JP7809044B2 - Alkali metal-containing oxide, positive electrode active material, electrode and battery - Google Patents
Alkali metal-containing oxide, positive electrode active material, electrode and batteryInfo
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Description
本発明は、アルカリ金属含有酸化物、正極活物質、電極及び電池に関する。 The present invention relates to an alkali metal-containing oxide, a positive electrode active material, an electrode, and a battery.
アルカリ金属イオンが正極及び負極の間を移動することにより、充電及び放電を行う二次電池が知られている。そのような二次電池の中では、リチウムイオン二次電池が代表的であり、携帯電話やノートパソコンなどの小型電源として既に実用化され、さらに、電気自動車、ハイブリッド自動車等の自動車用電源や分散型電力貯蔵用電源等の大型電源として使用可能であることから、その需要は増大しつつある。 Secondary batteries are known in which alkali metal ions move between the positive and negative electrodes to charge and discharge. Lithium-ion secondary batteries are a typical example of such secondary batteries, and they are already in practical use as small power sources for devices such as mobile phones and laptops. Demand for them is growing because they can also be used as large-scale power sources for vehicles such as electric vehicles and hybrid vehicles, and as distributed power storage sources.
上記の二次電池の正極として、スピネル型の結晶構造を有するアルカリ金属含有酸化物が知られている。そのようなアルカリ金属含有酸化物は、例えば、LiMn2O4のように、一つの単位格子中に32個の酸化物イオンが存在し、8個の四面体サイトをアルカリ金属イオンが占有し、16個の八面体サイトを遷移金属イオンが占有している。また、酸素4当たりのアルカリ金属元素の組成比が1よりも多く、且つ酸素4当たりの遷移金属元素の組成比が2よりも少ないという、アルカリ金属が過剰な組成を有するアルカリ金属含有酸化物も知られている(特許文献1~6)。 Alkali metal-containing oxides having a spinel-type crystal structure are known for use as positive electrodes for the secondary batteries. Such alkali metal-containing oxides, such as LiMn 2 O 4 , have 32 oxide ions in one unit cell, with 8 tetrahedral sites occupied by alkali metal ions and 16 octahedral sites occupied by transition metal ions. Alkali metal-containing oxides with an excess alkali metal content, in which the ratio of alkali metal elements per 4 oxygen atoms is greater than 1 and the ratio of transition metal elements per 4 oxygen atoms is less than 2, are also known (see Patent Documents 1 to 6).
ここで、スピネル型のアルカリ金属含有酸化物は、充放電容量について、改善の余地があった。 However, there was room for improvement in the charge/discharge capacity of spinel-type alkali metal-containing oxides.
本発明は、上述の事情に鑑みなされたものであって、充放電容量に優れるアルカリ金属含有酸化物、及びそのようなアルカリ金属酸化物を含む電極及び電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and aims to provide an alkali metal-containing oxide with excellent charge/discharge capacity, as well as an electrode and battery containing such an alkali metal oxide.
本発明のアルカリ金属含有酸化物は、スピネル型構造を有し、下記一般式(1)で表される組成を有し、アルカリ金属含有酸化物について25℃においてCuKα線を用いて測定したX線回折チャートにおいて、2θで40~45°の範囲内に半値幅が2θで0.5~5°であるピークが観測されるものである。
AxM’aM’’bZcO4-eXd・・・(1)
(式(1)中、1.1<x≦2.8、0.8≦a≦1.9、0.05<b≦0.6、1.0≦a+b<2.0、0≦c<0.2、0≦d<1.0、0≦e<1.0であり、
Aはアルカリ金属元素であり、
M’はTi、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、及びCuからなる群から選択される少なくとも1種類の元素であり、
M’’はSi、P、S、Ge及びVからなる群から選択される少なくとも一種であり、
Zは、酸素、M’及びM’’以外の周期表第2族~第16族の元素であり、
Xは、ハロゲン元素である。)
The alkali metal-containing oxide of the present invention has a spinel structure and a composition represented by the following general formula (1), and in an X-ray diffraction chart measured with CuKα radiation at 25°C, a peak having a half-value width of 0.5 to 5° in 2θ is observed within a range of 40 to 45° in 2θ.
A x M' a M'' b Z c O 4-e X d ...(1)
(In formula (1), 1.1<x≦2.8, 0.8≦a≦1.9, 0.05<b≦0.6, 1.0≦a+b<2.0, 0≦c<0.2, 0≦d<1.0, and 0≦e<1.0,
A is an alkali metal element,
M' is at least one element selected from the group consisting of Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and Cu;
M″ is at least one selected from the group consisting of Si, P, S, Ge, and V;
Z is an element of Groups 2 to 16 of the periodic table other than oxygen, M', and M'';
X is a halogen element.
上記アルカリ金属含有酸化物は、当該アルカリ金属含有酸化物を含む電極、リチウム金属の対極、及び当該電極及び対極の間に配置されたリチウム塩を含有する電解液を備える電気化学セルを作製し、Li/Li+基準で電池を4.8Vまで充電し、その後1.5Vまで放電を行った場合に、一般式(1)におけるxが2.2~2.8の範囲となるものであってよい。 The alkali metal-containing oxide may be one in which x in general formula (1) is in the range of 2.2 to 2.8 when an electrochemical cell is prepared including an electrode containing the alkali metal-containing oxide, a counter electrode of lithium metal, and an electrolyte solution containing a lithium salt disposed between the electrode and the counter electrode, and the battery is charged to 4.8 V on a Li/Li + basis and then discharged to 1.5 V.
上記一般式(1)において、AがLiを含んでいてよい。 In the above general formula (1), A may contain Li.
上記一般式(1)において、M’’がVを含んでいてよい。 In the above general formula (1), M'' may contain V.
上記一般式(1)において、1.1<x≦2.0であってよい。 In the above general formula (1), 1.1 < x ≦ 2.0 may be satisfied.
本発明の電極は、上記アルカリ金属含有酸化物を含む。 The electrode of the present invention contains the above-mentioned alkali metal-containing oxide.
本発明の非水二次電池は、正極としての上記電極と、リチウムを含有する負極とを備える。 The nonaqueous secondary battery of the present invention comprises the above electrode as a positive electrode and a negative electrode containing lithium.
本発明は、上述の事情に鑑みなされたものであって、充放電容量及びクーロン効率に優れるアルカリ金属含有酸化物、及びそのようなアルカリ金属酸化物を含む電極及び電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and aims to provide an alkali metal-containing oxide that has excellent charge/discharge capacity and coulombic efficiency, as well as an electrode and battery that contain such an alkali metal oxide.
本実施形態のアルカリ金属含有酸化物は、スピネル型構造を有し、下記一般式(1)で表される組成を有し、アルカリ金属酸化物について25℃においてCuKα線を用いて測定したX線回折チャートにおいて、2θで40~45°の範囲内に半値幅が2θで0.5~5°であるピークが観測されるものである。
AxM’aM’’bZcO4-eXd・・・(1)
(式(1)中、1.1<x≦2.8、0.8≦a≦1.9、0.05<b≦0.6、1.0≦a+b<2.0、0≦c<0.2、0≦d<1.0、0≦e<1.0であり、
Aはアルカリ金属元素であり、
M’はTi、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、及びCuからなる群から選択される少なくとも1種類の元素であり、
M’’はSi、P、S、Ge及びVからなる群から選択される少なくとも一種であり、
Zは、酸素、M’及びM’’以外の周期表第2族~第16族の元素であり、
Xは、ハロゲン元素である。)
The alkali metal-containing oxide of this embodiment has a spinel structure and a composition represented by the following general formula (1), and in an X-ray diffraction chart measured on the alkali metal oxide using CuKα radiation at 25°C, a peak having a half-value width of 0.5 to 5° in 2θ is observed within a range of 40 to 45° in 2θ.
