JP5860377B2 - Lithium silicate compound and lithium ion battery using the same - Google Patents
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Description
本発明は、リチウムシリケート化合物、および、それを用いたリチウムイオン電池に関し、さらに詳しくは、Li2MnSiO4組成を構成する金属元素の少なくとも一部がAl元素で置換することで正極活物質として用いたときリチウムイオン電池の容量を高めることができるリチウムシリケート化合物、および、それを用いたリチウムイオン電池に関する。 The present invention relates to a lithium silicate compound and a lithium ion battery using the lithium silicate compound, and more specifically, as a positive electrode active material by substituting at least part of a metal element constituting a Li 2 MnSiO 4 composition with an Al element. The present invention relates to a lithium silicate compound capable of increasing the capacity of a lithium ion battery and a lithium ion battery using the same.
現在、リチウム二次電池は、軽量でエネルギー密度が高いことから、携帯電話、ノート型パソコン、その他IT機器などの小型電池に幅広く使用されてきており、IT機器の発展、普及に伴い、現在もその需要が世界的な規模で伸びている。
これらの小型電池には主として、LiCoO2、LiCoNiMnO2、LiNiAlO2などの層状岩塩化合物からなる正極活物質が用いられている。
さらに、これらの小型電池に加えて、産業用の大型電池として、ハイブリッド自動車(HEV)用、プラグインハイブリッド自動車(PHEV)、電気自動車(EV)用、電力平準化用、電力貯蔵用など、さらに多方面にその需要の拡大が期待され、研究開発も盛んに行われている。
Currently, lithium secondary batteries are lightweight and have high energy density, so they are widely used in small batteries such as mobile phones, laptop computers, and other IT devices. With the development and popularization of IT devices, The demand is growing on a global scale.
In these small batteries, a positive electrode active material made of a layered rock salt compound such as LiCoO 2 , LiCoNiMnO 2 , LiNiAlO 2 is mainly used.
In addition to these small batteries, industrial large batteries include hybrid vehicles (HEV), plug-in hybrid vehicles (PHEV), electric vehicles (EV), power leveling, and power storage. The demand is expected to expand in various fields, and research and development are actively conducted.
こうした需要環境の中、産業用の大型電池が本格的に実用化されるための課題として、正極材料には、高い安全性、高寿命、高出力、低価格が要求されている。
そして、高い安全性と優れたサイクル性能を示し、低価格で製造可能なLiFePO4が、LiCoO2やLiMn2O4等の代替正極材料として注目されている。このLiFePO4は、リン酸の強固な骨格を有するため、安全で放電容量が高く、サイクル寿命の良い材料である。しかし、LiFePO4の実容量は170mAh/gと理論値に達しており、更なる高容量化は困難である。
In such a demand environment, high safety, long life, high output, and low price are required for the positive electrode material as a challenge for full-scale commercialization of large industrial batteries.
And LiFePO 4 which shows high safety and excellent cycle performance and can be manufactured at a low price is attracting attention as an alternative positive electrode material such as LiCoO 2 or LiMn 2 O 4 . Since this LiFePO 4 has a strong skeleton of phosphoric acid, it is a safe material with a high discharge capacity and a good cycle life. However, the actual capacity of LiFePO 4 has reached a theoretical value of 170 mAh / g, and it is difficult to further increase the capacity.
そこで、高安全性を維持しつつ更なる高容量化が期待される材料として、金属ケイ酸リチウム塩(Li2MSiO4:Mは、Mn、Fe等の遷移金属)が提案されている(例えば、特許文献1)。このケイ酸金属リチウム塩を正極活物質として用いた場合、遷移金属(M)1モルに対し、2モルのLiを含有することから、容量の理論値は330mAh/gに達する。
しかしながら、Li2MSiO4は、LiFePO4と比べ、まだ電子伝導性が低く、得られている容量は理論値より大幅に低いため、粒子を微細化するとともに、さらに黒鉛などの導電性材料の被覆・複合化することにより、導電性を改善することが試みられている。
Thus, lithium silicate metal (Li 2 MSiO 4 : M is a transition metal such as Mn, Fe) has been proposed as a material that is expected to further increase the capacity while maintaining high safety (for example, Patent Document 1). When this lithium metal silicate is used as the positive electrode active material, it contains 2 moles of Li per mole of transition metal (M), so the theoretical capacity reaches 330 mAh / g.
However, Li 2 MSiO 4 still has lower electronic conductivity than LiFePO 4, and the obtained capacity is much lower than the theoretical value, so that the particles are made finer and further coated with a conductive material such as graphite. -Attempts have been made to improve electrical conductivity by compounding.
これまでケイ酸金属リチウム塩の合成方法としては、固相法、水熱法、ゾル−ゲル法等が知られている。固相法では、ケイ酸リチウムと2価の遷移金属原料として蓚酸塩を、溶媒中で混合し焼成することにより高純度のケイ酸金属リチウム塩が得られることが報告されている(例えば、非特許文献1)。しかし、蓚酸塩は価格が高く、また強い毒性があるために人体や環境面でも好ましくなく、多量に合成する方法も確立されていない。
さらに、一般的に固相法では反応に必要な温度が高いために、1次粒子が粗大化し、凝集成長しやすく、粒子径が大きくなる。また、このようにして得られたLi2MSiO4は、粒子が粗大で導電性が低いために、強力な微細化処理が必要となる。
また、蓚酸塩を用いることのないケイ酸金属リチウム塩として、水熱法により高純度のケイ酸金属リチウム塩が得られると報告されている(例えば、非特許文献2)。そして、ケイ酸金属リチウム塩の結晶構造が斜方晶であるとされている。ただし、水熱法では圧力容器が必要であり、装置のサイズに対して得られる製品の量が少なく大量生産することができない。
So far, solid phase method, hydrothermal method, sol-gel method and the like are known as methods for synthesizing lithium metal silicate. In the solid phase method, it has been reported that lithium silicate and oxalate as a divalent transition metal raw material are mixed in a solvent and baked to obtain a high-purity lithium metal silicate salt (for example, Patent Document 1). However, since oxalate is expensive and has strong toxicity, it is not preferable in terms of human body and environment, and a method for synthesizing a large amount has not been established.
In addition, since the temperature required for the reaction is generally high in the solid phase method, the primary particles are coarsened, tend to aggregate and grow, and the particle size becomes large. In addition, the Li 2 MSiO 4 obtained in this way needs to be strongly refined because the particles are coarse and have low conductivity.
Further, it has been reported that a high-purity metal lithium silicate can be obtained by a hydrothermal method as a metal silicate lithium salt without using an oxalate (for example, Non-Patent Document 2). The crystal structure of the lithium metal silicate is orthorhombic. However, the hydrothermal method requires a pressure vessel, and the amount of product obtained with respect to the size of the apparatus is small, and mass production cannot be performed.
さらに、短時間で効率的なケイ酸金属リチウム塩の製造方法として、アルカリ金属、遷移金属およびケイ素の供給源となる化合物を混合、加熱して溶融した後、徐冷することが提案されている(例えば、特許文献2)。この提案においては、原料を溶融状態にまで加熱するため、得られるケイ酸金属リチウム塩は粗大粒子となり、微粒化することが困難といわれている。
上記のように、固相法には、高純度のケイ酸金属リチウム塩を得ることができるという利点があるものの、一般的に出発原料の粒径が数μm程度であることから、イオン拡散性に問題が有り、反応に長時間が必要であること、元素の種類によってはドープが極めて困難であること、さらに、反応温度が高いことによるリチウム欠陥等が懸念され、電池材料としてのリチウムシリケート化合物の合成には不向きである。
Furthermore, as a method for producing a lithium metal silicate salt that is efficient in a short time, it is proposed to mix, heat, melt, and slowly cool a compound that is a source of alkali metal, transition metal and silicon. (For example, patent document 2). In this proposal, since the raw material is heated to a molten state, the obtained lithium metal silicate becomes coarse particles, and it is said that it is difficult to atomize.
As described above, although the solid phase method has an advantage that a high-purity lithium metal silicate can be obtained, since the particle size of the starting material is generally about several μm, Lithium silicate compound as a battery material because there is a problem that the reaction requires a long time, the doping is extremely difficult depending on the type of element, and lithium defects due to the high reaction temperature. It is not suitable for the synthesis of.
リチウムシリケート化合物は、その結晶構造上の特徴より導電性が劣るため、電池特性発現の為にはカーボンコートによる導電性付与が必須であり、合成効率、省エネルギー的観点から、リチウムシリケート化合物の合成と同時に一括でカーボンコートする方法が渇望されている。
しかし、固相法反応によるリチウムシリケートにおいては、一般的に出発原料の粒径が数μm程度であることからイオン拡散性に問題が有り反応に長時間が必要であること、さらに、反応を進めるためには高温が必要であり、有機物を用いたカーボンコートを同時処理にて行うことは極めて困難である。
Since the lithium silicate compound is inferior in conductivity to the characteristics of its crystal structure, it is indispensable to impart conductivity by carbon coating in order to develop battery characteristics. From the viewpoint of synthesis efficiency and energy saving, the synthesis of the lithium silicate compound At the same time, there is a craving for a method of carbon coating all at once.
