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JP6120263B2 - Manufacturing method of fiber cathode for lithium secondary battery using electrolytic deposition method - Google Patents
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Manufacturing method of fiber cathode for lithium secondary battery using electrolytic deposition method Download PDF

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Description

本発明は、カーボンファイバー表面にLi-Mn複合酸化物を含有する正極活物質を形成させたリチウム二次電池用ファイバー正極の製造方法に関する The present invention relates to a method for producing a fiber cathode for a lithium secondary battery in which a cathode active material containing a Li-Mn composite oxide is formed on a carbon fiber surface .

近年、ノートパソコン、携帯電話又は携帯情報端末(PDA)のような携帯電子機器の普及に伴い、これらの機器をより軽量化し、かつ、長時間の使用を可能とするため、電源として使用される二次電池の小型化及び高エネルギー密度化が要求されている。二次電池としては、従来、ニッケル−カドミウム電池、ニッケル−水素電池などが主流であったが、小型化及び高エネルギー密度化の要請から、リチウム二次電池の使用が増大する傾向にある。   In recent years, with the spread of portable electronic devices such as notebook computers, mobile phones or personal digital assistants (PDAs), these devices are used as a power source in order to reduce their weight and enable long-term use. There is a demand for miniaturization and high energy density of secondary batteries. Conventionally, nickel-cadmium batteries, nickel-hydrogen batteries, and the like have been mainstream as secondary batteries, but use of lithium secondary batteries tends to increase due to demands for miniaturization and high energy density.

現在のリチウム二次電池は、正極活物質としてコバルト酸リチウム、負極としてカーボン電極、電解質としてプロピレンカーボネートのような有機溶媒にリチウムイオンを溶解させた非水電解液が一般的に使用されている。   Current lithium secondary batteries generally use a non-aqueous electrolyte solution in which lithium ions are dissolved in an organic solvent such as lithium cobaltate as a positive electrode active material, a carbon electrode as a negative electrode, and propylene carbonate as an electrolyte.

リチウム二次電池用の正極活物質であるコバルト酸リチウム(LiCoO2)の一般的な製造方法としては、出発材料として炭酸リチウム(Li2CO3)と水酸化コバルト(Co(OH)2)とを用い、高温で焼成する方法が広く知られている。しかし、この製造方法では、700〜900℃という高温で材料を加熱する必要があり、製造コストが高い。また、コバルトの可採埋蔵量は推定840万トンと少なく、将来コバルトの価格が上昇する可能性があり、LiCoO2の代替材料が求められている。 As a general manufacturing method of lithium cobaltate (LiCoO 2 ), which is a positive electrode active material for lithium secondary batteries, lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) and cobalt hydroxide (Co (OH) 2 ) are used as starting materials. A method of firing at a high temperature using a bismuth is widely known. However, in this manufacturing method, it is necessary to heat the material at a high temperature of 700 to 900 ° C., and the manufacturing cost is high. Cobalt reserves are estimated to be as low as 8.4 million tons, and the price of cobalt may rise in the future, and alternative materials for LiCoO 2 are required.

そこで、LiCoO2より比較的安価であり、環境的観点においても優れたリチウムマンガン酸化物(Li-Mn複合酸化物)が注目されるようになっている。例えば、スピネル型マンガン酸リチウム(LiMn2O4)又は斜方晶型マンガン酸リチウム(LiMnO2)のようなLi-Mn複合酸化物は、次世代の正極活物質として盛んに研究開発が行われている。 Therefore, lithium manganese oxide (Li-Mn composite oxide), which is relatively cheaper than LiCoO 2 and is excellent from an environmental point of view, has attracted attention. For example, Li-Mn composite oxides such as spinel type lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) or orthorhombic type lithium manganate (LiMnO 2 ) have been actively researched and developed as next-generation cathode active materials. ing.

なお、従来の製造方法では、Li-Mn複合酸化物は、いずれも粉末状態で得られるため、正極を作製するためには、導電材及び結着剤を添加して正極活物質スラリーを調製し、これをアルミニウム箔のような集電体にドクターブレードのような器具を用いて塗布し、乾燥させる必要がある。   In the conventional manufacturing method, since Li-Mn composite oxides are all obtained in a powder state, in order to produce a positive electrode, a positive electrode active material slurry is prepared by adding a conductive material and a binder. This must be applied to a current collector such as an aluminum foil using an instrument such as a doctor blade and dried.

しかし、電気自動車、電車又は航空機のような重産業用の駆動源用途に使用される場合、極めて高い電流密度の充放電が要求される。このような用途に使用される二次電池においては、正極の表面積を増大させ、正極活物質層を極力薄くすることが望ましい。   However, when used in a drive source application for heavy industry such as an electric vehicle, a train, or an aircraft, charging and discharging with a very high current density is required. In secondary batteries used for such applications, it is desirable to increase the surface area of the positive electrode and make the positive electrode active material layer as thin as possible.

そこで、電子の移動経路として、電子伝導性を有するファイバー状物質を集電体とし、その表面に活物質層を形成させたファイバー電極を正極として使用すれば、従来の電極と比較して大きな表面積の電極となり、活物質層の集電性も向上する。   Therefore, if a fiber electrode having electron conductivity is used as a current collector and a fiber electrode having an active material layer formed on the surface is used as a positive electrode as an electron transfer path, the surface area is larger than that of a conventional electrode. Thus, the current collecting property of the active material layer is also improved.

ファイバー電極は、細いファイバー状物質の表面を、薄く均一な活物質層でコーティングすることによって作製される。一本のファイバー電極の直径は、大きくても100μm程度であり、従来の板状電極と比較してかなり薄い電極を作製し得るため、二次電池の充放電速度を飛躍的に向上させることが可能となる。直径数μm程度のファイバー電極の複数本を平行に敷き詰めてシート状電極を構成させる場合、金属箔表面に活物質層を形成する場合よりも、二次電池を高密度化することが可能であり、二次電池の単位体積あたりの電池容量を増大させ得る。   The fiber electrode is produced by coating the surface of a thin fibrous material with a thin and uniform active material layer. The diameter of a single fiber electrode is about 100 μm at most, and it is possible to produce a considerably thin electrode compared to a conventional plate electrode, so that the charge / discharge rate of a secondary battery can be dramatically improved. It becomes possible. When a plurality of fiber electrodes having a diameter of several μm are laid in parallel to form a sheet-like electrode, it is possible to increase the density of the secondary battery compared to the case where an active material layer is formed on the surface of the metal foil. The battery capacity per unit volume of the secondary battery can be increased.

そこで、特許文献1に開示されているように、電子の移動通路として、電子伝導性を有する繊維状物質を集電体とし、その表面に薄い電池活物質層をつけたファイバー電極を使用することによって、粉体の粒子の一つ一つを集電した状態に近づけることができ、従来よりも大きな表面積の電極を作製することができる。   Therefore, as disclosed in Patent Document 1, a fiber electrode having an electron conductive fibrous material as a current collector and a thin battery active material layer on its surface is used as an electron movement path. As a result, each of the powder particles can be brought close to the collected state, and an electrode having a larger surface area than the conventional one can be produced.

