JP6096984B2 - Negative electrode active material, non-aqueous electrolyte battery, battery pack and vehicle - Google Patents
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Description
本実施形態は、活物質及びその製造方法、非水電解質電池及び電池パックに関する。 The present embodiment relates to an active material, a manufacturing method thereof, a nonaqueous electrolyte battery, and a battery pack.
チタンの酸化物を負極に用いた非水電解質電池は、チタンの酸化物のLi吸蔵放出電位が炭素質物に比して高いために、炭素質物を用いた電池と比較してリチウムデンドライドの発生する可能性が低い。また、チタンの酸化物はセラミックスであることから熱暴走を起こしにくい。そのため、チタンの酸化物を負極に用いた非水電解質電池は安全性が高い。 Non-aqueous electrolyte batteries using titanium oxide as a negative electrode generate lithium dendride compared to batteries using carbonaceous materials because the lithium storage and release potential of titanium oxide is higher than that of carbonaceous materials. Is less likely to do. In addition, since the oxide of titanium is ceramic, it is difficult to cause thermal runaway. Therefore, a non-aqueous electrolyte battery using a titanium oxide for the negative electrode has high safety.
しかしながら、チタンの酸化物は一般的に用いられるグラファイト系負極に比べ、非水電解質との反応性が高い。チタンの酸化物が非水電解質と反応すると、例えば非水電解質の分解生成物によりインピーダンスが増加したり、ガスが発生して電池が膨れたりするという問題がある。このために、チタンの酸化物を用いた電池はサイクル寿命が低下しやすい場合があった。特に単斜晶系二酸化チタンの結晶構造を有するチタンの酸化物はサイクル寿命の低下が著しいという問題があった。 However, titanium oxide has a higher reactivity with non-aqueous electrolyte than a commonly used graphite negative electrode. When the oxide of titanium reacts with the nonaqueous electrolyte, for example, there is a problem that the impedance increases due to decomposition products of the nonaqueous electrolyte, or gas is generated and the battery swells. For this reason, the battery using the oxide of titanium sometimes has a short cycle life. In particular, a titanium oxide having a monoclinic titanium dioxide crystal structure has a problem in that the cycle life is remarkably reduced.
サイクル寿命が向上された非水電解質電池、該電池に用いられる活物質及びその製造方法、並びに電池パックを提供する。 Provided are a nonaqueous electrolyte battery with improved cycle life, an active material used in the battery, a method for producing the same, and a battery pack.
実施形態によれば、TiO 2 (B)構造からなるチタンの酸化物の粒子と、チタンの酸化物粒子の表面の少なくとも一部に存在し、Si成分及び有機成分を含む層とを含む負極活物質が提供される。負極活物質において、C/Siモル比は0.4以上2以下である。 According to the embodiment, a negative electrode active comprising: titanium oxide particles having a TiO 2 (B) structure; and a layer containing a Si component and an organic component present on at least a part of the surface of the titanium oxide particles. Substance is provided. In the negative electrode active material, the C / Si molar ratio is 0.4 or more and 2 or less.
また、実施形態によれば、上記活物質を含む負極と、正極と、非水電解質とを含む非水電解質電池が提供される。 In addition, according to the embodiment, a nonaqueous electrolyte battery including the negative electrode including the active material, the positive electrode, and a nonaqueous electrolyte is provided.
他の実施形態によれば、上記非水電解質電池を含む電池パックが提供される。また、他の実施形態によれば、実施形態に係る電池パックを含む車が提供される。 According to another embodiment, a battery pack including the nonaqueous electrolyte battery is provided. Moreover, according to other embodiment, the vehicle containing the battery pack which concerns on embodiment is provided.
以下に、各実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施の形態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は発明の説明とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。 Each embodiment will be described below with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol shall be attached | subjected to a common structure through embodiment and the overlapping description is abbreviate | omitted. Each figure is a schematic diagram for promoting explanation and understanding of the invention, and its shape, dimensions, ratio, and the like are different from those of an actual device. However, these are in consideration of the following explanation and known techniques. The design can be changed as appropriate.
(第1の実施形態)
第1の実施形態の負極活物質は、チタンの酸化物粒子と、チタンの酸化物粒子の表面に存在し、Si成分及び有機成分を含む層とを含む。C/Siモル比が0.4以上2以下である。(First embodiment)
The negative electrode active material of the first embodiment includes titanium oxide particles and a layer that exists on the surface of the titanium oxide particles and includes a Si component and an organic component. C / Si molar ratio is 0.4 or more and 2 or less.
チタンの酸化物は、表面に固体酸点又は水酸基などを有するため、非水電解質との反応性が高い。そのため、チタンの酸化物を負極活物質として用いた電池では、充放電に伴い負極に過剰な無機皮膜や有機被膜が形成され、抵抗が増加し、出力特性が低下する。その結果、電極性能の低下、電池の内部抵抗の上昇、非水電解質の劣化等が生じ、それらの要因によって電池のサイクル寿命が低下する。 Since the oxide of titanium has a solid acid point or a hydroxyl group on the surface, the reactivity with the non-aqueous electrolyte is high. Therefore, in a battery using a titanium oxide as a negative electrode active material, an excessive inorganic film or organic film is formed on the negative electrode with charge and discharge, the resistance increases, and the output characteristics deteriorate. As a result, the electrode performance decreases, the battery internal resistance increases, the nonaqueous electrolyte deteriorates, and the like, and the cycle life of the battery decreases due to these factors.
特に、単斜晶系二酸化チタンの結晶構造を有するチタンの酸化物は固体酸であるため非水電解質との反応性が高い。単斜晶系二酸化チタンの結晶構造を有するチタンの酸化物は、高い理論容量を有するため、活物質として用いることにより、電池の容量を上昇させることが期待される。しかしながら、上述のような理由により、サイクル寿命の低下が著しいという問題を有している。 In particular, titanium oxide having a monoclinic titanium dioxide crystal structure is a solid acid, and therefore has high reactivity with a non-aqueous electrolyte. Since a titanium oxide having a monoclinic titanium dioxide crystal structure has a high theoretical capacity, it is expected to increase the battery capacity when used as an active material. However, for the reasons described above, there is a problem that the cycle life is significantly reduced.
