JP2018139172A - Nonaqueous electrolyte power storage element, electrical equipment, and method of using nonaqueous electrolyte power storage element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、非水電解質蓄電素子、電気機器、及び非水電解質蓄電素子の使用方法に関する。 The present invention relates to a nonaqueous electrolyte storage element, an electrical device, and a method of using the nonaqueous electrolyte storage element.
リチウムイオン二次電池に代表される非水電解質二次電池は、エネルギー密度の高さから、パーソナルコンピュータ、通信端末等の電子機器、自動車等に多用されている。上記非水電解質二次電池は、一般的には、セパレータで電気的に隔離された一対の電極と、この電極間に介在する非水電解質とを有し、両電極間でイオンの受け渡しを行うことで充放電するよう構成される。また、非水電解質二次電池以外の非水電解質蓄電素子として、リチウムイオンキャパシタや電気二重層キャパシタ等のキャパシタも広く普及している。 Nonaqueous electrolyte secondary batteries typified by lithium ion secondary batteries are widely used in electronic devices such as personal computers and communication terminals, automobiles and the like because of their high energy density. The nonaqueous electrolyte secondary battery generally has a pair of electrodes electrically isolated by a separator and a nonaqueous electrolyte interposed between the electrodes, and transfers ions between the electrodes. It is comprised so that it may charge / discharge. In addition, capacitors such as lithium ion capacitors and electric double layer capacitors are widely used as nonaqueous electrolyte storage elements other than nonaqueous electrolyte secondary batteries.
非水電解質蓄電素子の正極に含まれる活物質には、リチウム含有遷移金属酸化物が広く用いられている。このような中、非水電解質蓄電素子の高容量化などのために、各種正極活物質の開発が進められている。その一つとして、リチウム及びビスマスを含む複合酸化物を非水電解質二次電池の正極活物質に用いる技術が提案されている(特許文献1、2及び非特許文献1参照)。
Lithium-containing transition metal oxides are widely used as active materials contained in the positive electrode of the nonaqueous electrolyte storage element. Under such circumstances, various positive electrode active materials have been developed for increasing the capacity of the nonaqueous electrolyte storage element. As one of the techniques, a technique using a composite oxide containing lithium and bismuth as a positive electrode active material of a non-aqueous electrolyte secondary battery has been proposed (see
今後蓄電素子には、電気自動車(EV)の電源などとして、よりいっそうの高エネルギー密度化が要求される。しかし、上記従来の複合酸化物が正極活物質として用いられた非水電解質蓄電素子も、このような要求に十分に応えられるような高いエネルギー密度を有するものではない。 In the future, energy storage devices will be required to have higher energy density as a power source for electric vehicles (EV). However, the non-aqueous electrolyte storage element in which the above-described conventional composite oxide is used as the positive electrode active material does not have a high energy density that can sufficiently meet such a requirement.
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、高いエネルギー密度を有する非水電解質蓄電素子、このような非水電解質蓄電素子を備える電気機器、及びこのような非水電解質蓄電素子の使用方法を提供することである。 The present invention has been made based on the circumstances as described above, and an object thereof is a non-aqueous electrolyte storage element having a high energy density, an electric device including such a non-aqueous electrolyte storage element, and such a device. It is providing the usage method of a non-aqueous electrolyte electrical storage element.
上記課題を解決するためになされた本発明の一態様は、リチウム、ビスマス及び金属元素(M)を含む複合酸化物を含有する正極を有し、上記金属元素(M)が、アルミニウム、バナジウム、鉄、コバルト及びニッケルのうちの少なくとも1種を含み、通常使用時の上記正極の放電終止電位が、0.8V(vs.Li/Li+)以上1.4V(vs.Li/Li+)以下である非水電解質蓄電素子である。 One embodiment of the present invention made to solve the above problems has a positive electrode containing a composite oxide containing lithium, bismuth, and a metal element (M), and the metal element (M) contains aluminum, vanadium, Including at least one of iron, cobalt, and nickel, the discharge end potential of the positive electrode during normal use is 0.8 V (vs. Li / Li + ) or more and 1.4 V (vs. Li / Li + ) or less. This is a non-aqueous electrolyte electricity storage device.
本発明の他の一態様は、当該非水電解質蓄電素子を備える電気機器である。 Another embodiment of the present invention is an electric device including the nonaqueous electrolyte storage element.
本発明の他の一態様は、リチウム、ビスマス及び金属元素(M)を含む複合酸化物を含有する正極を有し、上記金属元素(M)が、アルミニウム、バナジウム、鉄、コバルト及びニッケルのうちの少なくとも1種を含む非水電解質蓄電素子に対し、上記正極の終止電位が0.8V(vs.Li/Li+)以上1.4V(vs.Li/Li+)以下の範囲で放電を行うことを有する非水電解質蓄電素子の使用方法である。 Another embodiment of the present invention includes a positive electrode containing a composite oxide containing lithium, bismuth, and a metal element (M), and the metal element (M) is selected from aluminum, vanadium, iron, cobalt, and nickel. performing a non-aqueous electrolyte energy storage device to the discharge in the range cutoff potential of the positive electrode is 0.8V (vs.Li/Li +) or 1.4V (vs.Li/Li +) or less containing at least one This is a method of using a non-aqueous electrolyte electricity storage device.
本発明によれば、高いエネルギー密度を有する非水電解質蓄電素子、このような非水電解質蓄電素子を備える電気機器、及びこのような非水電解質蓄電素子の使用方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the nonaqueous electrolyte electrical storage element which has a high energy density, the electric equipment provided with such a nonaqueous electrolyte electrical storage element, and the usage method of such a nonaqueous electrolyte electrical storage element can be provided.
本発明の一実施形態に係る非水電解質蓄電素子は、リチウム、ビスマス及び金属元素(M)を含む複合酸化物を含有する正極を有し、上記金属元素(M)が、アルミニウム、バナジウム、鉄、コバルト及びニッケルのうちの少なくとも1種を含み、通常使用時の上記正極の放電終止電位が、0.8V(vs.Li/Li+)以上1.4V(vs.Li/Li+)以下である非水電解質蓄電素子である。 A nonaqueous electrolyte storage element according to an embodiment of the present invention has a positive electrode containing a composite oxide containing lithium, bismuth and a metal element (M), and the metal element (M) is aluminum, vanadium, iron , Including at least one of cobalt and nickel, and the discharge end potential of the positive electrode during normal use is 0.8 V (vs. Li / Li + ) or more and 1.4 V (vs. Li / Li + ) or less. This is a non-aqueous electrolyte storage element.
当該非水電解質蓄電素子は、高いエネルギー密度を有する。この理由は定かでは無いが以下の理由が推測される。上記組成を有する複合酸化物を含む正極の放電終止電位を0.8V(vs.Li/Li+)以上1.4V(vs.Li/Li+)以下にまで下げ、放電を低い電位範囲まで行う際、上記複合酸化物においてはコンバージョン反応が進行していると推測される。従ってこれにより従来用いられていなかった放電反応を活用することができ、放電容量が高まり、その結果エネルギー密度が高まっていると考えられる。 The nonaqueous electrolyte electricity storage element has a high energy density. Although this reason is not certain, the following reason is guessed. Lowering the discharge cutoff potential of the positive electrode containing a composite oxide having the above composition to below 0.8V (vs.Li/Li +) or 1.4V (vs.Li/Li +), carried out to a low potential range of discharge At this time, it is presumed that the conversion reaction proceeds in the composite oxide. Therefore, it is considered that this makes it possible to utilize a discharge reaction that has not been used in the past, increasing the discharge capacity and, as a result, increasing the energy density.
ここで、「通常使用時」とは、当該非水電解質蓄電素子について推奨され、又は指定される放電条件及び充電条件を採用して当該非水電解質蓄電素子を使用する場合をいう。例えば放電条件については、この非水電解質蓄電素子を使用する電気機器の設定等によって定まる。また、充電条件については、当該非水電解質蓄電素子のための充電器が用意されている場合は、その充電器を適用して当該非水電解質蓄電素子を使用する場合をいう。
Here, “during normal use” refers to a case where the nonaqueous electrolyte storage element is used under the recommended discharge conditions and charge conditions for the nonaqueous electrolyte storage element. For example, the discharge conditions are determined by the setting of the electrical equipment that uses the nonaqueous electrolyte storage element. As for charging conditions, when a charger for the non-aqueous electrolyte storage element is prepared, the charging means is used when the non-aqueous electrolyte storage element is used.
当該非水電解質蓄電素子の通常使用時の上記正極の充電終止電位が、2.5V(vs.Li/Li+)以上3.5V(vs.Li/Li+)以下であることが好ましい。このようにすることで、エネルギー密度に加え、充放電サイクルにおける容量維持率も高めることができる。この理由は定かでは無いが、3.5V(vs.Li/Li+)よりも高い電位の領域ではリチウムのインターカレーション反応が主に生じ、これが容量維持率を低下させる原因となっていると推測される。そこで、正極の充電終止電位を2.5V(vs.Li/Li+)以上3.5V(vs.Li/Li+)以下とし、放電終止電位を0.8V(vs.Li/Li+)以上1.4V(vs.Li/Li+)以下とすることで、主としてコンバージョン反応により充放電を行うことができ、高いエネルギー密度を維持しつつ、容量維持率を高めることができると推測される。リチウムとの反応によって、格子体積の膨張及び収縮のみが生じ、結晶構造(原子配列)が大きく変化しないインターカレーション反応に比べて、結合の組み換えが起こるとされるコンバージョン反応は、一般的に容量維持率の低下が起こりやすいとされている。しかしながら、当該非水電解質蓄電素子においては、インターカレーション反応を利用せず、主にコンバージョン反応を利用することにより、驚くべきことに充放電サイクルの容量維持率を高めることができる。 The charge termination potential of the positive electrode during normal use of the nonaqueous electrolyte storage element is preferably 2.5 V (vs. Li / Li + ) or more and 3.5 V (vs. Li / Li + ) or less. By doing in this way, in addition to an energy density, the capacity maintenance rate in a charging / discharging cycle can also be raised. The reason for this is not clear, but lithium intercalation occurs mainly in the region of potential higher than 3.5 V (vs. Li / Li + ), and this causes a decrease in capacity retention rate. Guessed. Therefore, the charge end potential of the positive electrode is 2.5 V (vs. Li / Li + ) or more and 3.5 V (vs. Li / Li + ) or less, and the discharge end potential is 0.8 V (vs. Li / Li + ) or more. By setting it to 1.4 V (vs. Li / Li + ) or less, it is presumed that charge and discharge can be performed mainly by a conversion reaction, and the capacity maintenance rate can be increased while maintaining a high energy density. Compared to intercalation reactions in which the recombination of lithium causes only expansion and contraction of the lattice volume and the crystal structure (atomic arrangement) does not change significantly, the conversion reaction in which recombination of the bonds occurs is generally a capacity. It is said that the maintenance rate is likely to decrease. However, in the non-aqueous electrolyte storage element, it is surprisingly possible to increase the capacity maintenance rate of the charge / discharge cycle by using mainly the conversion reaction without using the intercalation reaction.
上記金属元素(M)が、アルミニウム、バナジウム、鉄、コバルト及びニッケルのうちの少なくとも一種、又はアルミニウム、バナジウム、鉄、コバルト及びニッケルのうちの少なくとも一種と銅及び亜鉛のうちの少なくとも一種との組み合わせであることが好ましい。このような金属元素を含む複合酸化物を用いることで、エネルギー密度をより高めることなどができる。 The metal element (M) is a combination of at least one of aluminum, vanadium, iron, cobalt and nickel, or at least one of aluminum, vanadium, iron, cobalt and nickel and at least one of copper and zinc. It is preferable that By using a composite oxide containing such a metal element, the energy density can be further increased.
上記金属元素(M)がニッケルを含み、上記金属元素(M)におけるニッケルの含有量が50モル%以上であることが好ましい。このように、ニッケルの含有割合の高い複合酸化物を用いることで、エネルギー密度をより高めることなどができる。 The metal element (M) preferably contains nickel, and the nickel content in the metal element (M) is preferably 50 mol% or more. Thus, the energy density can be further increased by using a composite oxide having a high nickel content.
上記複合酸化物におけるビスマスと上記金属元素(M)との合計含有量に対する上記金属元素(M)の含有量が30モル%以上75モル%以下であることが好ましい。このような組成の複合酸化物を用いることで、エネルギー密度をより高めることなどができる。 The content of the metal element (M) with respect to the total content of bismuth and the metal element (M) in the composite oxide is preferably 30 mol% or more and 75 mol% or less. By using the composite oxide having such a composition, the energy density can be further increased.
上記複合酸化物が下記式(1)で表されることが好ましい。このような組成の複合酸化物を用いることで、エネルギー密度をより高めることなどができる。
Li3M3xBi3(1−x)O6 ・・・(1)
(式(1)中、Mは、Mは、Al、V、Fe、Co及びNiのうちの少なくとも1種を含む金属元素である。0<x<1である。)
The composite oxide is preferably represented by the following formula (1). By using the composite oxide having such a composition, the energy density can be further increased.
Li 3 M 3x Bi 3 (1-x) O 6 (1)
(In the formula (1), M is a metal element containing at least one of Al, V, Fe, Co, and Ni. 0 <x <1.)
本発明の一実施形態に係る電気機器は、当該非水電解質蓄電素子を備える電気機器である。当該電気機器は、エネルギー密度の高い当該非水電解質蓄電素子を備えるため、小型化又は大容量化が可能となり、また充電頻度を下げることができ利便性を高めることなどができる。 An electrical device according to an embodiment of the present invention is an electrical device including the nonaqueous electrolyte storage element. Since the electrical device includes the non-aqueous electrolyte storage element having a high energy density, the electrical device can be downsized or increased in capacity, and the charging frequency can be reduced to improve convenience.
本発明の一実施形態に係る非水電解質蓄電素子の使用方法は、リチウム、ビスマス及び金属元素(M)を含む複合酸化物を含有する正極を有し、上記金属元素(M)が、アルミニウム、バナジウム、鉄、コバルト及びニッケルのうちの少なくとも1種を含む非水電解質蓄電素子に対し、上記正極の終止電位が0.8V(vs.Li/Li+)以上1.4V(vs.Li/Li+)以下の範囲で放電を行うことを有する非水電解質蓄電素子の使用方法である。当該非水電解質蓄電素子の使用方法によれば、高いエネルギー密度で非水電解質蓄電素子を使用することができる。 A method for using a non-aqueous electrolyte electricity storage device according to an embodiment of the present invention includes a positive electrode containing a composite oxide containing lithium, bismuth and a metal element (M), wherein the metal element (M) is aluminum, For a non-aqueous electrolyte storage element containing at least one of vanadium, iron, cobalt, and nickel, the terminal potential of the positive electrode is 0.8 V (vs. Li / Li + ) or more and 1.4 V (vs. Li / Li) + ) A method of using a non-aqueous electrolyte electricity storage device having discharge in the following range. According to the method of using the nonaqueous electrolyte storage element, the nonaqueous electrolyte storage element can be used with a high energy density.
以下、本発明の一実施形態に係る非水電解質蓄電素子、電気機器、及び非水電解質蓄電素子の使用方法について詳説する。 Hereinafter, a nonaqueous electrolyte storage element, an electrical device, and a method of using the nonaqueous electrolyte storage element according to an embodiment of the present invention will be described in detail.