A x M' a M'' b Z c O 4-e X d ...(1)
(In formula (1), 1.1<x≦2.8, 0.8≦a≦1.9, 0.05<b≦0.6, 1.0≦a+b<2.0, 0≦c<0.2, 0≦d<1.0, and 0≦e<1.0,
A is an alkali metal element,
M' is at least one element selected from the group consisting of Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and Cu;
M″ is at least one selected from the group consisting of Si, P, S, Ge, and V;
Z is an element of Groups 2 to 16 of the periodic table other than oxygen, M', and M'';
X is a halogen element.
Aはアルカリ金属元素であれば特に制限はないが、Li、Na、K、Rb及びCsからなる群から選択される少なくとも1種以上を含んでいてよく、Li、Na、及びKからなる群から選択される少なくとも1種以上を含んでいてよく、Li及びNaの少なくとも一方を含んでいてよく、Liを含んでいてよい。 A is not particularly limited as long as it is an alkali metal element, but may contain at least one element selected from the group consisting of Li, Na, K, Rb, and Cs, may contain at least one element selected from the group consisting of Li, Na, and K, may contain at least one of Li and Na, or may contain Li.
本実施形態のアルカリ金属含有酸化物に含まれるアルカリ金属の全量うち、1種のアルカリ金属の含有量が90モル%以上であってよく、95モル%以上であってよく、98モル%以上であってよく、99モル%以上であってよく、99.9モル%以上であってよく、実質的に1種のアルカリ金属のみを含んでいてもよい(すなわち、当該1種のアルカリ金属以外のアルカリ金属の含有量が実質的に0モル%である。)。当該1種のアルカリ金属は、Li、Na、又はKであってよく、Li又はびNaであってよく、Liであってよい。アルカリ金属含有酸化物が主としてLiを含む場合(例えば、アルカリ金属含有酸化物に含まれるアルカリ金属の全量うち、1種のアルカリ金属の含有量が80モル%以上である場合等)、X線回折チャートにおいて、2θで43~45°の範囲内に半値幅が、2θで0.5~5°であるピークが観測される傾向にある。 Of the total amount of alkali metals contained in the alkali metal-containing oxide of this embodiment, the content of one type of alkali metal may be 90 mol% or more, 95 mol% or more, 98 mol% or more, 99 mol% or more, or 99.9 mol% or more. It may also contain substantially only one type of alkali metal (i.e., the content of alkali metals other than the one type of alkali metal is substantially 0 mol%). The one type of alkali metal may be Li, Na, or K, or may be Li and/or Na, or may be Li. When the alkali metal-containing oxide primarily contains Li (for example, when the content of one type of alkali metal is 80 mol% or more of the total amount of alkali metals contained in the alkali metal-containing oxide), a peak with a half-width of 0.5 to 5 degrees in 2θ tends to be observed in the X-ray diffraction chart within a range of 43 to 45 degrees in 2θ.
式(1)において、xは、1.1より大きく2以下であってよく、1.13~2.75であってよく、1.15~2.7であってよく、1.2~2.6であってよく、1.25~2.5であってよい。また、xは、1.13~2.1であってよく、1.15~2.0であってよく、1.2~1.95であってよく、1.25~1.9であってよい。 In formula (1), x may be greater than 1.1 and equal to or less than 2, may be 1.13 to 2.75, may be 1.15 to 2.7, may be 1.2 to 2.6, or may be 1.25 to 2.5. Also, x may be 1.13 to 2.1, may be 1.15 to 2.0, may be 1.2 to 1.95, or may be 1.25 to 1.9.
M’はTi、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、及びCuからなる群から選択される少なくとも1種類の元素を含んでいてよく、Cr、Mn及びNiの少なくとも1種を含んでいてよく、Mn及びNiの少なくとも1種を含んでいてよく、Mnを含んでいてよい。 M' may contain at least one element selected from the group consisting of Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and Cu, may contain at least one of Cr, Mn, and Ni, may contain at least one of Mn and Ni, or may contain Mn.
M’’はSi、P、S、Ge及びVからなる群から選択される少なくとも1種類の元素を含んでいてよく、P及びVの少なくとも一方を含んでいてよく、Vを含んでいてよい。 M'' may contain at least one element selected from the group consisting of Si, P, S, Ge, and V, may contain at least one of P and V, and may contain V.
aは、0.9~1.9であってよく、1.0~1.85であってよい。bは、0.06~0.58であってよく、0.08~0.55であってよく、0.1~0.5であってよい。 a may be between 0.9 and 1.9, or between 1.0 and 1.85. b may be between 0.06 and 0.58, or between 0.08 and 0.55, or between 0.1 and 0.5.
a+bは、1.2~1.95であってよく、1.5~1.93であってよい。 a + b may be between 1.2 and 1.95, or between 1.5 and 1.93.
Zは、酸素、M’及びM’’以外の周期表第2族~第16族の元素であり、例えば、Al、Mg、Ca、Zr、Nb、Mo、Ru、W、Sn等が挙げられる。 Z is an element from Groups 2 to 16 of the periodic table other than oxygen, M', and M'', such as Al, Mg, Ca, Zr, Nb, Mo, Ru, W, and Sn.
cは、0.1以下であってよく、0.05以下であってよく、0.01以下であってよく、実質的に0であってもよい。 c may be 0.1 or less, 0.05 or less, 0.01 or less, or substantially 0.
Xは、F、Cl、Br及びIからなる群から選択される少なくとも1種類の元素を含んでいてよく、F及びClの少なくとも一方を含んでいてよく、Fを含んでいてよい。 X may contain at least one element selected from the group consisting of F, Cl, Br, and I, may contain at least one of F and Cl, or may contain F.
dは、0.8以下であってよく、0.6以下であってよく、0.4以下であってよく、0.2以下であってよく、0.05以下であってよく、0.01以下であってよい。dは、0.001以上であってく、0であってもよい。また、dは、0.001~0.8であってよく、0.001~0.6であってよく、0.001~0.2であってよい。eは、0.8以下であってよく、0.6以下であってよく、0.4以下であってよく、0.2以下であってよく、0.05以下であってよく、0.01以下であってよく、0であってもよい。。eは、0.001以上であってよい。また、eは、0.001~0.8であってよく、0.001~0.6であってよく、0.001~0.2であってよい。 d may be 0.8 or less, 0.6 or less, 0.4 or less, 0.2 or less, 0.05 or less, or 0.01 or less. d may be 0.001 or more, or 0. d may be 0.001 to 0.8, 0.001 to 0.6, or 0.001 to 0.2. e may be 0.8 or less, 0.6 or less, 0.4 or less, 0.2 or less, 0.05 or less, 0.01 or less, or 0. e may be 0.001 or more. e may be 0.001 to 0.8, 0.001 to 0.6, or 0.001 to 0.2.
上記40~45°の範囲内に観測されるX線回折ピークの半値幅は、0.7~4.5°であってよく、0.9~4.0°であってよく、1.0~3.8°であってよく、1.28~3.5°であってよい。 The half-width of the X-ray diffraction peak observed within the above range of 40 to 45° may be 0.7 to 4.5°, 0.9 to 4.0°, 1.0 to 3.8°, or 1.28 to 3.5°.
