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JP7609562B2 - Electrode material and method for producing the same - Google Patents
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特許法第30条第2項適用 公開日:令和1年11月14日 集会名:第60回電池討論会Application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act Publication date: November 14, 2020 Meeting name: 60th Battery Debate

本発明は、二次電池や電気化学キャパシタ等の蓄電デバイスに用いられる電極材料および電極材料の製造方法に関する。 The present invention relates to an electrode material used in power storage devices such as secondary batteries and electrochemical capacitors, and a method for manufacturing the electrode material.

二次電池や電気化学キャパシタ等の蓄電デバイスの電極としては、リチウムイオンを含む正極材料と導電助剤とを金属箔の表面に固着させた正極、及びリチウムイオンの脱挿入可能な負極材料と導電助剤とを金属箔の表面に固着させた負極が使用されている。近年、その電極材料としてナシコン構造(Na Super Ionic Conductor)を有するリン酸バナジウムリチウム(Li(PO)が注目されている。 As electrodes for electric storage devices such as secondary batteries and electrochemical capacitors, a positive electrode in which a positive electrode material containing lithium ions and a conductive assistant are fixed to the surface of a metal foil, and a negative electrode in which a negative electrode material capable of inserting and removing lithium ions and a conductive assistant are fixed to the surface of a metal foil are used. In recent years, lithium vanadium phosphate (Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 ) having a Na Super Ionic Conductor structure has been attracting attention as an electrode material.

リン酸バナジウムリチウムは、Li/Li基準に対して3.8V~4.8Vで作動する。また、各電位プラトーに応じて最大で197mAh/gの大きな容量を示し得る。そして、リン酸バナジウムリチウムは、リチウムが三次元拡散可能な結晶構造を有し、高速充放電可能が可能である。PO結合を有するリン酸バナジウムリチウムは、熱安定性が高く、安全性に優れている。以上のことから、リン酸バナジウムリチウムの電極材料としての利用が進められている。 Lithium vanadium phosphate operates at 3.8V to 4.8V against the Li/Li + standard. It can also exhibit a large capacity of up to 197 mAh/g depending on each potential plateau. Lithium vanadium phosphate has a crystal structure that allows lithium to diffuse three-dimensionally, making it possible to charge and discharge at high speed. Lithium vanadium phosphate with PO bonds has high thermal stability and is excellent in safety. For these reasons, the use of lithium vanadium phosphate as an electrode material is being promoted.

特開2008-52970号公報JP 2008-52970 A

本発明の発明者等が、リン酸バナジウムリチウムについて研究を進めた結果、リン酸バナジウムリチウムは、大気中に含まれる水分により結晶構造が変化する可能性が指摘された。そして、この水分によるリン酸バナジウムリチウムの変化により、リン酸バナジウムリチウムを用いて製造された電極の性能特性に劣化が生じている可能性が考えられた。 As a result of the research conducted by the inventors of the present invention into lithium vanadium phosphate, it was pointed out that the crystal structure of lithium vanadium phosphate may change due to moisture in the air. It was also thought that this change in lithium vanadium phosphate due to moisture may cause a deterioration in the performance characteristics of electrodes manufactured using lithium vanadium phosphate.

本発明は、上記課題を解決するために提案されたものである。その目的は、水分による結晶構造の変化を抑制可能な電極材料および電極材料の製造方法を提供することにある。 The present invention has been proposed to solve the above problems. Its purpose is to provide an electrode material and a method for manufacturing the electrode material that can suppress changes in crystal structure caused by moisture.

リン酸バナジウムリチウムを例えば湿度80%以上の高湿度環境に放置すると、放置前後でリン酸バナジウムリチウムのXRDスペクトルに変化が生じ、大気中の水分によりリン酸バナジウムリチウムの結晶構造が変化していることが推測された。そこで、発明者等は、リン酸バナジウムリチウムの水分への耐久性を高めるために鋭意検討を行い、リン酸バナジウムリチウムに特定の耐水層を設けることで、リン酸バナジウムリチウムの結晶構造の変化を抑制できるという知見を得た。 When lithium vanadium phosphate is left in a high humidity environment, for example at a humidity of 80% or more, the XRD spectrum of the lithium vanadium phosphate changes before and after being left there, and it was presumed that the moisture in the air causes a change in the crystal structure of the lithium vanadium phosphate. Therefore, the inventors conducted extensive research to improve the durability of lithium vanadium phosphate against moisture, and discovered that by providing a specific water-resistant layer on lithium vanadium phosphate, changes in the crystal structure of lithium vanadium phosphate can be suppressed.

そこで、上記の目標を達成するため、本発明に係る電極材料は、導電性炭素材料に結合したリン酸バナジウムリチウムを含み、前記リン酸バナジウムリチウムは、耐水層を有し、前記耐水層は、リン酸塩系化合物の結晶構造を有し、前記リン酸塩系化合物の結晶構造を有する前記耐水層は、リン酸アルミ化合物、又は、リン酸チタン化合物、又は、X α β (PO γ で表され、X=Li,Na,K,Caの何れかであり、M=Al,Mn,Co,Fe,Mg,Ni,Ti,Zn,Cr,Ni,Cu,Zr,Nbの何れかであり、前記耐水層は電極化前に形成された耐水層である In order to achieve the above object, the electrode material according to the present invention comprises lithium vanadium phosphate bonded to a conductive carbon material, the lithium vanadium phosphate having a water-resistant layer, the water-resistant layer having a crystal structure of a phosphate-based compound, the water-resistant layer having the crystal structure of the phosphate-based compound being an aluminum phosphate compound, or a titanium phosphate compound, or being represented by XαMβ ( PO4 ) γ , where X=Li, Na, K, or Ca, and M=Al, Mn, Co, Fe, Mg , Ni , Ti, Zn, Cr, Ni, Cu, Zr, or Nb, and the water-resistant layer is a water-resistant layer formed before electrode formation .

前記リン酸アルミ化合物がAlPOThe aluminum phosphate compound is AlPO 4 であっても良い。It may be.

前記リン酸チタン化合物がLiTiThe titanium phosphate compound is LiTi 2 (PO(P.O. 4 ) 3 であっても良い。It may be.

前記耐水層は、リン酸バナジウムリチウムに対して5~25wt%となるように形成されていても良い。 The water-resistant layer may be formed to have a concentration of 5 to 25 wt % relative to lithium vanadium phosphate.

導電性炭素材料とリン酸バナジウムリチウムを結合させる結晶化工程と、前記結晶化工程により得られた電極材料に耐水層を形成する被覆工程と、を有し、前記被覆工程は、前記結晶化工程により得られた電極材料に対して、溶液中にて耐水層の材料源を混合する混合工程と、前記混合工程で得られた溶液を焼成する焼成工程と、を含み、前記耐水層は、リン酸塩系化合物の結晶構造を有する。 The method includes a crystallization step of bonding a conductive carbon material with lithium vanadium phosphate, and a coating step of forming a water-resistant layer on the electrode material obtained by the crystallization step, the coating step including a mixing step of mixing a material source for the water-resistant layer in a solution with the electrode material obtained by the crystallization step, and a firing step of firing the solution obtained by the mixing step, and the water-resistant layer has a crystal structure of a phosphate-based compound.

前記リン酸塩系化合物の結晶構造有する耐水層は、リン酸アルミ化合物、又は、リン酸チタン化合物、又は、XThe water-resistant layer having a crystal structure of the phosphate-based compound is an aluminum phosphate compound, a titanium phosphate compound, or X αα M ββ (PO(P.O. 4 ) γGamma で表され、X=Li,Na,K,Caの何れかであり、M=Al,Mn,Co,Fe,Mg,Ni,Ti,Zn,Cr,Ni,Cu,Zr,Nbの何れかであっても良い。where X is any one of Li, Na, K, and Ca, and M may be any one of Al, Mn, Co, Fe, Mg, Ni, Ti, Zn, Cr, Ni, Cu, Zr, and Nb.

本発明によれば、水分による結晶構造の変化を抑制可能な電極材料および電極材料の製造方法を提供できる。 The present invention provides an electrode material and a method for manufacturing the electrode material that can suppress changes in crystal structure caused by moisture.

