JP7743904B2 - Niobium-containing oxide powder, electrode using same, and power storage device - Google Patents
Niobium-containing oxide powder, electrode using same, and power storage deviceInfo
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Description
本発明は、蓄電デバイスの電極材料等として好適なニオブ含有酸化物粉末、それを用いた電極、及び蓄電デバイスに関する。 The present invention relates to niobium-containing oxide powder suitable as an electrode material for electricity storage devices, electrodes using the same, and electricity storage devices.
電気自動車用の蓄電デバイスには、燃費または電費向上の観点から高いエネルギー密度が求められ、特にリチウムイオン電池は、電気自動車や電力貯蔵用の電源として広く使用されている。リチウムイオン電池の電極材料として種々の材料が研究されており、チタン酸リチウムは入出力特性に優れる点があるものの、エネルギー密度が175mAh/gに留まるため、更なる高エネルギー化には課題が残る。そこで代替候補として、380mAh/gと高いエネルギー密度を持つチタン酸ニオブを中心とするニオブ含有酸化物を負極材料として活用する動きが見られている。 Electric vehicle energy storage devices require high energy density in order to improve fuel economy and power consumption, and lithium-ion batteries in particular are widely used as power sources for electric vehicles and power storage. Various materials are being researched as electrode materials for lithium-ion batteries, and while lithium titanate has excellent input/output characteristics, its energy density remains at 175 mAh/g, leaving challenges in achieving even higher energy. Therefore, as an alternative candidate, there is a movement to use niobium-containing oxides, primarily niobium titanate, which has a high energy density of 380 mAh/g, as anode materials.
また、現在市販されているリチウムイオン電池は、可燃性の有機溶媒を含む電解液が使用されているため、短絡時に備えて温度上昇を抑える安全装置の取り付けや短絡防止の構造が必要になる。このような状況下で有機電解液に代えて、無機固体電解質を用いた全固体二次電池が注目されている。全固体二次電池は正極、負極および電解質すべてが固体からなるため、有機電解液を用いた電池の課題である安全性、信頼性を大きく改善できる可能性があり、また安全装置の簡略化が図れることから高エネルギー密度化が可能となるため、電気自動車や大型蓄電池等への応用が期待されている。 In addition, currently commercially available lithium-ion batteries use electrolytes containing flammable organic solvents, making it necessary to install safety devices to suppress temperature increases in the event of a short circuit, as well as short-circuit prevention structures. Under these circumstances, all-solid-state secondary batteries that use inorganic solid electrolytes instead of organic electrolytes are attracting attention. Because the positive and negative electrodes and electrolytes of all-solid-state secondary batteries are all solid, they have the potential to significantly improve the safety and reliability issues associated with batteries that use organic electrolytes. Furthermore, because safety devices can be simplified, higher energy densities are possible, making them promising for use in electric vehicles, large-scale storage batteries, and other applications.
非特許文献1および非特許文献2には、ニオブチタン複合酸化物としてソルボサーマル法や固相法で作製された粒子サイズ範囲が20~200nmの一次粒子によって構成された多孔性のTi2Nb14O39や固相法で作製されたTi2Nb14O39が開示されており、蓄電デバイスの電極材料として適応させた場合に、特にソルボサーマル法で作製されたTi2Nb14O39においてレート特性が優れることが報告されている。また、特許文献1には、ソルボサーマル法により作製された3価金属を含むTiNb2O7、TiNb10O29が開示されており、3価金属を含まない酸化物よりサイクルに伴う容量損失が小さいことが報告されている。 Non-Patent Documents 1 and 2 disclose porous Ti 2 Nb 14 O 39 and Ti 2 Nb 14 O 39 produced by a solid-state method, which are niobium-titanium composite oxides and are composed of primary particles with a particle size range of 20 to 200 nm, produced by a solvothermal method, and Ti 2 Nb 14 O 39 produced by a solid-state method, and report that when used as an electrode material for an electricity storage device, Ti 2 Nb 14 O 39 produced by a solvothermal method in particular has excellent rate characteristics. Furthermore, Patent Document 1 discloses TiNb 2 O 7 and TiNb 10 O 29 containing a trivalent metal produced by a solvothermal method, and reports that they have smaller capacity loss with cycling than oxides that do not contain a trivalent metal.
しかしながら、非特許文献1、2の20~200nmの一次粒子によって構成された多孔性のTi2Nb14O39を負極材料として適用した場合、二次粒子内部まで導電性を確保するために非常に多くの導電助剤を有する。その結果、負極合剤中の活物質割合が小さくなり、負極当たりのエネルギー密度が小さくなるという課題がある。また比表面積が非常に大きいため、初回効率が大きく低下する課題もある。更にこのような多孔性粒子を全固体電池に適応すると、二次粒子内部と固体電解質が接触できないため、容量を得ることができない。また、非特許文献1に示されている固相法で作製したTi2Nb14O39をより負極合剤中の活物質割合が大きく、導電助剤の割合が少ない負極で評価した場合、充放電レート特性が低下してしまう課題があった。Ti2Nb14O39の粒子径や比表面積を制御することにより、電池特性の改善は見られたものの、十分満足できるものではなかった。一方、特許文献1に記載されている3価金属を含むTiNb2O7やTi2Nb10O29を用いた電池では、レート特性の改善は見られるものの、サイクルに伴い電池の容量(電池容量)が大きく低下するという課題があった。この原因を種々検討したところ、3価金属を含むTiNb2O7やTi2Nb10O29は、充放電に伴う電極の厚み変化が大きく、その結果、サイクル低下が生じることが分かった。なお、電池容量を上げるメリットとして、単位重量または単位面積(単位体積)あたりのエネルギー密度向上に繋がるので、電気自動車の走行距離延長や蓄電池の設置スペース確保に繋がる点などが挙げられる。 However, when the porous Ti 2 Nb 14 O 39 described in Non-Patent Documents 1 and 2, which is composed of 20-200 nm primary particles, is used as a negative electrode material, it contains a large amount of conductive additive to ensure conductivity even within the secondary particles. As a result, the active material content in the negative electrode mixture is reduced, resulting in a low energy density per negative electrode. Furthermore, the very large specific surface area significantly reduces the initial efficiency. Furthermore, when such porous particles are applied to all-solid-state batteries, the solid electrolyte cannot contact the interior of the secondary particles, making it impossible to obtain sufficient capacity. Furthermore, when the Ti 2 Nb 14 O 39 prepared by the solid-state method described in Non-Patent Document 1 is evaluated in a negative electrode with a higher active material content and a lower conductive additive content, there is a problem of reduced charge/discharge rate characteristics. Although battery performance was improved by controlling the particle size and specific surface area of Ti 2 Nb 14 O 39 , the results were not fully satisfactory. On the other hand, in the batteries using TiNb2O7 or Ti2Nb10O29 containing trivalent metals described in Patent Document 1, although the rate characteristics were improved , there was a problem that the battery capacity (battery capacity) significantly decreased with cycling. After various investigations into the cause of this, it was found that TiNb2O7 or Ti2Nb10O29 containing trivalent metals have a large change in electrode thickness with charge and discharge, resulting in a decrease in cycle performance. The advantage of increasing battery capacity is that it leads to an improvement in energy density per unit weight or unit area (unit volume), which can extend the driving range of electric vehicles and secure installation space for storage batteries.
以上の点から、非特許文献1、非特許文献2や特許文献1の負極活物質を使用した蓄電デバイスのエネルギー密度と放電レート特性、充電レート特性、並びに充放電に伴う電極の厚み変化は十分に満足できるものではなく、更なる改善が必要である。 For these reasons, the energy density, discharge rate characteristics, charge rate characteristics, and electrode thickness changes associated with charge and discharge of energy storage devices using the negative electrode active materials of Non-Patent Document 1, Non-Patent Document 2, and Patent Document 1 are not fully satisfactory, and further improvements are required.
そこで本発明では、非水電解質蓄電デバイスの電極材料として用いられ、液系リチウムイオン二次電池において、初期放電容量を維持しながらレート特性に優れ、充放電に伴う電極の厚み変化率が小さく、また、全固体電池でも初期放電容量、及び、レート特性に優れたニオブ含有酸化物粉末、それを用いた蓄電デバイス用電極、及び蓄電デバイスを提供することを目的とする。 The present invention therefore aims to provide a niobium-containing oxide powder that can be used as an electrode material for non-aqueous electrolyte electricity storage devices, and that exhibits excellent rate characteristics while maintaining initial discharge capacity in liquid-based lithium-ion secondary batteries, a small rate of change in electrode thickness during charge and discharge, and excellent initial discharge capacity and rate characteristics in all-solid-state batteries; an electrode for an electricity storage device using the same; and an electricity storage device using the same.
本発明者らは、前記の目的を達成すべく種々検討した結果、Ti2Nb14O39等のニオブ含有酸化物においてTiの一部を異種元素で置換したニオブ含有酸化物粉末を電極材料として適用することにより蓄電デバイスの初期放電容量、及び、レート特性に優れ、更に充放電に伴う電極の厚み変化率が小さい蓄電デバイスが得られることを見出し、本発明を完成した。このような効果、特に充放電に伴う電極厚み変化を小さくすることができる効果は、前記非特許文献1、2および特許文献1にはまったく記載も示唆もされていない。すなわち、本発明は以下の事項に関する。 As a result of extensive investigations to achieve the above-mentioned object, the present inventors have found that by using, as an electrode material, a niobium-containing oxide powder in which part of the Ti in a niobium - containing oxide such as Ti2Nb14O39 is substituted with a different element, it is possible to obtain an electricity storage device that is excellent in initial discharge capacity and rate characteristics and that further has a small rate of change in electrode thickness with charge and discharge, and have completed the present invention. Such an effect, in particular the effect of being able to reduce the change in electrode thickness with charge and discharge, is not described or suggested at all in the above-mentioned Non-Patent Documents 1 and 2 and Patent Document 1. That is, the present invention relates to the following matters.
(1)下記式(I)もしくは(II)を満たすニオブ含有酸化物粉末。
AaTi2-x(M1
0.5+vM2
0.5-v)xNb14O39±z (I)
AaTi2-y(M1
0.67+wM3
0.33-w)yNb14O39±z (II)
(式中のAは、Li、及びNaから選ばれる少なくとも1つの元素であり、M1はNb、Ta、及びVから選ばれる少なくとも1つの元素であり、M2はAl、Ga、Fe、及びCrから選ばれる少なくとも1つの元素であり、M3はMg、Ca、Cu、及びZnから成る群から選択される少なくとも1つの元素であり、0≦a≦6、-0.05≦v≦0.05、-0.05≦w≦0.05、0<x<2、0<y<2、0≦z≦1)
(2)前記前記ニオブ含有酸化物粉末のレーザー回折散乱法による体積基準粒度分布における体積累積が50%に相当する一次粒子のD50が0.25μm以上4.5μm以下であることを特徴とする、(1)に記載のニオブ含有酸化物粉末。
(3)前記ニオブ含有酸化物粉末の比表面積が2.3m2/g以上10m2/g以下である、(1)または(2)に記載のニオブ含有酸化物粉末。
(4)(1)~(3)のいずれかに記載のニオブ含有酸化物粉末を含むことを特徴とする、非水電解質蓄電デバイス用の電極。
(5)(1)~(3)のいずれかに記載のニオブ含有酸化物粉末と、無機固体電解質、とを含む、非水電解質蓄電デバイス用の負極活物質組成物。
(6)(4)に記載の電極を含むことを特徴とする、蓄電デバイス。
(7)正極層、負極層および固体電解質層を備えた全固体二次電池であって、前記負極層が(5)に記載の負極活物質組成物を含む層である、全固体二次電池。
(1) A niobium-containing oxide powder satisfying the following formula (I) or (II):
A a Ti 2-x (M 1 0.5+v M 2 0.5-v ) x Nb 14 O 39±z (I)
A a Ti 2-y (M 1 0.67+w M 3 0.33-w ) y Nb 14 O 39±z (II)
(In the formula, A is at least one element selected from Li and Na, M1 is at least one element selected from Nb, Ta, and V, M2 is at least one element selected from Al, Ga, Fe, and Cr, M3 is at least one element selected from the group consisting of Mg, Ca, Cu, and Zn, and 0≦a≦6, −0.05≦v≦0.05, −0.05≦w≦0.05, 0<x<2, 0<y<2, 0≦z≦1)
(2) The niobium-containing oxide powder according to (1), characterized in that D50 of primary particles corresponding to 50% cumulative volume in a volume-based particle size distribution measured by a laser diffraction scattering method of the niobium-containing oxide powder is 0.25 μm or more and 4.5 μm or less.
(3) The niobium-containing oxide powder according to (1) or (2), wherein the specific surface area of the niobium-containing oxide powder is 2.3 m 2 /g or more and 10 m 2 /g or less.
(4) An electrode for a non-aqueous electrolyte electricity storage device, characterized by containing the niobium-containing oxide powder according to any one of (1) to (3).
(5) A negative electrode active material composition for a non-aqueous electrolyte storage device, comprising the niobium-containing oxide powder according to any one of (1) to (3) and an inorganic solid electrolyte.
(6) An electricity storage device comprising the electrode according to (4).
(7) An all-solid-state secondary battery comprising a positive electrode layer, a negative electrode layer, and a solid electrolyte layer, wherein the negative electrode layer is a layer containing the negative electrode active material composition according to (5).
本発明によると、非水電解質蓄電デバイスの液系リチウムイオン二次電池において、初期放電容量を維持しながら充放電レート特性に優れ、さらに充放電に伴う電極の厚み変化が小さく、全固体電池でも初期放電容量、及び、レート特性に優れた、ニオブ含有酸化物粉末、それを用いた蓄電デバイス用電極、及び蓄電デバイスを提供することができる。 The present invention provides niobium-containing oxide powder, an electrode for a storage battery device using the same, and a storage battery device that exhibits excellent charge-discharge rate characteristics while maintaining initial discharge capacity in a liquid lithium-ion secondary battery for a non-aqueous electrolyte storage device, and exhibits minimal change in electrode thickness during charge-discharge. It also provides an excellent initial discharge capacity and rate characteristics in an all-solid-state battery.
[本発明のニオブ含有酸化物粉末]
本発明のニオブ含有酸化物粉末は、下記式(I)もしくは(II)を満たすニオブ含有酸化物粉末である。
AaTi2-x(M1
0.5+vM2
0.5-v)xNb14O39±z (I)
AaTi2-y(M1
0.67+wM3
0.33-w)yNb14O39±z (II)
(式中のAは、Li、及びNaから選ばれる少なくとも1つの元素であり、M1はNb、Ta、及びVから選ばれる少なくとも1つの元素であり、M2はAl、Ga、Fe、及びCrから選ばれる少なくとも1つの元素であり、M3はMg、Ca、Cu、及びZnから成る群から選択される少なくとも1つの元素であり、0≦a≦6、-0.05≦v≦0.05、-0.05≦w≦0.05、0<x<2、0<y<2、0≦z≦1)
本発明のニオブ含有酸化物粉末は、非水電解質蓄電デバイスの電極用途に好適に用いられる。すなわち、本発明のニオブ含有酸化物粉末は、非水電解質蓄電デバイスの電極用ニオブ含有酸化物粉末であることが好適である。非水電解質としては、水系の電解質以外であれば何でもよく、特に限定されないが、たとえば、非水電解液や固体電解質などが挙げられる。
[Niobium-containing oxide powder of the present invention]
The niobium-containing oxide powder of the present invention is a niobium-containing oxide powder that satisfies the following formula (I) or (II).
A a Ti 2-x (M 1 0.5+v M 2 0.5-v ) x Nb 14 O 39±z (I)
A a Ti 2-y (M 1 0.67+w M 3 0.33-w ) y Nb 14 O 39±z (II)
(In the formula, A is at least one element selected from Li and Na, M1 is at least one element selected from Nb, Ta, and V, M2 is at least one element selected from Al, Ga, Fe, and Cr, M3 is at least one element selected from the group consisting of Mg, Ca, Cu, and Zn, and 0≦a≦6, −0.05≦v≦0.05, −0.05≦w≦0.05, 0<x<2, 0<y<2, 0≦z≦1)
The niobium-containing oxide powder of the present invention is suitable for use in electrodes of nonaqueous electrolyte electricity storage devices. That is, the niobium-containing oxide powder of the present invention is suitable as a niobium-containing oxide powder for electrodes of nonaqueous electrolyte electricity storage devices. The nonaqueous electrolyte may be any electrolyte other than an aqueous electrolyte, and is not particularly limited, but examples thereof include nonaqueous electrolytic solutions and solid electrolytes.