However, in lithium silicate by solid-phase reaction, since the particle size of the starting material is generally about several μm, there is a problem in ion diffusivity and a long time is required for the reaction. For this purpose, a high temperature is required, and it is extremely difficult to perform carbon coating using an organic substance by simultaneous treatment.
一方、液相法によるリチウムシリケート合成は、出発原料の水溶液或いは水分散体を乾燥、加熱することにより行われる。本出願人も、原料ケイ酸金属塩の溶液とケイ酸イオンを含む溶液を特定のpH条件下、混合して共沈殿物を晶析させ、固液分離後、水洗、乾燥することを提案した(例えば、特許文献4参照)。 On the other hand, lithium silicate synthesis by a liquid phase method is performed by drying and heating an aqueous solution or aqueous dispersion of a starting material. The present applicant also proposed that the raw material metal silicate solution and a solution containing silicate ions were mixed under a specific pH condition to crystallize a coprecipitate, followed by solid-liquid separation, washing with water, and drying. (For example, refer to Patent Document 4).
ところが従来のリチウムシリケート化合物は、容量が高温環境下において高々1.2電子反応に相当する190mAh/g程度であり、室温環境下では十分な電池充放電反応をさせることが困難である。そのため、リチウムシリケート化合物の結晶構造上の問題を解決した、液相法による導電性に優れたリチウムシリケート化合物の出現が望まれている。 However, a conventional lithium silicate compound has a capacity of about 190 mAh / g corresponding to 1.2 electron reaction at most in a high temperature environment, and it is difficult to cause a sufficient battery charge / discharge reaction in a room temperature environment. Therefore, the appearance of a lithium silicate compound excellent in conductivity by a liquid phase method that solves the problem of the crystal structure of the lithium silicate compound is desired.
本発明の目的は、Li2MnSiO4組成の一部をAl元素で置換することで正極活物質として用いたときリチウムイオン電池の容量を高めることができるリチウムシリケート化合物、および、それを用いたリチウムイオン電池を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a lithium silicate compound capable of increasing the capacity of a lithium ion battery when used as a positive electrode active material by substituting a part of the Li 2 MnSiO 4 composition with an Al element, and lithium using the lithium silicate compound It is to provide an ion battery.
本発明者らは、上記課題を解決するため鋭意検討の結果、Mn塩とLi塩とを含む水溶液に、特定量のAl塩を含む水溶液、およびSi源の溶液を混合し、乾燥後、不活性雰囲気または還元雰囲気で焼成する事により得られる複合酸化物は、Li2MnSiO4と同等の結晶構造を有し、CuKα線を用いた条件で測定される粉末XRD測定パターンの最大強度ピークが特定の回折角2θである新規なリチウムシリケート化合物となることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies to solve the above problems, the inventors mixed an aqueous solution containing a specific amount of Al salt and an Si source solution into an aqueous solution containing an Mn salt and an Li salt, and after drying, The composite oxide obtained by firing in an active atmosphere or a reducing atmosphere has a crystal structure equivalent to that of Li 2 MnSiO 4, and the maximum intensity peak of the powder XRD measurement pattern measured under conditions using CuKα rays is specified. As a result, the present inventors have found that the present invention has been completed.
すなわち、本発明の第1の発明によれば、Li2MnSiO4組成を構成する金属元素の少なくとも一部がAl元素で置換したリチウムシリケート化合物であって、結晶構造がLi2MnSiO4と同等であり、かつCuKα線を用いた条件で測定される粉末XRD測定パターンの最大強度ピークが、回折角2θ=32.5度〜33.0度であることを特徴とするリチウムシリケート化合物が提供される。 That is, according to the first invention of the present invention, a lithium silicate compound in which at least a part of a metal element constituting the Li 2 MnSiO 4 composition is substituted with an Al element, the crystal structure is equivalent to that of Li 2 MnSiO 4 . There is provided a lithium silicate compound characterized in that the maximum intensity peak of the powder XRD measurement pattern measured under conditions using CuKα rays is a diffraction angle 2θ = 32.5 degrees to 33.0 degrees .
また、本発明の第2の発明は、第1の発明において、表面にカーボンコート層が形成されていることを特徴とするリチウムシリケート化合物が提供される。
また、本発明の第3の発明は、第1又は2の発明のリチウムシリケート化合物の製造方法であって、
Mn塩とLi塩とを含む水溶液、及びAl塩を含む水溶液に、Si源の溶液を、Li:Mn:Si:Al=2:y:1:1−y(0.9≦y<1)のモル比となるように混合し、乾燥後、不活性雰囲気または還元雰囲気で焼成する事により得られる複合酸化物を主成分とする前記リチウムシリケート化合物を得ることを含む、リチウムシリケート化合物の製造方法が提供される。
また、本発明の第4の発明は、第3の発明において、前記Si源が、乾燥により脱水縮合を生じる珪素化合物であることを特徴とするリチウムシリケート化合物の製造方法が提供される。
また、本発明の第5の発明によれば、第3又は4の発明において、前記Si源が、水溶性珪素化合物であることを特徴とするリチウムシリケート化合物の製造方法が提供される。
また、本発明の第6の発明によれば、第3〜5のいずれかの発明において、前記水溶液が、さらにFe塩を含み、その含有量は、Li:Mn:Fe:Si:Al=2:xy:y−xy:1:1−y(0.75≦x<1、0.9≦y<1)のモル比となるようにすることを特徴とするリチウムシリケート化合物の製造方法が提供される。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a lithium silicate compound characterized in that in the first aspect, a carbon coat layer is formed on the surface.
The third invention of the present invention is a method for producing a lithium silicate compound of the first or second invention,
An aqueous solution containing an Mn salt and an Li salt, and an aqueous solution containing an Al salt, an Si source solution, Li: Mn: Si: Al = 2: y: 1: 1-y (0.9 ≦ y <1) A method for producing a lithium silicate compound, comprising obtaining the lithium silicate compound having a composite oxide as a main component obtained by mixing, drying, and firing in an inert atmosphere or a reducing atmosphere. Is provided.
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the method for producing a lithium silicate compound according to the third aspect , wherein the Si source is a silicon compound that causes dehydration condensation upon drying.
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the method for producing a lithium silicate compound according to the third or fourth aspect , wherein the Si source is a water-soluble silicon compound.
According to a sixth invention of the present invention, in any one of the third to fifth inventions, the aqueous solution further contains an Fe salt, and the content thereof is Li: Mn: Fe: Si: Al = 2. : Xy: y-xy: 1: 1-y (0.75 ≦ x <1, 0.9 ≦ y <1) is provided. A method for producing a lithium silicate compound is provided. Is done.
一方、本発明の第7の発明によれば、第1又は2の発明のリチウムシリケート化合物を正極活物質として用いたリチウムイオン電池が提供される。 On the other hand, according to the seventh invention of the present invention, there is provided a lithium ion battery using the lithium silicate compound of the first or second invention as a positive electrode active material.
本発明のリチウムシリケート化合物は、Li・Mn・Si複合酸化物の一部がAlに置換したもので、Li2MnSiO4と同等の結晶構造を有し、CuKα線を用いた条件で測定される粉末XRD測定パターンの最大強度ピークが回折角2θ=32.5度〜33.0度であるという新規な結晶構造を有しているため、それを正極活物質として用いることで、高い安全性と高容量を兼ね備え、かつサイクル寿命にも優れたリチウム二次電池を容易に製造することができる。
さらに、このリチウムシリケート化合物は表面にカーボンコートされており、高い反応性および、粉体の扱い易さを両立した材料である。
The lithium silicate compound of the present invention is obtained by substituting a part of the Li · Mn · Si composite oxide with Al, has a crystal structure equivalent to Li 2 MnSiO 4, and is measured under the conditions using CuKα rays. Since it has a novel crystal structure in which the maximum intensity peak of the powder XRD measurement pattern is a diffraction angle 2θ = 32.5 degrees to 33.0 degrees, by using it as a positive electrode active material, high safety and A lithium secondary battery having high capacity and excellent cycle life can be easily manufactured.
Furthermore, this lithium silicate compound has a carbon coating on the surface, and is a material that achieves both high reactivity and easy handling of the powder.
以下に、リチウム二次電池用正極活物質として用いられる本発明のリチウムシリケート化合物、その製造方法などについて詳細に説明する。 Below, the lithium silicate compound of this invention used as a positive electrode active material for lithium secondary batteries, its manufacturing method, etc. are demonstrated in detail.