なお、単斜晶系二酸化チタンの結晶構造は、主に空間群C2/mに属し、トンネル構造を示す。ここでは、そのような結晶構造をTiO2(B)結晶構造と称することとする。また、単斜晶系二酸化チタンの結晶構造を有するチタンの酸化物を、TiO2(B)結晶構造のチタンの酸化物と称することとする。TiO2(B)の詳細な結晶構造は、非特許文献1に記載されている。TiO2(B)構造のチタンの酸化物の組成は、一般式LixTiO2 (0≦x≦1)により表わすことができる。ここで、上式のxは、充放電反応により0から1の範囲で変動する。The crystal structure of monoclinic titanium dioxide mainly belongs to the space group C2 / m and exhibits a tunnel structure. Here, such a crystal structure is referred to as a TiO 2 (B) crystal structure. A titanium oxide having a monoclinic titanium dioxide crystal structure is referred to as a titanium oxide having a TiO 2 (B) crystal structure. The detailed crystal structure of TiO 2 (B) is described in
負極活物質として炭素質物又はスピネル構造のチタン酸リチウムを用いた電池では、ビニレンカーボネートを非水電解質に添加することにより、負極と非水電解質との反応を抑制することが可能である。このような電池では、ビニレンカーボネートが負極上で還元分解されて負極に安定な被膜を形成することにより、過剰な被膜形成が抑制され得る。しかし、TiO2(B)構造のチタンの酸化物のように、表面に固体酸点又は水酸基などを有するチタンの酸化物を負極活物質に用いた電池では、ビニレンカーボネートを添加しても負極と非水電解質との反応が抑制されず、負極に被膜が継続して形成される。そのため、抵抗が増加し、サイクル寿命が低下するという問題がある。In a battery using a carbonaceous material or spinel structure lithium titanate as the negative electrode active material, it is possible to suppress the reaction between the negative electrode and the nonaqueous electrolyte by adding vinylene carbonate to the nonaqueous electrolyte. In such a battery, vinylene carbonate is reduced and decomposed on the negative electrode to form a stable film on the negative electrode, whereby excessive film formation can be suppressed. However, in a battery in which a titanium oxide having a solid acid point or a hydroxyl group on the surface, such as a titanium oxide having a TiO 2 (B) structure, is used as a negative electrode active material, even if vinylene carbonate is added. The reaction with the nonaqueous electrolyte is not suppressed, and a film is continuously formed on the negative electrode. Therefore, there exists a problem that resistance increases and a cycle life falls.
しかしながら、本実施形態に従って、チタンの酸化物の粒子と、チタンの酸化物の粒子の表面に存在し、Si成分及び有機成分を含む層とを含み、C/Siモル比が0.4以上2以下の負極活物質を用いることにより、非水電解質電池の抵抗の増加を抑制し、サイクル寿命を向上させることが可能である。 However, according to the present embodiment, it includes a titanium oxide particle and a layer that exists on the surface of the titanium oxide particle and includes a Si component and an organic component, and the C / Si molar ratio is 0.4 or more and 2 By using the following negative electrode active material, it is possible to suppress an increase in the resistance of the nonaqueous electrolyte battery and improve the cycle life.
チタンの酸化物の粒子は、ルイス酸点(固体酸点)を有するものであれば良く、例えば、TiO2(B)結晶構造のチタンの酸化物、アナターゼ構造を有するTiO2、ルチル構造を有するTiO2等を挙げることができる。Particles of oxides of titanium, has long as it has Lewis acid point (solid acid point), for example, oxides of titanium TiO 2 (B) crystalline structure, TiO 2 having an anatase structure, rutile structure TiO 2 etc. can be mentioned.
チタンの酸化物の粒子は、一次粒子が単独で存在するもの、一次粒子が凝集した二次粒子、一次粒子と二次粒子が混在するもの、いずれであっても良い。 Titanium oxide particles may be those in which primary particles exist alone, secondary particles in which primary particles are aggregated, or particles in which primary particles and secondary particles are mixed.
有機成分の例には、Cを含むもの、具体的には金属アルコキシドに分散可能な有機溶媒(例えば、CH3基、C2H5基、C3H7基、C4H9基などを含む有機成分)、その他の有機溶媒、もしくはそれら有機溶媒の一部が含まれる。有機成分の種類は1種類又は2種類以上にすることができる。被覆層に残存している有機成分は、重合反応で生じた活物質表面を被覆するSiO2ネットワーク内に絡み合って存在していると推測される。Examples of organic components include those containing C, specifically organic solvents dispersible in metal alkoxides (for example, CH 3 group, C 2 H 5 group, C 3 H 7 group, C 4 H 9 group, etc. Organic components), other organic solvents, or part of these organic solvents. The type of organic component can be one type or two or more types. The organic component remaining in the coating layer is presumed to be entangled in the SiO 2 network covering the active material surface generated by the polymerization reaction.
Si成分の例には、珪素の酸化物(例えばSiO2)のようなSiを含む無機系酸化物を挙げることができる。Examples of the Si component include inorganic oxides containing Si, such as silicon oxide (for example, SiO 2 ).
チタンの酸化物の粒子の表面には、SiO2及びCを含有する層が表面全体又は表面の一部に形成され得る。C/Siモル比を0.4以上2以下の範囲にするのは以下の理由によるものである。C/Siモル比を0.4未満にすると、非水電解質の還元分解反応が進行してサイクル寿命が短くなる。C/Siモル比が2を超えるものは、負極活物質のLi吸蔵放出が阻害されてサイクル寿命が短くなる。On the surface of the titanium oxide particles, a layer containing SiO 2 and C can be formed on the entire surface or a part of the surface. The reason why the C / Si molar ratio is in the range of 0.4 to 2 is as follows. When the C / Si molar ratio is less than 0.4, the reductive decomposition reaction of the nonaqueous electrolyte proceeds and the cycle life is shortened. When the C / Si molar ratio exceeds 2, the Li occlusion and release of the negative electrode active material is inhibited and the cycle life is shortened.
C/Siモル比のより好ましい範囲は0.4以上1.2以下である。 A more preferable range of the C / Si molar ratio is 0.4 or more and 1.2 or less.
