよい。これらの酸化物の含有量は、合量で0.1〜25%、特に0.2〜10%であることが好ましい。当該構成によれば、一般式LiMn1-x-yFexMyPO4で表される結晶を含有する結晶化ガラス中のリチウムイオン伝導性が向上しやすくなる。上記成分の含有量が少なすぎると、上記の効果が得られにくくなる。一方、上記成分の含有量が多すぎると、結晶化ガラスにおけるLiMn1-x-yFexMyPO4結晶の結晶化度が低下するおそれがある。
Further in addition to the above components, LiMn 1-xy Fe x M y PO 4 as a component of the crystal, for example, Nb 2 O 5, MgO, Al 2
なかでも、Nb2O5は均質なガラスを得るために有効な成分であり、結晶化ガラス中に非晶質相を形成しやすくする。Nb2O5の含有量は0.1〜20%、0.2〜10%、特に0.3〜5%であることが好ましい。Nb2O5の含有量が少なすぎると、上記効果が得られにくい。一方、Nb2O5の含有量が多すぎると、結晶化の際にニオブ酸鉄等の異種結晶が析出して、電池の充放電特性が低下する傾向がある。 Among these, Nb 2 O 5 is an effective component for obtaining a homogeneous glass, and easily forms an amorphous phase in the crystallized glass. The content of Nb 2 O 5 is preferably 0.1 to 20%, 0.2 to 10%, and particularly preferably 0.3 to 5%. If the content of Nb 2 O 5 is too small, it is difficult to obtain the above effect. On the other hand, when the content of Nb 2 O 5 is too large, different crystals such as iron niobate precipitate during crystallization, and the charge / discharge characteristics of the battery tend to deteriorate.
さらに上記成分以外に、ガラス形成能を向上させる成分として、例えばSiO2、B2O3、GeO2、Ga2O3、Sb2O3およびBi2O3をから選ばれる少なくとも1種の酸化物を添加してもよい。これらの酸化物の含有量は、合量で0.1〜25%、特に0.2〜10%であることが好ましい。上記成分の含有量が少なすぎると、ガラス化が困難となりやすくなる。一方、上記成分の含有量が多すぎると、結晶化ガラスにおけるLiMn1-x-yFexMyPO4結晶の結晶化度が低下するおそれがある。
In addition to the above components, as a component for improving glass forming ability, for example, at least one oxidation selected from SiO 2 , B 2 O 3 , GeO 2 , Ga 2 O 3 , Sb 2 O 3 and Bi 2 O 3, for example. Things may be added. The total content of these oxides is preferably 0.1 to 25%, particularly preferably 0.2 to 10%. When there is too little content of the said component, vitrification will become difficult easily. On the other hand, the content of the component is too large, crystallinity of the LiMn 1-xy Fe x M y
正極活物質の高電位放電容量率は、50%以上、55%以上、特に60%以上であることが好ましい。高電位放電容量率が低すぎると、蓄電デバイスの放電容量が低下する傾向がある。なお、高電位放電容量率とは、正極活物質の放電容量に対する高電位放電容量の割合である。高電位放電容量は、3.6V以上の電圧を示すときの放電容量である。 The high potential discharge capacity ratio of the positive electrode active material is preferably 50% or more, 55% or more, and particularly preferably 60% or more. If the high potential discharge capacity rate is too low, the discharge capacity of the electricity storage device tends to decrease. The high potential discharge capacity rate is the ratio of the high potential discharge capacity to the discharge capacity of the positive electrode active material. The high potential discharge capacity is a discharge capacity when a voltage of 3.6 V or higher is exhibited.
結晶化ガラスにおいて、LiMn1-x-yFexMyPO4結晶の結晶化度は70質量%以上、80質量%以上、特に90質量%以上であることが好ましい。LiMn1-x-yFexMyPO4結晶の結晶化度が少なすぎると、放電容量が低下する傾向がある。なお、上限については特に限定されないが、現実的には99質量%以下、さらには97質量%以下である。
In the crystallized glass, LiMn 1-xy Fe x M y PO 4 crystallinity of the crystal 70 mass% or more, 80 wt% or more, and especially preferably 90 mass% or more. When crystallinity of the LiMn 1-xy Fe x M y
なお、結晶化度は、CuKα線を用いた粉末X線回折測定によって得られる2θ値で10〜60°の回折線プロファイルを、結晶性回折線と非晶質ハローとにピーク分離することで求められる。具体的には、回折線プロファイルからバックグラウンドを差し引いて得られた全散乱曲線から、10〜45°におけるブロードな回折線(非晶質ハロー)をピーク分離して求めた積分強度をIa、10〜60°において検出される各結晶性回折線をピーク分離して求めた積分強度の総和をIcとした場合、結晶化度Xcは次式から求められる。 The crystallinity is obtained by separating a diffraction line profile of 10 to 60 ° with a 2θ value obtained by powder X-ray diffraction measurement using CuKα ray into a crystalline diffraction line and an amorphous halo. It is done. Specifically, the integrated intensity obtained by peak-separating a broad diffraction line (amorphous halo) at 10 to 45 ° from the total scattering curve obtained by subtracting the background from the diffraction line profile is Ia, 10 When the total integrated intensity obtained by peak separation of each crystalline diffraction line detected at ˜60 ° is Ic, the crystallinity Xc can be obtained from the following equation.
Xc=[Ic/(Ic+Ia)]×100(%) Xc = [Ic / (Ic + Ia)] × 100 (%)
正極活物質は非晶質相を含有することが好ましい。活物質粒子表面に非晶質相を含有することにより、活物質粒子界面でのリチウムイオンの拡散抵抗が小さくなり、高速充放電特性が向上する。 The positive electrode active material preferably contains an amorphous phase. By containing an amorphous phase on the surface of the active material particles, the diffusion resistance of lithium ions at the interface of the active material particles is reduced, and high-speed charge / discharge characteristics are improved.
正極活物質の平均粒子径は0.01〜30μm、0.05〜20μm、0.1〜10μmであることが好ましい。正極活物質の平均粒子径が大きすぎると、充放電した際に活物質中に存在するリチウムイオンを有効に吸蔵および放出できずに放電容量が低下する傾向がある。一方、正極活物質の平均粒子径が小さすぎると、均一な電極を製造することが困難になる傾向がある。また、比表面積が大きくなりすぎて、電極形成用のペーストを製造する際に正極活物質粉末が分散しにくくなるため、多量の結着剤や溶剤が必要となる。さらに、電極形成用ペーストの塗布性に劣り、均一な厚みを有する正極を形成しにくくなる。 The average particle size of the positive electrode active material is preferably 0.01 to 30 μm, 0.05 to 20 μm, and 0.1 to 10 μm. If the average particle size of the positive electrode active material is too large, lithium ions present in the active material cannot be effectively occluded and released when charged and discharged, and the discharge capacity tends to decrease. On the other hand, if the average particle size of the positive electrode active material is too small, it tends to be difficult to produce a uniform electrode. In addition, since the specific surface area becomes too large and the positive electrode active material powder is difficult to disperse when producing a paste for forming an electrode, a large amount of binder and solvent are required. Furthermore, it is inferior to the applicability of the electrode forming paste, and it becomes difficult to form a positive electrode having a uniform thickness.