1.[リチウムシリケート化合物]
本発明のリチウムシリケート化合物は、Li2MnSiO4組成を構成する金属元素の少なくとも一部がAl元素で置換したリチウムシリケート化合物であって、結晶構造がLi2MnSiO4と同等であり、かつCuKα線を用いた条件で測定される粉末XRD測定パターンの最大強度ピークが、回折角2θ=32.5度〜33.0度であることを特徴とする。
1. [Lithium silicate compound]
The lithium silicate compound of the present invention is a lithium silicate compound in which at least a part of a metal element constituting the Li 2 MnSiO 4 composition is substituted with an Al element, the crystal structure is equivalent to Li 2 MnSiO 4 , and CuKα ray The maximum intensity peak of the powder XRD measurement pattern measured under the conditions using is a diffraction angle 2θ = 32.5 degrees to 33.0 degrees.
本発明のリチウムシリケート化合物は、結晶骨格となるLi2MnSiO4組成中の金属元素、すなわちLi,MnまたはSiのうち少なくとも一部がAl元素で置換した構造を有している。特に、Si4+イオンとAl3+イオンはその共有結合性およびイオン半径が近似していることから、リチウムシリケート化合物では、置換させることが可能であるが、これまでこのようなリチウムシリケート化合物は知られていない。 The lithium silicate compound of the present invention has a structure in which at least a part of a metal element in Li 2 MnSiO 4 composition serving as a crystal skeleton, that is, Li, Mn, or Si is substituted with an Al element. In particular, since Si 4+ ions and Al 3+ ions have similar covalent bonds and ionic radii, they can be substituted with lithium silicate compounds, but such lithium silicate compounds have been known so far. Not.
本発明では、後で詳述するように、特に水溶性プロピレングリコール修飾シラン(PGMS)等の乾燥時に脱水縮合を経る珪素源を用いてリチウムシリケート化合物を合成した際には、濃縮されたAl3+イオンが縮合反応に加わりやすい傾向があるため、効率的にSiO4中Si元素をAl元素でAl−同形置換した構造を得ることが可能となった。また、Li,Mnは、イオン半径が比較的近いという理由で、Al元素で置換した構造をとることがある。 In the present invention, as described in detail later, when a lithium silicate compound is synthesized using a silicon source that undergoes dehydration condensation at the time of drying, such as water-soluble propylene glycol-modified silane (PGMS), concentrated Al 3+ Since ions tend to easily participate in the condensation reaction, it has become possible to efficiently obtain a structure in which Si element in SiO 4 is Al-isomorphously substituted with Al element. Li and Mn may take a structure substituted with Al element because the ionic radius is relatively close.
本発明のリチウムシリケート化合物は、CuKα線を用いた条件で測定される粉末XRD測定パターンによると、主に最大強度ピークが空間群Pmn21であるLi2MnSiO4と同等の結晶構造、すなわち斜方晶における(210)面に帰属され、その回折角が2θ=32.5度〜33.0度である。 According to the powder XRD measurement pattern measured under conditions using CuKα rays, the lithium silicate compound of the present invention mainly has a crystal structure equivalent to Li 2 MnSiO 4 whose maximum intensity peak is the space group Pmn21, that is, orthorhombic crystal The diffraction angle is 2θ = 32.5 degrees to 33.0 degrees.
ここで、主にとは、Li2MnSiO4と同等の結晶構造、すなわち斜方晶が80%以上であることを意味する。本発明のリチウムシリケート化合物には、斜方晶以外の結晶構造、すなわち単斜晶などが少量含まれても構わない。単斜晶は、リチウムシリケート化合物の合成条件、例えば焼成温度の上昇などによって生じることがある。ただし、電池とした場合の容量を考慮すると、斜方晶が90%以上であることが好ましい。 Here, mainly means that the crystal structure equivalent to Li 2 MnSiO 4 , that is, orthorhombic is 80% or more. The lithium silicate compound of the present invention may contain a small amount of crystal structure other than orthorhombic crystal, that is, monoclinic crystal. Monoclinic crystals may be generated due to the synthesis conditions of the lithium silicate compound, such as an increase in the firing temperature. However, considering the capacity in the case of a battery, the orthorhombic crystal is preferably 90% or more.
本発明のリチウムシリケート化合物において、Alがドープされることにより容量が高くなる理由は、リチウムシリケート化合物の結晶骨格となるSiO4中のSiをAl元素で置換することで格子体積が大きくなり、結晶中のリチウム移動経路が広くなるためと考えられる。また、MnがAl元素で置換する場合は、材料全体の電荷バランスを取るためにLiサイトの空孔ができ、イオン導電性が向上するためと考えられる。一方、LiがAl元素で置換すると、イオン導電性を増加することができる。
ここで、Alドープ量は10モル%以下である。5モル%を越えると電荷バランスを保つために結晶構造中に取り込まれないLiが異相を形成するなどして電池とした場合の容量が減少する。より好ましいAlドープ量は5モル%以下である。
In the lithium silicate compound of the present invention, the reason why the capacity is increased when Al is doped is that the lattice volume is increased by replacing Si in SiO 4 which is the crystal skeleton of the lithium silicate compound with an Al element, This is thought to be because the lithium movement route becomes wider. Further, when Mn is substituted with Al element, it is considered that vacancy of Li site is formed in order to balance the charge of the whole material, and ion conductivity is improved. On the other hand, when Li is substituted with an Al element, ionic conductivity can be increased.
Here, the Al doping amount is 10 mol% or less. If it exceeds 5 mol%, the capacity of the battery is reduced because Li not formed in the crystal structure forms a different phase in order to maintain the charge balance. A more preferable Al doping amount is 5 mol% or less.
2.[リチウムシリケート化合物の製造方法]
本発明のリチウムシリケート化合物は、Mn塩とLi塩とを含む水溶液、及びAl塩を含む水溶液に、Si源の溶液を、Li:Mn:Si:Alが特定のモル比となるように混合し、乾燥後、不活性雰囲気または還元雰囲気で焼成する事により製造される。
2. [Method for producing lithium silicate compound]
In the lithium silicate compound of the present invention, an Si source solution is mixed with an aqueous solution containing an Mn salt and an Li salt and an aqueous solution containing an Al salt so that Li: Mn: Si: Al has a specific molar ratio. After drying, it is produced by firing in an inert atmosphere or a reducing atmosphere.
(1)原料金属成分、有機酸の種類
原料金属成分として使用するMn塩、Li塩は、リチウム二次電池用正極活物質の製造に通常用いられているものであれば特に制限はないが、水溶性のものが好ましい。Mn塩、Li塩は蒸留水、イオン交換水などの純水に溶解することが好ましい。
(1) Types of raw material metal component and organic acid There are no particular restrictions on the Mn salt and Li salt used as the raw material metal component as long as they are normally used in the production of a positive electrode active material for a lithium secondary battery, Water-soluble ones are preferred. The Mn salt and Li salt are preferably dissolved in pure water such as distilled water and ion exchange water.
Mn塩としては、酢酸マンガン、硝酸マンガンなどのマンガン化合物を用いることができ、また、Li塩としては、水酸化リチウム、酢酸リチウム物、硝酸リチウムなどのリチウム化合物を用いることができる。いずれの金属塩も、特に安価で取扱いが容易な酢酸塩を用いることが好ましい。
また、上記Mn塩に対して、その一部を、Fe塩、Co塩、Ca塩、Zn塩、Mg塩、などの遷移金属塩やアルカリ土類金属塩で置換することができる。中でも好ましいのは、電池特性を向上しうるという観点からFe塩であり、酢酸鉄、硝酸鉄、クエン酸鉄などを用いることができる。
本発明では、原料金属成分に加えて、Al塩として、酢酸アルミニウム、硝酸アルミニウムなどを用いる。このうち、特に安価で取扱いが容易な酢酸塩を用いることが好ましい。Al塩を用いることで、リチウムシリケート化合物の格子定数が大きくなり、特にリチウム拡散性の観点からは格子体積を大きくすることが高容量化に有効となる。
Manganese compounds such as manganese acetate and manganese nitrate can be used as the Mn salt, and lithium compounds such as lithium hydroxide, lithium acetate, and lithium nitrate can be used as the Li salt. For any metal salt, it is particularly preferable to use an acetate that is inexpensive and easy to handle.
Further, a part of the Mn salt can be substituted with a transition metal salt such as Fe salt, Co salt, Ca salt, Zn salt, Mg salt, or alkaline earth metal salt. Among these, Fe salt is preferable from the viewpoint of improving battery characteristics, and iron acetate, iron nitrate, iron citrate, and the like can be used.
In the present invention, aluminum acetate, aluminum nitrate or the like is used as the Al salt in addition to the raw metal component. Of these, it is particularly preferable to use an acetate that is inexpensive and easy to handle. By using the Al salt, the lattice constant of the lithium silicate compound is increased, and in particular, from the viewpoint of lithium diffusibility, increasing the lattice volume is effective for increasing the capacity.