しかし、ファイバー電極の量産を考えると、直径数μm程度のファイバーから一本ずつ電極を作製するのでは効率が悪いため、作製する電池の大きさ及び用途にもよるが、効率的にファイバー電池を作製するためには数百〜数万本ものファイバーを同時に電極化することが必要である。特許文献2は、カーボンファイバー上に金属酸化物又は遷移金属酸化物からなる皮膜を円環状に形成させた後、リチウムイオンを含有する溶液を用い、密閉系内において100〜250℃で水熱処理することにより、Li-Mn複合酸化物の正極活物質皮膜を形成したリチウム二次電池用ファイバー正極の製造方法を開示している。特許文献2においては、カーボンファイバーを作用極とし、白金箔を対極とし、硝酸マンガン水溶液を電解析出浴としてカーボンファイバー表面にMn3O4を電解析出させ、水酸化リチウム水溶液を用いて水熱処理することにより、LiMnO2又はLiMn2O4のようなLi-Mn複合酸化物の正極活物質皮膜で表面が覆われたリチウム二次電池用ファイバー正極が製造されている。 However, considering the mass production of fiber electrodes, it is not efficient to fabricate the electrodes one by one from a fiber with a diameter of about several μm. Therefore, depending on the size and application of the battery to be produced, In order to produce it, it is necessary to simultaneously convert hundreds to tens of thousands of fibers into electrodes. In Patent Document 2, a film made of a metal oxide or a transition metal oxide is formed in an annular shape on a carbon fiber, and then hydrothermally treated at 100 to 250 ° C. in a closed system using a solution containing lithium ions. Thus, a manufacturing method of a fiber positive electrode for a lithium secondary battery in which a positive electrode active material film of a Li-Mn composite oxide is formed is disclosed. In Patent Document 2, carbon fiber is used as a working electrode, platinum foil is used as a counter electrode, manganese nitrate aqueous solution is used as an electrolytic deposition bath, Mn 3 O 4 is electrolytically deposited on the surface of carbon fiber, and water is added using a lithium hydroxide aqueous solution. A fiber positive electrode for a lithium secondary battery whose surface is covered with a positive electrode active material film of a Li-Mn composite oxide such as LiMnO 2 or LiMn 2 O 4 by heat treatment has been produced.

一方、マンガン酸化物を電解析出法によって製造する方法も知られている。特許文献3は、カーボンファイバーを硫酸マンガン水溶液(電解液)中に浸漬して電解することにより、電解二酸化マンガンを製造する方法を開示している。   On the other hand, a method for producing manganese oxide by electrolytic deposition is also known. Patent Document 3 discloses a method for producing electrolytic manganese dioxide by immersing carbon fiber in a manganese sulfate aqueous solution (electrolytic solution) and performing electrolysis.

特開2003−317794号公報JP 2003-317794 A 国際公開第2010/089991号パンフレットInternational Publication No. 2010/089991 Pamphlet 特開平2−213487号公報JP-A-2-213487

カーボンファイバー表面に正極活物質皮膜を形成させる方法として、特許文献2に開示されている電解析出法及びリチウムイオン含有水溶液を用いた水熱処理を利用する方法は、正極活物質及び結着剤を混合したスラリーをカーボンファイバーに塗布する方法と比較して、薄く均一な正極活物質層を形成できる利点を有し、ハイレート特性の向上を期待し得る。   As a method for forming a positive electrode active material film on the surface of carbon fiber, a method using an electrolytic deposition method disclosed in Patent Document 2 and a hydrothermal treatment using a lithium ion-containing aqueous solution includes a positive electrode active material and a binder. Compared with the method of applying the mixed slurry to the carbon fiber, it has an advantage that a thin and uniform positive electrode active material layer can be formed, and an improvement in high rate characteristics can be expected.

しかし、特許文献2に開示されている二次電池用ファイバー正極の製造方法においては、カーボンファイバー表面に正極活物質であるLiMnO2又はLiMn2O4の皮膜を形成させることができるが、Li2MnO3の皮膜を形成させることはできておらず、正極活物質皮膜の形成方法について改善の余地があった。 However, in the method of manufacturing a secondary battery for fiber cathode disclosed in Patent Document 2, although it is possible to form a film of LiMnO 2 or LiMn 2 O 4 as a positive electrode active material on the carbon fiber surface, Li 2 A film of MnO 3 could not be formed, and there was room for improvement in the method of forming the positive electrode active material film.

また、本発明者等が試験した結果、試薬として販売されているMn3O4を、リチウムイオン含有水溶液を用いて水熱処理することによってMn3O4を正極活物質であるLiMnO2に変化させる場合、充放電反応に寄与しないMn(OH)2が残存することが確認された。 Further, as a result of testing by the present inventors, Mn 3 O 4 sold as a reagent is hydrothermally treated with a lithium ion-containing aqueous solution to change Mn 3 O 4 to LiMnO 2 that is a positive electrode active material. In this case, it was confirmed that Mn (OH) 2 that does not contribute to the charge / discharge reaction remains.

さらに、本発明者等が試験した結果、試薬として販売されているMnO2を、リチウムイオン含有水溶液を用いて水熱処理することによっては、MnO2を正極活物質であるLiMnO2に変化させることができないことも確認された。 Furthermore, as a result of the present inventors, it was tested, the MnO 2 sold as a reagent, the by hydrothermal treatment using a lithium ion-containing aqueous solution, is possible to change the MnO 2 in LiMnO 2 as a positive electrode active material It was also confirmed that it was not possible.

発明は、電解析出法を利用した、Li2MnO3を正極活物質とするリチウム二次電池用ファイバー正極の製造方法の提供を目的とする。 The present invention, utilizing the electrolytic deposition, and an object thereof is to provide a lithium secondary battery fiber cathode manufacturing how to make Li 2 MnO 3 as a positive electrode active material.

さらに本発明は、電解析出法を利用した、Li2MnO3及びLiMnO2を正極活物質とするリチウム二次電池用ファイバー正極の製造方法の提供を目的とする。 The present invention aims to utilize the electrolytic deposition, the provision of Li 2 MnO 3 and LiMnO 2 production how fiber cathode for a lithium secondary battery positive electrode active material.

本発明者等は、鋭意検討を重ねた結果、硝酸マンガン水溶液を電解析出浴として用い、カーボンファイバー表面にMn3O4を電解析出させた後、水熱処理工程において、Mn3O4に対してモル数で40倍以上の大過剰量のLiOHを含有する電解析出浴を使用することにより、Mn酸化物に効率よくリチウムドープすることが可能となり、Mn3O4をLi2MnO3へと変成させることができることを見出し、本発明を完成させるに至った。 The present inventors, as a result of intensive studies, using a manganese nitrate solution as electrolytic deposition bath, after the Mn 3 O 4 was electrolytically deposited on the carbon fiber surfaces, in the hydrothermal treatment step, the Mn 3 O 4 On the other hand, by using an electrolytic deposition bath containing a large excess of LiOH 40 times or more in moles, it becomes possible to efficiently dope lithium into Mn oxide, and Mn 3 O 4 can be converted to Li 2 MnO 3. As a result, the present invention has been completed.

具体的に、本発明は、
電解析出浴としてMn(NO3)2水溶液を用い、カーボンファイバーを作用極とし、カーボンファイバー表面にMn3O4を電解析出させる電解析出工程と、
Mn3O4を電解析出させたカーボンファイバーを、酸化剤を添加されたLiOH水溶液中で水熱処理し、Mn3O4をLi2MnO3へと変化させる水熱処理工程と、
を有し、
前記水熱処理工程におけるMn3O4量に対するLiOH量が、モル数で40倍以上である、リチウム二次電池用ファイバー正極の製造方法に関する。
Specifically, the present invention
An electrolytic deposition process in which Mn (NO 3 ) 2 aqueous solution is used as an electrolytic deposition bath, carbon fiber is used as a working electrode, and Mn 3 O 4 is electrolytically deposited on the carbon fiber surface;
Hydrothermal treatment of the carbon fiber electrodeposited with Mn 3 O 4 in a LiOH aqueous solution to which an oxidizing agent is added, and a hydrothermal treatment step of changing Mn 3 O 4 to Li 2 MnO 3 ,
Have
The present invention relates to a method for producing a fiber positive electrode for a lithium secondary battery, wherein the amount of LiOH relative to the amount of Mn 3 O 4 in the hydrothermal treatment step is 40 times or more by mole.