本実施形態のアルカリ金属含有酸化物は、上述のX線回折チャートにおいて2θで63~66°の範囲内に半値幅が2θで0.5~8°であるピークが観測されてもよい。当該ピークの半値幅は、1.0~7.5°であってもよい。 The alkali metal-containing oxide of this embodiment may exhibit a peak in the X-ray diffraction chart described above within the 2θ range of 63 to 66°, with a half-width at 2θ of 0.5 to 8°. The half-width of this peak may be 1.0 to 7.5°.
本実施形態のアルカリ金属含有酸化物は、結晶相を有すると共に、アモルファス相を有していてもよい。結晶相は、アモルファス相内に分散されていてよい。アモルファス相が存在することで材料内でのリチウムイオンの拡散が改善する傾向にある。本実施形態のアルカリ金属含有酸化物は、円相当径で1~30nmの平均粒子径を有する結晶相(結晶子)を有していてもよい。結晶相(結晶子)の平均粒子径は、円相当径で、1~20nmであってよく、1~15nmであってよい。ここで、アモルファス相は、透過型電子顕微鏡(TEM)による観察によって、確認することができる。 The alkali metal-containing oxide of this embodiment may have both a crystalline phase and an amorphous phase. The crystalline phase may be dispersed within the amorphous phase. The presence of an amorphous phase tends to improve the diffusion of lithium ions within the material. The alkali metal-containing oxide of this embodiment may have a crystalline phase (crystallites) having an average particle size of 1 to 30 nm in equivalent circle diameter. The average particle size of the crystalline phase (crystallites) may be 1 to 20 nm, or 1 to 15 nm in equivalent circle diameter. The amorphous phase can be confirmed by observation using a transmission electron microscope (TEM).
本実施形態のアルカリ金属含有酸化物は、Liを8~15質量%、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、及びCuからなる群から選択される少なくとも1種類である元素M’を32~57質量%、Si、P、S、Ge及びVからなる群から選択される少なくとも一種である元素M’’を3~30質量%含み、25℃においてCuKα線を用いて測定したX線回折チャートにおいて、スピネル構造に帰属されるピークパターンが観測されると共に、2θで40~45°の範囲内に半値幅が、0.5~5°であるピークが観測されるものであってもよい。リチウム含有酸化物は、酸素、M’及びM’’以外の周期表第2族~第16族の元素Zを含んでいてもよい。元素Zとして具体的には、上記一般式(1)のZとして例示したものが挙げられる。Zの含有量は、アルカリ金属含有酸化物の総量に対して20質量%以下であってよく、10質量%以下であってよく、5質量%以下であってよく、1質量%以下であってよく、実質的に0質量%であってよい。また、アルカリ金属含有酸化物は、ハロゲン元素を含んでいてもよく、ハロゲン元素としては、上記一般式(1)のXとして例示したものが挙げられる。ハロゲン元素の含有量は、アルカリ金属含有酸化物の総量に対して20質量%以下であってよく、10質量%以下であってよく、5質量%以下であってよく、1質量%以下であってよく、実質的に0質量%であってよい。当該アルカリ金属含有酸化物は、単相であっても含層であってもよく、X線回折試験を行った際にスピネル構造に帰属されるピーク以外のピークが観測されてもよい。アルカリ金属含有酸化物は、結晶相(結晶子)を有すると共に、アモルファス相を有していてもよい。 The alkali metal-containing oxide of this embodiment may contain 8 to 15 mass% Li, 32 to 57 mass% M', which is at least one element selected from the group consisting of Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and Cu, and 3 to 30 mass% M", which is at least one element selected from the group consisting of Si, P, S, Ge, and V. In an X-ray diffraction chart measured at 25°C using CuKα radiation, a peak pattern attributable to a spinel structure may be observed, and a peak with a half-width of 0.5 to 5° may be observed within a 2θ range of 40 to 45°. The lithium-containing oxide may also contain oxygen, an element Z from Groups 2 to 16 of the periodic table other than M' and M". Specific examples of element Z include those exemplified as Z in general formula (1) above. The content of Z may be 20% by mass or less, 10% by mass or less, 5% by mass or less, 1% by mass or less, or substantially 0% by mass, relative to the total amount of the alkali metal-containing oxide. The alkali metal-containing oxide may also contain a halogen element, such as those exemplified as X in general formula (1) above. The content of the halogen element may be 20% by mass or less, 10% by mass or less, 5% by mass or less, 1% by mass or less, or substantially 0% by mass, relative to the total amount of the alkali metal-containing oxide. The alkali metal-containing oxide may be a single phase or a layer-containing oxide, and peaks other than those attributed to a spinel structure may be observed in an X-ray diffraction test. The alkali metal-containing oxide may have both a crystalline phase (crystallites) and an amorphous phase.
上記アルカリ金属含有酸化物を製造する方法としては特に制限されないが、Li及びM’を含むスピネル型酸化物と、M’’を含むリチウム塩とをボールミルでメカノケミカル的に混合する方法が挙げられる。スピネル型酸化物としては、LiMnTiO4、LiCrMnO4、LiMn2O4、LiFeMnO4、LiCoMnO4、LiNi0.5Mn1.5O4、LiCu0.5Mn1.5O4が挙げられる。リチウム塩としては、Li3VO4、Li4SiO4、Li2SiO3、Li3P0.5V0.5O4、Li2GeO4、Li2SO4等が挙げられる。また、原料として、Li2O等の酸化アルカリ金属、V2O5、GeO2、SiO2等のM’又はM’’の酸化物も原料として使用できる。原料としては上記に限定されず、Li、M’及びM’’の少なくとも一つと酸素とを含む化合物を目的の組成となるように配合すればよい。ボールミルの条件としては特に限定されず、回転数は100~700rpmであってよく、混合時間は、0.5~72時間であってよく、10~60時間であってよい。また、混合時間は20~72時間であってもよく、30~60時間であってよい。また、一般式(1)におけるXを導入する場合、Xのアルカリ金属塩等を原料として用いることもできる。 The method for producing the alkali metal-containing oxide is not particularly limited, and examples thereof include a method of mechanochemically mixing a spinel-type oxide containing Li and M' with a lithium salt containing M " in a ball mill . Examples of spinel-type oxides include LiMnTiO4 , LiCrMnO4 , LiMn2O4 , LiFeMnO4 , LiCoMnO4 , LiNi0.5Mn1.5O4 , and LiCu0.5Mn1.5O4 . Examples of lithium salts include Li3VO4 , Li4SiO4 , Li2SiO3 , Li3P0.5V0.5O4 , Li2GeO4 , and Li2SO4 . In addition, alkali metal oxides such as Li 2 O, and oxides of M' or M'' such as V 2 O 5 , GeO 2 , and SiO 2 can also be used as raw materials. The raw materials are not limited to the above, and a compound containing at least one of Li, M', and M'' and oxygen can be blended to achieve the desired composition. The conditions for the ball mill are not particularly limited, and the rotation speed can be 100 to 700 rpm, and the mixing time can be 0.5 to 72 hours, or 10 to 60 hours. The mixing time can be 20 to 72 hours, or 30 to 60 hours. When X in general formula (1) is introduced, an alkali metal salt of X can also be used as a raw material.
本実施形態のアルカリ金属含有酸化物は、電池(リチウムイオン電池、ナトリウムイオン電池等)の材料に使用することができる。すなわち、本実施形態の電池は、上記リチウム含有酸化物を含む。電池は、一次電池であっても二次電池であってもよい。また、電池は、非水二次電池であってよい。電池において、上記リチウム含有酸化物は、電極に含まれていてよい。 The alkali metal-containing oxide of this embodiment can be used as a material for batteries (lithium ion batteries, sodium ion batteries, etc.). That is, the battery of this embodiment contains the lithium-containing oxide. The battery may be a primary battery or a secondary battery. The battery may also be a nonaqueous secondary battery. In the battery, the lithium-containing oxide may be contained in an electrode.
