JP4983356B2 - Water-based lithium secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、電解液としてリチウム塩を水に溶解してなる水系電解液を含有する水系リチウム二次電池に関する。 The present invention relates to an aqueous lithium secondary battery containing an aqueous electrolytic solution obtained by dissolving a lithium salt in water as an electrolytic solution.
非水系電解液を用いたリチウム二次電池は、高電圧・高エネルギー密度が得られ、小型・軽量化が図れるため、パソコンや携帯電話等の情報通信機器の関連分野ではすでに実用化されている。また、リチウム二次電池は、資源問題や環境問題に対応するため、電気自動車やハイブリッド電気自動車に搭載される電源への展開が期待されている。 Lithium secondary batteries using non-aqueous electrolytes have already been put to practical use in the fields related to information and communication equipment such as personal computers and mobile phones because they can achieve high voltage and high energy density, and can be reduced in size and weight. . In addition, lithium secondary batteries are expected to expand to power sources mounted on electric vehicles and hybrid electric vehicles in order to cope with resource problems and environmental problems.
一般に、非水系電解液を用いたリチウム二次電池(非水系リチウム二次電池)は、正極活物質としてリチウム遷移金属複合酸化物を、負極活物質として炭素材料を、電解液として有機溶媒にリチウム塩を溶解してなる非水電解液を用いて構成されている。非水系のリチウム二次電池においては、単セルにおいて3〜4V級の高い起電力を発揮できる。 In general, a lithium secondary battery using a non-aqueous electrolyte (non-aqueous lithium secondary battery) is composed of a lithium transition metal composite oxide as a positive electrode active material, a carbon material as a negative electrode active material, and lithium in an organic solvent as an electrolyte. It is configured using a nonaqueous electrolytic solution obtained by dissolving a salt. A non-aqueous lithium secondary battery can exhibit a high electromotive force of 3 to 4 V class in a single cell.
しかし、非水系のリチウム二次電池には、次のような問題が指摘されている。
即ち、非水系のリチウム二次電池は、電解液として、引火性を有し、揮発性の高い有機溶媒等の非水系電解液を含有しているため、慎重に取り扱う必要がある。特に、例えば過充電による過熱や、圧力上昇及び衝撃による電池の破損等が起こったときに対する対策が必要になってくる。
このような問題は、特に電気自動車やハイブリッド車等のように大型の電池を必要とし、過酷な条件下で使用される用途において重要である。
However, the following problems have been pointed out for non-aqueous lithium secondary batteries.
That is, a non-aqueous lithium secondary battery contains a non-aqueous electrolyte solution such as an organic solvent that has flammability and high volatility as an electrolyte solution, and must be handled with care. In particular, it is necessary to take measures against, for example, overheating due to overcharging or damage to the battery due to pressure increase and impact.
Such a problem is particularly important in applications that require large batteries and are used under harsh conditions, such as electric vehicles and hybrid vehicles.
また、非水系のリチウム二次電池においては、その製造工程において徹底したドライ環境を維持する必要があり、水分を完全に除去するために特殊な設備と多大な労力を要している。そのため、製造コストが高くなってしまうという問題がある。このような観点からも、非水系リチウム二次電池は、特に電気自動車用の二次電池をにらんだ将来の量産化に対応し難いという問題があった。 In addition, in a non-aqueous lithium secondary battery, it is necessary to maintain a thorough dry environment in the manufacturing process, and special equipment and a great deal of labor are required to completely remove moisture. Therefore, there exists a problem that manufacturing cost will become high. From this point of view, the non-aqueous lithium secondary battery has a problem that it is difficult to cope with mass production in the future especially for secondary batteries for electric vehicles.
一方、電解液として水溶液を用いたリチウム二次電池(水系リチウム二次電池)がある。水系リチウム二次電池は、電解液に有機溶媒を含有していないため、基本的には燃えることはない。また、製造工程においてドライ環境を必要としないため、製造にかかるコストを大幅に減少させることができる。さらに、水溶液電解液は非水系電解液に比べて一般的に導電性が高いため、水系リチウム二次電池は、非水系のリチウム二次電池に比べて内部抵抗が低くなるという利点がある。しかしその反面、水系リチウム二次電池においては、水の電気分解反応が起こらない電位範囲での使用が求められるため、起電力が非水系のリチウム二次電池比べて低くなる。 On the other hand, there is a lithium secondary battery (aqueous lithium secondary battery) using an aqueous solution as an electrolytic solution. Since the aqueous lithium secondary battery does not contain an organic solvent in the electrolytic solution, it basically does not burn. In addition, since a dry environment is not required in the manufacturing process, manufacturing costs can be significantly reduced. Furthermore, since aqueous electrolytes generally have higher conductivity than non-aqueous electrolytes, water-based lithium secondary batteries have the advantage of lower internal resistance than non-aqueous lithium secondary batteries. However, on the other hand, water-based lithium secondary batteries are required to be used in a potential range where no electrolysis reaction of water occurs, so that the electromotive force is lower than that of non-aqueous lithium secondary batteries.