なお本発明において、平均粒子径は、正極の電子顕微鏡の観察画像から算出した値を指す。具体的には、電子顕微鏡画像から20個の正極活物質粒子をランダムに選択し、それらの粒子径の平均値から算出したものである。なお、扁平な粒子については、長径と短径の平均値を粒子径とする。 In addition, in this invention, an average particle diameter points out the value computed from the observation image of the electron microscope of a positive electrode. Specifically, 20 positive electrode active material particles are randomly selected from an electron microscope image and calculated from an average value of their particle diameters. In addition, about flat particle | grains, let the average value of a long diameter and a short diameter be a particle diameter.
次に、結晶化ガラスの製造方法について説明する。 Next, the manufacturing method of crystallized glass is demonstrated.
まず、モル%で、Li2O 20〜50%、MnO2 20〜55%、Fe2O3 1〜20%およびP2O5 20〜50%を含有するガラス組成となるように原料粉末を調合し、得られた原料粉末に対し、溶融急冷プロセス、ゾル−ゲルプロセス、溶液ミストの火炎中への噴霧などの化学気相合成プロセス、メカノケミカルプロセス等により前駆体である前駆体ガラスを得る。これらのプロセスによると、ガラス化が促進されやすくなり、結果として、未反応の原料や磁性不純物の生成が起こりにくくなる。 First, the raw material powder is prepared so as to have a glass composition containing Li 2 O 20 to 50%, MnO 2 20 to 55%, Fe 2 O 3 1 to 20% and P 2 O 5 20 to 50% in mol%. Precursor glass, which is a precursor, is obtained from the raw material powder prepared and obtained by a chemical quenching process such as a melt quenching process, a sol-gel process, spraying a solution mist into a flame, or a mechanochemical process. . According to these processes, vitrification is easily promoted, and as a result, generation of unreacted raw materials and magnetic impurities hardly occurs.
得られた前駆体ガラスに対して熱処理を施すことにより結晶化ガラスを得る。前駆体ガラスの熱処理は、例えば温度および雰囲気の制御が可能な電気炉中で行われる。
熱処理温度は前駆体ガラスの組成や、所望とする結晶の含有量によって異なるため特に限定されるものではないが、少なくともガラス転移温度、さらには結晶化温度以上、具体的には、500℃以上、好ましくは550℃以上で熱処理を行うことが好ましい。熱処理温度がガラス転移温度未満であると、結晶の析出が不十分になり放電容量が低下するおそれがある。一方、熱処理温度の上限は900℃、特に850℃であることが好ましい。熱処理温度が高すぎると、異種結晶が析出しやすくなり、放電容量が低下するおそれがある。
Crystallized glass is obtained by heat-treating the obtained precursor glass. The heat treatment of the precursor glass is performed, for example, in an electric furnace capable of controlling the temperature and the atmosphere.
The heat treatment temperature is not particularly limited because it varies depending on the composition of the precursor glass and the desired crystal content, but at least the glass transition temperature, more than the crystallization temperature, specifically, 500 ° C. or more, It is preferable to perform the heat treatment at 550 ° C. or higher. If the heat treatment temperature is lower than the glass transition temperature, the crystal precipitation is insufficient and the discharge capacity may be reduced. On the other hand, the upper limit of the heat treatment temperature is preferably 900 ° C., particularly preferably 850 ° C. If the heat treatment temperature is too high, different crystals are likely to precipitate, and the discharge capacity may be reduced.
熱処理時間は、前駆体ガラスの結晶化が十分に進行するよう適宜調整される。具体的には、10〜180分間、特に20〜120分間であることが好ましい。 The heat treatment time is appropriately adjusted so that the crystallization of the precursor glass proceeds sufficiently. Specifically, it is preferably 10 to 180 minutes, particularly 20 to 120 minutes.
熱処理の際、前駆体ガラスにカーボンブラック等の導電性炭素または界面活性剤等の有機化合物を添加し、不活性または還元雰囲気にて焼成を行うことが好ましい。当該方法によれば、結晶化ガラス表面に電子伝導性の非晶質被覆層が形成された正極活物質が得られるため、正極活物質表面における電子伝導性が向上し、蓄電デバイスにおいて良好な急速充放電特性を得ることが可能となる。また、当該非晶質被覆層は、遷移金属イオンの溶出を抑制する役割も果たす。なお、導電性炭素または有機化合物は焼成することで還元作用を示すため、結晶化する際にガラス中の鉄の価数が2価に変化しやすく、LiMn1-x-yFexMyPO4結晶を高い割合で選択的に得ることができる。
During the heat treatment, it is preferable to add conductive carbon such as carbon black or an organic compound such as a surfactant to the precursor glass and perform firing in an inert or reducing atmosphere. According to this method, a positive electrode active material having an electron-conductive amorphous coating layer formed on the crystallized glass surface is obtained, so that the electron conductivity on the surface of the positive electrode active material is improved, and good rapidity can be achieved in an electricity storage device. Charge / discharge characteristics can be obtained. The amorphous coating layer also plays a role of suppressing elution of transition metal ions. Since the conductive carbon or organic compounds show a reducing action by baking, the valence of iron in the glass is liable to change into divalent upon crystallization, LiMn 1-xy Fe x M
導電性炭素または有機化合物の添加量としては、前駆体ガラス100質量部に対して、0.1〜50質量部、1〜30質量部、特に1.5〜20質量部であることが好ましい。導電性炭素または有機化合物の添加量が少なすぎると、上記効果が得られにくい。一方、導電性炭素または有機化合物の添加量が多すぎると、蓄電デバイスにおいて正極と負極の電位差が小さくなり、所望の起電力が得られなくなるおそれがある。 As addition amount of electroconductive carbon or an organic compound, it is preferable that it is 0.1-50 mass parts, 1-30 mass parts, especially 1.5-20 mass parts with respect to 100 mass parts of precursor glass. If the amount of conductive carbon or organic compound added is too small, the above effect is difficult to obtain. On the other hand, if the amount of conductive carbon or organic compound added is too large, the potential difference between the positive electrode and the negative electrode in the electricity storage device becomes small, and a desired electromotive force may not be obtained.
正極は、例えば正極活物質に導電助剤および結着剤を添加し、これらを水や、N−メチルピロリドン等の溶媒に懸濁させてスラリー化し、このスラリーをアルミニウム箔等の集電体に塗布し、乾燥後、プレスして帯状にすることにより作製される。 The positive electrode, for example, is obtained by adding a conductive additive and a binder to the positive electrode active material, suspending them in a solvent such as water or N-methylpyrrolidone, and making this slurry into a current collector such as an aluminum foil. It is produced by applying, drying and pressing to form a strip.
導電助剤は、急速充放電を達成するために添加される成分である。具体例としては、アセチレンブラックやケッチェンブラック等の高導電性カーボンブラック、黒鉛、コークス等が挙げられる。なかでも、極少量の添加で優れた導電性を発揮する高導電性カーボンブラックを用いることが好ましい。 A conductive support agent is a component added in order to achieve rapid charging / discharging. Specific examples include highly conductive carbon black such as acetylene black and ketjen black, graphite, coke and the like. Among them, it is preferable to use highly conductive carbon black that exhibits excellent conductivity when added in a very small amount.