Siを含む無機系酸化物と有機成分を含んだ被覆層を形成するには、例えば、Siを含む無機系酸化物を表面に被覆するために金属アルコキシドを使用すること、さらにその酸化物内に有機成分を共存させるために、乾燥条件を調節すること、金属アルコキシドと共に沸点の高い有機物を使用することが挙げられる。 In order to form a coating layer containing an inorganic oxide containing Si and an organic component, for example, a metal alkoxide is used to coat the surface of the inorganic oxide containing Si, and further, the oxide is contained in the oxide. In order to allow the organic component to coexist, adjustment of drying conditions and use of an organic substance having a high boiling point together with a metal alkoxide can be mentioned.
金属アルコキシドの例には、メチルシリケート又はエチルシリケートのような単量体、メチルポリシリケートやエチルポリシリケートのような縮重合体が含まれる。使用する金属アルコキシドの種類は、1種類又は2種類以上にすることができる。 Examples of the metal alkoxide include monomers such as methyl silicate or ethyl silicate, and condensation polymers such as methyl polysilicate and ethyl polysilicate. The kind of metal alkoxide to be used can be one kind or two or more kinds.
チタンの酸化物の粒子の表面にSiを含有する被覆層を形成する方法を以下に説明する。エタノール等の溶媒で金属アルコキシドを希釈した溶液とチタンの酸化物の粒子を混合し、得られた混合物を乾燥させる。次いで、ゾルゲル反応(加水分解・重合反応)により被覆層を形成する。チタンの酸化物の粒子表面のSiを含む無機成分は充放電に寄与しないので、粒子上に薄い無機系酸化物を均一に被覆させるために、ゾルゲル反応に必要な水分は液体状態の水として添加しないことが望ましい。 A method for forming a coating layer containing Si on the surface of titanium oxide particles will be described below. A solution obtained by diluting a metal alkoxide with a solvent such as ethanol and titanium oxide particles are mixed, and the obtained mixture is dried. Next, a coating layer is formed by a sol-gel reaction (hydrolysis / polymerization reaction). Inorganic components containing Si on the surface of titanium oxide particles do not contribute to charge and discharge, so the water necessary for the sol-gel reaction is added as liquid water to uniformly coat the thin inorganic oxide on the particles. It is desirable not to.
また無機被覆層内部に有機成分を残留させるために、乾燥温度は0〜50℃、さらにのぞましくは10〜40℃であることが望ましい。低い温度であると加水分解・重合反応や希釈溶媒等の乾燥に要する時間が長くなってしまう。一方で、乾燥温度が高いと加水分解・重合反応や希釈溶媒の揮散が早く起こってしまうので、無機系被膜が不均一に生成されたり、溶媒が急速に揮散することで残留有機成分が減少してしまうので、望ましくない。 In order to leave the organic component inside the inorganic coating layer, the drying temperature is preferably 0 to 50 ° C., more preferably 10 to 40 ° C. If the temperature is low, the time required for the hydrolysis / polymerization reaction or drying of the diluting solvent becomes long. On the other hand, if the drying temperature is high, hydrolysis / polymerization reaction and volatilization of the diluting solvent occur quickly, so that the inorganic organic film is formed unevenly or the residual organic components are reduced due to rapid volatilization of the solvent. This is not desirable.
さらに余分な水分が粒子表面に取り込まれないように、湿度が低い環境で乾燥処理を行う。望ましい乾燥条件での露点は、0℃以下、さらに望ましくは−20℃、さらに望ましくは−40℃以下である。露点が−40℃以下の環境で乾燥すると、余分な水分が取り込まれることなく、Siを含む被覆層を形成することができる。例えば一般的な実験室の環境(温度が25℃、湿度が25〜70%)と比較し、実施形態の製造条件によると、乾燥速度が遅くなるが、それによって形成時の被覆層に取り込まれる水分量が減ることでSiを含む無機系被覆層が粒子表面に均一に形成され、かつ、無機系被覆層内に有機成分(例えば金属アルコキシドに由来する残留有機成分)を取り込むことができる。有機成分の無機系被覆層内への取り込み量は、乾燥条件以外の方法によっても調整することができる。例えば、金属アルコキシドとチタンの酸化物の粒子と希釈溶媒(エタノール等)とを混合する際に、高沸点の有機溶媒を添加することによっても調整することができる。Further, the drying process is performed in an environment with low humidity so that excess moisture is not taken into the particle surface. The dew point under desirable drying conditions is 0 ° C. or less, more desirably −20 ° C., and even more desirably −40 ° C. or less. When dried in an environment having a dew point of −40 ° C. or lower, a coating layer containing Si can be formed without taking in excess moisture. For example, compared with a general laboratory environment (temperature is 25 ° C., humidity is 25 to 70%), according to the manufacturing conditions of the embodiment, the drying speed is slowed down, but is thereby taken into the coating layer during formation. By reducing the amount of water, an inorganic coating layer containing Si is uniformly formed on the particle surface, and an organic component (for example, a residual organic component derived from a metal alkoxide) can be taken into the inorganic coating layer. The amount of the organic component incorporated into the inorganic coating layer can be adjusted by methods other than the drying conditions. For example, when mixing metal alkoxide, titanium oxide particles and a diluting solvent (ethanol or the like), it can also be adjusted by adding an organic solvent having a high boiling point.
また、乾燥工程において露点を調整する以外に、例えば、金属アルコキシドとチタンの酸化物の粒子と希釈溶媒(エタノール等)を混合したものを、乾燥ガス(例えば窒素、アルゴン等)を用いて置換した槽内で乾燥することによっても、有機成分の無機系被覆層内への取り込み量を調整することができる。 In addition to adjusting the dew point in the drying step, for example, a mixture of metal alkoxide and titanium oxide particles and a diluting solvent (such as ethanol) was replaced with a drying gas (such as nitrogen or argon). The amount of organic components taken into the inorganic coating layer can also be adjusted by drying in the bath.
また、被覆層中のSiO2換算でのSi量は、TiO2換算でのチタンの酸化物の重量に対して0.5〜20重量%であることが好ましい。被覆層中のSiO2換算でのSi量を20重量%以下にすることにより、電池容量の低下を抑制することができる。一方、当該Si量を0.5重量%以上にすることにより、チタンの酸化物と非水電解質との反応を抑制することができる。より好ましい範囲は0.5〜15重量%であり、さらに好ましい範囲は1〜10重量%である。Further, Si amount in terms of SiO 2 in the coating layer is preferably 0.5 to 20% by weight relative to the weight of the oxides of titanium calculated as TiO 2. By reducing the amount of Si in terms of SiO 2 in the coating layer to 20% by weight or less, a decrease in battery capacity can be suppressed. On the other hand, the reaction between titanium oxide and the nonaqueous electrolyte can be suppressed by setting the Si content to 0.5 wt% or more. A more preferable range is 0.5 to 15% by weight, and a further preferable range is 1 to 10% by weight.