<一般式AaTi2-x(M1
0.5+vM2
0.5-v)xNb14O39±zおよび一般式AaTi2-y(M1
0.67+wM3
0.33-w)yNb14O39±zで表されるニオブ含有酸化物で表されるニオブ含有酸化物粉末>
本発明のニオブ含有酸化物粉末は、一般式AaTi2-x(M1
0.5+vM2
0.5-v)xNb14O39±zもしくは一般式AaTi2-y(M1
0.67+wM3
0.33-w)yNb14O39±z(式中のAは、Li、及びNaから選ばれる少なくとも1つの元素であり、M1はNb、Ta、及びVから選ばれる少なくとも1つの元素であり、M2はAl、Ga、Fe、及びCrから選ばれる少なくとも1つの元素であり、M3はMg、Ca、Cu、及びZnから成る群から選択される少なくとも1つの元素であり、0≦a≦6、-0.05≦v≦0.05、-0.05≦w≦0.05、0<x<2、0<y<2、0≦z≦1)で表されるニオブ含有酸化物粉末を含有する。ニオブ含有酸化物については、一部に合成原料由来のチタン酸化物相(例えばルチル型TiO2、TiOなど)を含んでもよい。
<Niobium-containing oxide powder represented by the general formula A a Ti 2-x (M 1 0.5+v M 2 0.5-v ) x Nb 14 O 39±z and the general formula A a Ti 2-y (M 1 0.67+w M 3 0.33-w ) y Nb 14 O 39±z >
The niobium-containing oxide powder of the present invention has a general formula A a Ti 2-x (M 1 0.5+v M 2 0.5-v ) x Nb 14 O 39±z or a general formula A a Ti 2-y (M 1 0.67+w M 3 0.33-w ) y Nb 14 O 39±z (wherein A is at least one element selected from Li and Na, M 1 is at least one element selected from Nb, Ta and V, M 2 is at least one element selected from Al, Ga, Fe and Cr, and M 3 is at least one element selected from the group consisting of Mg, Ca, Cu, and Zn, and contains a niobium-containing oxide powder expressed by 0≦a≦6, −0.05≦v≦0.05, −0.05≦w≦0.05, 0<x<2, 0<y<2, 0≦z≦1). The niobium-containing oxide may partially contain a titanium oxide phase (e.g., rutile-type TiO 2 , TiO, etc.) derived from the synthesis raw material.
前記AはLi、及びNaから選ばれる少なくとも1つの元素であれば特に限定されないが、好ましくはLiである。
前記M1はNb、Ta、及びVから選ばれる少なくとも1つの元素であれば特に限定されないが、好ましくはNbである。
The A is not particularly limited as long as it is at least one element selected from Li and Na, but is preferably Li.
The M1 is not particularly limited as long as it is at least one element selected from Nb, Ta, and V, but is preferably Nb.
前記M2はAl、Ga、FeおよびCrから選ばれる少なくとも1つの元素であれば特に限定されないが、好ましくはAl、Fe、およびCrであり、より好ましくはAl、およびFeであり、さらに好ましくはAlである。 The M2 is not particularly limited as long as it is at least one element selected from Al, Ga, Fe, and Cr, but is preferably Al, Fe, and Cr, more preferably Al and Fe, and even more preferably Al.
前記M3はMg、Ca、Cu、及びZnから成る群から選択される少なくとも1つの元素であれば特に限定されないが、好ましくはMg、Cu、およびZnであり、より好ましくはCu、およびZnであり、さらに好ましくはCuである。 The M3 is not particularly limited as long as it is at least one element selected from the group consisting of Mg, Ca, Cu, and Zn, but is preferably Mg, Cu, and Zn, more preferably Cu and Zn, and even more preferably Cu.
一般式AaTi2-x(M1 0.5+vM2 0.5-v)xNb14O39±zおよび一般式AaTi2-y(M1 0.67+wM3 0.33-w)yNb14O39±zにおいて、0≦a≦6であり、好ましくは0≦a≦2であり、より好ましくは0≦a≦0.5であり、さらに好ましくはa=0である。また、-0.05≦v≦0.05であり、好ましくは-0.01≦v≦0.01であり、より好ましくはv=0である。また、-0.05≦w≦0.05であり、好ましくは-0.01≦w≦0.01であり、より好ましくはw=0である。また、0<x<2であり、好ましくは0<x≦1.3であり、より好ましくは0<x≦1であり、さらに好ましくは0<x≦0.9であり、よりさらに好ましくは0<x≦0.5である。また、0<y<2であり、好ましくは0<y≦1.4であり、より好ましくは0<y≦0.9であり、さらに好ましくは0<y≦0.6である。また、0≦z≦1であり、好ましくは0≦z≦0.5であり、より好ましくは0≦z≦0.2であり、さらに好ましくはz=0である。なお、一般式AaTi2-y(M1 0.67+wM3 0.33-w)yNb14O39±zにおいて、M1とM3との比は、M1:M3=0.67+w:0.33-wとしているが、M1:M3=2/3+w:1/3-wであってもよい。すなわち、この場合においては、w=0である場合には、M1:M3=2/3:1/3(すなわち、AaTi2-y(M1 2/3M3 1/3)yNb14O39±z)となる。 In the general formula A a Ti 2-x (M 1 0.5+v M 2 0.5-v ) x Nb 14 O 39 ±z and the general formula A a Ti 2-y (M 1 0.67+w M 3 0.33-w ) y Nb 14 O 39±z , 0≦a≦6, preferably 0≦a≦2, more preferably 0≦a≦0.5, and even more preferably a=0. Also, -0.05≦v≦0.05, preferably -0.01≦v≦0.01, and more preferably v=0. Also, -0.05≦w≦0.05, preferably -0.01≦w≦0.01, and more preferably w=0. Furthermore, 0<x<2, preferably 0<x≦1.3, more preferably 0<x≦1, even more preferably 0<x≦0.9, and even more preferably 0<x≦0.5. Furthermore, 0<y<2, preferably 0<y≦1.4, more preferably 0<y≦0.9, and even more preferably 0<y≦0.6. Furthermore, 0≦z≦1, preferably 0≦z≦0.5, more preferably 0≦z≦0.2, and even more preferably z=0. In the general formula A a Ti 2-y (M 1 0.67+w M 3 0.33-w ) y Nb 14 O 39±z , the ratio of M 1 to M 3 is M 1 :M 3 =0.67+w:0.33-w, but it may also be M 1 :M 3 =2/3+w:1/3-w. That is, in this case, when w=0, M 1 :M 3 =2/3:1/3 (that is, A a Ti 2-y (M 1 2/3 M 3 1/3 ) y Nb 14 O 39±z ).
<MoおよびCeからなる群より選ばれる少なくとも一種の金属元素の含有>
本発明のニオブ含有酸化物粉末はMoおよびCeからなる群より選ばれる少なくとも一種の金属元素を含有してもよい。MoおよびCeからなる群より選ばれる少なくとも一種の金属元素を含有するとは、粉末を構成するニオブ含有酸化物粒子の表面に局在化して存在し、より具体的には、ニオブ含有酸化物粒子の内部領域よりも、表面領域の方にMoおよびCeからなる群より選ばれる少なくとも一種の金属元素が局在化して多く存在することを言う。また、本発明のニオブ酸化物粉末の誘導結合プラズマ発光分析(ICP-AES)または蛍光X線分析(XRF)において、MoおよびCeからなる群より選ばれる少なくとも一種の金属元素が検出されることをいう。なお、誘導結合プラズマ発光分析による検出量の下限は、通常、0.001質量%である。ニオブ含有酸化物粉末の粒子表面にMoおよびCeが二種含有されてもよい。初期放電容量、及びレート特性を向上させる観点では、Moを含有することが好ましい。
<Containing at least one metal element selected from the group consisting of Mo and Ce>
The niobium-containing oxide powder of the present invention may contain at least one metal element selected from the group consisting of Mo and Ce. "Containing at least one metal element selected from the group consisting of Mo and Ce" means that the at least one metal element selected from the group consisting of Mo and Ce is localized and present on the surface of the niobium-containing oxide particles constituting the powder, more specifically, that at least one metal element selected from the group consisting of Mo and Ce is localized and present in greater amounts in the surface region than in the internal region of the niobium-containing oxide particles. Furthermore, this means that at least one metal element selected from the group consisting of Mo and Ce is detected in inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy (ICP-AES) or X-ray fluorescence spectroscopy (XRF) of the niobium oxide powder of the present invention. The lower limit of the amount detected by inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy is typically 0.001% by mass. Mo and Ce may both be contained on the particle surface of the niobium-containing oxide powder. From the viewpoint of improving initial discharge capacity and rate characteristics, it is preferable to contain Mo.
蛍光X線分析(XRF)から求めた本発明のニオブ含有酸化物粉末のMoおよびCeからなる群より選ばれる少なくとも一種の金属元素の含有率(質量%)は、0.01以上2.0以下であればよい。金属元素MoおよびCeからなる群より選ばれる少なくとも一種の金属元素の含有率がこの範囲であれば、初期放電容量、及びレート特性に優れた二次電池が得られる。0.01以上1.7以下であることが好ましく、充電レート特性のさらなる向上という観点からは、より好ましくは0.015以上1.5以下、さらに好ましくは0.04以上1.3以下、よりさらに好ましいのは0.07以上1.25以下、特に好ましいのは0.2以上1.1以下である。ただし、MoおよびCeがニオブ含有酸化物粉末の粒子表面に同時に含有する場合の前記含有率(質量%)は、二種の金属元素合計の含有率である。 The content (mass%) of at least one metal element selected from the group consisting of Mo and Ce in the niobium-containing oxide powder of the present invention, as determined by X-ray fluorescence analysis (XRF), may be 0.01 to 2.0. This range of content of at least one metal element selected from the group consisting of the metal elements Mo and Ce results in a secondary battery with excellent initial discharge capacity and rate characteristics. A content of 0.01 to 1.7 is preferred, and from the perspective of further improving charge rate characteristics, a content of 0.015 to 1.5 is more preferred, 0.04 to 1.3 is even more preferred, 0.07 to 1.25 is even more preferred, and 0.2 to 1.1 is particularly preferred. However, when Mo and Ce are simultaneously contained on the particle surfaces of the niobium-containing oxide powder, the content (mass%) refers to the combined content of the two metal elements.
また、一例として、走査透過型電子顕微鏡を用いた、前記ニオブ含有酸化物粒子の断面分析において、エネルギー分散型X線分光法により測定される、前記ニオブ含有酸化物粒子の表面から20nm程度の深さまでのいわゆる表面近傍の領域においてMoおよびCeからなる群より選ばれる少なくとも一種の金属元素が多く含有されればよく、ニオブ含有酸化物粒子の表面から20nmの深さ位置において、MoおよびCeからなる群より選ばれる少なくとも一種の金属元素が検出される一方で、表面から100nmの深さ位置において、MoおよびCeが検出されないことが好ましく、このような状態である場合に、ニオブ含有酸化物粒子の表面にMoおよびCeからなる群より選ばれる少なくとも一種の金属元素が局在化していると判断することができる。すなわち、エネルギー分散型X線分光法により測定した場合に、該測定による検出量以下であるとの意味であり、エネルギー分散型X線分光法による測定における検出量の下限は、測定する元素や状態によって値が前後するが、通常、0.5atm%である。この他にも、X線光電子分光法(XPS)やオージェ電子分光法(AES)による表面分析の手法が挙げられる。
なお、本発明において、ニオブ含有酸化物粒子の表面に局在化して存在するMoおよびCeからなる群より選ばれる少なくとも一種の金属元素の形態としては、特に限定されず、Mo元素およびCe元素からなる群より選ばれる少なくとも一種の金属元素が表面に局在化して存在するものであればよく、金属の状態であってもよいし、金属酸化物などの金属化合物の形態であってもよい。
As an example, in a cross-sectional analysis of the niobium-containing oxide particles using a scanning transmission electron microscope, it is sufficient that at least one metal element selected from the group consisting of Mo and Ce is contained in a large amount in the so-called near-surface region from the surface of the niobium-containing oxide particles to a depth of about 20 nm as measured by energy dispersive X-ray spectroscopy. At a depth of 20 nm from the surface of the niobium-containing oxide particles, at least one metal element selected from the group consisting of Mo and Ce is detected, while at a depth of 100 nm from the surface, it is preferable that Mo and Ce are not detected. In such a state, it can be determined that at least one metal element selected from the group consisting of Mo and Ce is localized on the surface of the niobium-containing oxide particles. That is, when measured by energy dispersive X-ray spectroscopy, it means that the amount is below the amount detected by the measurement. The lower limit of the amount detected by energy dispersive X-ray spectroscopy varies depending on the element and state to be measured, but is usually 0.5 atm%. Other surface analysis techniques include X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and Auger electron spectroscopy (AES).
In the present invention, the form of the at least one metal element selected from the group consisting of Mo and Ce that is localized on the surface of the niobium-containing oxide particle is not particularly limited, and it is sufficient that the at least one metal element selected from the group consisting of Mo element and Ce element is localized on the surface, and the at least one metal element may be in a metallic state or in the form of a metal compound such as a metal oxide.
<D50>
本発明のニオブ含有酸化物粉末の一次粒子のD50とは体積中位粒径の指標である。レーザー回折・散乱型粒度分布測定によって求めた体積分率で計算した累積体積頻度が、粒径の小さい方から積算して50%になる粒径を意味する。測定方法については、後述する実施例にて説明する。
<D50>
The D50 of the primary particles of the niobium-containing oxide powder of the present invention is an index of the volume median particle size. It means the particle size at which the cumulative volume frequency calculated from the volume fraction determined by laser diffraction/scattering particle size distribution measurement reaches 50% when calculated from the smallest particle size. The measurement method will be explained in the examples below.
本発明のニオブ含有酸化物粉末について、一次粒子であっても、一次粒子が凝集した二次粒子であっても良い。ニオブ含有酸化物粒子からなる一次粒子が凝集した二次粒子を含む場合、その一部としては、二次粒子を形成しておらず、一次粒子そのものの形態となっていてもよい。 The niobium-containing oxide powder of the present invention may be in the form of primary particles or secondary particles formed by agglomeration of primary particles. When primary particles made of niobium-containing oxide particles contain secondary particles formed by agglomeration, some of them may not form secondary particles and may remain in the form of primary particles themselves.
本発明のニオブ含有酸化物粉末が二次粒子の場合、二次粒子のD50は、電極密度向上の観点から、下限値は、5μm以上であることが好ましく、7μm以上がより好ましく、9μm以上がさらに好ましい。さらに、二次粒子のD50の上限値は、20μm以下であることが好ましく、18μm以下がより好ましく、14μm以下がさらに好ましい。 When the niobium-containing oxide powder of the present invention is in the form of secondary particles, from the viewpoint of improving electrode density, the lower limit of the D50 of the secondary particles is preferably 5 μm or more, more preferably 7 μm or more, and even more preferably 9 μm or more. Furthermore, the upper limit of the D50 of the secondary particles is preferably 20 μm or less, more preferably 18 μm or less, and even more preferably 14 μm or less.
本発明のニオブ含有酸化物粉末の一次粒子のD50は、非水電解質蓄電デバイスの液系リチウムイオン二次電池において、初期放電容量、レート特性、及び、さらに全固体電池における初期放電容量、及び、レート特性改善の観点から、一次粒子のD50の下限値は、0.25μm以上であることが好ましく、0.4μm以上がより好ましく、0.6μm以上がさらにより好ましい。また、一次粒子のD50の上限値は、4.5μm以下であることが好ましく、4μm以下がより好ましく、3μm以下がさらに好ましく、2μm以下がさらにより好ましく、1.8μm以下が特に好ましい。また、該ニオブ含有酸化物粉末は一次粒子が0.4μm未満の一次粒子を含んでいてもよく、一次粒子が4.5μmを超える一次粒子を含んでいてもよい。 From the viewpoint of improving the initial discharge capacity and rate characteristics in liquid-type lithium-ion secondary batteries of nonaqueous electrolyte storage devices, and also the initial discharge capacity and rate characteristics in all-solid-state batteries, the D50 of the primary particles of the niobium-containing oxide powder of the present invention is preferably 0.25 μm or more, more preferably 0.4 μm or more, and even more preferably 0.6 μm or more. The upper limit of the D50 of the primary particles is preferably 4.5 μm or less, more preferably 4 μm or less, even more preferably 3 μm or less, even more preferably 2 μm or less, and particularly preferably 1.8 μm or less. The niobium-containing oxide powder may contain primary particles of less than 0.4 μm, or may contain primary particles of greater than 4.5 μm.
