JP5819782B2 - Method for producing positive electrode material for lithium secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、リチウム二次電池用正極材料およびその製造方法ならびに同正極材料を用いたリチウム二次電池に関し、特に大きな放電容量と優れたサイクル特性を有するリチウム二次電池に用いられる正極材料およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a positive electrode material for a lithium secondary battery, a method for producing the same, and a lithium secondary battery using the positive electrode material. Particularly, the positive electrode material used for a lithium secondary battery having a large discharge capacity and excellent cycle characteristics and the same It relates to a manufacturing method.
リチウム二次電池は、3−4V級の高電圧、高エネルギー密度で長期のサイクル寿命を有するため、モバイル端末電源、電気自動車用電源、バックアップ電源として使用されている。 Lithium secondary batteries are used as mobile terminal power supplies, electric vehicle power supplies, and backup power supplies because they have a high voltage of 3-4V, a high energy density, and a long cycle life.
本電池は、正極または負極でリチウムイオンが挿入/脱離もしくはインターカレーション反応することで、負極/正極間をリチウムイオンが移動することによって、二次電池として利用できるようになっている。従来のリチウム二次電池は、LiCoO2(コバルト酸リチウム)を正極材料として利用することで、4V級の高い放電電圧を発現することができ、広く実用化された。 This battery can be used as a secondary battery by the movement of lithium ions between the negative electrode and the positive electrode by the insertion / desorption or intercalation reaction of lithium ions at the positive electrode or the negative electrode. A conventional lithium secondary battery can express a high discharge voltage of 4 V class by using LiCoO 2 (lithium cobaltate) as a positive electrode material, and has been widely put into practical use.
しかし、コバルトは資源量が乏しいため価格が高く、また安全性の確保が難しいという問題点があった。そのため今後の普及が期待される電気自動車などに用いられる大型リチウム二次電池では、LiCoO2の使用は望ましくない。そこで、大型リチウム二次電池の普及のために、LiCoO2に代わる新規正極材料が期待されている。ここ数年、高安全性を有する安価な代替材料として、LiFePO4(リン酸鉄リチウム)が注目されている。LiFePO4は、3.5V程度の放電電圧を示し、さらに安全性の観点から優れた正極材料であり、大型リチウム二次電池に適した材料として開発が進められている。 However, cobalt has a problem in that it is difficult to ensure safety because of its low resource amount and high price. Therefore, it is not desirable to use LiCoO 2 in a large-sized lithium secondary battery used for an electric vehicle or the like that is expected to spread in the future. Therefore, a new positive electrode material replacing LiCoO 2 is expected for the spread of large-sized lithium secondary batteries. In recent years, LiFePO 4 (lithium iron phosphate) has attracted attention as an inexpensive alternative material with high safety. LiFePO 4 exhibits a discharge voltage of about 3.5 V, is a positive electrode material that is excellent from the viewpoint of safety, and is being developed as a material suitable for a large-sized lithium secondary battery.
このように有望なLiFePO4であるが、空気中ではない特殊な雰囲気(多くの場合、水素流通下)での焼成が必要であるため、合成コストが上昇する傾向があった。 Despite that promising LiFePO 4, (often hydrogen flow under) a special atmosphere is not in the air due to the need for firing at, synthetic cost tended to rise.
一方、同様な鉄系材料として、Fe2(SO4)3(硫酸鉄)を含有する正極材料が、空気中での焼成による合成が可能で、低コストが期待できる材料として報告されている(特許文献1)。また、電圧についても、Fe2(SO4)3を含有する正極材料はLiFePO4の場合よりも高い3.6Vの電圧を有し、正極材料として有望である(非特許文献1)。
On the other hand, as a similar iron-based material, a positive electrode material containing Fe 2 (SO 4 ) 3 (iron sulfate) is reported as a material that can be synthesized by firing in air and can be expected to be low in cost ( Patent Document 1). As for the voltage, the positive electrode
しかし、Fe2(SO4)3の充放電サイクル性能については、その充電容量と放電容量の差である不可逆容量が徐々に増加するため、20回程度のサイクルしか実現できていない。これは、Fe2(SO4)3の低導電性が主たる原因であると考えられている。 However, with regard to the charge / discharge cycle performance of Fe 2 (SO 4 ) 3 , the irreversible capacity, which is the difference between the charge capacity and the discharge capacity, gradually increases, so that only about 20 cycles can be realized. This is considered to be mainly due to the low conductivity of Fe 2 (SO 4 ) 3 .
一般的に、このような低導電性正極材料の導電性を改善する方法として、導電性の高い材料と混合し複合化する方法、粒子表面をカーボンでコートする方法、粒子のナノサイズ化を行う方法、あるいは正極材料と導電材料とを混合してボールミルを行う方法が知られている。そのなかでも、正極材料と導電材料とを混合してボールミルを行う方法は、シンプルかつ低コストで行えるため、導電性を改善する方法として広く行われている。 In general, as a method for improving the conductivity of such a low-conductivity positive electrode material, a method of mixing with a highly conductive material to form a composite, a method of coating the particle surface with carbon, and a nano-size of the particle are performed. A method of performing a ball mill by mixing a positive electrode material and a conductive material is known. Among them, a method of performing ball milling by mixing a positive electrode material and a conductive material is widely performed as a method for improving conductivity because it can be performed simply and at low cost.
しかし、Fe2(SO4)3をカーボン導電材料と混合することは、Fe2(SO4)3のかさ密度が低いため他の材料と比較して混合が非常に困難であった。特に、導電材料との混合の際、Fe2(SO4)3粒子とカーボン粒子が吸着しやすいため、混合を行っても凝集し均一に分散できないという課題があった。また、Fe2(SO4)3は低コスト材料であるが、導電性が低いため、充放電サイクル時に不可逆容量が大きく、また大電流放電が難しいという課題があった。 However, mixing Fe 2 (SO 4 ) 3 with a carbon conductive material is very difficult to mix compared to other materials because Fe 2 (SO 4 ) 3 has a low bulk density. In particular, when mixed with a conductive material, Fe 2 (SO 4 ) 3 particles and carbon particles are easily adsorbed, so that there is a problem that even when mixed, they are aggregated and cannot be uniformly dispersed. In addition, Fe 2 (SO 4 ) 3 is a low-cost material, but has low electrical conductivity, and therefore has a problem that it has a large irreversible capacity during a charge / discharge cycle and it is difficult to discharge a large current.
本発明は、前述した従来の課題を解決するためになされたものであり、Fe2(SO4)3の不可逆容量を減少させ、さらにサイクル特性を改善することを目的としたものである。 The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and aims to reduce the irreversible capacity of Fe 2 (SO 4 ) 3 and further improve the cycle characteristics.
上記の課題は、Fe2(SO4)3粒子に導電材材料であるカーボンを混合して複合化する際に、本発明特有の手法を用いることによって克服できる。 The above-described problem can be overcome by using a technique peculiar to the present invention when combining Fe 2 (SO 4 ) 3 particles with carbon, which is a conductive material, to form a composite.
具体的には、以下のような手法を用いることにより本課題を解決するために有効な導電性を向上させたリチウム二次電池用正極材料を得ることができる。 Specifically, a positive electrode material for a lithium secondary battery having improved conductivity effective for solving the problem can be obtained by using the following method.