電解析出浴としてMn(NO3)2水溶液を用い、カーボンファイバーを作用極として電解析出を行うことにより、カーボンファイバー表面にMn3O4を電解析出させる。また、特許文献2では、水熱処理工程におけるMn3O4量に対するLiOH量は、モル数で3.5倍以下であるが、本発明では40倍以上の大過剰量のLiOHを用いて水熱処理を行うことにより、Mn3O4をLi2MnO3へと変成させることが可能である。 An Mn (NO 3 ) 2 aqueous solution is used as the electrolytic deposition bath, and electrolytic deposition is performed using the carbon fiber as a working electrode, whereby Mn 3 O 4 is electrolytically deposited on the surface of the carbon fiber. In Patent Document 2, the amount of LiOH relative to the amount of Mn 3 O 4 in the hydrothermal treatment step is 3.5 times or less in terms of moles. In the present invention, hydrothermal treatment is performed using a large excess of LiOH that is 40 times or more. Thus, it is possible to transform Mn 3 O 4 into Li 2 MnO 3 .

電解析出時に使用する対極は、対極としての機能を有する材質であれば特に限定されない。好適な対極の具体例は、炭素紙(カーボンぺーパー)、カーボンファイバー(例えば、フィラメント状、織布又は不織布状)、カーボンマット、炭素板のような炭素材料である。   The counter electrode used at the time of electrolytic deposition is not particularly limited as long as the material has a function as a counter electrode. Specific examples of suitable counter electrodes are carbon materials such as carbon paper (carbon paper), carbon fibers (for example, filamentous, woven or non-woven fabric), carbon mat, and carbon plate.

電解析出浴であるMn(NO3)2水溶液に酸化剤を添加することにより、Mn3O4をすべてLi2MnO3へと酸化することが可能となるため、正極活物質皮膜におけるLi2MnO3含有量を増加させ得る。 By adding an oxidizing agent to the Mn (NO 3 ) 2 aqueous solution that is an electrolytic deposition bath, it becomes possible to oxidize all of Mn 3 O 4 to Li 2 MnO 3 , so that Li 2 in the positive electrode active material film The MnO 3 content can be increased.

酸化剤は、H2O2であることが好ましい。Mn3O4量に対するモル数で等量以上とすることが好ましい。 The oxidizing agent is preferably H 2 O 2 . The number of moles relative to the amount of Mn 3 O 4 is preferably equal to or greater than the equivalent amount.

また本発明は、
電解析出浴としてMnSO4水溶液を用い、カーボンファイバーを作用極とし、カーボンファイバー表面にMnO2を電解析出させる電解析出工程と、
MnO2を電解析出させたカーボンファイバーをLiOH水溶液中で水熱処理し、MnO2をLi2MnO3及びLiMnO2へと変化させる水熱処理工程と、
を有し、
前記水熱処理工程におけるMnO2量に対するLiOH量が、モル数で40倍以上である、リチウム二次電池用ファイバー正極の製造方法に関する。
The present invention also provides
An electrolytic deposition process in which MnSO 4 aqueous solution is used as an electrolytic deposition bath, carbon fiber is used as a working electrode, and MnO 2 is electrolytically deposited on the carbon fiber surface;
Hydrothermal treatment of the carbon fiber electrodeposited with MnO 2 in a LiOH aqueous solution, and hydrothermal treatment step of changing MnO 2 into Li 2 MnO 3 and LiMnO 2 ,
Have
The present invention relates to a method for producing a fiber positive electrode for a lithium secondary battery, wherein an amount of LiOH with respect to the amount of MnO 2 in the hydrothermal treatment step is 40 times or more by mole.

本発明によれば、Li2MnO3を正極活物質とするリチウム二次電池用ファイバー正極を安定して製造することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to stably manufacture a fiber positive electrode for a lithium secondary battery using Li 2 MnO 3 as a positive electrode active material.

また、カーボンファイバー集電体に直接活物質層を形成しているファイバー正極を製造できるため、従来のように活物質を製造し、これを電極化するといった工程が必要ない。すなわち、活物質の製造と同時にファイバー正極を製造することができる。   In addition, since a fiber cathode in which an active material layer is directly formed on a carbon fiber current collector can be manufactured, there is no need for a process of manufacturing an active material and converting it into an electrode as in the prior art. That is, the fiber cathode can be manufactured simultaneously with the manufacture of the active material.

よって、本発明で得られるファイバー正極には、基本的に、導電助剤又はバインダを活物質皮膜に添加する必要がなく、製造工程においても活物質のスラリー化及び圧延工程が不要である。   Therefore, in the fiber positive electrode obtained by the present invention, it is basically unnecessary to add a conductive additive or a binder to the active material film, and the slurrying and rolling steps of the active material are not required in the manufacturing process.

そのため、本発明によれば、低コストで、容易にリチウム二次電池用ファイバー正極の量産化が可能である。加えて、本発明のリチウム二次電池用ファイバー正極は、正極活物質にリチウム元素が含有されているため、予めリチウムドープする必要もない。すなわち、製造工程及び電池の安全性を向上させることができる。   Therefore, according to the present invention, mass production of the fiber positive electrode for a lithium secondary battery can be easily performed at low cost. In addition, the fiber positive electrode for a lithium secondary battery of the present invention does not require lithium doping in advance because the positive electrode active material contains lithium element. That is, the manufacturing process and the safety of the battery can be improved.

加えて、カーボンファイバー集電体が細い円柱状の導電性ファイバーであるため、カーボンファイバー上に活物質皮膜が形成された状態では、活物質皮膜は閉じた円環を形成している。このため、充放電に伴う体積変化が抑制され、膨張と収縮を繰り返した場合でも、板状電極と比べて、活物質層の剥離と脱落が起こりにくい。さらに、カーボンファイバーを束にすることにより、カーボンファイバー同士が互いに圧着され、活物質皮膜の脱落防止にさらに効果的で、長寿命かつ電極特性に優れるファイバー正極となる。   In addition, since the carbon fiber current collector is a thin cylindrical conductive fiber, the active material film forms a closed ring when the active material film is formed on the carbon fiber. For this reason, the volume change accompanying charging / discharging is suppressed, and even when the expansion and contraction are repeated, the active material layer is less likely to be peeled off and dropped compared to the plate electrode. Furthermore, by bundling the carbon fibers, the carbon fibers are pressure-bonded to each other, which is more effective in preventing the active material film from falling off, and becomes a fiber positive electrode having a long life and excellent electrode characteristics.