結着剤としては、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、フッ素系ゴム、スチレンーブタンジエンゴム(SBR)等の熱可塑性直鎖状高分子;熱硬化性ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリアミド、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン等の熱硬化性樹脂;カルボキシメチルセルロース(カルボキシメチルセルロースナトリム等のカルボキシメチルセルロース塩も含む。以下同様)、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、エチルセルロースおよびヒドロキシメチルセルロース等のセルロース誘導体、ポリビニルアルコール、ポリアクリルアミド、ポリビニルピロリドンおよびその共重合体等の水溶性高分子が挙げられる。これらの結着剤は一種類のみを使用してもよいし、二種類以上を混合して用いてもよい。 Examples of the binder include thermoplastic linear polymers such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), fluorine-based rubber, and styrene-butanediene rubber (SBR); thermosetting polyimide, polyamide Thermosetting resins such as imide, polyamide, phenolic resin, epoxy resin, urea resin, melamine resin, unsaturated polyester resin, polyurethane; carboxymethylcellulose (including carboxymethylcellulose salts such as carboxymethylcellulose sodium; the same shall apply hereinafter), hydroxypropylmethylcellulose , Cellulose derivatives such as hydroxypropylcellulose, hydroxyethylcellulose, ethylcellulose and hydroxymethylcellulose, polyvinyl alcohol, polyacrylamide, polyvinylpyrrolidone And water-soluble polymers such as copolymers thereof. Only one kind of these binders may be used, or two or more kinds may be mixed and used.
正極活物質、導電助剤および結着剤の配合比は、正極活物質 70〜95質量%、導電助剤 3〜20質量%、結着剤 2〜10質量%の範囲にすることが好ましい。 The compounding ratio of the positive electrode active material, the conductive auxiliary agent and the binder is preferably in the range of 70 to 95% by mass of the positive electrode active material, 3 to 20% by mass of the conductive auxiliary agent, and 2 to 10% by mass of the binder.
正極集電体としては、例えばアルミニウム箔やアルミニウム合金箔を用いることができる。アルミニウム合金としては、アルミニウムと、マグネシウム、亜鉛、ケイ素等の元素とを含む合金が挙げられる。 As the positive electrode current collector, for example, an aluminum foil or an aluminum alloy foil can be used. Examples of the aluminum alloy include alloys containing aluminum and elements such as magnesium, zinc, and silicon.
2)負極
負極は、負極集電体と、負極集電体の片面または両面に担持された負極活物質含有層を備える。負極活物質層は、負極活物質および結着剤を含む。負極活物質層は、さらに必要に応じて導電助剤を含んでもよい。
2) Negative electrode The negative electrode includes a negative electrode current collector and a negative electrode active material-containing layer carried on one or both surfaces of the negative electrode current collector. The negative electrode active material layer includes a negative electrode active material and a binder. The negative electrode active material layer may further contain a conductive additive as necessary.
負極活物質は、Snと、Pおよび/またはBとを含む酸化物材料を含む。具体的には、負極活物質は、SnOに加え、P2O5および/またはB2O3を含有することが好ましい。 The negative electrode active material includes an oxide material containing Sn and P and / or B. Specifically, the negative electrode active material preferably contains P 2 O 5 and / or B 2 O 3 in addition to SnO.
SnOを含有する負極活物質を用いた場合、充放電の際に負極にて以下のような反応が起こることが知られている。 When a negative electrode active material containing SnO is used, it is known that the following reaction occurs in the negative electrode during charge and discharge.
SnO+2Li++2e- → Sn+Li2O ・・・(1)
Sn+yLi++ye- ←→ LiySn ・・・(2)
SnO + 2Li + + 2e − → Sn + Li 2 O (1)
Sn + yLi + + ye − ← → Li y Sn (2)
まず初回の充電時に、SnOが電子を受容して金属Snが生成する反応が不可逆的に起こる(式(1))。続いて、生成した金属Snは、正極から非水電解質を通って移動したリチウムイオンと回路から供給された電子と結合し、LiySn合金を形成する反応が起こる(式(2))。LiySn合金としては、Li2.6Sn、Li3.5Sn、Li4.4Sn等が知られている。当該反応は、充電時には右方向に反応が進み、放電時には左方向に進む可逆反応として起こる。以降、式(2)の充放電反応が繰り返し行われる。 First, during the first charge, a reaction in which SnO accepts electrons and metal Sn is generated occurs irreversibly (formula (1)). Subsequently, the produced metal Sn combines with lithium ions that have moved from the positive electrode through the nonaqueous electrolyte and electrons supplied from the circuit to form a Li y Sn alloy (formula (2)). As Li y Sn alloys, Li 2.6 Sn, Li 3.5 Sn, Li 4.4 Sn and the like are known. The reaction occurs as a reversible reaction that proceeds rightward during charging and proceeds leftward during discharging. Thereafter, the charge / discharge reaction of the formula (2) is repeatedly performed.
ここで、式(2)の充放電反応では体積変化を伴うが、負極活物質がSnと、Pおよび/またはBとを含む酸化物材料を含む場合、酸化物材料中のSnx+イオンがリン酸ネットワークおよび/またはホウ酸ネットワークに包括された状態で存在するため、充放電に伴うSnの体積変化を当該リン酸ネットワークおよび/またはホウ酸ネットワークで緩和することができる。よって、サイクル特性の低下を抑制することが可能となる。 Here, the charge / discharge reaction of Formula (2) is accompanied by a volume change, but when the negative electrode active material includes an oxide material containing Sn and P and / or B, Sn x + ions in the oxide material are phosphorous. Since the acid network and / or the boric acid network are included, the volume change of Sn accompanying charge / discharge can be mitigated by the phosphoric acid network and / or the boric acid network. Therefore, it is possible to suppress a decrease in cycle characteristics.
酸化物材料は、モル%で、SnO 45〜95%およびP2O5 5〜55%を含有する(組成A)こと、または、モル%で、SnO 10〜85%、B2O3 3〜90%およびP2O5 0〜55%(ただし、B2O3+P2O5 15%以上)を含有する(組成B)ことが好ましい。各組成をこのように限定した理由を以下に説明する。
Oxide materials, in mol%, containing SnO 45 to 95% and P 2 O 5 5~55% (Composition A) that, or, in mol%, SnO 10~85%, B 2
(組成A)
SnOはリチウムイオンを吸蔵および放出するサイトとなる活物質成分である。SnOの含有量は45〜95%、50〜90%、55〜87%、60〜85%、68〜83%、特に71〜82%であることが好ましい。SnOの含有量が少なすぎると、負極活物質の単位質量当たりの放電容量が小さくなる傾向がある。一方、SnOの含有量が多すぎると、負極活物質中の非晶質成分が相対的に少なくなるため、充放電時のリチウムイオンの吸蔵および放出に伴う体積変化を緩和できずに、放電容量が急速に低下するおそれがある。なお本発明において、SnOの含有量は、SnO以外の酸化スズ成分(SnO2等)もSnOに換算して合算したものを指す。
(Composition A)
SnO is an active material component that serves as a site for occluding and releasing lithium ions. The SnO content is preferably 45 to 95%, 50 to 90%, 55 to 87%, 60 to 85%, 68 to 83%, particularly 71 to 82%. If the SnO content is too small, the discharge capacity per unit mass of the negative electrode active material tends to be small. On the other hand, when the content of SnO is too large, the amorphous component in the negative electrode active material is relatively reduced, so that the volume change associated with insertion and extraction of lithium ions during charge and discharge cannot be reduced, and the discharge capacity May decrease rapidly. In the present invention, the content of SnO is oxidized tin component other than SnO (SnO 2, etc.) also refers to that summed in terms of SnO.