本実施形態の電池は、正極と、負極と、正極と負極との間に配置された電解質とを有する。 The battery of this embodiment has a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte disposed between the positive electrode and the negative electrode.
本実施形態の正極は、集電体と、当該集電体上に担持された正極合剤とを含む。正極合剤は、集電体上で正極合材層を形成していてもよい。 The positive electrode of this embodiment includes a current collector and a positive electrode mixture supported on the current collector. The positive electrode mixture may form a positive electrode mixture layer on the current collector.
正極合剤は、上記リチウム含有酸化物を含み、必要に応じて導電材(導電助剤)、バインダー等を含んでいてよい。つまり、上記リチウム酸化物は、正極活物質に含まれていてよい。 The positive electrode mixture contains the lithium-containing oxide, and may also contain a conductive material (conductive additive), binder, etc. as needed. In other words, the lithium oxide may be contained in the positive electrode active material.
導電材としては、天然黒鉛、人造黒鉛、コークス類、カーボンブラック、アセチレンブラックなどの炭素材料などが挙げられる。バインダーとしては、熱可塑性樹脂を挙げることができ、具体的には、ポリフッ化ビニリデン(以下では「PVDF」としても言及する)、ポリテトラフルオロエチレン、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン・フッ化ビニリデン系共重合体、六フッ化プロピレン・フッ化ビニリデン系共重合体、四フッ化エチレン・パーフルオロビニルエーテル系共重合体などのフッ素樹脂;ならびにポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂等を挙げることができる。集電体としては、Al、Ni、ステンレスなどを用いることができる。 Conductive materials include carbon materials such as natural graphite, artificial graphite, cokes, carbon black, and acetylene black. Binders include thermoplastic resins, specifically fluororesins such as polyvinylidene fluoride (hereinafter also referred to as "PVDF"), polytetrafluoroethylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene-vinylidene fluoride copolymers, hexafluoropropylene-vinylidene fluoride copolymers, and tetrafluoroethylene-perfluorovinyl ether copolymers; and polyolefin resins such as polyethylene and polypropylene. Current collectors can be made of Al, Ni, stainless steel, etc.
集電体に正極合剤を担持させる方法としては、加圧成型する方法、電極合剤について有機溶媒等を用いてペースト化し、集電体上に塗工し、乾燥後プレスするなどして固着する方法等が挙げられる。ペースト化する場合、例えば、上記正極活物質、導電材、バインダー及び有機溶媒からなるスラリーを作製する。有機溶媒としては、N,N-ジメチルアミノプロピリアミン、ジエチルトリアミン等のアミン系;エチレンオキシド、テトラヒドロフラン等のエーテル系;メチルエチルケトン等のケトン系;酢酸メチル等のエステル系;ジメチルアセトアミド、N-メチル-2-ピロリドン等の非プロトン性極性溶媒等が挙げられる。電極合剤を集電体へ塗工する方法としては、例えばスリットダイ塗工法、スクリーン塗工法、カーテン塗工法、ナイフ塗工法、グラビア塗工法、静電スプレー法等が挙げられる。 Methods for supporting the positive electrode mixture on the current collector include pressure molding, forming a paste from the electrode mixture using an organic solvent, applying it to the current collector, drying, and then pressing to adhere it to the collector. When forming a paste, for example, a slurry is prepared from the positive electrode active material, conductive material, binder, and organic solvent. Examples of organic solvents include amines such as N,N-dimethylaminopropylamine and diethyltriamine; ethers such as ethylene oxide and tetrahydrofuran; ketones such as methyl ethyl ketone; esters such as methyl acetate; and aprotic polar solvents such as dimethylacetamide and N-methyl-2-pyrrolidone. Examples of methods for applying the electrode mixture to the current collector include slit die coating, screen coating, curtain coating, knife coating, gravure coating, and electrostatic spraying.
電池の負極としては特に限定されず、負極活物質を含み、且つ必要に応じて導電助剤、結合剤等を含むものであってよい。例えば、リチウムイオン電池の負極活物質としては、Li、Si、P、Sn、Si-Mn、Si-Co、Si-Ni、In、Auなどの元素の単体及びこれらの元素を含む合金又は複合体、グラファイト等の炭素材料、当該炭素材料の層間にリチウムイオンが挿入された物質などを挙げることができる。ナトリウムイオン電池の負極の場合、リチウムイオン電池の負極材料として挙げた物質のLiをNaに置き換えた物質を負極材料として使用することができる。 The negative electrode of the battery is not particularly limited and may contain a negative electrode active material and, as necessary, a conductive additive, binder, etc. Examples of negative electrode active materials for lithium-ion batteries include simple elements such as Li, Si, P, Sn, Si-Mn, Si-Co, Si-Ni, In, and Au, as well as alloys or composites containing these elements, carbon materials such as graphite, and materials in which lithium ions are inserted between the layers of such carbon materials. For the negative electrode of a sodium-ion battery, materials in which the Li in the materials listed as negative electrode materials for lithium-ion batteries is replaced with Na can be used as the negative electrode material.
電池の電解質としては、特に限定されず、アルカリ金属塩を有機溶媒に溶解させた電解液を用いることができる。また、電解質は、固体電解質であってもよい。アルカリ金属塩としては、ヨウ化物塩、テトラフルオロボレート塩、ヘキサフルオロホスフェート塩、ビス(フルオロスルホニル)イミド塩、ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド塩等が挙げられる。 The electrolyte for the battery is not particularly limited, and an electrolytic solution in which an alkali metal salt is dissolved in an organic solvent can be used. The electrolyte may also be a solid electrolyte. Examples of alkali metal salts include iodide salts, tetrafluoroborate salts, hexafluorophosphate salts, bis(fluorosulfonyl)imide salts, and bis(trifluoromethylsulfonyl)imide salts.
電解液に含まれる有機溶媒としては、特に限定されないが、非水性溶媒、例えば、エチレンカーボネート(EC)またはプロピレンカーボネート(PC)などの環状カーボネートエステル、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、またはエチルメチルカーボネート(EMC)などの直鎖カーボネートエステル、又はスルトン等が挙げられる。溶媒は、単独で、または2種以上を組み合わせて使用してもよい。 The organic solvent contained in the electrolyte solution is not particularly limited, but examples include non-aqueous solvents such as cyclic carbonate esters such as ethylene carbonate (EC) or propylene carbonate (PC), linear carbonate esters such as dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), or ethyl methyl carbonate (EMC), or sultones. Solvents may be used alone or in combination of two or more.
本実施形態のアルカリ金属含有酸化物は、アルカリ金属イオンの吸蔵能に優れる。そのため、本実施形態のアルカリ金属含有酸化物は、当該アルカリ金属含有酸化物を含む電極、リチウム金属の対極、及び当該電極及び対極の間に配置されたリチウム塩を含有する電解液を備える電気化学セルを作製し、Li/Li+基準で電池を4.8Vまで充電(初回充電)し、その後1.5Vまで放電を行った場合に、一般式(1)におけるxが2.2~2.8の範囲となるものであってよい。初回充放電後のxは、2.25~2.7であってよく、2.3~2.6であってよく、2.35~2.55であってよい。 The alkali metal-containing oxide of this embodiment has excellent alkali metal ion occlusion ability. Therefore, the alkali metal-containing oxide of this embodiment may be such that, when an electrochemical cell is prepared including an electrode containing the alkali metal-containing oxide, a lithium metal counter electrode, and an electrolyte containing a lithium salt disposed between the electrode and the counter electrode, and the battery is charged to 4.8 V (initial charge) based on a Li/Li + standard and then discharged to 1.5 V, x in general formula (1) is in the range of 2.2 to 2.8. After the initial charge and discharge, x may be 2.25 to 2.7, 2.3 to 2.6, or 2.35 to 2.55.