電解析出工程を説明する概念図を示す。The conceptual diagram explaining an electrolytic deposition process is shown. 実施例1に関するX線回折結果を表わすグラフであり、(a)はファイバー正極前駆体、(b)はファイバー正極のXRDパターンを示す。It is a graph showing the X-ray-diffraction result regarding Example 1, (a) is a fiber positive electrode precursor, (b) shows the XRD pattern of a fiber positive electrode. 実施例1に関するファイバー正極の電子顕微鏡写真であり、(a)はファイバー正極前駆体、(b)はファイバー正極を示す。It is an electron micrograph of the fiber positive electrode regarding Example 1, (a) shows a fiber positive electrode precursor, (b) shows a fiber positive electrode. 定電流電圧4.3V〜3.2Vにおける実施例1のリチウム二次電池の充放電曲線を示す。The charging / discharging curve of the lithium secondary battery of Example 1 in the constant current voltage 4.3V-3.2V is shown. 実施例2に関するX線回折結果を表わすグラフであり、(a)はファイバー正極前駆体、(b)はファイバー正極のXRDパターンを示す。It is a graph showing the X-ray-diffraction result regarding Example 2, (a) is a fiber positive electrode precursor, (b) shows the XRD pattern of a fiber positive electrode. X線回折結果を表わすグラフであり、(a)は試薬であるMn3O4、(b)は試薬であるMn3O4を水熱処理した後に得られた粉末のXRDパターンを示す。Is a graph showing the X-ray diffraction results indicate a (a) Mn 3 is a reagent O 4, (b) the XRD pattern of the powder thus obtained Mn 3 O 4 is a reagent after the hydrothermal treatment. 実施例3に関するX線回折結果を表わすグラフであり、(a)はファイバー正極前駆体、(b)はファイバー正極のXRDパターンを示す。It is a graph showing the X-ray-diffraction result regarding Example 3, (a) is a fiber positive electrode precursor, (b) shows the XRD pattern of a fiber positive electrode. 実施例3のファイバー正極の電子顕微鏡写真を示す。The electron micrograph of the fiber positive electrode of Example 3 is shown. 定電流電圧5.0V〜2.0Vにおける実施例3のリチウム二次電池の充放電曲線を示す。The charging / discharging curve of the lithium secondary battery of Example 3 in the constant current voltage 5.0V-2.0V is shown. X線回折結果を表わすグラフであり、(a)は試薬であるMn3O4、(b)は試薬であるMn3O4を水熱処理した後に得られた粉末のXRDパターンを示す。Is a graph showing the X-ray diffraction results indicate a (a) Mn 3 is a reagent O 4, (b) the XRD pattern of the powder thus obtained Mn 3 O 4 is a reagent after the hydrothermal treatment. 実施例3〜6のファイバー正極のXRDパターンを示す。The XRD pattern of the fiber positive electrode of Examples 3-6 is shown. 実施例4のファイバー正極の電子顕微鏡写真を示す。The electron micrograph of the fiber positive electrode of Example 4 is shown. 実施例7に関するX線回折結果を表わすグラフであり、(a)はファイバー正極前駆体、(b)はファイバー正極のXRDパターンを示す。It is a graph showing the X-ray-diffraction result regarding Example 7, (a) shows a fiber positive electrode precursor, (b) shows the XRD pattern of a fiber positive electrode. X線回折結果を表わすグラフであり、(a)は試薬であるMnO2、(b)は試薬であるMnO2を水熱処理した後に得られた粉末のXRDパターンを示す。It is a graph showing the X-ray diffraction results, (a) shows the MnO 2 is a reagent, shows the (b) the XRD pattern of the powder obtained MnO 2 is a reagent after the hydrothermal treatment. 実施例2及び実施例7のファイバー正極前駆体及びファイバー正極の電子顕微鏡写真を示す。The electron micrograph of the fiber positive electrode precursor of Example 2 and Example 7, and a fiber positive electrode is shown.

本発明の実施の形態について、適宜図面を参照しながら説明する。本発明は、以下の記載に限定されない。なお、実施例1,4−6は、本発明に含まれない。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings as appropriate. The present invention is not limited to the following description. Examples 1 and 4-6 are not included in the present invention.

[実施例1/正極活物質としてLiMn2O4皮膜が形成されているリチウム二次電池用ファイバー正極]
(電解析出工程)
市販のカーボンファイバー(東邦テナックス(株)製、ポリアクリロニトリル繊維を2500℃で炭化して得られたカーボンファイバー)12,000本を開繊したカーボンファイバー束を集電体とした。集電体を構成するカーボンファイバーの長さは4cmとした。カーボンファイバーの繊維系は平均5μmであった。
[Example 1 / Fiber positive electrode for a lithium secondary battery in which a LiMn 2 O 4 film is formed as a positive electrode active material]
(Electrolytic deposition process)
A current collector was a carbon fiber bundle obtained by opening 12,000 commercially available carbon fibers (carbon fibers obtained by carbonizing polyacrylonitrile fiber from Toho Tenax Co., Ltd. at 2500 ° C.). The length of the carbon fiber constituting the current collector was 4 cm. The average fiber system of carbon fibers was 5 μm.

図1は、電解析出工程を説明する概念図を示す。電解析出浴としてMn(NO3)2水溶液(0.3 mol/L、pH 4、20℃)60 mLを用い、作用極3に上記カーボンファイバー束を用い、対極4a及び4bにはカーボンペーパー(東レ(株)、EC-CC1-060)を用いて電解析出処理した。電解析出条件は、電流値0.1 Aで電解析出時間20分間とした。電解析出装置として、電気化学測定システムHZ-5000(北斗電工株式会社製)を使用した。 FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating an electrolytic deposition process. As the electrolytic deposition bath, 60 mL of Mn (NO 3 ) 2 aqueous solution (0.3 mol / L, pH 4, 20 ° C.) was used, the above carbon fiber bundle was used for the working electrode 3, and carbon paper (Toray) was used for the counter electrodes 4a and 4b. Electrodeposition treatment using EC-CC1-060). The electrolytic deposition conditions were a current value of 0.1 A and an electrolytic deposition time of 20 minutes. As an electrolytic deposition apparatus, an electrochemical measurement system HZ-5000 (manufactured by Hokuto Denko Corporation) was used.

電解析出処理後のカーボンファイバーを水洗いし、空気雰囲気下、110℃で24時間以上乾燥させ、カーボンファイバー表面にMn3O4皮膜を形成させたファイバー正極前駆体を得た。このファイバー正極前駆体は、リチウム二次電池用正極として機能しない。後述する実施例2から7についても、ファイバー正極前駆体は、リチウム二次電池用正極として機能しない。 The carbon fiber after the electrolytic deposition treatment was washed with water and dried at 110 ° C. for 24 hours or more in an air atmosphere to obtain a fiber positive electrode precursor in which a Mn 3 O 4 film was formed on the carbon fiber surface. This fiber positive electrode precursor does not function as a positive electrode for a lithium secondary battery. Also in Examples 2 to 7 described later, the fiber positive electrode precursor does not function as a positive electrode for a lithium secondary battery.

(水熱処理工程)
次に、カーボンファイバー表面に形成されたMn3O4を1当量として、30当量のLiOH水溶液(LiOHの濃度3 mol/L)中に、ファイバー正極前駆体に浸漬し、110℃で20時間の条件下でオートクレーブを用いて水熱処理を行った。その後、カーボンファイバーを水洗し、150℃で24時間以上減圧乾燥させ、カーボンファイバー表面に正極活物質として、LiMn2O4皮膜を形成させたファイバー正極(リチウム二次電池用ファイバー正極)を得た。
(Hydrothermal process)
Next, 1 equivalent of Mn 3 O 4 formed on the surface of the carbon fiber was immersed in 30 equivalents of LiOH aqueous solution (LiOH concentration 3 mol / L) in the fiber cathode precursor and heated at 110 ° C. for 20 hours. Hydrothermal treatment was performed using an autoclave under the conditions. Thereafter, the carbon fiber was washed with water and dried under reduced pressure at 150 ° C. for 24 hours or more to obtain a fiber positive electrode (fiber positive electrode for a lithium secondary battery) having a LiMn 2 O 4 film formed as a positive electrode active material on the carbon fiber surface. .