P2O5は網目形成酸化物であり、SnOにおけるリチウムイオンの吸蔵および放出サイトを包括し、リチウムイオンが移動可能な固体電解質としての機能を果たす。P2O5の含有量は5〜55%、10〜50%、12〜45%、13〜40%、14〜32、特に15〜29%であることが好ましい。P2O5の含有量が少なすぎると、充放電時のリチウムイオンの吸蔵および放出に伴うSnOの体積変化を緩和できず構造劣化を起こすため、繰り返し充放電時に放電容量が低下しやすくなる。一方、P2O5の含有量が多すぎると、耐水性が低下しやすくなる。また、水系電極ペーストを作製した際に、充放電反応に寄与しない異種結晶(例えばSnHPO4)が多量に形成され、繰り返し充放電した際に放電容量が低下しやすくなる。さらに、Sn原子とともに安定な結晶(例えばSnP2O7)を形成しやすく、鎖状P2O5における酸素原子が有する孤立電子対によるSn原子への配位結合の影響がより強い状態となる。結果として、上記式(1)でSnOを還元するために電子を多く必要とするため、初回充放電効率が低下する傾向がある。 P 2 O 5 is a network-forming oxide and includes lithium ion storage and release sites in SnO, and functions as a solid electrolyte to which lithium ions can move. The content of P 2 O 5 is preferably 5 to 55%, 10 to 50%, 12 to 45%, 13 to 40%, 14 to 32, particularly 15 to 29%. If the content of P 2 O 5 is too small, the volume change of SnO that accompanies occlusion and release of lithium ions during charge / discharge cannot be alleviated, resulting in structural deterioration, and the discharge capacity tends to decrease during repeated charge / discharge. On the other hand, when the content of P 2 O 5 is too large, the water resistance tends to lower. In addition, when a water-based electrode paste is produced, a large amount of heterogeneous crystals (for example, SnHPO 4 ) that do not contribute to the charge / discharge reaction are formed, and the discharge capacity tends to decrease when the charge / discharge is repeated. Furthermore, it is easy to form a stable crystal (for example, SnP 2 O 7 ) together with the Sn atom, and the influence of the coordination bond to the Sn atom by the lone pair of electrons in the chain P 2 O 5 becomes stronger. . As a result, since many electrons are required to reduce SnO in the above formula (1), the initial charge / discharge efficiency tends to decrease.
なお、SnO/P2O5(モル比)は、0.8〜19、1〜18、特に1.2〜17であることが好ましい。SnO/P2O5が小さすぎると、SnOにおけるSn原子がP2O5の配位の影響を受けやすくなり、初回充放電効率が低下する傾向がある。一方、SnO/P2O5が大きすぎると、繰り返し充放電した際に放電容量が低下しやすくなる。これは、酸化物中のSnOに配位するP2O5が少なくなってSnOを十分に包括できず、結果として、リチウムイオンの吸蔵および放出に伴うSnOの体積変化を緩和できなくなり、構造劣化を引き起こすためであると考えられる。 Incidentally, SnO / P 2 O 5 (molar ratio), 0.8~19,1~18, particularly preferably from 1.2 to 17. When SnO / P 2 O 5 is too small, Sn atoms in SnO are easily affected by the coordination of P 2 O 5 , and the initial charge / discharge efficiency tends to decrease. On the other hand, if SnO / P 2 O 5 is too large, the discharge capacity tends to decrease when charging and discharging are repeated. This is because the amount of P 2 O 5 coordinated with SnO in the oxide is reduced and SnO cannot be sufficiently included. As a result, the volume change of SnO associated with insertion and extraction of lithium ions cannot be mitigated, resulting in structural deterioration. It is thought to be caused.
(組成B)
SnOはリチウムイオンを吸蔵および放出するサイトとなる活物質成分である。SnOの含有量は10〜85%、30〜83%、40〜80%、特に50〜75%であることが好ましい。SnOの含有量が少なすぎると、負極活物質の単位質量当たりの放電容量が小さくなる傾向がある。一方、SnOの含有量が多すぎると、負極活物質中の非晶質成分が相対的に少なくなるため、充放電時のリチウムイオンの吸蔵および放出に伴う体積変化を緩和できずに、放電容量が急速に低下するおそれがある。
(Composition B)
SnO is an active material component that serves as a site for occluding and releasing lithium ions. The SnO content is preferably 10 to 85%, 30 to 83%, 40 to 80%, and particularly preferably 50 to 75%. If the SnO content is too small, the discharge capacity per unit mass of the negative electrode active material tends to be small. On the other hand, when the content of SnO is too large, the amorphous component in the negative electrode active material is relatively reduced, so that the volume change associated with insertion and extraction of lithium ions during charge and discharge cannot be reduced, and the discharge capacity May decrease rapidly.
B2O3は網目形成酸化物であり、SnOのリチウムイオンの吸蔵および放出サイトを包括し、充放電に伴うリチウムイオンの吸蔵および放出に伴う体積変化を緩和し、負極活物質の構造を維持する役割を果たす。B2O3の含有量は3〜90%、5〜70%、7〜60%、特に9〜55%であることが好ましい。B2O3の含有量が少なすぎると、充放電時のリチウムイオンの吸蔵および放出に伴うSnOの体積変化を緩和できず構造劣化を起こすため、サイクル特性が低下しやすくなる。一方、B2O3の含有量が多すぎると、ホウ酸ネットワーク中に存在する酸素原子が有する孤立電子対によるSn原子への配位結合の影響がより強い状態になる。結果として、初回充電時にSnOを還元するために電子を多く必要とするため、初回充放電効率が低下する傾向がある。また、相対的にSnOの含有量が少なくなり、負極活物質の単位質量当たりの放電容量が小さくなる傾向がある。 B 2 O 3 is a network-forming oxide that covers the storage and release sites of SnO lithium ions, mitigates volume changes associated with storage and release of lithium ions during charge and discharge, and maintains the structure of the negative electrode active material To play a role. The content of B 2 O 3 is preferably 3 to 90%, 5 to 70%, 7 to 60%, particularly 9 to 55%. If the content of B 2 O 3 is too small, the volume change of SnO associated with insertion and extraction of lithium ions during charge / discharge cannot be relaxed, causing structural deterioration, and the cycle characteristics are likely to deteriorate. On the other hand, when the content of B 2 O 3 is too large, the influence of the coordinate bond to the Sn atom by the lone electron pair of the oxygen atom present in the boric acid network becomes stronger. As a result, since many electrons are required to reduce SnO during the initial charge, the initial charge / discharge efficiency tends to decrease. In addition, the SnO content is relatively low, and the discharge capacity per unit mass of the negative electrode active material tends to be small.
P2O5は網目形成酸化物であり、ホウ酸ネットワークと3次元的に絡み合って複合ネットワークを形成することにより、SnOのリチウムイオンの吸蔵および放出サイトを包括する働きを有する。それにより、充放電に伴うリチウムイオンの吸蔵および放出に伴う体積変化を緩和し、負極活物質の構造を維持する役割を果たす。P2O5の含有量は0〜55%、5〜50%、特に10〜45%であることが好ましい。P2O5の含有量が多すぎると、耐水性が低下しやすくなる。また、水系電極ペーストを作製した際に、充放電反応に寄与しない異種結晶(例えばSnHPO4)が多量に形成され、繰り返し充放電した際に放電容量が低下しやすくなる。また、リン酸ネットワークおよびホウ酸ネットワーク中に存在する酸素原子が有する孤立電子対によるSn原子への配位結合の影響がより強い状態になる。結果として、初回充電時にSnOを還元するために電子を多く必要とするため、初回充放電効率が低下する傾向がある。さらに、相対的にSnOの含有量が少なくなり、負極活物質の単位質量当たりの放電容量が小さくなる傾向がある。 P 2 O 5 is a network-forming oxide, and has a function of comprehensively occluding and releasing SnO lithium ions by forming a composite network by three-dimensionally entwining with a boric acid network. Thereby, it plays the role which relieves the volume change accompanying the occlusion and discharge | release of lithium ion accompanying charging / discharging, and maintains the structure of a negative electrode active material. The content of P 2 O 5 is preferably 0 to 55%, 5 to 50%, particularly preferably 10 to 45%. When the content of P 2 O 5 is too large, the water resistance tends to lower. In addition, when a water-based electrode paste is produced, a large amount of heterogeneous crystals (for example, SnHPO 4 ) that do not contribute to the charge / discharge reaction are formed, and the discharge capacity tends to decrease when the charge / discharge is repeated. Moreover, the influence of the coordinate bond to Sn atom by the lone electron pair which the oxygen atom which exists in a phosphate network and a boric acid network has will be in a stronger state. As a result, since many electrons are required to reduce SnO during the initial charge, the initial charge / discharge efficiency tends to decrease. Furthermore, the content of SnO is relatively reduced, and the discharge capacity per unit mass of the negative electrode active material tends to be reduced.