C/Siモル比、TiO2換算でのチタンの酸化物の重量、SiO2換算でのSi量は、例えば、ICP(inductively coupled plasma;誘導結合高周波プラズマ分光分析)の様な湿式分析によって測定される。まず、電池内の負極の場合は、活物質が含まれる部位を取り出し、活物質に混合されている高分子材料や導電剤をソックスレー抽出法(詳細な方法を後述する)と熱処理を併用することで除去して活物質を抽出する。その活物質を酸溶媒に溶出させてICP発光分析装置によって、主として酸化チタンからなる粒子とSiを主成分とする被覆層の構成成分の全組成量を算出する。次に同活物質をエポキシ樹脂等に埋め込み後切断したサンプルをSEM(scanning electron microscope;走査電子顕微鏡)−EDX(energy-dispersive X-ray analysis;エネルギー分散X線解析)で観察することで、粒子の表面を覆う物質を確認すると共に付属のEDXで粒子と被覆物質の元素分析を行う。上記のICP分析とSEM−EDXの併用により粒子と被覆層の各成分の重量算出することができる。TEM(transmission electron microscope;透過型電子顕微鏡)−EDXで元素分析を行う場合は、被覆処理後の活物質をTEM観察用に前処理して、粒子の中心から端部に向かってEDXにより元素分析を行い、中心から端部に向かってTiのピークに対してSiのピークが増加する様子が観測される。C/Siモル比は、以下の方法で測定する。C量は赤外線吸収法などの手法により、活物質内の全炭素量を測定する。また、ICP分析で測定した活物質内の全Si量を測定する。得られたC量及びSi量からC/Si比を算出する。その際予め走査電子顕微鏡(SEM)又は透過型電子顕微鏡(TEM)などでSi及びCが活物質内部に存在しないことを確認する。The C / Si molar ratio, the weight of titanium oxide in terms of TiO 2 , and the amount of Si in terms of SiO 2 are measured by wet analysis such as ICP (inductively coupled plasma). The First, in the case of a negative electrode in a battery, a portion containing an active material is taken out, and a polymer material or a conductive agent mixed in the active material is used in combination with a Soxhlet extraction method (detailed method will be described later) and heat treatment. To remove the active material. The active material is eluted in an acid solvent, and the total composition amount of particles mainly composed of titanium oxide and the constituent components of the coating layer mainly composed of Si is calculated by an ICP emission analyzer. Next, the sample was cut by embedding the same active material in an epoxy resin, etc., and observed by SEM (scanning electron microscope) -EDX (energy-dispersive X-ray analysis). In addition to confirming the material covering the surface, the elemental analysis of the particles and the coating material is performed with the attached EDX. By the combined use of the above ICP analysis and SEM-EDX, the weight of each component of the particles and the coating layer can be calculated. TEM (Transmission Electron Microscope)-When conducting elemental analysis with EDX, the active material after coating treatment is pretreated for TEM observation, and elemental analysis is performed by EDX from the center of the particle toward the edge. In this way, it is observed that the Si peak increases from the center toward the end with respect to the Ti peak. The C / Si molar ratio is measured by the following method. The amount of C is determined by measuring the total amount of carbon in the active material by a method such as an infrared absorption method. Further, the total amount of Si in the active material measured by ICP analysis is measured. The C / Si ratio is calculated from the obtained C amount and Si amount. At that time, it is confirmed in advance by a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM) that Si and C are not present inside the active material.
(Si元素を含む無機系被覆層の確認方法)
チタンの酸化物の粒子上のSiを含む無機系被覆層の存在を確認する方法は以下の手法によって行う。活物質を1N硫酸水溶液に溶解させ、その溶液中のSi成分をICP発光分析等の分析手法を用いて調べることにより、Siを含む無機系化合物の存在を確認する。存在を確認した後、活物質粉末にピリジンを吸着させて、その粉末の赤外吸収スペクトルを観察することで、Siを含む無機系被覆層がチタンの酸化物の粒子表面に存在することを確認することができる。例えばTiO2(B)の様なチタンの酸化物の粒子をSiを含む無機系被覆層で被覆した場合について説明すると、TiO2(B)の様な固体酸では、ピリジン吸着後の粉末の赤外吸収スペクトルを取得すると、B酸点とL酸点が現れる。実施形態の手法を用いてSi元素を含む被覆層をTiO2(B)粒子表面に形成したものと、未被覆のTiO2(B)粒子それぞれにピリジンを吸着させて赤外スペクトルを調べると、L酸点のピーク(例えば1608cm−1)のみがB酸点のピーク(例えば1540cm−1)に比べ選択的に低下している様子が実施形態の活物質に観測される。(Method for confirming inorganic coating layer containing Si element)
A method for confirming the presence of the inorganic coating layer containing Si on the titanium oxide particles is performed by the following method. The presence of an inorganic compound containing Si is confirmed by dissolving the active material in a 1N aqueous sulfuric acid solution and examining the Si component in the solution using an analysis technique such as ICP emission analysis. After confirming the presence, pyridine is adsorbed on the active material powder, and the infrared absorption spectrum of the powder is observed to confirm that the inorganic coating layer containing Si is present on the titanium oxide particle surface. can do. For example, a case where titanium oxide particles such as TiO 2 (B) are coated with an inorganic coating layer containing Si will be described. With a solid acid such as TiO 2 (B), the red of the powder after pyridine adsorption. When the external absorption spectrum is acquired, B acid points and L acid points appear. When the infrared spectrum is examined by adsorbing pyridine on each of the TiO 2 (B) particle surface formed with the Si element-containing coating layer using the method of the embodiment and uncoated TiO 2 (B) particles, how peaks of the L acid sites only (e.g. 1608 cm -1) is selectively reduced as compared to the peak of B acid sites (e.g. 1540 cm -1) are observed in the active material of the embodiment.