<X線回折による結晶構造の解析>
実施例1で作製されたファイバー正極前駆体及びファイバー正極について、X線回折を行った。X線回折は、Cu-Kα線(40 kV、40 mA)を用いて2θ測定範囲:10°〜90°で行った。図2の上側の(a)は実施例1のファイバー正極前駆体、下側の(b)は、実施例1のファイバー正極のXRD回折パターンを示す。
<Analysis of crystal structure by X-ray diffraction>
The fiber positive electrode precursor and fiber positive electrode produced in Example 1 were subjected to X-ray diffraction. X-ray diffraction was performed using Cu-Kα rays (40 kV, 40 mA) in a 2θ measurement range of 10 ° to 90 °. The upper (a) of FIG. 2 shows the XRD diffraction pattern of the fiber positive electrode precursor of Example 1, and the lower (b) of FIG.

リチウムイオンを含有する水溶液中で水熱処理を行うことにより、実施例1のファイバー正極の回折ピークは、ファイバー正極前駆体とは異なる回折ピークを示している。JCPDS(Joint Committee on Powder Diffraction Standards)を用いて検索したところ、(a)の回折パターンがMn3O4に帰属されるパターンに一致することから、ファイバー正極前駆体は、カーボンファイバー表面にMn3O4皮膜が形成されていることが確認された。一方、(b)の回折パターンには、LiMn2O4とMn3O4の両方のピークが認められた。すなわち、ファイバー正極の表面に形成されている皮膜は、わずかにMn3O4が混在するLiMn2O4であることが確認された。 By performing hydrothermal treatment in an aqueous solution containing lithium ions, the diffraction peak of the fiber positive electrode of Example 1 shows a diffraction peak different from that of the fiber positive electrode precursor. When searching using JCPDS (Joint Committee on Powder Diffraction Standards), the diffraction pattern of (a) matches the pattern attributed to Mn 3 O 4 , so that the fiber cathode precursor has Mn 3 on the carbon fiber surface. It was confirmed that an O 4 film was formed. On the other hand, both peaks of LiMn 2 O 4 and Mn 3 O 4 were observed in the diffraction pattern of (b). That is, it was confirmed that the film formed on the surface of the fiber positive electrode was LiMn 2 O 4 slightly mixed with Mn 3 O 4 .

図3は、実施例1のファイバー正極前駆体及びファイバー正極の電子顕微鏡写真であり、(a)はファイバー正極前駆体、(b)はファイバー正極の電子顕微鏡写真を示す。図3(a)のファイバー正極前駆体は、電解析出によってカーボンファイバー表面にフレーク状のMn3O4が形成されていたことが確認された。また、図3(b)のファイバー正極は、フレーク状の粒子が凝集した多孔質な集合体を形成していることが確認された。 3 is an electron micrograph of the fiber positive electrode precursor and the fiber positive electrode of Example 1, (a) shows the fiber positive electrode precursor, and (b) shows an electron micrograph of the fiber positive electrode. In the fiber positive electrode precursor of FIG. 3 (a), it was confirmed that flaky Mn 3 O 4 was formed on the carbon fiber surface by electrolytic deposition. In addition, it was confirmed that the fiber positive electrode in FIG. 3 (b) formed a porous aggregate in which flake-shaped particles were aggregated.

<リチウム二次電池の作製>
実施例1のファイバー正極(活物質皮膜が形成された部分の長さは約20 mm)を約20 mmの幅でAl製リード線に固定した。この正極を2枚のセパレータ(厚み0.44 mm、寸法40 mm×50 mmのガラスフィルター)によって挟み、さらに外側をリチウム金属板(厚み0.5 mm、寸法25 mm×30 mm)で挟んだ。その後、エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)とを体積比1:1で混合した溶媒にLiPF6を1 mol/Lの濃度で溶解させた電解液を用いて、二極式アルミラミネート型リチウム二次電池を作製した。
<Production of lithium secondary battery>
The fiber positive electrode of Example 1 (the length of the part where the active material film was formed was about 20 mm) was fixed to an Al lead wire with a width of about 20 mm. This positive electrode was sandwiched between two separators (thickness 0.44 mm, dimensions 40 mm × 50 mm glass filter), and the outside was sandwiched between lithium metal plates (thickness 0.5 mm, dimensions 25 mm × 30 mm). Thereafter, a bipolar aluminum laminate type using an electrolytic solution in which LiPF 6 is dissolved at a concentration of 1 mol / L in a solvent in which ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) are mixed at a volume ratio of 1: 1. A lithium secondary battery was produced.

図4は、カットオフ電圧4.3〜3.2 Vにおけるリチウム二次電池の充放電曲線を示す。0.1C放電において、80 mAh g-1の放電容量を示し、10C放電において53%もの利用率が得られた。 FIG. 4 shows a charge / discharge curve of the lithium secondary battery at a cutoff voltage of 4.3 to 3.2 V. A discharge capacity of 80 mAh g −1 was exhibited at 0.1 C discharge, and a utilization rate of 53% was obtained at 10 C discharge.

[実施例2/正極活物質としてLi2MnO3及びLiMnO2から構成される皮膜が形成されているリチウム二次電池用ファイバー正極−1]
実施例1と同じファイバー正極前駆体を、カーボンファイバー表面に形成されたMn3O4を1当量として、100当量のLiOH水溶液(LiOHの濃度3 mol/L)中に、ファイバー正極前駆体に浸漬し、110℃で20時間の条件下でオートクレーブを用いて水熱処理した。その後、カーボンファイバーを水洗し、150℃で24時間以上減圧乾燥させ、カーボンファイバー表面に正極活物質としてLiMnO2及びLi2MnO3から構成される皮膜を形成させたファイバー正極(リチウム二次電池用ファイバー正極)を得た。この実施例2のファイバー正極についても、実施例1と同様の条件でX線回折を行った。
[Example 2 / Fiber cathode-1 for a lithium secondary battery in which a film composed of Li 2 MnO 3 and LiMnO 2 is formed as a cathode active material]
The same fiber cathode precursor as in Example 1 was immersed in a fiber cathode precursor in 100 equivalents of LiOH aqueous solution (LiOH concentration 3 mol / L), with 1 equivalent of Mn 3 O 4 formed on the carbon fiber surface. Then, hydrothermal treatment was performed using an autoclave at 110 ° C. for 20 hours. Thereafter, the carbon fiber was washed with water and dried under reduced pressure at 150 ° C. for 24 hours or more to form a film composed of LiMnO 2 and Li 2 MnO 3 as the positive electrode active material on the surface of the carbon fiber (for lithium secondary battery) Fiber positive electrode) was obtained. The fiber positive electrode of Example 2 was also subjected to X-ray diffraction under the same conditions as in Example 1.

図5は、実施例2のX線回折結果を表わすグラフであり、(a)は実施例1と同じファイバー正極前駆体、(b)はファイバー正極のXRDパターンを示す。図5(b)のパターンには、Li2MnO3及びLiMnO2の両方のピークが認められたが、Mn3O4と一致するピークは認められなかった。すなわち、ファイバー正極の表面に形成されている皮膜は、LiMnO2が混在するLi2MnO3であることが確認された。 FIG. 5 is a graph showing the X-ray diffraction results of Example 2, wherein (a) shows the same fiber cathode precursor as in Example 1, and (b) shows the XRD pattern of the fiber cathode. In the pattern of FIG. 5 (b), both peaks of Li 2 MnO 3 and LiMnO 2 were observed, but no peak consistent with Mn 3 O 4 was observed. That is, it was confirmed that the film formed on the surface of the fiber positive electrode was Li 2 MnO 3 mixed with LiMnO 2 .