したがって、水系リチウム二次電池においては、高電圧即ち高エネルギー密度を犠牲として、安全性、コスト、及び低内部抵抗が確保される。そのため、水系リチウム二次電池は、高エネルギー密度、即ち軽くて小さいことを重視する携帯機器等の用途には向かないが、比較的コストを重視し、大型の電池が必要とされる電気自動車やハイブリッド電気自動車、ひいては家庭用分散電源等の用途に適することが予想される。 Therefore, in the water based lithium secondary battery, safety, cost, and low internal resistance are ensured at the expense of high voltage, that is, high energy density. For this reason, water-based lithium secondary batteries are not suitable for applications such as portable devices that emphasize high energy density, that is, light and small, but are relatively cost-conscious and require electric vehicles that require large batteries. It is expected to be suitable for applications such as hybrid electric vehicles and eventually household distributed power supplies.
水系リチウム二次電池を構成する上で重要なことは、水溶液中で安定で、かつ水の電気分解により酸素や水素を発生しない電位範囲において、可逆的に大量のリチウムを吸蔵及び脱離できる活物質、つまり特定の電位範囲において大きな容量を発揮できる活物質を用いる点にある。
また、電解液としては、中性からアルカリ性の電解液を用いることが望まれている。活物質として主として用いられるLi含有酸化物は、一般に酸性の水溶液中における安定性に乏しく、また、酸性電解液中の多量のH+イオンは、純粋なLi+イオンのロッキングチェア反応を阻害するおそれがあるからである。
What is important for the construction of an aqueous lithium secondary battery is that it is stable in an aqueous solution and has an activity capable of reversibly occluding and desorbing a large amount of lithium in a potential range where oxygen and hydrogen are not generated by electrolysis of water. The substance is that an active material that can exhibit a large capacity in a specific potential range is used.
Further, it is desired to use a neutral to alkaline electrolyte as the electrolyte. Li-containing oxides mainly used as an active material generally have poor stability in an acidic aqueous solution, and a large amount of H + ions in an acidic electrolyte may inhibit the rocking chair reaction of pure Li + ions. Because there is.
中性、即ちpH=7の電解液を用いた場合には、水の分解電圧は、水素発生電位が2.62V、酸素発生電位が3.85Vである。また、強アルカリ性、即ちpH=14の電解液を用いた場合には、水の分解電圧は水素発生電位が2.21V、酸素発生電位が3.44Vである。水系リチウム二次電池においては、負極が水素発生電位以下の電位にさらされた場合には水素の発生が起こるおそれがあり、正極が酸素発生電位以上の電位にさらされた場合には酸素の発生が起こるおそれがある。現実にはガス発生過電圧があるため、多少は範囲外の電位まで使用できるが、水系リチウム二次電池用の活物質としては、できる限りこの範囲内に多くの充放電容量を有するものが望まれている。 When a neutral, ie, pH = 7 electrolyte is used, the water decomposition voltage is 2.62V for hydrogen generation potential and 3.85V for oxygen generation potential. In addition, when a strong alkaline, that is, pH = 14 electrolytic solution is used, the water decomposition voltage has a hydrogen generation potential of 2.21 V and an oxygen generation potential of 3.44 V. In water-based lithium secondary batteries, hydrogen generation may occur when the negative electrode is exposed to a potential lower than the hydrogen generation potential, and oxygen generation occurs when the positive electrode is exposed to a potential higher than the oxygen generation potential. May occur. Actually, since there is a gas generation overvoltage, it can be used to a potential slightly outside the range, but as an active material for an aqueous lithium secondary battery, a material having as much charge / discharge capacity within this range as possible is desired. ing.
これまでに、水系リチウム二次電池の正極活物質としては、LiMn2O4、及びLiFePO4等が提案されており(特許文献1〜3参照)、負極活物質として、Fe系酸化物、Fe系ポリアニオン化合物、各種リチウムバナジウム酸化物等が提案されている(特許文献4〜8参照)。また、最近では、正極活物質としてLiMn2O4を含有し、負極活物質としてチタン系ポリアニオンを含有する水系リチウム二次電池が提案されている(非特許文献1参照)。
So far, LiMn 2 O 4 , LiFePO 4 and the like have been proposed as positive electrode active materials for water-based lithium secondary batteries (see Patent Documents 1 to 3), and Fe-based oxides, Fe A polyanion compound and various lithium vanadium oxides have been proposed (see
しかしながら、従来の構成の水系リチウム二次電池は、耐久性が不十分であり、充放電を繰り返し行ったときに容量が非常に低下しやすいという問題点があった。具体的には、LiMn2O4は、Liの挿入脱離電位が水の分解電位に近いため、電位を十分に高くして容量を大きくすることができず、また、充放電を繰り返し行ったときの容量の低下が大きいという問題があった。また、LiFePO4は、水の分解が起こらない電位にLiの挿入脱離電位を有しているため、LiMn2O4よりは充放電を繰り返したときの容量の低下は小さくなるが、実用的には未だ十分ではなかった。 However, the water-based lithium secondary battery having a conventional configuration has insufficient durability, and has a problem in that the capacity is very likely to decrease when charging and discharging are repeated. Specifically, since LiMn 2 O 4 has a Li insertion / release potential close to the decomposition potential of water, the potential could not be increased sufficiently to increase the capacity, and charge / discharge was repeated. There was a problem that the capacity was greatly reduced. In addition, LiFePO 4 has a Li insertion / desorption potential at a potential at which water does not decompose. Therefore, the capacity decrease when charging and discharging is repeated is smaller than that of LiMn 2 O 4, but it is practical. It was still not enough.