さらに、本発明では、Si源は特に制限されるわけではないが、例えばプロピレングリコール修飾シラン(PGMS)、ポリエチレングリコール修飾シラン(PEGMS)、グリセリン修飾シラン(GMS)などの水溶性珪素や、テトラエチルオルトシリケート、テトラメチルオルトシリケートなどが挙げられる。これらは単独で用いても混合して用いてもよい。ほかにも任意の濃度に溶解したテトラエトキシシランのエタノール溶液、フュームドシリカなどがあげられる。 Further, in the present invention, the Si source is not particularly limited. For example, water-soluble silicon such as propylene glycol modified silane (PGMS), polyethylene glycol modified silane (PEGMS), glycerin modified silane (GMS), tetraethyl ortho Examples thereof include silicate and tetramethylorthosilicate. These may be used alone or in combination. In addition, an ethanol solution of tetraethoxysilane dissolved in an arbitrary concentration, fumed silica, and the like can be given.
水溶性珪素化合物としては、プロピレングリコール修飾シラン(PGMS)が好ましい。プロピレングリコール修飾シラン(PGMS)は、珪素に結合している官能基、すなわちプロピレングリコールが分子内に親水性のOH基を持つため、水に任意の割合で溶解し、安定性が高いという特性を有する点で好ましい水溶性珪素化合物である。
また、テトラエチルオルトシリケート、テトラメチルオルトシリケートは、同様に乾燥により脱水縮合を生じる珪素化合物であり、シランの重縮合の際に、Al3+イオンが縮合反応に加わりやすい傾向があるため、効率的にSiO4中Si元素をAl元素でAl−同形置換した構造を得られやすい。さらに、水溶性珪素化合物(例えばプロピレングリコール修飾シラン(PGMS)など)を併用すると、水溶液で取り扱うことができるため、より好ましい。
As the water-soluble silicon compound, propylene glycol modified silane (PGMS) is preferable. Propylene glycol-modified silane (PGMS) has a functional group bonded to silicon, that is, propylene glycol has a hydrophilic OH group in the molecule, so it dissolves in water at an arbitrary ratio and has high stability. It is a preferable water-soluble silicon compound in terms of having it.
Tetraethylorthosilicate and tetramethylorthosilicate are silicon compounds that similarly undergo dehydration condensation upon drying, and during the polycondensation of silane, Al 3+ ions tend to be added to the condensation reaction. It is easy to obtain a structure in which Si element in SiO 4 is Al-isomorphously substituted with Al element. Furthermore, it is more preferable to use a water-soluble silicon compound (for example, propylene glycol modified silane (PGMS), etc.) because it can be handled in an aqueous solution.
上記のプロピレングリコール修飾シラン(PGMS)は、水に任意の割合で溶解し、安定性が高いという特性を有するからである。このプロピレングリコール修飾シラン(PGMS)は、例えば特開2010−7032に記載のとおり、特定のケイ素化合物の縮合物と、分子内に少なくとも1以上の水酸基及び/又はアミノ基を有する水溶性化合物とを接触させた後に、酸性物質を接触させることで製造することができる。
プロピレングリコール修飾シラン(PGMS)は、例えば、下記反応式(1)で示されるように、テトラエトキシシラン(TEOS)のエトキシ基をプロピレングリコール(PG)でエステル交換することにより作製される。
This is because the propylene glycol-modified silane (PGMS) has a property of being dissolved in water at an arbitrary ratio and having high stability. This propylene glycol modified silane (PGMS) comprises, for example, a condensate of a specific silicon compound and a water-soluble compound having at least one hydroxyl group and / or amino group in the molecule, as described in JP-A-2010-7032. It can manufacture by making an acidic substance contact after making it contact.
Propylene glycol-modified silane (PGMS) is produced, for example, by transesterifying the ethoxy group of tetraethoxysilane (TEOS) with propylene glycol (PG) as shown in the following reaction formula (1).
[化1]
Si(OEt)4 + 4C3H6(OH)2 → Si(OC3H6OH)4 + 4EtOH ・・・(1)
[Chemical 1]
Si (OEt) 4 + 4C 3 H 6 (OH) 2 → Si (OC 3 H 6 OH) 4 + 4EtOH (1)
反応前のTEOSは疎水性であるが、4つのエトキシ基のうち、3つ以上がPGとエステル交換反応するため、生成物のPGMSは少なくとも3つ以上のPGを分子内に持つこととなり、水溶性となる。 TEOS before the reaction is hydrophobic, but since three or more of the four ethoxy groups undergo transesterification with PG, the product PGMS has at least three or more PGs in the molecule, and is water-soluble. It becomes sex.
(2)原料金属成分の混合、溶解
次に、Mn塩とLi塩とAl塩を含む水溶液に、Si源である水溶性珪素化合物の溶液を金属元素比率が、Li:Mn:Si:Al=2:y:1:1−y(0.9≦y<1)となるように混合する。金属元素比率はLi:Mn:Si:Al=2:y:1:1−y(0.95≦y<1)とすることが好ましい。
(2) Mixing and dissolution of raw material metal components Next, a solution of a water-soluble silicon compound as a Si source in an aqueous solution containing a Mn salt, a Li salt and an Al salt has a metal element ratio of Li: Mn: Si: Al = 2: y: 1: 1-y (0.9 ≦ y <1). The metal element ratio is preferably Li: Mn: Si: Al = 2: y: 1: 1-y (0.95 ≦ y <1).
Mn塩に対して、その一部を、Fe塩などの遷移金属塩(M塩)で置換するときは、金属元素比率がLi:Mn:Fe:Si:Al=2:xy:y−xy:1:1−y(0.75≦x<1、0.9≦y<1)となるように混合する。金属元素比率をこの範囲とすることにより容量特性、サイクル特性の優れた活物質を製造することができる。ここで、好ましいx、yの範囲は、0.80≦x<1、0.95≦y<1である。
最初に、各種原料塩を所定比になるように配合し、混合する。混合方法は、各原料が均一に混ざればよく、ライカイ機やボールミル等で粉砕混合する。ここで、原料に水溶性の塩を用いると、溶液中で均一に混合されるため好ましい。さらに、シリケートの重縮合の際に、Al3+イオンが取り込まれやすいため、好ましい。
When a part of the Mn salt is replaced with a transition metal salt (M salt) such as an Fe salt, the metal element ratio is Li: Mn: Fe: Si: Al = 2: xy: y-xy: 1: 1-y (0.75 ≦ x <1, 0.9 ≦ y <1). By setting the metal element ratio within this range, an active material having excellent capacity characteristics and cycle characteristics can be produced. Here, preferable ranges of x and y are 0.80 ≦ x <1 and 0.95 ≦ y <1.
First, various raw material salts are blended in a predetermined ratio and mixed. As for the mixing method, each raw material may be mixed uniformly, and pulverized and mixed with a reika machine or a ball mill. Here, it is preferable to use a water-soluble salt as a raw material because it is uniformly mixed in the solution. Furthermore, it is preferable because Al 3+ ions are easily taken in during polycondensation of silicate.
また、各種原料塩と同時に炭素源を混合してもよい。炭素源は、この後に行われる熱処理により各リチウムシリケート化合物粒子をカーボンコートする。
炭素源として、分子内にカルボキシル基と水酸基を併せ持つか、カルボキシル基を2個以上有する有機酸、たとえば、クエン酸[CH2−COOH(HO−C−COOH)CH2−COOH]、酒石酸[COOH(CHOH)2COOH]、マロン酸[HOOC−CH2−COOH]、乳酸[CH3CH(OH)COOH]、グリコール酸などを例示できる。これらクエン酸などの有機酸は、リチウムや遷移金属を1分子中に1個より多く配位して保持することができ、リチウム塩と遷移金属塩の組成が常時安定し、乾燥や熱分解反応の効率を高めることができる。
炭素源として、融点が250℃以下の水溶性の有機化合物が好ましく、特にクエン酸が好ましい。
Moreover, you may mix a carbon source simultaneously with various raw material salts. The carbon source is carbon-coated on each lithium silicate compound particle by a heat treatment performed thereafter.
As a carbon source, an organic acid having a carboxyl group and a hydroxyl group in the molecule or having two or more carboxyl groups, for example, citric acid [CH 2 —COOH (HO—C—COOH) CH 2 —COOH], tartaric acid [COOH] (CHOH) 2 COOH], malonic acid [HOOC—CH 2 —COOH], lactic acid [CH 3 CH (OH) COOH], glycolic acid and the like can be exemplified. These organic acids such as citric acid can hold and coordinate more than one lithium and transition metal in one molecule, the composition of lithium salt and transition metal salt is always stable, and drying and thermal decomposition reactions Can increase the efficiency.
As the carbon source, a water-soluble organic compound having a melting point of 250 ° C. or lower is preferable, and citric acid is particularly preferable.