<非水電解質蓄電素子>
本発明の一実施形態に係る非水電解質蓄電素子は、正極、負極及び非水電解質を有する。以下、非水電解質蓄電素子の一例として、非水電解質二次電池について説明する。上記正極及び負極は、通常、セパレータを介して積層又は巻回により交互に重畳された電極体を形成する。この電極体はケースに収納され、このケース内に非水電解質が充填される。上記非水電解質は、正極と負極との間に介在する。また、上記ケースとしては、非水電解質二次電池のケースとして通常用いられる公知のアルミニウムケース、樹脂ケース等を用いることができる。
<Nonaqueous electrolyte storage element>
A nonaqueous electrolyte storage element according to an embodiment of the present invention includes a positive electrode, a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte. Hereinafter, a nonaqueous electrolyte secondary battery will be described as an example of a nonaqueous electrolyte storage element. The positive electrode and the negative electrode usually form an electrode body that is alternately superposed by stacking or winding via a separator. This electrode body is housed in a case, and the case is filled with a nonaqueous electrolyte. The non-aqueous electrolyte is interposed between the positive electrode and the negative electrode. Moreover, as said case, the well-known aluminum case, resin case, etc. which are normally used as a case of a nonaqueous electrolyte secondary battery can be used.
(正極)
上記正極は、正極基材、及びこの正極基材に直接又は中間層を介して配される正極合材層を有する。
(Positive electrode)
The positive electrode has a positive electrode base material and a positive electrode mixture layer disposed on the positive electrode base material directly or via an intermediate layer.
上記正極基材は、導電性を有する。基材の材質としては、アルミニウム、銅、チタン、タンタル、ステンレス鋼等の金属又はそれらの合金が用いられる。これらの中でも、耐電位性、導電性の高さ及びコストのバランスからアルミニウム、銅及びこれらの合金が好ましく、銅及び銅合金がより好ましい場合がある。例えば、充電終止電位が3V(vs.Li/Li+)以下として使用する場合、銅又は銅合金を用いることができる。一方、充電終止電位が3V(vs.Li/Li+)超として使用する場合、アルミニウム又はアルミニウム合金を用いることが好ましい。また、正極基材の形成形態としては、箔、蒸着膜等が挙げられ、コストの面から箔が好ましい。つまり、正極基材としてはアルミニウム箔や銅箔が好ましい。 The positive electrode base material has conductivity. As the material of the substrate, metals such as aluminum, copper, titanium, tantalum, stainless steel, or alloys thereof are used. Among these, aluminum, copper, and alloys thereof are preferable, and copper and copper alloys may be more preferable from the viewpoint of potential resistance, high conductivity, and cost. For example, when the charge end potential is 3 V (vs. Li / Li + ) or less, copper or a copper alloy can be used. On the other hand, when the charge end potential is more than 3 V (vs. Li / Li + ), it is preferable to use aluminum or an aluminum alloy. Moreover, foil, a vapor deposition film, etc. are mentioned as a formation form of a positive electrode base material, and foil is preferable from the surface of cost. That is, the positive electrode base material is preferably an aluminum foil or a copper foil.
上記中間層は、正極基材の表面の被覆層であり、炭素粒子等の導電性粒子を含むことで正極基材と正極合材層との接触抵抗を低減する。中間層の構成は特に限定されず、例えば樹脂バインダ及び導電性粒子を含有する組成物により形成できる。なお、「導電性」を有するとは、JIS−H−0505(1975年)に準拠して測定される体積抵抗率が107Ω・cm以下であることを意味し、「非導電性」とは、上記体積抵抗率が107Ω・cm超であることを意味する。 The said intermediate | middle layer is a coating layer of the surface of a positive electrode base material, and reduces the contact resistance of a positive electrode base material and a positive electrode compound material layer by including electroconductive particles, such as a carbon particle. The configuration of the intermediate layer is not particularly limited, and can be formed of a composition containing a resin binder and conductive particles, for example. “Conductive” means that the volume resistivity measured in accordance with JIS-H-0505 (1975) is 10 7 Ω · cm or less, and “nonconductive” Means that the volume resistivity is more than 10 7 Ω · cm.
上記正極合材層は、特定の複合酸化物を含有するいわゆる正極合材から形成される層である。上記複合酸化物は、正極活物質として機能する。この正極合材は、必要に応じてその他の正極活物質、導電剤、バインダ、増粘剤、フィラー等の任意成分を含むことができる。 The positive electrode mixture layer is a layer formed from a so-called positive electrode mixture containing a specific composite oxide. The composite oxide functions as a positive electrode active material. This positive electrode mixture can contain optional components such as other positive electrode active materials, conductive agents, binders, thickeners, fillers and the like as necessary.
上記複合酸化物は、リチウム(Li)、ビスマス(Bi)及び金属元素(M)を含む。上記金属元素(M)は、Li及びBi以外の金属元素であり、アルミニウム(Al)、バナジウム(V)、鉄(Fe)、コバルト(Co)及びニッケル(Ni)のうちの少なくとも1種を含む。 The composite oxide includes lithium (Li), bismuth (Bi), and a metal element (M). The metal element (M) is a metal element other than Li and Bi, and includes at least one of aluminum (Al), vanadium (V), iron (Fe), cobalt (Co), and nickel (Ni). .
上記複合酸化物におけるリチウム(Li)の含有割合としては、特に限定されない。充放電によってリチウムの組成比率が大きく変動すること、合成の際にリチウム原料を理論組成比率よりも過剰に加えることが一般的に行われることなどから、上記複合酸化物におけるリチウムの含有割合は、正極活物質としての性能等に大きな影響を与えるものでは無い。上記複合酸化物におけるリチウムの含有割合は、例えばビスマスと金属元素(M)との合計含有量に対するリチウムの含有割合(Li/(Bi+M))として、原子数比で30モル%(0.3倍)以上300モル%(3倍)以下とすることができる。この含有割合(Li/(Bi+M))の下限は50モル%(0.5倍)が好ましく、上限は200モル%(2倍)が好ましい。また、この含有割合(Li/(Bi+M))は実質的に100モル%(1倍)であることがより好ましい。 The content ratio of lithium (Li) in the composite oxide is not particularly limited. From the fact that the composition ratio of lithium greatly varies due to charge and discharge, and that the lithium raw material is generally added in excess of the theoretical composition ratio during synthesis, the lithium content in the composite oxide is, It does not significantly affect the performance as the positive electrode active material. The lithium content in the composite oxide is, for example, 30 mol% (0.3 times as the atomic ratio) as the lithium content (Li / (Bi + M)) with respect to the total content of bismuth and the metal element (M). ) To 300 mol% (three times) or less. The lower limit of the content ratio (Li / (Bi + M)) is preferably 50 mol% (0.5 times), and the upper limit is preferably 200 mol% (2 times). Moreover, it is more preferable that the content ratio (Li / (Bi + M)) is substantially 100 mol% (1 time).
上記複合酸化物におけるビスマス(Bi)と金属元素(M)との合計含有量に対する金属元素(M)の含有量(M/(Bi+M))の下限は、原子数比として例えば10モル%であってもよいが、30モル%が好ましく、40モル%がより好ましく、50モル%がさらに好ましく、60モル%がよりさらに好ましい。この金属元素(M)の含有量を上記下限以上とすることで、エネルギー密度がより高まり、容量維持率も高まる傾向にある。なお、ビスマス(Bi)と金属元素(M)との合計含有量に対する金属元素(M)の含有量(M/(Bi+M))は、66.7モル%、すなわち、2/3とすることもできる。 The lower limit of the content (M / (Bi + M)) of the metal element (M) with respect to the total content of bismuth (Bi) and the metal element (M) in the composite oxide is, for example, 10 mol% as the atomic ratio. However, 30 mol% is preferable, 40 mol% is more preferable, 50 mol% is further more preferable, and 60 mol% is still more preferable. By setting the content of the metal element (M) to be equal to or higher than the above lower limit, the energy density is further increased and the capacity retention rate is also increased. In addition, the content (M / (Bi + M)) of the metal element (M) with respect to the total content of bismuth (Bi) and the metal element (M) may be 66.7 mol%, that is, 2/3. it can.
一方、上記複合酸化物におけるビスマス(Bi)と金属元素(M)との合計含有量に対する金属元素(M)の含有量(M/(Bi+M))の上限は、原子数比として例えば95モル%であってもよいが、90モル%が好ましく、80モル%がより好ましく、75モル%がさらに好ましく、70モル%がよりさらに好ましい。この金属元素(M)の含有量を上記上限以下とすることで、エネルギー密度がより高まり、容量維持率も高まる傾向にある。 On the other hand, the upper limit of the content (M / (Bi + M)) of the metal element (M) with respect to the total content of bismuth (Bi) and the metal element (M) in the composite oxide is, for example, 95 mol% as the atomic ratio However, 90 mol% is preferable, 80 mol% is more preferable, 75 mol% is further more preferable, and 70 mol% is still more preferable. By setting the content of the metal element (M) to be equal to or lower than the above upper limit, the energy density is further increased and the capacity maintenance rate is also increased.
金属元素(M)は、Al、V、Fe、Co及びNiのうちの少なくとも1種を含む。金属元素(M)は、1種の元素のみで構成されていてもよいし、2種以上の元素から構成されていてもよい。この金属元素(M)は、Al、V、Fe、Co及びNi以外のその他の金属元素を含んでいてもよい。他の金属元素としては、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、カドミウム(Cd)等を挙げることができる。これらの中でも、第4周期元素(Ca、Ti、Cr、Mn、Cu、Zn等)が好ましい。また、第9〜12族元素(Rh、Pd、Cu、Ag、Zn、Cd等)も好ましく、第11〜12族元素(Cu、Ag、Zn等)がより好ましい。他の元素としては、特にCu及びZnが好ましい。これらの金属元素が含まれている場合、エネルギー密度や容量維持率がより高まることもある。 The metal element (M) includes at least one of Al, V, Fe, Co, and Ni. The metal element (M) may be composed of only one element or may be composed of two or more elements. This metal element (M) may contain other metal elements other than Al, V, Fe, Co, and Ni. Other metal elements include magnesium (Mg), calcium (Ca), titanium (Ti), chromium (Cr), manganese (Mn), copper (Cu), zinc (Zn), zirconium (Zr), niobium (Nb ), Molybdenum (Mo), rhodium (Rh), palladium (Pd), silver (Ag), cadmium (Cd), and the like. Among these, the fourth periodic element (Ca, Ti, Cr, Mn, Cu, Zn, etc.) is preferable. Further, Group 9-12 elements (Rh, Pd, Cu, Ag, Zn, Cd, etc.) are also preferred, and Group 11-12 elements (Cu, Ag, Zn, etc.) are more preferred. As other elements, Cu and Zn are particularly preferable. When these metal elements are contained, the energy density and capacity retention rate may be further increased.
また、金属元素(M)に占めるAl、V、Fe、Co、Ni、Cu及びZnの合計含有量の下限が50モル%であることが好ましく、90モル%であることが好ましく、99モル%であることがさらに好ましい。さらに、金属元素(M)に占めるAl、V、Fe、Co、Ni、Cu及びZnの合計含有量は、実質的に100モル%であることが特に好ましい。すなわち、上記金属元素(M)が、Al、V、Fe、Co及びNiのうちの少なくとも一種、又はAl、V、Fe、Co及びNiのうちの少なくとも一種とCu及びZnのうちの少なくとも一種との組み合わせであることが好ましい。このような組成の金属元素(M)を含む複合酸化物を用いることで、エネルギー密度をより高めることなどができる。 Further, the lower limit of the total content of Al, V, Fe, Co, Ni, Cu and Zn in the metal element (M) is preferably 50 mol%, preferably 90 mol%, and 99 mol% More preferably. Furthermore, the total content of Al, V, Fe, Co, Ni, Cu and Zn in the metal element (M) is particularly preferably substantially 100 mol%. That is, the metal element (M) is at least one of Al, V, Fe, Co and Ni, or at least one of Al, V, Fe, Co and Ni and at least one of Cu and Zn. It is preferable that it is the combination of these. By using the composite oxide containing the metal element (M) having such a composition, the energy density can be further increased.
金属元素(M)としてはNi又はCoを含むことが好ましく、Niを含むことがより好ましい。金属元素(M)におけるNiの含有量の下限としては、特に限定されず、30モル%であってもよいが、50モル%が好ましく、70モル%が好ましい場合もあり、90モル%が好ましい場合もある。また、金属元素(M)がNiのみであることも好ましい。このように金属元素(M)としてNiを好ましくは所定量含むことにより、エネルギー密度をより高めることなどができる。金属元素(M)におけるNiの含有量の上限は、100モル%であってよいが、80モル%が好ましいこともあり、60モル%が好ましいこともある。 The metal element (M) preferably contains Ni or Co, and more preferably contains Ni. The lower limit of the Ni content in the metal element (M) is not particularly limited and may be 30 mol%, but is preferably 50 mol%, sometimes 70 mol%, and preferably 90 mol%. In some cases. It is also preferable that the metal element (M) is only Ni. Thus, the energy density can be further increased by preferably including a predetermined amount of Ni as the metal element (M). The upper limit of the Ni content in the metal element (M) may be 100 mol%, but 80 mol% may be preferable, and 60 mol% may be preferable.
上記複合酸化物における酸素(O)の含有量としては、特に限定されず、通常、金属元素の組成比や金属元素の価数などから決定される。但し、酸素不足又は酸素過多の酸化物となる場合もあるため、金属元素の組成及び価数のみで定まるものでもない。上記複合酸化物における酸素の含有割合は、例えばビスマスと金属元素(M)との合計含有量に対する酸素の含有割合(O/(Bi+M))として、原子数比で60モル%(0.6倍)以上600モル%(6倍)以下とすることができる。この含有割合(O/(Bi+M))の下限は100モル%(1倍)が好ましく、上限は400モル%(4倍)が好ましい。また、この含有割合(O/(Bi+M))は実質的に200モル%(2倍)であることがより好ましい。 The oxygen (O) content in the composite oxide is not particularly limited, and is usually determined from the composition ratio of the metal elements, the valence of the metal elements, and the like. However, since it may be an oxygen-deficient or oxygen-rich oxide, it is not determined only by the composition and valence of the metal element. The oxygen content in the composite oxide is, for example, 60 mol% (0.6 times) in terms of the atomic ratio as the oxygen content (O / (Bi + M)) with respect to the total content of bismuth and the metal element (M). ) To 600 mol% (6 times) or less. The lower limit of the content ratio (O / (Bi + M)) is preferably 100 mol% (1 time), and the upper limit is preferably 400 mol% (4 times). Further, it is more preferable that the content ratio (O / (Bi + M)) is substantially 200 mol% (twice).