すなわち、本発明のリチウム二次電池用正極材料の製造方法は、Fe2(SO4)3(硫酸鉄)、ポリマー、およびカーボンを混合してFe2(SO4)3/ポリマー/カーボン混合物を得る工程と、得られた混合物を熱処理する工程とを含むことを特徴とする。このとき、ポリマーが、ポリビニルピロリドン(PVP)、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリエチレングリコール(PEG)、ポリ塩化ビニル(PVC)、およびポリ酢酸ビニル(PVAc)からなる群から選択され、ポリマーの分子量が50000g/mol以下であることが好ましい。また、Fe2(SO4)3に対するポリマーの添加量が、0.1重量%以上50重量%以下であることが好ましい。さらに、混合が、少なくとも1時間ボールミル(BM)処理で行われることが好ましい。さらに、熱処理が、100〜500℃の温度範囲で1〜10時間の熱処理時間で行われることが好ましい。さらに、混合物においてカーボンが少なくとも5重量%であることが好ましい。
That is, in the method for producing a positive electrode material for a lithium secondary battery of the present invention, Fe 2 (SO 4 ) 3 (iron sulfate), a polymer, and carbon are mixed to obtain an Fe 2 (SO 4 ) 3 / polymer / carbon mixture. And a step of heat-treating the obtained mixture. At this time, the polymer is selected from the group consisting of polyvinylpyrrolidone (PVP), polyvinyl alcohol (PVA), polyethylene glycol (PEG), polyvinyl chloride (PVC), and polyvinyl acetate (PVAc), and the molecular weight of the polymer is 50000 g. / Mol or less is preferable. Further,
あるいは、本発明のリチウム二次電池は、リチウムイオンの挿入脱離が可能な正極材料を含有する正極と、リチウムイオンの挿入脱離が可能な負極材料を含有する負極または金属リチウムを負極として用い、正極と負極との間にリチウムイオン導電性電解質を配置するリチウム二次電池であって、前述のリチウム二次電池用正極材料の製造方法によって得られたFe2(SO4)3/カーボン化したポリマー/カーボン複合体が正極材料に含まれていることを特徴とする。 Alternatively, the lithium secondary battery of the present invention uses a positive electrode containing a positive electrode material capable of inserting and removing lithium ions and a negative electrode or metallic lithium containing a negative electrode material capable of inserting and removing lithium ions as a negative electrode. , A lithium secondary battery in which a lithium ion conductive electrolyte is disposed between a positive electrode and a negative electrode, and obtained by the above-described method for producing a positive electrode material for a lithium secondary battery, Fe 2 (SO 4 ) 3 / carbonation The polymer / carbon composite is contained in the positive electrode material.
あるいは、本発明のリチウム二次電池用正極材料は、前述のリチウム二次電池用正極材料の製造方法によって得られたFe2(SO4)3/カーボン化したポリマー/カーボン複合体を含むことを特徴とする。 Alternatively, the positive electrode material for a lithium secondary battery according to the present invention includes Fe 2 (SO 4 ) 3 / carbonized polymer / carbon composite obtained by the above-described method for producing a positive electrode material for a lithium secondary battery. Features.
このように、例えば簡易な手法として乾燥ポリマーを混合するBM処理を用いてFe2(SO4)3粒子の表面処理を行うことにより、リチウムイオンの材料内での拡散性が改善され、不可逆容量が小さく、優れたサイクル特性が実現できる。 Thus, for example, by performing surface treatment of Fe 2 (SO 4 ) 3 particles using a BM treatment in which a dry polymer is mixed as a simple technique, the diffusibility of lithium ions in the material is improved, and the irreversible capacity Is small, and excellent cycle characteristics can be realized.
本発明によれば、例えば従来のオリビン型リン酸鉄リチウム系正極材料よりも高い作動電圧3.6Vを用いて、優れたサイクル特性を有し大きな放電容量を有するリチウム二次電池用正極材料を供することができる。 According to the present invention, for example, a positive electrode material for a lithium secondary battery having an excellent cycle characteristic and a large discharge capacity using a higher operating voltage of 3.6 V than a conventional olivine-type lithium iron phosphate-based positive electrode material. Can be provided.
以下に本発明を実施するための形態について説明する。 The form for implementing this invention is demonstrated below.
本発明のリチウム二次電池用正極材料の製造方法は、Fe2(SO4)3(硫酸鉄)、ポリマー、およびカーボンを混合してFe2(SO4)3/ポリマー/カーボン混合物を得る工程を含む。例えば、導電性向上のため得られたFe2(SO4)3とカーボンを混合すると同時に、粉末状態のポリマーの混合を行い、Fe2(SO4)3/ポリマー/カーボンの均一混合物を得ることができる。 The method for producing a positive electrode material for a lithium secondary battery according to the present invention includes a step of mixing Fe 2 (SO 4 ) 3 (iron sulfate), a polymer, and carbon to obtain a Fe 2 (SO 4 ) 3 / polymer / carbon mixture. including. For example, the Fe 2 (SO 4 ) 3 obtained for improving the conductivity and carbon are mixed, and at the same time, the powdered polymer is mixed to obtain a uniform mixture of Fe 2 (SO 4 ) 3 / polymer / carbon. Can do.
Fe2(SO4)3は、固相反応法、ゾルゲル法や、沈殿法などの手法を用いて、硫酸鉄化合物を400〜700℃で熱処理を行うことにより作製できる。例えば固相反応法では、硫酸アンモニウム鉄(II)六水和物を400〜700℃温度で加熱することで、脱水及び分解反応が起こり、Fe2(SO4)3を合成できる。 Fe 2 (SO 4 ) 3 can be produced by heat-treating an iron sulfate compound at 400 to 700 ° C. using a method such as a solid phase reaction method, a sol-gel method, or a precipitation method. For example, in the solid phase reaction method, dehydration and decomposition reactions occur by heating ammonium iron (II) sulfate hexahydrate at a temperature of 400 to 700 ° C., and Fe 2 (SO 4 ) 3 can be synthesized.