B2O3とP2O5の合量は15%以上、20%以上、特に30%以上であることが好ましい。B2O3とP2O5の合量が少なすぎると、充放電時のリチウムイオンの吸蔵および放出に伴うSnOの体積変化を緩和できず構造劣化を起こすため、サイクル特性が低下しやすくなる。 The total amount of B 2 O 3 and P 2 O 5 is preferably 15% or more, 20% or more, and particularly preferably 30% or more. If the total amount of B 2 O 3 and P 2 O 5 is too small, the change in volume of SnO that accompanies occlusion and release of lithium ions during charge / discharge cannot be alleviated, resulting in structural deterioration, and cycle characteristics are likely to deteriorate. .
なお、SnO/(P2O5+B2O3)(モル比)は、0.8〜19、1〜18、特に1.2〜17であることが好ましい。SnO/(P2O5+B2O3)が小さすぎると、SnOにおけるSn原子がP2O5およびB2O3の配位の影響を受けやすくなり、初回充放電効率が低下する傾向がある。一方、SnO/(P2O5+B2O3)が大きすぎると、繰り返し充放電した際に放電容量が低下しやすくなる。これは、酸化物中のSnOに配位するP2O5およびB2O3が少なくなってSnOを十分に包括できず、結果として、リチウムイオンの吸蔵および放出に伴うSnOの体積変化を緩和できなくなり、構造劣化を引き起こすためであると考えられる。 Incidentally, SnO / (P 2 O 5 + B 2 O 3) ( molar ratio), 0.8~19,1~18, particularly preferably from 1.2 to 17. If SnO / (P 2 O 5 + B 2 O 3 ) is too small, Sn atoms in SnO are likely to be affected by the coordination of P 2 O 5 and B 2 O 3 , and the initial charge / discharge efficiency tends to decrease. is there. On the other hand, if SnO / (P 2 O 5 + B 2 O 3 ) is too large, the discharge capacity tends to decrease when repeated charge / discharge is performed. This is not sufficiently comprehensive and SnO is less P 2 O 5 and B 2 O 3 is coordinated to SnO in the oxide, as a result, reduce the volume change SnO accompanying occlusion of lithium ions and releasing This is considered to be because it becomes impossible to cause structural deterioration.
なお、組成Aまたは組成Bにおいて、上記成分に加えてさらに種々の成分を添加することができる。例えば、MnO、CuO、ZnO、MgO、CaO、Al2O3、SiO2、R2O(RはLi、Na、KおよびCsから選ばれる少なくとも1種を示す)を合量で0〜50%、0〜40%、0〜20%、0〜10%、特に0.1〜7%含有することができる。これらの成分の合量が多すぎると、非晶質になりやすくなるが、一方で、リン酸ネットワークが切断されやすくなるという弊害が生じる。結果として、充放電に伴う負極活物質の体積変化を緩和できず、サイクル特性が低下するおそれがある。 In composition A or composition B, various components can be further added in addition to the above components. For example, MnO, CuO, ZnO, MgO, CaO, Al 2 O 3 , SiO 2 , R 2 O (R represents at least one selected from Li, Na, K, and Cs) in a total amount of 0 to 50% 0 to 40%, 0 to 20%, 0 to 10%, particularly 0.1 to 7%. When the total amount of these components is too large, it becomes easy to become amorphous, but on the other hand, there is a problem that the phosphate network is easily cleaved. As a result, the volume change of the negative electrode active material accompanying charge / discharge cannot be relaxed, and the cycle characteristics may be deteriorated.
また、負極活物質は非晶質相を含有することが好ましい。非晶質相の存在により、繰り返し充放電時の体積変化を緩和でき放電容量の低下抑制の観点から有利である。 The negative electrode active material preferably contains an amorphous phase. The presence of the amorphous phase is advantageous from the viewpoint of suppressing the decrease in discharge capacity because the volume change during repeated charge / discharge can be alleviated.
負極活物質の結晶化度は、質量%で充放電反応前において95%以下、80%以下、70%以下、50%以下、40%以下、特に10%以下であることが好ましい。また、負極活物質は実質的に非晶質からなるものであってもよい。ここで、「実質的に非晶質からなる」とは、結晶化度が実質的に0%(具体的には、0.1%未満)であることを指し、後述の粉末X線回折測定において、結晶性回折線が検出されないものをいう。特に、負極活物質がSnOを高い割合で含有する場合は、結晶化度が小さい(非晶質相の割合が大きい)ほど、繰り返し充放電時の体積変化を緩和でき放電容量の低下抑制の観点から有利である。なお、結晶化度は、正極活物質の場合と同様の方法で求められる。 The degree of crystallinity of the negative electrode active material is preferably 95% or less, 80% or less, 70% or less, 50% or less, 40% or less, particularly 10% or less before charge / discharge reaction. The negative electrode active material may be substantially amorphous. Here, “consisting essentially of amorphous” means that the crystallinity is substantially 0% (specifically, less than 0.1%), and will be described later by powder X-ray diffraction measurement. In which no crystalline diffraction line is detected. In particular, when the negative electrode active material contains SnO in a high proportion, the smaller the crystallinity (the larger the proportion of the amorphous phase), the smaller the volume change during repeated charging / discharging, and the viewpoint of suppressing the decrease in discharge capacity. Is advantageous. The crystallinity is obtained by the same method as that for the positive electrode active material.
負極活物質の平均粒子径は0.01〜30μm、0.05〜20μm、0.1〜10μmであることが好ましい。負極活物質の平均粒子径が大きすぎると、充放電した際にリチウムイオンの吸蔵および放出に伴う負極活物質の体積変化を緩和できずに負極材料が集電体から剥れやすくなったり、サイクル特性が著しく低下する傾向がある。一方、負極活物質の平均粒子径が小さすぎると、均一な電極を製造することが困難になる傾向がある。また、比表面積が大きくなりすぎて、電極形成用のペーストを製造する際に負極活物質粉末が分散しにくくなるため、多量の結着剤や溶剤が必要となる。さらに、電極形成用ペーストの塗布性に劣り、均一な厚みを有する負極を形成しにくくなる。なお、平均粒子径は、正極活物質の場合と同様の方法で求められる。 The average particle diameter of the negative electrode active material is preferably 0.01 to 30 μm, 0.05 to 20 μm, and 0.1 to 10 μm. If the average particle size of the negative electrode active material is too large, the negative electrode material can be easily peeled off from the current collector without relaxing the volume change of the negative electrode active material due to insertion and extraction of lithium ions during charge and discharge. There is a tendency for the properties to decrease significantly. On the other hand, if the average particle size of the negative electrode active material is too small, it tends to be difficult to produce a uniform electrode. In addition, since the specific surface area becomes too large and the negative electrode active material powder is difficult to disperse when producing a paste for forming an electrode, a large amount of binder and solvent are required. Furthermore, it is inferior to the applicability of the electrode forming paste, and it becomes difficult to form a negative electrode having a uniform thickness. In addition, an average particle diameter is calculated | required by the method similar to the case of a positive electrode active material.