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたものであって、充放電を繰り返し行ったときの耐久性に優れた水系リチウム二次電池を提供しようとするものである。 The present invention has been made in view of such conventional problems, and an object of the present invention is to provide an aqueous lithium secondary battery excellent in durability when repeated charging and discharging are performed.
本発明は、正極と、負極と、リチウム塩を水に溶解してなる水溶液電解液とを有し、Liイオンを可動イオンとする水系リチウム二次電池において、
上記正極は、一般式LiaVb(PO4)cXd(但し、0≦a≦4、1≦b≦2、1≦c≦3、dは0又は1、XはF又はOH)で表されるリン酸バナジウム化合物を主成分とする正極活物質を含有し、
上記負極は、上記リン酸バナジウム化合物よりも低い電位でLiの挿入脱離が起こる物質を主成分とする負極活物質を含有することを特徴とする水系リチウム二次電池にある(請求項1)。
The present invention is a water based lithium secondary battery having a positive electrode, a negative electrode, and an aqueous electrolyte solution obtained by dissolving a lithium salt in water, and using Li ions as mobile ions.
The positive electrode has the general formula Li a V b (PO 4 ) c X d (where 0 ≦ a ≦ 4, 1 ≦ b ≦ 2, 1 ≦ c ≦ 3, d is 0 or 1, X is F or OH) Containing a positive electrode active material whose main component is a vanadium phosphate compound represented by
The negative electrode contains a negative electrode active material whose main component is a substance in which insertion and desorption of Li occurs at a lower potential than the vanadium phosphate compound (claim 1). .
本発明の水系リチウム二次電池は、上記正極活物質の主成分として、上記一般式で表される上記リン酸バナジウム化合物を含有する。そのため、上記水系リチウム二次電池は、充放電を繰り返し行っても容量が低下し難くなり、従来よりも優れたサイクル耐久性を示すことができる。上記正極活物質によってサイクル耐久性が向上する理由は解明されていないが、上記リン酸バナジウム化合物を主成分とする上記正極活物質は、Liの三次元通路を結晶構造内に有することが原因の一つとして考えられる。 The aqueous lithium secondary battery of the present invention contains the vanadium phosphate compound represented by the general formula as a main component of the positive electrode active material. Therefore, the capacity of the water-based lithium secondary battery is less likely to decrease even when charging and discharging are repeated, and can exhibit cycle durability superior to that of the prior art. Although the reason why the cycle durability is improved by the positive electrode active material has not been elucidated, the positive electrode active material containing the vanadium phosphate compound as a main component is caused by having a three-dimensional Li channel in the crystal structure. Considered as one.
次に、本発明の好ましい実施の形態について、説明する。
上記水系リチウム二次電池は、例えば、リチウムを吸蔵・放出する正極及び負極と、これらの間に狭装されるセパレータと、正極及び負極間でリチウムを移動させる水溶液電解液等を主要構成要素として構成することができる。
正極の正極活物質は、一般式LiaVb(PO4)cXe(但し、0≦a≦4、1≦b≦2、1≦c≦3、dは0又は1、XはF又はOH)で表されるリン酸バナジウム化合物を主成分とする。a、b、c、及びdが上記範囲から外れる場合には、Liの挿入脱離が行われにくくなり、容量が小さくなるおそれがある。
Next, a preferred embodiment of the present invention will be described.
The water-based lithium secondary battery includes, for example, a positive electrode and a negative electrode that occlude / release lithium, a separator that is sandwiched between them, an aqueous electrolyte that moves lithium between the positive electrode and the negative electrode, and the like as main components. Can be configured.
The positive electrode active material of the positive electrode has the general formula Li a V b (PO 4 ) c X e (where 0 ≦ a ≦ 4, 1 ≦ b ≦ 2, 1 ≦ c ≦ 3, d is 0 or 1, X is F Or a vanadium phosphate compound represented by OH) as a main component. When a, b, c, and d are out of the above ranges, it is difficult to insert and desorb Li, and the capacity may be reduced.
上記水系リチウム二次電池において、正極は、例えば上記正極活物質に導電材及び結着材を混合し、必要に応じて適当な溶剤を加えてペースト状の正極合材としたものを成形し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成することができる。
導電材は、正極の電気伝導性を確保するためのものであり、例えばカーボンブラック、アセチレンブラック、黒鉛等の炭素物質粉末状体の1種又は2種以上を混合したものを用いることができる。
In the aqueous lithium secondary battery, the positive electrode is formed, for example, by mixing a conductive material and a binder with the positive electrode active material, and adding a suitable solvent as necessary to form a paste-like positive electrode mixture, If necessary, it can be compressed to increase the electrode density.
The conductive material is for ensuring the electrical conductivity of the positive electrode, and for example, a material obtained by mixing one or more carbon material powders such as carbon black, acetylene black, and graphite can be used.