電極材料の製造手順を示すフローチャートである。1 is a flowchart showing a manufacturing procedure of an electrode material. 電極材料に耐水層を形成する製造手順を示すフローチャートである。1 is a flowchart showing a manufacturing procedure for forming a water-resistant layer on an electrode material. 電極材料の参考例のXRD(X線粉末回折法)による回折パターンを示すグラフである。1 is a graph showing a diffraction pattern by XRD (X-ray powder diffraction) of a reference example of an electrode material. 実施例および比較例の電極材料のHRTEM像であり、(a)および(b)は全体像、(c)および(d)は部分拡大像である。HRTEM images of electrode materials of examples and comparative examples, where (a) and (b) are overall images, and (c) and (d) are partially enlarged images. 実施例の電極材料のHRTEM像であり、(a)および(b)は全体像、(c)および(d)は部分拡大像である。3A and 3B are HRTEM images of the electrode material of the example, where (a) and (b) are whole images, and (c) and (d) are partially enlarged images. 比較例の電極材料のXRDによる回折パターンを示すグラフである。1 is a graph showing a diffraction pattern by XRD of an electrode material of a comparative example. 実施例の電極材料のXRDによる回折パターンを示すグラフである。1 is a graph showing a diffraction pattern by XRD of an electrode material of an example. 実施例の電極材料のXRDによる回折パターンを示すグラフである。1 is a graph showing a diffraction pattern by XRD of an electrode material of an example.

[構成]
本実施形態の電極材料は、リン酸バナジウムリチウムと導電性炭素材料を含む。リン酸バナジウムリチウムは、一般式LixV(POで表されるナシコン構造を有する。リン酸バナジウムリチウムが、蓄電デバイスの電極材料として用いられた場合、充放電に伴うリチウムイオンの脱挿入により0≦x≦3、バナジウムイオンの原子価は3~5価となり得る。
[composition]
The electrode material of this embodiment includes lithium vanadium phosphate and a conductive carbon material. Lithium vanadium phosphate has a Nasicon structure represented by the general formula LixV 2 (PO 4 ) 3. When lithium vanadium phosphate is used as an electrode material for an electricity storage device, 0≦x≦3 and the valence of vanadium ions can be 3 to 5 due to the desorption and insertion of lithium ions accompanying charge and discharge.

リン酸バナジウムリチウムは、導電性炭素材料に結合しており、耐水層により被覆されている。結合とは、リン酸バナジウムリチウムが導電性炭素材料の表面に物理的に接触していることに加え、リン酸バナジウムリチウムと導電性炭素材料とが電気的にもつながっており、導電性が高い状態である。例えば、導電性炭素材料の表面に、リン酸バナジウムリチウムが原子レベルで接合し、構造を共有化している状態を含む。 The lithium vanadium phosphate is bonded to the conductive carbon material and is coated with a water-resistant layer. "Bonded" means that the lithium vanadium phosphate is in physical contact with the surface of the conductive carbon material, and that the lithium vanadium phosphate and the conductive carbon material are also electrically connected, resulting in a highly conductive state. For example, this includes a state in which the lithium vanadium phosphate is bonded to the surface of the conductive carbon material at the atomic level, sharing a structure.

また、リン酸バナジウムリチウムは、リン酸塩系化合物の結晶構造を有する耐水層により被覆されていると良い。リン酸塩系化合物の結晶構造とはPO四面体が結晶内に導入された系であり、リン酸バナジウムリチウムもこのリン酸塩系化合物の結晶構造を有する。したがって、リン酸塩系化合物の結晶構造を有する耐水層は、リン酸バナジウムリチウムと親和性が高い。 In addition, it is preferable that the lithium vanadium phosphate is coated with a water-resistant layer having a crystal structure of a phosphate-based compound. The crystal structure of a phosphate-based compound is a system in which a PO4 tetrahedron is introduced into the crystal, and the lithium vanadium phosphate also has the crystal structure of this phosphate-based compound. Therefore, the water-resistant layer having the crystal structure of a phosphate-based compound has a high affinity with the lithium vanadium phosphate.

さらに、リン酸塩系化合物の結晶構造を有する耐水層は、リン酸バナジウムリチウムの表面を被覆しているが、より好ましくはリン酸バナジウムリチウムとの接触面がリン酸バナジウムリチウムと固溶する。固溶とは、耐水層がリン酸バナジウムリチウムの結晶構造内に溶け込み、元の結晶構造を保ったままリン酸バナジウムリチウムのバナジウム元素の一部が耐水層の金属元素に置換されている状態である。すなわち、耐水層とリン酸バナジウムリチウムとの境界部分においては、リン酸塩系化合物の結晶構造を有する2つの物質が交じり合っている(Solid Solution)状態にあると推測される。 Furthermore, the water-resistant layer having a crystal structure of a phosphate-based compound covers the surface of the lithium vanadium phosphate, and more preferably, the contact surface with the lithium vanadium phosphate forms a solid solution with the lithium vanadium phosphate. A solid solution is a state in which the water-resistant layer is dissolved in the crystal structure of the lithium vanadium phosphate, and part of the vanadium element of the lithium vanadium phosphate is replaced by the metal element of the water-resistant layer while maintaining the original crystal structure. In other words, it is presumed that the boundary between the water-resistant layer and the lithium vanadium phosphate is in a state in which two substances having the crystal structure of a phosphate-based compound are mixed together (solid solution).

リン酸塩系化合物の結晶構造を有する耐水層は、リン酸アルミ化合物またはリン酸チタン化合物であってよい。具体的には、AlPOまたはLiTi(POを含むことができる。他にも、耐水層はXαβ(POγで表され、X=Li,Na,K,Caの何れかであり、M=Al,Mn,Co,Fe,Mg,Ni,Ti,Zn,Cr,Ni,Cu,Zr,Nbの何れかである。耐水層は、電極材料に含まれるリン酸バナジウムリチウムに対して、5~25wt%となるように被覆されると良い。25wt%を超えると、電極容量が低下するだけでなく抵抗が増加してしまうからである。 The water-resistant layer having a crystal structure of a phosphate-based compound may be an aluminum phosphate compound or a titanium phosphate compound. Specifically, it may contain AlPO4 or LiTi2 ( PO4 ) 3 . Alternatively, the water-resistant layer may be represented by XαMβ ( PO4 ) γ , where X=Li, Na, K, or Ca, and M=Al, Mn, Co, Fe, Mg, Ni, Ti, Zn, Cr, Ni, Cu, Zr, or Nb. The water-resistant layer is preferably coated with 5 to 25 wt% of the lithium vanadium phosphate contained in the electrode material. If the amount exceeds 25 wt%, not only will the electrode capacity decrease, but the resistance will also increase.

以上のような電極材料は、第1に、錯形成反応、加水分解反応、酸化反応、重合反応、縮合反応等の液相反応においてリン酸バナジウムリチウムの前駆体を形成してから加熱、焼成することによって形成することができる。例えばペチーニ法を用いてリン酸源、導電性炭素材料、リチウム源、およびバナジウム源、を混合後、焼成して電極材料を得て良い。 The electrode material as described above can be formed by, first, forming a precursor of lithium vanadium phosphate in a liquid phase reaction such as a complex formation reaction, a hydrolysis reaction, an oxidation reaction, a polymerization reaction, or a condensation reaction, and then heating and baking the precursor. For example, the electrode material can be obtained by mixing a phosphate source, a conductive carbon material, a lithium source, and a vanadium source using the Pechini method, and then baking the mixture.

そして、第2に、得られた電極材料に、リン酸塩系化合物の結晶構造を有する耐水層の材料源を混合し焼成を行う。すなわち、リン酸バナジウムリチウムと導電性炭素材料を結合させて得た電極材料に対して、リン酸塩系化合物の結晶構造を有する耐水層を形成するのである。 Secondly, the resulting electrode material is mixed with a source material for a water-resistant layer having a crystal structure of a phosphate-based compound, and then fired. In other words, a water-resistant layer having a crystal structure of a phosphate-based compound is formed on the electrode material obtained by combining lithium vanadium phosphate with a conductive carbon material.