上記複合酸化物は、リチウム、ビスマス、金属元素(M)及び酸素以外の他の元素が、本発明の作用効果に影響を与えない範囲で含有されていてもよい。このような他の任意元素としては、ハロゲン、炭素、窒素等の非金属元素が挙げられる。これらの任意元素の含有量の上限としては、ビスマスと金属元素(M)との合計含有量(100モル%)に対して、50モル%が好ましく、20モル%がより好ましく、10モル%がさらに好ましく、1モル%がよりさらに好ましく、0.1モル%が特に好ましい。この任意元素は、実質的に含有されていなくてもよい。 The complex oxide may contain other elements other than lithium, bismuth, metal element (M) and oxygen in a range that does not affect the operational effects of the present invention. Examples of such other optional elements include non-metallic elements such as halogen, carbon, and nitrogen. The upper limit of the content of these optional elements is preferably 50 mol%, more preferably 20 mol%, more preferably 10 mol%, based on the total content (100 mol%) of bismuth and the metal element (M). More preferably, 1 mol% is still more preferable, and 0.1 mol% is especially preferable. This optional element may not be substantially contained.
上記複合酸化物は、好適には下記式(2)で表される化合物を採用することができる。
Li3+aM3xBi3(1−x)O6+δ ・・・(2)
(式(2)中、Mは、Al、V、Fe、Co及びNiのうちの少なくとも1種を含む金属元素である。0<x<1、0≦a≦3.5、−0.6≦δ≦0.6である。)
なかでも、下記式(1)で表される化合物を採用することが好ましい。
Li3M3xBi3(1−x)O6 ・・・(1)
(式(1)中、Mは、Al、V、Fe、Co及びNiのうちの少なくとも1種を含む金属元素である。0<x<1である。)
As the complex oxide, a compound represented by the following formula (2) can be preferably used.
Li 3 + a M 3x Bi 3 (1-x) O 6 + δ (2)
(In Formula (2), M is a metal element containing at least one of Al, V, Fe, Co, and Ni. 0 <x <1, 0 ≦ a ≦ 3.5, −0.6 ≦ δ ≦ 0.6.)
Especially, it is preferable to employ | adopt the compound represented by following formula (1).
Li 3 M 3x Bi 3 (1-x) O 6 (1)
(In Formula (1), M is a metal element containing at least one of Al, V, Fe, Co, and Ni. 0 <x <1.)
上記式(1)及び(2)中のxは、ビスマス(Bi)と金属元素(M)との合計含有量に対する金属元素(M)の含有量(M/(Bi+M))を示す。xの下限は、0.1であってもよいが、0.3が好ましく、0.4がより好ましく、0.5がさらに好ましく、0.6がよりさらに好ましい。また、xの上限は、0.95であってもよいが、0.9が好ましく、0.8がより好ましく、0.75がさらに好ましく、0.7がよりさらに好ましい。xは2/3であってもよい。 X in the above formulas (1) and (2) represents the content (M / (Bi + M)) of the metal element (M) with respect to the total content of bismuth (Bi) and the metal element (M). The lower limit of x may be 0.1, but 0.3 is preferable, 0.4 is more preferable, 0.5 is more preferable, and 0.6 is still more preferable. Moreover, 0.95 may be sufficient as the upper limit of x, However, 0.9 is preferable, 0.8 is more preferable, 0.75 is further more preferable, 0.7 is still more preferable. x may be 2/3.
上記式(1)及び(2)中のMは、Al、V、Fe、Co及びNiのうちの少なくとも1種を含む金属元素であれば特に限定されず、1種の金属元素のみから構成されていてもよいし、2種以上の金属元素から構成されていてもよい。好ましい上記複合酸化物は、下記式(1’)で表すことができる。 M in the above formulas (1) and (2) is not particularly limited as long as it is a metal element containing at least one of Al, V, Fe, Co, and Ni, and is composed of only one metal element. It may be composed of two or more metal elements. A preferable composite oxide can be represented by the following formula (1 ′).
Li3M1 3xyM2 3x(1−y)Bi3(1−x)O6 ・・・(1’)
(式(1’)中、M1は、Al、V、Fe、Co、Ni又はこれらの組み合わせである。M2は、Cu、Zn又はこれらの組み合わせである。0<x<1である。0<y≦1である。)
Li 3 M 1 3xy M 2 3x (1-y) Bi 3 (1-x) O 6 (1 ′)
(In Formula (1 ′), M 1 is Al, V, Fe, Co, Ni, or a combination thereof. M 2 is Cu, Zn, or a combination thereof. 0 <x <1. 0 <y ≦ 1.)
上記式(1’)において、例えばM1=Ni、M2=Cu、x=2/3、y=0.5のとき、上記複合酸化物はLi3NiCuBiO6で表される。 In the formula (1 ′), for example, when M 1 = Ni, M 2 = Cu, x = 2/3, and y = 0.5, the composite oxide is represented by Li 3 NiCuBiO 6 .
上記式(1’)中のxのより好ましい範囲は、式(1)中のxと同様である。上記式(1’)中のyは、金属元素(M)中のAl、V、Fe、Co及びNiの含有割合を示す。yは、例えば0.1以上であればよいが、0.5以上が好ましく、0.7以上がより好ましく、0.9以上がさらに好ましく、1がよりさらに好ましい場合もある。また、yは、0.5又は1とすることができる。M1は、Ni又はCoを含むことが好ましく、Niを含むことがより好ましく、Niであることがさらに好ましい。 A more preferable range of x in the formula (1 ′) is the same as x in the formula (1). Y in the above formula (1 ′) represents the content ratio of Al, V, Fe, Co, and Ni in the metal element (M). For example, y may be 0.1 or more, but is preferably 0.5 or more, more preferably 0.7 or more, still more preferably 0.9 or more, and even more preferably 1. Moreover, y can be set to 0.5 or 1. M 1 preferably contains Ni or Co, more preferably Ni, and even more preferably Ni.
上記複合酸化物は、結晶質であってもよいし、非晶質であってもよいし、これらが混在していてもよい。上記複合酸化物が結晶質である場合、上記複合酸化物の結晶構造は特に限定されないが、X線回折図において、空間群C2/m、Fm−3m、C2/c又はIbamに帰属可能なピークを有するものが好ましく、空間群C2/mに帰属可能なピークを有するものがより好ましい。すなわち、上記複合酸化物は空間群C2/m、Fm−3m、C2/c又はIbamの結晶構造を有するものが好ましく、空間群C2/mの結晶構造を有するものがより好ましい。但し、充放電の繰り返しによって、結晶構造は維持されない場合がある。従って、充放電を行う前の結晶構造が、上記空間群に帰属するものであることが好ましい。複合酸化物のX線回折測定は、X線回折装置(Rigaku社の「MiniFlex II」)を用いた粉末X線回折測定によって、線源はCuKα線、管電圧は30kV、管電流は15mAとして行うことができる。このとき、回折X線は、厚み30μmのKβフィルターを通り、高速一次元検出器(D/teX Ultra 2)にて検出される。また、サンプリング幅は0.01°、スキャンスピードは5°/min、発散スリット幅は0.625°、受光スリット幅は13mm(OPEN)、散乱スリット幅は8mmとする。得られるX線回折データに基づいて、「RIETAN2000」プログラム(F.Izumi and T.Ikeda,Mater.Sci.Forum,198(2000).)を用いたリートベルト解析により、結晶構造を解析することができる。空間群及び格子定数は、総合粉末X線解析ソフトウェア「PDXL」(Rigaku社製)を用いても同じ結果が得られる。 The composite oxide may be crystalline, amorphous, or a mixture thereof. When the composite oxide is crystalline, the crystal structure of the composite oxide is not particularly limited, but in the X-ray diffraction diagram, a peak that can be assigned to the space group C2 / m, Fm-3m, C2 / c, or Ibam. Having a peak that can be assigned to the space group C2 / m is more preferable. That is, the composite oxide preferably has a space group C2 / m, Fm-3m, C2 / c, or Ibam crystal structure, and more preferably has a space group C2 / m crystal structure. However, the crystal structure may not be maintained by repeated charge and discharge. Therefore, it is preferable that the crystal structure before charging / discharging belongs to the space group. X-ray diffraction measurement of the composite oxide is performed by powder X-ray diffraction measurement using an X-ray diffractometer (“MiniFlex II” manufactured by Rigaku), with the source being CuKα ray, the tube voltage being 30 kV and the tube current being 15 mA. be able to. At this time, the diffracted X-rays are detected by a high-speed one-dimensional detector (D / teX Ultra 2) through a Kβ filter having a thickness of 30 μm. The sampling width is 0.01 °, the scanning speed is 5 ° / min, the divergence slit width is 0.625 °, the light receiving slit width is 13 mm (OPEN), and the scattering slit width is 8 mm. Based on the obtained X-ray diffraction data, the crystal structure can be analyzed by Rietveld analysis using the “Rietan 2000” program (F. Izumi and T. Ikeda, Mater. Sci. Forum, 198 (2000)). it can. The same results can be obtained for the space group and the lattice constant even when using the comprehensive powder X-ray analysis software “PDXL” (manufactured by Rigaku).
上記複合酸化物は、金属元素(M)がNiを含む場合、0V(vs.Li/Li+)にまで還元する際のdQ/dVプロットにおいて、0.4〜0.6V(vs.Li/Li+)にピークを有することが好ましい。dQ/dVプロットにおいてこのような位置にピークのある複合酸化物を正極活物質として用いることで、エネルギー密度をより高めることなどができる。このピーク位置の下限は0.44V(vs.Li/Li+)とすることができ、0.48V(vs.Li/Li+)とすることができる。一方、上限は0.56V(vs.Li/Li+)とすることができ、0.52V(vs.Li/Li+)とすることができる。 When the metal element (M) contains Ni, the composite oxide has 0.4 to 0.6 V (vs. Li / V) in a dQ / dV plot when reducing to 0 V (vs. Li / Li + ). Li + ) preferably has a peak. By using a complex oxide having a peak at such a position in the dQ / dV plot as the positive electrode active material, the energy density can be further increased. The lower limit of this peak position can be 0.44 V (vs. Li / Li + ) and 0.48 V (vs. Li / Li + ). On the other hand, the upper limit may be a 0.56V (vs.Li/Li +), it can be 0.52V (vs.Li/Li +).
なお、dQ/dVプロットの測定時の電流値は、複合酸化物の質量に対して50mA/gとする。このピークは、下記式(3)に示すローレンツ関数を用いた最小二乗法によるフィッティングにより特定することができる。また、dQ/dVプロットのバックグラウンドは、一次関数で近似するものとする。
y=A/(1+(x−x0)2/w2) ・・・(3)
式(3)中、Aはピークの高さ、x0はピーク位置、wはピークの半値半幅を表す。
なお、上記式(1)で表される複合酸化物において、x≧0.67の場合、フィッティングに用いる関数を「バックグラウンド+ピーク1(一次関数と上記式(3)で表される関数との和で表される関数」とすることができ、x<0.67の場合、フィッティングに用いる関数を「バックグラウンド+ピーク1+ピーク2+ピーク3(一次関数と、それぞれ上記式(3)で表される3つの関数との和で表される関数」とすることができる。
In addition, the electric current value at the time of the measurement of a dQ / dV plot shall be 50 mA / g with respect to the mass of complex oxide. This peak can be specified by fitting by the least square method using the Lorentz function shown in the following formula (3). The background of the dQ / dV plot is approximated by a linear function.
y = A / (1+ (x−x 0 ) 2 / w 2 ) (3)
In the formula (3), A represents the peak height, x 0 represents the peak position, and w represents the half width at half maximum of the peak.
In the composite oxide represented by the above formula (1), when x ≧ 0.67, the function used for fitting is “background + peak 1 (a linear function and a function represented by the above formula (3)”. In the case of x <0.67, the function used for fitting is “background +
上記複合酸化物の製造方法は特に限定されない。上記複合酸化物は、例えばLi化合物(炭酸塩等)、Bi化合物(酸化物等)、及び金属元素(M)の化合物(酸化物等)を混合及び焼成する固相法等により得ることができる。なお、固相法で合成した後にメカノケミカル処理を施してもよい。Li化合物としては、Li2CO3等を挙げることができる。Bi化合物としては、Bi2O3等を挙げることができる。金属元素(M)を含む化合物としては、NiO、CoO、CuO、ZnO等を挙げることができる。 The method for producing the composite oxide is not particularly limited. The composite oxide can be obtained, for example, by a solid phase method in which a Li compound (carbonate or the like), a Bi compound (oxide or the like), and a metal element (M) compound (oxide or the like) are mixed and fired. . Note that mechanochemical treatment may be performed after synthesis by a solid phase method. Examples of the Li compound include Li 2 CO 3 . Examples of Bi compounds include Bi 2 O 3 and the like. NiO, CoO, CuO, ZnO etc. can be mentioned as a compound containing a metal element (M).
また、LiBiO2とLiMO2(M=Al、V、Co等)とをメカノケミカル処理することによって、上記複合酸化物を合成することもできる。なお、LiBiO2は、例えばLi2CO3等のLi化合物とBi2O3等のBi化合物とを原料とした固相法などにより合成することができる。また、LiMO2(M=Al、V、Co等)も、Li2CO3等のLi化合物と金属元素Mの化合物(V2O3等)とを原料とした固相法などにより合成することができる。 Further, the composite oxide can be synthesized by mechanochemical treatment of LiBiO 2 and LiMO 2 (M = Al, V, Co, etc.). LiBiO 2 can be synthesized, for example, by a solid phase method using a Li compound such as Li 2 CO 3 and a Bi compound such as Bi 2 O 3 as raw materials. LiMO 2 (M = Al, V, Co, etc.) is also synthesized by a solid phase method using a Li compound such as Li 2 CO 3 and a compound of a metal element M (V 2 O 3 etc.) as raw materials. Can do.
上記各原料となる化合物の配合比は、目的とする複合酸化物の組成比に応じて適宜調整することができる。 The compounding ratio of the compounds as the raw materials can be appropriately adjusted according to the composition ratio of the target composite oxide.
上記複合酸化物を含む正極活物質は、還元剤を用いてリチウムを予めドープしておくことができる。このような還元剤としては、金属リチウムの他に、例えば、文献(D.W.Murphy,and P.A.Christian,“Solid State Electrodes for High Energy Batteries”,Science,205,651−656(1979))に記載された、プロピルリチウム、ブチルリチウム等のアルキルリチウムなどを挙げることができる。 The positive electrode active material containing the composite oxide can be previously doped with lithium using a reducing agent. As such a reducing agent, in addition to lithium metal, for example, literature (DW Murphy, and PA Christian, “Solid State Electrodes for High Energy Batteries”, Science, 205, 651-656 (1979). )), Alkyl lithium such as propyl lithium and butyl lithium, and the like.
上記正極合材(正極合材層)に占める上記複合酸化物の含有量の下限としては、例えば50質量%が好ましく、60質量%がより好ましい。一方、この含有量の上限としては、例えば95質量%であり、90質量%であってもよく、80質量%であってもよい。上記複合酸化物の含有量を上記範囲とすることで、エネルギー密度をより高めることなどができる。 The lower limit of the content of the composite oxide in the positive electrode mixture (positive electrode mixture layer) is preferably, for example, 50% by mass, and more preferably 60% by mass. On the other hand, the upper limit of the content is, for example, 95% by mass, 90% by mass, or 80% by mass. By setting the content of the composite oxide in the above range, the energy density can be further increased.