また、負極活物質は、Si、SnおよびAlから選ばれる少なくとも1種の金属、または、それらの金属からなる合金を含む無機材料を含有することが好ましい。特に、Siを含有すると放電容量が高くなるため好ましい。 Moreover, it is preferable that a negative electrode active material contains the inorganic material containing the alloy which consists of at least 1 sort (s) of metal chosen from Si, Sn, and Al, or those metals. In particular, the inclusion of Si is preferable because the discharge capacity increases.
負極活物質の初回充放電効率は、40〜90%、45〜85%、特に50〜80%が好ましい。初回充放電効率が低すぎると、蓄電デバイスの放電容量が低くなる傾向がある。一方、初回充放電効率が高すぎると、LiMn1-x-yFexMyPO4結晶を含有する正極活物質における低電位放電容量が残りやすい。 The initial charge / discharge efficiency of the negative electrode active material is preferably 40 to 90%, 45 to 85%, particularly 50 to 80%. If the initial charge / discharge efficiency is too low, the discharge capacity of the electricity storage device tends to be low. On the other hand, when the initial charge and discharge efficiency is too high, the low-potential discharge capacity tends to remain in the positive electrode active material containing LiMn 1-xy Fe x M y PO 4 crystal.
負極は、例えば、粉末状の負極活物質に導電助剤および結着剤を添加し、これを例えば水や、N−メチルピロリドン等の有機溶剤に懸濁させ、この懸濁物を例えば銅または銅合金からなる金属箔の負極集電体に塗布し、乾燥後、プレスして帯状にすることにより作製される。 For example, the negative electrode is prepared by adding a conductive additive and a binder to a powdered negative electrode active material, and suspending the suspension in, for example, water or an organic solvent such as N-methylpyrrolidone. It is produced by applying to a negative electrode current collector of a metal foil made of a copper alloy, drying and pressing to form a strip.
導電助剤は、正極の導電助剤と同様の材料を用いることができる。 As the conductive auxiliary agent, the same material as the positive electrode conductive auxiliary agent can be used.
結着剤は、負極を構成する材料同士を結着させ、充放電に伴う体積変化によって負極活物質が負極から脱離するのを防止するために添加される成分であり、正極の結着剤と同様のものを使用できる。なかでも、結着性に優れる点から、熱硬化性樹脂または水溶性高分子が好ましく、工業的に広範囲に用いられる熱硬化性ポリイミドまたはカルボキシメチルセルロースがより好ましい。特に、安価であり、かつ、電極形成用ペースト作製時に有機溶媒を必要としない低環境負荷のカルボキメチルセルロースが最も好ましい。これらの結着剤は一種類のみを使用してもよいし、二種類以上を混合して用いてもよい。 The binder is a component that is added to bind materials constituting the negative electrode and prevent the negative electrode active material from being detached from the negative electrode due to a volume change associated with charge and discharge. Can be used. Among these, a thermosetting resin or a water-soluble polymer is preferable from the viewpoint of excellent binding properties, and thermosetting polyimide or carboxymethyl cellulose that is widely used industrially is more preferable. In particular, carboxymethyl cellulose, which is inexpensive and has a low environmental load and does not require an organic solvent when preparing an electrode forming paste, is most preferable. Only one kind of these binders may be used, or two or more kinds may be mixed and used.
負極中における各成分の含有量は、質量%で、負極活物質55〜90%、結着剤2〜30%、導電助剤3〜20%であることが好ましい。各成分が当該範囲を満たすことにより、高容量であり、かつ、サイクル特性に優れた負極が得られやすくなる。 It is preferable that content of each component in a negative electrode is the mass%, and is 55-90% of negative electrode active materials, 2-30% of binders, and 3-20% of conductive support agents. When each component satisfies the range, a negative electrode having a high capacity and excellent cycle characteristics is easily obtained.
負極活物質の金属リチウムに対する電位は、0.05〜2V、特に0.1〜1Vであることが好ましい。負極活物質の金属リチウムに対する電位が低すぎると、負極表面でリチウムデンドライトが析出しやすく、内部短絡が生じるおそれがある。一方、負極活物質の金属リチウムに対する電位が高すぎると、正極活物質との電位差が小さくなって、蓄電デバイスの作動電圧が低くなる傾向がある。 The potential of the negative electrode active material with respect to metallic lithium is preferably 0.05 to 2 V, particularly preferably 0.1 to 1 V. If the potential of the negative electrode active material with respect to metallic lithium is too low, lithium dendrite is likely to precipitate on the negative electrode surface, which may cause an internal short circuit. On the other hand, if the potential of the negative electrode active material with respect to metallic lithium is too high, the potential difference from the positive electrode active material becomes small, and the operating voltage of the electricity storage device tends to be low.
3)非水電解質
非水電解質は、非水溶媒と、当該非水溶媒に溶解した電解質塩とを含む。
3) Non-aqueous electrolyte The non-aqueous electrolyte includes a non-aqueous solvent and an electrolyte salt dissolved in the non-aqueous solvent.
非水溶媒としては、特に限定されるものではないが、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、1,2−ジメトキシエタン(DME)、γ−ブチロラクトン(GBL)、テトラヒドロフラン(THF)、2−メチルテトラヒドロフラン(2−MeHF)、1,3−ジオキソラン、スルホラン、アセトニトリル(AN)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、メチルエチルカーボネート(MEC)、ジプロピルカーボネート(DPC)等が挙げられる。これらの非水溶媒は単独で使用してもよいし、二種類以上を混合して用いてもよい。なかでも、低温特性に優れるプロピレンカーボネートが好ましい。 The non-aqueous solvent is not particularly limited, but propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), 1,2-dimethoxyethane (DME), γ-butyrolactone (GBL), tetrahydrofuran (THF), 2 -Methyltetrahydrofuran (2-MeHF), 1,3-dioxolane, sulfolane, acetonitrile (AN), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), methyl ethyl carbonate (MEC), dipropyl carbonate (DPC), etc. It is done. These nonaqueous solvents may be used alone or in combination of two or more. Of these, propylene carbonate having excellent low-temperature characteristics is preferable.