Mn塩、Li塩、Al塩の水溶液とSi源の溶液との混合は、原料金属成分が均一に混合できればよく、通常の混合機を用いることができる。これら成分は、室温〜80℃の温度で、1〜120分間攪拌することにより容易に溶解する。好ましいのは、室温で10〜60分攪拌することである。
Mn塩は水溶液のpH、ORPによっては酸化マンガンとして固相に析出する。これを防ぐためには、Mn塩は酸性溶液中では安定なので、酸を混合溶液に添加し、pH6以下に調整することが好ましい。より好ましくはpHを4以下に調整する。pHが6を超えると、Mn塩は十分に安定化されないため固相として析出することがある。pHの調整に用いる酸は、Mn塩などの溶液中に含まれる元素と反応し、固体を析出しないものならば種類によって限定されず、塩酸、硝酸などを用いることができる。
The mixing of the aqueous solution of Mn salt, Li salt, and Al salt and the Si source solution is sufficient if the raw material metal components can be mixed uniformly, and a normal mixer can be used. These components are easily dissolved by stirring at room temperature to 80 ° C. for 1 to 120 minutes. Preference is given to stirring at room temperature for 10 to 60 minutes.
The Mn salt is precipitated in the solid phase as manganese oxide depending on the pH of the aqueous solution and ORP. In order to prevent this, since the Mn salt is stable in an acidic solution, it is preferable to adjust the pH to 6 or less by adding an acid to the mixed solution. More preferably, the pH is adjusted to 4 or less. If the pH exceeds 6, the Mn salt is not sufficiently stabilized and may precipitate as a solid phase. The acid used for adjusting the pH is not limited by type as long as it reacts with an element contained in a solution such as Mn salt and does not precipitate a solid, and hydrochloric acid, nitric acid, or the like can be used.
(3)乾燥
次に、上記原料を混合した水溶液或いは水分散体は乾燥、固化される。その際、ゲル状になるように、水溶性珪素化合物を加水分解、重縮合させると、各種原料元素が原子レベルで均一に混合したゲル体が得られるため好ましい。乾燥は、水溶液から水分を蒸発することができる条件であればよく、加熱温度や雰囲気、乾燥装置の種類などによって特に制限されない。効率的に乾燥するには、大気、不活性ガス、真空の雰囲気とし60〜200℃で加熱するのが好ましい。
(3) Drying Next, the aqueous solution or water dispersion in which the raw materials are mixed is dried and solidified. At that time, it is preferable to hydrolyze and polycondensate the water-soluble silicon compound so as to form a gel because a gel body in which various raw material elements are uniformly mixed at the atomic level is obtained. Drying is not particularly limited depending on the heating temperature, atmosphere, type of drying apparatus, and the like, as long as moisture can be evaporated from the aqueous solution. In order to dry efficiently, it is preferable to heat at 60 to 200 ° C. in an atmosphere of air, inert gas, or vacuum.
次に得られた原料の混合粉あるいはゲル体は、乾燥した後、加熱処理によりカーボンコートされる。乾燥方法としては、特に制限はないが、粒子が凝集しない方法が好ましく、例えば凍結乾燥することが好ましい。凍結乾燥を採用すると、不溶性のMnの有機酸錯体が形成されることなく原料物質が均一に混合された固化物が得られるやすい。
凍結乾燥は、前記水分散体をゲル状態となる前に凍結させ、−30〜0℃、かつ4〜48時間の減圧条件で行われることが好ましい。より好ましいのは、凍結後、−30〜−10℃、かつ4〜36時間の減圧条件で行うことである。水分散体がゲル状態になるまで凍結しないと、有機酸とMnが反応して、有機酸Mn塩の凝集物が生成するので好ましくない。凍結乾燥には、通常の冷却・減圧機能を有する凍結乾燥装置を使用することができる。
Next, the obtained mixed powder or gel of the raw material is dried and then carbon-coated by heat treatment. Although there is no restriction | limiting in particular as a drying method, The method in which particle | grains do not aggregate is preferable, for example, it is preferable to freeze-dry. When lyophilization is employed, a solidified product in which the raw materials are uniformly mixed can be easily obtained without forming an insoluble Mn organic acid complex.
Freeze-drying is preferably carried out under reduced pressure conditions of −30 to 0 ° C. and 4 to 48 hours after the aqueous dispersion is frozen before becoming a gel state. More preferably, after freezing, it is carried out under reduced pressure conditions of -30 to -10 ° C and 4 to 36 hours. If the aqueous dispersion is not frozen until it is in a gel state, the organic acid and Mn react with each other to produce an aggregate of the organic acid Mn salt, which is not preferable. For freeze-drying, a freeze-drying device having a normal cooling / depressurizing function can be used.
(4)加熱処理
得られた固化物及び/またはゲル体は、次に窒素、または水素のいずれか一種以上を含む雰囲気中、500〜900℃の温度で1〜24時間加熱処理して、本発明のリチウムシリケート化合物を得る。
(4) Heat treatment The obtained solidified product and / or gel body is then heat treated at a temperature of 500 to 900 ° C. for 1 to 24 hours in an atmosphere containing at least one of nitrogen and hydrogen. The inventive lithium silicate compound is obtained.
加熱処理炉は、雰囲気制御が可能な炉であればよいが、ガスの発生がない電気炉が好ましく、管状炉、マッフル炉などの静置炉やプッシャー炉、ローラーハースキルン、ロータリーキルン、流動床炉などの連続炉が使用できる。
この際、水溶性珪素化合物の分解物が炭素源となり、リチウムシリケート化合物粒の表面にカーボンコート層を形成し、導電性を付与することができる。このように、本発明では固化物及び/またはゲル体の焼成時に同時にカーボンコートがされるため、製造工程を簡略化することができる。
The heat treatment furnace may be any furnace that can control the atmosphere, but an electric furnace that does not generate gas is preferable. The continuous furnace can be used.
At this time, the decomposition product of the water-soluble silicon compound becomes a carbon source, and a carbon coat layer can be formed on the surface of the lithium silicate compound particles to impart conductivity. As described above, in the present invention, since the carbon coating is simultaneously performed when the solidified product and / or the gel body is fired, the manufacturing process can be simplified.
カーボンコートされた混合物を非酸化性雰囲気中で500〜900℃、好ましくは600〜800℃で焼成することにより良好な結晶性で微細なリチウムシリケート化合物を得ることができる。焼成温度が500℃未満では材料の結晶性が低く、リチウム二次電池正極活物質として用いた場合、容量が低下してしまう。また、900℃より高くなるとリチウムの蒸散が顕著となり、目的の組成比の材料を得ることが困難になってしまう。 By firing the carbon-coated mixture at 500 to 900 ° C., preferably 600 to 800 ° C. in a non-oxidizing atmosphere, a fine lithium silicate compound with good crystallinity can be obtained. When the firing temperature is less than 500 ° C., the crystallinity of the material is low, and when used as a positive electrode active material for a lithium secondary battery, the capacity decreases. On the other hand, when the temperature is higher than 900 ° C., transpiration of lithium becomes remarkable, and it becomes difficult to obtain a material having a desired composition ratio.
焼成時の雰囲気は、リチウムシリケート化合物中のAl、Fe元素および炭素源の酸化を抑制するため、加熱処理も含めて窒素、アルゴンなどの不活性雰囲気あるいは還元雰囲気中とすることが好ましく、還元雰囲気中とすることがより好ましい。還元雰囲気としては、水素を含有した不活性ガス、特に水素を含有した窒素雰囲気とすることが好ましく、水素含有量は、2〜4%とすることが好ましい。
焼成時間は、特に限定されるものではなく、上記温度範囲で十分に結晶化したリチウムシリケート化合物が得られる時間とするが、例えば、1〜20時間とすることが好ましい。1時間未満では、リチウムシリケート化合物の結晶性が十分でないことがあり、20時間を超えると、リチウムシリケート化合物粒子の焼結が進行して微細な粒子が得られないことがある。
In order to suppress oxidation of Al, Fe element and carbon source in the lithium silicate compound, the firing atmosphere is preferably an inert atmosphere such as nitrogen or argon or a reducing atmosphere including a heat treatment. It is more preferable to use medium. The reducing atmosphere is preferably an inert gas containing hydrogen, particularly a nitrogen atmosphere containing hydrogen, and the hydrogen content is preferably 2 to 4%.
The firing time is not particularly limited, and is a time for obtaining a lithium silicate compound that is sufficiently crystallized in the above temperature range. For example, it is preferably 1 to 20 hours. If it is less than 1 hour, the crystallinity of the lithium silicate compound may not be sufficient, and if it exceeds 20 hours, sintering of the lithium silicate compound particles proceeds and fine particles may not be obtained.
また、Mn塩の一部をFe塩などの添加元素(M)塩に置換することで、一般式Li2MnxyAl1−yMy−xySiO4(MはFeまたはCo、Ca、Zn、Mgなどの遷移金属やアルカリ土類金属であり、0.75≦x<1、0.9≦y<1)で表されるリチウムシリケート化合物を合成することができ、充放電容量の増加、サイクル性の向上などの効果を得ることができる。添加元素(M)の添加量は、Mnのモル数に対して25%以下であることが好ましい。25%より多いと母材であるLi2MnSiO4の結晶構造が維持できず、副生成物を多く含んだ材料となるため、好ましくない。 Further, by replacing a part of the Mn salt with an additive element (M) salt such as an Fe salt, the general formula Li 2 Mn xy Al 1-y M y-xy SiO 4 (M is Fe, Co, Ca, Zn) , A transition metal such as Mg or an alkaline earth metal, and a lithium silicate compound represented by 0.75 ≦ x <1, 0.9 ≦ y <1) can be synthesized, and an increase in charge / discharge capacity, Effects such as improved cycle performance can be obtained. The addition amount of the additive element (M) is preferably 25% or less with respect to the number of moles of Mn. If it exceeds 25%, the crystal structure of Li 2 MnSiO 4 as a base material cannot be maintained, and the material contains a large amount of by-products, which is not preferable.