<D90>
本発明のニオブ含有酸化物粉末の一次粒子のD90は、非水電解質蓄電デバイスの液系リチウムイオン二次電池において、初期放電容量、レート特性、及び、全固体電池における初期放電容量、及び、レート特性改善の観点から、一次粒子のD90の下限値は、0.8μm以上が好ましく、1.0μm以上がより好ましく、1.2μm以上がさらにより好ましい。また、一次粒子のD90の上限値は、20μm以下であることが好ましく、15μm以下がより好ましく、10μm以下がさらに好ましく、5μm以下がさらにより好ましく、3μm以下が特に好ましい。なお、ニオブ含有酸化物粉末の一次粒子のD90は、レーザー回折・散乱型粒度分布測定によって求めた体積分率で計算した累積体積頻度が、粒径の小さい方から積算して90%になる粒径を意味する。測定方法については、後述する実施例にて説明する。
<D90>
In terms of improving the initial discharge capacity and rate characteristics of liquid-based lithium-ion secondary batteries in nonaqueous electrolyte storage devices, and the initial discharge capacity and rate characteristics of all-solid-state batteries, the D90 of the primary particles of the niobium-containing oxide powder of the present invention is preferably 0.8 μm or more, more preferably 1.0 μm or more, and even more preferably 1.2 μm or more. The upper limit of the D90 of the primary particles is preferably 20 μm or less, more preferably 15 μm or less, even more preferably 10 μm or less, even more preferably 5 μm or less, and particularly preferably 3 μm or less. The D90 of the primary particles of the niobium-containing oxide powder refers to the particle size at which the cumulative volume frequency calculated from the volume fraction determined by laser diffraction/scattering particle size distribution measurement is 90% when calculated from the smallest particle size. The measurement method will be described in the Examples below.
<D10>
本発明のニオブ含有酸化物粉末の一次粒子のD10は、非水電解質蓄電デバイスの液系リチウムイオン二次電池において、初期放電容量、レート特性、及び、全固体電池における初期放電容量、及び、レート特性改善の観点から、一次粒子のD10は、下限値は、0.05μm以上であることが好ましく、0.1μm以上がより好ましく、0.2μm以上がさらにより好ましい。また、一次粒子のD10の上限値は、0.9μm以下であることが好ましく、0.8μm以下がより好ましく、0.7μm以下がさらに好ましく、0.6μm以下がさらにより好ましい。なお、ニオブ含有酸化物粉末の一次粒子のD10は、レーザー回折・散乱型粒度分布測定によって求めた体積分率で計算した累積体積頻度が、粒径の小さい方から積算して10%になる粒径を意味する。測定方法については、後述する実施例にて説明する。
<D10>
From the viewpoint of improving the initial discharge capacity and rate characteristics of a liquid-based lithium-ion secondary battery in a nonaqueous electrolyte storage device and the initial discharge capacity and rate characteristics of an all-solid-state battery, the D10 of the primary particles of the niobium-containing oxide powder of the present invention has a lower limit of preferably 0.05 μm or more, more preferably 0.1 μm or more, and even more preferably 0.2 μm or more. The upper limit of the D10 of the primary particles is preferably 0.9 μm or less, more preferably 0.8 μm or less, even more preferably 0.7 μm or less, and even more preferably 0.6 μm or less. The D10 of the primary particles of the niobium-containing oxide powder refers to the particle size at which the cumulative volume frequency calculated from the volume fraction determined by laser diffraction/scattering particle size distribution measurement is 10% from the smallest particle size. The measurement method will be described in the Examples below.
<比表面積>
本発明のニオブ含有酸化物粉末の比表面積とは、窒素を吸着ガスとして用いて、単位質量あたりの表面積のことである。測定方法については、後述する実施例にて説明する。
<Specific surface area>
The specific surface area of the niobium-containing oxide powder of the present invention is the surface area per unit mass when nitrogen is used as an adsorption gas. The measurement method will be explained in the examples below.
本発明のニオブ含有酸化物粉末は、比表面積の上限値が10m2/g以下であり、8.0m2/g以下が好ましく、6.0m2/g以下がより好ましく、4.0m2/g以下がさらに好ましい。他方、比表面積の下限値は、1.5m2/g以上であり、2.0m2/g以上が好ましく、2.1m2/g以上がより好ましく、2.4m2/g以上がさらに好ましく、3.0m2/g以上がさらにより好ましい。上記範囲であれば、非水電解質蓄電デバイスの液系リチウムイオン二次電池において、初期放電容量、レート特性、及び、全固体電池において、初期放電容量、及び、レート特性に優れた蓄電デバイスを得ることができる。 The niobium-containing oxide powder of the present invention has an upper limit of the specific surface area of 10 m 2 /g or less, preferably 8.0 m 2 /g or less, more preferably 6.0 m 2 /g or less, and even more preferably 4.0 m 2 /g or less. On the other hand, the lower limit of the specific surface area is 1.5 m 2 /g or more, preferably 2.0 m 2 /g or more, more preferably 2.1 m 2 /g or more, even more preferably 2.4 m 2 /g or more, and even more preferably 3.0 m 2 /g or more. Within the above ranges, a non-aqueous electrolyte electricity storage device having excellent initial discharge capacity and rate characteristics can be obtained in a liquid lithium ion secondary battery, and an all-solid-state battery having excellent initial discharge capacity and rate characteristics can be obtained.
Ti2Nb14O39においてTiの一部を異種元素で置換したニオブ含有酸化物を用いることで、顕著な効果が見られた理由は明らかではないが、以下のように考えられる。一般的にTi2Nb14O39等のニオブ含有酸化物粉末などの負極活物質は電解液や固体電解質を介してリチウムイオンを吸蔵、放出することで容量を発現する。そのため、電解液や固体電解質などの非水電解質と負極活物質の接触面積および活物質粒子内のリチウムイオンの拡散、および電子の拡散は非常に重要になる。また、電子伝導性の小さいニオブ酸化物活物質を用いた電極では、負極合材層中における活物質の充放電に伴う体積変化により、徐々に導電助剤との接点が消失し、サイクル特性が大きく低下してしまう。本発明のニオブ酸化物は、Tiの一部が異種元素で置換されていることにより、活物質粒子内のリチウムイオンの拡散、および電子の拡散が向上していると考えられ、更に全カチオンサイトの一部が空孔になっているというTi2Nb14O39の特異的な結晶構造により、充放電に伴う体積変化が小さくなっていると考えられる。その結果、Tiの一部が異種元素で置換されていないTi2Nb14O39や特許文献1に記載の充放電に伴う体積変化が大きい3価金属を有するTiNb2O7やTi2Nb10O29では達成することができない電池特性が得られたと考えられる。 The reason why the use of a niobium-containing oxide in which a portion of the Ti in Ti 2 Nb 14 O 39 is substituted with a different element exhibits such remarkable effects is unclear, but it is thought to be as follows. Generally, negative electrode active materials, such as niobium-containing oxide powders such as Ti 2 Nb 14 O 39 , exhibit capacity by absorbing and releasing lithium ions via an electrolyte solution or solid electrolyte. Therefore, the contact area between the negative electrode active material and a non-aqueous electrolyte, such as an electrolyte solution or solid electrolyte, and the diffusion of lithium ions and electrons within the active material particles are extremely important. Furthermore, in electrodes using niobium oxide active materials with low electronic conductivity, volume changes associated with charge and discharge of the active material in the negative electrode composite layer gradually cause the contact points with the conductive additive to disappear, significantly reducing cycle performance. In the niobium oxide of the present invention, the substitution of a portion of Ti with a different element is believed to improve the diffusion of lithium ions and electrons within the active material particles, and furthermore, the unique crystal structure of Ti 2 Nb 14 O 39 , in which a portion of all cation sites are vacant, is believed to reduce volume change during charge and discharge. As a result, it is believed that battery characteristics were obtained that could not be achieved with Ti 2 Nb 14 O 39 in which a portion of Ti is not substituted with a different element, or with TiNb 2 O 7 or Ti 2 Nb 10 O 29, which contain a trivalent metal and exhibit large volume change during charge and discharge as described in Patent Document 1.
[本発明のニオブ含有酸化物粉末の製造方法]
以下に、本発明のニオブ含有酸化物粉末の製造方法の一例を、原料の調製工程、焼成工程に分けて説明するが、本発明のニオブ含有酸化物粉末の製造方法はこれに限定されない。
[Method of producing niobium-containing oxide powder of the present invention]
An example of the method for producing the niobium-containing oxide powder of the present invention will be explained below, dividing it into a raw material preparation step and a firing step, but the method for producing the niobium-containing oxide powder of the present invention is not limited thereto.
<原料の調製工程>
まず、出発原料を混合する。出発原料として、Tiと、Nbとを含む酸化物に加えて、Ta、V、Al、Ga、Fe、Cr、Mg、Ca、Cu、及びZnから成る群から選択される少なくとも1つの元素を含む酸化物または塩を用いて、本発明の目的組成となるような量論比で混合する。用いる塩は、水酸化物塩、炭酸塩、硝酸塩のような、比較的低融点で分解して酸化物を生じる塩であることが好ましい。また、一次粒子径を小さくするため、出発原料に平均一次粒径が2μm以下、好ましくは平均一次粒径が0.5μm以下の粉末を用いることが好ましい。
<Raw material preparation process>
First, the starting materials are mixed. The starting materials include an oxide containing Ti and Nb, as well as an oxide or salt containing at least one element selected from the group consisting of Ta, V, Al, Ga, Fe, Cr, Mg, Ca, Cu, and Zn. These are mixed in a stoichiometric ratio to achieve the target composition of the present invention. The salt used is preferably a salt that decomposes at a relatively low melting point to produce an oxide, such as a hydroxide, carbonate, or nitrate. Furthermore, to reduce the primary particle size, it is preferable to use powder as the starting material with an average primary particle size of 2 μm or less, preferably 0.5 μm or less.
原料の混合方法については、特に制限はなく、湿式混合または乾式混合のいずれの方法でも良い。例えば、ヘンシェルミキサー、超音波分散装置、ホモミキサー、乳鉢、ボールミル、遠心式ボールミル、遊星ボールミル、振動ボールミル、アトライター式の高速ボールミル、ビーズミル、ロールミル等を用いることができる。 There are no particular restrictions on the method for mixing the raw materials, and either wet or dry mixing may be used. For example, a Henschel mixer, ultrasonic disperser, homomixer, mortar, ball mill, centrifugal ball mill, planetary ball mill, vibrating ball mill, attritor-type high-speed ball mill, bead mill, roll mill, etc. can be used.
<焼成工程>
次に、上記で得られた混合物を焼成する。焼成は500~1200℃の温度範囲で行うのが好ましく、より好ましくは700~1150℃の範囲、さらに好ましくは900~1150℃の範囲で行う。焼成温度を1150℃以下で行うことで汎用の設備を利用することができる。なお、混合物を短時間で焼成する場合は、焼成前に混合物を構成する混合粉末を、レーザー回折・散乱型粒度分布測定機にて測定される粒度分布曲線におけるD95が5μm以下になるように調製することが好ましい。ここで、D95とは、体積分率で計算した累積体積頻度が、粒径の小さい方から積算して95%になる粒径のことである。
<Firing process>
Next, the mixture obtained above is fired. Firing is preferably carried out in a temperature range of 500 to 1200°C, more preferably in a range of 700 to 1150°C, and even more preferably in a range of 900 to 1150°C. By setting the firing temperature at 1150°C or less, general-purpose equipment can be used. When firing the mixture for a short period of time, it is preferable to prepare the mixed powder constituting the mixture before firing so that the D95 value in the particle size distribution curve measured with a laser diffraction/scattering particle size distribution analyzer is 5 μm or less. Here, D95 refers to the particle size at which the cumulative volume frequency calculated by volume fraction is 95% when integrated from the smallest particle size.
前記条件で焼成できる方法であれば、焼成方法は特に限定されるものではない。利用できる焼成方法としては、固定床式焼成炉、ローラーハース式焼成炉、メッシュベルト式焼成炉、流動床式焼成炉、ロータリーキルン式焼成炉が挙げられる。ただし、短時間で効率的な焼成をする場合は、ローラーハース式焼成炉、メッシュベルト式焼成炉、ロータリーキルン式焼成炉が好ましい。特に、ロータリーキルン式焼成炉は、混合物を収容する容器が不要で、連続的に混合物を投入しながら焼成ができる点、被焼成物への熱履歴が均一で、均質な酸化物を得ることができる点から、本発明のニオブ含有酸化物粉末を製造するには特に好ましい焼成炉である。 There are no particular limitations on the calcination method, as long as it can be performed under the above conditions. Usable calcination methods include fixed-bed calcination furnaces, roller hearth calcination furnaces, mesh belt calcination furnaces, fluidized bed calcination furnaces, and rotary kiln calcination furnaces. However, for efficient calcination in a short time, roller hearth calcination furnaces, mesh belt calcination furnaces, and rotary kiln calcination furnaces are preferred. In particular, rotary kiln calcination furnaces are particularly preferred for producing the niobium-containing oxide powder of the present invention because they do not require a container to hold the mixture, can be used to calcinate the mixture while continuously adding it, and provide a uniform thermal history to the calcined material, resulting in the production of a homogeneous oxide.
<表面処理工程>
上記で得られたニオブ含有酸化物について、表面処理を実施してもよい。本発明のニオブ含有酸化物粉末を構成する粒子の表面にMoおよびCeからなる群より選ばれる少なくとも一種の金属元素が局在化して存在させることにより、電池の負極材料として適用した場合に緻密な負極層を形成することができるとともに優れた充電レート特性を付与することができる。前記焼成工程にて、前記MoおよびCeからなる群より選ばれる少なくとも一種の金属元素を含有する化合物(以下、処理剤と記すことがある)を加えて、表面処理を行った本発明のニオブ含有酸化物粉末を製造することもできるが、次のような表面処理工程などで、表面処理を行った本発明のニオブ含有酸化物粉末を製造することがより好ましい。特に、次のような表面処理工程を採用することで、適切かつ比較的簡便に、ニオブ含有酸化物粒子の表面に、MoおよびCeからなる群より選ばれる少なくとも一種の金属元素が存在する状態とすることができる。
<Surface treatment process>
The niobium-containing oxide obtained above may be subjected to a surface treatment. By localizing at least one metal element selected from the group consisting of Mo and Ce on the surface of the particles constituting the niobium-containing oxide powder of the present invention, when the powder is used as a battery anode material, a dense anode layer can be formed and excellent charge rate characteristics can be imparted. In the calcination step, a compound containing at least one metal element selected from the group consisting of Mo and Ce (hereinafter, sometimes referred to as a treating agent) can be added to produce a surface-treated niobium-containing oxide powder of the present invention. However, it is more preferable to produce a surface-treated niobium-containing oxide powder of the present invention by the following surface treatment step. In particular, by employing the following surface treatment step, it is possible to appropriately and relatively simply make the surface of the niobium-containing oxide particles have at least one metal element selected from the group consisting of Mo and Ce present.
基材のニオブ含有酸化物粉末と前記MoおよびCeからなる群より選ばれる少なくとも一種の金属元素を含有する化合物との混合方法に特に制限はなく、湿式混合または乾式混合のいずれの方法も採用することができるが、基材のニオブ含有酸化物粉末を構成する粒子の表面に前記MoおよびCeからなる群より選ばれる少なくとも一種の金属元素を含有する化合物を均一に分散させることが好ましく、その点においては湿式混合が好ましい。 There are no particular restrictions on the method for mixing the niobium-containing oxide powder base material with the compound containing at least one metal element selected from the group consisting of Mo and Ce, and either wet mixing or dry mixing can be used. However, it is preferable to uniformly disperse the compound containing at least one metal element selected from the group consisting of Mo and Ce on the surfaces of the particles that make up the niobium-containing oxide powder base material, and in this respect, wet mixing is preferred.
湿式混合としては、水またはアルコール溶媒中に処理剤と基材のニオブ含有酸化物粉末を投入し、スラリー状態で混合させる。アルコール溶媒としては、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコールなど沸点が100℃以下のものが溶媒除去しやすい点で好ましい。また、回収、廃棄のしやすさから、工業的には水溶媒が好ましい。 Wet mixing involves adding the treatment agent and the niobium-containing oxide powder of the base material to a water or alcohol solvent and mixing them in a slurry state. Alcohol solvents with a boiling point of 100°C or less, such as methanol, ethanol, or isopropyl alcohol, are preferred because they are easy to remove. Furthermore, from an industrial perspective, water solvents are preferred because of their ease of recovery and disposal.