結着材は、活物質粒子及び導電材粒子を繋ぎ止める役割を果たすものであり、例えばポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、或いはポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート等の熱可塑性樹脂、もしくはポリアクリロニトリル系高分子等を用いることができる。
これら活物質、導電材、結着材を分散させる溶剤としては、例えばN−メチル−2−ピロリドン等の有機溶剤を用いることができる。
The binder plays a role of connecting the active material particles and the conductive material particles. For example, a fluorine-containing resin such as polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, and fluororubber, or heat such as polypropylene, polyethylene, and polyethylene terephthalate. A plastic resin, a polyacrylonitrile-based polymer, or the like can be used.
As a solvent for dispersing these active material, conductive material, and binder, for example, an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone can be used.
負極は、上記正極と同様に、例えば負極活物質に導電材や結着材を混合し、必要に応じて適当な溶媒を加えてペースト状にした負極合材を成形し、その後必要に応じてプレスして形成することができる。 As with the positive electrode, for example, the negative electrode is formed by mixing a negative electrode active material with a conductive material or a binder, adding a suitable solvent as necessary, and forming a paste-like negative electrode mixture, and then as necessary. It can be formed by pressing.
上記負極活物質としては、上記正極活物質として用いる上記リン酸バナジウム化合物よりも低い電位でLiの挿入脱離が起こる物質を用いることができる。このような物質は、サイクリックボルタンメトリー測定によって調べることができる。具体的には、例えば次のようにして調べることができる。 As the negative electrode active material, a material that causes Li insertion and desorption at a lower potential than the vanadium phosphate compound used as the positive electrode active material can be used. Such materials can be examined by cyclic voltammetry measurements. Specifically, for example, it can be examined as follows.
即ち、まず、負極活物質の候補となる所望の物質と導電材と結着剤とを混合して混合粉末を作製し、SUSメッシュ上に圧着して試料極を作製する。次いで、例えば濃度6mol/LのLiNO3水溶液等の評価用の電解液、銀塩化銀電極等の参照極、白金ワイヤー等(φ0.3×5;コイル状)の対極を用いて、サイクリックボルタンメトリーを行う。測定は3極式のビーカーセルを用いて、一定のスキャン速度で行うことができる。得られるサイクリックボルタモグラムにおいて、上記正極活物質よりも低電位で可逆性を示す物質を負極活物質として用いることができる。 That is, first, a desired material that is a candidate for a negative electrode active material, a conductive material, and a binder are mixed to prepare a mixed powder, and then pressed onto a SUS mesh to prepare a sample electrode. Next, for example, using an electrolytic solution for evaluation such as a 6 mol / L LiNO 3 aqueous solution, a reference electrode such as a silver-silver chloride electrode, a counter electrode such as a platinum wire (φ0.3 × 5; coiled), cyclic voltammetry I do. The measurement can be performed at a constant scanning speed using a tripolar beaker cell. In the obtained cyclic voltammogram, a substance that is reversible at a lower potential than the positive electrode active material can be used as the negative electrode active material.
このような負極活物質としては、例えばバナジウム、鉄、チタン、又はマンガン等の金属の酸化物、これらの金属の水酸化物、又はこれらの金属とリチウムとの複合酸化物等がある。より具体的には、バナジウムの酸化物としては、VO2等があり、バナジウムとリチウムとの複合酸化物としては、LiV3O8、LiV2O4等がある。 Examples of such a negative electrode active material include oxides of metals such as vanadium, iron, titanium, and manganese, hydroxides of these metals, and composite oxides of these metals and lithium. More specifically, the oxide of vanadium includes VO 2 and the like, and the composite oxide of vanadium and lithium includes LiV 3 O 8 and LiV 2 O 4 and the like.
好ましくは、上記負極活物質としては、スピネル構造を有する化合物を含有することがよい(請求項4)。
この場合には、上記水系リチウム二次電池をより安定に動作させることができると共に、耐久性をより向上させることができる。
Preferably, the negative electrode active material contains a compound having a spinel structure (claim 4).
In this case, the water based lithium secondary battery can be operated more stably and the durability can be further improved.
また、上記スピネル構造を有する上記化合物は、LiV2O4であることが好ましい(請求項5)。
この場合には、LiV2O4(リチウムバナジウム酸化物)が有する酸化還元電位が低いという特徴を生かして、上記水系リチウム二次電池の起電力をより向上させることができる。また、充放電容量を向上させることができる。
Further, the compound having the spinel structure is preferably a LiV 2 O 4 (claim 5).
In this case, the electromotive force of the aqueous lithium secondary battery can be further improved by taking advantage of the low redox potential of LiV 2 O 4 (lithium vanadium oxide). In addition, the charge / discharge capacity can be improved.
また、正極及び負極に狭装させるセパレータは、正極と負極とを分離し電解液を保持するものであり、例えばセルロース、ポリエチレン、及びポリプロピレン等の薄い微多孔膜を用いることができる。 In addition, the separator to be narrowly attached to the positive electrode and the negative electrode separates the positive electrode and the negative electrode and holds the electrolytic solution. For example, a thin microporous film such as cellulose, polyethylene, or polypropylene can be used.
また、上記水系リチウム二次電池の形状としては、例えばコイン型、円筒型、角型等がある。正極、負極、セパレータ及び水溶液電解液等を収容する電池ケースとしては、これらの形状に対応したものを用いることができる。 Examples of the shape of the water based lithium secondary battery include a coin shape, a cylindrical shape, and a square shape. As the battery case that accommodates the positive electrode, the negative electrode, the separator, the aqueous electrolyte, and the like, those corresponding to these shapes can be used.