電解質塩としては、LiPF6、LiBF4、Li(CF3SO2)2N(ビストリフルオロメタンスルホニルアミドリチウム;通称LiTFSI)、LiCF3SO3(通称LiTFS)、Li(C2F5SO2)2N(ビスペンタフルオロエタンスルホニルアミドリチウム;通称LiBETI)、LiClO4、LiAsF6、LiSbF6、ビスオキサラトホウ酸リチウム(LiB(C2O4)2;通称LiBOB)、ジフルオロ(トリフルオロ−2−オキシド−2−トリフルオロ−メチルプロピオナト(2−)−0,0)ホウ酸リチウム(LiBF2OCOOC(CF3)3、通称LiB(HHIB))等のリチウム塩が挙げられる。これらの電解質塩は単独で使用してもよいし二種類以上を混合して用いてもよい。特に、安価であるLiPF6、LiBF4が好ましい。電解質塩濃度は、一般的には1M以上、特に3M以下の範囲内で適宜調整される。
Examples of the electrolyte salt include LiPF 6 , LiBF 4 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N (bistrifluoromethanesulfonylamide lithium; commonly known as LiTFSI), LiCF 3 SO 3 (commonly known as LiTFS), and Li (C 2 F 5 SO 2 ). 2 N (bis pentafluoroethanesulfonyl amide lithium; called LiBETI), LiClO 4, LiAsF 6 , LiSbF 6, bisoxalato
また、非水電解質は、ビニレンカーボネート(VC)、ビニレンアセテート(VA)、ビニレンブチレート、ビニレンヘキサネート、ビニレンクロトネート、カテコールカーボネート等の添加剤を含有していてもよい。これらの添加剤は、負極活物質表面に保護膜(LiCOx等)を形成する役割を有する。添加剤の濃度は、非水電解質100質量部に対して0.1〜3質量部、特に0.5〜1質量部であることが好ましい。 The nonaqueous electrolyte may contain additives such as vinylene carbonate (VC), vinylene acetate (VA), vinylene butyrate, vinylene hexanate, vinylene crotonate, catechol carbonate and the like. These additives have a role of forming a protective film (LiCO x or the like) on the surface of the negative electrode active material. The concentration of the additive is preferably 0.1 to 3 parts by mass, particularly 0.5 to 1 part by mass with respect to 100 parts by mass of the nonaqueous electrolyte.
4)セパレータ
セパレータは絶縁性を有する材質からなり、具体的にはポリオレフィン、セルロース、ポリエチレンテレフタレート、ビニロン等のポリマーから得られる多孔質フィルムまたは不織布、繊維状ガラスを含んだガラス不織布、繊維状ガラスを編んだガラスクロス、フィルム状ガラス等を用いることができる。
4) Separator The separator is made of an insulating material, specifically, a porous film or non-woven fabric obtained from a polymer such as polyolefin, cellulose, polyethylene terephthalate, vinylon, a non-woven glass fabric containing fibrous glass, or a fibrous glass. A knitted glass cloth, a film-like glass or the like can be used.
以下、本発明の蓄電デバイスの実施例について詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, examples of the electricity storage device of the present invention will be described in detail, but the present invention is not limited to these examples.
(実施例1)
(1)正極活物質の作製
メタリン酸リチウム(LiPO3)、炭酸リチウム(Li2CO3)、二酸化マンガン(MnO2)、酸化第二鉄(Fe2O3)および酸化ニオブ(Nb2O5)を原料とし、表1に記載の組成となるように原料粉末を調合し、大気雰囲気中1250℃にて1時間溶融を行った。その後、一対の成形ロールに溶融ガラスを流し込み、急冷しながらフィルム状に成形することにより、前駆体ガラスを作製した。得られた前駆体ガラスを粉砕し、平均粒子径0.5μmの前駆体ガラス粉末を得た。
Example 1
(1) Preparation of positive electrode active material Lithium metaphosphate (LiPO 3 ), lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), manganese dioxide (MnO 2 ), ferric oxide (Fe 2 O 3 ) and niobium oxide (Nb 2 O 5) ) Was used as a raw material, and a raw material powder was prepared so as to have the composition shown in Table 1, and was melted at 1250 ° C. for 1 hour in an air atmosphere. Then, molten glass was poured into a pair of forming rolls, and a precursor glass was produced by forming into a film shape while rapidly cooling. The obtained precursor glass was pulverized to obtain a precursor glass powder having an average particle size of 0.5 μm.
次に、前駆体ガラス粉末100質量部に対して、導電性炭素の原料として非イオン性界面活性剤であるポリエチレンオキシドノニルフェニルエーテル(HLB値:13.3 重量平均分子量:660)を25.3質量部(グラファイト換算15質量部に相当)および純水60質量部を加え、十分に混合した後、乾燥させた。その後、窒素雰囲気中800℃にて30分間熱処理して結晶化させ、表面が導電性炭素で被覆された結晶化ガラス粉末(正極活物質粉末)を得た。得られた正極活物質について粉末X線回折パターンを確認したところ、オリビン型LiMn1-x-yFexMyPO4由来の回折線が確認された。 Next, with respect to 100 parts by mass of the precursor glass powder, 25.3 polyethylene oxide nonylphenyl ether (HLB value: 13.3 weight average molecular weight: 660), which is a nonionic surfactant, is used as a conductive carbon raw material. Mass parts (corresponding to 15 parts by mass in terms of graphite) and 60 parts by mass of pure water were added, mixed thoroughly, and dried. Then, it crystallized by heat-processing for 30 minutes at 800 degreeC in nitrogen atmosphere, and obtained the crystallized glass powder (positive electrode active material powder) by which the surface was coat | covered with the conductive carbon. When the obtained cathode active material was confirmed by a powder X-ray diffraction pattern, the diffraction line from olivine LiMn 1-xy Fe x M y PO 4 was confirmed.
(2)正極の作製
上記で得られた正極活物質に対し、導電助剤としてケッチェンブラック、結着剤としてフッ化ポリビニリデンを、正極活物質:導電助剤:結着剤=83:5:12(質量比)となるように秤量し、これらをN−メチルピロリドンに分散させた後、自転・公転ミキサーで十分に撹拌してスラリー化した。
(2) Production of positive electrode For the positive electrode active material obtained above, ketjen black as a conductive additive, polyvinylidene fluoride as a binder, positive electrode active material: conductive auxiliary agent: binder = 83: 5 : 12 (mass ratio) was weighed and dispersed in N-methylpyrrolidone, and then sufficiently stirred with a rotation / revolution mixer to form a slurry.
次に、ドクターブレードを用いて、正極集電体である厚さ20μmのアルミ箔上に、上記のスラリーをコートし、乾燥機にて80℃で乾燥後、一対の回転ローラー間に通し、1t/cm2でプレスすることにより電極シートを得た。電極シートを電極打ち抜き機で直径11mmに打ち抜き、140℃で6時間乾燥させ、円形の正極を得た。このときの正極の充電容量は1.5mAhであった。 Next, the above slurry was coated on a 20 μm-thick aluminum foil as a positive electrode current collector using a doctor blade, dried at 80 ° C. with a dryer, and passed between a pair of rotating rollers. An electrode sheet was obtained by pressing at / cm 2 . The electrode sheet was punched to a diameter of 11 mm with an electrode punching machine and dried at 140 ° C. for 6 hours to obtain a circular positive electrode. The charge capacity of the positive electrode at this time was 1.5 mAh.
(3)負極活物質の作製
主原料としてピロリン酸第一錫(Sn2P2O7)を用い、さらに、その他の各種酸化物等を添加して、SnO 72モル%およびP2O5 28モル%の組成となるように調製した原料を、石英ルツボに投入し、電気炉を用いて窒素雰囲気中950℃にて、40分間の溶融を行い、ガラス化した。
(3) Production of negative electrode active material Stannous pyrophosphate (Sn 2 P 2 O 7 ) was used as a main raw material, and various other oxides were further added to add 72 mol% of SnO and P 2 O 5 28. The raw material prepared so as to have a composition of mol% was put into a quartz crucible and melted in a nitrogen atmosphere at 950 ° C. for 40 minutes using an electric furnace to vitrify.