MoおよびCeからなる群より選ばれる少なくとも一種の金属元素を含有する化合物(処理剤)としては、特に限定されないが、例えば、酸化物、リン酸化物、水酸化物、硫酸化合物、硝酸化合物、フッ化物、塩化物、有機化合物、及びアンモニウム塩やリン酸塩などの金属塩化合物が挙げられる。具体的には、Moの化合物としては、酸化モリブデン、三酸化モリブデン、三酸化モリブデン水和物、ほう化モリブデン、りんモリブデン酸、二けい化モリブデン、塩化モリブデン、硫化モリブデン、けいモリブデン酸水和物、酸化ナトリウムモリブデン、炭化モリブデン、酢酸モリブデン二量体、モリブデン酸リチウム、モリブデン酸ナトリウム、モリブデン酸カリウム、モリブデン酸カルシウム、モリブデン酸マグネシウム、モリブデン酸マンガン、モリブデン酸アンモニウム、などが挙げられ、なかでも、三酸化モリブデン、三酸化モリブデン水和物、塩化モリブデン、硫化モリブデン、モリブデン酸リチウムが好ましい。また、Ceの化合物としては、酸化セリウム、水酸化セリウム、フッ化セリウム、硫酸セリウム、硝酸セリウム、炭酸セリウム、酢酸セリウム、しゅう酸セリウム、塩化セリウム、ホウ化セリウム、りん酸セリウムなどが挙げられ、なかでも、硫酸セリウムおよびその水和物が好ましい。 Compounds (treatment agents) containing at least one metal element selected from the group consisting of Mo and Ce include, but are not limited to, oxides, phosphates, hydroxides, sulfates, nitrates, fluorides, chlorides, organic compounds, and metal salt compounds such as ammonium salts and phosphates. Specific examples of Mo compounds include molybdenum oxide, molybdenum trioxide, molybdenum trioxide hydrate, molybdenum boride, molybdophosphoric acid, molybdenum disilicide, molybdenum chloride, molybdenum sulfide, molybdenum silicic acid hydrate, sodium molybdenum oxide, molybdenum carbide, molybdenum acetate dimer, lithium molybdate, sodium molybdate, potassium molybdate, calcium molybdate, magnesium molybdate, manganese molybdate, and ammonium molybdate. Among these, molybdenum trioxide, molybdenum trioxide hydrate, molybdenum chloride, molybdenum sulfide, and lithium molybdate are preferred. Examples of Ce compounds include cerium oxide, cerium hydroxide, cerium fluoride, cerium sulfate, cerium nitrate, cerium carbonate, cerium acetate, cerium oxalate, cerium chloride, cerium boride, and cerium phosphate, with cerium sulfate and its hydrates being particularly preferred.
前記MoおよびCeからなる群より選ばれる少なくとも一種の金属元素を含有する化合物の添加量としては、ニオブ含有酸化物中の前記MoおよびCeからなる群より選ばれる少なくとも一種の金属元素の量が本発明の範囲内に収まれば、どのような量でも良いが、基材のニオブ含有酸化物粉末に対して0.03質量%以上の割合で添加すればよく、0.05質量%以上の割合で添加することが好ましい。また、基材のニオブ含有酸化物粉末に対して12質量%以下の割合で添加すればよく、好ましくは10質量%以下の割合であり、より好ましくは8質量%以下の割合である。 The amount of the compound containing at least one metal element selected from the group consisting of Mo and Ce may be any amount as long as the amount of the at least one metal element selected from the group consisting of Mo and Ce in the niobium-containing oxide falls within the range of the present invention. However, it is sufficient to add the compound in a proportion of 0.03% by mass or more, preferably 0.05% by mass or more, relative to the niobium-containing oxide powder of the base material. It is also sufficient to add the compound in a proportion of 12% by mass or less, preferably 10% by mass or less, and more preferably 8% by mass or less, relative to the niobium-containing oxide powder of the base material.
上記表面処理を行った後に熱処理を行うことが好ましい。熱処理温度としては、前記MoおよびCeからなる群より選ばれる少なくとも一種の金属元素が、基材のニオブ含有酸化物粉末を構成するニオブ含有酸化物粒子の、少なくとも表面領域に拡散する温度であって、基材のニオブ含有酸化物が焼結することによる、比表面積の大幅な減少が発生しない温度が良い。熱処理温度の上限値としては700℃以下が好ましく、より好ましくは600℃以下である。熱処理温度の下限値としては、300℃以上が好ましく、より好ましくは400℃以上である。熱処理時間としては、好ましくは0.1時間~8時間であり、より好ましくは0.5時間~5時間である。前記MoおよびCeからなる群より選ばれる少なくとも一種の金属元素が、基材のニオブ含有酸化物粉末の、少なくとも表面領域に拡散する温度及び時間は、前記MoおよびCeからなる群より選ばれる少なくとも一種の金属元素を含有する化合物によって反応性が異なるため、適宜設定するのが良い。また、熱処理における加熱方法は特に限定されるものではない。利用できる熱処理炉としては、固定床式焼成炉、ローラーハース式焼成炉、メッシュベルト式焼成炉、流動床式焼成炉、ロータリーキルン式焼成炉などが挙げられる。熱処理時の雰囲気としては、大気雰囲気でも、窒素雰囲気などの不活性雰囲気のどちらでも良い。特に、表面処理に金属塩化合物を用いた場合は、粒子表面からアニオン種が除去されやすい大気雰囲気が好ましい。 It is preferable to perform heat treatment after the surface treatment. The heat treatment temperature is a temperature at which the at least one metal element selected from the group consisting of Mo and Ce diffuses into at least the surface region of the niobium-containing oxide particles constituting the niobium-containing oxide powder substrate, and at which a significant decrease in the specific surface area due to sintering of the niobium-containing oxide substrate does not occur. The upper limit of the heat treatment temperature is preferably 700°C or less, more preferably 600°C or less. The lower limit of the heat treatment temperature is preferably 300°C or more, more preferably 400°C or more. The heat treatment time is preferably 0.1 to 8 hours, more preferably 0.5 to 5 hours. The temperature and time at which the at least one metal element selected from the group consisting of Mo and Ce diffuses into at least the surface region of the niobium-containing oxide powder substrate should be set appropriately, as the reactivity varies depending on the compound containing the at least one metal element selected from the group consisting of Mo and Ce. The heating method used in the heat treatment is not particularly limited. Usable heat treatment furnaces include fixed-bed furnaces, roller hearth furnaces, mesh belt furnaces, fluidized-bed furnaces, and rotary kiln furnaces. The atmosphere during heat treatment may be either air or an inert atmosphere such as a nitrogen atmosphere. In particular, when a metal salt compound is used for surface treatment, an air atmosphere is preferred, as it facilitates the removal of anionic species from the particle surface.
以上のようにして得られた熱処理後のニオブ含有酸化物粉末について、比表面積を上記範囲とするために、必要に応じて、解砕処理を行うことが好ましい。解砕処理は、たとえば、ボールミルなどを用いて行うことができ、解砕処理の条件としては、比表面積を上記範囲とできるような条件であればよく、特に限定されない。また、解砕処理に加えて、分級を行ってもよい。 The heat-treated niobium-containing oxide powder obtained as described above is preferably subjected to a crushing treatment as needed to bring the specific surface area within the above range. The crushing treatment can be carried out using, for example, a ball mill, and the conditions for the crushing treatment are not particularly limited as long as they allow the specific surface area to fall within the above range. Furthermore, classification may be carried out in addition to the crushing treatment.
本発明のニオブ含有酸化物粉末は、造粒して熱処理を行い、一次粒子が凝集した二次粒子を含む粉末にしても良い。造粒は二次粒子ができるのであれば、どのような方法でも良いが、スプレードライヤーが大量に処理できるため好ましい。 The niobium-containing oxide powder of the present invention may be granulated and heat-treated to form a powder containing secondary particles formed by aggregation of primary particles. Any granulation method can be used as long as it produces secondary particles, but a spray dryer is preferred because it can process large quantities.
本発明のニオブ含有酸化物粉末に含まれる水分量を低減させるために、熱処理工程で露点管理を行っても良い。熱処理後の粉末は、そのまま大気に晒すと粉末に大気中の水分が吸着するため、熱処理炉内での冷却時と熱処理後は、露点管理された環境下で粉末を扱うことが好ましい。熱処理後の粉末は、粒子を所望の最大粒径の範囲にするために必要に応じて分級を行っても良い。熱処理工程で露点管理をする場合は、発明のニオブ含有酸化物粉末をアルミラミネート袋などで密閉した後に露点管理外の環境下に出すことが好ましい。露点管理下においても、熱処理後のニオブ含有酸化物粉末の粉砕を行うと破砕面から水分を取り込みやすくなり、粉末に含まれる水分量が増加するため、熱処理を行った場合には粉砕を行わないことが好ましい。熱処理条件としては、温度と保持時間が特定の範囲にあることで二次粒子形態や表面処理工程に大きく影響する。熱処理温度としては、450℃以上が好ましく、550℃未満が好ましい。熱処理温度が550℃を超えると比表面積が大きく低下し、電池性能、特にレート特性が大幅に低下するためである。また保持時間は1時間以上が好ましい、保持時間が短い場合、粉末に含まれる水分量が増加に加え、粒子表面状態にも影響を与えると推測されるためである。 Dew point control may be performed during the heat treatment process to reduce the moisture content of the niobium-containing oxide powder of the present invention. Because the heat-treated powder will absorb moisture from the atmosphere if exposed to the air, it is preferable to handle the powder in a dew point-controlled environment during cooling in the heat treatment furnace and after heat treatment. The heat-treated powder may be classified as needed to achieve the desired maximum particle size range. When dew point control is performed during the heat treatment process, it is preferable to seal the niobium-containing oxide powder of the present invention in an aluminum-laminated bag or similar and then place it in an environment outside of dew point control. Even under dew point control, pulverizing the heat-treated niobium-containing oxide powder makes it more likely to absorb moisture from the crushed surfaces, increasing the moisture content of the powder. Therefore, it is preferable not to pulverize the powder after heat treatment. Regarding heat treatment conditions, the temperature and holding time within specific ranges significantly affect the secondary particle morphology and surface treatment process. The heat treatment temperature is preferably 450°C or higher, and less than 550°C. This is because if the heat treatment temperature exceeds 550°C, the specific surface area will decrease significantly, resulting in a significant decrease in battery performance, especially rate characteristics. Furthermore, a holding time of one hour or more is preferable, as a short holding time is thought to increase the amount of moisture contained in the powder and also affect the particle surface condition.
[活物質材料]
本発明の活物質材料は、本発明のニオブ含有酸化物粉末を含むものである。本発明のニオブ含有酸化物粉末以外の物質を1種又は2種以上含んでいてもよい。他の物質としては、例えば、炭素材料〔熱分解炭素類、コークス類、グラファイト類(人造黒鉛、天然黒鉛等)、有機高分子化合物燃焼体、炭素繊維〕、スズやスズ化合物、ケイ素やケイ素化合物、リチウムを含む金属酸化物が使用される。特に、リチウムを含む金属酸化物として、Li4Ti5O12を主成分とするチタン酸リチウムが挙げられる。
[Active material]
The active material of the present invention contains the niobium-containing oxide powder of the present invention. It may contain one or more substances other than the niobium-containing oxide powder of the present invention. Examples of other substances include carbon materials (pyrolytic carbons, cokes, graphites (artificial graphite, natural graphite, etc.), organic polymer compound combustion bodies, and carbon fibers), tin and tin compounds, silicon and silicon compounds, and lithium-containing metal oxides. In particular, lithium-containing metal oxides include lithium titanate mainly composed of Li4Ti5O12 .
[蓄電デバイス]
本発明の蓄電デバイスは、本発明の活物質材料を含む電極を備え、このような電極へのリチウムイオンのインターカレーション、脱インターカレーションを利用してエネルギーを貯蔵、放出するデバイスであって、例えば、ハイブリッドキャパシタやリチウム電池などが挙げられる。
[Electricity storage device]
The electricity storage device of the present invention is a device that includes an electrode containing the active substance material of the present invention and stores and releases energy by utilizing the intercalation and deintercalation of lithium ions into such an electrode, and examples thereof include a hybrid capacitor and a lithium battery.
[ハイブリッドキャパシタ]
前記ハイブリッドキャパシタとしては、正極に、活性炭など電気二重層キャパシタの電極材料と同様の物理的な吸着によって容量が形成される活物質や、グラファイトなど物理的な吸着とインターカレーション、脱インターカレーションによって容量が形成される活物質や、導電性高分子などレドックスにより容量が形成される活物質を使用し、負極に本発明の活物質材料を使用するデバイスである。本発明の活物質材料は、通常、前記ハイブリッドキャパシタの電極シートの形態にて用いられる。
[Hybrid capacitor]
The hybrid capacitor is a device that uses, as a positive electrode, an active material that generates capacitance by physical adsorption, such as activated carbon, similar to the electrode material of an electric double layer capacitor, an active material that generates capacitance by physical adsorption and intercalation/deintercalation, such as graphite, or an active material that generates capacitance by redox, such as a conductive polymer, and uses, as a negative electrode, the active material of the present invention. The active material of the present invention is usually used in the form of an electrode sheet for the hybrid capacitor.
[リチウム電池]
本発明のリチウム電池は、リチウム一次電池及びリチウム二次電池を総称する。また、本明細書において、リチウム二次電池という用語は、いわゆるリチウムイオン二次電池や全固体型リチウムイオン二次電池も含む概念として用いる。
[Lithium battery]
The lithium battery of the present invention is a general term for lithium primary batteries and lithium secondary batteries. In this specification, the term lithium secondary battery is used to conceptually include so-called lithium ion secondary batteries and all-solid-state lithium ion secondary batteries.
前記リチウム電池は、正極、負極及び非水溶媒に電解質塩が溶解されている非水電解液、または固体電解質等により構成されているが、本発明の活物質材料は電極材料として用いることができる。本発明の活物質材料は、通常、前記リチウム電池の電極シートの形態にて用いられる。この活物質材料は、正極活物質及び負極活物質のいずれとして用いてもよいが、以下には負極活物質として用いた場合を説明する。 The lithium battery is composed of a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte solution in which an electrolyte salt is dissolved in a non-aqueous solvent, or a solid electrolyte, and the active material of the present invention can be used as an electrode material. The active material of the present invention is usually used in the form of an electrode sheet for the lithium battery. This active material may be used as either a positive electrode active material or a negative electrode active material, but the following description will focus on its use as a negative electrode active material.
<負極>
負極は、負極集電体の片面または両面に、負極活物質(本発明の活物質材料)、導電剤及び結着剤を含む負極層を有する。この負極層は、通常、電極シートの形態とされる。多孔質体などで空孔を有する負極集電体の場合は、空孔中に負極活物質(本発明の活物質材料)、導電剤、結着剤を含む負極層を有する。
<Negative electrode>
The negative electrode has a negative electrode layer containing a negative electrode active material (the active material of the present invention), a conductive agent, and a binder on one or both sides of a negative electrode current collector. This negative electrode layer is usually in the form of an electrode sheet. In the case of a negative electrode current collector that is porous or the like and has pores, the negative electrode layer contains the negative electrode active material (the active material of the present invention), a conductive agent, and a binder in the pores.
前記負極用の導電剤としては、化学変化を起こさない電子伝導材料であれば特に制限はない。例えば、天然黒鉛(鱗片状黒鉛等)、人造黒鉛等のグラファイト類、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チェンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック類、単相カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ(グラファイト層が多層同心円筒状)(非魚骨状)、カップ積層型カーボンナノチューブ(魚骨状(フィッシュボーン))、節型カーボンナノファイバー(非魚骨構造)、プレートレット型カーボンナノファイバー(トランプ状)等のカーボンナノチューブ類等が挙げられる。 The conductive agent for the negative electrode is not particularly limited as long as it is an electron-conductive material that does not undergo chemical changes. Examples include graphites such as natural graphite (e.g., flake graphite) and artificial graphite; carbon blacks such as acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and thermal black; and carbon nanotubes such as single-phase carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes (graphite layers in a multi-layered concentric cylindrical shape) (non-fishbone-shaped), cup-stacked carbon nanotubes (fishbone-shaped), nodular carbon nanofibers (non-fishbone structure), and platelet carbon nanofibers (playing card-shaped).