本合成法で得られた材料は、一次粒子の平均径が1000nmの粒子状であり、必要があれば粉砕して300nm以下の微粒子とする。しかし、Si源にPGMSを用いていれば、PGMSに含まれるカーボンが焼結を阻害するため、別途粉砕して微粒子化する工程を必要としない。 The material obtained by this synthesis method is in the form of particles having an average primary particle size of 1000 nm, and if necessary, is pulverized to form particles having a size of 300 nm or less. However, if PGMS is used as the Si source, the carbon contained in PGMS inhibits the sintering, so that there is no need for a separate pulverization and fine particle process.
また、Si源にPGMSを用いていると、カーボンは焼成終了後も約0.5〜2.0質量%残留する。残留したカーボンは粒子の表面に存在し、リチウム二次電池材料として用いた時、電子伝導を補助し電池の特性を向上させる。その結果63.66MPa加圧時の粉体抵抗で測定される導電率が1.0×10−7S/cm以上の導電性を示す。製造条件を最適化することで、導電率が1.0×10−6S/cm以上のカーボン被覆リチウムシリケート化合物を合成することも可能である。 Further, when PGMS is used as the Si source, the carbon remains about 0.5 to 2.0% by mass even after the completion of firing. Residual carbon exists on the surface of the particles, and when used as a lithium secondary battery material, assists electronic conduction and improves battery characteristics. As a result, the conductivity measured by the powder resistance at the time of pressurizing 63.66 MPa shows conductivity of 1.0 × 10 −7 S / cm or more. It is also possible to synthesize a carbon-coated lithium silicate compound having an electrical conductivity of 1.0 × 10 −6 S / cm or more by optimizing the production conditions.
本合成法で、材料に0.5〜2.0質量%のカーボンが含まれるようにすれば従来のようなカーボン担持工程を省略できる。さらに多くのカーボンを担持させ導電性補助効果を増大させてもよい。カーボンコートの方法は手段を問わず、焼成前の原料に前記のような有機化合物を混ぜて不活性雰囲気で焼成することで、カーボンを析出させる方法、焼成後の材料に導電性カーボンをボールミル等で機械的に付着させる方法などを用いることができる。
通常リチウムシリケート化合物粒子は導電性が劣るため、カーボンコートによりリチウムシリケート化合物粒子は導電性が改善され、電池特性を発現することができる。
If the material contains 0.5 to 2.0% by mass of carbon, the conventional carbon supporting step can be omitted. Further, more carbon may be supported to increase the conductivity auxiliary effect. Regardless of the method of carbon coating, a method of precipitating carbon by mixing an organic compound as described above with a raw material before firing and firing in an inert atmosphere, a conductive carbon as a material after firing, etc. The method of making it adhere mechanically can be used.
Since lithium silicate compound particles usually have poor conductivity, the carbon silicate improves the conductivity of the lithium silicate compound particles and can exhibit battery characteristics.
3.[リチウム二次電池]
本発明のリチウム二次電池は、上記リチウムシリケート化合物を正極活物質として用いたものである。リチウムイオン電池は、正極、負極、非水電解質など、一般のリチウム二次電池と同様の構成要素から構成される。
3. [Lithium secondary battery]
The lithium secondary battery of the present invention uses the above lithium silicate compound as a positive electrode active material. A lithium ion battery is composed of the same components as a general lithium secondary battery, such as a positive electrode, a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte.
以下、本発明のリチウム二次電池の実施形態について、その構成要素、用途などの項目に分けて詳しく説明するが、以下の実施形態は例示にすぎず、本発明のリチウム二次電池は、本明細書に記載の実施形態を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。 Hereinafter, embodiments of the lithium secondary battery of the present invention will be described in detail by dividing the components, uses, and the like, but the following embodiments are merely examples, and the lithium secondary battery of the present invention is the present invention. The embodiments described in the specification can be implemented in various modified and improved forms based on the knowledge of those skilled in the art.
(a)正極
正極は、本発明のリチウムシリケート化合物を用いた正極活物質、導電材および結着剤を含んだ正極合材から形成される。詳しくは、粉末状の正極活物質、導電材を混合し、それに結着剤を加え、必要に応じて、粘度調整などのための溶剤をさらに添加して、正極合材ペーストを調整し、その正極合材ペーストを、たとえば、アルミニウム箔製の集電体の表面に塗布、乾燥、必要に応じて加圧することにより、シート状の正極を作製する。
導電材は、正極の電気伝導性を確保するためのものであり、たとえば、カーボンブラック、アセチレンブラック、黒鉛などの炭素物質粉状体の1種または2種以上を混合したものを用いることができる。
結着剤は、活物質粒子を繋ぎ止める役割を果たすもので、たとえば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、フッ素ゴムなどの含フッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレンなどの熱可塑性樹脂、その他の適切な材料を用いることができる。必要に応じて正極合材に添加する溶剤、つまり、活物質、導電材、活性炭を分散させ、結着剤を溶解する溶剤としては、N−メチル−2−ピロリドンなどの有機溶剤を用いることができる。また、活性炭を、電気二重層容量を増加させるために添加することができる。
このような正極活物質、導電材、および結着剤を混合し、必要に応じて、活性炭、溶剤を添加し、これを混練して正極合材ペーストを調製する。
正極合材中のそれぞれの混合比も、リチウムイオン二次電池の性能を決定する重要な要素となりうる。正極合材の固形分を100質量%とした場合、一般のリチウム二次電池の正極と同様、それぞれ、正極活物質は60〜95質量%、導電材は1〜20質量%、結着剤は1〜20質量%とすることが望ましい。
たとえば、アルミニウムなどの金属箔集電体の表面に、充分に混練した上記の正極合材ペーストを塗布し、乾燥して溶剤を飛散させ、必要に応じて、その後に電極密度を高めるべくロールプレスなどにより圧縮することにより、正極をシート状に形成することができる。シート状の正極は、目的とする電池に応じて適当な大きさに裁断などを行い、電池の作製に供することができる。
(A) Positive electrode A positive electrode is formed from the positive electrode compound material containing the positive electrode active material using the lithium silicate compound of this invention, the electrically conductive material, and the binder. Specifically, a powdered positive electrode active material and a conductive material are mixed, a binder is added thereto, and if necessary, a solvent for viscosity adjustment is further added to adjust the positive electrode mixture paste, For example, the positive electrode mixture paste is applied to the surface of a current collector made of aluminum foil, dried, and pressurized as necessary to produce a sheet-like positive electrode.
The conductive material is for ensuring the electrical conductivity of the positive electrode, and for example, a material obtained by mixing one or more carbon material powders such as carbon black, acetylene black, and graphite can be used. .
The binder plays a role of anchoring the active material particles. For example, a fluorine-containing resin such as polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, and fluorine rubber, a thermoplastic resin such as polypropylene and polyethylene, and other suitable materials. Can be used. If necessary, an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone is used as a solvent to be added to the positive electrode mixture, that is, as a solvent for dispersing the active material, conductive material, activated carbon, and dissolving the binder. it can. Activated carbon can also be added to increase the electric double layer capacity.
Such a positive electrode active material, a conductive material, and a binder are mixed, and if necessary, activated carbon and a solvent are added and kneaded to prepare a positive electrode mixture paste.
Each mixing ratio in the positive electrode mixture can also be an important factor that determines the performance of the lithium ion secondary battery. When the solid content of the positive electrode mixture is 100% by mass, the positive electrode active material is 60 to 95% by mass, the conductive material is 1 to 20% by mass, and the binder is the same as the positive electrode of a general lithium secondary battery. It is desirable to set it as 1-20 mass%.
For example, on the surface of a metal foil current collector such as aluminum, the above-mentioned positively mixed positive electrode mixture paste is applied and dried to disperse the solvent, and if necessary, a roll press to increase the electrode density thereafter The positive electrode can be formed into a sheet shape by compressing with the above. The sheet-like positive electrode can be cut into an appropriate size according to the intended battery and used for battery production.
(b)負極
負極には、金属リチウム、リチウム合金など、また、リチウムイオンを吸蔵および脱離できる負極活物質に結着剤を混合し、適当な溶剤を加えてペースト状にした負極合材を、銅などの金属箔集電体の表面に塗布、乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して、形成したものを使用する。
このとき、負極活物質として、たとえば、天然黒鉛、人造黒鉛、フェノール樹脂などの有機化合物焼成体、コークスなどの炭素物質の粉状体を用いることができる。この場合、負極結着剤としては、正極と同様に、ポリフッ化ビニリデンなどの含フッ素樹脂などを、これら負極活物質および結着剤を分散させる溶剤としてはN−メチル−2−ピロリドンなどの有機溶剤を用いることができる。
(B) Negative electrode For the negative electrode, metallic lithium, lithium alloy, or the like, and a negative electrode mixture made by mixing a binder with a negative electrode active material capable of inserting and extracting lithium ions and adding a suitable solvent to form a paste. , And applied to the surface of a current collector of a metal foil such as copper, dried, and compressed to increase the electrode density as necessary.