また、実施形態の活物質をTEM−EDX観察することでチタンの酸化物の粒子表面にSiを含む無機系被覆層が存在することを直接確認することができる。無機系被覆層は非常に薄いので、SiO2換算のSi量が少ない領域ではチタンの酸化物粒子表面に被膜を形成している状態を確認できない場合がある。その際はEDXのビームを粒子中心部から端部(粒子表面側)にずらしながら測定していくと、端部に移動するに従ってSiのピーク強度が活物質構成成分のTiのピーク強度に対して相対的に増加してゆく様子が観察される。Moreover, it can confirm directly that the inorganic type coating layer containing Si exists in the particle | grain surface of the oxide of titanium by TEM-EDX observation of the active material of embodiment. Since the inorganic coating layer is very thin, it may not be possible to confirm the state in which a film is formed on the surface of the titanium oxide particles in a region where the amount of Si in terms of SiO 2 is small. In this case, if the EDX beam is measured while shifting from the particle center to the end (particle surface side), the peak intensity of Si increases with respect to the peak intensity of Ti of the active material component as it moves to the end. A relatively increasing state is observed.
(赤外拡散反射分光法)
赤外拡散反射スペクトルの測定方法について説明する。
まず、測定に供する活物質をサンプルカップに入れ、拡散反射測定装置に設置する。窒素ガスを50mL/minで流通させながら、500℃まで昇温し、1時間保持する。その後、温度を室温まで降下させ、再度100℃まで昇温する。次いで、サンプルカップを設置したセル内を減圧し、セル内にピリジン蒸気を導入し、30分間吸着させる。(Infrared diffuse reflectance spectroscopy)
A method for measuring the infrared diffuse reflection spectrum will be described.
First, an active material to be used for measurement is put in a sample cup and installed in a diffuse reflection measuring device. While flowing nitrogen gas at 50 mL / min, the temperature is raised to 500 ° C. and held for 1 hour. Thereafter, the temperature is lowered to room temperature, and the temperature is raised to 100 ° C. again. Next, the inside of the cell in which the sample cup is installed is decompressed, pyridine vapor is introduced into the cell, and is adsorbed for 30 minutes.
次いで、窒素ガスを100mL/minで流通させながら100℃で1時間保持し、その後150℃に昇温して1時間保持する。これによって、活物質に物理吸着又は水素結合したピリジンを脱離させる。その後、赤外拡散反射測定を行う。 Next, while flowing nitrogen gas at 100 mL / min, it is held at 100 ° C. for 1 hour, and then heated to 150 ° C. and held for 1 hour. As a result, pyridine physically adsorbed or hydrogen bonded to the active material is eliminated. Thereafter, infrared diffuse reflection measurement is performed.
得られたスペクトルにおいて、バックグラウンドを除外し、ピーク面積を求める。ピーク面積は、ピークの両端からベースラインを引いて求める。 In the obtained spectrum, the background is excluded and the peak area is obtained. The peak area is obtained by subtracting the baseline from both ends of the peak.
このような赤外拡散反射分光法によれば、試料中に存在する官能基が分かるため、測定試料の構成を明らかにすることができる。 According to such infrared diffuse reflection spectroscopy, the functional group present in the sample is known, and therefore the configuration of the measurement sample can be clarified.
(ソックスレー抽出法)
ソックスレー抽出法において、溶媒としてN−メチルピロリドン(NMP)を用いることにより、電極から高分子材料を取り除くことができる。ソックスレー抽出法により得られた活物質と導電剤(例えばカーボン材料)の混合物から、導電剤を酸素やオゾンなどにより酸化させ、二酸化炭素として除去することで活物質のみを抽出することができる。(Soxhlet extraction method)
In the Soxhlet extraction method, the polymer material can be removed from the electrode by using N-methylpyrrolidone (NMP) as a solvent. Only the active material can be extracted by oxidizing the conductive agent with oxygen or ozone and removing it as carbon dioxide from the mixture of the active material and the conductive agent (for example, carbon material) obtained by the Soxhlet extraction method.
実施形態における活物質であるチタンの酸化物は、TiO2(B)構造のチタンの酸化物を含むことが好ましい。TiO2(B)構造のチタンの酸化物は非水電解質と反応性が高いため、実施形態の構成にすると、電池のサイクル寿命の大幅な改善を期待できる。The titanium oxide as the active material in the embodiment preferably includes a titanium oxide having a TiO 2 (B) structure. Since the titanium oxide having the TiO 2 (B) structure has high reactivity with the non-aqueous electrolyte, the configuration of the embodiment can be expected to greatly improve the cycle life of the battery.
チタンの酸化物がTiO2(B)の結晶構造を有することは、Cu−Kαを線源とする粉末X線回折により測定することができる。粉末X線回折測定は、次のように行うことができる。まず、対象試料を平均粒子径が5μm程度となるまで粉砕する。平均粒子径はレーザー回折法によって求めることができる。粉砕した試料を、ガラス試料板上に形成された深さ0.2mmのホルダー部分に充填する。このとき、試料が十分にホルダー部分に充填されるように留意する。また、試料の充填不足によりひび割れ、空隙等がないように注意する。次いで、外部から別のガラス板を使い、充分に押し付けて平滑化する。充填量の過不足により、ホルダーの基準面より凹凸が生じることのないように注意する。次いで、試料が充填されたガラス板を粉末X線回折装置に設置し、Cu−Kα線を用いて回折パターンを取得する。なお、一般的にTiO2(B)は結晶性が低いため、サンプルによっては、粉末X線測定においてX線回折図形のピーク強度が弱く、いずれかのピークの強度が観測しにくいものもある。なお、粉末X線回折法で得られるチタンの酸化物の回折スペクトルは、被覆層中のSiO2換算でのSi量がTiO2換算でのチタンの酸化物の重量に対して0.5〜20重量%である時、被覆層にほとんど影響されずに測定することができる。さらに、そのようなTiO2(B)構造のチタンの酸化物は、異種元素を含んでいてもよい。異種元素としては、Zr、Nb、Mo、Ta、Y、P及びBから選択される少なくとも1つの元素を用いることができる。異種元素が含まれることにより、チタンの酸化物の表面のルイス酸点の影響力が抑制される。The fact that the oxide of titanium has a crystal structure of TiO 2 (B) can be measured by powder X-ray diffraction using Cu—Kα as a radiation source. The powder X-ray diffraction measurement can be performed as follows. First, the target sample is pulverized until the average particle size becomes about 5 μm. The average particle diameter can be determined by a laser diffraction method. The crushed sample is filled in a holder portion having a depth of 0.2 mm formed on a glass sample plate. At this time, care should be taken so that the sample is sufficiently filled in the holder portion. Also, be careful that there are no cracks or voids due to insufficient filling of the sample. Next, using another glass plate from the outside, it is sufficiently pressed and smoothed. Be careful not to cause unevenness from the reference surface of the holder due to excessive or insufficient filling amount. Next, the glass plate filled with the sample is placed in a powder X-ray diffractometer, and a diffraction pattern is obtained using Cu-Kα rays. In general, TiO 2 (B) has low crystallinity, so that depending on the sample, the peak intensity of the X-ray diffraction pattern is weak in powder X-ray measurement, and it is difficult to observe the intensity of any peak. The diffraction spectrum of the titanium oxide obtained by the powder X-ray diffraction method shows that the Si amount in the coating layer in terms of SiO 2 is 0.5 to 20 with respect to the weight of the titanium oxide in terms of TiO 2. When the content is% by weight, it can be measured with little influence on the coating layer. Further, the titanium oxide having such a TiO 2 (B) structure may contain a different element. As the different element, at least one element selected from Zr, Nb, Mo, Ta, Y, P, and B can be used. By including the different elements, the influence of Lewis acid sites on the surface of the titanium oxide is suppressed.