導電剤の添加量は、活物質の比表面積や導電剤の種類や組合せにより異なるため、最適化を行うべきであるが、負極層中に、好ましくは0.1質量%~10質量%であり、さらに好ましくは0.5質量%~5質量%である。0.1質量%未満では、負極層の導電性が確保できなくなり、10質量%超では、活物質比率が減少し、負極層の単位質量及び単位体積あたりの蓄電デバイスの放電容量が不十分になるため高容量化に適さない。なお、導電剤の添加形式は、電極作成時でもよく、活物質そのものに導電剤を被覆する形でも構わない。炭素繊維などの導電剤で被覆することで、負極層の導電性が更に向上しうるためである。 The amount of conductive agent added varies depending on the specific surface area of the active material and the type and combination of conductive agents, and should be optimized. However, it is preferably 0.1% to 10% by mass, and more preferably 0.5% to 5% by mass, in the negative electrode layer. At less than 0.1% by mass, the conductivity of the negative electrode layer cannot be ensured. At more than 10% by mass, the active material ratio decreases, resulting in insufficient discharge capacity of the energy storage device per unit mass and unit volume of the negative electrode layer, making it unsuitable for achieving high capacity. The conductive agent may be added during electrode preparation, or it may be coated onto the active material itself. This is because coating with a conductive agent such as carbon fiber can further improve the conductivity of the negative electrode layer.
前記負極用の結着剤としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリビニルピロリドン(PVP)、スチレンとブタジエンの共重合体(SBR)、アクリロニトリルとブタジエンの共重合体(NBR)、カルボキシメチルセルロース(CMC)等が挙げられる。 Examples of binders for the negative electrode include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinylpyrrolidone (PVP), styrene-butadiene copolymer (SBR), acrylonitrile-butadiene copolymer (NBR), and carboxymethyl cellulose (CMC).
前記結着剤の添加量は、活物質の比表面積や導電剤の種類や組合せにより異なるため、最適化を行うべきであるが、負極層中に、好ましくは0.2質量%~15質量%である。結着性を高め負極層の強度を確保する観点から、0.5質量%以上であることが好ましく、1質量%以上であることがより好ましく、2質量%以上であることがさらに好ましい。活物質比率が減少し、負極層の単位質量及び単位体積あたりの蓄電デバイスの放電容量を低減させない観点から、10質量%以下であることが好ましく、5質量%以下であることがより好ましい。 The amount of binder added should be optimized, as it varies depending on the specific surface area of the active material and the type and combination of conductive agents. It is preferably 0.2% to 15% by mass in the negative electrode layer. From the viewpoint of improving binding and ensuring the strength of the negative electrode layer, it is preferably 0.5% by mass or more, more preferably 1% by mass or more, and even more preferably 2% by mass or more. From the viewpoint of preventing a decrease in the active material ratio and a decrease in the discharge capacity of the power storage device per unit mass and unit volume of the negative electrode layer, it is preferably 10% by mass or less, and more preferably 5% by mass or less.
前記負極集電体としては、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケル、銅、チタン、焼成炭素、あるいはそれらの表面にカーボン、ニッケル、チタン、銀を被覆させたもの等が挙げられる。また、これらの材料の表面を酸化してもよく、表面処理により負極集電体表面に凹凸を付けてもよい。 Examples of the negative electrode current collector include aluminum, stainless steel, nickel, copper, titanium, baked carbon, and materials coated with carbon, nickel, titanium, or silver. The surfaces of these materials may also be oxidized, or the negative electrode current collector surface may be roughened by surface treatment.
前記負極の作製方法としては、負極活物質(本発明の活物質材料を含む)、導電剤及び結着剤を溶剤中に均一に混合し塗料化した後、前記負極集電体上に塗布し、乾燥、圧縮することによって得ることができる。多孔質体などで空孔を有する負極集電体の場合は、負極活物質(本発明の活物質材料)、導電剤及び結着剤を溶剤中に均一に混合した塗料を集電体の空孔に圧入して充填、または前記塗料中に空孔を有する集電体を浸潰し空孔中に拡散した後に、乾燥、圧縮することによって得ることができる。 The negative electrode can be produced by uniformly mixing the negative electrode active material (including the active material of the present invention), conductive agent, and binder in a solvent to form a paint, which is then applied to the negative electrode current collector, dried, and compressed. In the case of a porous negative electrode current collector having pores, the paint is prepared by uniformly mixing the negative electrode active material (including the active material of the present invention), conductive agent, and binder in a solvent, and is then pressed into the pores of the current collector to fill them, or by immersing the porous current collector in the paint to allow the paint to diffuse into the pores, followed by drying and compression.
負極活物質(本発明の活物質材料)、導電剤及び結着剤を溶剤中に均一に混合し塗料化する方法としては、例えば、プラネタリーミキサーなどの混練容器内で攪拌棒が自転しながら公転するタイプの混練機、二軸押し出し型混練機、遊星式撹拌脱泡装置、ビーズミル、高速旋回型ミキサ、粉体吸引連続溶解分散装置などを用いることができる。また、製造工程として、固形分濃度によって工程を分け、これらの装置を使い分けてもよい。 Methods for uniformly mixing the negative electrode active material (the active material of the present invention), conductive agent, and binder in a solvent to produce a paint include, for example, a planetary mixer or other kneader in which the stirring rod revolves while rotating within the kneading vessel, a twin-screw extrusion kneader, a planetary stirring degasser, a bead mill, a high-speed rotary mixer, and a powder suction continuous dissolution and dispersion device. Furthermore, the manufacturing process may be divided into steps depending on the solids concentration, and these devices may be used separately.
負極活物質(本発明の活物質材料)、導電剤及び結着剤を溶剤中に均一に混合するには、活物質の比表面積、導電剤の種類、結着剤の種類やこれらの組合せにより異なるため、最適化を行うべきであるが、プラネタリーミキサーなどの混練容器内で攪拌棒が自転しながら公転するタイプの混練機、二軸押し出し型混練機、遊星式撹拌脱泡装置などを用いる場合には、製造工程として固形分濃度によって工程を分け、固形分濃度が高い状態で混練した後、徐々に固形分濃度を下げ塗料の粘度を調製するのが好ましい。固形分濃度が高い状態としては、好ましくは60質量%~90質量%、さらに好ましくは60質量%~80質量%である。60質量%以上であればせん断力が得られるので好ましく、90質量%以下であれば装置の負荷が軽減されるので好ましく、80質量%以下であればより好ましい。 Uniform mixing of the negative electrode active material (the active material of the present invention), conductive agent, and binder in the solvent requires optimization, as it depends on the specific surface area of the active material, the type of conductive agent, the type of binder, and the combination of these. However, when using a kneader such as a planetary mixer, in which the stirring rod revolves while rotating within the kneading vessel, a twin-screw extrusion kneader, or a planetary agitation degassing device, it is preferable to divide the manufacturing process into steps based on the solids concentration, knead the materials at a high solids concentration, and then gradually reduce the solids concentration to adjust the viscosity of the paint. A high solids concentration is preferably 60% to 90% by mass, more preferably 60% to 80% by mass. A solids concentration of 60% by mass or higher is preferred because it provides sufficient shear force, while a solids concentration of 90% by mass or lower is preferred because it reduces the load on the equipment, and 80% by mass or lower is even more preferred.
混合手順としては、特に限定されることはないが、負極活物質と導電剤と結着剤を同時に溶剤中で混合する方法、導電剤と結着剤をあらかじめ溶剤中で混合した後に負極活物質を追加混合する方法、負極活物質スラリーと導電剤スラリーと結着剤溶液をあらかじめ作製し、それぞれを混合する方法などが挙げられる。これらの中でも均一に分散させるには、導電剤と結着剤をあらかじめ溶剤中で混合した後に負極活物質を追加混合する方法及び負極活物質スラリーと導電剤スラリーと結着剤溶液をあらかじめ作製し、それぞれを混合する方法が好ましい。 The mixing procedure is not particularly limited, but examples include a method in which the negative electrode active material, conductive agent, and binder are mixed simultaneously in a solvent; a method in which the conductive agent and binder are mixed in a solvent in advance and then the negative electrode active material is added and mixed; and a method in which a negative electrode active material slurry, conductive agent slurry, and binder solution are prepared in advance and then mixed. Of these, to achieve uniform dispersion, the method in which the conductive agent and binder are mixed in a solvent in advance and then the negative electrode active material is added and mixed, and the method in which a negative electrode active material slurry, conductive agent slurry, and binder solution are prepared in advance and then mixed, are preferred.
溶剤としては、有機溶媒を用いることができる。有機溶剤としては、1-メチル-2-ピロリドン、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミドなど非プロトン性有機溶媒を単独、または2種類以上混合したものが挙げられ、好ましくは1-メチル-2-ピロリドンである。 An organic solvent can be used as the solvent. Examples of organic solvents include aprotic organic solvents such as 1-methyl-2-pyrrolidone, dimethylacetamide, and dimethylformamide, used alone or in combination, with 1-methyl-2-pyrrolidone being preferred.
溶剤に有機溶剤を用いる場合には、結着剤をあらかじめ有機溶剤に溶解させて使用するのが好ましい。 When using an organic solvent, it is preferable to dissolve the binder in the organic solvent before use.
<正極>
正極は、正極集電体の片面または両面に、正極活物質、導電剤及び結着剤を含む正極層を有する。
<Positive electrode>
The positive electrode has a positive electrode layer containing a positive electrode active material, a conductive agent, and a binder on one or both surfaces of a positive electrode current collector.
前記正極活物質としては、リチウムを吸蔵及び放出可能な材料が使用され、例えば、活物質としては、コバルト、マンガン、ニッケルを含有するリチウムとの複合金属酸化物やリチウム含有オリビン型リン酸塩などが挙げられ、これらの正極活物質は、1種単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。このような複合金属酸化物としては、例えば、LiCoO2、LiMn2O4、LiNiO2、LiCo1-xNixO2(0.01<x<1)、LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2、LiNi1/2Mn3/2O4等が挙げられ、これらのリチウム複合酸化物の一部は他元素で置換してもよく、コバルト、マンガン、ニッケルの一部をB、Nb、Sn、Mg、Fe、Ti、Al、Zr、Cr、V、Ga、Zn、Cu、Bi、Mo、La等の少なくとも1種以上の元素で置換したり、Oの一部をSやFで置換したり、あるいは、これらの他元素を含有する化合物を被覆することができる。リチウム含有オリビン型リン酸塩としては、例えば、LiFePO4、LiCoPO4、LiNiPO4、LiMnPO4、LiFe1-xMxPO4(MはCo、Ni、Mn、Cu、Zn、及びCdから選ばれる少なくとも1種であり、xは、0≦x≦0.5である。)等が挙げられる。 As the positive electrode active material, a material capable of absorbing and releasing lithium is used. Examples of the active material include composite metal oxides containing cobalt, manganese, and nickel with lithium, and lithium-containing olivine-type phosphates. These positive electrode active materials may be used alone or in combination of two or more. Examples of such composite metal oxides include LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiNiO 2 , LiCo 1-x Ni x O 2 (0.01<x<1), LiCo 1/3 Ni 1/3 Mn 1/3 O 2 , and LiNi 1/2 Mn 3/2 O 4. These lithium composite oxides may be partially substituted with other elements, such as by substituting at least one element such as B, Nb, Sn, Mg, Fe, Ti, Al, Zr, Cr, V, Ga, Zn, Cu, Bi, Mo, or La for the cobalt, manganese, or nickel, or by substituting at least one element such as S or F for the oxygen, or by coating with a compound containing these other elements. Examples of lithium-containing olivine-type phosphates include LiFePO 4 , LiCoPO 4 , LiNiPO 4 , LiMnPO 4 , and LiFe 1- xMxPO 4 (wherein M is at least one element selected from Co, Ni, Mn, Cu, Zn, and Cd, and x satisfies 0≦x≦0.5).
前記正極用の導電剤及び結着剤としては、負極と同様のものが挙げられる。前記正極集電体としては、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケル、チタン、焼成炭素、アルミニウムやステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル、チタン、銀を表面処理させたもの等が挙げられる。これらの材料の表面を酸化してもよく、表面処理により正極集電体表面に凹凸を付けてもよい。 Conductive agents and binders for the positive electrode can be similar to those for the negative electrode. Examples of the positive electrode current collector include aluminum, stainless steel, nickel, titanium, baked carbon, and aluminum or stainless steel surfaces treated with carbon, nickel, titanium, or silver. The surfaces of these materials can be oxidized, or the positive electrode current collector surface can be roughened by surface treatment.
<非水電解液>
非水電解液は、非水溶媒中に電解質塩を溶解させたものである。この非水電解液には特に制限は無く、種々のものを用いることができる。
<Nonaqueous electrolyte>
The non-aqueous electrolyte is a non-aqueous solvent in which an electrolyte salt is dissolved. There are no particular limitations on the non-aqueous electrolyte, and various types can be used.
前記電解質塩としては、非水電解質に溶解するものが用いられ、例えば、LiPF6、LiBF4、LiPO2F2、LiN(SO2F)2、LiClO4等の無機リチウム塩、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2、LiCF3SO3、LiC(SO2CF3)3、LiPF4(CF3)2、LiPF3(C2F5)3、LiPF3(CF3)3、LiPF3(iso-C3F7)3、LiPF5(iso-C3F7)等の鎖状のフッ化アルキル基を含有するリチウム塩や、(CF2)2(SO2)2NLi、(CF2)3(SO2)2NLi等の環状のフッ化アルキレン鎖を含有するリチウム塩、ビス[オキサレート-O,O’]ホウ酸リチウムやジフルオロ[オキサレート-O,O’]ホウ酸リチウム等のオキサレート錯体をアニオンとするリチウム塩が挙げられる。これらの中でも、特に好ましい電解質塩は、LiPF6、LiBF4、LiPO2F2、及びLiN(SO2F)2であり、最も好ましい電解質塩はLiPF6である。これらの電解質塩は、1種単独又は2種以上を組み合わせて使用することができる。 The electrolyte salt used is one that dissolves in a non-aqueous electrolyte, and examples thereof include inorganic lithium salts such as LiPF 6 , LiBF 4 , LiPO 2 F 2 , LiN(SO 2 F) 2 and LiClO 4 , LiN(SO 2 CF 3 ) 2 , LiN(SO 2 C 2 F 5 ) 2 , LiCF 3 SO 3 , LiC(SO 2 CF 3 ) 3 , LiPF 4 (CF 3 ) 2 , LiPF 3 (C 2 F 5 ) 3 , LiPF 3 (CF 3 ) 3 , LiPF 3 (iso-C 3 F 7 ) 3 and LiPF 5 (iso-C 3 F 7 ) . Examples of the electrolyte salt include lithium salts containing a chain-like fluorinated alkyl group such as (CF 2 ) 2 (SO 2 ) 2 NLi and (CF 2 ) 3 (SO 2 ) 2 NLi, lithium salts containing a cyclic fluorinated alkylene chain such as (CF 2 ) 2 (SO 2 ) 2 NLi, and lithium salts having an oxalate complex as the anion such as lithium bis[oxalate-O,O']borate and lithium difluoro[oxalate-O,O']borate. Among these, particularly preferred electrolyte salts are LiPF 6 , LiBF 4 , LiPO 2 F 2 , and LiN(SO 2 F) 2 , and the most preferred electrolyte salt is LiPF 6. These electrolyte salts can be used alone or in combination of two or more.
これら全電解質塩が溶解されて使用される濃度は、前記の非水溶媒に対して、通常0.3M以上が好ましく、0.5M以上がより好ましく、0.7M以上が更に好ましい。またその上限は、2.5M以下が好ましく、2.0M以下がより好ましく、1.5M以下が更に好ましい。 The concentration at which all of these electrolyte salts are dissolved and used in the non-aqueous solvent is generally preferably 0.3 M or more, more preferably 0.5 M or more, and even more preferably 0.7 M or more. The upper limit is preferably 2.5 M or less, more preferably 2.0 M or less, and even more preferably 1.5 M or less.
一方、前記非水溶媒としては、環状カーボネート、鎖状カーボネート、鎖状エステル、エーテル、アミド、リン酸エステル、スルホン、ラクトン、ニトリル、S=O結合含有化合物等が挙げられ、環状カーボネートを含むことが好ましい。なお、「鎖状エステル」なる用語は、鎖状カーボネート及び鎖状カルボン酸エステルを含む概念として用いる。 On the other hand, examples of the non-aqueous solvent include cyclic carbonates, chain carbonates, chain esters, ethers, amides, phosphate esters, sulfones, lactones, nitriles, and S=O bond-containing compounds, and it is preferable to include cyclic carbonates. The term "chain ester" is used to encompass chain carbonates and chain carboxylic acid esters.