その他の正極活物質は、例えばLixMOy(Mは少なくとも一種の遷移金属を表す)で表される複合酸化物(層状のα―NaFeO2型結晶構造を有するLixCoO2,LixNiO2,LixMnO3,LixNiαCo(1−α)O2,LixNiαMnβCo(1−α−β)O2等、スピネル型結晶構造を有するLixMn2O4,LixNiαMn(2−α)O4等)、LiwMex(XOy)z(Meは少なくとも一種の遷移金属を表し、Xは例えばP、Si、B、V等を表す)で表されるポリアニオン化合物(LiFePO4,LiMnPO4,LiNiPO4,LiCoPO4,Li3V2(PO4)3,Li2MnSiO4,Li2CoPO4F等)が挙げられる。これらの化合物中の元素又はポリアニオンは、他の元素又はアニオン種で一部が置換されていてもよい。
Other positive electrode active materials are, for example, complex oxides represented by Li x MO y (M represents at least one transition metal) (Li x CoO 2 , Li x NiO having a layered α-NaFeO 2 type crystal structure). 2, Li x MnO 3, Li x Ni α Co (1-α)
上記導電剤としては、蓄電素子性能に悪影響を与えない導電性材料であれば特に限定されない。このような導電剤としては、天然又は人造の黒鉛、ファーネスブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラック、金属、導電性セラミックス等が挙げられ、アセチレンブラックが好ましい。導電剤の形状としては、粉状、繊維状等が挙げられる。 The conductive agent is not particularly limited as long as it is a conductive material that does not adversely affect the performance of the storage element. Examples of such a conductive agent include natural or artificial graphite, furnace black, acetylene black, carbon black such as ketjen black, metal, conductive ceramics, and the like, and acetylene black is preferable. Examples of the shape of the conductive agent include powder and fiber.
上記バインダー(結着剤)としては、フッ素樹脂(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)等)、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド等の熱可塑性樹脂;エチレン−プロピレン−ジエンゴム(EPDM)、スルホン化EPDM、スチレンブタジエンゴム(SBR)、フッ素ゴム等のエラストマー;多糖類高分子等が挙げられる。 Examples of the binder (binder) include fluororesins (polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), etc.), thermoplastic resins such as polyethylene, polypropylene, polyimide; ethylene-propylene-diene rubber (EPDM), Examples thereof include elastomers such as sulfonated EPDM, styrene butadiene rubber (SBR) and fluororubber; polysaccharide polymers and the like.
上記増粘剤としては、カルボキシメチルセルロース(CMC)、メチルセルロース等の多糖類高分子が挙げられる。また、増粘剤がリチウムと反応する官能基を有する場合、予めメチル化等によりこの官能基を失活させておくことが好ましい。 Examples of the thickener include polysaccharide polymers such as carboxymethylcellulose (CMC) and methylcellulose. When the thickener has a functional group that reacts with lithium, it is preferable to deactivate this functional group in advance by methylation or the like.
上記フィラーとしては、蓄電素子性能に悪影響を与えないものであれば特に限定されない。フィラーの主成分としては、ポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィン、シリカ、アルミナ、ゼオライト、ガラス等が挙げられる。 The filler is not particularly limited as long as it does not adversely affect the performance of the storage element. Examples of the main component of the filler include polyolefins such as polypropylene and polyethylene, silica, alumina, zeolite, and glass.
(負極)
上記負極は、負極基材、及びこの負極基材に直接又は中間層を介して配される負極合材層を有する。上記中間層は正極の中間層と同様の構成とすることができる。
(Negative electrode)
The negative electrode includes a negative electrode base material and a negative electrode mixture layer disposed on the negative electrode base material directly or via an intermediate layer. The intermediate layer can have the same configuration as the positive electrode intermediate layer.
上記負極基材は、正極基材と同様の構成とすることができるが、材質としては、銅、ニッケル、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼等の金属又はそれらの合金が用いられ、銅又は銅合金が好ましい。つまり、負極基材としては銅箔が好ましい。銅箔としては、圧延銅箔、電解銅箔等が例示される。 The negative electrode base material can have the same configuration as the positive electrode base material, but as a material, a metal such as copper, nickel, stainless steel, nickel-plated steel, or an alloy thereof is used. preferable. That is, copper foil is preferable as the negative electrode substrate. Examples of the copper foil include rolled copper foil and electrolytic copper foil.
上記負極合材層は、負極活物質を含むいわゆる負極合材から形成される。また、負極合材層を形成する負極合材は、必要に応じて導電剤、バインダ、増粘剤、フィラー等の任意成分を含む。導電剤、結着剤、増粘剤、フィラー等の任意成分は、正極合材層と同様のものを用いることができる。 The negative electrode mixture layer is formed from a so-called negative electrode mixture containing a negative electrode active material. Moreover, the negative electrode composite material which forms a negative electrode composite material layer contains arbitrary components, such as a electrically conductive agent, a binder, a thickener, and a filler, as needed. Arbitrary components such as a conductive agent, a binder, a thickener, and a filler can be the same as those for the positive electrode mixture layer.
上記負極活物質としては、通常、リチウムイオンを吸蔵及び放出することができる材質が用いられる。具体的な負極活物質としては、例えばSi、Sn等の金属又は半金属;Si酸化物、Sn酸化物等の金属酸化物又は半金属酸化物;ポリリン酸化合物;黒鉛(グラファイト)、非晶質炭素(易黒鉛化性炭素又は難黒鉛化性炭素)等の炭素材料等が挙げられる。これらの中でも炭素材料が好ましく、黒鉛がより好ましい。 As the negative electrode active material, a material that can occlude and release lithium ions is usually used. Specific negative electrode active materials include, for example, metals or semimetals such as Si and Sn; metal oxides or semimetal oxides such as Si oxide and Sn oxide; polyphosphate compounds; graphite (graphite) and amorphous Examples thereof include carbon materials such as carbon (easily graphitizable carbon or non-graphitizable carbon). Among these, a carbon material is preferable, and graphite is more preferable.
さらに、負極合材(負極合材層)は、B、N、P、F、Cl、Br、I等の典型非金属元素、Li、Na、Mg、Al、K、Ca、Zn、Ga、Ge等の典型金属元素、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Zr、Ta、Hf、Nb、W等の遷移金属元素を含有してもよい。 Further, the negative electrode mixture (negative electrode mixture layer) includes typical nonmetallic elements such as B, N, P, F, Cl, Br, and I, Li, Na, Mg, Al, K, Ca, Zn, Ga, and Ge. Typical metal elements such as Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Zr, Ta, Hf, Nb, and W may be contained.
(セパレータ)
上記セパレータの材質としては、例えば織布、不織布、多孔質樹脂フィルム等が用いられる。これらの中でも、強度の観点から多孔質樹脂フィルムが好ましく、非水電解質の保液性の観点から不織布が好ましい。上記セパレータの主成分としては、強度の観点から例えばポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンが好ましく、耐酸化分解性の観点から例えばポリイミドやアラミド等が好ましい。また、これらの樹脂を複合してもよい。
(Separator)
As the material of the separator, for example, a woven fabric, a nonwoven fabric, a porous resin film, or the like is used. Among these, a porous resin film is preferable from the viewpoint of strength, and a nonwoven fabric is preferable from the viewpoint of liquid retention of the nonaqueous electrolyte. The main component of the separator is preferably a polyolefin such as polyethylene or polypropylene from the viewpoint of strength, and is preferably polyimide or aramid from the viewpoint of resistance to oxidative degradation. These resins may be combined.
なお、セパレータと電極(通常、正極)との間に、無機層が配設されていても良い。この無機層は、耐熱層等とも呼ばれる多孔質の層である。また、多孔質樹脂フィルムの一方の面に無機層が形成されたセパレータを用いることもできる。上記無機層は、通常、無機粒子及びバインダとで構成され、その他の成分が含有されていてもよい。 An inorganic layer may be provided between the separator and the electrode (usually a positive electrode). This inorganic layer is a porous layer also called a heat-resistant layer. Moreover, the separator by which the inorganic layer was formed in one surface of the porous resin film can also be used. The inorganic layer is usually composed of inorganic particles and a binder, and may contain other components.
(非水電解質)
上記非水電解質としては、非水電解質蓄電素子(二次電池)に通常用いられる公知の電解質が使用できる。上記非水電解質は、非水溶媒と、この非水溶媒に溶解されている電解質塩を含む。
(Nonaqueous electrolyte)
As said nonaqueous electrolyte, the well-known electrolyte normally used for a nonaqueous electrolyte electrical storage element (secondary battery) can be used. The non-aqueous electrolyte includes a non-aqueous solvent and an electrolyte salt dissolved in the non-aqueous solvent.
上記非水溶媒としては、例えばエチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)等の環状カーボネート、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)等の鎖状カーボネートなどを挙げることができる。 Examples of the non-aqueous solvent include cyclic carbonates such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), and butylene carbonate (BC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), and the like. A chain carbonate etc. can be mentioned.
電解質塩としては、リチウム塩、ナトリウム塩、カリウム塩、マグネシウム塩、オニウム塩等を挙げることができるが、リチウム塩が好ましい。上記リチウム塩としては、LiPF6、LiPO2F2、LiBF4、LiClO4、LiN(SO2F)2等の無機リチウム塩、LiSO3CF3、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2、LiN(SO2CF3)(SO2C4F9)、LiC(SO2CF3)3、LiC(SO2C2F5)3等のフッ化炭化水素基を有するリチウム塩などを挙げることができる。 Examples of the electrolyte salt include lithium salt, sodium salt, potassium salt, magnesium salt, onium salt, and the like, but lithium salt is preferable. Examples of the lithium salt include inorganic lithium salts such as LiPF 6 , LiPO 2 F 2 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiN (SO 2 F) 2 , LiSO 3 CF 3 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiN (SO Fluorohydrocarbon groups such as 2 C 2 F 5 ) 2 , LiN (SO 2 CF 3 ) (SO 2 C 4 F 9 ), LiC (SO 2 CF 3 ) 3 , LiC (SO 2 C 2 F 5 ) 3 A lithium salt having
非水電解質として、常温溶融塩、イオン液体、ポリマー固体電解質などを用いることもできる。 As the non-aqueous electrolyte, a room temperature molten salt, an ionic liquid, a polymer solid electrolyte, or the like can be used.
(放電終止電位及び充電終止電位等)
当該非水電解質蓄電素子における通常使用時の上記正極の放電終止電位の上限は、1.4V(vs.Li/Li+)であり、1.3V(vs.Li/Li+)が好ましく、1.2V(vs.Li/Li+)がより好ましい。放電終止電位を上記上限以下とすることで、上述のようにコンバージョン反応を十分に活用することができ、当該非水電解質蓄電素子は高いエネルギー密度を発揮することができる。
(Discharge end potential, charge end potential, etc.)
The upper limit of the discharge cutoff potential of the positive electrode at the time of normal use in the non-aqueous electrolyte energy storage device is a 1.4V (vs.Li/Li +), preferably 1.3V (vs.Li/Li +), 1 .2V (vs. Li / Li + ) is more preferable. By setting the discharge end potential to be equal to or lower than the above upper limit, the conversion reaction can be sufficiently utilized as described above, and the nonaqueous electrolyte storage element can exhibit a high energy density.
一方、この放電終止電位の下限は、0.8V(vs.Li/Li+)であり、0.9V(vs.Li/Li+)が好ましく、1.0V(vs.Li/Li+)がより好ましい。放電終止電位を上記下限以上とすることで、正極活物質のコンバージョン反応を利用し、エネルギー密度や容量維持率を高めることなどができる。また、放電終止電位を上記下限以上とすることで、十分な電位を保ち、正極として有効に利用することができる。 On the other hand, the lower limit of the discharge end potential is 0.8 V (vs. Li / Li + ), preferably 0.9 V (vs. Li / Li + ), and 1.0 V (vs. Li / Li + ). More preferred. By setting the discharge end potential to the above lower limit or more, the conversion reaction of the positive electrode active material can be used to increase the energy density and the capacity retention rate. In addition, by setting the discharge end potential to the above lower limit or more, a sufficient potential can be maintained and it can be effectively used as a positive electrode.
当該非水電解質蓄電素子における通常使用時の上記正極の充電終止電位の上限は、例えば5V(vs.Li/Li+)であってよく、4V(vs.Li/Li+)であってもよいが、3.5V(vs.Li/Li+)が好ましく、3.2V(vs.Li/Li+)がより好ましく、3.0V(vs.Li/Li+)がさらに好ましい。充電終止電位を上記上限以下とすることで、容量維持率を高めることができる。ここで、図8に示されるように、当該非水電解質蓄電素子の充放電曲線は、3.7V(vs.Li/Li+)付近に電位平坦部を有する。この結果から、3.7V(vs.Li/Li+)以上の領域ではインターカレーション反応が生じ、3.7V(vs.Li/Li+)以下の領域ではコンバージョン反応が生じているものと推測される。一般に、リチウムとの反応によって、格子体積の膨張及び収縮のみが生じ、結晶構造(原子配列)が大きく変化しないインターカレーション反応に比べて、結合の組み換えが起こるとされるコンバージョン反応は、容量維持率の低下が起こりやすいとされている。しかしながら、当該非水電解質蓄電素子においては、インターカレーション反応を利用せず、主にコンバージョン反応を利用することにより、驚くべきことに充放電サイクルの容量維持率を高めることができる。 The upper limit of the charge termination potential of the positive electrode during normal use in the non-aqueous electrolyte storage element may be, for example, 5 V (vs. Li / Li + ) or 4 V (vs. Li / Li + ). but preferably 3.5V (vs.Li/Li +), more preferably 3.2V (vs.Li/Li +), 3.0V ( vs.Li/Li +) is more preferred. The capacity maintenance rate can be increased by setting the charge end potential to the upper limit or less. Here, as shown in FIG. 8, the charge / discharge curve of the nonaqueous electrolyte storage element has a potential flat portion in the vicinity of 3.7 V (vs. Li / Li + ). From this result, it is estimated that an intercalation reaction occurs in a region of 3.7 V (vs. Li / Li + ) or higher, and a conversion reaction occurs in a region of 3.7 V (vs. Li / Li + ) or lower. Is done. In general, the reaction with lithium causes only expansion and contraction of the lattice volume, and the conversion reaction, in which the recombination of the bond occurs, is maintained compared to the intercalation reaction in which the crystal structure (atomic arrangement) does not change significantly. The rate is likely to drop. However, in the non-aqueous electrolyte storage element, it is surprisingly possible to increase the capacity maintenance rate of the charge / discharge cycle by using mainly the conversion reaction without using the intercalation reaction.
一方、この充電終止電位の下限は、2.5V(vs.Li/Li+)が好ましく、2.8V(vs.Li/Li+)がより好ましく、3.0V(vs.Li/Li+)がさらに好ましい。充電終止電位を上記下限以上とすることで、当該非水電解質蓄電素子はより高いエネルギー密度を発揮することができる。 On the other hand, the lower limit of the charge end potential is preferably 2.5 V (vs. Li / Li + ), more preferably 2.8 V (vs. Li / Li + ), and 3.0 V (vs. Li / Li + ). Is more preferable. By setting the charging end potential to be equal to or higher than the lower limit, the nonaqueous electrolyte storage element can exhibit a higher energy density.
また、充電終止電位と放電終止電位との電位差の下限としては、1Vが好ましく、1.5Vがより好ましく、2Vがさらに好ましく、2.5Vであってもよい。上記電位差を上記下限以上とすることで、エネルギー密度を高めることができる。 Further, the lower limit of the potential difference between the charge end potential and the discharge end potential is preferably 1V, more preferably 1.5V, still more preferably 2V, and may be 2.5V. By setting the potential difference to be equal to or higher than the lower limit, the energy density can be increased.