異種元素は、異種元素を含有するチタンの酸化物の総重量に対して、0.01〜8重量%の範囲で含まれることが好ましい。異種元素を0.01重量%以上含むことにより、ルイス酸点の影響力を低下させることができる。異種元素の固溶限界の観点から、8重量%以下の範囲で含まれることが好ましい。異種元素は、0.05〜3重量%の範囲で含まれることがより好ましい。異種元素を含有するチタンの酸化物中において、異種元素の含有量は、誘導結合プラズマ(ICP)発光分光分析法によって測定することができる。 The foreign element is preferably contained in a range of 0.01 to 8% by weight with respect to the total weight of the titanium oxide containing the foreign element. By containing 0.01% by weight or more of a different element, the influence of Lewis acid sites can be reduced. From the viewpoint of the solid solubility limit of different elements, it is preferably contained in the range of 8% by weight or less. More preferably, the different elements are contained in the range of 0.05 to 3% by weight. In the titanium oxide containing a different element, the content of the different element can be measured by inductively coupled plasma (ICP) emission spectroscopy.
以上説明した第1の実施形態の活物質によれば、チタンの酸化物の粒子と、チタンの酸化物の粒子の表面に存在し、Si成分及び有機成分とを含有する層とを含み、C/Siモル比が0.4以上2以下である。この活物質を用いた非水電解質電池は、抵抗増加の抑制と、サイクル寿命の向上を図ることが可能である。 The active material of the first embodiment described above includes titanium oxide particles and a layer that is present on the surface of the titanium oxide particles and contains a Si component and an organic component. / Si molar ratio is 0.4 or more and 2 or less. The nonaqueous electrolyte battery using this active material can suppress increase in resistance and improve cycle life.
(第2実施形態)
次に、第1実施形態に係る活物質の製造方法を説明する。本実施形態によれば、チタンの酸化物の粒子の表面に、Si元素を含有する金属酸化物と残留有機成分とを含む被覆層を形成してチタン酸化物の表面物性を改変することができ、第1実施形態に係る活物質を製造することができる。(Second Embodiment)
Next, the manufacturing method of the active material which concerns on 1st Embodiment is demonstrated. According to this embodiment, the surface physical properties of titanium oxide can be modified by forming a coating layer containing a metal oxide containing Si element and a residual organic component on the surface of titanium oxide particles. The active material according to the first embodiment can be manufactured.
チタン酸化物の表面にSi元素を含有する金属酸化物を含む被覆層を形成する方法としては、例えば、以下の2つの方法が挙げられる。 Examples of a method for forming a coating layer containing a metal oxide containing Si element on the surface of titanium oxide include the following two methods.
(第1の方法)
第1の方法は、チタンの酸化物粒子の粉末を、Si元素を含有する金属アルコキシドと混合して混合物を得ることと、混合物を乾燥することにより、チタンの酸化物粒子の表面に、Siを含有する金属酸化物を含む被覆層を形成することとを含む。(First method)
In the first method, titanium oxide particle powder is mixed with a metal alkoxide containing Si element to obtain a mixture, and by drying the mixture, Si is deposited on the surface of titanium oxide particles. Forming a coating layer containing the contained metal oxide.
チタンの酸化物粒子の粉末を、Si元素を含有する金属アルコキシドと、希釈有機溶媒(例えばエタノール等)と混合することにより、チタンの酸化物粒子の表面に、金属酸化物前駆体を形成することができる。次いで、この粉末を乾燥処理に供することにより、金属酸化物前駆体を重合させ、金属酸化物の被覆層を形成させることができる。このような方法は、ゾルゲル法と称される。過剰な金属酸化物前駆体や不均一な被覆層を活物質表面に形成しないために、加水分解・重合反応に要する水分を液体状態の水として外部から加えないことが望ましい。 Forming a metal oxide precursor on the surface of titanium oxide particles by mixing titanium oxide particle powder with a metal alkoxide containing Si element and a dilute organic solvent (such as ethanol). Can do. Next, by subjecting this powder to a drying treatment, the metal oxide precursor can be polymerized to form a metal oxide coating layer. Such a method is called a sol-gel method. In order not to form an excessive metal oxide precursor or a non-uniform coating layer on the surface of the active material, it is desirable not to add water required for hydrolysis / polymerization reaction from the outside as liquid water.