環状カーボネートとしては、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、1,2-ブチレンカーボネート、2,3-ブチレンカーボネート、4-フルオロ-1,3-ジオキソラン-2-オン(FEC)、トランスもしくはシス-4,5-ジフルオロ-1,3-ジオキソラン-2-オン(以下、両者を総称して「DFEC」という)、ビニレンカーボネート(VC)、ビニルエチレンカーボネート(VEC)、及び4-エチニル-1,3-ジオキソラン-2-オン(EEC)から選ばれる一種又は二種以上が挙げられ、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、1,2-ブチレンカーボネート、2,3-ブチレンカーボネート、4-フルオロ-1,3-ジオキソラン-2-オン及び4-エチニル-1,3-ジオキソラン-2-オン(EEC)から選ばれる一種以上が、蓄電デバイスの充電レート特性の向上や高温動作時のガス発生量を抑制する観点からより好適であり、プロピレンカーボネート、1,2-ブチレンカーボネート及び2,3-ブチレンカーボネートから選ばれるアルキレン鎖を有する環状カーボネートの一種以上が更に好適である。 Examples of cyclic carbonates include one or more selected from ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), 1,2-butylene carbonate, 2,3-butylene carbonate, 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one (FEC), trans- or cis-4,5-difluoro-1,3-dioxolan-2-one (hereinafter collectively referred to as "DFEC"), vinylene carbonate (VC), vinylethylene carbonate (VEC), and 4-ethynyl-1,3-dioxolan-2-one (EEC). One or more selected from the group consisting of ethylene carbonate, propylene carbonate, 1,2-butylene carbonate, 2,3-butylene carbonate, 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one, and 4-ethynyl-1,3-dioxolan-2-one (EEC) are more preferred from the perspective of improving the charge rate characteristics of the power storage device and suppressing the amount of gas generated during high-temperature operation, and one or more cyclic carbonates having an alkylene chain selected from propylene carbonate, 1,2-butylene carbonate, and 2,3-butylene carbonate are even more preferred.
また、特に、全電解質塩の濃度が0.5M~2.0Mであり、前記電解質塩として、少なくともLiPF6を含み、更に0.001M~1MのLiBF4、LiPO2F2、及びLiN(SO2F)2から選ばれる少なくとも一種のリチウム塩が含まれる非水電解液を用いることが好ましい。LiPF6以外のリチウム塩が非水溶媒中に占める割合が0.001M以上であると、蓄電デバイスの充電レート特性の向上や高温動作時のガス発生量の抑制効果が発揮されやすく、1.0M以下であると蓄電デバイスの充電レート特性の向上や高温動作時のガス発生量の抑制効果が低下する懸念が少ないので好ましい。 In particular, it is preferable to use a non-aqueous electrolyte solution having a total electrolyte salt concentration of 0.5 M to 2.0 M, containing at least LiPF6 as the electrolyte salt, and further containing 0.001 M to 1 M of at least one lithium salt selected from LiBF4 , LiPO2F2 , and LiN( SO2F ) 2 . When the proportion of lithium salts other than LiPF6 in the non-aqueous solvent is 0.001 M or more, the charge rate characteristics of the electricity storage device and the effect of suppressing the amount of gas generation during high-temperature operation are easily exhibited, and when it is 1.0 M or less, there is little concern about a decrease in the effect of improving the charge rate characteristics of the electricity storage device and the effect of suppressing the amount of gas generation during high-temperature operation, which is preferable.
また、前記非水溶媒は、適切な物性を達成するために、混合して使用されることが好ましい。その組合せは、例えば、環状カーボネートと鎖状カーボネートの組合せ、環状カーボネートと鎖状カーボネートとラクトンとの組合せ、環状カーボネートと鎖状カーボネートとエーテルの組合せ、環状カーボネートと鎖状カーボネートと鎖状エステルとの組合せ、環状カーボネートと鎖状カーボネートとニトリルとの組合せ、環状カーボネート類と鎖状カーボネートとS=O結合含有化合物との組合せ等が挙げられる。 The non-aqueous solvents are preferably used in combination to achieve appropriate physical properties. Examples of such combinations include a combination of a cyclic carbonate and a chain carbonate, a combination of a cyclic carbonate, a chain carbonate, and a lactone, a combination of a cyclic carbonate, a chain carbonate, and an ether, a combination of a cyclic carbonate, a chain carbonate, and a chain ester, a combination of a cyclic carbonate, a chain carbonate, and a nitrile, and a combination of a cyclic carbonate, a chain carbonate, and an S=O bond-containing compound.
鎖状エステルとしては、メチルエチルカーボネート(MEC)、メチルプロピルカーボネート(MPC)、メチルイソプロピルカーボネート(MIPC)、メチルブチルカーボネート、及びエチルプロピルカーボネートから選ばれる1種又は2種以上の非対称鎖状カーボネート、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジプロピルカーボネート、及びジブチルカーボネートから選ばれる1種又は2種以上の対称鎖状カーボネート、ピバリン酸メチル、ピバリン酸エチル、ピバリン酸プロピル等のピバリン酸エステル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸プロピル、酢酸メチル、及び酢酸エチル(EA)から選ばれる1種又は2種以上の鎖状カルボン酸エステルが好適に挙げられる。 Suitable examples of the chain ester include one or more asymmetric chain carbonates selected from methyl ethyl carbonate (MEC), methyl propyl carbonate (MPC), methyl isopropyl carbonate (MIPC), methyl butyl carbonate, and ethyl propyl carbonate; one or more symmetric chain carbonates selected from dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate, and dibutyl carbonate; pivalic acid esters such as methyl pivalate, ethyl pivalate, and propyl pivalate; and one or more chain carboxylic acid esters selected from methyl propionate, ethyl propionate, propyl propionate, methyl acetate, and ethyl acetate (EA).
<リチウム電池の構造>
本発明のリチウム電池の構造は特に限定されるものではなく、正極、負極及び単層又は複層のセパレータを有するコイン電池、さらに、正極、負極及びロール状のセパレータを有する円筒型電池や角型電池等が一例として挙げられる。
<Structure of a lithium battery>
The structure of the lithium battery of the present invention is not particularly limited, and examples include a coin battery having a positive electrode, a negative electrode, and a single-layer or multi-layer separator, and further, a cylindrical battery or a prismatic battery having a positive electrode, a negative electrode, and a roll-shaped separator.
前記セパレータとしては、大きなイオン透過度を持ち、所定の機械的強度を持った絶縁性の薄膜が用いられる。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、セルロース紙、ガラス繊維紙、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド微多孔膜などが挙げられ、2種以上を組み合わせて構成された多層膜としたものも用いることができる。またこれらのセパレータ表面にPVDF、シリコン樹脂、ゴム系樹脂などの樹脂や、酸化アルミニウム、二酸化珪素、酸化マグネシウムなどの金属酸化物の粒子などをコーティングすることもできる。 The separator is made of an insulating thin film with high ion permeability and a certain level of mechanical strength. Examples include polyethylene, polypropylene, cellulose paper, glass fiber paper, polyethylene terephthalate, and polyimide microporous membranes, and multilayer membranes made by combining two or more types can also be used. The surface of these separators can also be coated with resins such as PVDF, silicone resins, and rubber-based resins, or with particles of metal oxides such as aluminum oxide, silicon dioxide, and magnesium oxide.
<負極活物質組成物>
本発明の負極活物質組成物は、本発明のニオブ含有酸化物粉末と、周期律表第1族に属する金属イオンの伝導性を有する無機固体電解質と、を含む負極活物質組成物である。無機固体電解質の含有量は特に限定されないが、前記活物質組成物中に、1質量%以上であればよく、5質量%以上であることが好ましく、20質量%以上であることがより好ましく、30質量%以上であることがさらに好ましい。無機固体電解質の含有量が多いほどニオブ含有酸化物粉末と固体電解質の接触が得られやすいため好ましい。また無機固体電解質の含有量が多すぎると全固体二次電池の電池容量が小さくなるため、70質量%以下であればよく、60質量%以下であることが好ましい。通常、全固体二次電池の電池容量を大きくするため無機固体電解質の含有量は少ない方が好ましいが、含有量が少ない場合、ニオブ含有酸化物粉末と固体電解質の接触が取りづらくなる。本発明の負極活物質組成物に用いられる前記ニオブ含有酸化物粉末を用いることで無機固体電解質の含有量は少ない場合においても満足のいくニオブ含有酸化物粉末と固体電解質の接触が得られる。本発明のニオブ含有酸化物粉末及び無機固体電解質以外の物質を1種又は2種以上含んでいてもよい。他の物質としては、例えば、炭素材料〔熱分解炭素類、コークス類、グラファイト類(人造黒鉛、天然黒鉛等)、有機高分子化合物燃焼体、炭素繊維〕、スズやスズ化合物、ケイ素やケイ素化合物、リチウムを含む金属酸化物が使用される。特に、リチウムを含む金属酸化物として、Li4Ti5O12を主成分とするチタン酸リチウムが挙げられる。
<Negative electrode active material composition>
The negative electrode active material composition of the present invention includes the niobium-containing oxide powder of the present invention and an inorganic solid electrolyte having conductivity for metal ions belonging to Group 1 of the periodic table. The content of the inorganic solid electrolyte is not particularly limited, but may be 1% by mass or more, preferably 5% by mass or more, more preferably 20% by mass or more, and even more preferably 30% by mass or more in the active material composition. A higher content of the inorganic solid electrolyte is preferable because it facilitates contact between the niobium-containing oxide powder and the solid electrolyte. Furthermore, since a too high content of the inorganic solid electrolyte reduces the battery capacity of the all-solid-state secondary battery, the content is preferably 70% by mass or less, and more preferably 60% by mass or less. Generally, a low content of the inorganic solid electrolyte is preferable to increase the battery capacity of the all-solid-state secondary battery. However, a low content of the inorganic solid electrolyte makes it difficult to achieve contact between the niobium-containing oxide powder and the solid electrolyte. By using the niobium-containing oxide powder used in the negative electrode active material composition of the present invention, satisfactory contact between the niobium-containing oxide powder and the solid electrolyte can be achieved even when the content of the inorganic solid electrolyte is low. The niobium-containing oxide powder and inorganic solid electrolyte of the present invention may contain one or more substances other than the niobium-containing oxide powder and inorganic solid electrolyte. Examples of other substances include carbon materials (pyrolytic carbons, cokes, graphites (artificial graphite, natural graphite, etc.), organic polymer compound combustion bodies, carbon fibers), tin and tin compounds, silicon and silicon compounds, and lithium-containing metal oxides. In particular, lithium-containing metal oxides include lithium titanate mainly composed of Li4Ti5O12 .
<周期律表>
本明細書の周期律表とは、IUPAC(国際純正応用化学連合)の規定に基づく長周期型の元素の周期律表をいう。
<Periodic table>
The periodic table in this specification refers to the long-form periodic table of elements based on the provisions of IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry).
<固体電解質>
固体電解質とは、その内部においてイオンを移動させることができる固体状の電解質のことである。特に、無機固体電解質は定常状態では固体であるため、通常カチオンおよびアニオンに解離または遊離していない。無機固体電解質は周期律表第1族に属する金属イオンの伝導性を有するものであれば特に限定されず電子伝導性をほとんど有さないものが一般的である。無機固体電解質は(A)硫化物無機固体電解質と(B)酸化物無機固体電解質と(C)塩化物無機固体電解質が代表例として挙げられる。特に、高いイオン伝導性を有し、室温での加圧のみで、粒界の少ない緻密な成形体が形成できるため、硫化物無機固体電解質が好ましく用いられる。ここで言う周期律表は長周期型の周期律表を指す。
<Solid electrolyte>
A solid electrolyte is a solid electrolyte capable of transferring ions therein. In particular, inorganic solid electrolytes are solid in a steady state and are not usually dissociated or liberated into cations and anions. The inorganic solid electrolyte is not particularly limited as long as it has the conductivity of metal ions belonging to Group 1 of the periodic table, but generally has almost no electronic conductivity. Representative examples of inorganic solid electrolytes include (A) sulfide inorganic solid electrolytes, (B) oxide inorganic solid electrolytes, and (C) chloride inorganic solid electrolytes. In particular, sulfide inorganic solid electrolytes are preferred because they have high ionic conductivity and can be formed into dense compacts with few grain boundaries simply by applying pressure at room temperature. The periodic table referred to here refers to the long-period version of the periodic table.
硫化物無機固体電解質は非結晶ガラスであっても良く、結晶化ガラスであっても良く、結晶性材料であっても良い。硫化物無機固体電解質として、具体的に以下の組み合わせが好適に挙げられるが特に限定されない。
Li2S-P2S5、Li2S-P2S5-Al2S3、Li2S-GeS2、Li2S-Ga2S3、Li2S-GeS2-Ga2S3、Li2S-GeS2-P2S5、Li2S-GeS2-Sb2S5、Li2S-GeS2-Al2S3、Li2S-SiS2、Li2S-Al2S3、Li2S-SiS2-Al2S3、Li2S-SiS2-P2S5、Li10GeP2S12。
The sulfide inorganic solid electrolyte may be amorphous glass, crystallized glass, or a crystalline material. Specific examples of the sulfide inorganic solid electrolyte include, but are not limited to, the following combinations:
Li 2 S-P 2 S 5 , Li 2 S-P 2 S 5 -Al 2 S 3 , Li 2 S-GeS 2 , Li 2 S-Ga 2 S 3 , Li 2 S-GeS 2 -Ga 2 S 3 , Li 2 S-GeS 2 -P 2 S 5 , Li2S -GeS2 -Sb2S5 , Li2S - GeS2- Al2S3 , Li2S - SiS2 , Li2S - Al2S3 , Li2S - SiS2 - Al2S3 , Li2S - SiS 2 -P 2 S 5 , Li 10 GeP2S12 .
前記組み合わせのなかでも、Li2S-P2S5を組み合わせて製造されるLPSガラスおよびLPSガラスセラミックスが好ましい。また上記以外の硫化物無機固体電解質として、Li6PS5ClやLi6PS5Brなどのアルジェロダイト型固体電解質も好適に挙げられる。 Among the above combinations, preferred are LPS glass and LPS glass ceramics produced by combining Li 2 S—P 2 S 5. Other suitable sulfide inorganic solid electrolytes include argerodite-type solid electrolytes such as Li 6 PS 5 Cl and Li 6 PS 5 Br.
酸化物無機固体電解質は、酸素原子を含有し、かつ、周期律表第1族に属する金属イ
オン伝導性を有し、かつ、電子絶縁性を有するものが好ましい。
The oxide inorganic solid electrolyte preferably contains oxygen atoms, has ion conductivity of a metal belonging to Group 1 of the periodic table, and has electronic insulation properties.
酸化物無機固体電解質としては、例えば、LISICON(Lithium super ionic conductor)型結晶構造を有するLi3.5Zn0.25GeO4、ペロブスカイト型結晶構造を有するLa0.55Li0.35TiO3、NASICON(Natrium super ionic conductor)型結晶構造を有するLiTi2P3O12、ガーネット型結晶構造を有するLi7La3Zr2O12(LLZ)、リン酸リチウム(Li3PO4)、リン酸リチウムの酸素の一部を窒素で置換したLiPON、Li3BO3-Li2SO4、Li2O-B2O3-P2O5、Li2O-SiO2、およびLi6BaLa2Ta2O12等が好適に挙げられる。 Examples of oxide inorganic solid electrolytes include Li 3.5 Zn 0.25 GeO 4 having a LISICON (lithium super ionic conductor) type crystal structure, La 0.55 Li 0.35 TiO 3 having a perovskite type crystal structure, LiTi 2 P 3 O 12 having a NASICON (sodium super ionic conductor) type crystal structure, Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (LLZ) having a garnet type crystal structure, lithium phosphate (Li 3 PO 4 ), LiPON in which part of the oxygen in lithium phosphate is replaced with nitrogen, Li 3 BO 3 —Li 2 SO 4 , and Li 2 O—B 2 O 3 Preferred examples include —P 2 O 5 , Li 2 O—SiO 2 , and Li 6 BaLa 2 Ta 2 O 12 .