一方、この電位差の上限としては、4Vが好ましく、3Vがより好ましく、2.5Vがさらに好ましく、2.0Vがよりさらに好ましい場合がある。上記電位差を上記上限以下とすることで、容量維持率を高めることができる。 On the other hand, the upper limit of this potential difference is preferably 4V, more preferably 3V, even more preferably 2.5V, and even more preferably 2.0V. The capacity maintenance rate can be increased by setting the potential difference to be equal to or less than the upper limit.
当該非水電解質蓄電素子における通常使用時の充電及び放電の際の電流値としては特に限定されないが、下限としては、正極が含有する上記複合酸化物の質量に対して例えば1mA/gであってよく、5mA/gであってもよく、10mA/gであってもよく、30mA/gであってもよい。一方、この上限としては、例えば10A/gであってよく、5A/gであってもよく、1A/gであってもよい。 The current value during charging and discharging during normal use in the nonaqueous electrolyte storage element is not particularly limited, but the lower limit is, for example, 1 mA / g with respect to the mass of the composite oxide contained in the positive electrode. It may be 5 mA / g, 10 mA / g, or 30 mA / g. On the other hand, the upper limit may be, for example, 10 A / g, 5 A / g, or 1 A / g.
当該非水電解質蓄電素子は、上記複合酸化物を含有する正極を用いることによって製造することができる。当該製造方法は、例えば、正極を作製する工程、負極を作製する工程、非水電解質を調製する工程、正極及び負極を、セパレータを介して積層又は巻回することにより交互に重畳された電極体を形成する工程、正極及び負極(電極体)をケースに収容する工程、並びに上記ケースに上記非水電解質を注入する工程を備える。注入後、注入口を封止することにより非水電解質蓄電素子を得ることができる。当該製造方法によって得られる非水電解質蓄電素子(二次電池)を構成する各要素についての詳細は上述したとおりである。 The non-aqueous electrolyte storage element can be manufactured by using a positive electrode containing the composite oxide. The manufacturing method includes, for example, a step of producing a positive electrode, a step of producing a negative electrode, a step of preparing a nonaqueous electrolyte, and an electrode body in which the positive electrode and the negative electrode are alternately superposed by being stacked or wound via a separator. Forming a positive electrode and a negative electrode (electrode body) in a case, and injecting the nonaqueous electrolyte into the case. After the injection, the nonaqueous electrolyte storage element can be obtained by sealing the injection port. The details of each element constituting the nonaqueous electrolyte storage element (secondary battery) obtained by the manufacturing method are as described above.
<電気機器>
本発明の一実施形態に係る電気機器は、上述した非水電解質蓄電素子を備える。当該電気機器としては、パーソナルコンピュータ、通信端末等の電子機器、家電製品、電気自動車、その他産業用電気機器等、特に限定されるものではない。
<Electrical equipment>
An electric apparatus according to an embodiment of the present invention includes the nonaqueous electrolyte storage element described above. The electric device is not particularly limited, such as an electronic device such as a personal computer or a communication terminal, a home appliance, an electric vehicle, and other industrial electric devices.
当該電気機器は、使用時において、当該非水電解質蓄電素子の正極の放電終止電位が0.8V(vs.Li/Li+)以上1.4V(vs.Li/Li+)以下の範囲となるように設定されることが好ましい。すなわち、正極の電位が1.4V(vs.Li/Li+)に達するまでは、電気残量があるとして使用できるように設定されていることが好ましい。また、正極の電位が0.8V(vs.Li/Li+)にまで達した場合、実質的にこれ以上使用されないように設定されていることが好ましい。このように設定されていることにより、当該電気機器に備わる非水電解質蓄電素子が高いエネルギー密度を発揮することができる。上記放電終止電位の好適範囲は、非水電解質蓄電素子の通常使用時の正極の放電終止電位の好適範囲として上述したものと同様である。 The electrical equipment, in use, the discharge cutoff potential of the positive electrode of the nonaqueous electrolyte battery element becomes 0.8V (vs.Li/Li +) or 1.4V (vs.Li/Li +) the range It is preferable to set as follows. That is, it is preferable to set the positive electrode so that it can be used as there is a remaining amount of electricity until the potential of the positive electrode reaches 1.4 V (vs. Li / Li + ). Moreover, when the electric potential of a positive electrode reaches to 0.8V (vs.Li/Li <+> ), it is preferable to set so that it may not be used any more substantially. By setting in this way, the nonaqueous electrolyte electricity storage element provided in the electric device can exhibit a high energy density. The preferred range of the discharge end potential is the same as that described above as the preferred range of the discharge end potential of the positive electrode during normal use of the nonaqueous electrolyte storage element.
当該電気機器が充電器(充電機能)を備える場合、当該非水電解質蓄電素子の正極の充電終止電位が、2.5V(vs.Li/Li+)以上3.5V(vs.Li/Li+)以下の範囲となるように設定されていることが好ましい。このように設定されていることにより、当該電気機器に備わる非水電解質蓄電素子が良好な容量維持率を発揮することができる。上記充電終止電位のさらなる好適範囲は、非水電解質蓄電素子の通常使用時の正極の充電終止電位の好適範囲として上述したものと同様である。 When the electric device includes a charger (charging function), the charge end potential of the positive electrode of the nonaqueous electrolyte storage element is 2.5 V (vs. Li / Li + ) or more and 3.5 V (vs. Li / Li + ). ) It is preferably set to be in the following range. By setting in this way, the non-aqueous electrolyte electricity storage element provided in the electric device can exhibit a good capacity maintenance rate. The further preferable range of the charge end potential is the same as that described above as the preferable range of the charge end potential of the positive electrode during normal use of the nonaqueous electrolyte storage element.
<非水電解質蓄電素子の使用方法>
本発明の一実施形態に係る非水電解質蓄電素子の使用方法は、Li、Bi及び金属元素(M)を含む複合酸化物を含有する正極を有し、上記金属元素(M)が、Al、V、Fe、Co及びNiのうちの少なくとも1種を含む非水電解質蓄電素子に対し、上記正極の終止電位が0.8V(vs.Li/Li+)以上1.4V(vs.Li/Li+)以下の範囲で放電を行うことを有する非水電解質蓄電素子の使用方法である。
<Usage method of nonaqueous electrolyte storage element>
A method for using a nonaqueous electrolyte storage element according to an embodiment of the present invention includes a positive electrode containing a composite oxide containing Li, Bi, and a metal element (M), wherein the metal element (M) is Al, For a non-aqueous electrolyte storage element containing at least one of V, Fe, Co, and Ni, the terminal potential of the positive electrode is 0.8 V (vs. Li / Li + ) or more and 1.4 V (vs. Li / Li). + ) A method of using a non-aqueous electrolyte electricity storage device having discharge in the following range.
当該使用方法においては、上述した本発明の一実施形態に係る非水電解質蓄電素子を好適に用いることができる。また、当該使用方法における上記終止電位の好適範囲は、当該非水電解質蓄電素子の通常使用時の正極の放電終止電位として上述したものと同様である。また、当該使用方法においては、上述した本発明の一実施形態に係る電気機器を好適に使用することができる。当該使用方法によれば、高いエネルギー密度で非水電解質蓄電素子を使用することができる。 In the usage method, the above-described non-aqueous electrolyte electricity storage device according to one embodiment of the present invention can be suitably used. Moreover, the suitable range of the said termination potential in the said usage method is the same as what was mentioned above as the discharge termination potential of the positive electrode at the time of the normal use of the said nonaqueous electrolyte electrical storage element. Moreover, in the said usage method, the electric equipment which concerns on one Embodiment of this invention mentioned above can be used conveniently. According to the method of use, the nonaqueous electrolyte storage element can be used with a high energy density.
また、当該使用方法は、当該非水電解質蓄電素子に対し、上記正極の終止電位が2.5V(vs.Li/Li+)以上3.5V(vs.Li/Li+)以下の範囲で充電を行うことをさらに有することが好ましい。このようにすることで、当該非水電解質蓄電素子の容量維持率を高めることができる。この充電の際の上記終止電位の好適範囲は、当該非水電解質蓄電素子の通常使用時の正極の充電終止電位として上述したものと同様である。 Further, the usage method is such that the non-aqueous electrolyte storage element is charged in a range where the terminal potential of the positive electrode is 2.5 V (vs. Li / Li + ) or more and 3.5 V (vs. Li / Li + ) or less. It is preferable to further perform. By doing in this way, the capacity | capacitance maintenance factor of the said nonaqueous electrolyte electrical storage element can be raised. The preferred range of the end potential at the time of charging is the same as that described above as the charge end potential of the positive electrode during normal use of the nonaqueous electrolyte storage element.
<その他の実施形態>
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、上記態様の他、種々の変更、改良を施した態様で実施することができる。例えば、上記正極において、中間層を設けなくてもよく、正極合材は明確な層を形成していなくてもよい。例えば上記正極は、メッシュ状の正極基材に正極合材が担持された構造などであってもよい。また、上記実施の形態においては、非水電解質蓄電素子が二次電池である形態を中心に説明したが、その他の非水電解質蓄電素子であってもよい。その他の非水電解質蓄電素子としては、キャパシタ(電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ)等が挙げられる。
<Other embodiments>
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented in a mode in which various changes and improvements are made in addition to the above-described mode. For example, in the positive electrode, the intermediate layer may not be provided, and the positive electrode mixture may not form a clear layer. For example, the positive electrode may have a structure in which a positive electrode mixture is supported on a mesh-like positive electrode base material. Further, in the above embodiment, the description has been made centering on the form in which the nonaqueous electrolyte storage element is a secondary battery, but other nonaqueous electrolyte storage elements may be used. Examples of other nonaqueous electrolyte storage elements include capacitors (electric double layer capacitors, lithium ion capacitors) and the like.
図1に、当該非水電解質蓄電素子の一実施形態である矩形状の非水電解質蓄電素子(二次電池)1の概略図を示す。なお、同図は、容器内部を透視した図としている。図1に示す非水電解質蓄電素子1は、電極体2が容器(ケース)3に収納されている。電極体2は、正極活物質を備える正極と、負極活物質を備える負極とが、セパレータを介して捲回されることにより形成されている。正極は、正極リード4’を介して正極端子4と電気的に接続され、負極は、負極リード5’を介して負極端子5と電気的に接続されている。
FIG. 1 shows a schematic diagram of a rectangular nonaqueous electrolyte storage element (secondary battery) 1 which is an embodiment of the nonaqueous electrolyte storage element. In the figure, the inside of the container is seen through. In the nonaqueous
当該非水電解質蓄電素子(二次電池)の構成については特に限定されるものではなく、円筒型電池、角型電池(矩形状の電池)、扁平型電池等が一例として挙げられる。本発明は、上記の非水電解質蓄電素子を複数備える蓄電装置としても実現することができる。蓄電装置の一実施形態を図2に示す。図2において、蓄電装置30は、複数の蓄電ユニット20を備えている。それぞれの蓄電ユニット20は、複数の非水電解質蓄電素子1を備えている。上記蓄電装置30は、電気自動車(EV)、ハイブリッド自動車(HEV)、プラグインハイブリッド自動車(PHEV)等の自動車用電源として搭載することができる。
The configuration of the nonaqueous electrolyte storage element (secondary battery) is not particularly limited, and examples thereof include a cylindrical battery, a square battery (rectangular battery), a flat battery, and the like. The present invention can also be realized as a power storage device including a plurality of the above nonaqueous electrolyte power storage elements. One embodiment of a power storage device is shown in FIG. In FIG. 2, the
以下、実施例によって本発明をさらに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い。 EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples.
[合成例1]
以下の固相法(SSR)により、複合酸化物を得た。炭酸リチウム(Li2CO3)、酸化ニッケル(NiO)及び酸化ビスマス(Bi2O3)をLi:Ni:Bi=10:3:7のモル比で混合した。具体的には、これらを助剤としてのエタノールと共にジルコニア製ボールが入ったジルコニア製ポットに投入し、蓋をした。これを遊星型ボールミル(FRITSCH社の「pulverisette 5」)にセットし、公転回転数300rpmで1時間湿式混合した。この混合物を乾燥機で75℃雰囲気下3時間以上乾燥し、前駆体を調製した。次いで、この前駆体をアルミナ製るつぼに載置し、このるつぼを卓上真空・ガス置換炉(デンケン・ハイデンタル社の「KDF75」)に設置した。次いで、空気流中、常圧下、10時間で常温から700℃まで昇温し、この温度で4時間保持した後、室温まで自然放冷した。このようにして、複合酸化物(Li3Ni0.9Bi2.1O6:M=Ni、x=0.30)を得た。
[Synthesis Example 1]
A composite oxide was obtained by the following solid phase method (SSR). Lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), nickel oxide (NiO), and bismuth oxide (Bi 2 O 3 ) were mixed at a molar ratio of Li: Ni: Bi = 10: 3: 7. Specifically, these were put into a zirconia pot containing zirconia balls together with ethanol as an auxiliary agent, and the lid was capped. This was set in a planetary ball mill ("
[合成例2〜7、比較合成例1]
Li2CO3、NiO及びBi2O3の混合比をLi:Ni:Bi(モル比)で、それぞれ以下の通りとしたこと以外は合成例1と同様の操作をして、複合酸化物である合成例2〜7及び比較合成例1の負極活物質を得た。
合成例2 Li:Ni:Bi=5:2:3
(Li3Ni1.2Bi1.8O6:M=Ni、x=0.40)
合成例3 Li:Ni:Bi=2:1:1
(Li3Ni1.5Bi1.5O6:M=Ni、x=0.50)
合成例4 Li:Ni:Bi=3:2:1
(Li3Ni2BiO6 :M=Ni、x=0.67)
合成例5 Li:Ni:Bi=4:3:1
(Li3Ni2.25Bi0.75O6:M=Ni、x=0.75)
合成例6 Li:Ni:Bi=6:5:1
(Li3Ni2.5Bi0.5O6:M=Ni、x=0.83)
合成例7 Li:Ni:Bi=10:9:1
(Li3Ni2.7Bi0.3O6:M=Ni、x=0.90)
比較合成例1 Li:Ni:Bi=1:1:0
(Li3Ni3O6 :M=Ni、x=1.00)
[Synthesis Examples 2 to 7, Comparative Synthesis Example 1]
Li 2 CO 3 , NiO and Bi 2 O 3 were mixed in Li: Ni: Bi (molar ratio), and the same operation as in Synthesis Example 1 was performed except that the mixing ratio was as follows. Negative electrode active materials of certain synthesis examples 2 to 7 and comparative synthesis example 1 were obtained.