乾燥処理は、低温で行うことが好ましい。また無機被覆層内部に有機成分を残留させるために、乾燥温度は、0〜50℃、さらにのぞましくは10〜40℃であることが望ましい。低い温度であると加水分解・重合反応や希釈溶媒等の乾燥に要する時間が長くなってしまう。一方で、乾燥温度が高いと加水分解・重合反応や希釈溶媒の揮散が早く起こってしまうので、無機系被膜が不均一に生成されたり、溶媒が急速に揮散することで残留有機成分が減少してしまうので、望ましくない。高温により乾燥を行うと、金属酸化物前駆体や重合反応で分離した有機物が蒸発する。その結果、チタンの酸化物の粒子の表面が均一に被覆されず、被覆層が斑に存在する恐れがある。また残留有機成分が減少してサイクル特性を低下させてしまう。また乾燥温度が低すぎると乾燥終了までに要する時間が長くなってしまう。よって、乾燥処理は0〜50℃以下で行うことが望ましく、さらに、望ましくは、10〜40℃の温度で行うことがより好ましい。 The drying treatment is preferably performed at a low temperature. In order to leave the organic component inside the inorganic coating layer, the drying temperature is preferably 0 to 50 ° C., more preferably 10 to 40 ° C. If the temperature is low, the time required for the hydrolysis / polymerization reaction or drying of the diluting solvent becomes long. On the other hand, if the drying temperature is high, hydrolysis / polymerization reaction and volatilization of the diluting solvent occur quickly, so that the inorganic organic film is formed unevenly or the residual organic components are reduced due to rapid volatilization of the solvent. This is not desirable. When drying is performed at a high temperature, the metal oxide precursor and the organic matter separated by the polymerization reaction are evaporated. As a result, the surface of the titanium oxide particles may not be uniformly coated, and the coating layer may be present in spots. In addition, residual organic components are reduced and cycle characteristics are deteriorated. On the other hand, if the drying temperature is too low, it takes a long time to complete the drying. Therefore, the drying treatment is desirably performed at 0 to 50 ° C. or less, and more desirably performed at a temperature of 10 to 40 ° C.
また金属アルコキシドにおいても、メチルシリケートあるいはエチルシリケートの様なモノマーよりもポリメチルシリケート又はポリエチルシリケートなどの縮重合体を用いると、効率よく残留有機成分を無機系被膜内に残すことができるので望ましい。 Also, in the metal alkoxide, it is desirable to use a polycondensation polymer such as polymethyl silicate or polyethyl silicate rather than a monomer such as methyl silicate or ethyl silicate because the residual organic component can be efficiently left in the inorganic coating. .
さらに余分な水分がチタンの酸化物の粒子表面に取り込まれないように、湿度が低い環境で乾燥処理を行う。望ましい乾燥条件での露点は、第1の実施形態で説明したのと同様な理由により、0℃以下、さらに望ましくは−20℃、さらに望ましくは−40℃以下にする。 Furthermore, the drying process is performed in an environment with low humidity so that excess water is not taken into the surface of the titanium oxide particles. For the same reason as described in the first embodiment, the dew point under desirable drying conditions is 0 ° C. or lower, more desirably −20 ° C., and further desirably −40 ° C. or lower.
なお、このようなゾルゲル法は、チタンの酸化物がTiO2(B)構造のチタンの酸化物である場合、特に適している。TiO2(B)構造のチタンの酸化物はその触媒作用がアルコキシドの重合反応を促進するために、触媒を添加する必要がないという利点を有する。Such a sol-gel method is particularly suitable when the titanium oxide is a titanium oxide having a TiO 2 (B) structure. The titanium oxide having a TiO 2 (B) structure has an advantage that no catalyst needs to be added because the catalytic action promotes the polymerization reaction of the alkoxide.
(第2の方法)
第2の方法は、第1の方法での低露点乾燥環境の代わりに、比較的露点の高い室温大気雰囲気での乾燥により、チタンの酸化物の粒子表面に残留有機成分が混在したSiを含む無機系被膜を作製する方法である。第1の方法では、乾燥環境の過剰な水分による無機系被覆層の不均一な形成や残留有機成分の揮散を抑制するために、加水分解・重合反応に必要な水分を液体状態の水として添加せず、低露点環境で乾燥処理を行う。第2の方法で用いる室温大気環境は、比較的露点が高いため、加水分解・重合反応が進みやすく、有機成分が揮散してしまう恐れがある。残留有機成分を確保して、かつ、薄い無機系被覆層を均一に形成するため、乾燥環境中の水分と原料との接触を抑制し、かつ、残留有機成分量を確保する。その方法として、例えば、金属アルコキシドとチタンの酸化物の粒子を混合する際に用いる希釈溶媒(例えばエタノール)の一部に高沸点の有機溶媒を用いる方法が挙げられる。この手法を用いることで、比較的露点が高い環境で乾燥処理を行った場合でも、加水分解・重合反応の進行を抑制し、残留有機成分を確保することができる。高沸点有機溶媒の一例には、プロパノールやブタノールなどのアルコール類、ゾルゲル法で乾燥抑制剤に使用するジメチルホルムアミド((CH3)2NCHO:沸点153℃)及びフォルムアミド(NH2CHO:沸点210℃)などが含まれる。またこの手法は第一の方法にも適応できて、残留有機成分量を調整する方法として用いることができる。(Second method)
The second method includes Si in which residual organic components are mixed on the surface of titanium oxide particles by drying in a room temperature air atmosphere having a relatively high dew point instead of the low dew point drying environment in the first method. This is a method for producing an inorganic coating. In the first method, water necessary for hydrolysis and polymerization reaction is added as liquid water in order to suppress non-uniform formation of inorganic coating layers due to excessive moisture in the dry environment and volatilization of residual organic components. Without drying, perform the drying process in a low dew point environment. Since the room temperature air environment used in the second method has a relatively high dew point, the hydrolysis / polymerization reaction is likely to proceed, and the organic components may be volatilized. In order to secure the residual organic component and form a thin inorganic coating layer uniformly, the contact between the moisture and the raw material in the dry environment is suppressed, and the residual organic component amount is ensured. As the method, for example, a method using an organic solvent having a high boiling point as a part of a diluting solvent (for example, ethanol) used when mixing metal alkoxide and titanium oxide particles can be mentioned. By using this method, even when the drying process is performed in an environment with a relatively high dew point, the progress of hydrolysis and polymerization reaction can be suppressed and the remaining organic components can be secured. Examples of the high boiling point organic solvent include alcohols such as propanol and butanol, dimethylformamide ((CH 3 ) 2 NCHO: boiling point 153 ° C.) and formamide (NH 2 CHO: boiling point 210) used as a drying inhibitor in the sol-gel method. ° C) and the like. This method can also be applied to the first method, and can be used as a method of adjusting the amount of residual organic components.