At this time, as the negative electrode active material, for example, a fired organic compound such as natural graphite, artificial graphite, or a phenol resin, or a powdery carbon material such as coke can be used. In this case, the negative electrode binder is a fluorine-containing resin such as polyvinylidene fluoride as in the positive electrode, and the negative electrode active material and the binder are organic solvents such as N-methyl-2-pyrrolidone. A solvent can be used.
(c)セパレータ
正極と負極の間にはセパレータを挟み装填する。セパレータは、正極と負極とを分離し電解質を保持するものであり、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの薄い微多孔膜を用いることができる。
(C) Separator A separator is sandwiched and loaded between the positive electrode and the negative electrode. The separator separates the positive electrode and the negative electrode and retains the electrolyte, and a thin microporous film such as polyethylene or polypropylene can be used.
(d)非水電解質
非水電解質は、支持塩としてのリチウム塩を有機溶媒に溶解したものである。有機溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、トリフルオロプロピレンカーボネートなどの環状カーボネート、また、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジプロピルカーボネートなどの鎖状カーボネート、さらに、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジメトキシエタンなどのエーテル化合物、エチルメチルスルホン、ブタンスルトンなどの硫黄化合物、リン酸トリエチル、リン酸トリオクチルなどのリン化合物などから選ばれる1種を単独で、あるいは2種以上を混合して用いることができる。支持塩としては、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiASF6、LiN(CF3SO2)2など、およびそれらの複合塩を用いることができる。さらに、非水電解質は、ラジカル補足剤、界面活性剤や難燃剤などを含んでいてもよい。
(D) Nonaqueous electrolyte The nonaqueous electrolyte is obtained by dissolving a lithium salt as a supporting salt in an organic solvent. Examples of the organic solvent include cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, and trifluoropropylene carbonate, chain carbonates such as diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, and dipropyl carbonate, and tetrahydrofuran, 2- One kind selected from ether compounds such as methyltetrahydrofuran and dimethoxyethane, sulfur compounds such as ethylmethylsulfone and butanesultone, and phosphorus compounds such as triethyl phosphate and trioctyl phosphate are used alone or in admixture of two or more. be able to. As the supporting salt, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiASF 6 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , and complex salts thereof can be used. Further, the non-aqueous electrolyte may contain a radical scavenger, a surfactant, a flame retardant, and the like.
本発明のリチウム二次電池は、以上のように構成されるが、その形状は円筒型、積層型など、種々のものとすることができる。いずれの形状を採る場合であっても、正極および負極を、セパレータを介して積層させて電極体とし、正極集電体および負極集電体から外部に通ずる正極端子および負極端子までの間を、集電用リードなどを用いて接続し、この電極体に上記の非水電解質を含浸させ、電池ケースに密閉して電池を完成させる。
本発明のリチウム二次電池においては、上記のリチウムシリケート化合物を含む正極活物質を正極材料として用いた正極を備えており、2.0〜4.5Vの電位で充放電を行うことで、従来のリチウム金属複合酸化物よりも安全性がきわめて高く、さらに高容量を兼ね備えたリチウム二次電池を工業的に実現できる。
The lithium secondary battery of the present invention is configured as described above, and the shape thereof can be various, such as a cylindrical type and a stacked type. Even if any shape is adopted, the positive electrode and the negative electrode are laminated via a separator to form an electrode body, and between the positive electrode current collector and the negative electrode current collector to the positive electrode terminal and the negative electrode terminal, A current collecting lead or the like is used for connection, the electrode body is impregnated with the nonaqueous electrolyte, and the battery case is sealed to complete the battery.
In the lithium secondary battery of the present invention, a positive electrode using the positive electrode active material containing the lithium silicate compound as a positive electrode material is provided, and charging / discharging is performed at a potential of 2.0 to 4.5 V. Therefore, it is possible to industrially realize a lithium secondary battery that is extremely safer than the lithium metal composite oxide and that has a higher capacity.
以下、本発明を実施例及び比較例により更に具体的に説明するが、本発明は実施例によってのみ限定されるものではない。なお、得られたリチウムシリケート化合物の物性、これを用いて製造した電池の特性は次の要領で測定した。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example demonstrate this invention further more concretely, this invention is not limited only by an Example. In addition, the physical property of the obtained lithium silicate compound and the characteristic of the battery manufactured using this were measured in the following way.
(1)X線回折:
粉末X線回折装置(PANALYTICAL社製、X‘Pert PROMRD)を用いて、得られた正極活物質について、Cu−Kα線による粉末X線回折で測定した。
(2)カーボン量:
リチウムシリケート化合物の表面に形成されたカーボン量は、LECO社製炭素分析装置(CS−600)を用いて、高周波燃焼赤外吸収法で行った。なお、助燃剤として銅と鉄のチップを用いて正極活物質0.2を高周波炉内で酸素気流中にて燃焼を行い、その際にCO2となった炭素を赤外線のエネルギー量で測定した。
(1) X-ray diffraction:
Using a powder X-ray diffractometer (manufactured by PANALYTICAL, X'Pert PROMRD), the obtained positive electrode active material was measured by powder X-ray diffraction using Cu-Kα rays.
(2) Carbon content:
The amount of carbon formed on the surface of the lithium silicate compound was measured by a high frequency combustion infrared absorption method using a carbon analyzer (CS-600) manufactured by LECO. In addition, the positive electrode active material 0.2 was burned in an oxygen stream in a high-frequency furnace using a copper and iron chip as an auxiliary combustor, and the carbon that became CO 2 at that time was measured by the amount of infrared energy. .
(3)電池評価
得られたリチウムシリケート化合物を10分間乳鉢にて解砕した後、導電助剤としてのアセチレンブラック/ファイバー状グラファイト、バインダとしてのPVDF、および溶媒としてのNMPとを所定比率で混合、分散処理を施すことで電極ペーストを得た。このペーストをドクターブレードにて、狙い目付け2mg/cm2でAl基材上へと塗布し評価用電極を得た。なお、電極合材部は、合成サンプル/導電助剤/バインダ=80/10/10(質量%)の重量比となるよう設計した。
得られた評価用電極の電池特性は、対極としてLi金属、セパレータとしてポリオレフィン微多孔膜、電解液としてLiPF6をEC/EMC/DMCの炭酸エステル系混合溶媒へと溶解させた非水電解液を用いた2032型コインセルにて評価した。
作製された2032型コインセルによる合成粉の評価は以下の通り行った。リチウムシリケート化合物の理論容量から計算される1/20Cレートにて、CC−CV充電(4.5V,3hours or1/200C cut)、CC放電(2.0Vcut)を5サイクル繰り返した際の合成サンプルの容量変化を室温、および60℃で測定した。充放電装置としては、HJ−SM8(北斗電工社製)を用いた。
(3) Battery evaluation After the obtained lithium silicate compound was crushed in a mortar for 10 minutes, acetylene black / fibrous graphite as a conductive additive, PVDF as a binder, and NMP as a solvent were mixed at a predetermined ratio. The electrode paste was obtained by performing a dispersion treatment. This paste was applied onto an Al substrate with a doctor blade with a target weight of 2 mg / cm 2 to obtain an evaluation electrode. The electrode mixture part was designed to have a weight ratio of synthetic sample / conductive aid / binder = 80/10/10 (mass%).
The battery characteristics of the obtained electrode for evaluation are as follows: Li metal as a counter electrode, polyolefin microporous membrane as a separator, and a non-aqueous electrolyte solution in which LiPF 6 is dissolved in an EC / EMC / DMC carbonate mixed solvent as an electrolyte solution. Evaluation was performed using the 2032 type coin cell used.
Evaluation of the synthetic powder by the produced 2032 type coin cell was performed as follows. Sample of synthetic sample when CC-CV charge (4.5V, 3hours or 1 / 200C cut) and CC discharge (2.0Vcut) are repeated 5 cycles at 1 / 20C rate calculated from the theoretical capacity of lithium silicate compound The change in capacity was measured at room temperature and 60 ° C. As the charge / discharge device, HJ-SM8 (manufactured by Hokuto Denko) was used.