ペチーニ法による材料源の混合においては、複数のカルボキシル基を有する有機化合物と複数の水酸基を有するアルコールが添加される。複数のカルボキシル基を有する有機化合物は、バナジウムイオンを含む水溶液に添加されることで金属錯体を形成する。この金属錯体に複数の水酸基を有するアルコールを添加することで、エステル反応により高分子化する。 When mixing material sources using the Pechini method, an organic compound with multiple carboxyl groups and an alcohol with multiple hydroxyl groups are added. The organic compound with multiple carboxyl groups forms a metal complex when added to an aqueous solution containing vanadium ions. Adding an alcohol with multiple hydroxyl groups to this metal complex polymerizes through an ester reaction.

導電性炭素材料としては、カーボンナノチューブおよび中空シェル状の構造を有する導電性のカーボンブラック(例えば、ケッチェンブラック(登録商標))が好適であるが、カーボンナノファイバ、アセチレンブラック等のカーボンブラック、無定形炭素、炭素繊維、天然黒鉛、人造黒鉛、活性炭、メソポーラス炭素、ナノポーラス炭素、グラフェン、フラーレン又はこれらの複数の混合物も適用可能である。 As conductive carbon materials, carbon nanotubes and conductive carbon black having a hollow shell structure (e.g., Ketjen Black (registered trademark)) are suitable, but carbon blacks such as carbon nanofibers, acetylene black, amorphous carbon, carbon fibers, natural graphite, artificial graphite, activated carbon, mesoporous carbon, nanoporous carbon, graphene, fullerene, or mixtures of multiple of these can also be used.

バナジウム源及びリン酸源としては、リン酸バナジウムリチウムの生成反応に加水分解を採用する場合にも、生成反応に錯形成反応を採用する場合にも金属のアンモニウム塩、酢酸塩、硫酸塩、硝酸塩、ハロゲン化合物、及びキレート化剤が挙げられる。具体的には、バナジウム源を、NHVOとすることができる。ただし、V、V、金属バナジウム、V、バナジウム(III)アセチルアセトネートおよびバナジウム(IV)オキシアセチルアセトナートであってもよい。 The vanadium source and phosphate source include metal ammonium salts, acetates, sulfates, nitrates, halogen compounds, and chelating agents, whether the lithium vanadium phosphate is produced by hydrolysis or by complex formation. Specifically, the vanadium source can be NH 4 VO 3. However, it can also be V 2 O 5 , V 2 O 3 , metallic vanadium, V 2 O 4 , vanadium (III) acetylacetonate, and vanadium (IV) oxyacetylacetonate.

リン酸源としては、HPOを用いることができる。ただし、NHPO、(NHHPO、PおよびLiPO等のPO含有化合物であってもよい。 The phosphate source can be H3PO4 , although it can also be any PO4 -containing compound such as NH4H2PO4 , ( NH4 ) 2HPO4 , P2O5 , and Li3PO4 .

リチウム源としては、CHCOOLiが挙げられる。ただし、LiNO、LiCO、LiOH、LiOH・HO、LiCl、LiSOおよびLICであってもよい。 The lithium source may be CH3COOLi , but may also be LiNO3 , Li2CO3 , LiOH , LiOH.H2O , LiCl, Li2SO4 , and LIC3H5O3 .

複数のカルボキシル基を有する有機化合物としては、トリカルボン酸のクエン酸が挙げられるが、シュウ酸、マロン酸、コハク酸などのジカルボン酸であってもよい。また、複数の水酸基を有するアルコールとしては、エチレングリコールが挙げられるが、プロピレングリコールなどの他の2価のアルコール、またはグリセリンなどの3価のアルコール、ポリビニルアルコールのようなポリアルコールであってもよい。 An example of an organic compound having multiple carboxyl groups is the tricarboxylic acid citric acid, but it may also be a dicarboxylic acid such as oxalic acid, malonic acid, or succinic acid. An example of an alcohol having multiple hydroxyl groups is ethylene glycol, but it may also be other dihydric alcohols such as propylene glycol, or trihydric alcohols such as glycerin, or polyalcohols such as polyvinyl alcohol.

耐水層の材料源としては、金属源とリン酸源があり、電極材料に混合された後に再焼成することで電極材料を被覆する耐水層となる。リン酸源としては、HPO、NHPO、(NHHPO、PおよびLiPO等のPO含有化合物を用いることができる。耐水層がAlPOを含む場合には、金属源として、Al(NOが挙げられるが、トリイソプロポキシアルミニウム、金属アルミニウム、アルミナ、他のアルミニウムの無機酸塩および有機酸塩であってもよい。 The material source of the water-resistant layer includes a metal source and a phosphate source, which is mixed with the electrode material and then re-fired to form a water-resistant layer that covers the electrode material . The phosphate source can be a PO4 - containing compound such as H3PO4 , NH4H2PO4 , ( NH4 ) 2HPO4 , P2O5 , and Li3PO4. When the water-resistant layer contains AlPO4 , the metal source can be Al( NO3 ) 3 , but it can also be triisopropoxyaluminum, metallic aluminum, alumina, or other inorganic and organic salts of aluminum.

また、耐水層がLiTi(POを含む場合には、金属源として、Ti(OBu)が挙げられるが、酸化チタン、チタンアルコキシド等であっても良い。耐水層がLiTi(POを含む場合には、リン酸源および金属源に加えて、リチウム源および複数のカルボキシル基を有する有機化合物が材料源に含まれる。リチウム源としては、CHCOOLi、LiNO、LiCO、LiOH、LiOH・HO、LiCl、LiSOおよびLICが挙げられる。複数のカルボキシル基を有する有機化合物は、トリカルボン酸のクエン酸が挙げられるが、シュウ酸、マロン酸、コハク酸などのジカルボン酸、ポリアクリル酸のようなポリカルボン酸であっても良い。 In addition, when the water-resistant layer contains LiTi 2 (PO 4 ) 3 , the metal source may be Ti(O n Bu) 4 , but may also be titanium oxide, titanium alkoxide, etc. When the water-resistant layer contains LiTi 2 (PO 4 ) 3 , in addition to the phosphoric acid source and the metal source, the material source may include a lithium source and an organic compound having multiple carboxyl groups. Examples of the lithium source include CH 3 COOLi, LiNO 3 , Li 2 CO 3 , LiOH, LiOH.H 2 O, LiCl, Li 2 SO 4, and LIC 3 H 5 O 3. Examples of the organic compound having multiple carboxyl groups include tricarboxylic acid such as citric acid, but may also be dicarboxylic acids such as oxalic acid, malonic acid, and succinic acid, or polycarboxylic acids such as polyacrylic acid.

[製造方法]
本実施形態の電極材料の製造方法は、以下の工程を有する。
(1)導電性炭素材料とリン酸バナジウムリチウムを結合させる結晶化工程
(2)結晶化工程により得られた電極材料に耐水層を形成する被覆工程
[Production method]
The method for producing an electrode material according to the present embodiment includes the following steps.
(1) A crystallization step for bonding a conductive carbon material with lithium vanadium phosphate; (2) A coating step for forming a water-resistant layer on the electrode material obtained by the crystallization step.

(1)結晶化工程
結晶化工程は、導電性炭素材料の表面にリン酸バナジウムリチウムを結合させる工程である。以下に、図1を用いてペチーニ法による結晶化工程の一例を説明する。ただし、結晶化工程では導電性炭素材料とリン酸バナジウムリチウムが結合されていればよく、その具体的な方法は下記に限定されない。
(1) Crystallization step The crystallization step is a step of bonding lithium vanadium phosphate to the surface of a conductive carbon material. An example of the crystallization step by the Pechini method will be described below with reference to Fig. 1. However, it is sufficient that the conductive carbon material and lithium vanadium phosphate are bonded in the crystallization step, and the specific method is not limited to the following.