本実施形態の正極活物質は、アルカリ金属元素、元素M’及び元素M’’を含有する複合酸化物を含み、アルカリ金属元素を8~27質量%、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、及びCuからなる群から選択される少なくとも1種類である元素M’を26~57質量%、Si、P、S、Ge及びVからなる群から選択される少なくとも一種である元素M’’を2~30質量%含み、当該正極活物質について25℃においてCuKα線を用いて測定したX線回折チャートにおいて、複合酸化物由来のスピネル構造に帰属されるピークパターンが観測されると共に、2θで40~45°の範囲内に半値幅が、0.5~5°であるピークが観測されるものであってもよい。正極活物質に含まれる複合酸化物は、上述のアルカリ金属含有酸化物を含有していてよい。正極活物質は、複合酸化物の結晶相(結晶子)とアモルファス相とを有していてもよい。 The positive electrode active material of this embodiment includes a composite oxide containing an alkali metal element, element M', and element M", and contains 8 to 27 mass% of the alkali metal element, 26 to 57 mass% of element M', which is at least one element selected from the group consisting of Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and Cu, and 2 to 30 mass% of element M", which is at least one element selected from the group consisting of Si, P, S, Ge, and V. In an X-ray diffraction chart of the positive electrode active material measured at 25°C using CuKα radiation, a peak pattern attributable to a spinel structure derived from the composite oxide may be observed, and a peak with a half-width of 0.5 to 5° may be observed within a 2θ range of 40 to 45°. The composite oxide included in the positive electrode active material may contain the alkali metal-containing oxide described above. The positive electrode active material may have a crystalline phase (crystallites) of the composite oxide and an amorphous phase.
本発明は、以下の例示的実施形態を含む。
実施形態1
スピネル型構造を有し、下記一般式(1)で表される組成を有するアルカリ金属含有酸化物であって、
前記アルカリ金属含有酸化物について25℃においてCuKα線を用いて測定したX線回折チャートにおいて、2θで40~45°の範囲内に半値幅が、2θで0.5~5°であるピークが観測される、アルカリ金属含有酸化物。
AxM’aM’’bZcO4-eXd・・・(1)
(式(1)中、1.1<x≦2.8、0.8≦a<1.9、0.05<b≦0.6、1.0≦a+b<2.0、0≦c<0.2、0≦d<1.0、0≦e<1.0であり、
Aはアルカリ金属元素であり、
M’はTi、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、及びCuからなる群から選択される少なくとも1種類の元素であり、
M’’はSi、P、S、Ge及びVからなる群から選択される少なくとも一種であり、
Zは、酸素、M’及びM’’以外の周期表第2族~第16族の元素であり、
Xは、ハロゲン元素である。)
実施形態2
前記アルカリ金属含有酸化物は、前記アルカリ金属含有酸化物を含む電極、リチウム金属の対極、及び当該電極及び対極の間に配置されたリチウム塩を含有する電解液を備える電気化学セルを作製し、Li/Li+基準で前記電気化学セルを4.8Vまで充電し、その後1.5Vまで放電を行った場合に、前記一般式(1)におけるxが2.2~2.8の範囲となるものである、実施形態1のアルカリ金属含有酸化物。
実施形態3
前記一般式(1)において、AがLiを含む、実施形態1又は2のアルカリ金属含有酸化物。
実施形態4
前記一般式(1)において、M’’がVを含む、実施形態1~3のいずれか一つのアルカリ金属含有酸化物。
実施形態5
前記一般式(1)において、1.1<x≦2.0である、実施形態1~4のいずれか一つのアルカリ金属含有酸化物。
実施形態6
アモルファス相を有する、実施形態1~5のいずれか一つのアルカリ金属含有酸化物。
実施形態7
実施形態1~6のいずれか一つのアルカリ金属含有酸化物を含む、電極。
実施形態8
正極としての実施形態7に記載の電極と、リチウムを含有する負極とを備える、電池。
実施形態9
アルカリ金属元素、元素M’及び元素M’’を含有する複合酸化物を含む正極活物質であって、
アルカリ金属元素を8~15質量%、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、及びCuからなる群から選択される少なくとも1種類である元素M’を32~57質量%、Si、P、S、Ge及びVからなる群から選択される少なくとも一種である元素M’’を3~30質量%含み、当該正極活物質について25℃においてCuKα線を用いて測定したX線回折チャートにおいて、前記複合酸化物由来のスピネル構造に帰属されるピークパターンが観測されると共に、2θで40~45°の範囲内に半値幅が、0.5~5°であるピークが観測される、正極活物質。
実施形態10
アモルファス相を有する、実施形態9の正極活物質。
実施形態11
スピネル型構造を有する結晶相と、アモルファス相とを有し、下記一般式(1)で表される組成を有するアルカリ金属含有酸化物であって、
前記アルカリ金属含有酸化物について25℃においてCuKα線を用いて測定したX線回折チャートにおいて、2θで40~45°の範囲内に半値幅が2θで0.5~5°であるピークが観測される、アルカリ金属含有酸化物。
AxM’aM’’bZcO4-eXd・・・(1)
(式(1)中、1.1<x≦2.8、0.8≦a<1.9、0.05<b≦0.6、1.0≦a+b<2.0、0≦c<0.2、0≦d<1.0、0≦e<1.0であり、
Aはアルカリ金属元素であり、
M’はTi、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、及びCuからなる群から選択される少なくとも1種類の元素であり、
M’’はSi、P、S、Ge及びVからなる群から選択される少なくとも一種であり、
Zは、酸素、M’及びM’’以外の周期表第2族~第16族の元素であり、
Xは、ハロゲン元素である。)
The present invention includes the following exemplary embodiments.
Embodiment 1
An alkali metal-containing oxide having a spinel structure and a composition represented by the following general formula (1):
In an X-ray diffraction chart of the alkali metal-containing oxide measured at 25°C using CuKα radiation, a peak having a half-value width of 0.5 to 5° in 2θ within a range of 40 to 45° in 2θ is observed.
A x M' a M'' b Z c O 4-e X d ...(1)
(In formula (1), 1.1<x≦2.8, 0.8≦a<1.9, 0.05<b≦0.6, 1.0≦a+b<2.0, 0≦c<0.2, 0≦d<1.0, and 0≦e<1.0,
A is an alkali metal element,
M' is at least one element selected from the group consisting of Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and Cu;
M″ is at least one selected from the group consisting of Si, P, S, Ge, and V;
Z is an element of Groups 2 to 16 of the periodic table other than oxygen, M', and M'';
X is a halogen element.
Embodiment 2
The alkali metal-containing oxide of embodiment 1, wherein when an electrochemical cell is prepared including an electrode containing the alkali metal-containing oxide, a counter electrode of lithium metal, and an electrolyte solution containing a lithium salt disposed between the electrode and the counter electrode, and the electrochemical cell is charged to 4.8 V on a Li/Li + basis and then discharged to 1.5 V, x in the general formula (1) is in the range of 2.2 to 2.8.