Synthesis Example 2 Li: Ni: Bi = 5: 2: 3
(Li 3 Ni 1.2 Bi 1.8 O 6 : M = Ni, x = 0.40)
Synthesis Example 3 Li: Ni: Bi = 2: 1: 1
(Li 3 Ni 1.5 Bi 1.5 O 6 : M = Ni, x = 0.50)
Synthesis Example 4 Li: Ni: Bi = 3: 2: 1
(Li 3 Ni 2 BiO 6 : M = Ni, x = 0.67)
Synthesis Example 5 Li: Ni: Bi = 4: 3: 1
(Li 3 Ni 2.25 Bi 0.75 O 6 : M = Ni, x = 0.75)
Synthesis Example 6 Li: Ni: Bi = 6: 5: 1
(Li 3 Ni 2.5 Bi 0.5 O 6 : M = Ni, x = 0.83)
Synthesis Example 7 Li: Ni: Bi = 10: 9: 1
(Li 3 Ni 2.7 Bi 0.3 O 6 : M = Ni, x = 0.90)
Comparative Synthesis Example 1 Li: Ni: Bi = 1: 1: 0
(Li 3 Ni 3 O 6 : M = Ni, x = 1.00)
[合成例8]
上記合成例2の固相法で得られた複合酸化物(Li3Ni1.2Bi1.8O6)に対して、以下のメカノケミカル(MC)処理を実施した。上記複合酸化物をタングステンカーバイド製ボールが入ったタングステンカーバイド製ポットに投入し、アルゴン雰囲気を維持したグローブボックス中で蓋をした。これを遊星型ボールミルにセットし、公転回転数400rpmで4時間混合した。これによって、MC処理を施した複合酸化物(Li3Ni1.2Bi1.8O6:M=Ni、x=0.40)を得た。
[Synthesis Example 8]
The following mechanochemical (MC) treatment was performed on the composite oxide (Li 3 Ni 1.2 Bi 1.8 O 6 ) obtained by the solid phase method of Synthesis Example 2 above. The composite oxide was put into a tungsten carbide pot containing tungsten carbide balls and covered in a glove box maintained in an argon atmosphere. This was set in a planetary ball mill and mixed at a revolution speed of 400 rpm for 4 hours. Thus, a composite oxide (Li 3 Ni 1.2 Bi 1.8 O 6 : M = Ni, x = 0.40) subjected to MC treatment was obtained.
[合成例9、10]
上記合成例4の固相法で得られた複合酸化物(Li3Ni2BiO6)又は合成例7の固相法で得られた複合酸化物(Li3Ni2.7Bi0.3O6)を用いたこと以外は合成例8と同様にして、MC処理を施した複合酸化物(Li3Ni2BiO6:M=Ni、x=0.67:合成例9)及び複合酸化物(Li3Ni2.7Bi0.3O6:M=Ni、x=0.90:合成例10)をそれぞれ得た。
[Synthesis Examples 9 and 10]
The composite oxide (Li 3 Ni 2 BiO 6 ) obtained by the solid phase method of Synthesis Example 4 or the composite oxide (Li 3 Ni 2.7 Bi 0.3 O) obtained by the solid phase method of Synthesis Example 7 6 ) The composite oxide (Li 3 Ni 2 BiO 6 : M = Ni, x = 0.67: Synthesis example 9) and composite oxide subjected to MC treatment was used in the same manner as in Synthesis Example 8 except that 6 ) was used. (Li 3 Ni 2.7 Bi 0.3 O 6 : M = Ni, x = 0.90: Synthesis Example 10) were obtained.
[合成例11]
Li2CO3、NiO、CuO、及びBi2O3をLi:Ni:Cu:Bi=3:1:1:1のモル比で混合したこと以外は合成例1と同様の操作により、複合酸化物(Li3NiCuBiO6:M=Ni0.5Cu0.5、x=0.67)を得た。
[Synthesis Example 11]
Complex oxidation was performed in the same manner as in Synthesis Example 1 except that Li 2 CO 3 , NiO, CuO, and Bi 2 O 3 were mixed at a molar ratio of Li: Ni: Cu: Bi = 3: 1: 1: 1. things (Li 3 NiCuBiO 6: M = Ni 0.5 Cu 0.5, x = 0.67) was obtained.
[合成例12]
Li2CO3、NiO、ZnO、及びBi2O3をLi:Ni:Zn:Bi=3:1:1:1のモル比で混合したこと以外は合成例1と同様の操作により、複合酸化物(Li3NiZnBiO6:M=Ni0.5Zn0.5、x=0.67)を得た。
[Synthesis Example 12]
Complex oxidation was performed in the same manner as in Synthesis Example 1 except that Li 2 CO 3 , NiO, ZnO, and Bi 2 O 3 were mixed at a molar ratio of Li: Ni: Zn: Bi = 3: 1: 1: 1. things (Li 3 NiZnBiO 6: M = Ni 0.5 Zn 0.5, x = 0.67) was obtained.
[合成例13]
炭酸リチウム(Li2CO3)及び酸化ビスマス(Bi2O3)をLi:Bi=1:1のモル比で混合した。具体的には、これらを助剤としてのエタノールと共にジルコニア製ボールが入ったジルコニア製ポットに投入し、蓋をした。これを遊星型ボールミルにセットし、公転回転数300rpmで1時間湿式混合した。この混合物を乾燥機で75℃雰囲気下3時間以上乾燥し、前駆体を調製した。次いで、この前駆体をアルミナ製るつぼに載置し、このるつぼを卓上真空・ガス置換炉に設置した。次いで、空気流中、常圧下、10時間で常温から750℃まで昇温し、この温度で4時間保持した後、室温まで自然放冷した。このようにして、LiBiO2を得た。
[Synthesis Example 13]
Lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) and bismuth oxide (Bi 2 O 3 ) were mixed at a molar ratio of Li: Bi = 1: 1. Specifically, these were put into a zirconia pot containing zirconia balls together with ethanol as an auxiliary agent, and the lid was capped. This was set in a planetary ball mill and wet-mixed for 1 hour at a revolution speed of 300 rpm. This mixture was dried in a dryer at 75 ° C. for 3 hours or more to prepare a precursor. Next, this precursor was placed on an alumina crucible, and this crucible was placed in a tabletop vacuum / gas replacement furnace. Subsequently, the temperature was raised from normal temperature to 750 ° C. in an air stream under normal pressure for 10 hours, and kept at this temperature for 4 hours, and then allowed to cool naturally to room temperature. In this way, LiBiO 2 was obtained.
炭酸リチウム(Li2CO3)及び酸化コバルト(Co3O4)をLi:Co=1:1のモル比で混合した。具体的には、これらを助剤としてのエタノールと共にジルコニア製ボールが入ったジルコニア製ポットに投入し、蓋をした。これを遊星型ボールミルにセットし、公転回転数300rpmで1時間湿式混合した。この混合物を乾燥機で75℃雰囲気下3時間以上乾燥し、前駆体を調製した。次いで、この前駆体をアルミナ製るつぼに載置し、このるつぼを卓上真空・ガス置換炉に設置した。次いで、空気流中、常圧下、10時間で常温から650℃まで昇温し、この温度で4時間保持した後、室温まで自然放冷した。このようにして、LiCoO2を得た。 Lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) and cobalt oxide (Co 3 O 4 ) were mixed at a molar ratio of Li: Co = 1: 1. Specifically, these were put into a zirconia pot containing zirconia balls together with ethanol as an auxiliary agent, and the lid was capped. This was set in a planetary ball mill and wet-mixed for 1 hour at a revolution speed of 300 rpm. This mixture was dried in a dryer at 75 ° C. for 3 hours or more to prepare a precursor. Next, this precursor was placed on an alumina crucible, and this crucible was placed in a tabletop vacuum / gas replacement furnace. Subsequently, the temperature was raised from room temperature to 650 ° C. in an air stream under normal pressure for 10 hours, and kept at this temperature for 4 hours, and then allowed to cool naturally to room temperature. In this way, LiCoO 2 was obtained.
得られたLiCoO2とLiBiO2とを1:1のモル比でタングステンカーバイド製ボールが入ったタングステンカーバイド製ポットに投入し、アルゴン雰囲気を維持したグローブボックス中で蓋をした。これを遊星型ボールミルにセットし、公転回転数400rpmで4時間混合した。これによって、MC処理を施した複合酸化物(Li3Co1.5Bi1.5O6:M=Co、x=0.50)を得た。 The obtained LiCoO 2 and LiBiO 2 were put in a tungsten carbide pot containing tungsten carbide balls at a molar ratio of 1: 1, and the lid was covered in a glove box maintained in an argon atmosphere. This was set in a planetary ball mill and mixed at a revolution speed of 400 rpm for 4 hours. Thus, a composite oxide (Li 3 Co 1.5 Bi 1.5 O 6 : M = Co, x = 0.50) subjected to MC treatment was obtained.
[合成例14]
LiOH・H2O及びAl2O3をLi:Al=1:1のモル比で混合した。具体的には、これらを助剤としてのアセトンと共にジルコニア製ボールが入ったジルコニア製ポットに投入し、蓋をした。これを遊星型ボールミルにセットし、公転回転数300rpmで1時間湿式混合した。この混合物を乾燥機で75℃雰囲気下3時間以上乾燥し、前駆体を調製した。次いで、この前駆体をアルミナ製るつぼに載置し、このるつぼを卓上真空・ガス置換炉に設置した。次いで、空気流中、常圧下、10時間で常温から750℃まで昇温し、この温度で4時間保持した後、室温まで自然放冷した。このようにして、LiAlO2を得た。
合成例13と同様にして、LiBiO2を得た。得られたLiBiO2とLiAlO2とを1:1のモル比で使用し、合成例13と同様のMC処理を施し、複合酸化物(Li3Al1.5Bi1.5O6:M=Al、x=0.50)を得た。
[Synthesis Example 14]
LiOH.H 2 O and Al 2 O 3 were mixed at a molar ratio of Li: Al = 1: 1. Specifically, these were put into a zirconia pot containing zirconia balls together with acetone as an auxiliary agent and covered. This was set in a planetary ball mill and wet-mixed for 1 hour at a revolution speed of 300 rpm. This mixture was dried in a dryer at 75 ° C. for 3 hours or more to prepare a precursor. Next, this precursor was placed on an alumina crucible, and this crucible was placed in a tabletop vacuum / gas replacement furnace. Subsequently, the temperature was raised from normal temperature to 750 ° C. in an air stream under normal pressure for 10 hours, and kept at this temperature for 4 hours, and then allowed to cool naturally to room temperature. In this way, LiAlO 2 was obtained.
In the same manner as in Synthesis Example 13, LiBiO 2 was obtained. The obtained LiBiO 2 and LiAlO 2 were used at a molar ratio of 1: 1, and the same MC treatment as in Synthesis Example 13 was performed to obtain a composite oxide (Li 3 Al 1.5 Bi 1.5 O 6 : M = Al, x = 0.50).
[合成例15]
炭酸リチウム(Li2CO3)及び酸化バナジウム(V2O3)をLi:V=1.03:1のモル比で混合した。具体的には、これらを助剤としてのアセトンと共にジルコニア製ボールが入ったジルコニア製ポットに投入し、蓋をした。これを遊星型ボールミルにセットし、公転回転数300rpmで1時間湿式混合した。この混合物を乾燥機で75℃雰囲気下3時間以上乾燥し、前駆体を調製した。次いで、この前駆体をアルミナ製るつぼに載置し、このるつぼを卓上真空・ガス置換炉に設置した。次いで、窒素流中、常圧下、100分で常温から1050℃まで昇温し、この温度で10分間保持した後、室温まで自然放冷した。このようにして、LiVO2を得た。
合成例13と同様にして、LiBiO2を得た。得られたLiBiO2とLiVO2とを1:1のモル比で使用し、合成例13と同様のMC処理を施し、複合酸化物(Li3V1.5Bi1.5O6:M=V、x=0.50)を得た。
[Synthesis Example 15]
Lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) and vanadium oxide (V 2 O 3 ) were mixed at a molar ratio of Li: V = 1.03: 1. Specifically, these were put into a zirconia pot containing zirconia balls together with acetone as an auxiliary agent and covered. This was set in a planetary ball mill and wet-mixed for 1 hour at a revolution speed of 300 rpm. This mixture was dried in a dryer at 75 ° C. for 3 hours or more to prepare a precursor. Next, this precursor was placed on an alumina crucible, and this crucible was placed in a tabletop vacuum / gas replacement furnace. Next, the temperature was raised from normal temperature to 1050 ° C. in a nitrogen flow under normal pressure in 100 minutes, and kept at this temperature for 10 minutes, and then allowed to cool naturally to room temperature. In this way, LiVO 2 was obtained.
In the same manner as in Synthesis Example 13, LiBiO 2 was obtained. The obtained LiBiO 2 and LiVO 2 were used at a molar ratio of 1: 1, and the same MC treatment as in Synthesis Example 13 was performed to obtain a composite oxide (Li 3 V 1.5 Bi 1.5 O 6 : M = V, x = 0.50).
[合成例16]
炭酸リチウム(Li2CO3)及び酸化鉄(Fe2O3)を1:1のモル比で混合した。具体的には、これらを助剤としてのエタノールと共にジルコニア製ボールが入ったジルコニア製ポットに投入し、蓋をした。これを遊星型ボールミルにセットし、公転回転数300rpmで1時間湿式混合した。この混合物を乾燥機で75℃雰囲気下3時間以上乾燥し、前駆体を調製した。次いで、この前駆体をアルミナ製るつぼに載置し、このるつぼを卓上真空・ガス置換炉に設置した。次いで、空気流中、常圧下、10時間で常温から950℃まで昇温し、この温度で4時間保持した後、室温まで自然放冷した。このようにして、LiFeO2を得た。
合成例13と同様にして、LiBiO2を得た。得られたLiBiO2とLiFeO2とを1:1のモル比で使用し、合成例13と同様のMC処理を施し、複合酸化物(Li3Fe1.5Bi1.5O6:M=Fe、x=0.50)を得た。
[Synthesis Example 16]
Lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) and iron oxide (Fe 2 O 3 ) were mixed at a molar ratio of 1: 1. Specifically, these were put into a zirconia pot containing zirconia balls together with ethanol as an auxiliary agent, and the lid was capped. This was set in a planetary ball mill and wet-mixed for 1 hour at a revolution speed of 300 rpm. This mixture was dried in a dryer at 75 ° C. for 3 hours or more to prepare a precursor. Next, this precursor was placed on an alumina crucible, and this crucible was placed in a tabletop vacuum / gas replacement furnace. Subsequently, the temperature was raised from room temperature to 950 ° C. in an air stream under normal pressure for 10 hours, and kept at this temperature for 4 hours, and then allowed to cool naturally to room temperature. In this way, LiFeO 2 was obtained.
In the same manner as in Synthesis Example 13, LiBiO 2 was obtained. The resulting a LiBiO 2 and LiFeO 2 1: Use 1 molar ratio, subjected to the same MC processing as in Synthesis Example 13, a composite oxide (Li 3 Fe 1.5 Bi 1.5 O 6: M = Fe, x = 0.50) was obtained.
[比較合成例2]
合成例13と同様にして、LiBiO2を得た。得られたLiBiO2のみを使用し、合成例13と同様のMC処理を施し、MC処理を施した複合酸化物(LiBiO2:x=0)を得た。
[Comparative Synthesis Example 2]
In the same manner as in Synthesis Example 13, LiBiO 2 was obtained. Using only the obtained LiBiO 2 , the same MC treatment as in Synthesis Example 13 was performed to obtain a composite oxide (LiBiO 2 : x = 0) subjected to the MC treatment.