すなわち、各材料源の混合の順番や、焼成の回数やタイミングは、適宜変更することができる。また、リン酸バナジウムリチウムの前駆体の形成に用いる液相反応は、錯形成反応に限定されず、加水分解反応、酸化反応、重合反応、縮合反応等の他の反応を用いることもできる。 In other words, the order of mixing the material sources and the number and timing of firing can be changed as appropriate. In addition, the liquid phase reaction used to form the lithium vanadium phosphate precursor is not limited to a complex formation reaction, and other reactions such as a hydrolysis reaction, an oxidation reaction, a polymerization reaction, and a condensation reaction can also be used.

結晶化工程では、まず第1に、リン酸源と導電性炭素材料を水に加えて1回目のメカノケミカル処理を行う。なお、リン酸源に代わってバナジウム源を混合する構成としても良い。メカノケミカル処理は、旋回する反応容器等を用いてずり応力や遠心力等の機械的エネルギーを与える処理である。メカノケミカル処理は、超遠心力処理(Ultra-Centrifugal
force processing method:以下、UC処理という)等、ずり応力、遠心力、その他の機械的エネルギーを加えることができればよい。要するに、機械的エネルギーによって、リン酸源またはバナジウム源と導電性炭素材料の分散液を得ることにより、導電性炭素材料にリン酸源またはバナジウム源を付着させ、導電性炭素材料の表面上にリン酸バナジウムリチウムの基点を生成できればよい
In the crystallization process, first, a phosphoric acid source and a conductive carbon material are added to water to perform a first mechanochemical treatment. Note that a vanadium source may be mixed in place of the phosphoric acid source. The mechanochemical treatment is a treatment in which mechanical energy such as shear stress or centrifugal force is applied using a rotating reaction vessel or the like. The mechanochemical treatment is a process that uses ultra-centrifugal force treatment (Ultra-Centrifugal
In short, it is sufficient to apply shear stress, centrifugal force, or other mechanical energy by using mechanical energy such as a UC process, etc., so that the phosphate source or vanadium source can be attached to the conductive carbon material by obtaining a dispersion of the phosphate source or vanadium source and the conductive carbon material, and base points of lithium vanadium phosphate can be generated on the surface of the conductive carbon material.

メカノケミカル処理では、旋回する反応器内で溶液にずり応力と遠心力とを印加する処理をする。反応器としては、外筒と内筒の同心円筒からなり、旋回可能な内筒の側面に貫通孔が設けられ、外筒の開口部にせき板が配置されている反応器が好適に使用される。この機械的なエネルギーが反応に必要な化学エネルギー、いわゆる活性化エネルギーに転化するものと思われる。これにより、短時間で反応が進行する。機械的エネルギーの満足する付与のためには、1500N(kgms-2)以上の遠心力を発生させることが望ましい。好ましくは60000N(kgms-2)以上である。 In mechanochemical processing, a solution is subjected to shear stress and centrifugal force in a rotating reactor. The reactor is preferably made of an outer cylinder and an inner cylinder, with a through hole on the side of the inner cylinder that can rotate, and a sheathing plate on the opening of the outer cylinder. It is believed that this mechanical energy is converted into chemical energy required for the reaction, that is, activation energy. This allows the reaction to proceed in a short time. To provide a satisfactory amount of mechanical energy, it is desirable to generate a centrifugal force of 1500 N (kgms -2 ) or more. Preferably, it is 60,000 N (kgms -2 ) or more.

そして、第2に、2回目のメカノケミカル処理を行い、導電性炭素材料の表面上に生成されたリン酸バナジウムリチウムの基礎を基点に、リン酸バナジウムリチウムの前駆体を生成する。例えば、リン酸源と導電性炭素材料の分散液に対して、バナジウム源、複数のカルボキシル基を有する有機化合物、リチウム源を添加する。さらに、複数の水酸基を有するアルコールを添加し、2回目のメカノケミカル処理を行う。 Secondly, a second mechanochemical treatment is performed to generate a precursor of lithium vanadium phosphate based on the lithium vanadium phosphate generated on the surface of the conductive carbon material. For example, a vanadium source, an organic compound having multiple carboxyl groups, and a lithium source are added to a dispersion of a phosphoric acid source and a conductive carbon material. Furthermore, an alcohol having multiple hydroxyl groups is added, and a second mechanochemical treatment is performed.

以上のようなメカノケミカル処理は、リチウム源、バナジウム源、リン酸源、及び導電性炭素材料の微細化と高分散化処理を兼ねることもできる。リチウム源、バナジウム源及びリン酸源をメカノケミカル処理することで、錯形成反応、加水分解反応、重合反応、縮合反応等のリン酸バナジウムリチウム前駆体の生成促進、リン酸バナジウムリチウム前駆体と導電性炭素材料との結合促進、及びリン酸バナジウムリチウム前駆体のナノ粒子化、が図られる。 The above-mentioned mechanochemical treatment can also serve to micronize and highly disperse the lithium source, vanadium source, phosphate source, and conductive carbon material. By subjecting the lithium source, vanadium source, and phosphate source to mechanochemical treatment, it is possible to promote the generation of lithium vanadium phosphate precursors through complex formation reactions, hydrolysis reactions, polymerization reactions, condensation reactions, etc., promote the bonding between the lithium vanadium phosphate precursor and the conductive carbon material, and form the lithium vanadium phosphate precursor into nanoparticles.

なお、上記の例では、メカノケミカル処理を2回行う例を説明したが、微粒子化や高分散化を図る観点から、各材料源の混合後にメカノケミカル処理を加えて3回以上メカノケミカル処理を行う構成としても良い。また、リチウム源、バナジウム源、リン酸源、及び導電性炭素材料、その他の材料源を一度に混合し、混合液に対して1回メカノケミカル処理を行う構成としても良い。 In the above example, the mechanochemical treatment is performed twice, but from the viewpoint of achieving fine particle size and high dispersion, the mechanochemical treatment may be performed three or more times by adding the mechanochemical treatment after mixing each material source. Also, the lithium source, vanadium source, phosphate source, conductive carbon material, and other material sources may be mixed at once, and the mixed solution may be subjected to the mechanochemical treatment once.

第3に、溶液をエバポレーターにより濃縮および乾燥し、80~130℃で真空乾燥した後、空気雰囲気中で250~300℃において、3~5時間予備焼成を行う。この予備焼成での熱処理により、導電性炭素材料以外の炭素を除去する。また、複数のカルボキシル基を有する有機化合物、複数の水酸基を有するアルコール、複数のカルボキシル基を有する有機化合物と、複数の水酸基を有するアルコールとのエステル化により形成されたポリマーを除去する。 Thirdly, the solution is concentrated and dried using an evaporator, vacuum dried at 80-130°C, and then pre-baked in an air atmosphere at 250-300°C for 3-5 hours. This heat treatment in pre-baking removes carbon other than the conductive carbon material. It also removes organic compounds with multiple carboxyl groups, alcohols with multiple hydroxyl groups, and polymers formed by esterification of organic compounds with multiple carboxyl groups and alcohols with multiple hydroxyl groups.

さらに、窒素雰囲気中で700~900℃において、5~120分間焼成を行う。この焼成で、バナジウムが凝集することなく酸化され、リン酸バナジウムリチウムの結晶化が進行する。これによりナノ粒子のリン酸バナジウムリチウムが導電性炭素材料の表面に結合した複合体粉末の電極材料が得られる。以上が、結晶化工程の処理である。 Furthermore, the material is sintered in a nitrogen atmosphere at 700 to 900°C for 5 to 120 minutes. During this sintering, the vanadium is oxidized without agglomerating, and the crystallization of lithium vanadium phosphate progresses. This results in a composite powder electrode material in which nanoparticles of lithium vanadium phosphate are bonded to the surface of the conductive carbon material. This completes the crystallization process.

(2)被覆工程
被覆工程では、結晶化工程により得られた電極材料に耐水層を形成する。被覆工程は、結晶化が行われリン酸バナジウムリチウムが導電性炭素材料の表面に結合した電極材料に対して行われる。以下に、図2を用いて、耐水層を形成する被覆工程の一例について説明する。
(2) Coating step In the coating step, a water-resistant layer is formed on the electrode material obtained by the crystallization step. The coating step is performed on the electrode material in which the lithium vanadium phosphate is bonded to the surface of the conductive carbon material through crystallization. An example of the coating step for forming a water-resistant layer will be described below with reference to FIG. 2.