また、上記水系リチウム二次電池は、電解液としてリチウム塩を水に溶解してなる水溶液電解液を有する。
このようなリチウム塩としては、例えばLiNO3、LiOH、LiCl、及びLi2S等がある。これらのリチウム塩は、それぞれ単独で用いることもできるが、2種以上を併用することもできる。
Moreover, the said water-system lithium secondary battery has aqueous solution electrolyte solution formed by melt | dissolving lithium salt in water as electrolyte solution.
Examples of such a lithium salt include LiNO 3 , LiOH, LiCl, and Li 2 S. These lithium salts can be used alone or in combination of two or more.
好ましくは、上記リチウム塩としては、少なくとも硝酸リチウムを含有することがよい(請求項3)。
この場合には、硝酸リチウムの高い溶解度を生かして、電解液中のLiイオンの存在量を増加させることができる。そのため、反応抵抗を低下さることができ、また、電解液設計の自由度の幅を広げることができる。
Preferably, the lithium salt contains at least lithium nitrate (Claim 3).
In this case, the high amount of lithium nitrate can be utilized to increase the amount of Li ions present in the electrolytic solution. Therefore, the reaction resistance can be reduced, and the range of freedom of electrolyte design can be expanded.
上記水溶液電解液は、そのpHが3〜11であることが好ましい(請求項2)。
上記水溶液電解液のpHが3未満の場合には、上記一般式LiaVb(PO4)cXdで表される化合物が不安定となり、電池の容量や充放電サイクル特性が低下するおそれがある。また、水素発生電位が高くなり、負極上で水素発生が起こってしまうおそれがある。一方、pHが11を超える場合には、水の電気分解電位、即ち酸素発生電位が低下するため、正極で酸素が発生し易くなるおそれがある。より好ましくは、上記水溶液電解液のpHは5〜10がよい。
The aqueous electrolyte solution preferably has a pH of 3 to 11. (Claim 2)
When the pH of the aqueous electrolyte is less than 3, the compound represented by the general formula Li a V b (PO 4 ) c X d becomes unstable, and the battery capacity and charge / discharge cycle characteristics may be reduced. There is. In addition, the hydrogen generation potential becomes high, and hydrogen generation may occur on the negative electrode. On the other hand, when the pH exceeds 11, since the electrolysis potential of water, that is, the oxygen generation potential is lowered, oxygen may be easily generated at the positive electrode. More preferably, the pH of the aqueous electrolyte solution is 5 to 10.
また、上記水系リチウム二次電池の形状としては、例えばコイン型、円筒型、角型等がある。正極、負極、セパレータ及び水溶液電解液等を収容する電池ケースとしては、これらの形状に対応したものを用いることができる。 Examples of the shape of the water based lithium secondary battery include a coin shape, a cylindrical shape, and a square shape. As the battery case that accommodates the positive electrode, the negative electrode, the separator, the aqueous electrolyte, and the like, those corresponding to these shapes can be used.
(実施例1)
次に、本発明の水系リチウム二次電池の実施例につき、図1及び図2を用いて説明する。本例は、水系リチウム二次電池を作製し、この水系リチウム二次電池について、充放電を複数回繰り返し行ったときの容量維持率(充放電サイクル特性)を評価する例である。
Example 1
Next, an embodiment of the water based lithium secondary battery of the present invention will be described with reference to FIGS. This example is an example in which a water based lithium secondary battery is manufactured, and the capacity retention rate (charge / discharge cycle characteristics) when the water based lithium secondary battery is repeatedly charged and discharged a plurality of times is evaluated.
図1に示すごとく、本例の水系リチウム二次電池1は、正極活物質を含有する正極2と、負極活物質を含有する負極3と、リチウム塩を水に溶解してなる水溶液電解液とを有する。本例において、正極2は、正極活物質としてLi3V2(PO4)3又はLiVPO4Fを含有する。また、負極3は、負極活物質としてLiV2O4を含有する。また、水溶液電解液は、リチウム塩としてのLiNO3を水に溶解してなる。
As shown in FIG. 1, the aqueous lithium secondary battery 1 of this example includes a
水系リチウム二次電池1においては、CR2016型の電池ケース11中に、正極2及び負極3と共に、これらの間に狭装させた状態でセパレータ4が配置されている。また、電池ケース11内には、水溶液電解液が注入されている。電池ケース11内の端部には、ガスケット45が配置されており、電池ケース11は封口板12により密閉されている。
In the water based lithium secondary battery 1, a
次に、本例の水系リチウム二次電池の製造方法につき、説明する。
まず、下記のようにして、正極活物質としてのLi3V2(PO4)3を合成する。その合成にあたっては、所謂固相合成法を行った。
具体的には、まず、リン酸二水素アンモニウムと、五酸化バナジウムと、炭酸リチウムとを、Li3V2(PO4)3という組成になるような化学量論比で混合した。混合物をペレットに成形して大気中で温度300℃で4時間焼成した。次いで、ペレットを粉砕し、再度ペレット状に成形した後、水素気流中で温度800℃で12時間焼成した。焼成後のペレットを粉砕して再び成形した後、水素気流中で温度850℃で12時間焼成をおこなった。そして、得られた粉末を十分に粉砕してLi3V2(PO4)3粉末を得た。これを正極活物質とする。
Next, the manufacturing method of the water based lithium secondary battery of this example will be described.
First, Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 as a positive electrode active material is synthesized as follows. In the synthesis, a so-called solid phase synthesis method was performed.
Specifically, first, ammonium dihydrogen phosphate, vanadium pentoxide, and lithium carbonate were mixed in a stoichiometric ratio so as to have a composition of Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 . The mixture was formed into pellets and fired in the atmosphere at a temperature of 300 ° C. for 4 hours. Next, the pellets were pulverized and formed again into pellets, and then fired in a hydrogen stream at a temperature of 800 ° C. for 12 hours. The fired pellets were pulverized and molded again, and then fired in a hydrogen stream at a temperature of 850 ° C. for 12 hours. Then, the obtained powder was sufficiently pulverized to obtain Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 powder. This is a positive electrode active material.
次に、以下のようにして負極活物質としてのLiV2O4を作製した。
まず、炭酸リチウム(Li2CO3)と、五酸化バナジウム(V2O5)とをLiV2O4という組成となるような化学量論比で秤量し、これらを自動乳鉢で20分間混合した。その後、混合物100重量部に対し、カーボンブラック(東海カーボン(株)製 TB−5500)を2重量部添加し、自動乳鉢でさらに20分間混合した。その混合物をアルゴン気流中で温度750℃で24時間焼成した後急冷した。このようにして、LiV2O4を得た。これを負極活物質とする。
Next, LiV 2 O 4 as a negative electrode active material was produced as follows.
First, lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) and vanadium pentoxide (V 2 O 5 ) were weighed in a stoichiometric ratio such that the composition was LiV 2 O 4 , and these were mixed in an automatic mortar for 20 minutes. . Thereafter, 2 parts by weight of carbon black (TB-5500 manufactured by Tokai Carbon Co., Ltd.) was added to 100 parts by weight of the mixture, and further mixed for 20 minutes in an automatic mortar. The mixture was baked in an argon stream at a temperature of 750 ° C. for 24 hours and then rapidly cooled. In this way, LiV 2 O 4 was obtained. This is defined as a negative electrode active material.
次に、上記正極活物質及び負極活物質を用いて、水系リチウム二次電池を作製する。
具体的には、まず、正極活物質としてのLi3V2(PO4)3を70重量部、導電剤としてのカーボンブラックを25重量部、及び結着材としてのポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を5重量部混合し、正極合材を作製した。
また、負極活物質としてのLiV2O4を70重量部、導電剤としてのカーボンブラックを25重量部、及び結着材としてのポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を5重量部混合し、負極合材を作製した。
Next, an aqueous lithium secondary battery is manufactured using the positive electrode active material and the negative electrode active material.
Specifically, first, 70 parts by weight of Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 as a positive electrode active material, 25 parts by weight of carbon black as a conductive agent, and polytetrafluoroethylene (PTFE) as a binder Was mixed to prepare a positive electrode mixture.
Further, 70 parts by weight of LiV 2 O 4 as a negative electrode active material, 25 parts by weight of carbon black as a conductive agent, and 5 parts by weight of polytetrafluoroethylene (PTFE) as a binder are mixed, and a negative electrode mixture Was made.
次に、図1に示すごとく、CR2016型のコインセル用の電池ケース11を準備し、予め電池ケース11の内側に溶接したメッシュ上に正極合材を約0.6ton/cm2で圧着して正極2を形成した。この正極2と同様にして、メッシュ上に負極合材を約0.6ton/cm2で圧着して負極3を形成した。
正極2及び負極3は、ポリプロピレン系のセパレータ4を介して、電池ケース11内に配置した。
Next, as shown in FIG. 1, a
The
次いで、電池ケース11内にガスケット5を配置し、さらに電池ケース11内に水溶液電解液を適量注入し含浸させた。本例においては、水溶液電解液としては、濃度6mol/LのLiNO3水溶液(pH≒5)を用いた。
次に、電池ケース11の開口部に封口板12を配置し、電池ケース11の端部をかしめ加工することにより、電池ケース11を密封して、水系リチウム二次電池1を作製した。これを電池E1とする。
Next, the
Next, the sealing
また、本例においては、LiVPO4Fを正極活物質とする水系リチウム二次電池(電池E2)を作製した。
LiVPO4Fは、還元と焼成という二段階のプロセスで合成した。即ち、まず、五酸化バナジウムとリン酸二水素アンモニウムとを乳鉢で十分混合してペレット状に成形し、水素気流中で温度750℃で4時間還元処理を行った。得られたペレットを十分に解砕し、フッ化リチウムを添加して乳鉢で混合した。混合物を再度ペレット状に成形してAr気流中で温度750℃で1時間焼成し、LiVPO4Fを得た。
電池E2は、このLiVPO4Fを正極活物質として用いた点を除いては、上記電池E1と同様にして作製した。
In this example, an aqueous lithium secondary battery (battery E2) using LiVPO 4 F as the positive electrode active material was produced.