塩化物無機固体電解質としては、Li3ScCl6、LiAlCl4、Ln1-XAXOCl1-X(式中、Lnはいずれかの希土類元素を示し、Aは、アルカリ土類金属を示し、Xは、0<X<1)などが好適に挙げられる。 Suitable chloride inorganic solid electrolytes include Li 3 ScCl 6 , LiAlCl 4 , and Ln 1-X A X OCl 1-X (wherein Ln represents any rare earth element, A represents an alkaline earth metal, and X satisfies 0<X<1).
無機固体電解質の体積平均粒径は特に限定されないが、0.01μm以上であることが好ましく、0.1μm以上であることがより好ましい。上限としては、100μm以下であることが好ましく、50μm以下であることがより好ましい。 The volume average particle size of the inorganic solid electrolyte is not particularly limited, but is preferably 0.01 μm or more, and more preferably 0.1 μm or more. The upper limit is preferably 100 μm or less, and more preferably 50 μm or less.
次に、実施例及び比較例を挙げてより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではなく、発明の趣旨から容易に類推可能な様々な組み合わせを包含する。 Next, the present invention will be explained in more detail using examples and comparative examples, but it should be noted that the present invention is not limited to the following examples and encompasses various combinations that can be easily inferred from the spirit of the invention.
(液系リチウムイオン二次電池)
[実施例1-1]
<原料調製工程>
Nb2O5(平均粒径0.2μm)、アナターゼ型TiO2(比表面積10m2/g)とAl2O3をモル比で78.5:21.2:0.3となるように秤量し、混合した。この混合粉末を1050℃で12時間焼成処理を施した。得られた焼成粉末試料について、サンプリング間隔0.01°、スキャン速度2°/minの条件にて粉末X線回折測定を実施した。出発原料由来のピークは確認されず、反応は完全に進行したことが確認された。合成された試料の結晶構造解析、および蛍光X線誘分析装置(エスアイアイ・テクノロジー株式会社製、商品名「SPS5100」)を用いた、蛍光X線分析(XRF)の結果から、合成した試料が合成した試料が目的とするニオブ含有酸化物(Ti1.9Nb14.05Al0.05O39)であることが確認された。
(Lithium-ion secondary battery)
[Example 1-1]
<Raw material preparation process>
Nb 2 O 5 (average particle size 0.2 μm), anatase TiO 2 (specific surface area 10 m 2 /g), and Al 2 O 3 were weighed and mixed in a molar ratio of 78.5:21.2:0.3. This mixed powder was calcined at 1,050°C for 12 hours. Powder X-ray diffraction measurement was performed on the resulting calcined powder sample at a sampling interval of 0.01° and a scan rate of 2°/min. No peaks derived from the starting materials were observed, confirming that the reaction had proceeded completely. Crystal structure analysis of the synthesized sample and X-ray fluorescence analysis (XRF) using an X-ray fluorescence analyzer (manufactured by SII Technology Inc., product name "SPS5100") confirmed that the synthesized sample was the desired niobium-containing oxide (Ti 1.9 Nb 14.05 Al 0.05 O 39 ).
<解砕処理工程>
得られた焼成粉末試料に、φ2.0mmのジルコニアビーズを添加しボールミルによる解砕処理を行い、一次粒子の粒度分布が調整された実施例1-1に係るニオブ含有酸化物粉末を製造した。
<Crushing process>
Zirconia beads of φ2.0 mm were added to the obtained fired powder sample, and the mixture was subjected to a crushing treatment using a ball mill, thereby producing a niobium-containing oxide powder according to Example 1-1 in which the particle size distribution of the primary particles was adjusted.
[実施例1-2~実施例1-12]
原料調製工程において表1および表2に示す組成式になるように原料、混合比を変更した以外は実施例1-1と同様に行い、実施例1-2~実施例1-12に係るニオブ含有酸化物粉末を製造した。
[Examples 1-2 to 1-12]
Niobium-containing oxide powders according to Examples 1-2 to 1-12 were produced in the same manner as in Example 1-1, except that the raw materials and mixing ratios were changed in the raw material preparation step so as to obtain the composition formulas shown in Tables 1 and 2.
[比較例1-1]
Nb2O5とアナターゼ型TiO2をモル比で7:2となるように秤量し、混合した。この混合粉末を1100℃で12時間焼成処理を施したのみで、非特許文献1と同様に解砕処理工程を実施しなかった比較例1-1に係るニオブ含有酸化物粉末を製造した。
[Comparative Example 1-1]
Nb 2 O 5 and anatase-type TiO 2 were weighed and mixed in a molar ratio of 7:2. This mixed powder was simply fired at 1100°C for 12 hours, and a niobium-containing oxide powder according to Comparative Example 1-1 was produced, in which the crushing treatment step was not carried out as in Non-Patent Document 1.
[参考例1-1]
Nb2O5とアナターゼ型TiO2をモル比で7:2となるように変更したこと以外は実施例1-1と同様に行い参考例1-1に係るニオブ含有酸化物粉末を製造した。
[Reference example 1-1]
A niobium-containing oxide powder according to Reference Example 1-1 was produced in the same manner as in Example 1-1, except that the molar ratio of Nb 2 O 5 to anatase-type TiO 2 was changed to 7:2.
[粉末物性の測定]
各実施例、比較例、各参考例のニオブ含有酸化物粉末の各種物性を以下のようにして測定した。
[Measurement of powder properties]
The various physical properties of the niobium-containing oxide powders of the Examples, Comparative Examples, and Reference Examples were measured as follows.
<比表面積の測定>
各実施例、各比較例、各参考例のニオブ含有酸化物粉末の比表面積(m2/g)は、全自動BET比表面積測定装置(株式会社マウンテック製、商品名「Macsorb HM model-1208」)を使用して、吸着ガスは窒素ガスを使用した。測定サンプル粉末を0.5g秤量し、φ12標準セル(HM1201-031)に入れ、100℃真空下で0.5時間脱気した後、BET一点法で測定した。
<Measurement of specific surface area>
The specific surface area (m 2 /g) of the niobium-containing oxide powder of each Example, Comparative Example, and Reference Example was measured using a fully automatic BET specific surface area measuring device (manufactured by Mountec Co., Ltd., product name "Macsorb HM model-1208"), and nitrogen gas was used as the adsorption gas. 0.5 g of the measurement sample powder was weighed out and placed in a φ12 standard cell (HM1201-031), and degassed under vacuum at 100°C for 0.5 hours, and then measured by the BET single-point method.
<D50の算出:乾式レーザー回折散乱法>
各実施例、各比較例、各参考例のニオブ含有酸化物粉末の一次粒子のD50は、レーザー回折・散乱型粒度分布測定機(日機装株式会社製、マイクロトラックMT3300EXII)を使用して測定した粒度分布曲線より算出した。50mlのイオン交換水を測定溶媒として収容した容器に50mgの試料を投入し、測定溶媒をスラリーの透過率が適正範囲(装置の緑のバーで表示される範囲)になるまで加えて粒度分布測定を行った。得られた粒度分布曲線から、粉末の一次粒子のD50を算出した。
<Calculation of D50: Dry Laser Diffraction Scattering Method>
The D50 of the primary particles of the niobium-containing oxide powders of each Example, Comparative Example, and Reference Example was calculated from a particle size distribution curve measured using a laser diffraction/scattering particle size distribution analyzer (Microtrac MT3300EXII, manufactured by Nikkiso Co., Ltd.). 50 mg of sample was placed in a container containing 50 ml of ion-exchanged water as a measurement solvent, and the measurement solvent was added until the transmittance of the slurry fell within the appropriate range (the range displayed by the green bar on the device), and particle size distribution measurement was performed. The D50 of the primary particles of the powder was calculated from the obtained particle size distribution curve.
[電池特性の評価]
各実施例、比較例、各参考例のニオブ含有酸化物粉末を用いてコイン型電池を作製し、それらの電池特性を評価した。評価結果を表1に示す。
[Evaluation of Battery Characteristics]
The niobium-containing oxide powders of the Examples, Comparative Examples, and Reference Examples were used to fabricate coin-type batteries, and the battery characteristics thereof were evaluated. The evaluation results are shown in Table 1.
<負極シートの作製>
負極シートは、室温25℃、露点-20℃以下に管理された部屋で次のようにして作製した。各実施例、比較例のニオブ含有酸化物粉末を、温度25℃、露点-20℃以下に管理された部屋でアルミラミネート袋から取り出した。取り出した各実施例、比較例のニオブ含有酸化物粉末を活物質として85質量%、アセチレンブラックを導電剤として10質量%、ポリフッ化ビニリデンを結着剤として5質量%の割合で混合して塗料を作製した。得られた塗料をアルミニウム箔上に塗布し乾燥させて、後述のコイン電池に用いる負極片面シートを作製した。
<Preparation of negative electrode sheet>
The negative electrode sheet was prepared as follows in a room controlled at a room temperature of 25°C and a dew point of -20°C or lower. The niobium-containing oxide powder of each Example and Comparative Example was removed from the aluminum laminate bag in a room controlled at a temperature of 25°C and a dew point of -20°C or lower. A coating material was prepared by mixing the removed niobium-containing oxide powder of each Example and Comparative Example as an active material at 85% by mass, acetylene black as a conductive agent at 10% by mass, and polyvinylidene fluoride as a binder at 5% by mass. The obtained coating material was applied to aluminum foil and dried to prepare a single-sided negative electrode sheet for use in a coin battery described below.
<電解液の調製>
特性評価用の電池に用いる電解液は、次のように調製した。温度25℃で露点-70℃以下に管理されたアルゴングローブボックス内で、エチレンカーボネート(EC):ジメチルカーボネート(DMC)=1:2(体積比)の非水溶媒を調製し、これに電解質塩としてLiPF6を1Mの濃度になるように溶解して後述のコイン電池用電解液を調製した。
<Preparation of Electrolyte>
The electrolyte solution used in the battery for characteristic evaluation was prepared as follows: In an argon glove box controlled at a temperature of 25°C and a dew point of −70°C or less, a non-aqueous solvent of ethylene carbonate (EC):dimethyl carbonate (DMC) = 1:2 (volume ratio) was prepared, and LiPF6 was dissolved in the non-aqueous solvent as an electrolyte salt to a concentration of 1 M to prepare the coin battery electrolyte solution described below.
<コイン電池の作製>
前述の方法で作製した負極片面シートを直径14mmの円形に打ち抜き、2t/cm2の圧力でプレス加工した後、120℃で5時間真空乾燥することによって評価電極を作製した。作製した評価電極と金属リチウム(厚み0.5mm、直径16mmの円形に成形したもの)をグラスフィルター(ADVANTEC製GA-100とワットマン製GF/Cを各1枚ずつ)を介して対向させ、前述の<電解液の調製>にて説明した方法で調製した非水電解液を加えて封止することによって、2032型コイン電池を作製した。
<Preparation of coin battery>
The negative electrode single-sided sheet prepared by the above method was punched into a circle with a diameter of 14 mm, pressed at a pressure of 2 t/ cm² , and then vacuum dried at 120°C for 5 hours to prepare an evaluation electrode. The prepared evaluation electrode and metallic lithium (molded into a circle with a thickness of 0.5 mm and a diameter of 16 mm) were placed opposite each other via glass filters (one each of ADVANTEC GA-100 and Whatman GF/C), and the nonaqueous electrolyte prepared by the method described above in <Preparation of Electrolyte Solution> was added and sealed to prepare a 2032-type coin battery.
<電池初期特性:初期放電容量、初期効率>
25℃の恒温槽内にて、上述の<コイン電池の作製>で説明した方法で作製したコイン型電池に、評価電極にLiが吸蔵される方向を充電として、0.2mA/cm2の電流密度で1Vまで充電を行い、さらに1Vで充電電流が0.05mA/cm2の電流密度になるまで充電させる定電流定電圧充電を行った後、0.2mA/cm2の電流密度で3Vまで放電させる定電流放電を行った。得られた放電容量(mAh)をニオブ含有酸化物の質量で割ることで初期放電容量(mAh/g)を求め、放電容量(mAh)を充電容量(mAh)で除することで初期効率(%)を求めた。
<Initial battery characteristics: initial discharge capacity, initial efficiency>
In a thermostatic chamber at 25°C, the coin battery prepared by the method described above in <Preparation of Coin Battery> was charged to 1 V at a current density of 0.2 mA/ cm2 , with charging in the direction in which Li was absorbed into the evaluation electrode, and then subjected to constant-current, constant-voltage charging at 1 V until the charging current reached a current density of 0.05 mA/ cm2 . Thereafter, constant-current discharging was performed at a current density of 0.2 mA/cm2 to 3 V. The obtained discharge capacity (mAh) was divided by the mass of the niobium-containing oxide to determine the initial discharge capacity (mAh/g), and the discharge capacity (mAh) was divided by the charge capacity (mAh) to determine the initial efficiency (%).
<10Cレート充放電率の測定>
初期放電容量の10Cに相当する電流で1Vまで充電を行い、さらに1Vで充電電流が0.05Cの電流密度になるまで充電させる定電流定電圧充電を行った後、10Cの電流で3Vまで放電させる定電流放電を行った。その10C定電流充電で得られた容量を初期放電容量で除することで10Cレート充電率(%)、10C定電流放電で得られた容量を初期放電容量で除することで10Cレート放電率(%)をそれぞれ算出した。結果を表1、表2に示す。ニオブ含有酸化物の10Cレート特性が高いと、蓄電デバイスの電極材料として適用した場合に、蓄電デバイスの放電レート特性の向上が期待できる。1CのCとは充放電するときの電流値を表す。例えば、1Cは理論容量を1/1時間で完全放電(もしくは完全充電)できる電流値を指し、0.1Cなら理論容量を1/0.1時間で完全放電(もしくは完全充電)できる電流値を指す。
<Measurement of 10C rate charge/discharge rate>
The battery was charged to 1 V at a current equivalent to 10 C of the initial discharge capacity, and then subjected to constant-current/constant-voltage charging at 1 V until the charging current reached a current density of 0.05 C. This was followed by constant-current discharging at 10 C to 3 V. The 10 C rate charge rate (%) was calculated by dividing the capacity obtained from the 10 C constant-current charge by the initial discharge capacity, and the 10 C rate discharge rate (%) was calculated by dividing the capacity obtained from the 10 C constant-current discharge by the initial discharge capacity. The results are shown in Tables 1 and 2. If the niobium-containing oxide has high 10 C rate characteristics, when it is used as an electrode material for an energy storage device, improved discharge rate characteristics of the energy storage device can be expected. The "C" in 1 C represents the current value during charging and discharging. For example, 1 C refers to the current value at which the theoretical capacity can be fully discharged (or fully charged) in 1/1 hour, while 0.1 C refers to the current value at which the theoretical capacity can be fully discharged (or fully charged) in 1/0.1 hour.
<評価結果>
実施例1-1~1-12のニオブ含有酸化物粉末を用いた電極は、比較例1-1、参考例1-1のTiの一部を異種元素で置換していないニオブ含有酸化物粉末を用いた電極よりも、10C充電率、及び10C放電率が良好であり、レート特性が優れることが分かった。
<Evaluation results>
The electrodes using the niobium-containing oxide powders of Examples 1-1 to 1-12 had better 10 C charge rate and 10 C discharge rate than the electrodes using the niobium-containing oxide powders of Comparative Example 1-1 and Reference Example 1-1 in which part of Ti was not substituted with a different element, and it was found that they had better rate characteristics.
<充放電に伴う電極厚み変化率測定>
25℃の恒温槽内にて、上述の<コイン電池の作製>で説明した方法で作製したコイン型電池に、評価電極にLiが吸蔵される方向を充電として、0.2mA/cm2の電流密度で0.8Vまで充電を行い、さらに0.8Vで充電電流が0.05mA/cm2の電流密度になるまで充電させる定電流定電圧充電を行った後、0.2mA/cm2の電流密度で2Vまで放電させる定電流放電を行った。その後、再び0.2mA/cm2の電流密度で0.8Vまで充電を行い、さらに0.8Vで充電電流が0.05mA/cm2の電流密度になるまで充電させる定電流定電圧充電を行った後、コイン電池を解体し充電状態の負極シートを取り出し、厚みを測定した。その0.8V充電後の負極シートの厚みを、コイン電池作製前の負極シート厚みで除することで、充放電に伴う電極厚み変化率を算出した。
<Measurement of electrode thickness change rate due to charge/discharge>
In a thermostatic chamber at 25 ° C., a coin battery prepared by the method described above in <Preparation of Coin Battery> was charged to 0.8 V at a current density of 0.2 mA / cm 2 , with charging in the direction in which Li was absorbed into the evaluation electrode. Further constant-current, constant-voltage charging was performed at 0.8 V until the charging current reached a current density of 0.05 mA / cm 2 , followed by constant-current discharging at a current density of 0.2 mA / cm 2 to 2 V. Thereafter, the battery was again charged to 0.8 V at a current density of 0.2 mA / cm 2 , and further constant-current, constant-voltage charging was performed at 0.8 V until the charging current reached a current density of 0.05 mA / cm 2 . The coin battery was then disassembled, and the charged negative electrode sheet was removed and its thickness was measured. The thickness of the negative electrode sheet after charging to 0.8 V was divided by the thickness of the negative electrode sheet before the coin battery was prepared to calculate the rate of change in electrode thickness during charge and discharge.