(実施例1)
まず、水溶性珪素プロピレングリコール修飾シラン(PGMS)を次のように作製した。テトラエトキシシラン:TEOS(関東化学株式会社製)とプロピレングリコール(関東化学株式会社製99%)をそれぞれ22.4ml、29.3ml秤量し、80℃で1時間混合した。更に混合液に塩酸を100μl加えて室温で1時間攪拌した。この攪拌液に蒸留水を常温に戻し、100mlのメスフラスコで希釈して1Mの水溶性珪素を作製した。
次に、この水溶性珪素15ml、2M酢酸リチウム(和光純薬工業株式会社、特級)水溶液15ml及び1M酢酸マンガン(和光純薬工業株式会社、特級)水溶液13.5ml、硝酸アルミニウム九水和物(関東化学株式会社製、特級)1.5mmol、塩酸(関東化学株式会社、特級)160μlを混合し室温で30分間攪拌した。
その後、得られた水溶液を−30℃にて凍結し、減圧しながら凍結乾燥を行った。得られた乾燥ゲルに対して700℃で窒素ガス雰囲気下において5時間焼成を行った。粉末の一次粒子径は平均500nmであった。焼成後の粉末のXRD測定結果を図1に示す。また、CuKα線を用いた条件で測定される粉末XRD測定パターンの最大強度ピークが回折角2θ=32.9度であった。
これによりLi2MnSiO4組成を構成する金属元素の一部がAl元素で置換した構造を有し、空間群Pmn21であるLi2MnSiO4と同等の結晶構造であるリチウムシリケート化合物の微粒子が得られていることが確認できた。また、カーボン量を測定すると1.0質量%のカーボンが含有されていた。さらに、前記の方法で電池を構成し、特性を評価した。これら導電率などの測定結果を表1に示す。
Example 1
First, water-soluble silicon propylene glycol modified silane (PGMS) was produced as follows. Tetraethoxysilane: TEOS (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) and propylene glycol (99% manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) were weighed 22.4 ml and 29.3 ml, respectively, and mixed at 80 ° C. for 1 hour. Further, 100 μl of hydrochloric acid was added to the mixed solution and stirred at room temperature for 1 hour. Distilled water was returned to room temperature in this stirring liquid, and diluted with a 100 ml volumetric flask to prepare 1M water-soluble silicon.
Next, 15 ml of this water-soluble silicon, 15 ml of 2M lithium acetate (Wako Pure Chemical Industries, Ltd., special grade) aqueous solution, 13.5 ml of 1M manganese acetate (Wako Pure Chemical Industries, Ltd., special grade) aqueous solution, aluminum nitrate nonahydrate ( Kanto Chemical Co., Ltd., special grade) 1.5 mmol and hydrochloric acid (Kanto Chemical Co., Ltd., special grade) 160 μl were mixed and stirred at room temperature for 30 minutes.
Thereafter, the obtained aqueous solution was frozen at −30 ° C. and freeze-dried while reducing the pressure. The obtained dried gel was baked at 700 ° C. in a nitrogen gas atmosphere for 5 hours. The primary particle diameter of the powder was an average of 500 nm. The XRD measurement result of the powder after baking is shown in FIG. Moreover, the maximum intensity peak of the powder XRD measurement pattern measured under the conditions using CuKα rays was a diffraction angle 2θ = 32.9 degrees.
As a result, fine particles of a lithium silicate compound having a structure in which a part of a metal element constituting the Li 2 MnSiO 4 composition is substituted with an Al element and having a crystal structure equivalent to Li 2 MnSiO 4 which is the space group Pmn21 are obtained. It was confirmed that Moreover, 1.0 mass% carbon was contained when the amount of carbon was measured. Further, the battery was constructed by the above-described method, and the characteristics were evaluated. Table 1 shows the measurement results such as conductivity.
(比較例1)
実施例1で用いた、1M酢酸マンガン(和光純薬工業株式会社、特級)水溶液13.5ml、硝酸アルミニウム九水和物(関東化学株式会社製、特級)1.5mmolに代えて、1M酢酸マンガン(和光純薬工業株式会社、特級)水溶液15mlを用い、硝酸アルミニウム九水和物を用いなかった以外、実施例1と同様の方法でサンプルを作製した。XRD測定結果および電池評価結果とを表1に示す。
(Comparative Example 1)
In place of 13.5 ml of 1M manganese acetate (Wako Pure Chemical Industries, Ltd., special grade) aqueous solution and 1.5 mmol of aluminum nitrate nonahydrate (special grade, manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) used in Example 1, 1M manganese acetate (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) A sample was prepared in the same manner as in Example 1 except that 15 ml of an aqueous solution was used and aluminum nitrate nonahydrate was not used. Table 1 shows the XRD measurement results and the battery evaluation results.
(実施例2)
実施例1で用いた、1M酢酸マンガン(和光純薬工業株式会社、特級)水溶液13.5mlを1M酢酸マンガン(和光純薬工業株式会社、特級)水溶液12ml、0.5Mクエン酸鉄(関東化学株式会社、1級)水溶液1.5mlに変え、また、塩酸(関東化学株式会社、特級)160μlを1Mクエン酸((和光純薬工業株式会社、特級)水溶液15mlに変えた以外は実施例1と同様にしてサンプルを作製した。XRD測定結果および電池評価結果とを表2に示す。
(Example 2)
13.5 ml of 1M manganese acetate (Wako Pure Chemical Industries, Ltd., special grade) aqueous solution used in Example 1 was added to 12 ml of 1M manganese acetate (Wako Pure Chemical Industries, Ltd., special grade) aqueous solution, 0.5M iron citrate (Kanto Chemical). Example 1 except that 160 ml of hydrochloric acid (Kanto Chemical Co., Ltd., special grade) was changed to 15 ml of 1 M citric acid ((Wako Pure Chemical Industries, Ltd., special grade) aqueous solution. Samples were prepared in the same manner as in Table 2. Table 2 shows XRD measurement results and battery evaluation results.
(比較例2)
実施例1と同様の方法で、硝酸アルミニウム九水和物(関東化学株式会社製、特級)1.5mmolを0.5Mクエン酸鉄(関東化学株式会社、1級)水溶液3.0mlに変更してサンプルを作製した。XRD測定結果および電池評価結果とを表2に示す。
(Comparative Example 2)
In the same manner as in Example 1, 1.5 mmol of aluminum nitrate nonahydrate (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd., special grade) was changed to 3.0 ml of 0.5 M iron citrate (Kanto Chemical Co., Ltd., first grade) aqueous solution. A sample was prepared. Table 2 shows the XRD measurement results and the battery evaluation results.
「評価」
上記結果を示す表1から、実施例1,2では本発明により、少なくともMn塩、Al塩とLi塩を含む水溶液に、Si源を特定の金属元素比率となるように混合し、乾燥後、その固化物を焼成することで、特定の結晶構造を有するリチウムシリケート化合物が得られている。これにより、リチウムイオン電池の正極活物質として使用すると、室温容量だけでなく高温容量も向上できることが分かる。
これに対して、比較例1、2では、金属成分としてAl塩を用いなかったので、電池として十分な特性が得られなかった。
"Evaluation"
From Table 1 showing the above results, in Examples 1 and 2, according to the present invention, an Si source was mixed with an aqueous solution containing at least Mn salt, Al salt and Li salt so as to have a specific metal element ratio, and after drying, By firing the solidified product, a lithium silicate compound having a specific crystal structure is obtained. Thereby, when it uses as a positive electrode active material of a lithium ion battery, it turns out that not only room temperature capacity but high temperature capacity can be improved.
On the other hand, in Comparative Examples 1 and 2, since an Al salt was not used as a metal component, sufficient characteristics as a battery could not be obtained.
本発明のリチウムシリケート化合物は、リチウムイオン電池の正極活物質として用いることができ、リチウムイオン電池は、携帯電話、ノート型パソコン、その他IT機器などの小型電池だけでなく、ハイブリッド自動車(HEV)用、プラグインハイブリッド自動車(PHEV)、電気自動車(EV)用、電力平準化用、電力貯蔵用などの産業用の大型電池としても利用でき、その工業的価値は極めて大きい。 The lithium silicate compound of the present invention can be used as a positive electrode active material of a lithium ion battery. The lithium ion battery is not only used for small batteries such as mobile phones, notebook computers, and other IT devices, but also for hybrid vehicles (HEV). It can also be used as a large battery for industrial use such as plug-in hybrid vehicles (PHEV), electric vehicles (EV), power leveling, and power storage, and its industrial value is extremely high.
Claims (7)
Mn塩とLi塩とを含む水溶液、及びAl塩を含む水溶液に、Si源の溶液を、Li:Mn:Si:Al=2:y:1:1−y(0.9≦y<1)のモル比となるように混合し、乾燥後、不活性雰囲気または還元雰囲気で焼成する事により得られる複合酸化物を主成分とする前記リチウムシリケート化合物を得ることを含む、リチウムシリケート化合物の製造方法。 A method for producing a lithium silicate compound according to claim 1 or 2,
An aqueous solution containing an Mn salt and an Li salt, and an aqueous solution containing an Al salt, an Si source solution, Li: Mn: Si: Al = 2: y: 1: 1-y (0.9 ≦ y <1) A method for producing a lithium silicate compound, comprising obtaining the lithium silicate compound having a composite oxide as a main component obtained by mixing, drying, and firing in an inert atmosphere or a reducing atmosphere. .
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