ポリマーは、ポリビニルピロリドン(PVP)、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリエチレングリコール(PEG)、ポリ塩化ビニル(PVC)、およびポリ酢酸ビニル(PVAc)からなる群から選択されることが好ましく、ポリマーの分子量が50000g/mol以下であることが好ましい。また、Fe2(SO4)3に対するポリマーの添加量は、0.1重量%以上50重量%以下であることが好ましい。
The polymer is preferably selected from the group consisting of polyvinylpyrrolidone (PVP), polyvinyl alcohol (PVA), polyethylene glycol (PEG), polyvinyl chloride (PVC), and polyvinyl acetate (PVAc), and the molecular weight of the polymer is It is preferable that it is 50000 g / mol or less. The amount of polymer to
カーボンとしては、ケッチェンブラックやアセチレンブラックなどを用いることができる。以下に示す実施例においては、カーボンとしてケッチェンブラックを使用したが、硫酸鉄に対して不活性であれば他のカーボンブラック類、活性炭類、グラファイト類などを用いることができる。また、カーボンの粒子径は、Fe2(SO4)3粒子と電池ケース間の導電性を十分確保するために適した粒子径であれば特に限定されない。一般的には、硫酸鉄粒子表面全体でカーボン粒子と接触することが、導電性パスの確保の観点からは好ましく、カーボン粒子径はFe2(SO4)3粒子径よりも小さいものが望ましい。BET比表面積が1000m2/g以上の微粒子であるものが好適である。
As the carbon, ketjen black or acetylene black can be used. In the examples shown below, ketjen black was used as carbon, but other carbon blacks, activated carbons, graphites and the like can be used as long as they are inert to iron sulfate. The particle diameter of the carbon,
混合物においてカーボンが少なくとも5重量%であることが好ましい。カーボンが5重量%未満であると導電性が低い硫酸鉄の抵抗が下がらず、Liイオンが出入りし難いため、正極材料の容量が小さくなるという不都合がある。 Preferably, the mixture is at least 5% by weight carbon. When the carbon content is less than 5% by weight, the resistance of iron sulfate having low conductivity is not lowered, and Li ions hardly enter and exit, so that there is a disadvantage that the capacity of the positive electrode material is reduced.
混合は、少なくとも1時間行われることが望ましい。混合は、BM処理で行われることが望ましいが、他の混合方法でもかまわない。 The mixing is desirably performed for at least 1 hour. The mixing is preferably performed by BM treatment, but other mixing methods may be used.
本発明のリチウム二次電池用正極材料の製造方法は、更に、得られた混合物を熱処理する工程を含む。 The method for producing a positive electrode material for a lithium secondary battery of the present invention further includes a step of heat-treating the obtained mixture.
熱処理は、100〜500℃の温度範囲で1〜10時間加熱を行うことが好ましい。この熱処理により、ポリマーが熱分解し、Fe2(SO4)3/カーボン化したポリマー/カーボン複合体を得ることができる。加熱雰囲気としては不活性ガスの窒素またArガス中や還元ガスが好ましい。あるいは、水素中や活性炭カーボン雰囲気で熱処理することも可能である。なお、活性炭カーボン雰囲気は、混合物を小さいるつぼに入れ、そのるつぼを活性炭ペレットを入れた大きいるつぼに設置することにより得られる。 The heat treatment is preferably performed in a temperature range of 100 to 500 ° C. for 1 to 10 hours. By this heat treatment, the polymer is thermally decomposed, and a polymer / carbon composite obtained by Fe 2 (SO 4 ) 3 / carbonization can be obtained. The heating atmosphere is preferably an inert gas such as nitrogen, Ar gas, or reducing gas. Alternatively, heat treatment can be performed in hydrogen or an activated carbon carbon atmosphere. The activated carbon atmosphere can be obtained by placing the mixture in a small crucible and placing the crucible in a large crucible containing activated carbon pellets.
本発明によるリチウム二次電池は、リチウムイオンの挿入脱離が可能な正極材料を含有する正極と、リチウムイオンの挿入脱離が可能な負極材料を含有する負極または金属リチウムを負極として用い、正極と負極との間にリチウムイオン導電性電解質を配置したものである。この場合、上記リチウム二次電池用正極材料の製造方法によって得られたポリマー添加カーボン処理した複合体(Fe2(SO4)3/カーボン化したポリマー/カーボン粉末)が正極材料に含まれている。 The lithium secondary battery according to the present invention uses a positive electrode containing a positive electrode material capable of inserting and removing lithium ions and a negative electrode or metallic lithium containing a negative electrode material capable of inserting and removing lithium ions as a negative electrode. A lithium ion conductive electrolyte is disposed between the electrode and the negative electrode. In this case, the polymer-added carbon-treated composite (Fe 2 (SO 4 ) 3 / carbonized polymer / carbon powder) obtained by the method for producing a positive electrode material for a lithium secondary battery is included in the positive electrode material. .
また、本発明のリチウム二次電池用正極材料は、Fe2(SO4)3(硫酸鉄)、ポリマー、およびカーボンを熱処理して得られたポリマー添加カーボン処理複合体(Fe2(SO4)3/カーボン化したポリマー/カーボン)と、バインダーとの組成が、一般的に知られた重量比で、(Fe2(SO4)3/カーボン化したポリマー:カーボン):バインダー=95:5である。 The positive electrode material for a lithium secondary battery of the present invention is a polymer-added carbon-treated composite (Fe 2 (SO 4 )) obtained by heat-treating Fe 2 (SO 4 ) 3 (iron sulfate), a polymer, and carbon. 3 / carbonized polymer / carbon) and the binder in a generally known weight ratio, (Fe 2 (SO 4 ) 3 / carbonized polymer: carbon): binder = 95: 5 is there.
バインダーは、以下に示す実施例において使用されたものに特に限定されるものではなく、実施例において使用されたポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の他に、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)など通常のリチウム二次電池で用いられているバインダーを用いることができる。更に、以下に示す実施例において使用された非水電解液やセパレータに関しても通常のリチウムイオン二次電池に用いられる非水電解液やセパレータが利用可能であり、特に限定されるものではない。 The binder is not particularly limited to those used in the examples shown below, and in addition to polytetrafluoroethylene (PTFE) used in the examples, polyethylene, polypropylene, polyvinylidene fluoride (PVDF), and the like. A binder used in a normal lithium secondary battery can be used. Furthermore, the nonaqueous electrolyte solution and separator used in the normal lithium ion secondary battery can be used for the nonaqueous electrolyte solution and separator used in the following examples, and are not particularly limited.
本発明により得られたリチウム二次電池用正極材料は、従来の正極材料と同様に、ペレット状、あるいはシート状に成形し、負極として金属リチウム、リチウム過剰にした、リチウム含有物質であるスピネル型チタン酸リチウム(Li7Ti5O12)、あるいはコバルト窒化物(Li2.6Co0.4N)などを用いて、既知の有機電解液と組み合わせて、コイン型、円筒型、角型、シート型等の形状のリチウム二次電池を作製することができる。 The positive electrode material for a lithium secondary battery obtained by the present invention is formed into a pellet shape or a sheet shape as in the case of the conventional positive electrode material, and the negative electrode is a metal lithium, a spinel type that is a lithium-containing substance with excess lithium. Using lithium titanate (Li 7 Ti 5 O 12 ), cobalt nitride (Li 2.6 Co 0.4 N), etc., in combination with a known organic electrolyte, coin type, cylindrical type, square type, A lithium secondary battery having a sheet shape or the like can be manufactured.
以下に、本発明のリチウム二次電池用正極材料およびその製造方法ならびに同正極材料を用いたリチウム二次電池についての実施例を詳細に説明する。 Examples of a positive electrode material for a lithium secondary battery according to the present invention, a method for producing the same, and a lithium secondary battery using the positive electrode material will be described in detail below.
なお、本発明は下記の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更および組み合わせにより実施できるものである。 In addition, this invention is not limited to the following Example, In the range which does not change the summary, it can implement by a change and a combination suitably.
[実施例1]
Fe2(SO4)3は、Fe(NH4)2(SO4)2・6H2Oを出発原料にし、以下に示した化学反応に則り合成した。
[Example 1]
Fe 2 (SO 4 ) 3 was synthesized in accordance with the chemical reaction shown below using Fe (NH 4 ) 2 (SO 4 ) 2 .6H 2 O as a starting material.