ここで、試薬として市販されているMn3O4(キシダ化学製、四三酸化マンガン(純度98.0%))を、実施例2の水熱処理工程と同様の条件で水熱処理した。水熱処理後、得られた粉末を水洗し、空気雰囲気下、110℃で24時間以上乾燥させた粉末について、上記と同様の条件でX線回折を行った。図6は、X線回折を表わすグラフであり、(a)は試薬のMn3O4、(b)は試薬であるMn3O4を水熱処理した後に得られた粉末のXRDパターンを示す。 Here, commercially available Mn 3 O 4 (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd., manganese trioxide (purity 98.0%)) was hydrothermally treated under the same conditions as in the hydrothermal treatment step of Example 2. After the hydrothermal treatment, the obtained powder was washed with water, and X-ray diffraction was performed on the powder dried at 110 ° C. for 24 hours or more in an air atmosphere under the same conditions as described above. FIG. 6 is a graph showing X-ray diffraction, in which (a) shows the XRD pattern of the powder obtained after hydrothermal treatment of the reagent Mn 3 O 4 and (b) the reagent Mn 3 O 4 .

図6(b)のパターンにはLiMnO2のピークが認められたが、図5(b)のパターンとは異なり、Li2MnO3のピークは認められなかった。また、図6(b)のパターンには、図5(b)のパターンとは異なり、Mn(OH)2のピークが認められた。すなわち、試薬であるMn3O4は、水熱処理によってもLi2MnO3には変成せず、Mn(OH)2が混在したLiMnO2になることが確認された。 In the pattern of FIG. 6 (b), a LiMnO 2 peak was observed, but unlike the pattern of FIG. 5 (b), a Li 2 MnO 3 peak was not observed. Further, unlike the pattern of FIG. 5 (b), a peak of Mn (OH) 2 was observed in the pattern of FIG. 6 (b). That is, it was confirmed that the reagent Mn 3 O 4 was not transformed into Li 2 MnO 3 even by hydrothermal treatment, and became LiMnO 2 mixed with Mn (OH) 2 .

[実施例3/正極活物質としてLi2MnO3皮膜が形成されているリチウム二次電池用ファイバー正極]
実施例1と同じファイバー正極前駆体を、カーボンファイバー表面に形成されたMn3O4を1当量として、1当量のH2O2を含有する100当量のLiOH水溶液中(LiOHの濃度3mol/L)に浸漬し、実施例1と同様の条件で水熱処理した。その後、カーボンファイバーを水洗し、110℃で24時間以上減圧乾燥させ、カーボンファイバー表面に正極活物質としてLi2MnO3皮膜を形成させたファイバー正極を得た。この実施例3のファイバー正極についても、実施例1と同様の条件でX線回析を行った。
[Example 3 / Fiber cathode for a lithium secondary battery in which a Li 2 MnO 3 film is formed as a cathode active material]
The same fiber positive electrode precursor as in Example 1 was prepared by adding 1 equivalent of Mn 3 O 4 formed on the surface of the carbon fiber in a 100 equivalent LiOH aqueous solution containing 1 equivalent of H 2 O 2 (LiOH concentration 3 mol / L). And hydrothermally treated under the same conditions as in Example 1. Thereafter, the carbon fiber was washed with water and dried under reduced pressure at 110 ° C. for 24 hours or more to obtain a fiber cathode in which a Li 2 MnO 3 film was formed on the carbon fiber surface as a cathode active material. The fiber positive electrode of Example 3 was also subjected to X-ray diffraction under the same conditions as in Example 1.

図7は、X線回析結果を表すグラフであり、(a)は実施例1と同じファイバー正極前駆体、(b)は実施例3のファイバー正極のXRDパターンを示す。図7(b)のパターンには、Li2MnO3のピークが認められたが、図5(b)のパターンと異なり、LiMnO2のピークは認められなかった。すなわち、実施例3のファイバー正極の表面に形成されている皮膜は、Li2MnO3であることが確認された。 FIG. 7 is a graph showing the results of X-ray diffraction, where (a) shows the same fiber cathode precursor as in Example 1, and (b) shows the XRD pattern of the fiber cathode in Example 3. In the pattern of FIG. 7B, a Li 2 MnO 3 peak was observed, but unlike the pattern of FIG. 5B, no LiMnO 2 peak was observed. That is, it was confirmed that the film formed on the surface of the fiber positive electrode of Example 3 was Li 2 MnO 3 .

図8は、実施例3のファイバー正極の電子顕微鏡写真を示す。図8に示されるように、実施例3のファイバー正極は、約400 nm程度の球状粒子が凝集しており、図3に示される実施例1のファイバー正極と大きく形態が異なることが確認された。   FIG. 8 shows an electron micrograph of the fiber positive electrode of Example 3. As shown in FIG. 8, in the fiber positive electrode of Example 3, spherical particles of about 400 nm were aggregated, and it was confirmed that the shape was greatly different from the fiber positive electrode of Example 1 shown in FIG. .

実施例3のファイバー正極を用いて、実施例1と同様にして二極式アルミラミネート型リチウム二次電池を作製した。図9は、カットオフ電圧5.0〜2.0 Vにおけるリチウム二次電池の充放電曲線(充放電電流0.1C)を示す。実施例3のファイバー正極の初期充電容量は235mAh g-1であり、初期放電容量は150 mAh g-1を示し、Li2Oの離脱による初期不可逆容量が示された。 Using the fiber positive electrode of Example 3, a bipolar aluminum laminate type lithium secondary battery was produced in the same manner as in Example 1. FIG. 9 shows a charge / discharge curve (charge / discharge current 0.1 C) of the lithium secondary battery at a cutoff voltage of 5.0 to 2.0 V. The initial charge capacity of the fiber cathode of Example 3 is 235mAh g -1, the initial discharge capacity shows a 150 mAh g -1, initial irreversible capacity is shown by separation of Li 2 O.

上記と同じ試薬のMn3O4を、実施例3と同様の条件で水熱処理した。水熱処理後、得られた粉末を水洗し、空気雰囲気下、110℃で24時間以上乾燥させた粉末について、実施例1と同じ条件でX線回折を行った。図10は、X線回折結果を表わすグラフであり、(a)は試薬のMn3O4、(b)は試薬であるMn3O4を水熱処理した後に得られた粉末のXRDパターンを示す。 Mn 3 O 4 of the same reagent as above was hydrothermally treated under the same conditions as in Example 3. After the hydrothermal treatment, the obtained powder was washed with water, and X-ray diffraction was performed under the same conditions as in Example 1 for the powder dried in an air atmosphere at 110 ° C. for 24 hours or more. FIG. 10 is a graph showing X-ray diffraction results, where (a) shows the XRD pattern of the powder obtained after hydrothermal treatment of the reagent Mn 3 O 4 and (b) the reagent Mn 3 O 4. .

図10(b)のパターンには、LiOH水溶液にH2O2が含有されていない図6(b)のパターンとほとんど同一であり、LiMnO2のピーク以外にMn(OH)2のピークが認められた。すなわち、試薬であるMn3O4は、水熱処理においてH2O2を併用してもLi2MnO3を得ることも、Mn(OH)2を含有しなくすることも不可能であった。 The pattern of FIG. 10 (b) is almost the same as the pattern of FIG. 6 (b) in which the LiOH aqueous solution does not contain H 2 O 2 , and the Mn (OH) 2 peak is recognized in addition to the LiMnO 2 peak. It was. That is, it was impossible for Mn 3 O 4 as a reagent to obtain Li 2 MnO 3 or not to contain Mn (OH) 2 even when H 2 O 2 was used in combination with hydrothermal treatment.