LiVPO 4 F was synthesized by a two-stage process of reduction and calcination. That is, first, vanadium pentoxide and ammonium dihydrogen phosphate were sufficiently mixed in a mortar to form a pellet, and reduction treatment was performed at 750 ° C. for 4 hours in a hydrogen stream. The obtained pellets were sufficiently crushed, lithium fluoride was added and mixed in a mortar. The mixture was again formed into a pellet and fired in an Ar stream at a temperature of 750 ° C. for 1 hour to obtain LiVPO 4 F.
Battery E2 was produced in the same manner as Battery E1, except that LiVPO 4 F was used as the positive electrode active material.
また、本例においては、電池E1及び電池E2の優れた特性を明らかにするため、正極活物質として、オリビン構造のLiFePO4又はスピネル構造のLiMn2O4をそれぞれ有する2種類の水系リチウム二次電池(電池C1及び電池C2)を作製した。 Further, in this example, in order to clarify the excellent characteristics of the battery E1 and the battery E2, two types of aqueous lithium secondary materials each having LiFePO 4 having an olivine structure or LiMn 2 O 4 having a spinel structure as a positive electrode active material are used. Batteries (battery C1 and battery C2) were produced.
具体的には、まず、2種類の正極活物質(LiFePO4及びLiMn2O4)を準備した。
オリビン構造のLiFePO4の作製にあたっては、まず、出発原料として2価のシュウ酸鉄、炭酸リチウム、及びリン酸二水素アンモニウムを、それぞれLiとFeとPとの混合比がモル比でLi:Fe:P=1.2:1:1となるように混合し、また、合成されるLiFePO4に対してカーボンブラックを、LiFePO4:カーボンブラック=95:5となるような混合比(重量比)で混合し、不活性ガス雰囲気下で温度650℃で24時間焼成した。このようにして、オリビン構造のLiFePO4を得た。
Specifically, first, two types of positive electrode active materials (LiFePO 4 and LiMn 2 O 4 ) were prepared.
In preparing LiFePO 4 having an olivine structure, first, divalent iron oxalate, lithium carbonate, and ammonium dihydrogen phosphate were used as starting materials, and a mixing ratio of Li, Fe, and P, respectively, in a molar ratio of Li: Fe : P = 1.2: 1: 1, and carbon black is mixed with LiFePO 4 to be synthesized, and the mixing ratio (weight ratio) is LiFePO 4 : carbon black = 95: 5. And calcined at 650 ° C. for 24 hours in an inert gas atmosphere. In this way, LiFePO 4 having an olivine structure was obtained.
また、スピネル構造のLiMn2O4は、所謂固相法により合成した。即ち、まず水酸化リチウム(LiOH)と二酸化マンガン(MnO2)とを、LiとMnとの混合比がモル比でL:Mn=1.05:2.0となるように混合し、混合物をエタノール溶媒中でボールミルにより24時間混合した。次いで、混合物を十分に乾燥させて乾式でボールミル混合を12時間行った。そして、得られた混合粉末を温度800℃で12時間焼成した。このようにして、スピネル構造のLiMn2O4を得た。 Further, LiMn 2 O 4 having a spinel structure was synthesized by a so-called solid phase method. That is, lithium hydroxide (LiOH) and manganese dioxide (MnO 2 ) are first mixed so that the mixing ratio of Li and Mn is L: Mn = 1.05: 2.0 in terms of molar ratio. It mixed for 24 hours by the ball mill in the ethanol solvent. Next, the mixture was sufficiently dried, and ball mill mixing was performed for 12 hours in a dry manner. The obtained mixed powder was fired at a temperature of 800 ° C. for 12 hours. Thus, LiMn 2 O 4 having a spinel structure was obtained.
次に、これら2種類の正極活物質を用いて、上記電池E1と同様にして2種類の水系リチウム二次電池を作製した。これらを電池C1及び電池C2とする。
電池C1は、正極活物質としてオリビン構造のLiFePO4を用いた点を除いては、上記電池E1と同様にして作製した。
電池C2は、正極活物質としてスピネル構造のLiMn2O4を用いた点を除いては、上記電池E1と同様にして作製した。
Next, using these two types of positive electrode active materials, two types of aqueous lithium secondary batteries were produced in the same manner as the battery E1. Let these be the battery C1 and the battery C2.
The battery C1 was produced in the same manner as the battery E1 except that olivine-structured LiFePO 4 was used as the positive electrode active material.
The battery C2 was produced in the same manner as the battery E1 except that LiMn 2 O 4 having a spinel structure was used as the positive electrode active material.
次に、上記のようにして作製した4種類の水系リチウム二次電池(電池E1、電池E2、電池C1、及び電池C2)について、充放電サイクル特性を調べた(充放電サイクル試験)。
充放電サイクル試験は、各電池について、温度60℃の条件下で、電流密度0.1mA/cm2の定電流で充電し、その後電流密度0.1mA/cm2の定電流にて放電する充放電を1サイクルとし、このサイクルを20サイクル繰り返すことにより行った。このとき、充電終止電圧は、正極活物質として、Li3V2(PO4)3を用いた電池E1については1.4Vとし、LiVPO4Fを用いた電池E2については1.7V、LiFePO4を用いた電池C1については1.2V、LiMn2O4を用いた電池C2については1.7Vとした。放電終止電圧は全ての電池について0.5Vとした。
また、各充放電サイクルにおいては、充電終止電圧まで充電した後、及び放電終止電圧まで放電した後に、充電休止時間及び放電休止時間をそれぞれ10分間ずつ設けた。そして、各サイクル毎に、各電池(電池E1、電池E2、電池C1、及び電池C2)の放電容量を測定し、容量維持率を算出した。
Next, charge / discharge cycle characteristics were examined for the four types of water-based lithium secondary batteries (battery E1, battery E2, battery C1, and battery C2) produced as described above (charge / discharge cycle test).