Embodiment 3
3. The alkali metal-containing oxide according to embodiment 1 or 2, wherein, in the general formula (1), A contains Li.
Embodiment 4
4. The alkali metal-containing oxide according to any one of embodiments 1 to 3, wherein in general formula (1), M″ comprises V.
Embodiment 5
5. The alkali metal-containing oxide according to any one of embodiments 1 to 4, wherein, in the general formula (1), 1.1<x≦2.0.
Embodiment 6
6. The alkali metal-containing oxide of any one of embodiments 1 to 5, having an amorphous phase.
Embodiment 7
An electrode comprising the alkali metal-containing oxide of any one of embodiments 1 to 6.
Embodiment 8
A battery comprising the electrode of embodiment 7 as a positive electrode and a negative electrode containing lithium.
Embodiment 9
A positive electrode active material comprising a composite oxide containing an alkali metal element, an element M′, and an element M″,
A positive electrode active material comprising 8 to 15 mass % of an alkali metal element, 32 to 57 mass % of an element M' which is at least one type selected from the group consisting of Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and Cu, and 3 to 30 mass % of an element M'' which is at least one type selected from the group consisting of Si, P, S, Ge, and V, wherein in an X-ray diffraction chart of the positive electrode active material measured at 25°C using CuKα radiation, a peak pattern attributable to a spinel structure derived from the composite oxide is observed, and a peak having a half width of 0.5 to 5° is observed within a 2θ range of 40 to 45°.
EMBODIMENT 10
The cathode active material of embodiment 9, having an amorphous phase.
Embodiment 11
An alkali metal-containing oxide having a crystalline phase having a spinel structure and an amorphous phase, and having a composition represented by the following general formula (1):
In an X-ray diffraction chart measured on the alkali metal-containing oxide at 25°C using CuKα radiation, a peak having a half-width at 2θ of 0.5 to 5° is observed within a range of 2θ of 40 to 45°.
A x M' a M'' b Z c O 4-e X d ...(1)
(In formula (1), 1.1<x≦2.8, 0.8≦a<1.9, 0.05<b≦0.6, 1.0≦a+b<2.0, 0≦c<0.2, 0≦d<1.0, and 0≦e<1.0,
A is an alkali metal element,
M' is at least one element selected from the group consisting of Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and Cu;
M″ is at least one selected from the group consisting of Si, P, S, Ge, and V;
Z is an element of Groups 2 to 16 of the periodic table other than oxygen, M', and M'';
X is a halogen element.
(実施例1)
原料であるLiMn2O4粉末とLi3VO4粉末とを以下のとおり製造した。
まず、炭酸リチウム(富士フイルム和光純薬株式会社製)と酸化マンガン(IV)(富士フイルム和光純薬株式会社製)とを、1:4のモル比で混合し、空気中、800℃で、18時間焼成してLiMn2O4の粉末を得た。また、炭酸リチウム(富士フイルム和光純薬株式会社製)と酸化バナジウム(V)(富士フイルム和光純薬株式会社製)とを、3:1のモル比で混合し、空気中、650℃で12時間焼成することによってLi3VO4の粉末を得た。
Example 1
The raw materials LiMn 2 O 4 powder and Li 3 VO 4 powder were produced as follows.
First, lithium carbonate (manufactured by FUJIFILM Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and manganese (IV) oxide (manufactured by FUJIFILM Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were mixed in a molar ratio of 1:4 and calcined in air at 800°C for 18 hours to obtain LiMn2O4 powder. Also, lithium carbonate (manufactured by FUJIFILM Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and vanadium (V) oxide (manufactured by FUJIFILM Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were mixed in a molar ratio of 3: 1 and calcined in air at 650°C for 12 hours to obtain Li3VO4 powder.
得られたLiMn2O4粉末とLi3VO4粉末とを0.9:0.1のモル比で混合し、4mm径のジルコニアボールと上記混合粉を65:1の質量比となるようにジルコニア製ボールミル容器に導入した。ボールミル容器を遊星ボールミル装置(Retsch社製、PM200)に導入し、500rpmの回転数で48時間、ボールミルを行うことでリチウム含有酸化物を得た。 The obtained LiMn2O4 powder and Li3VO4 powder were mixed in a molar ratio of 0.9:0.1, and the mixed powder was introduced into a zirconia ball mill container with 4 mm diameter zirconia balls so that the mass ratio of the mixed powder was 65:1. The ball mill container was introduced into a planetary ball mill (PM200, manufactured by Retsch) and ball milled at a rotation speed of 500 rpm for 48 hours to obtain a lithium-containing oxide.
(実施例2~6、及び比較例3)
表1に示すとおり、原料であるLiMn2O4粉末とLi3VO4粉末との配合量、及び/又は混合時間を変更したこと以外は、実施例1と同様にリチウム含有酸化物を製造した。
(Examples 2 to 6 and Comparative Example 3)
As shown in Table 1, lithium-containing oxides were produced in the same manner as in Example 1, except that the blending amounts of the raw materials LiMn 2 O 4 powder and Li 3 VO 4 powder and/or the mixing time were changed.
(実施例7)
原料として、LiNi0.5Mn1.5O4粉末とLi3VO4粉末とを0.8:0.2のモル比で用いたこと以外は、実施例1と同様にリチウム含有酸化物を製造した。
なお、LiNi0.5Mn1.5O4粉末は炭酸リチウム(富士フイルム和光純薬株式会社製)と酸化ニッケル(II)(富士フイルム和光純薬株式会社製)と酸化マンガン(IV)(富士フイルム和光純薬株式会社製)とを1:1:3のモル比となるように秤量し、エタノールと8mm径のジルコニアボールとともに湿式のボールミルで混合し、ろ過、乾燥後の混合粉を大気中、600℃で15時間焼成することによって得た。
Example 7
A lithium-containing oxide was produced in the same manner as in Example 1, except that LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 powder and Li 3 VO 4 powder were used in a molar ratio of 0.8:0.2 as raw materials.
The LiNi0.5Mn1.5O4 powder was obtained by weighing out lithium carbonate (manufactured by FUJIFILM Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), nickel (II) oxide (manufactured by FUJIFILM Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), and manganese (IV) oxide (manufactured by FUJIFILM Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) in a molar ratio of 1:1:3, mixing them together with ethanol and 8 mm diameter zirconia balls in a wet ball mill, filtering, drying, and then firing the mixed powder in air at 600°C for 15 hours.
(実施例8)
原料として、LiMn2O4粉末とLi3V0.5P0.5O4粉末とを0.8:0.2のモル比で用いたこと以外は、実施例1と同様にリチウム含有酸化物を製造した。
なお、Li3V0.5P0.5O4粉末は、炭酸リチウム(富士フイルム和光純薬株式会社製)とリン酸水素二アンモニウム(富士フイルム和光純薬株式会社製)と酸化バナジウム(V)(富士フイルム和光純薬株式会社製)とを6:2:1のモル比で混合し、大気中、800℃で10時間焼成することによって得た。
(Example 8)
A lithium-containing oxide was produced in the same manner as in Example 1, except that LiMn 2 O 4 powder and Li 3 V 0.5 P 0.5 O 4 powder were used as raw materials in a molar ratio of 0.8:0.2.
The Li3V0.5P0.5O4 powder was obtained by mixing lithium carbonate (manufactured by FUJIFILM Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), diammonium hydrogen phosphate (manufactured by FUJIFILM Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), and vanadium (V) oxide (manufactured by FUJIFILM Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) in a molar ratio of 6:2:1 and calcining the mixture at 800°C in air for 10 hours.