Fe(NH4)2(SO4)2・6H2O → 1/2Fe2(SO4)3 + 2NH3 + 7H2O + 1/2SO2 Fe (NH 4 ) 2 (SO 4 ) 2 .6H 2 O → 1 / 2Fe 2 (SO 4 ) 3 + 2NH 3 + 7H 2 O + 1 / 2SO 2
硫酸鉄の合成としては、水和物に熱処理(500℃、5時間、空気中)を行った。得られた粉末は、図1(a)のポリマー処理なしであるXRD(X−ray diffraction)パターンに示すように、下部に示した公知のNASICON構造を有するFe2(SO4)3の回折パターン(データベース番号はPDF No.33−0679)と一致し、本手法でFe2(SO4)3が合成できることを確認した。 For the synthesis of iron sulfate, the hydrate was subjected to heat treatment (500 ° C., 5 hours, in air). The obtained powder has a diffraction pattern of Fe 2 (SO 4 ) 3 having a known NASICON structure shown at the bottom, as shown in an XRD (X-ray diffraction) pattern without polymer treatment in FIG. (The database number is consistent with PDF No. 33-0679), and it was confirmed that Fe 2 (SO 4 ) 3 can be synthesized by this method.
上記で合成したFe2(SO4)3に、カーボン材料としてケッチェンブラック(以下KB)と混合させると同時にポリビニルピロリドン(分子量:40000g/mol、以下PVP)を添加し、24時間のボールミル(BM)処理を行った。PVPの添加量(重量%)は、添加なし(0)、0.05、0.1、5、10、50、75重量%とした。実施例1の実験条件を第1表に示す。なお、実施例1No.5の「実施例1・2・3」の記載は、No.5のポリマー成分および重量を有する正極材料が、実施例1だけでなく実施例2、3でも使用されていることを意味する。 Polypyrrole pyrrolidone (molecular weight: 40000 g / mol, hereinafter referred to as PVP) was added to Fe 2 (SO 4 ) 3 synthesized above and mixed with ketjen black (hereinafter referred to as KB) as a carbon material, and a ball mill (BM for 24 hours) was added. ) Processing. The addition amount (% by weight) of PVP was not added (0), 0.05, 0.1, 5, 10, 50, and 75% by weight. The experimental conditions of Example 1 are shown in Table 1. In addition, Example 1 No. No. 5, “Examples 1, 2 and 3” are described in No. 5 below. This means that a positive electrode material having a polymer component and weight of 5 is used not only in Example 1 but also in Examples 2 and 3.
BM処理後のFe2(SO4)3/ポリマー/カーボン混合物を、300℃、5時間で活性炭カーボン雰囲気により加熱することで、ポリマーは分解し、ポリマー添加カーボン処理硫酸鉄複合体(Fe2(SO4)3/カーボン化したポリマー/カーボン)が得られた。なお、以下に示す実施例において用いられたFe2(SO4)3/カーボン化したポリマー/カーボンの重量比は、Fe2(SO4)3:ポリマー:カーボン=67:6.7:26.3である。このポリマー添加カーボン処理した硫酸鉄複合体(Fe2(SO4)3/カーボン化したポリマー/カーボン)粉末のXRD(X−ray diffraction)パターンを図1(b)に示した。これは試料が単層のNASICON構造を有することを示すものであり、BM処理によりFe2(SO4)3の変性が起こっていないことが確認された。 By heating the BM-treated Fe 2 (SO 4 ) 3 / polymer / carbon mixture in an activated carbon carbon atmosphere at 300 ° C. for 5 hours, the polymer is decomposed, and the polymer-added carbon-treated iron sulfate composite (Fe 2 ( SO 4) 3 / carbonized polymer / carbon) was obtained. Incidentally, Fe 2 (SO 4) 3 / carbonized the weight ratio of polymer / carbon used in the embodiments described below, Fe 2 (SO 4) 3 : Polymer: Carbon = 67: 6.7: 26. 3. The XRD (X-ray diffraction) pattern of this polymer-added carbon-treated iron sulfate composite (Fe 2 (SO 4 ) 3 / carbonized polymer / carbon) powder is shown in FIG. This indicates that the sample has a single-layer NASICON structure, and it was confirmed that the Fe 2 (SO 4 ) 3 was not modified by the BM treatment.
このポリマー添加カーボン処理した複合体(Fe2(SO4)3/カーボン化したポリマー/カーボン)粉末をさらにバインダーとしてのポリテトラフルオロエチレン(以下PTFE)と混合し、ロールプレスを行うことによりペレットを作製し、正極とした。このとき、ポリマー添加カーボン処理したFe2(SO4)3とカーボン導電材の混合比は、重量比で95:5であった。また、金属リチウムを負極として用いて、リチウム二次電池として2320サイズのコインセル(以下、テストセル)を作製し、電極特性の評価を行った。 This polymer-added carbon-treated composite (Fe 2 (SO 4 ) 3 / carbonized polymer / carbon) powder is further mixed with polytetrafluoroethylene (hereinafter referred to as PTFE) as a binder, and the pellets are formed by roll pressing. It produced and was set as the positive electrode. At this time, the mixing ratio of the polymer-added carbon-treated Fe 2 (SO 4 ) 3 and the carbon conductive material was 95: 5 by weight. In addition, using lithium metal as a negative electrode, a 2320-size coin cell (hereinafter referred to as a test cell) was manufactured as a lithium secondary battery, and the electrode characteristics were evaluated.
図2(a)に、本実施例で用いたテストセルの概略断面図を示す。以下、テストセルの詳細な作製法を説明する。 FIG. 2A shows a schematic cross-sectional view of the test cell used in this example. Hereinafter, a detailed manufacturing method of the test cell will be described.
まず、ポリマー添加カーボン処理した硫酸鉄複合体(Fe2(SO4)3/カーボン化したポリマー/カーボン)粉末とバインダーであるPTFEを、らいかい機で粉砕・混合した後、ロールプレスにより0.5mmの厚さになるまでシート状に圧延した。 First, a polymer-added carbon-treated iron sulfate composite (Fe 2 (SO 4 ) 3 / carbonized polymer / carbon) powder and PTFE serving as a binder were pulverized and mixed with a roughing machine, and then rolled by a roll press. The sheet was rolled into a thickness of 5 mm.