In the charge / discharge cycle test, each battery was charged at a constant current with a current density of 0.1 mA / cm 2 under a temperature of 60 ° C. and then discharged at a constant current with a current density of 0.1 mA / cm 2. Discharging was performed as one cycle, and this cycle was repeated 20 times. At this time, the end-of-charge voltage is 1.4 V for the battery E1 using Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 as the positive electrode active material, 1.7 V for the battery E2 using LiVPO 4 F, and LiFePO 4 The battery C1 using the battery was 1.2V, and the battery C2 using LiMn 2 O 4 was 1.7V. The end-of-discharge voltage was 0.5 V for all batteries.
In each charge / discharge cycle, after charging to the end-of-charge voltage and after discharging to the end-of-discharge voltage, a charge stop time and a discharge stop time were provided for 10 minutes each. Then, for each cycle, the discharge capacity of each battery (battery E1, battery E2, battery C1, and battery C2) was measured, and the capacity retention rate was calculated.
放電容量は、各サイクル毎の放電電流値(mA)を測定し、この放電電流値に放電に要した時間(hr)を乗じて得た。また、各サイクル毎の容量維持率は、「nサイクル目の容量維持率(%)=Nサイクル目の放電容量(mAh)/1サイクル目の放電容量(mAh)×100」という式に基づいて算出した。その結果を図2示す。図2において、横軸はサイクル数(回)を示し、縦軸は容量維持率(%)を示すものである。 The discharge capacity was obtained by measuring the discharge current value (mA) for each cycle and multiplying this discharge current value by the time (hr) required for discharge. Further, the capacity maintenance rate for each cycle is based on the formula “capacity maintenance rate at the nth cycle (%) = discharge capacity at the Nth cycle (mAh) / discharge capacity at the first cycle (mAh) × 100”. Calculated. The result is shown in FIG. In FIG. 2, the horizontal axis indicates the number of cycles (times), and the vertical axis indicates the capacity retention rate (%).
図2より知られるごとく、Li3V2(PO4)3又はLiVPO4F等のリン酸バナジウム化合物を正極活物質とする水系リチウム二次電池(電池E1及び電池E2)は、従来の正極活物質(LiFePO4又はLiMn2O4)を用いた電池(電池C1及び電池C2)に比べて、非常に優れた容量維持率を示した。これは、電池E1及び電池E2における正極活物質が、水溶液中で安定に充放電できるためであると考えられる。 As is known from FIG. 2, water-based lithium secondary batteries (battery E1 and battery E2) using a vanadium phosphate compound such as Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 or LiVPO 4 F as a positive electrode active material are conventional positive electrode active materials. Compared to batteries (battery C1 and battery C2) using the material (LiFePO 4 or LiMn 2 O 4 ), the capacity retention rate was extremely excellent. This is considered because the positive electrode active material in the battery E1 and the battery E2 can be charged / discharged stably in an aqueous solution.
このように、電池E1及び電池E2で用いたリン酸バナジウム化合物は、他の材料に比べて水溶液中安定してLiの挿入脱離を行うことができるため、水系リチウム二次電池に好適である。このようなリン酸バナジウム化合物を正極活物質とする水系リチウム二次電池は、安全性が高く、低コストで製造できるだけでなく、安定した電池特性を示すことができる。 As described above, the vanadium phosphate compound used in the battery E1 and the battery E2 is suitable for an aqueous lithium secondary battery because it can stably perform Li insertion / extraction in an aqueous solution as compared with other materials. . Such an aqueous lithium secondary battery using a vanadium phosphate compound as a positive electrode active material has high safety, can be manufactured at low cost, and can exhibit stable battery characteristics.
1 水系リチウム二次電池
2 正極
3 負極
4 セパレータ
1 Water-based lithium
Claims (5)
上記正極は、一般式LiaVb(PO4)cXd(但し、0≦a≦4、1≦b≦2、1≦c≦3、dは0又は1、XはF又はOH)で表されるリン酸バナジウム化合物を主成分とする正極活物質を含有し、
上記負極は、上記リン酸バナジウム化合物よりも低い電位でLiの挿入脱離が起こる物質を主成分とする負極活物質を含有することを特徴とする水系リチウム二次電池。 In an aqueous lithium secondary battery having a positive electrode, a negative electrode, and an aqueous electrolyte obtained by dissolving a lithium salt in water and using Li ions as mobile ions,
The positive electrode has the general formula Li a V b (PO 4 ) c X d (where 0 ≦ a ≦ 4, 1 ≦ b ≦ 2, 1 ≦ c ≦ 3, d is 0 or 1, X is F or OH) Containing a positive electrode active material whose main component is a vanadium phosphate compound represented by
The water-based lithium secondary battery, wherein the negative electrode contains a negative electrode active material whose main component is a substance in which insertion and desorption of Li occurs at a lower potential than the vanadium phosphate compound.
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