(実施例9、10)
原料として、LiCrMnO4粉末とLi3VO4粉末とを表1に示したモル比で用いたこと以外は、実施例1と同様にリチウム含有酸化物を製造した。
なお、LiCrMnO4は炭酸リチウム(富士フイルム和光純薬株式会社製)と酸化クロム(III)(富士フイルム和光純薬株式会社製)と酸化マンガン(III)(富士フイルム和光純薬株式会社製)とを1:1:1のモル比で混合し、空気中、800℃で6時間焼成し、さらに空気中、900℃で12時間焼成することによって得た。
(Examples 9 and 10)
A lithium-containing oxide was produced in the same manner as in Example 1, except that LiCrMnO 4 powder and Li 3 VO 4 powder were used in the molar ratio shown in Table 1 as raw materials.
LiCrMnO4 was obtained by mixing lithium carbonate (manufactured by FUJIFILM Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), chromium(III) oxide (manufactured by FUJIFILM Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), and manganese(III) oxide (manufactured by FUJIFILM Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) in a molar ratio of 1:1:1, calcining the mixture in air at 800°C for 6 hours, and then calcining it further in air at 900°C for 12 hours.
(比較例1)
LiMn2O4粉末のみにボールミルを行ったこと以外は、実施例1と同様にリチウム含有酸化物を製造した。
(Comparative Example 1)
A lithium-containing oxide was produced in the same manner as in Example 1, except that only the LiMn 2 O 4 powder was subjected to ball milling.
(比較例2)
実施例1で製造した原料のLiMn2O4粉末をそのまま使用した。
(Comparative Example 2)
The raw material LiMn 2 O 4 powder produced in Example 1 was used as is.
<X線回折>
実施例及び比較例の各リチウム含有酸化物に粉末X線回折測定装置(株式会社Rigaku製、Ultima IV)を用いて粉末X線回折測定を行った。測定は室温(25℃)において行った。上記リチウム含有酸化物をガラスプレートのくぼみに充填し、空気及び湿気を避けるためにベリリウム窓がついた気密試料台内に試料を載せたガラスプレートを密閉し、大気非暴露で測定を行った。CuKα線源を用い40kV、40mAの出力にて、回折角2θ=10°~90°の範囲を0.02°ステップ、2°/分の速度にて行った。40~45°(2θ)観測されたピークのピーク位置と半値幅を表1及び2に示す。図1は、実施例1~4のリチウム含有酸化物のX線回折チャートである。図2は、実施例5~8のリチウム含有酸化物のX線回折チャートである。図3は、実施例9及び10、並びに比較例1~3のリチウム含有酸化物のX線回折チャートである。図1~3からわかるように、実施例1~10のリチウム含有酸化物は、比較例2と同様の回折パターンを示した。
<X-ray diffraction>
Powder X-ray diffraction measurements were performed on each of the lithium-containing oxides in the Examples and Comparative Examples using a powder X-ray diffractometer (Ultima IV, manufactured by Rigaku Corporation). Measurements were performed at room temperature (25°C). The lithium-containing oxide was filled into a cavity in a glass plate, and the glass plate on which the sample was placed was sealed in an airtight sample stage equipped with a beryllium window to protect it from air and moisture. Measurements were performed without exposure to the atmosphere. Using a CuKα radiation source at an output of 40 kV and 40 mA, measurements were performed over a diffraction angle range of 2θ = 10° to 90° at 0.02° increments and at a rate of 2°/min. The peak positions and half-widths of peaks observed in the 40 to 45° (2θ) range are shown in Tables 1 and 2. Figure 1 shows X-ray diffraction charts for the lithium-containing oxides of Examples 1 to 4. Figure 2 shows X-ray diffraction charts for the lithium-containing oxides of Examples 5 to 8. Figure 3 shows X-ray diffraction charts for the lithium-containing oxides of Examples 9 and 10 and Comparative Examples 1 to 3. As can be seen from FIGS. 1 to 3, the lithium-containing oxides of Examples 1 to 10 exhibited diffraction patterns similar to those of Comparative Example 2.
<充放電試験>
(1)正極の作製
実施例1~10、並びに比較例1及び3のリチウム含有酸化物(正極活物質)、導電材としてアセチレンブラック(商品名:HS-100、デンカ株式会社製)及びバインダーとしてポリテトラフルオロエチレン(PTFE、品番:6-J、三井・ケマーズフロロプロダクツ株式会社)を、正極活物質:導電材:バインダー=70:20:10(質量比)の組成となるようにそれぞれ秤量した。まず、正極活物質と導電材をメノウ乳鉢で十分に混合し、バインダーを加え更に混合した。混合物7mgを秤量し、乳鉢上で円形に引き延ばした。引き延ばした混合物を集電体である厚さ110μmのアルミメッシュ(100メッシュ、株式会社ニラコ製)に圧着し、正極活物質を含む正極を得た。
比較例2については、リチウム含有酸化物(正極活物質)とアセチレンブラック(商品名:HS-100、デンカ株式会社製)、及びバインダーとしてPVDFのN-メチル-2-ピロリドン(NMP)溶液(KFポリマー、品番:L#1120、クレハ社製)を正極活物質:アセチレンブラック:PVDFが85:10:5(質量比)の組成となる割合で加えて混錬することにより、ペースト状の正極合材を調製した。正極合材の調製時には、NMPを添加することでペーストの粘度を調整した。得られた正極合材を集電体となる厚さ40μmのAl箔に塗布して60℃で1時間大気乾燥した後、150℃で8時間真空乾燥を行い、直径14.5mmの円形に打ち抜くことによって正極を得た。
<Charge/discharge test>
(1) Preparation of Positive Electrode The lithium-containing oxides (positive electrode active materials) of Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 and 3, acetylene black (product name: HS-100, manufactured by Denka Co., Ltd.) as a conductive material, and polytetrafluoroethylene (PTFE, product number: 6-J, manufactured by Mitsui Chemours Fluoro Products Co., Ltd.) as a binder were weighed out so as to have a composition of positive electrode active material: conductive material: binder = 70:20:10 (mass ratio). First, the positive electrode active material and conductive material were thoroughly mixed in an agate mortar, and the binder was added and further mixed. 7 mg of the mixture was weighed out and stretched into a circle on the mortar. The stretched mixture was pressed onto a 110 μm thick aluminum mesh (100 mesh, manufactured by Nilaco Corporation) as a current collector to obtain a positive electrode containing the positive electrode active material.
For Comparative Example 2, lithium-containing oxide (cathode active material), acetylene black (product name: HS-100, manufactured by Denka Co., Ltd.), and an N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) solution of PVDF as a binder (KF Polymer, product number: L#1120, manufactured by Kureha Corporation) were added and kneaded in a ratio of 85:10:5 (mass ratio) of cathode active material: acetylene black: PVDF to prepare a paste-like cathode composite. When preparing the cathode composite, the viscosity of the paste was adjusted by adding NMP. The obtained cathode composite was applied to a 40 μm thick Al foil that served as a current collector and dried in the air at 60 ° C. for 1 hour, then vacuum dried at 150 ° C. for 8 hours, and punched into a circle with a diameter of 14.5 mm to obtain a cathode.