[複合酸化物の解析]
上記合成例及び比較合成例で得られた複合酸化物について、以下の方法にて粉末X線回折測定を行った。X線回折装置(Rigaku社の「MiniFlex II」)を用い、線源はCuKα線、管電圧は30kV、管電流は15mAとした。回折X線は厚み30μmのKβフィルターを通し高速一次元検出器(型番:D/teX Ultra 2)にて検出した。サンプリング幅は0.01°、スキャンスピードは5°/min、発散スリット幅は0.625°、受光スリット幅は13mm(OPEN)、散乱スリット幅は8mmとした。合成例4より得られたX線回折データについて、上記「RIETAN2000」プログラムを用いてリートベルト解析を実施した。
[Analysis of complex oxides]
About the complex oxide obtained by the said synthesis example and the comparative synthesis example, the powder X-ray-diffraction measurement was performed with the following method. An X-ray diffractometer (“MiniFlex II” manufactured by Rigaku) was used, the source was CuKα ray, the tube voltage was 30 kV, and the tube current was 15 mA. Diffraction X-rays were detected by a high-speed one-dimensional detector (model number: D / teX Ultra 2) through a Kβ filter having a thickness of 30 μm. The sampling width was 0.01 °, the scanning speed was 5 ° / min, the divergence slit width was 0.625 °, the light receiving slit width was 13 mm (OPEN), and the scattering slit width was 8 mm. The X-ray diffraction data obtained from Synthesis Example 4 was subjected to Rietveld analysis using the “RIETA 2000” program.
図3に合成例1〜7及び比較合成例1で得られた複合酸化物のX線回折図を示す。合成例4で得られた複合酸化物は、リートベルト解析により、空間群C2/mに帰属可能な結晶構造を有することがわかった。リートベルト解析結果より、合成例4(x=0.67)の複合酸化物の格子定数は、a=5.2629Å、b=9.1293Å、c=5.2023Å、β=109.346°であった。なお、Ni含有量の多い合成例7(x=0.90)等は、空間群C2/mの他に、空間群Fm−3m及びC2/cに帰属可能なピークを含むことがわかる。これは、「PDXL」を用いた解析により、それぞれLi0.3Ni0.7O及びLi2CO3(PDFカード、番号01−075―0543及び01−083−1454)に帰属可能であることがわかった。また、Bi含有量の多い合成例3(x=0.50)は、空間群C2/mの他に、空間群Ibamに帰属可能なピークを含むことがわかる。これは、上記「PDXL」を用いた解析により、LiBiO2(PDFカード、番号00−001−1067)に帰属可能であることがわかった。 FIG. 3 shows X-ray diffraction patterns of the composite oxides obtained in Synthesis Examples 1 to 7 and Comparative Synthesis Example 1. The complex oxide obtained in Synthesis Example 4 was found to have a crystal structure that can be assigned to the space group C2 / m by Rietveld analysis. From the Rietveld analysis results, the lattice constants of the composite oxide of Synthesis Example 4 (x = 0.67) are a = 5.2629 b, b = 9.1293 Å, c = 5.2203 Å, and β = 109.346 °. there were. In addition, it turns out that the synthesis example 7 (x = 0.90) with much Ni content, etc. contain the peak which can be assigned to space group Fm-3m and C2 / c other than space group C2 / m. This can be attributed to Li 0.3 Ni 0.7 O and Li 2 CO 3 (PDF cards, numbers 01-075-0543 and 01-083-1454) by analysis using “PDXL”, respectively. I understood. Moreover, it turns out that the synthesis example 3 (x = 0.50) with much Bi content contains the peak which can be attributed to space group Ibam other than space group C2 / m. This was found to be attributable to LiBiO 2 (PDF card, number 00-001-1067) by analysis using the above “PDXL”.
図4に合成例8〜10で得られた複合酸化物のX線回折図を示す。固相法で得られた複合酸化物に対してメカノケミカル処理を施すことで、処理前の空間群C2/mに帰属可能なピークは消失し、空間群Fm−3mに帰属可能なピークが観測された。 FIG. 4 shows an X-ray diffraction pattern of the composite oxide obtained in Synthesis Examples 8-10. By applying mechanochemical treatment to the complex oxide obtained by the solid phase method, the peak that can be attributed to the space group C2 / m before the treatment disappears, and the peak that can be attributed to the space group Fm-3m is observed. It was done.
図5に合成例4、11及び12で得られた複合酸化物のX線回折図を示す。Li3NiCuBiO6及びLi3NiZnBiO6もLi3Ni2BiO6等と同様に、空間群C2/mに帰属されることが分かった。 FIG. 5 shows X-ray diffraction patterns of the composite oxides obtained in Synthesis Examples 4, 11, and 12. It was found that Li 3 NiCuBiO 6 and Li 3 NiZnBiO 6 are also attributed to the space group C2 / m, like Li 3 Ni 2 BiO 6 .
図6(a)〜(d)に合成例13〜15及び比較合成例2で得られた複合酸化物のX線回折図を示す。なお、図6(a)〜(d)においては、MC処理前の原料のX線回折図と併せて示す。図6(a)より、合成例13のMC処理された複合酸化物(Li3Co1.5Bi1.5O6)においては、LiCoO2及び非晶質の相が確認できた。図6(b)より、合成例14のMC処理された複合酸化物(Li3Al1.5Bi1.5O6)においては、非晶質の相が確認できた。合成例15のMC処理された複合酸化物(Li3V1.5Bi1.5O6)においては、Bi及び非晶質の相が確認できた。比較合成例2のMC処理された複合酸化物(LiBiO2)においては、反応が進行せず、微粉化され、配向性が変化したことが確認できた。 6A to 6D show X-ray diffraction patterns of the composite oxides obtained in Synthesis Examples 13 to 15 and Comparative Synthesis Example 2. FIG. In addition, in Fig.6 (a)-(d), it shows together with the X-ray-diffraction figure of the raw material before MC process. From FIG. 6A, LiCoO 2 and an amorphous phase could be confirmed in the composite oxide (Li 3 Co 1.5 Bi 1.5 O 6 ) treated with MC in Synthesis Example 13. From FIG. 6B, an amorphous phase was confirmed in the composite oxide (Li 3 Al 1.5 Bi 1.5 O 6 ) treated with MC in Synthesis Example 14. In the composite oxide (Li 3 V 1.5 Bi 1.5 O 6 ) treated with MC in Synthesis Example 15, Bi and amorphous phases could be confirmed. In the composite oxide (LiBiO 2 ) treated with MC in Comparative Synthesis Example 2, it was confirmed that the reaction did not proceed, the powder was pulverized, and the orientation was changed.
[実施例1]二次電池(試験電池)の作製
合成例1で得られた複合酸化物を正極活物質として用い、以下の要領で非水電解質二次電池(蓄電素子)を作製した。合成した複合酸化物の粉末2.275gとアセチレンブラック(AB)0.700gとをそれぞれ秤取した。これらを直径5mmのジルコニア製ボールが90g(約250個)入った内容積80mLのジルコニア製ポットに投入した。このポットにさらに助剤としてエタノール10mLを投入し、蓋をした。これを遊星型ボールミルにセットし、公転回転数300rpmで1時間混合した。この混合物を乾燥機で75℃雰囲気下3時間以上乾燥し、混合粉体を調製した。この混合粉体2.55g、PVDFの12質量%N−メチルピロリドン(NMP)溶液及びNMPを所定のプラスチック容器に入れ、大気中で蓋をした。なお、上記PVDFの12質量%N−メチルピロリドン(NMP)溶液及びNMPは、PVDF0.45g及びNMP4.3gを含有している。これを撹拌脱泡装置(シンキー社の「あわとり練太郎」)にセットし、2000rpmで5分混練した。さらに、NMPを0.5g加え、攪拌脱泡装置を用いて回転数2000rpmで5分間混練する操作を計6回繰り返すことで、N−メチルピロリドン(NMP)を分散媒とするスラリーを調整した。スラリー中の正極活物質、AB及びPVDFの質量比は65:20:15である。このスラリーを厚さ20μmの銅箔集電体の片面に塗布した。これを80℃のホットプレート上で60分乾燥して分散媒を蒸発させた後、ロールプレスを行うことで正極を得た。
[Example 1] Production of secondary battery (test battery) Using the composite oxide obtained in Synthesis Example 1 as a positive electrode active material, a nonaqueous electrolyte secondary battery (electric storage element) was produced in the following manner. 2.275 g of the synthesized composite oxide powder and 0.700 g of acetylene black (AB) were weighed. These were put into a zirconia pot having an internal volume of 80 mL containing 90 g (about 250 pieces) of zirconia balls having a diameter of 5 mm. Further, 10 mL of ethanol was added to the pot as an auxiliary agent, and the pot was covered. This was set in a planetary ball mill and mixed for 1 hour at a revolution speed of 300 rpm. This mixture was dried in a dryer at 75 ° C. for 3 hours or more to prepare a mixed powder. 2.55 g of this mixed powder, a 12% by mass N-methylpyrrolidone (NMP) solution of PVDF, and NMP were placed in a predetermined plastic container and covered with air. In addition, the 12 mass% N-methylpyrrolidone (NMP) solution and NMP of the PVDF contain 0.45 g of PVDF and 4.3 g of NMP. This was set in a stirring defoaming device (“Shintaro Awatori” manufactured by Shinky) and kneaded at 2000 rpm for 5 minutes. Further, 0.5 g of NMP was added, and the operation of kneading for 5 minutes at a rotational speed of 2000 rpm using a stirring deaerator was repeated 6 times in total to prepare a slurry using N-methylpyrrolidone (NMP) as a dispersion medium. The mass ratio of the positive electrode active material, AB and PVDF in the slurry is 65:20:15. This slurry was applied to one side of a 20 μm thick copper foil current collector. This was dried on an 80 ° C. hot plate for 60 minutes to evaporate the dispersion medium, and then subjected to roll press to obtain a positive electrode.
上記正極を用いて二次電池(試験電池)を組立てた。対極(負極)には金属リチウムを用いた。また、電解質として、エチレンカーボネート(EC):ジメチルカーボネート(DMC):エチルメチルカーボネート(EMC)が体積比30:35:35である混合溶媒に濃度が1mol/LとなるようにLiPF6を溶解させた溶液を用いた。セパレータとして、ポリアクリレートで表面改質したポリプロピレン製の微孔膜を用いた。外装体には、ポリエチレンテレフタレート(15μm)/アルミニウム箔(50μm)/金属接着性ポリプロピレンフィルム(50μm)からなる金属樹脂複合フィルムを用い、正極端子及び負極端子の開放端部が外部露出するように電極を収納した。次いで、上記金属樹脂複合フィルムの内面同士が向かい合った融着代を注液孔となる部分を除いて気密封止し、上記電解質を注液後、注液孔を封止した。 A secondary battery (test battery) was assembled using the positive electrode. Metallic lithium was used for the counter electrode (negative electrode). Further, LiPF 6 is dissolved as an electrolyte in a mixed solvent in which ethylene carbonate (EC): dimethyl carbonate (DMC): ethyl methyl carbonate (EMC) has a volume ratio of 30:35:35 so that the concentration becomes 1 mol / L. Solution was used. As the separator, a polypropylene microporous film whose surface was modified with polyacrylate was used. A metal resin composite film made of polyethylene terephthalate (15 μm) / aluminum foil (50 μm) / metal-adhesive polypropylene film (50 μm) is used for the exterior body, and the electrodes are exposed so that the open ends of the positive electrode terminal and the negative electrode terminal are exposed to the outside. Stowed. Subsequently, the fusion allowance in which the inner surfaces of the metal resin composite film face each other was hermetically sealed except for a portion serving as a liquid injection hole, and after pouring the electrolyte, the liquid injection hole was sealed.
[充放電試験]
得られた二次電池を25℃に設定した恒温槽内で充放電した。まず、初期放電として、放電終止電位を1.0V(vs.Li/Li+)とする定電流(CC)放電を行った。次に、以下の条件で、充放電サイクルを行った。充電は定電流定電圧(CCCV)充電とし、充電終止電位は3.0V(vs.Li/Li+)とした。充電終止条件は、充電電流が2mA/gに減衰した時点、又は充電上限電位に到達してから15時間を経過した時点とした。放電は定電流(CC)放電とし、放電終止電位は1.0V(vs.Li/Li+)とした。充電及び放電の定電流値は、正極が含有する正極活物質の質量に対して50mA/gとした。各充電後及び放電後に10分間の休止時間を設定した。この充放電サイクルを10サイクル実施した。
[Charge / discharge test]
The obtained secondary battery was charged and discharged in a thermostat set at 25 ° C. First, as an initial discharge, a constant current (CC) discharge with a discharge end potential of 1.0 V (vs. Li / Li + ) was performed. Next, a charge / discharge cycle was performed under the following conditions. Charging was constant current constant voltage (CCCV) charging, and the charge end potential was 3.0 V (vs. Li / Li + ). The charge termination condition was the time when the charging current was attenuated to 2 mA / g, or the time when 15 hours had passed since the charge upper limit potential was reached. The discharge was a constant current (CC) discharge, and the discharge end potential was 1.0 V (vs. Li / Li + ). The constant current value for charging and discharging was 50 mA / g with respect to the mass of the positive electrode active material contained in the positive electrode. A 10 minute rest period was set after each charge and after discharge. This charge / discharge cycle was carried out 10 times.
[実施例2〜9、11〜20、比較例1、3〜7]
用いた正極活物質、正極の基材、充放電試験における電流密度及び電位範囲を表1〜4に示すとおりとしたこと以外は、実施例1と同様にして、実施例2〜9、11〜20及び比較例1、3〜7を行った。なお、充電終止電圧が4.2V(vs.Li/Li+)以上の実施例及び比較例については、初期放電を行わずに、充放電サイクルを開始した。なお、表3、4においては、比較のため表1、2に記載した実施例又は比較例の一部を重複して記載している。
[Examples 2-9, 11-20, Comparative Examples 1, 3-7]
Examples 2 to 9, 11 to 11 were the same as Example 1 except that the positive electrode active material, the positive electrode base material, and the current density and potential range in the charge / discharge test were as shown in Tables 1 to 4. 20 and Comparative Examples 1 and 3 to 7 were performed. In addition, about the Example and comparative example whose charge end voltage is 4.2V (vs.Li/Li <+> ) or more, the charging / discharging cycle was started, without performing initial discharge. In Tables 3 and 4, some of the examples or comparative examples described in Tables 1 and 2 are shown for comparison.