得られたシートを直径15mmの円型状に打ち抜き、正極ペレット2を作製した。なお、正極ペレット2は、一晩の真空乾燥を行った。正極ペレット2の組成は、重量比で、ポリマー添加カーボン処理した硫酸鉄複合体(Fe2(SO4)3/カーボン化したポリマー/カーボン)粉末:PTFE=95:5とした。
The obtained sheet was punched into a circular shape having a diameter of 15 mm to produce a
次に、テストセルの正極ケース1の内側に直径15mmのチタンメッシュを溶接し、そのメッシュ上に正極ペレット2を軽く圧着し、さらに正極ペレット2の上を直径17mmのチタンメッシュで覆い、チタンメッシュを正極ケース1に溶接した後にさらに圧着することにより、正極ペレット2を正極ケース1に固定した。
Next, a titanium mesh with a diameter of 15 mm is welded to the inside of the
一方、負極ケース5の内側にニッケルメッシュを溶接し、その上に直径17mmの金属リチウムシート(厚さ0.5mm)を圧着し、負極ケース5の外縁部にガスケット3をセットした。
On the other hand, a nickel mesh was welded inside the negative electrode case 5, a metal lithium sheet (thickness 0.5 mm) having a diameter of 17 mm was pressure-bonded thereon, and the
次に、正極ペレット2を固定した正極ケース1に、非水電解液7として1mol/L LiPF6/炭酸エチレン(EC)−炭酸ジメチル(DMC)を2mL程度注ぎ、ポリエチレン製のセパレータ6を浸漬した後に、ガスケット3を取り付けた負極ケース5を正極ケース1の上から覆い、全体をかしめることによりテストセルを作製した。
Next, about 2 mL of 1 mol / L LiPF 6 / ethylene carbonate (EC) -dimethyl carbonate (DMC) was poured as a
作製したテストセルを用いて、電流密度1mA/cm2、電圧範囲3〜4.2Vの条件で、充放電試験を行なった。 Using the prepared test cell, a charge / discharge test was performed under the conditions of a current density of 1 mA / cm 2 and a voltage range of 3 to 4.2 V.
3サイクル目での充放曲線を、図3に示す。図3(a)はPVP未添加(第1表No.1)、(b)はPVP10重量%添加試料(第1表No.5)で処理を行った試料の充放電曲線である。図3に示すように、これらの硫酸鉄材料の充放電電圧はリチウム負極に対して3.6V以上の高い電圧であるため、リチウム二次電池の正極材料として有望な材料である。 The charge / discharge curve in the third cycle is shown in FIG. 3A is a charge / discharge curve of a sample treated with a PVP non-added sample (Table 1 No. 1), and FIG. As shown in FIG. 3, the charge / discharge voltage of these iron sulfate materials is a high voltage of 3.6 V or higher with respect to the lithium negative electrode, and thus is a promising material as a positive electrode material of a lithium secondary battery.
上記の試料の充放電サイクル試験を行った結果が第1表に示されている。PVP未添加の試料(第1表No.1)は20サイクル目で5%の容量減少(容量が95%に減少)が見られたが、PVP添加の試料(第1表No.2〜7)は5%の容量減少のためには少なくとも50サイクル以上を要することが分かった。その中でも、PVP10重量%添加の場合(第1表No.5)は、100サイクルで5%の容量減少となった。 The results of the charge / discharge cycle test of the above samples are shown in Table 1. The sample without PVP (Table 1 No. 1) showed a 5% capacity decrease (capacity decreased to 95%) at the 20th cycle, but the sample with PVP added (Table 1 No. 2-7). ) Was found to require at least 50 cycles or more for a 5% capacity reduction. Among them, in the case of addition of 10% by weight of PVP (Table 1 No. 5), the capacity decreased by 5% in 100 cycles.
このように、PVP未添加の試料(第1表No.1)と比較すると、PVPを添加した試料の放電容量が大きく、容量劣化が少なく、5%の容量減少に達するまでのサイクル回数が増加しており、サイクル安定性が改善されていることが分かる。しかし、PVP75重量%添加(第1表No.7)の場合では、サイクル安定性は、減少することがわかり、ポリマー添加量には適正範囲があると考えられる。これは、ポリマーの量により硫酸鉄粒子の表面では熱処理により分解しきれないポリマーの残差部分が残っていることを示唆していると考えられる。このようにポリマー添加量が多い場合は、さらに熱処理の条件を最適化することが望ましい。 Thus, compared with the sample without PVP (No. 1 in Table 1), the discharge capacity of the sample with PVP added is large, the capacity is less deteriorated, and the number of cycles until the capacity reduction reaches 5% increases. It can be seen that the cycle stability is improved. However, in the case of addition of 75% by weight of PVP (No. 7 in Table 1), it can be seen that the cycle stability decreases, and it is considered that the amount of polymer added has an appropriate range. This is considered to suggest that a residual portion of the polymer that cannot be decomposed by the heat treatment remains on the surface of the iron sulfate particle due to the amount of the polymer. When the amount of polymer added is large, it is desirable to further optimize the heat treatment conditions.
このような特性改善は、BM処理後に熱処理することにより、硫酸鉄粒子とカーボンが複合化され、正極材料表面の導電性向上により、容量増加とともによりサイクル特性の改善が達成されたと考えられる。 Such improvement in characteristics is considered to be achieved by heat treatment after the BM treatment, whereby iron sulfate particles and carbon are combined, and improvement in cycle characteristics is achieved with an increase in capacity due to an increase in conductivity on the surface of the positive electrode material.
第1表に示したように、所定条件下での処理を行うことにより、不可逆容量が減少し、充放電サイクルの改善につながったと考えられる。特に、第1表No.5の場合では、100サイクル目での容量維持率は、95%以上と最も高い値を示した。しかし、ポリマー添加の条件(ポリマー添加量(x):0.1重量%≦x≦50重量%)から逸脱する試料では、容量及びサイクル特性の改善効果が低いことが分かった。 As shown in Table 1, irreversible capacity was reduced by performing the treatment under the predetermined conditions, which led to improvement of the charge / discharge cycle. In particular, Table 1 In the case of 5, the capacity retention rate at the 100th cycle showed the highest value of 95% or more. However, it was found that a sample deviating from the polymer addition condition (polymer addition amount (x): 0.1 wt% ≦ x ≦ 50 wt%) has a low effect of improving the capacity and cycle characteristics.
[実施例2]
実施例2では、Fe2(SO4)3/ポリマー/カーボン混合物作製後のBM処理時間についての影響を調べた。混合物は、第1表No.5の成分と同じ成分のポリマーを用いて混合し、BM処理を行った。BM処理時間は0.5時間、1時間、5時間、24時間(実施例1)、48時間とした。その後、この混合物に熱処理を行った。熱処理は実施例1と同じ条件である5時間で行った。
[Example 2]
In Example 2, the influence on the BM treatment time after the preparation of the Fe 2 (SO 4 ) 3 / polymer / carbon mixture was examined. The mixture is shown in Table 1. BM treatment was performed using a polymer having the same component as component 5 and mixing. The BM treatment time was 0.5 hour, 1 hour, 5 hours, 24 hours (Example 1), and 48 hours. Thereafter, the mixture was heat-treated. The heat treatment was performed for 5 hours under the same conditions as in Example 1.
次に、実施例2の異なったBM処理時間で作成した粉末を用いて、実施例1と同様の手法でペレットからコインセルを作製し、充放電サイクル測定を行った。その結果を、第2表に示す。なお、実施例2No.4の「実施例1・2・3・4」の記載は、No.4のBM処理時間が、実施例2だけでなく実施例1、3、4でも適用されていることを意味する。 Next, a coin cell was produced from the pellet in the same manner as in Example 1 using the powder produced in Example 2 with a different BM treatment time, and charge / discharge cycle measurement was performed. The results are shown in Table 2. In addition, Example 2 No. The description of “Examples 1, 2, 3, 4” in No. 4 is “No. This means that the BM processing time of 4 is applied not only in the second embodiment but also in the first, third, and fourth embodiments.