次いで、溶融ガラスを一対の成形ローラー間に流し出すことにより、急冷しながら成形してフィルム状ガラスを得た。このフィルム状ガラスを、ボールミルを用いて粉砕することより、平均粒子径3〜15μmのガラス粗粉末を得た。次いで、ガラス粗粉末を空気分級することで、平均粒子径2μmかつ最大粒子径28μmのガラス粉末を得た。 Next, the molten glass was poured out between a pair of molding rollers to form film glass while rapidly cooling. This film-like glass was pulverized using a ball mill to obtain a coarse glass powder having an average particle diameter of 3 to 15 μm. Subsequently, the glass powder with an average particle diameter of 2 μm and a maximum particle diameter of 28 μm was obtained by classifying the glass coarse powder with air.
得られたガラス粉末について粉末X線回折測定することにより構造を同定したところ、結晶は検出されず、実質的に非晶質であることがわかった。 When the structure of the obtained glass powder was identified by powder X-ray diffraction measurement, no crystals were detected, and it was found that the glass powder was substantially amorphous.
上記で得られたガラス粉末に対し、無機材料であるSi粉末を重量比で1:1となるように混合して窒素封入した容器に投入し、ボールミルを用いて混合することで負極活物質を得た。 Into the glass powder obtained above, Si powder, which is an inorganic material, is mixed at a weight ratio of 1: 1 and charged into a nitrogen-filled container, and the negative electrode active material is mixed by using a ball mill. Obtained.
(4)負極の作製
上記で得られた負極活物質に対し、導電助剤としてケッチェンブラック、結着剤としてポリイミドを、負極活物質:導電助剤:結着剤=83:5:12(質量比)となるように秤量し、これらを純水中に分散させた後、自転・公転ミキサーで十分に撹拌してスラリー化した。
(4) Production of Negative Electrode For the negative electrode active material obtained above, ketjen black is used as a conductive aid, polyimide is used as a binder, and negative electrode active material: conductive aid: binder = 83: 5: 12 ( (Mass ratio), these were weighed and dispersed in pure water, and then sufficiently stirred with a rotation / revolution mixer to form a slurry.
次に、隙間100〜200μmのドクターブレードを用いて、負極集電体である厚さ18μmの銅箔上に、上記のスラリーをコートし、40〜70℃で乾燥後、一対の回転ローラー間に通し、プレスすることにより電極シートを得た。電極シートを電極打ち抜き機で直径11mmに打ち抜き、減圧下140℃にて6時間乾燥させ、円形の負極を得た。このときの負極の充電容量は1.5mAhであった。 Next, using a doctor blade with a gap of 100 to 200 μm, the above slurry was coated on a copper foil with a thickness of 18 μm, which was a negative electrode current collector, dried at 40 to 70 ° C., and then between a pair of rotating rollers. The electrode sheet was obtained by pressing through. The electrode sheet was punched to a diameter of 11 mm with an electrode punching machine and dried at 140 ° C. under reduced pressure for 6 hours to obtain a circular negative electrode. The charging capacity of the negative electrode at this time was 1.5 mAh.
(5)試験電池の作製
コインセルの下蓋に、上記正極をアルミ箔面が下に向くように載置し、その上に、200℃で8時間減圧乾燥した直径16mmのガラス不織布からなるセパレータ、さらに上記負極を積層し、上蓋を被せてCR2032型試験電池を作製した。電解液としては、1M LiPF6溶液/EC:DEC=1:1(EC=エチレンカーボネート、DEC=ジエチルカーボネート)を用いた。試験電池の組み立ては露点温度−40℃以下の環境で行った。
(5) Production of test battery On the lower lid of the coin cell, the positive electrode was placed with the aluminum foil surface facing downward, and a separator made of a glass nonwoven fabric with a diameter of 16 mm, which was dried under reduced pressure at 200 ° C. for 8 hours, Further, the negative electrode was laminated and covered with an upper lid to prepare a CR2032-type test battery. As the electrolytic solution, 1M LiPF 6 solution / EC: DEC = 1: 1 (EC = ethylene carbonate, DEC = diethyl carbonate) was used. The test battery was assembled in an environment with a dew point temperature of −40 ° C. or lower.
(実施例2)
正極活物質が表1に記載の材料であること以外は、実施例1と同様の方法で試験電池を作製した。
(Example 2)
A test battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the positive electrode active material was the material shown in Table 1.
(実施例3)
正極活物質が表1に記載の材料であること、負極活物質にSi粉末を混合しなかったこと以外は、実施例1と同様の方法で試験電池を作製した。
(Example 3)
A test battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the positive electrode active material was the material shown in Table 1 and that the negative electrode active material was not mixed with Si powder.
(比較例1)
負極活物質がグラファイトであること以外は、実施例1と同様の方法で試験電池を作製した。
(Comparative Example 1)
A test battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the negative electrode active material was graphite.
上記で得られた電池に対し、2Vから4.5VまでCC(定電流)充電(負極活物質へのリチウムイオン吸蔵/正極活物質からのリチウムイオン放出)を行い、正極活物質の単位重量中に充電された電気量(充電容量)を求めた。次に、4.5Vから2VまでCC放電(負極活物質からのリチウムイオン放出/正極活物質へのリチウムイオン吸蔵)させ、正極活物質の単位重量中に放電された電気量(放電容量)を求めた。以降、同様にして充放電を繰り返し、充放電容量を求めた。なお、Cレートは0.1Cとした。 The battery obtained above was charged with CC (constant current) from 2 V to 4.5 V (occlusion of lithium ions into the negative electrode active material / release of lithium ions from the positive electrode active material), and in the unit weight of the positive electrode active material The amount of electricity charged (charging capacity) was determined. Next, CC discharge (discharge of lithium ions from the negative electrode active material / occlusion of lithium ions into the positive electrode active material) from 4.5 V to 2 V is performed, and the amount of electricity (discharge capacity) discharged in the unit weight of the positive electrode active material is Asked. Thereafter, charge / discharge was repeated in the same manner, and the charge / discharge capacity was determined. The C rate was 0.1C.
表1に、正極活物質、その高電位放電容量率、負極活物質、その初回充放電効率、および試験電池の放電時における急激な電圧変化の有無を示す。
Table 1 shows the positive electrode active material, its high potential discharge capacity ratio, the negative electrode active material, its initial charge / discharge efficiency, and the presence or absence of a rapid voltage change during discharge of the test battery.
表1から明らかなように、LiMn1-x-yFexMyPO4結晶を含有する正極活物質、SnとPおよび/またはBを構成元素とする酸化物材料を含有する負極活物質を使用した実施例1〜3の電池は、負極活物質の初回充放電効率が正極活物質の高電位放電容量率よりも低かったため、放電時における急激な電圧変化は見られず、安定して動作することが確認された。 As apparent from Table 1, with a negative electrode active material containing an oxide material that cathode active material containing LiMn 1-xy Fe x M y PO 4 crystal, the Sn and P and / or B and constituent element In the batteries of Examples 1 to 3, the initial charge / discharge efficiency of the negative electrode active material was lower than the high-potential discharge capacity rate of the positive electrode active material, so that a sudden voltage change during discharge was not observed and the battery operated stably. Was confirmed.
一方、グラファイト負極活物質を使用した比較例1の電池は、負極活物質の初回充放電効率が正極活物質の高電位放電容量率よりも高かったため、放電時において急激な電圧低下が発生した。 On the other hand, in the battery of Comparative Example 1 using the graphite negative electrode active material, the initial charge / discharge efficiency of the negative electrode active material was higher than the high potential discharge capacity ratio of the positive electrode active material, and thus a sudden voltage drop occurred during discharge.
1 蓄電デバイス
2 正極
3 負極
4 非水電解質
5 セパレータ
1
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