[実施例4/正極活物質としてLi[NiXLi1/3-2X/3Mn2/3-X/3]O2皮膜が形成されているリチウム二次電池用ファイバー正極−1]
電解析出浴としてMn(NO3)2水溶液(0.3mol/L、pH4.0、20℃)45mLとNi(NO3)2水溶液(0.3mol/L、pH4.0、20℃)5mLとの混合水溶液を使用する以外、すべて実施例3と同様にしてファイバー正極を得た。
Example 4 / positive active material as Li [Ni X Li 1 / 3-2X / 3 Mn 2/3-X / 3] O 2 fibers for lithium secondary battery coating is formed positive electrode -1]
As an electrolytic deposition bath, 45 mL of Mn (NO 3 ) 2 aqueous solution (0.3 mol / L, pH 4.0, 20 ° C.) and 5 mL of Ni (NO 3 ) 2 aqueous solution (0.3 mol / L, pH 4.0, 20 ° C.) A fiber positive electrode was obtained in the same manner as in Example 3 except that the mixed aqueous solution was used.

[実施例5/正極活物質としてLi[NiXLi1/3-2X/3Mn2/3-X/3]O2皮膜が形成されているリチウム二次電池用ファイバー正極−2]
電解析出浴としてMn(NO3)2水溶液(0.3mol/L、pH4.0、20℃)35mLとNi(NO3)2水溶液(0.3mol/L、pH4.0、20℃)15mLとの混合水溶液を使用する以外、すべて実施例3と同様にしてファイバー正極を得た。
[Example 5 / Fiber cathode-2 for a lithium secondary battery in which a Li [Ni X Li 1 / 3-2X / 3 Mn 2 / 3-X / 3 ] O 2 coating is formed as a cathode active material]
As electrolytic deposition bath, 35 mL of Mn (NO 3 ) 2 aqueous solution (0.3 mol / L, pH 4.0, 20 ° C) and 15 mL of Ni (NO 3 ) 2 aqueous solution (0.3 mol / L, pH 4.0, 20 ° C) A fiber positive electrode was obtained in the same manner as in Example 3 except that the mixed aqueous solution was used.

[実施例6/正極活物質としてLi[NiXLi1/3-2X/3Mn2/3-X/3]O2皮膜が形成されているリチウム二次電池用ファイバー正極−3]
電解析出浴としてMn(NO3)2水溶液(0.3mol/L、pH4.0、20℃)25mLとNi(NO3)2水溶液(0.3mol/L、pH4.0、20℃)25mLとの混合水溶液を使用する以外、すべて実施例3と同様にしてファイバー正極を得た。
[Example 6 / Fiber cathode-3 for a lithium secondary battery in which a Li [Ni X Li 1 / 3-2X / 3 Mn 2 / 3-X / 3 ] O 2 coating is formed as a cathode active material]
As electrolytic deposition bath, 25 mL of Mn (NO 3 ) 2 aqueous solution (0.3 mol / L, pH 4.0, 20 ° C) and 25 mL of Ni (NO 3 ) 2 aqueous solution (0.3 mol / L, pH 4.0, 20 ° C) A fiber positive electrode was obtained in the same manner as in Example 3 except that the mixed aqueous solution was used.

実施例4〜6のファイバー正極について、実施例3のファイバー正極と同様にしてX線回析を行った。図11は、実施例3〜6のファイバー正極のXRDパターンを示す。Ni(NO3)2を含有する電解析出浴を使用した実施例4〜6のファイバー正極には、繊維金属相内にLiが規則的に配列した超格子回析ピークが消失し、Li及びMnの複合酸化物であるLi[NiXLi1/3-2X/3Mn2/3-X/3]O2のピークと、Ni(OH)2のピークとが認められた。また、実施例4は、実施例5及び6に比べて電解析出浴のNi(NO3)2水溶液の割合が少ないために、Ni(OH)2のピーク強度が実施例5及び6のNi(OH)2のピーク強度よりも小さいことが確認された。 About the fiber positive electrode of Examples 4-6, it carried out similarly to the fiber positive electrode of Example 3, and performed the X-ray diffraction. FIG. 11 shows the XRD patterns of the fiber positive electrodes of Examples 3 to 6. In the fiber cathodes of Examples 4 to 6 using an electrolytic deposition bath containing Ni (NO 3 ) 2 , the superlattice diffraction peak in which Li is regularly arranged in the fiber metal phase disappears, and Li and A peak of Li [Ni X Li 1 / 3-2X / 3 Mn 2 / 3-X / 3 ] O 2 which is a complex oxide of Mn and a peak of Ni (OH) 2 were observed. In addition, since the proportion of the Ni (NO 3 ) 2 aqueous solution in the electrolytic deposition bath is smaller in Example 4 than in Examples 5 and 6, the Ni (OH) 2 peak intensity is higher than that in Examples 5 and 6. It was confirmed that it was smaller than the peak intensity of (OH) 2 .

図12は、実施例4のファイバー正極の電子顕微鏡写真を示す。図12に示されるファイバー正極は、厚み約200 nmのフレーク状の粒子が凝集しており、図3の実施例1及び図8に示される実施例3のファイバー正極とは、大きく形態が異なることが確認された。   FIG. 12 shows an electron micrograph of the fiber positive electrode of Example 4. The fiber cathode shown in FIG. 12 has agglomerates of flaky particles having a thickness of about 200 nm, and the form differs greatly from the fiber cathode of Example 1 in FIG. 3 and Example 3 shown in FIG. Was confirmed.

[実施例7/正極活物質としてLi2MnO3及びLiMnO2から構成される皮膜が形成されているリチウム二次電池用ファイバー正極−2]
(電解析出工程)
電解析出浴としてMnSO4水溶液(0.5mol/L)56mLと希硫酸(0.5mol/L)28mLとの混合水溶液(pH1.0)を用い、作用極3を正極、対極4a及び4bを負極に変え、電流値0.02 Aで電解析出時間60分間、電解析出温度90℃という電解析出条件とする以外、実施例2と同様にしてファイバー正極前駆体を得た。
[Example 7 / fiber cathode-2 for a lithium secondary battery in which a film composed of Li 2 MnO 3 and LiMnO 2 is formed as a cathode active material]
(Electrolytic deposition process)
A mixed aqueous solution (pH 1.0) of 56 mL of MnSO 4 aqueous solution (0.5 mol / L) and 28 mL of dilute sulfuric acid (0.5 mol / L) was used as the electrolytic deposition bath, with the working electrode 3 as the positive electrode and the counter electrodes 4a and 4b as the negative electrodes. A fiber positive electrode precursor was obtained in the same manner as in Example 2 except that the electrolytic deposition conditions were an electrolytic deposition time of 60 minutes and an electrolytic deposition temperature of 90 ° C. at a current value of 0.02 A.

(水熱処理工程)
次に、このファイバー正極前駆体を、カーボンファイバー表面に形成されたMnO2を1当量として、100当量のLiOH水溶液中(LiOHの濃度3mol/L)に浸漬し、200℃で20時間の条件下でオートクレーブを用いて水熱処理した。その後、カーボンファイバーを水洗し、150℃で24時間以上減圧乾燥させ、ファイバー正極を得た。
(Hydrothermal process)
Next, this fiber positive electrode precursor was immersed in 100 equivalents of LiOH aqueous solution (LiOH concentration 3 mol / L) with 1 equivalent of MnO 2 formed on the surface of the carbon fiber. And hydrothermally treated using an autoclave. Thereafter, the carbon fiber was washed with water and dried under reduced pressure at 150 ° C. for 24 hours or more to obtain a fiber positive electrode.