<評価結果>
実施例1-1のニオブ含有酸化物粉末を用いた電極の充放電に伴う電極厚み変化率が10.5%、特許文献1に記載の3価金属を有するTi2Nb10O29を用いた電極の充電に伴う厚み変化率は13.4%であり、本発明のニオブ含有酸化物粉末を用いた電極は特許文献1に記載のニオブ含有酸化物粉末を用いた電極よりも充放電に伴う厚み変化が小さいことが分かった。この効果は、非特許文献1、非特許文献2、および特許文献1に全く記載されていない。また、実施例1-1の結果より、実施例1-1以外の実施例1-2~1-12においても、同様に、電極の充放電に伴う電極厚み変化率の抑制効果が得られると考えられる。
<Evaluation results>
The electrode thickness change rate during charge and discharge of the electrode using the niobium-containing oxide powder of Example 1-1 was 10.5%, and the thickness change rate during charge and discharge of the electrode using Ti 2 Nb 10 O 29 having a trivalent metal described in Patent Document 1 was 13.4%, indicating that the electrode using the niobium-containing oxide powder of the present invention has a smaller thickness change during charge and discharge than the electrode using the niobium-containing oxide powder described in Patent Document 1. This effect is not described at all in Non-Patent Document 1, Non-Patent Document 2, and Patent Document 1. Furthermore, from the results of Example 1-1, it is considered that the effect of suppressing the electrode thickness change rate during charge and discharge of the electrode can be similarly obtained in Examples 1-2 to 1-12 other than Example 1-1.
(全固体二次電池)
[実施例2-1]
アルゴン雰囲気下のグローブボックス内で、上記実施例1-3のニオブ含有酸化物、硫化物固体電解質であるLi6PS5Cl粉末(レーザー回折・散乱型粒度分布測定機を使用して得られる体積平均粒径:6μm)及び導電剤をニオブ含有酸化物:Li6PS5Cl:導電剤=60:40:6の質量比になるように秤量し、メノウ乳鉢ならびに遊星型ボールミル機で攪拌混合することで、実施例2-1の負極活物質組成物を得た。得られた負極活物質組成物を室温で10分プレス(360MPa)することで直径10mm、厚さ約0.7mmのペレット(成形体)を作製した。この負極活物質組成物を含むペレット状電極、セパレータ層としてペレット状の固体電解質層(Li2S:P2S5=75:25のモル比であるLPSガラス)、及び対極としてのリチウムインジウム合金箔をこの順で積層し、積層体をステンレススチール製の集電体で挟むことで全固体二次電池を作製し、電池特性を評価した。評価結果を表3に示す。
(All-solid-state secondary battery)
[Example 2-1]
In a glove box under an argon atmosphere, the niobium-containing oxide of Example 1-3, the sulfide solid electrolyte Li 6 PS 5 Cl powder (volume average particle size: 6 μm obtained using a laser diffraction/scattering particle size distribution analyzer), and the conductive agent were weighed out to a mass ratio of niobium-containing oxide:Li 6 PS 5 Cl:conductive agent = 60:40:6, and the mixture was stirred and mixed in an agate mortar and a planetary ball mill to obtain the negative electrode active material composition of Example 2-1. The obtained negative electrode active material composition was pressed (360 MPa) at room temperature for 10 minutes to produce a pellet (molded body) with a diameter of 10 mm and a thickness of approximately 0.7 mm. A pellet-shaped electrode containing this negative electrode active material composition, a pellet-shaped solid electrolyte layer (LPS glass with a molar ratio of Li2S : P2S5 = 75:25 ) as a separator layer, and a lithium-indium alloy foil as a counter electrode were laminated in this order, and the laminate was sandwiched between stainless steel current collectors to prepare an all-solid-state secondary battery, and the battery characteristics were evaluated. The evaluation results are shown in Table 3.
[実施例2-2]
実施例1-9のニオブ含有酸化物に変更したこと以外は実施例2-1と同様に行い、実施例2-2に係る全固体二次電池を作製し、電池特性を評価した。評価結果を表3に示す。
[Example 2-2]
An all-solid-state secondary battery according to Example 2-2 was fabricated in the same manner as in Example 2-1, except that the niobium-containing oxide was changed to that of Example 1-9, and the battery characteristics were evaluated. The evaluation results are shown in Table 3.
[実施例2-3]
上記実施例1-3のニオブ含有酸化物に、スラリーの固形分濃度が30質量%となるようにイオン交換水を加え、処理剤としてモリブデン酸リチウム(Li2MоO4)を、ニオブ含有酸化物100gに対して0.8質量%加え、混合スラリーを作製した。この混合スラリーを、ペイントシェーカーで3時間混合処理した後、温度100℃で、乾燥した後、マッフル炉を用いて500℃で、1時間熱処理することで、実施例2-3に係るモリブデン酸リチウムで表面処理したニオブ含有酸化物を製造した。
そして、得られたモリブデン酸リチウムで表面処理したニオブ含有酸化物に変更したこと以外は実施例2-1と同様に行い、実施例2-3に係る全固体二次電池を作製し、電池特性を評価した。評価結果を表3に示す。
[Example 2-3]
Ion-exchanged water was added to the niobium-containing oxide of Example 1-3 so that the solids concentration of the slurry was 30 mass %, and lithium molybdate (Li 2 MOO 4 ) was added as a treating agent in an amount of 0.8 mass % relative to 100 g of the niobium-containing oxide to prepare a mixed slurry. This mixed slurry was mixed for 3 hours using a paint shaker, dried at a temperature of 100°C, and then heat-treated for 1 hour at 500°C using a muffle furnace, thereby producing a niobium-containing oxide surface-treated with lithium molybdate according to Example 2-3.
An all-solid-state secondary battery according to Example 2-3 was fabricated in the same manner as in Example 2-1, except that the niobium-containing oxide surface-treated with lithium molybdate was used instead, and the battery characteristics were evaluated. The evaluation results are shown in Table 3.
[実施例2-4]
上記実施例1-9のニオブ含有酸化物に、スラリーの固形分濃度が30質量%となるようにイオン交換水を加え、処理剤としてモリブデン酸リチウム(Li2MоO4)を、ニオブ含有酸化物100gに対して0.8質量%加え、混合スラリーを作製した。この混合スラリーを、ペイントシェーカーで3時間混合処理した後、温度100℃で、乾燥した後、マッフル炉を用いて500℃で、1時間熱処理することで、実施例2-4に係るモリブデン酸リチウムで表面処理したニオブ含有酸化物を製造した。
そして、得られたモリブデン酸リチウムで表面処理したニオブ含有酸化物に変更したこと以外は実施例2-1と同様に行い、実施例2-4に係る全固体二次電池を作製し、電池特性を評価した。評価結果を表3に示す。
[Example 2-4]
Ion-exchanged water was added to the niobium-containing oxide of Example 1-9 so that the solids concentration of the slurry was 30 mass %, and lithium molybdate (Li 2 MOO 4 ) was added as a treating agent in an amount of 0.8 mass % relative to 100 g of the niobium-containing oxide to prepare a mixed slurry. This mixed slurry was mixed for 3 hours using a paint shaker, dried at a temperature of 100°C, and then heat-treated for 1 hour at 500°C using a muffle furnace, thereby producing a niobium-containing oxide surface-treated with lithium molybdate according to Example 2-4.
An all-solid-state secondary battery according to Example 2-4 was fabricated in the same manner as in Example 2-1, except that the niobium-containing oxide surface-treated with lithium molybdate was used instead, and the battery characteristics were evaluated. The evaluation results are shown in Table 3.
[参考例2-1]
上記参考例1-1のニオブ含有酸化物を用いた以外は、実施例2-1と同様にして、参考例2-1の負極活物質組成物を得た後に全固体二次電池を作製し、電池特性を評価した。評価結果を表2に示す。
[Reference example 2-1]
An all-solid-state secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 2-1, except that the niobium-containing oxide of Reference Example 1-1 was used, and the battery characteristics were evaluated. The evaluation results are shown in Table 2.
[比較例2-1]
上記比較例1-1のニオブ含有酸化物を用いた以外は、実施例2-1と同様にして、比較例2-1の負極活物質組成物を得た後に全固体二次電池を作製し、電池特性を評価した。評価結果を表2に示す。
[Comparative Example 2-1]
An all-solid-state secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 2-1, except that the niobium-containing oxide of Comparative Example 1-1 was used, and the battery characteristics were evaluated. The evaluation results are shown in Table 2.
<1Cレート特性の測定>
25℃の恒温槽内にて、上述の方法で作製した全固体二次電池に、評価電極にLiが吸蔵される方向を充電として、ニオブ含有酸化物の理論容量の0.05Cに相当する電流で0.5Vまで充電を行い、さらに0.5Vで充電電流が0.01Cに相当する電流になるまで充電させる定電流定電圧充電を行い、充電容量(mAh)をニオブ含有酸化物の質量で割ることで、初期充電容量(mAh/g)として求めた。その後、0.05Cに相当する電流で2Vまで放電させる定電流放電を行った。放電容量(mAh)をニオブ含有酸化物の質量で割ることで、初期放電容量(mAh/g)として求めた。次に、ニオブ含有酸化物の理論容量の1Cに相当する電流で0.5Vまで充電し、1C充電容量を求めた。その0.4C充電容量を初期充電容量で除することで1C充電率(%)を算出した。その後、ニオブ含有酸化物の理論容量の1Cに相当する電流で2Vまで放電し、1C放電容量を求めた。その1C放電容量を初期放電容量で除することで1C放電率(%)を算出した。評価結果を表3に示す。
<Measurement of 1C rate characteristics>
In a thermostatic chamber at 25 ° C., the all-solid-state secondary battery prepared by the above method was charged to 0.5 V at a current equivalent to 0.05 C of the theoretical capacity of the niobium-containing oxide, with the direction of charging being such that Li was absorbed into the evaluation electrode. Further, constant current constant voltage charging was performed in which charging was performed at 0.5 V until the charging current reached a current equivalent to 0.01 C. The initial charge capacity (mAh / g) was calculated by dividing the charge capacity (mAh) by the mass of the niobium-containing oxide. Subsequently, a constant current discharge was performed in which the battery was discharged to 2 V at a current equivalent to 0.05 C. The initial discharge capacity (mAh / g) was calculated by dividing the discharge capacity (mAh) by the mass of the niobium-containing oxide. Next, the battery was charged to 0.5 V at a current equivalent to 1 C of the theoretical capacity of the niobium-containing oxide, and the 1 C charge capacity was calculated. The 1 C charge rate (%) was calculated by dividing the 0.4 C charge capacity by the initial charge capacity. Thereafter, the battery was discharged to 2 V at a current equivalent to 1 C of the theoretical capacity of the niobium-containing oxide, and the 1 C discharge capacity was determined. The 1 C discharge capacity was divided by the initial discharge capacity to calculate the 1 C discharge rate (%). The evaluation results are shown in Table 3.
<評価結果>
全固体電池においても本発明のニオブ含有酸化物粉末を用いた電極は、参考例2-1および比較例2-1のTiの一部を異種元素で置換していないニオブ含有酸化物粉末を用いた電極よりも、初期放電容量と1Cレート特性が優れることが分かった。また、モリブデン酸リチウムで表面処理をした実施例2-3および2-4は、更に1C充放電レート特性が高まることがわかった。なお、実施例2-3、2-4に係るモリブデン酸リチウムで表面処理したニオブ含有酸化物は、その製造方法より、Moが表面に局在化して存在しているものであるといえる。
<Evaluation results>
It was also found that in all-solid-state batteries, electrodes using the niobium-containing oxide powder of the present invention had better initial discharge capacity and 1C rate characteristics than electrodes using niobium-containing oxide powder in Reference Example 2-1 and Comparative Example 2-1 in which part of Ti was not substituted with a different element. It was also found that Examples 2-3 and 2-4, which were surface-treated with lithium molybdate, further improved 1C charge/discharge rate characteristics. It can be said that the niobium-containing oxides surface-treated with lithium molybdate according to Examples 2-3 and 2-4 have Mo localized on the surface due to their production method.
Tiの一部を異種元素で置換した本発明のニオブ含有酸化物粉末を用いた実施例1-1~1-12および実施例2-1~2-4は、蓄電デバイスの種類によらず、レート特性が改善する効果が見られた。 In Examples 1-1 to 1-12 and Examples 2-1 to 2-4, which used the niobium-containing oxide powder of the present invention in which part of the Ti was replaced with a different element, the effect of improving rate characteristics was observed regardless of the type of electricity storage device.
本発明で得られるニオブ含有酸化物粉末は、初期放電容量を維持しながら、レート特性が改善できるので、リチウムイオン電池の電極活物質として有用である。このニオブ含有酸化物粉末を電極活物質として用いる蓄電デバイスは、自動車や電子機器等、各種機器の駆動用またはバックアップ用、家庭や事務所等での夜間電力貯蔵用の二次電池として有用である。非水電解質二次電池に代表されるリチウムイオン電池向け電極材料の社会への提供により、国際連合が制定する持続可能な開発目標(SDGs)の17の目標のうち、目標12(持続可能な生産消費形態を確保する)、目標3(あらゆる年齢のすべての人々の健康的な生活を確保し、福祉を促進する)、目標7(すべての人々の、安価かつ信頼できる持続可能な近代的エネルギーへのアクセスを確保する)、および目標11(包摂的で安全かつ強靭(レジリエント)で持続可能な都市および人間居住を実現する)の達成に貢献することができる。 The niobium-containing oxide powder obtained by the present invention is useful as an electrode active material for lithium-ion batteries because it can improve rate characteristics while maintaining initial discharge capacity. Energy storage devices using this niobium-containing oxide powder as an electrode active material are useful as secondary batteries for driving or backing up various devices, such as automobiles and electronic devices, and for storing power at night in homes and offices. Providing electrode materials for lithium-ion batteries, such as nonaqueous electrolyte secondary batteries, to society can contribute to the achievement of Goal 12 (Ensure sustainable consumption and production patterns), Goal 3 (Ensure healthy lives and promote well-being for all at all ages), Goal 7 (Ensure access to affordable, reliable, sustainable, and modern energy for all), and Goal 11 (Make cities and human settlements inclusive, safe, resilient, and sustainable) out of the 17 Sustainable Development Goals (SDGs) established by the United Nations.
Claims (6)
AaTi2-x(M1 0.5+vM2 0.5-v)xNb14O39±z (I)
AaTi2-y(M1 0.67+wM3 0.33-w)yNb14O39±z (II)
(式中のAは、Li、及びNaから選ばれる少なくとも1つの元素であり、M1はNb、Ta、及びVから選ばれる少なくとも1つの元素であり、M2はAl、Ga、Fe、及びCrから選ばれる少なくとも1つの元素であり、M3はMg、Ca、Cu、及びZnから成る群から選択される少なくとも1つの元素であり、0≦a≦6、-0.05≦v≦0.05、-0.05≦w≦0.05、0<x<2、0<y<2、0≦z≦1) A niobium-containing oxide powder that satisfies the following formula (I) or (II):
A a Ti 2-x (M 1 0.5+v M 2 0.5-v ) x Nb 14 O 39±z (I)
A a Ti 2-y (M 1 0.67+w M 3 0.33-w ) y Nb 14 O 39±z (II)
(In the formula, A is at least one element selected from Li and Na, M1 is at least one element selected from Nb, Ta, and V, M2 is at least one element selected from Al, Ga, Fe, and Cr, M3 is at least one element selected from the group consisting of Mg, Ca, Cu, and Zn, and 0≦a≦6, −0.05≦v≦0.05, −0.05≦w≦0.05, 0<x<2, 0<y<2, 0≦z≦1)
An all-solid-state secondary battery comprising a positive electrode layer, a negative electrode layer, and a solid electrolyte layer, wherein the negative electrode layer is a layer containing the negative electrode active material composition according to claim 4.
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Also Published As
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