[実施例10]二次電池(試験電池)の作製
合成例13で得られた複合酸化物を正極活物質として用い、以下の要領で非水電解質二次電池(蓄電素子)を作製した。合成した複合酸化物の粉末2.275gとアセチレンブラック(AB)0.700gとをそれぞれ秤取した。これらを直径5mmのジルコニア製ボールが90g(約250個)入った内容積80mLのジルコニア製ポットに投入した。このポットにさらに助剤としてアセトン10mLを投入し、アルゴン雰囲気を維持したグローブボックス中で蓋をした。これを遊星型ボールミルにセットし、公転回転数300rpmで1時間混合した。この混合物を乾燥機で75℃雰囲気下3時間以上乾燥し、混合粉体を調製した。この混合粉体2.55g、PVDFの12質量%N−メチルピロリドン(NMP)溶液及びNMPを所定のプラスチック容器に入れ、アルゴン雰囲気を維持したグローブボックス中で蓋をした。なお、上記PVDFの12質量%N−メチルピロリドン(NMP)溶液及びNMPは、PVDF0.45g及びNMP6.6gを含有している。これを撹拌脱泡装置(シンキー社の「あわとり練太郎」)にセットし、2000rpmで5分混練することで、N−メチルピロリドン(NMP)を分散媒とするスラリーを調整した。スラリー中の正極活物質、AB及びPVDFの質量比は65:20:15である。このスラリーを厚さ20μmのアルミ箔集電体の片面に塗布した。これを80℃のホットプレート上で60分乾燥して分散媒を蒸発させた後、ロールプレスを行うことで正極を得た。
[Example 10] Production of secondary battery (test battery) Using the composite oxide obtained in Synthesis Example 13 as a positive electrode active material, a nonaqueous electrolyte secondary battery (electric storage element) was produced in the following manner. 2.275 g of the synthesized composite oxide powder and 0.700 g of acetylene black (AB) were weighed. These were put into a zirconia pot having an internal volume of 80 mL containing 90 g (about 250 pieces) of zirconia balls having a diameter of 5 mm. To this pot, 10 mL of acetone was added as an auxiliary agent, and the pot was covered in a glove box maintained in an argon atmosphere. This was set in a planetary ball mill and mixed for 1 hour at a revolution speed of 300 rpm. This mixture was dried in a dryer at 75 ° C. for 3 hours or more to prepare a mixed powder. 2.55 g of this mixed powder, 12% by mass N-methylpyrrolidone (NMP) solution of PVDF and NMP were put in a predetermined plastic container, and the lid was put in a glove box maintained in an argon atmosphere. The 12% by mass N-methylpyrrolidone (NMP) solution of PVDF and NMP contain 0.45 g of PVDF and 6.6 g of NMP. This was set in a stirring defoaming device (“Shintaro Nawataro” manufactured by Shinky Corporation) and kneaded at 2000 rpm for 5 minutes to prepare a slurry using N-methylpyrrolidone (NMP) as a dispersion medium. The mass ratio of the positive electrode active material, AB and PVDF in the slurry is 65:20:15. This slurry was applied to one side of an aluminum foil current collector having a thickness of 20 μm. This was dried on an 80 ° C. hot plate for 60 minutes to evaporate the dispersion medium, and then subjected to roll press to obtain a positive electrode.
上記正極を用いて二次電池(試験電池)を組立てた。対極(負極)には金属リチウムを用いた。また、電解質として、エチレンカーボネート(EC):ジメチルカーボネート(DMC):エチルメチルカーボネート(EMC)が体積比30:35:35である混合溶媒に濃度が1mol/LとなるようにLiPF6を溶解させた溶液を用いた。セパレータとして、ポリアクリレートで表面改質したポリプロピレン製の微孔膜を用いた。外装体には、ポリエチレンテレフタレート(15μm)/アルミニウム箔(50μm)/金属接着性ポリプロピレンフィルム(50μm)からなる金属樹脂複合フィルムを用い、正極端子及び負極端子の開放端部が外部露出するように電極を収納した。次いで、上記金属樹脂複合フィルムの内面同士が向かい合った融着代を注液孔となる部分を除いて気密封止し、上記電解質を注液後、注液孔を封止した。 A secondary battery (test battery) was assembled using the positive electrode. Metallic lithium was used for the counter electrode (negative electrode). Further, LiPF 6 is dissolved as an electrolyte in a mixed solvent in which ethylene carbonate (EC): dimethyl carbonate (DMC): ethyl methyl carbonate (EMC) has a volume ratio of 30:35:35 so that the concentration becomes 1 mol / L. Solution was used. As the separator, a polypropylene microporous film whose surface was modified with polyacrylate was used. A metal resin composite film made of polyethylene terephthalate (15 μm) / aluminum foil (50 μm) / metal-adhesive polypropylene film (50 μm) is used for the exterior body, and the electrodes are exposed so that the open ends of the positive electrode terminal and the negative electrode terminal are exposed to the outside. Stowed. Subsequently, the fusion allowance in which the inner surfaces of the metal resin composite film face each other was hermetically sealed except for a portion serving as a liquid injection hole, and after pouring the electrolyte, the liquid injection hole was sealed.
[充放電試験]
得られた二次電池を25℃に設定した恒温槽内で充放電した。まず、初期放電として、放電終止電位を1.0V(vs.Li/Li+)とする定電流(CC)放電を行った。次に、以下の条件で、充放電サイクルを行った。充電は定電流定電圧(CCCV)充電とし、充電終止電位は3.0V(vs.Li/Li+)とした。充電終止条件は、充電電流が2mA/gに減衰した時点、又は充電上限電位に到達してから15時間を経過した時点とした。放電は定電流(CC)放電とし、放電終止電位は1.0V(vs.Li/Li+)とした。充電及び放電の定電流値は、正極が含有する正極活物質の質量に対して20mA/gとした。各充電後及び放電後に10分間の休止時間を設定した。この充放電サイクルを10サイクル実施した。
[Charge / discharge test]
The obtained secondary battery was charged and discharged in a thermostat set at 25 ° C. First, as an initial discharge, a constant current (CC) discharge with a discharge end potential of 1.0 V (vs. Li / Li + ) was performed. Next, a charge / discharge cycle was performed under the following conditions. Charging was constant current constant voltage (CCCV) charging, and the charge end potential was 3.0 V (vs. Li / Li + ). The charge termination condition was the time when the charging current was attenuated to 2 mA / g, or the time when 15 hours had passed since the charge upper limit potential was reached. The discharge was a constant current (CC) discharge, and the discharge end potential was 1.0 V (vs. Li / Li + ). The constant current value for charging and discharging was 20 mA / g with respect to the mass of the positive electrode active material contained in the positive electrode. A 10 minute rest period was set after each charge and after discharge. This charge / discharge cycle was carried out 10 times.
[実施例21〜29、比較例2]
用いた正極活物質、正極の基材、充放電試験における電流密度及び電位範囲を表1、3、4に示すとおりとしたこと以外は、実施例10と同様にして、実施例21〜29及び比較例2を行った。なお、充電終止電圧が4.2V(vs.Li/Li+)以上の実施例及び比較例については、初期放電を行わずに、充放電サイクルを開始した。なお、表3、4においては、比較のため表1、2に記載した実施例又は比較例の一部を重複して記載している。
[Examples 21 to 29, Comparative Example 2]
Examples 21 to 29 and Example 21 except that the positive electrode active material used, the base material of the positive electrode, and the current density and potential range in the charge / discharge test were as shown in Tables 1, 3, and 4. Comparative Example 2 was performed. In addition, about the Example and comparative example whose charge end voltage is 4.2V (vs.Li/Li <+> ) or more, the charging / discharging cycle was started, without performing initial discharge. In Tables 3 and 4, some of the examples or comparative examples described in Tables 1 and 2 are shown for comparison.
実施例1〜29及び比較例1〜7の充放電サイクル試験における1サイクル目の放電容量、エネルギー密度、容量維持率(10サイクル目の放電容量/1サイクル目の放電容量)を表1〜4に示す。 Tables 1 to 4 show the discharge capacity, energy density, and capacity retention ratio (discharge capacity at the 10th cycle / discharge capacity at the 1st cycle) in the charge / discharge cycle tests of Examples 1 to 29 and Comparative Examples 1 to 7. Shown in
ここで、エネルギー密度とは、正極活物質(複合酸化物)の体積当たりのエネルギー密度を示す。エネルギー密度は、1サイクル目の放電容量と平均放電電位と真密度との積で算出した。M=Niであるものについては、x≧0.67の場合は(Li0.3Ni0.7O+Li2CO3)−Li3Ni2BiO6系として、x<0.67の場合はLi3Ni2BiO6−LiBiO2系として、加重平均をとって算出した。また、M=Ni0.5Cu0.5、又はNi0.5Zn0.5であるものについては、上記非特許文献1記載の格子定数より算出した。M=Al、V、Fe又はCoであるものについては、LiBiO2−LiMO2系として加重平均をとって算出した。算出した各化合物(正極活物質)の真密度の値も表1〜4に示す。また、図7に実施例4の充放電曲線を、図8に実施例20の充放電曲線を示す。
Here, the energy density indicates the energy density per volume of the positive electrode active material (composite oxide). The energy density was calculated by the product of the discharge capacity at the first cycle, the average discharge potential, and the true density. For M = Ni, when x ≧ 0.67, (Li 0.3 Ni 0.7 O + Li 2 CO 3 ) -Li 3 Ni 2 BiO 6 system, when x <0.67, Li as 3 Ni 2 BiO 6 -LiBiO 2 system was calculated by taking the weighted average. Further, M = Ni 0.5 Cu 0.5, about or Ni 0.5 as Zn is 0.5 was calculated from the lattice constant of the
なお、電位範囲1.0−3.0V及び1.0−2.5Vでは、放電から開始することになるが、その最初の放電はサイクル数に含まない。 In the potential ranges of 1.0 to 3.0 V and 1.0 to 2.5 V, the discharge starts, but the first discharge is not included in the number of cycles.
表1〜4に示されるように、Li、Bi及び金属元素(M)を含む複合酸化物を含有する正極を有し、上記金属元素(M)が、Al、V、Fe、Co及びNiのうちの少なくとも1種を含む非水電解質蓄電素子においては、放電終止電位を0.8〜1.4V(vs.Li/Li+)とすることで、エネルギー密度が高まることが分かる。さらに、特に表3に示されるように、充電終止電位を2.5〜3.5V(vs.Li/Li+)とすることで、容量維持率も高まることが分かる。一方、非水電解質蓄電素子が上記複合酸化物を有する場合も、放電終止電位が1.4V(vs.Li/Li+)より高い場合、エネルギー密度が低いことがわかる(比較例4〜7)。また、表1に示されるように、電位範囲を1.0−3.0V(vs.Li/Li+)とした場合において、式(1)及び(2)におけるxを0.30〜0.75の範囲とすることで、エネルギー密度が3000mWhcm−3を超え、エネルギー密度が高いことが分かる。 As shown in Tables 1 to 4, it has a positive electrode containing a composite oxide containing Li, Bi and a metal element (M), and the metal element (M) is made of Al, V, Fe, Co and Ni. In the nonaqueous electrolyte storage element containing at least one of them, it is understood that the energy density is increased by setting the discharge end potential to 0.8 to 1.4 V (vs. Li / Li + ). Furthermore, as shown in Table 3, it is understood that the capacity retention rate is also increased by setting the charge end potential to 2.5 to 3.5 V (vs. Li / Li + ). On the other hand, even when the nonaqueous electrolyte storage element has the composite oxide, it can be seen that the energy density is low when the discharge end potential is higher than 1.4 V (vs. Li / Li + ) (Comparative Examples 4 to 7). . Further, as shown in Table 1, when the potential range is 1.0 to 3.0 V (vs. Li / Li + ), x in formulas (1) and (2) is 0.30 to 0.00. By setting it as the range of 75, it turns out that an energy density exceeds 3000 mWhcm < -3 > and an energy density is high.
[dQ/dVプロット]
実施例1〜7の充放電サイクル後に、0V(vs.Li/Li+)までの還元を行い、その際のdQ/dVプロットを得た。ピークはローレンツ関数を用いた最小二乗法でフィッティングを実施した。また、バックグラウンドは一次関数で近似した。なお、上記式(1)において、x≧0.67の場合、フィッティングに用いた関数を「バックグラウンド+ピーク1」とし、x<0.67の場合、フィッティングに用いた関数を「バックグラウンド+ピーク1+ピーク2+ピーク3」とした。表5に実施例1〜7の蓄電素子のdQ/dVプロットにおけるピーク位置を示す。
[DQ / dV plot]
After the charge and discharge cycles of Examples 1 to 7, reduction to 0 V (vs. Li / Li + ) was performed, and dQ / dV plots at that time were obtained. The peaks were fitted by the least square method using the Lorentz function. The background was approximated by a linear function. In the above formula (1), when x ≧ 0.67, the function used for fitting is “background +
実施例1〜7の蓄電素子のいずれにおいても、0.4〜0.6V(vs.Li/Li+)の範囲に、Li、Bi及びNiのうちのいずれかを含む複合酸化物に特有の還元ピークが確認できた。 In any of the electricity storage devices of Examples 1 to 7, the range is 0.4 to 0.6 V (vs. Li / Li + ), and is unique to the composite oxide containing any one of Li, Bi, and Ni. A reduction peak was confirmed.
本発明は、パーソナルコンピュータ、通信端末等の電子機器、自動車等の電源として使用される非水電解質蓄電素子等に適用できる。 The present invention can be applied to electronic devices such as personal computers and communication terminals, nonaqueous electrolyte storage elements used as power sources for automobiles, and the like.
1 非水電解質蓄電素子
2 電極体
3 容器
4 正極端子
4’ 正極リード
5 負極端子
5’ 負極リード
20 蓄電ユニット
30 蓄電装置
DESCRIPTION OF
Claims (8)
上記金属元素(M)が、アルミニウム、バナジウム、鉄、コバルト及びニッケルのうちの少なくとも1種を含み、
通常使用時の上記正極の放電終止電位が、0.8V(vs.Li/Li+)以上1.4V(vs.Li/Li+)以下である非水電解質蓄電素子。 A positive electrode containing a composite oxide containing lithium, bismuth and a metal element (M);
The metal element (M) includes at least one of aluminum, vanadium, iron, cobalt and nickel,
Discharge cutoff potential of the positive electrode at the time of normal use, 0.8V (vs.Li/Li +) or 1.4V (vs.Li/Li +) or less is the non-aqueous electrolyte energy storage device.
アルミニウム、バナジウム、鉄、コバルト及びニッケルのうちの少なくとも一種、又は
アルミニウム、バナジウム、鉄、コバルト及びニッケルのうちの少なくとも一種と銅及び亜鉛のうちの少なくとも一種との組み合わせ
である請求項1又は請求項2の非水電解質蓄電素子。 The metal element (M) is
The combination of at least one of aluminum, vanadium, iron, cobalt and nickel, or at least one of aluminum, vanadium, iron, cobalt and nickel and at least one of copper and zinc. 2. A nonaqueous electrolyte storage element.
Li3M3xBi3(1−x)O6 ・・・(1)
(式(1)中、Mは、Mは、Al、V、Fe、Co及びNiのうちの少なくとも1種を含む金属元素である。0<x<1である。) The non-aqueous electrolyte electricity storage element according to claim 1, wherein the composite oxide is represented by the following formula (1).
Li 3 M 3x Bi 3 (1-x) O 6 (1)
(In the formula (1), M is a metal element containing at least one of Al, V, Fe, Co, and Ni. 0 <x <1.)
上記金属元素(M)が、アルミニウム、バナジウム、鉄、コバルト及びニッケルのうちの少なくとも1種を含む非水電解質蓄電素子に対し、
上記正極の終止電位が0.8V(vs.Li/Li+)以上1.4V(vs.Li/Li+)以下の範囲で放電を行うことを有する非水電解質蓄電素子の使用方法。 A positive electrode containing a composite oxide containing lithium, bismuth and a metal element (M);
For the non-aqueous electrolyte electricity storage element in which the metal element (M) contains at least one of aluminum, vanadium, iron, cobalt and nickel,
Using the non-aqueous electrolyte energy storage device having to perform a discharge in the range cutoff potential of the positive electrode is 0.8V (vs.Li/Li +) or 1.4V (vs.Li/Li +) following.
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