第2表より、0.5時間のBM処理を行った試料以外では、150mAh/gの比較的大きな放電容量を示すことが確認された。0.5時間という短時間のBM処理では、容量改善及びサイクル特性改善の効果が少ないことがわかった。これは、本発明の条件から逸脱する場合は、ポリマー同士が凝集し、均一な状態となりにくく、導電性の向上に限度があるためと考えられる。 From Table 2, it was confirmed that samples other than samples subjected to BM treatment for 0.5 hours showed a relatively large discharge capacity of 150 mAh / g. It was found that the effect of improving the capacity and improving the cycle characteristics is small in the short BM treatment of 0.5 hours. This is presumably because the polymers aggregate when they deviate from the conditions of the present invention, making it difficult to form a uniform state, and there is a limit to the improvement in conductivity.
また、1時間以上のBM処理を行った場合は、PVP未添加の場合と比較して、40%の放電容量の向上を達成した。しかし、24時間以上の処理を行っても、改善効果は低かった。そこで、コスト面を考慮して、実施例2の条件下では、好適な処理時間を24時間とした。 Further, when the BM treatment for 1 hour or more was performed, the discharge capacity was improved by 40% as compared with the case where PVP was not added. However, even if the treatment was performed for 24 hours or longer, the improvement effect was low. Therefore, considering the cost, the preferred processing time was set to 24 hours under the conditions of Example 2.
これらの特性改善は、適切な時間の処理を行うことで、Fe2(SO4)3とポリマーが高い分散度で混合され、熱処理後のFe2(SO4)3/カーボン化したポリマー/カーボン複合体の分散度も改善されるため、Fe2(SO4)3とカーボンの導電パスが増加し、結果的に充放電サイクルにおけるリチウムイオンの挿入・脱離がより効率的に進行することできるためと考えられる。 These properties improve, by performing the processing of the appropriate time, Fe 2 (SO 4) 3 and polymer are mixed in a high dispersion degree, Fe 2 (SO 4) after heat treatment 3 / carbonized polymer / carbon Since the dispersity of the composite is also improved, the conductive path of Fe 2 (SO 4 ) 3 and carbon increases, and as a result, insertion / extraction of lithium ions in the charge / discharge cycle can proceed more efficiently. This is probably because of this.
[実施例3]
次に、BM処理後の熱処理条件についての検討を行った。まずは、熱処理温度(50、100、300、500、600℃)の影響について調べた。
[Example 3]
Next, the heat treatment conditions after the BM treatment were examined. First, the influence of the heat treatment temperature (50, 100, 300, 500, 600 ° C.) was examined.
熱処理後のFe2(SO4)3/カーボン化したポリマー/カーボン複合体を用いて、実施例1、2と同様な手法でコインセルを作製し、充放電サイクル試験を行った。その結果を、第3表にまとめて示す。なお、実施例3No.5の「実施例1・2・3・4」の記載は、No.5の温度、加熱時間、および雰囲気が、実施例3だけでなく実施例1、2、4でも使用されていることを意味する。 Using the heat treated Fe 2 (SO 4 ) 3 / carbonized polymer / carbon composite, a coin cell was prepared in the same manner as in Examples 1 and 2, and a charge / discharge cycle test was performed. The results are summarized in Table 3. In addition, Example 3 No. No. 5, “Examples 1, 2, 3 and 4” are described in No. 5. 5 means that the temperature, heating time, and atmosphere of 5 are used not only in Example 3, but also in Examples 1, 2, and 4.
熱処理プロセスでは、ポリマーと導電材カーボンを混合した硫酸鉄(Fe2(SO4)3/ポリマー/カーボン)混合物の熱処理により、ポリマーは熱分解し、残渣カーボンと導電カーボンであるKBがFe2(SO4)3粒子表面もしくは粒子近傍に残存し、導電性の向上に寄与し、その結果として、電池特性も改善されたと考えられる。 In the heat treatment process, the polymer is thermally decomposed by the heat treatment of the iron sulfate (Fe 2 (SO 4 ) 3 / polymer / carbon) mixture in which the polymer and the conductive material carbon are mixed, and the residual carbon and the conductive carbon KB are Fe 2 ( SO 4 ) 3 remains on the surface of the particle or in the vicinity of the particle and contributes to the improvement of conductivity, and as a result, the battery characteristics are considered to be improved.
まずは、熱処理時間を5時間に固定し、熱処理温度の影響を調べた。 First, the heat treatment time was fixed at 5 hours, and the influence of the heat treatment temperature was examined.
第3表より、低温の80℃で行った場合は、PVP未添加の場合よりも、放電容量が減少することが分った。このような低温で処理した場合は、添加したポリマーが十分に分解せず、ポリマーが絶縁体として存在することで、導電性を損なうためであると考えられる。 From Table 3, it was found that the discharge capacity was reduced when it was performed at a low temperature of 80 ° C., compared with the case where PVP was not added. When the treatment is performed at such a low temperature, it is considered that the added polymer is not sufficiently decomposed and the conductivity exists because the polymer exists as an insulator.
一方、500℃以上の高温で加熱した場合にも、容量の減少が確認された。これは、高温の熱処理でFe2(SO4)3が酸化分解され、酸化鉄が混在するためである。実際に熱処理後の粉末をXRDで評価したところ、酸化鉄のピークが確認された。 On the other hand, a decrease in capacity was also confirmed when heated at a high temperature of 500 ° C. or higher. This is because Fe 2 (SO 4 ) 3 is oxidized and decomposed by high-temperature heat treatment, and iron oxide is mixed. When the powder after heat treatment was actually evaluated by XRD, an iron oxide peak was confirmed.
熱処理温度としては、300℃が最適であることが分った。これは、300℃が、ポリマーの分解温度の付近であり、Fe2(SO4)3粒子の近傍にカーボン膜が効率的に生成し、Fe2(SO4)3の分解もなく、導電性の向上が達成できたためであると考えられる。 It has been found that 300 ° C. is optimal as the heat treatment temperature. This is because 300 ° C. is near the decomposition temperature of the polymer, a carbon film is efficiently formed in the vicinity of the Fe 2 (SO 4 ) 3 particles, there is no decomposition of Fe 2 (SO 4 ) 3 , This is thought to be due to the achievement of improvement.
次に、熱処理温度を最適温度である300℃に固定し、処理時間(1、5、10、15時間)の影響を調べた。その結果が第3表に示されている。加熱時間が5時間までは、サイクル特性の向上が見られたが、10時間では変化はなく、15時間でサイクル特性の若干の低下が見られた。これは、長時間の熱処理によって、Fe2(SO4)3もしくはカーボンの変性が起こったためであると考えられる。 Next, the heat treatment temperature was fixed at the optimum temperature of 300 ° C., and the influence of the treatment time (1, 5, 10, 15 hours) was examined. The results are shown in Table 3. Although the cycle characteristics were improved up to the heating time of 5 hours, there was no change at 10 hours, and a slight decrease in the cycle characteristics was seen at 15 hours. This is considered to be due to the modification of Fe 2 (SO 4 ) 3 or carbon by the heat treatment for a long time.