まず、耐水層の材料源が可溶な液体中に、耐水層の材料源と結晶化工程で得られた電極材料とを加えて、メカノケミカル処理を行う。このメカノケミカル処理により、耐水層の材料源と電極材料が微細化され溶液中に分散される。 First, the source material for the water-resistant layer and the electrode material obtained in the crystallization process are added to a liquid in which the source material for the water-resistant layer is soluble, and mechanochemical treatment is performed. This mechanochemical treatment causes the source material for the water-resistant layer and the electrode material to be finely divided and dispersed in the solution.

次に、溶液をエバポレーターにより濃縮および乾燥し、80~130℃で真空乾燥した後、窒素雰囲気中で500~900℃において、5~120分間焼成を行う。この焼成で、耐水層の材料源が電極材料を被覆して耐水層となる。また、被覆工程では、結晶化工程で得られた電極材料を溶液に添加するため、水分により電極材料の構造に変化が生じている。しかし、この焼成を行うことにより、構造変化が生じた電極材料が再度結晶化される。これにより、結晶化工程により得られた電極材料に耐水層を形成する。以上が、被覆工程の処理である。 Next, the solution is concentrated and dried using an evaporator, vacuum dried at 80-130°C, and then fired in a nitrogen atmosphere at 500-900°C for 5-120 minutes. This firing causes the source material for the water-resistant layer to coat the electrode material, forming a water-resistant layer. In addition, in the coating process, the electrode material obtained in the crystallization process is added to the solution, and moisture causes a change in the structure of the electrode material. However, by carrying out this firing, the electrode material with the changed structure is re-crystallized. This forms a water-resistant layer on the electrode material obtained in the crystallization process. This completes the coating process.

[作用効果]
上記の通り、本実施形態の電極材料は、導電性炭素材料に結合したリン酸バナジウムリチウムを含み、リン酸バナジウムリチウムは、耐水層を有する。このようにリン酸バナジウムリチウムが耐水層を有することにより水分による構造変化を抑制することが可能となる。また、耐水層がリン酸塩系化合物の結晶構造を有する場合には、リン酸バナジウムリチウムと親和性が高く、水分による結晶構造の変化をより抑制することが可能となる。
[Action and Effect]
As described above, the electrode material of the present embodiment includes lithium vanadium phosphate bonded to a conductive carbon material, and the lithium vanadium phosphate has a water-resistant layer. By having the lithium vanadium phosphate have a water-resistant layer in this way, it is possible to suppress structural changes caused by moisture. In addition, when the water-resistant layer has a crystal structure of a phosphate-based compound, it has a high affinity with lithium vanadium phosphate, and it is possible to further suppress changes in the crystal structure caused by moisture.

耐水層が、リン酸アルミ化合物またはリン酸チタン化合物を含む場合には、水分の影響が抑えられ、水分へのバナジウムの溶出がより効果的に抑制される。耐水層は、リン酸バナジウムリチウムに対して5~25wt%となるように形成すると、電極容量の低下や抵抗増加を生じさせるおそれがない。 When the water-resistant layer contains an aluminum phosphate compound or a titanium phosphate compound, the effects of moisture are suppressed, and the elution of vanadium into moisture is more effectively prevented. If the water-resistant layer is formed so that it contains 5 to 25 wt % of lithium vanadium phosphate, there is no risk of a decrease in electrode capacity or an increase in resistance.

実施例に基づいて本発明をさらに詳細に説明する。なお、本発明は下記実施例に限定されるものではない。 The present invention will be described in more detail with reference to the following examples. Note that the present invention is not limited to the following examples.

(実施例1)
本実施例1では、下記に示す製造手順により、リン酸バナジウムリチウムとカーボンナノチューブ(以後、CNTという場合がある)の複合体からなり、AlPOを含む耐水層を有する電極材料を生成した。
Example 1
In this Example 1, an electrode material made of a composite of lithium vanadium phosphate and carbon nanotubes (hereinafter sometimes referred to as CNTs) and having a water-resistant layer containing AlPO4 was produced by the manufacturing procedure shown below.

リン酸バナジウムリチウムの材料源は、メタバナジン酸アンモニウム(NHVO)、酢酸リチウム(CHCOOLi)、リン酸(HPO)である。CNTの平均繊維径は、15~30nmである。リン酸バナジウムリチウムの各材料源とCNTの重量比率は、70:30である。 The material sources of the lithium vanadium phosphate are ammonium metavanadate (NH 4 VO 3 ), lithium acetate (CH 3 COOLi), and phosphoric acid (H 3 PO 4 ). The average fiber diameter of the CNTs is 15 to 30 nm. The weight ratio of each material source of the lithium vanadium phosphate to the CNTs is 70:30.

まず、蒸留水に、HPO1.58gと、CNT0.8gを加えた混合溶液を作成した。この混合液を80℃の環境下において、上記の反応器を用いてUC処理した。UC処理として、内筒を50m/sの回転速度で回転させて、5分間にわたって66000N(kgms-2)の遠心力を混合液に与えた。 First, a mixed solution was prepared by adding 1.58 g of H 3 PO 4 and 0.8 g of CNT to distilled water. This mixed solution was subjected to UC treatment using the above reactor in an environment of 80° C. As the UC treatment, the inner cylinder was rotated at a rotation speed of 50 m/s, and a centrifugal force of 66,000 N (kgms-2) was applied to the mixed solution for 5 minutes.

得られた混合液に対して、NHVO1.08gと、クエン酸1.77gと、CHCOOLi0.93gと蒸留水20gを加えた。さらに、エチレングリコール2.29gと蒸留水22gを添加した。これより、バナジウムイオンとクエン酸とで金属錯体が形成され、さらにクエン酸は、エチレングリコールとのエステル反応によりポリマーを形成する。この高分子化反応により形成されたポリマーは、金属錯体の間に入り込むことによって、金属錯体を分散させるとともにその分散状態を維持する。以上のような混合液に対して、上記と同様の条件でUC処理を行った。 To the obtained mixture, 1.08g of NH4VO3 , 1.77g of citric acid, 0.93g of CH3COOLi , and 20g of distilled water were added. Furthermore, 2.29g of ethylene glycol and 22g of distilled water were added. As a result, a metal complex was formed between the vanadium ions and the citric acid, and the citric acid further formed a polymer by an ester reaction with the ethylene glycol. The polymer formed by this polymerization reaction penetrates between the metal complexes, dispersing the metal complexes and maintaining the dispersed state. The above mixture was subjected to UC treatment under the same conditions as above.

そして、混合液をエバポレーターにより濃縮および乾燥し、80℃で真空乾燥した後、300℃にて5時間予備焼成を行った。その後、窒素雰囲気中で800℃、60分間焼成した。以上の結晶化工程により、リン酸バナジウムリチウムがCNTの表面に結合された電極材料を得た。 The mixture was then concentrated and dried using an evaporator, vacuum dried at 80°C, and pre-baked at 300°C for 5 hours. It was then baked at 800°C for 60 minutes in a nitrogen atmosphere. Through the above crystallization process, an electrode material was obtained in which lithium vanadium phosphate was bonded to the surface of the CNTs.

次に、得られた電極材料に、蒸留水に溶解させた耐水層の金属源(Al(NO)と耐水層のリン酸源((NHHPO)を添加した。電極材料2.2gに対して、20重量%Al(NO水溶液1.19gと、(NHHPO0.08gを添加した。以上のような混合液に対して、上記と同様の条件でUC処理を行った。 Next, the metal source (Al( NO3 ) 3 ) of the water-resistant layer and the phosphate source (( NH4 ) 2HPO4 ) of the water-resistant layer dissolved in distilled water were added to the obtained electrode material. 1.19 g of 20 wt% Al( NO3 ) 3 aqueous solution and 0.08 g of ( NH4 ) 2HPO4 were added to 2.2 g of the electrode material. The above mixture was subjected to UC treatment under the same conditions as above.