<X線回析による結晶構造の解析>
実施例7で作製されたファイバー正極前駆体及びファイバー正極について、実施例2と同様にしてX線回析を行った。図13は、実施例7のX線回析結果を表すグラフであり、上側の(a)はファイバー正極前駆体、下側の(b)はファイバー正極のXRDパターンを示す。
<Analysis of crystal structure by X-ray diffraction>
The fiber positive electrode precursor and fiber positive electrode produced in Example 7 were subjected to X-ray diffraction in the same manner as in Example 2. FIG. 13 is a graph showing the X-ray diffraction results of Example 7, wherein the upper (a) shows the fiber positive electrode precursor and the lower (b) shows the XRD pattern of the fiber positive electrode.

図13(a)のパターンには、ε-MnO2及びγ-MnO2のピークが確認された。一方、図13(b)のパターンには、Li2MnO3及びLiMnO2の両方のピークが認められた。すなわち、ファイバー正極の表面に形成されている皮膜は、わずかにLiMnO2が混在するLi2MnO3であることが確認された。 In the pattern of FIG. 13 (a), peaks of ε-MnO 2 and γ-MnO 2 were confirmed. On the other hand, both Li 2 MnO 3 and LiMnO 2 peaks were observed in the pattern of FIG. 13 (b). That is, it was confirmed that the film formed on the surface of the fiber positive electrode was Li 2 MnO 3 slightly mixed with LiMnO 2 .

ここで、試薬として市販されているMnO2(キシダ化学製、二酸化マンガン(純度99.9%以上))を、実施例7の水熱処理工程と同様の条件で水熱処理した。水熱処理後、得られた粉末を水洗し、空気雰囲気下、110℃で24時間以上乾燥させた粉末について、上記と同様の条件でX線回折を行った。図14は、X線回折を表わすグラフであり、(a)は試薬のMnO2、(b)は試薬であるMnO2を水熱処理した後に得られた粉末のXRDパターンを示す。 Here, commercially available MnO 2 (manufactured by Kishida Chemical Co., manganese dioxide (purity 99.9% or more)) was hydrothermally treated under the same conditions as in the hydrothermal treatment step of Example 7. After the hydrothermal treatment, the obtained powder was washed with water, and X-ray diffraction was performed on the powder dried at 110 ° C. for 24 hours or more in an air atmosphere under the same conditions as described above. FIG. 14 is a graph showing X-ray diffraction, in which (a) shows the XRD pattern of the powder obtained after hydrothermal treatment of the reagent MnO 2 and (b) the reagent MnO 2 .

図14(b)のXRDパターンは、図14(a)のXRDパターンとほとんど同一であり、β-MnO2以外のピークは確認されなかった。すなわち、試薬であるMnO2は、水熱処理においてH2O2を併用しても、Li-Mn複合酸化物の正極活物質には変成しないことが確認された。 The XRD pattern in FIG. 14 (b) is almost the same as the XRD pattern in FIG. 14 (a), and no peaks other than β-MnO 2 were confirmed. That is, it was confirmed that MnO 2 as a reagent was not transformed into a positive electrode active material of a Li-Mn composite oxide even when H 2 O 2 was used in combination with hydrothermal treatment.

図15は、実施例2及び実施例7のファイバー正極前駆体及びファイバー正極の電子顕微鏡写真を示す。実施例7のファイバー正極前駆体は、実施例2のファイバー正極前駆体と比較して、結晶が密であることが確認された。また、水熱処理によって得られたLiMnO2及びLi2MnO3層(皮膜)も密になることが確認された。このように、カーボンファイバー表面に形成されるLi-Mn複合酸化物の正極活物質の形状は、電解析出工程においてカーボンファイバー表面に析出する電解析出物(Mn酸化物)の形状に大きく依存することが確認された。そして、電解析出浴にMnSO4水溶液を使用することにより、高密度のMn酸化物皮膜をカーボンファイバー表面に形成させることが可能であった。 FIG. 15 shows electron micrographs of the fiber cathode precursor and the fiber cathode of Example 2 and Example 7. The fiber positive electrode precursor of Example 7 was confirmed to be denser in crystals than the fiber positive electrode precursor of Example 2. It was also confirmed that the LiMnO 2 and Li 2 MnO 3 layers (films) obtained by the hydrothermal treatment became dense. As described above, the shape of the positive electrode active material of the Li-Mn composite oxide formed on the carbon fiber surface largely depends on the shape of the electrolytic deposit (Mn oxide) deposited on the carbon fiber surface in the electrolytic deposition process. Confirmed to do. By using an aqueous MnSO 4 solution for the electrolytic deposition bath, it was possible to form a high-density Mn oxide film on the carbon fiber surface.

本発明のリチウム二次電池用ファイバー正極の製造方法は、電池分野において非常に有用である。 Lithium secondary battery fiber cathode manufacturing how the present invention is very useful in battery field.

1:電解析出槽
2:電解析出浴(電解析出液)
3:作用極(カーボンファイバーの束)
4a,4b:対極(カーボンペーパー)
1: Electrolytic deposition tank 2: Electrolytic deposition bath (electrolytic deposition solution)
3: Working electrode (bundle of carbon fibers)
4a, 4b: Counter electrode (carbon paper)

Claims (3)

電解析出浴としてMn(NO3)2水溶液を用い、カーボンファイバーを作用極とし、カーボンファイバー表面にMn3O4を電解析出させる電解析出工程と、
Mn3O4を電解析出させたカーボンファイバーを、酸化剤を添加されたLiOH水溶液中で水熱処理し、Mn3O4をLi2MnO3へと変化させる水熱処理工程と、
を有し、
前記水熱処理工程におけるMn3O4量に対するLiOH量が、モル数で40倍以上である、リチウム二次電池用ファイバー正極の製造方法。
An electrolytic deposition process in which Mn (NO 3 ) 2 aqueous solution is used as an electrolytic deposition bath, carbon fiber is used as a working electrode, and Mn 3 O 4 is electrolytically deposited on the carbon fiber surface;
Hydrothermal treatment of the carbon fiber electrodeposited with Mn 3 O 4 in a LiOH aqueous solution to which an oxidizing agent is added, and a hydrothermal treatment step of changing Mn 3 O 4 to Li 2 MnO 3 ,
Have
LiOH amount for Mn 3 O 4 content in the hydrothermal treatment step is not less than 40 times in moles, the production method of the fiber cathode for a lithium secondary battery.
前記酸化剤がH2O2である、請求項1に記載のリチウム二次電池用ファイバー正極の製造方法。 It said oxidizing agent is H 2 O 2, a manufacturing method of a lithium secondary battery fiber cathode according to claim 1. 電解析出浴としてMnSO4水溶液を用い、カーボンファイバーを作用極とし、カーボンファイバー表面にMnO2を電解析出させる電解析出工程と、
MnO2を電解析出させたカーボンファイバーをLiOH水溶液中で水熱処理し、MnO2をLi2MnO3及びLiMnO2へと変化させる水熱処理工程と、
を有し、
前記水熱処理工程におけるMnO2量に対するLiOH量が、モル数で40倍以上である、リチウム二次電池用ファイバー正極の製造方法。
An electrolytic deposition process in which MnSO 4 aqueous solution is used as an electrolytic deposition bath, carbon fiber is used as a working electrode, and MnO 2 is electrolytically deposited on the carbon fiber surface;
Hydrothermal treatment of the carbon fiber electrodeposited with MnO 2 in a LiOH aqueous solution, and hydrothermal treatment step of changing MnO 2 into Li 2 MnO 3 and LiMnO 2 ,
Have
LiOH amount for MnO 2 amount in the hydrothermal treatment step is not less than 40 times in moles, the production method of the fiber cathode for a lithium secondary battery.
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