最後に、熱処理を行う際の雰囲気の影響について調べた。最適化した温度や時間条件である300度、5時間を5種類の雰囲気(不活性ガスとして窒素およびAr、還元性ガスとして水素(窒素で5%に希釈)および活性炭(活性炭カーボン雰囲気、カルボサーマル還元法ともいう)、及び空気)で行った。結果は第3表に示した通り、不活性ガスの窒素およびArと空気中の処理では大きな変化が見られなかった。一方、水素及び活性炭で処理した試料ではより安定したサイクルを示すことが分かった。還元性雰囲気である水素および活性炭雰囲気の場合(No.8およびNo.5)を比較すると、容量及びサイクル特性はほぼ同程度であった。また、コスト面からは、カルボサーマル還元法の方が望ましいと考えられる。 Finally, the influence of the atmosphere during the heat treatment was examined. Optimized temperature and time conditions of 300 degrees and 5 hours for 5 types of atmosphere (nitrogen and Ar as inert gas, hydrogen (diluted to 5% with nitrogen) and activated carbon (activated carbon atmosphere, carbothermal) Also referred to as reduction method) and air). As shown in Table 3, no significant change was observed in the treatment of the inert gases nitrogen and Ar and air. On the other hand, it was found that the sample treated with hydrogen and activated carbon showed a more stable cycle. Comparing the cases of reducing atmospheres of hydrogen and activated carbon (No. 8 and No. 5), the capacity and cycle characteristics were almost the same. In view of cost, the carbothermal reduction method is considered more desirable.
第3表に示したように、熱処理条件としては、温度が最も重要なファクターであることがわかった。今回用いたPVPの場合は、300℃が最適な条件であった。このように、ポリマーの分解温度に近い条件で熱処理を行うことにより、電池特性の改善が可能であることが確認された。 As shown in Table 3, it was found that temperature was the most important factor for the heat treatment conditions. In the case of the PVP used this time, 300 ° C. was the optimum condition. Thus, it was confirmed that the battery characteristics can be improved by performing the heat treatment under conditions close to the polymer decomposition temperature.
[実施例4]
次に、ポリマーの種類及び分子量に関して検討を行った。まず実施例1〜3で得られた最適条件に固定して、ポリマー種による差異を調べた。具体的には、ポリマー添加量は10重量%、BM処理時間は24時間、熱処理条件は300℃、5時間に固定した。
[Example 4]
Next, the type and molecular weight of the polymer were examined. First, the optimum conditions obtained in Examples 1 to 3 were fixed, and the difference depending on the polymer type was examined. Specifically, the polymer addition amount was fixed at 10% by weight, the BM treatment time was 24 hours, and the heat treatment conditions were fixed at 300 ° C. for 5 hours.
次に、得られた複合体(ポリマー添加カーボン処理した硫酸鉄:Fe2(SO4)3/カーボン化したポリマー/KBの複合体)粉末を用いて、実施例1〜3と同様に、コインセルを作製し、充放電サイクル試験を行った。 Next, in the same manner as in Examples 1 to 3, using the obtained composite (polymer added carbon-treated iron sulfate: Fe 2 (SO 4 ) 3 / carbonized polymer / KB composite) powder, And a charge / discharge cycle test was conducted.
その結果を、第4表に示す。なお、実施例4No.3の「実施例1・2・3・4」の記載は、No.3の分子量のポリマーが、実施例4だけでなく実施例1、2、3でも使用されていることを意味する。 The results are shown in Table 4. In addition, Example 4 No. No. 3 “Examples 1, 2, 3 and 4” are described in No. 3. This means that a polymer with a molecular weight of 3 is used not only in Example 4 but also in Examples 1, 2 and 3.
第4表に示すように、ポリマーの種類により、容量及びサイクル特性の改善効果が異なる結果となった。ポリマー未添加の試料と比較すると、少なくとも20%の容量が改善された。また、サイクル特性も5%容量減少時のサイクル回数において少なくとも4倍の改善効果が見られた。 As shown in Table 4, the effect of improving capacity and cycle characteristics differed depending on the type of polymer. Compared to the sample with no polymer added, the capacity was improved by at least 20%. In addition, the cycle characteristics were improved by at least four times in the number of cycles when the capacity was reduced by 5%.
さらに、同じポリマーで重合度が異なる場合、つまり分子量の影響について調べた。その結果、第4表に示すように、PVPの場合もPVAの場合も重合度が低い、つまり低分子量の時、放電容量及びサイクル特性とも優れた性能を示した。 Furthermore, when the polymerization degree was different with the same polymer, that is, the influence of molecular weight was investigated. As a result, as shown in Table 4, both PVP and PVA exhibited excellent performance in both discharge capacity and cycle characteristics when the degree of polymerization was low, that is, when the molecular weight was low.
これは、高分子量の場合は、ポリマーが分解しにくいため、一部が絶縁体として粉末中に残存するためであると考えられる。よって、優れた電池特性を得るためには、使用するポリマー種によって異なるものの、より低分子量(低重合度)のものを用いることが望ましいことが分かった。 This is thought to be because, in the case of a high molecular weight, the polymer is difficult to decompose, and a part of the polymer remains in the powder as an insulator. Therefore, it was found that in order to obtain excellent battery characteristics, it is desirable to use one having a lower molecular weight (low polymerization degree) although it varies depending on the polymer type used.
[実施例5]
次に、様々なポリマーを用いて、それぞれの最適処理条件の検討を行った。ポリマーとして、実施例4で検討したポリマーのうち、比較的低分子量のPEG、PVAc、PVA、PVPを利用し、ポリマーの添加量、BM処理時間、熱処理温度および時間の検討を行った。
[Example 5]
Next, using various polymers, the optimum processing conditions were examined. As the polymer, among the polymers examined in Example 4, PEG, PVAc, PVA, and PVP having relatively low molecular weight were used, and the addition amount of the polymer, BM treatment time, heat treatment temperature, and time were examined.
得られたFe2(SO4)3/カーボン化したポリマー/カーボン複合体粉末を用いて、実施例1〜4と同様に、コインセルを作製し、充放電サイクル試験を行った。 Using the obtained Fe 2 (SO 4 ) 3 / carbonized polymer / carbon composite powder, coin cells were produced in the same manner as in Examples 1 to 4, and a charge / discharge cycle test was performed.
その結果をポリマーごとに分けて第5表(a)〜(d)に示す。 The results are shown in Tables 5 (a) to (d) for each polymer.
第5表に示すように、ポリマーの種類により、容量及びサイクル特性の改善効果が異なっていた。検討した条件の中でも、最も充放電特性影響を与えたのは、熱処理温度であった。これは、ポリマーの種類により、分解温度が異なったための理由であると考えられる。ポリマーの分解温度より低い温度で熱処理を行った場合は、ポリマーが分解せず、ポリマーのままで複合体の中に残っている。これらの未反応ポリマーは実施例3と同様に、絶縁体として存在することで、導電性を損なうためであると考えられる。 As shown in Table 5, the capacity and cycle characteristics were improved differently depending on the type of polymer. Among the examined conditions, the heat treatment temperature has the most influence on the charge / discharge characteristics. This is considered to be because the decomposition temperature differs depending on the type of polymer. When heat treatment is performed at a temperature lower than the decomposition temperature of the polymer, the polymer does not decompose and remains in the composite as it is. These unreacted polymers are considered to be due to the loss of conductivity by being present as insulators, as in Example 3.