そして、混合液をエバポレーターにより濃縮および乾燥し、80℃で真空乾燥した後、窒素雰囲気中で800℃、30分間焼成した。以上の被覆工程により、リン酸バナジウムリチウムがCNTの表面に結合され、電極材料に対して5wt%のAlPOを含む耐水層が形成された電極材料を得た。 The mixture was concentrated and dried using an evaporator, vacuum dried at 80° C., and then baked in a nitrogen atmosphere at 800° C. for 30 minutes. Through the above coating process, lithium vanadium phosphate was bonded to the surface of the CNTs, and an electrode material was obtained in which a water-resistant layer containing 5 wt % AlPO4 was formed.

(実施例2)
本実施例2では、下記に示す製造手順により、リン酸バナジウムリチウムとCNTの複合体からなり、LiTi(POを含む耐水層を有する電極材料を生成した。結晶化工程については、上記実施例1と同様である。
Example 2
In this Example 2, an electrode material was produced by the following manufacturing procedure, which was made of a composite of lithium vanadium phosphate and CNT and had a water-resistant layer containing LiTi 2 (PO 4 ) 3. The crystallization process was the same as in Example 1.

被覆工程では、得られた電極材料に、エタノールに溶解させた耐水層の金属源(Ti(OBu))と、蒸留水に溶解させた耐水層のリン酸源(NHPO)、リチウム源(CHCOOLi)、およびクエン酸を添加した。電極材料0.45gに対して、Ti(OBu)0.04gとエタノール10gを加えた。さらに、蒸留水6gとNHPO0.02gと、CHCOOLi0.004gと、クエン酸0.01gとを添加した。以上のような混合液に対して、上記と同様の条件でUC処理を行った。 In the coating process, the metal source (Ti(O n Bu) 4 ) of the water-resistant layer dissolved in ethanol, the phosphate source (NH 4 H 2 PO 4 ), the lithium source (CH 3 COOLi), and citric acid of the water-resistant layer dissolved in distilled water were added to the obtained electrode material. 0.04 g of Ti(O n Bu) 4 and 10 g of ethanol were added to 0.45 g of the electrode material. Furthermore, 6 g of distilled water, 0.02 g of NH 4 H 2 PO 4 , 0.004 g of CH 3 COOLi, and 0.01 g of citric acid were added. The above mixture was subjected to UC treatment under the same conditions as above.

そして、混合液をエバポレーターにより濃縮および乾燥し、80℃で真空乾燥した後、窒素雰囲気中で800℃、30分間再焼成した。以上の被覆工程により、リン酸バナジウムリチウムがCNTの表面に結合され、電極材料に対して5wt%のLiTi(POを含む耐水層が形成された電極材料を得た。 The mixture was concentrated and dried using an evaporator, vacuum dried at 80° C., and then re-fired in a nitrogen atmosphere at 800° C. for 30 minutes. Through the above coating process, lithium vanadium phosphate was bonded to the surface of the CNTs, and an electrode material was obtained in which a water-resistant layer containing 5 wt % LiTi 2 (PO 4 ) 3 was formed.

(実施例3)
実施例3の電極材料の製造方法は、上記実施例2と同様である。ただし、電極材料0.45gに対して、Ti(OBu)0.21gと、NHPO0.10gと、CHCOOLi0.02gと、クエン酸0.06gとを添加して、電極材料に対して25wt%のLiTi(POを含む耐水層を形成した。
Example 3
The manufacturing method of the electrode material of Example 3 was the same as that of Example 2. However, 0.21 g of Ti(O n Bu) 4 , 0.10 g of NH 4 H 2 PO 4 , 0.02 g of CH 3 COOLi, and 0.06 g of citric acid were added to 0.45 g of the electrode material to form a water-resistant layer containing 25 wt % LiTi 2 (PO 4 ) 3 relative to the electrode material.

(比較例1)
比較例1の電極材料の製造方法は、上記実施例1の結晶化工程と同様である。ただし、比較例1の電極材料については被覆工程を行っておらず、耐水層は形成されていない。
(Comparative Example 1)
The manufacturing method of the electrode material of Comparative Example 1 was the same as the crystallization step of the above-mentioned Example 1. However, the electrode material of Comparative Example 1 was not subjected to the coating step, and no water-resistant layer was formed.

(比較例2)
比較例1の電極材料を、室温20~25度において、湿度約0%の低湿度環境に6日間放置したものを、比較例2の電極材料とした。
(Comparative Example 2)
The electrode material of Comparative Example 1 was left in a low humidity environment at room temperature of 20 to 25° C. and humidity of about 0% for 6 days to prepare an electrode material of Comparative Example 2.

(比較例3)
比較例1の電極材料を、室温20~25度において、湿度約80%の高湿度環境に6日間放置したものを、比較例3の電極材料とした。
(Comparative Example 3)
The electrode material of Comparative Example 1 was left in a high humidity environment at room temperature of 20 to 25° C. and humidity of about 80% for 6 days to obtain an electrode material of Comparative Example 3.

<リン酸バナジウムリチウムの耐水性について>
上記比較例1~3を用いて、耐水層を形成していないリン酸バナジウムリチウムの耐水性について検討を行った。すなわち、製造直後の電極材料である比較例1、低湿度放置後の電極材料である比較例2、高温放置後の電極材料である比較例3に対して、XRD(X線粉末回折法)による結晶構造の解析を行った。その結果を、図3に示す。
<Water resistance of lithium vanadium phosphate>
The water resistance of lithium vanadium phosphate not forming a water-resistant layer was examined using the above Comparative Examples 1 to 3. That is, the crystal structure of Comparative Example 1, which is an electrode material immediately after production, Comparative Example 2, which is an electrode material after being left at low humidity, and Comparative Example 3, which is an electrode material after being left at high temperature, was analyzed by XRD (X-ray powder diffraction method). The results are shown in FIG.

図3からも明らかな通り、製造直後の比較例1では、回折パターンにおいて、リン酸バナジウムリチウムの特徴的なピークが2θ=21度、24度、29度付近に確認された。そして、低湿度放置後の比較例2においても、比較例1と同様のピークが確認された。この結果より、リン酸バナジウムリチウムと導電炭素材料を結合させた電極材料は、湿度0%付近の低湿度環境に放置したとしても、その結晶構造に変化が生じないことが確認された。 As is clear from Figure 3, in the diffraction pattern of Comparative Example 1 immediately after production, peaks characteristic of lithium vanadium phosphate were confirmed at around 2θ = 21 degrees, 24 degrees, and 29 degrees. Furthermore, in Comparative Example 2 after being left at low humidity, peaks similar to those of Comparative Example 1 were confirmed. From these results, it was confirmed that the crystal structure of the electrode material combining lithium vanadium phosphate and a conductive carbon material does not change even when left in a low humidity environment with a humidity of around 0%.

一方、高湿度放置後の比較例3では、上記のリン酸バナジウムリチウムの特徴的なピークが消失していた。また、図中*やひし形のマークで示した通り、比較例1では確認されなかったピークが検出された。このうち*のピークについては、LiPO由来のピークであると推定されたが、ひし形のピークについては未知であった。この結果より、比較例3は、高湿度放置により、結晶構造に変化および分解が生じていることが確認された。すなわち、リン酸バナジウムリチウムは、大気中の水分の影響を受けやすく安定性が低いことが明らかとなった。 On the other hand, in Comparative Example 3 after being left at high humidity, the characteristic peaks of lithium vanadium phosphate disappeared. In addition, as shown by the * and diamond marks in the figure, peaks that were not confirmed in Comparative Example 1 were detected. Of these, the * peak was presumed to be a peak derived from Li 3 PO 4 , but the diamond peak was unknown. From this result, it was confirmed that the crystal structure of Comparative Example 3 had changed and decomposed due to being left at high humidity. In other words, it was revealed that lithium vanadium phosphate is easily affected by moisture in the air and has low stability.