(2)Liハーフセルの作製及び評価
上記正極と、セパレータとしてポリエチレン製多孔質フィルム(厚み16μm)、非水電解液として1MのLiPF6溶液(溶媒は、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)とを30:35:35の体積比で含む混合溶媒)、及び対極として金属リチウムを用いてコイン型電池CR2032タイプを組み立てた。なお、電池の組み立てはアルゴン雰囲気のグローブボックス内で行った。作製したコイン型電池を用いて、25℃、実施例1~8及び比較例1~3では1.5~4.8Vの電圧の範囲、実施例9と実施例10では1.5~4.5Vの電圧範囲で以下の条件により充放電試験を行った。初回の放電エネルギー密度及びエネルギー効率の測定結果を表3に示す。
充放電条件:30mA/g、カットオフ条件6mA/gで定電流定電圧充電(CC―CV)充電を行った。
放電条件:30mA/gで定電流(CC)放電を行った。
(2) Preparation and Evaluation of Li Half-Cells A coin-type battery CR2032 type was assembled using the above-mentioned positive electrode, a polyethylene porous film (16 μm thick) as a separator, a 1 M LiPF6 solution as a non-aqueous electrolyte (the solvent was a mixed solvent containing ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), and ethyl methyl carbonate (EMC) in a volume ratio of 30:35:35), and metallic lithium as a counter electrode. The battery was assembled in a glove box under an argon atmosphere. Using the prepared coin-type battery, a charge-discharge test was performed under the following conditions at 25°C, in the voltage range of 1.5 to 4.8 V for Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 to 3, and in the voltage range of 1.5 to 4.5 V for Examples 9 and 10. The measurement results of the initial discharge energy density and energy efficiency are shown in Table 3.
Charge and discharge conditions: constant current constant voltage charging (CC-CV) was performed at 30 mA/g, cutoff condition 6 mA/g.
Discharge conditions: constant current (CC) discharge was performed at 30 mA/g.
図4は、比較例1並びに実施例1、及び3~6の初回充放電曲線を示すグラフである。図5は、比較例1並びに実施例2、7及び8の初回充放電曲線を示すグラフである。図6は、比較例1並びに実施例9及び10の初回充放電曲線を示すグラフである。図7は、比較例1~3の初回充放電曲線を示すグラフである。図4~7において、横軸は正極活物質の容量を示し、縦軸は電池電圧を示す。図8は、実施例4及び比較例2の初回充放電曲線について、横軸として正極活物質であるアルカリ金属含有酸化物の組成における酸素の量を4とした際のリチウムの組成比x(つまり、組成式LixMn1.4V0.3O4におけるx)をとり、縦軸として電池電圧として取ったグラフである。図8におけるAは、充電開始前の状態を示し、この時に正極に含まれるリチウム含有酸化物の組成はLi1.6Mn1.4V0.3O4である。その後、上記充放電試験を行い、図8のB(放電完了時)に到達した際のリチウム含有酸化物の組成は、電流値からリチウムイオンの移動量を計算すると、Li2.45Mn1.4V0.3O4であり、リチウムイオン吸蔵能に優れることがわかる。 FIG. 4 is a graph showing the initial charge-discharge curves of Comparative Example 1 and Examples 1, 3, and 6. FIG. 5 is a graph showing the initial charge-discharge curves of Comparative Example 1 and Examples 2, 7, and 8. FIG. 6 is a graph showing the initial charge-discharge curves of Comparative Example 1 and Examples 9 and 10. FIG. 7 is a graph showing the initial charge-discharge curves of Comparative Examples 1 to 3. In FIGS. 4 to 7, the horizontal axis represents the capacity of the positive electrode active material, and the vertical axis represents the battery voltage. FIG. 8 is a graph showing the initial charge-discharge curves of Example 4 and Comparative Example 2, with the horizontal axis representing the lithium composition ratio x (i.e., x in the composition formula Li x Mn 1.4 V 0.3 O 4 ) when the amount of oxygen in the composition of the alkali metal-containing oxide serving as the positive electrode active material is 4, and the vertical axis representing the battery voltage. A in FIG. 8 indicates the state before the start of charging, and the composition of the lithium-containing oxide contained in the positive electrode at this time is Li 1.6 Mn 1.4 V 0.3 O 4 . Thereafter, the charge-discharge test was carried out, and the composition of the lithium-containing oxide when the state reached B in FIG. 8 (when discharge was completed) was calculated from the current value to determine the amount of lithium ions moved , which was Li2.45Mn1.4V0.3O4 , indicating that the lithium-ion absorption capacity was excellent.
<透過型電子顕微鏡による観察>
以下の測定条件で、実施した。
装置:分析電子顕微鏡 ARM200F 日本電子株式会社製
測定条件: 加速電圧 200kV
試料調整:実施例5のリチウム含有酸化物に対して不活性雰囲気下で乾式分散法により試料調製を行った。
図9に、実施例5の試料の電子線回折像を示す。図中のBFで表される円は、明視野像(図示せず)の観察位置である。図9における1、2及び3の円は、対物絞りの挿入位置(開口)を示す。図9では、複数の輝点がリング状に配列していることが観測されると共に、ハローが観測されることから結晶相及びアモルファス相が存在していることがわかる。
図10は、実施例5の試料の透過型顕微鏡による暗視野観察像を示す図である。図10における(A)、(B)及び(C)は、それぞれ、図9における1、2及び3の位置に対物絞りを挿入して測定した暗視野観察像に対応する。図10における白い粒状の構造は結晶相を示し、サンプル中に2~8nm径のナノ結晶が分散していることがわかる。
<Observation by transmission electron microscope>
The measurement was carried out under the following conditions.
Equipment: Analytical electron microscope ARM200F manufactured by JEOL Ltd. Measurement conditions: Acceleration voltage 200 kV
Sample preparation: The lithium-containing oxide of Example 5 was subjected to sample preparation by a dry dispersion method under an inert atmosphere.
Figure 9 shows an electron diffraction image of the sample of Example 5. The circle indicated by BF in the figure indicates the observation position of a bright-field image (not shown). Circles 1, 2, and 3 in Figure 9 indicate the insertion position (aperture) of the objective aperture. In Figure 9, multiple bright spots are observed arranged in a ring shape, and a halo is also observed, indicating the presence of a crystalline phase and an amorphous phase.
Figure 10 shows a dark-field image of the sample of Example 5 observed by a transmission electron microscope. (A), (B), and (C) in Figure 10 correspond to dark-field images measured by inserting the objective aperture at positions 1, 2, and 3 in Figure 9, respectively. The white granular structure in Figure 10 indicates a crystalline phase, and it can be seen that nanocrystals with diameters of 2 to 8 nm are dispersed in the sample.
Claims (5)
前記アルカリ金属含有酸化物について25℃においてCuKα線を用いて測定したX線回折チャートにおいて、2θで43.9~44.4°の範囲内に半値幅が2θで1.32~3.21°であるピークが観測される、アルカリ金属含有酸化物。
AxM’aM’’bO4・・・(1)
(式(1)中、1.2≦x≦2.0、1.0≦a≦1.8、0.1≦b≦0.5、1.1≦a+b<2.0であり、
AはLiであり、
M’はCr、Mn、及びNiからなる群から選択される少なくとも1種類の元素であり、
M’’はP、及びVからなる群から選択される少なくとも一種である。) An alkali metal-containing oxide having a spinel structure and a composition represented by the following general formula (1):
In an X-ray diffraction chart measured on the alkali metal-containing oxide at 25°C using CuKα radiation, a peak having a half-value width of 1.32 to 3.21° at 2θ is observed within a range of 43.9 to 44.4° at 2θ.
A x M' a M'' b O 4 ...(1)
(In formula (1), 1.2≦x≦2.0, 1.0≦a≦1.8, 0.1≦b≦0.5, and 1.1≦a+b<2.0,
A is Li;
M' is at least one element selected from the group consisting of Cr, Mn, and Ni;
M″ is at least one selected from the group consisting of P and V.
The alkali metal-containing oxide according to claim 1 or 2, which has an amorphous phase.
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