一方、ポリマーの分解温度より高い温度で加熱した場合にも、容量の減少が確認された。これは、ポリマーの分解により得られたカーボン膜が厚くなったり、粒子化したりするため、導電性カーボンであるKBとの混合が不均一になったためと考えられる。PEG200000、PVAc170000、PVA2000、及びPVP8000の最適温度は、それぞれ400℃、250℃、300℃、及び350℃であることが分かった。さらに、500℃以上の温度で熱処理を行うと、実施例3で説明した通り、高温の熱処理でFe2(SO4)3が酸化分解され、酸化鉄が混在する。実際に熱処理後の粉末をXRDで評価したところ、酸化鉄のピークが確認された。 On the other hand, a decrease in capacity was also confirmed when heated at a temperature higher than the decomposition temperature of the polymer. This is presumably because the carbon film obtained by the decomposition of the polymer becomes thick or particles, so that the mixing with the conductive carbon KB becomes non-uniform. The optimum temperatures for PEG200000, PVAc170000, PVA2000, and PVP8000 were found to be 400 ° C, 250 ° C, 300 ° C, and 350 ° C, respectively. Furthermore, when heat treatment is performed at a temperature of 500 ° C. or higher, as described in Example 3, Fe 2 (SO 4 ) 3 is oxidatively decomposed by high-temperature heat treatment and iron oxide is mixed. When the powder after heat treatment was actually evaluated by XRD, an iron oxide peak was confirmed.
以上の熱処理温度の検討に加えて、熱処理時間の検討を行った。しかし、熱処理温度と異なって、熱処理時間の条件は実施例3で行ったPVPとの検討と大きく差違がなかったことを確認した。 In addition to the above heat treatment temperature, heat treatment time was examined. However, unlike the heat treatment temperature, it was confirmed that the conditions for the heat treatment time were not significantly different from the study with PVP performed in Example 3.
次に、混合時に用いたBM処理の時間についての検討を行った。BM処理の時間はポリマーの種類と大きく関係してないことも確認した。また、高分子量のポリマーを利用する場合は、ポリマーの分子サイズと比較的に大きい(PVA分子量96000g/mol)の場合は、BM処理による混合が困難であることが判明した。これは、活物質材料である硫酸鉄とカーボンが、ポリマー表面に吸着し、均一な混合物が得られなかったためと考えられる。 Next, the time of BM treatment used at the time of mixing was examined. It was also confirmed that the BM treatment time was not greatly related to the type of polymer. When a high molecular weight polymer was used, it was found that mixing by BM treatment was difficult when the molecular size of the polymer was relatively large (PVA molecular weight 96000 g / mol). This is presumably because iron sulfate and carbon, which are active material materials, were adsorbed on the polymer surface and a uniform mixture could not be obtained.
[比較例]
比較例として、正極にオリビン型リン酸鉄リチウムを用いた以外は実施例1と同様な条件でコインセル型リチウム二次電池を作製した。具体的には、オリビン型リン酸鉄リチウムとアセチレンブラックとPTFEとが重量比でLiFePO4:アセチレンブラック:PTFE=70:25:5となるように、正極ペレット20を作製し、電解液、負極も実施例1と同様にして、コインセル型リチウム二次電池を作製した。
[Comparative example]
As a comparative example, a coin cell type lithium secondary battery was produced under the same conditions as in Example 1 except that olivine type lithium iron phosphate was used for the positive electrode. Specifically, the
図2(b)に、比較例におけるリチウム二次電池の概略断面図を示す。なお、図2(b)において図2(a)と同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。 FIG. 2B shows a schematic cross-sectional view of a lithium secondary battery in a comparative example. In FIG. 2B, the same members as those in FIG. 2A are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
作製したコインセル型リチウム二次電池について、実施例1と同一の条件で100サイクルの充放電試験を行った結果を、第6表に示す。 Table 6 shows the results of a charge / discharge test of 100 cycles under the same conditions as in Example 1 for the manufactured coin cell type lithium secondary battery.
また、実施例1〜5により得られた最適条件で作製されたリチウム二次電池の結果と、比較例のリチウム二次電池の結果とを、それぞれ「(本発明)硫酸鉄」および「(比較例)リン酸鉄」として、100サイクルまでの放電容量のサイクル依存性として図4に示す。 Further, the results of the lithium secondary battery produced under the optimum conditions obtained in Examples 1 to 5 and the result of the lithium secondary battery of the comparative example are respectively represented by “(present invention) iron sulfate” and “(comparison). FIG. 4 shows the cycle dependency of the discharge capacity up to 100 cycles as “example) iron phosphate”.
最適条件で作製されたリチウム二次電池は、第6表に示すように、オリビン型リン酸鉄リチウムに比較して0.2V高い作動電圧を示し、200サイクル後においてもすぐれたサイクル特性(容量維持率は95%)を示した。 As shown in Table 6, the lithium secondary battery manufactured under the optimum conditions showed an operating voltage 0.2 V higher than that of the olivine type lithium iron phosphate, and excellent cycle characteristics (capacity after 200 cycles). The maintenance rate was 95%).
このように、本発明によるFe2(SO4)3/カーボン化したポリマー/カーボン複合体を含む正極は、従来のオリビン型リン酸鉄系正極材料よりも、放電容量が改善し、高い作動電圧が得られ、さらにサイクル特性に優れた大容量リチウム二次電池が実現可能な正極材料であることが確認された。 As described above, the positive electrode including the Fe 2 (SO 4 ) 3 / carbonized polymer / carbon composite according to the present invention has an improved discharge capacity and higher operating voltage than the conventional olivine-type iron phosphate-based positive electrode material. Further, it was confirmed that the positive electrode material was capable of realizing a large-capacity lithium secondary battery excellent in cycle characteristics.
1:正極ケース
2:硫酸鉄を含有した正極ペレット
3:ガスケット
4:金属リチウム
5:負極ケース
6:セパレータ
7:非水電解液
20:オリビン型リン酸鉄リチウムを含有した正極ペレット
1: Positive electrode case 2: Positive electrode pellet containing iron sulfate 3: Gasket 4: Metal lithium 5: Negative electrode case 6: Separator 7: Nonaqueous electrolyte 20: Positive electrode pellet containing olivine type lithium iron phosphate
Claims (6)
得られた混合物を熱処理する工程とを含み、
熱処理する工程が、ポリマーを熱分解させてカーボン化させる熱処理であることを特徴とする、リチウム二次電池用正極材料の製造方法。 Mixing Fe 2 (SO 4 ) 3 (iron sulfate), polymer, and carbon to obtain a Fe 2 (SO 4 ) 3 / polymer / carbon mixture;
Heat-treating the resulting mixture,
A method for producing a positive electrode material for a lithium secondary battery, wherein the heat treatment step is a heat treatment in which a polymer is pyrolyzed to carbonize.
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