<結晶構造の観察>
実施例1~3および比較例1について、高分解能透過電子顕微鏡により電極材料の結晶にフォーカスを当てたHRTEM像に撮像を行った。図4に、比較例1および実施例1のHRTEM像を示す。図4(a)および(b)は、撮像倍率20,000倍のHRTEM像である。この倍率では、比較例1および実施例1の全体的な結晶構造が確認され、どちらもCNTにリン酸バナジウムリチウムが結合した電極材料であることが分かった。
Observation of crystal structure
For Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, HRTEM images were taken by focusing on the crystals of the electrode material using a high-resolution transmission electron microscope. FIG. 4 shows HRTEM images of Comparative Example 1 and Example 1. FIGS. 4(a) and (b) are HRTEM images taken at a magnification of 20,000 times. At this magnification, the overall crystal structure of Comparative Example 1 and Example 1 was confirmed, and it was found that both were electrode materials in which lithium vanadium phosphate was bound to CNTs.

図4(c)および(d)は、撮像倍率300,000倍のHRTEM像である。図4(c)の比較例1のHRTEM像は、リン酸バナジウムリチウムの粒子像であるが、粒子表面における層形成は確認できない。一方、図4(d)の実施例1のHRTEM像では、図中矢印でその一部を示す通り、リン酸バナジウムリチウム粒子の表面に層が形成されていることが確認できた。 Figures 4(c) and (d) are HRTEM images taken at a magnification of 300,000 times. The HRTEM image of Comparative Example 1 in Figure 4(c) is an image of lithium vanadium phosphate particles, but no layer formation can be confirmed on the particle surface. On the other hand, in the HRTEM image of Example 1 in Figure 4(d), it can be confirmed that a layer has been formed on the surface of the lithium vanadium phosphate particles, as partially indicated by the arrow in the figure.

図5に、実施例2および3のHRTEM像を示す。図5(a)および(b)は撮像倍率150,000倍のHRTEM像であり、図5(c)および(d)は撮像倍率300,000倍のHRTEM像である。図5(a)および(c)より、実施例2のリン酸バナジウムリチウム粒子の表面には、粒状に層が形成されていることが確認できた。また、図5(b)および(d)より、実施例3のリン酸バナジウムリチウム粒子の表面には、均一な層が形成されていることが分かった。 HRTEM images of Examples 2 and 3 are shown in Figure 5. Figures 5(a) and (b) are HRTEM images at a magnification of 150,000 times, and Figures 5(c) and (d) are HRTEM images at a magnification of 300,000 times. Figures 5(a) and (c) confirm that a granular layer is formed on the surface of the lithium vanadium phosphate particles of Example 2. Figures 5(b) and (d) also confirm that a uniform layer is formed on the surface of the lithium vanadium phosphate particles of Example 3.

<リン酸バナジウムリチウムの耐水性評価方法>
リン酸バナジウムリチウムの耐水性を評価するための試験方法を検討し、下記の通りに試験を行うこととした。試験方法は、まず、製造直後の電極材料0.1gを蒸留水1ccに添加し、超音波処理により10分間攪拌した。その後、加熱装置を用いて、60度で47時間放置した。加熱処理後の混合液を濾過し、得られた粉末に対してXRD解析を行い、ろ液に対してICP発光分光分析を行いバナジウムの溶出量を測定した。XRD解析は、試験前の電極材料に対しても行い、試験後の結果と比較した。
<Method for Evaluating Water Resistance of Lithium Vanadium Phosphate>
A test method for evaluating the water resistance of lithium vanadium phosphate was examined, and the test was carried out as follows. The test method was as follows: 0.1 g of the electrode material immediately after production was added to 1 cc of distilled water and stirred for 10 minutes by ultrasonic treatment. Then, the mixture was left at 60 degrees for 47 hours using a heating device. The mixture after the heat treatment was filtered, and the obtained powder was subjected to XRD analysis, and the filtrate was subjected to ICP emission spectroscopy to measure the amount of vanadium eluted. XRD analysis was also performed on the electrode material before the test, and the results were compared with those after the test.

図6に、比較例1の電極材料について、試験前および試験後に行ったXRD解析の結果を示す。試験前の電極材料では、リン酸バナジウムリチウムの特徴的なピークが確認された。しかし、試験後の電極材料では、その特徴的なピークが消失し、CNT由来のピークのみが確認された。この結果により、比較例1のようなLi(PO)/CNTの電極材料は水分に弱く、本試験を行うとほぼすべてのリン酸バナジウムリチウムがろ液に溶解したことが確認された。 FIG. 6 shows the results of XRD analysis performed before and after the test on the electrode material of Comparative Example 1. A characteristic peak of lithium vanadium phosphate was confirmed in the electrode material before the test. However, in the electrode material after the test, the characteristic peak disappeared, and only the peak derived from CNT was confirmed. From this result, it was confirmed that the electrode material of Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 /CNT such as Comparative Example 1 is vulnerable to moisture, and when this test was performed, almost all of the lithium vanadium phosphate was dissolved in the filtrate.

次に、図7に、実施例1の電極材料について、試験前および試験後に行ったXRD解析の結果を示す。実施例1の電極材料では、試験前および試験後の電極材料で回折パターンのピーク値に大きな変化は生じなかった。この結果により、実施例1のようなAlPOを含む耐水層で被覆されたLi(PO)/CNTの電極材料は水分の影響を受けにくく、本試験を行っても結晶構造に大きな変化が生じておらず、リン酸バナジウムリチウムのろ液への溶解が抑制されていることが確認された。 Next, Fig. 7 shows the results of XRD analysis performed before and after the test on the electrode material of Example 1. For the electrode material of Example 1, there was no significant change in the peak value of the diffraction pattern before and after the test. From this result, it was confirmed that the electrode material of Li3V2 ( PO4 ) 3 /CNT coated with a water-resistant layer containing AlPO4 as in Example 1 is not easily affected by moisture, that the crystal structure does not change significantly even when this test is performed, and that the dissolution of lithium vanadium phosphate in the filtrate is suppressed.

次に、比較例1および実施例1の電極材料について、試験前および試験後に行ったICP発光分光分析の結果を表1に示す。

Figure 0007609562000001
Next, the results of ICP emission spectroscopic analysis performed on the electrode materials of Comparative Example 1 and Example 1 before and after the test are shown in Table 1.
Figure 0007609562000001

表1より、耐水層を有しない比較例1では、添加したバナジウムに対して86.6%のバナジウムがろ液に溶出していた。一方、AlPOを含む耐水層を有する実施例1では、添加したバナジウムに対して31.3%のバナジウムがろ液に溶出していた。以上の結果より、AlPOを含む耐水層を設けた電極材料は、耐水層により水分の影響が抑えられ、水分へのバナジウムの溶出が抑制されていることが明らかとなった。 As seen from Table 1, in Comparative Example 1 having no water-resistant layer, 86.6% of the vanadium added was dissolved into the filtrate. On the other hand, in Example 1 having a water-resistant layer containing AlPO4 , 31.3% of the vanadium added was dissolved into the filtrate. From the above results, it was revealed that the electrode material provided with a water-resistant layer containing AlPO4 has the effect of moisture suppressed by the water-resistant layer, and the dissolution of vanadium into moisture is suppressed.

<添加量の検討>
実施例2および3についても上記の耐水性を評価する試験を行った。図8(a)に、実施例2の電極材料について、試験前および試験後に行ったXRD解析の結果を示す。また、図8(b)に、実施例3の電極材料について、試験前および試験後に行ったXRD解析の結果を示す。実施例2および3の電極材料では、試験前および試験後の電極材料で回折パターンのピーク値に大きな変化は生じなかった。この結果により、実施例2および3のようなLiTi(POを含む耐水層で被覆されたLi(PO)/CNTの電極材料は水分の影響を受けにくく、本試験を行っても結晶構造に大きな変化が生じておらず、リン酸バナジウムリチウムのろ液への溶解が抑制されていることが確認された。
<Consideration of the amount of addition>
The above-mentioned tests to evaluate the water resistance were also conducted for Examples 2 and 3. FIG. 8(a) shows the results of XRD analysis performed before and after the test for the electrode material of Example 2. FIG. 8(b) shows the results of XRD analysis performed before and after the test for the electrode material of Example 3. For the electrode materials of Examples 2 and 3, the peak values of the diffraction patterns of the electrode materials before and after the test did not change significantly. From these results, it was confirmed that the electrode material of Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 /CNT coated with a water-resistant layer containing LiTi 2 (PO 4 ) 3 as in Examples 2 and 3 is not easily affected by moisture, and the crystal structure does not change significantly even when this test is performed, and the dissolution of lithium vanadium phosphate into the filtrate is suppressed.

次に、実施例2および3の電極材料について、試験前および試験後に行ったICP発光分光分析の結果を表2に示す。

Figure 0007609562000002
Next, the results of ICP emission spectroscopic analysis performed on the electrode materials of Examples 2 and 3 before and after the test are shown in Table 2.
Figure 0007609562000002

表2より、リン酸バナジウムリチウムに対して5wt%のLiTi(POを含む耐水層を有する実施例2では、添加したバナジウムに対して37.7%のバナジウムがろ液に溶出していた。これは、リン酸バナジウムリチウムに対して5wt%のAlPOを含む耐水層を有する実施例1と同等の結果であった。 From Table 2, in Example 2 having a water-resistant layer containing 5 wt % LiTi2 ( PO4 ) 3 relative to lithium vanadium phosphate, 37.7% of the vanadium added was dissolved in the filtrate, which was equivalent to the result in Example 1 having a water-resistant layer containing 5 wt % AlPO4 relative to lithium vanadium phosphate.

リン酸バナジウムリチウムに対して25wt%のLiTi(POを含む耐水層を有する実施例3では、添加したバナジウムに対して23.3%のバナジウムがろ液に溶出していた。以上より、リン酸バナジウムリチウムに対する耐水層の割合を増加させることにより、より均一な耐水層の被覆が可能となり、より水分の影響が抑えられ、水分へのバナジウムの溶出が抑制可能となることが分かった。 In Example 3 having a water-resistant layer containing 25 wt % LiTi2 ( PO4 ) 3 relative to lithium vanadium phosphate, 23.3% of the vanadium added was dissolved in the filtrate. From the above, it was found that by increasing the ratio of the water-resistant layer to the lithium vanadium phosphate, a more uniform coating of the water-resistant layer is possible, the effect of moisture is further suppressed, and the dissolution of vanadium into moisture can be suppressed.

<セルの容量維持率>
実施例1、実施例2、実施例3、および比較例1の電極材料を、PVDFを用いて電極化し、対極にL12セル、電解液に1M LiPF/EC+DEC 1:1(in volume)を用いたフルセルを作成し、容量維持率を評価した。その結果、耐水層を有しない比較例1の容量維持率は77%、リン酸バナジウムリチウムに対して5wt%のAlPOを含む耐水層を有する実施例1の容量維持率は89%、リン酸バナジウムリチウムに対して5wt%のLiTi(POを含む耐水層を有する実施例2の容量維持率は87%であった。また、リン酸バナジウムリチウムに対して25wt%のLiTi(POを含む耐水層を有する実施例3の容量維持率は91%であった。
<Cell capacity maintenance rate>
The electrode materials of Example 1, Example 2, Example 3, and Comparative Example 1 were made into electrodes using PVDF, and full cells were made using L 4 T 5 O 12 cells as the counter electrode and 1M LiPF 6 /EC+DEC 1:1 (in volume) as the electrolyte, and the capacity retention rate was evaluated. As a result, the capacity retention rate of Comparative Example 1 without a water-resistant layer was 77%, the capacity retention rate of Example 1 having a water-resistant layer containing 5 wt% AlPO 4 relative to lithium vanadium phosphate was 89%, and the capacity retention rate of Example 2 having a water-resistant layer containing 5 wt% LiTi 2 (PO 4 ) 3 relative to lithium vanadium phosphate was 87%. In addition, the capacity retention rate of Example 3 having a water-resistant layer containing 25 wt% LiTi 2 (PO 4 ) 3 relative to lithium vanadium phosphate was 91%.

この結果より、AlPOやLiTi(POを含む耐水層を形成した場合であっても、耐水層を有しない電極材料と同等の充放電特性を有することが分かった。また、LiTi(POの含有量により、容量維持率に変化が生じないことが確認された。すなわち、AlPOやLiTi(POを含む耐水層の存在により、充放電特性に劣化が生じないことが確認された。 From this result, it was found that even when a water-resistant layer containing AlPO4 or LiTi2 ( PO4 ) 3 was formed, the charge/discharge characteristics were equivalent to those of an electrode material that did not have a water-resistant layer. It was also confirmed that the capacity retention rate did not change depending on the content of LiTi2 ( PO4 ) 3 . In other words, it was confirmed that the presence of a water-resistant layer containing AlPO4 or LiTi2 ( PO4 ) 3 did not cause deterioration in the charge/discharge characteristics.

Claims (6)

導電性炭素材料に結合したリン酸バナジウムリチウムを含み、
前記リン酸バナジウムリチウムは、耐水層を有し、
前記耐水層は、リン酸塩系化合物の結晶構造を有し、
前記リン酸塩系化合物の結晶構造を有する前記耐水層は、リン酸アルミ化合物、又は、リン酸チタン化合物、又は、Xαβ(POγで表され、X=Li,Na,K,Caの何れかであり、M=Al,Mn,Co,Fe,Mg,Ni,Ti,Zn,Cr,Ni,Cu,Zr,Nbの何れかであり、
前記耐水層は電極化前に形成された耐水層である電極材料。
comprising lithium vanadium phosphate bound to a conductive carbon material;
The lithium vanadium phosphate has a water-resistant layer,
the water-resistant layer has a crystal structure of a phosphate-based compound,
The water-resistant layer having a crystal structure of the phosphate-based compound is an aluminum phosphate compound, or a titanium phosphate compound, or is represented by XαMβ ( PO4 ) γ , where X is any one of Li, Na, K, and Ca, and M is any one of Al, Mn, Co, Fe, Mg, Ni, Ti, Zn, Cr, Ni, Cu, Zr, and Nb;
The water-resistant layer is a water-resistant layer formed before forming an electrode.
前記リン酸アルミ化合物がAlPOである請求項1記載の電極材料。 2. The electrode material according to claim 1, wherein the aluminum phosphate compound is AlPO4 . 前記リン酸チタン化合物がLiTi(POである請求項1記載の電極材料。 2. The electrode material according to claim 1, wherein the titanium phosphate compound is LiTi2 ( PO4 ) 3 . 前記耐水層は、リン酸バナジウムリチウムに対して5~25wt%となるように形成される請求項1~いずれか一項記載の電極材料。 4. The electrode material according to claim 1, wherein the water-resistant layer is formed so as to have a content of 5 to 25 wt % relative to lithium vanadium phosphate. 導電性炭素材料とリン酸バナジウムリチウムを結合させる結晶化工程と、
前記結晶化工程により得られた電極材料に耐水層を形成する被覆工程と、を有し、
前記被覆工程は、前記結晶化工程により得られた電極材料に対して、溶液中にて耐水層の材料源を混合する混合工程と、
前記混合工程で得られた溶液を焼成する焼成工程と、を含み、
前記耐水層は、リン酸塩系化合物の結晶構造を有する、電極材料の製造方法。
a crystallization step of combining the conductive carbon material with lithium vanadium phosphate;
A coating step of forming a water-resistant layer on the electrode material obtained by the crystallization step,
The coating step includes a mixing step of mixing a material source of a water-resistant layer in a solution with the electrode material obtained by the crystallization step;
A baking step of baking the solution obtained in the mixing step,
The water-resistant layer has a crystal structure of a phosphate-based compound.
前記リン酸塩系化合物の結晶構造有する耐水層は、リン酸アルミ化合物、又は、リン酸チタン化合物、又は、Xαβ(POγで表され、X=Li,Na,K,Caの何れかであり、M=Al,Mn,Co,Fe,Mg,Ni,Ti,Zn,Cr,Ni,Cu,Zr,Nbの何れかである、請求項5記載の電極材料の製造方法。
6. The method for producing an electrode material according to claim 5, wherein the water-resistant layer having a crystal structure of a phosphate-based compound is an aluminum phosphate compound, or a titanium phosphate compound, or is represented by XαMβ ( PO4 ) γ , where X is any one of Li, Na, K, and Ca, and M is any one of Al, Mn, Co, Fe, Mg, Ni, Ti, Zn, Cr, Ni, Cu, Zr, and Nb.
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