(TiO2(B)構造のチタンの酸化物の第1の合成方法)
本実施形態において用いるチタン酸化物は、原料から合成して得られたものであってもよく、または、商業的に入手可能なものであってもよい。以下に、チタン酸化物の合成例として、TiO2(B)構造のチタンの酸化物を合成する方法を説明する。(First synthesis method of titanium oxide having TiO 2 (B) structure)
The titanium oxide used in the present embodiment may be obtained by synthesis from raw materials, or may be commercially available. Hereinafter, a method of synthesizing a titanium oxide having a TiO 2 (B) structure will be described as a synthesis example of titanium oxide.
TiO2(B)構造のチタンの酸化物の合成方法は、Tiを含有する化合物、及び、アルカリ元素を含有する化合物を混合し、加熱することにより、チタン酸アルカリ化合物を合成する工程と、チタン酸アルカリ化合物を酸と反応させて、アルカリカチオンをプロトンに交換することにより、チタン酸プロトン化合物を得る工程と、チタン酸プロトン化合物を少なくとも2回加熱処理する工程とを含む。A method for synthesizing a titanium oxide having a TiO 2 (B) structure includes a step of synthesizing an alkali titanate compound by mixing and heating a compound containing Ti and a compound containing an alkali element, and titanium. It includes a step of reacting an acid-alkali compound with an acid to exchange an alkali cation with a proton to obtain a titanate proton compound, and a step of heat-treating the titanate proton compound at least twice.
まず、出発原料として、Tiを含有する化合物、及びアルカリ元素を含有する化合物を用いる。これらの出発原料を所定の化学量論比で混合し、加熱して、チタン酸アルカリ化合物を合成する。ここで合成されたチタン酸アルカリ化合物の結晶形状は、何れの形状であってもよい。加熱処理は、800〜1100℃で行うことができる。 First, as a starting material, a compound containing Ti and a compound containing an alkali element are used. These starting materials are mixed at a predetermined stoichiometric ratio and heated to synthesize an alkali titanate compound. The crystal shape of the alkali titanate compound synthesized here may be any shape. The heat treatment can be performed at 800 to 1100 ° C.
出発原料のうち、Tiを含有する化合物には、アナターゼ型TiO2、ルチル型TiO2、TiCl4から選択される一以上の化合物を用いることができる。アルカリ元素を含有する化合物には、Na、K、又はCsを含む化合物を用いることができ、例えば、炭酸塩、水酸化物及び塩化物から選択される一以上の化合物を用いることができる。Among the starting materials, for the compound containing Ti, one or more compounds selected from anatase TiO 2 , rutile TiO 2 , and TiCl 4 can be used. As the compound containing an alkali element, a compound containing Na, K, or Cs can be used. For example, one or more compounds selected from carbonates, hydroxides, and chlorides can be used.
次に、酸処理によるプロトン交換を行う。まず、チタン酸アルカリ化合物を蒸留水でよく水洗し、不純物を除去する。その後、該チタン酸アルカリ化合物を酸処理し、チタン酸アルカリ化合物のアルカリカチオンをプロトンに交換することにより、チタン酸プロトン化合物を得ることができる。チタン酸ナトリウム、チタン酸カリウム及びチタン酸セシウムのようなチタン酸アルカリ化合物は、結晶構造を崩さずにそれらのアルカリカチオンをプロトンと交換することが可能である。 Next, proton exchange by acid treatment is performed. First, the alkali titanate compound is thoroughly washed with distilled water to remove impurities. Then, the titanate proton compound can be obtained by acid-treating the alkali titanate compound and exchanging the alkali cation of the alkali titanate compound with protons. Alkali titanate compounds such as sodium titanate, potassium titanate and cesium titanate can exchange their alkali cations with protons without breaking the crystal structure.
酸処理は、チタン酸アルカリ化合物の粉末に酸を加えて攪拌することによって行うことができる。酸は、濃度0.5〜2Mの塩酸、硝酸及び硫酸から選択される酸を用いることができる。酸処理は、アルカリカチオンがプロトンに十分に交換されるまで継続することが好ましい。酸処理の時間は、特に制限されないが、室温25℃付近で、24時間以上行うことが好ましく、1〜2週間ほど行うことがより好ましい。さらに、24時間ごとに酸溶液を新しいものと交換することがより好ましい。酸処理の条件は、例えば、室温で、1M硫酸を用いて24時間とすることができる。 The acid treatment can be performed by adding an acid to the powder of the alkali titanate compound and stirring. As the acid, an acid selected from hydrochloric acid, nitric acid and sulfuric acid having a concentration of 0.5 to 2M can be used. The acid treatment is preferably continued until the alkali cations are sufficiently exchanged for protons. The time for the acid treatment is not particularly limited, but it is preferably 24 hours or more at room temperature around 25 ° C., more preferably about 1 to 2 weeks. Furthermore, it is more preferable to replace the acid solution with a new one every 24 hours. The conditions for the acid treatment can be, for example, 24 hours at room temperature using 1M sulfuric acid.
例えば、超音波のような振動を加えながら酸処理することによって、プロトン交換をより円滑に行うことができ、好適な状態のチタン酸プロトン化合物を得ることができる。 For example, by performing an acid treatment while applying vibration such as ultrasonic waves, proton exchange can be performed more smoothly, and a titanate proton compound in a suitable state can be obtained.
また、プロトン交換をより効率的に行うために、チタン酸アルカリ化合物を、予めボールミルなどで粉砕することも好ましい。粉砕は、例えば、100cm2の容器あたり、直径10〜15mm程度のジルコニアボールを用い、600〜1000rpmの回転速度で1〜3時間ほどジルコニアボールを回転させることにより行うことができる。粉砕を1時間以上行うことにより、チタン酸アルカリ化合物を十分に粉砕することができる。粉砕時間を3時間以下にすることにより、メカノケミカル反応によって目的生成物と異なる化合物が生じることを防ぐことができる。In order to perform proton exchange more efficiently, it is also preferable to pulverize the alkali titanate compound in advance with a ball mill or the like. The pulverization can be performed, for example, by rotating a zirconia ball for about 1 to 3 hours at a rotation speed of 600 to 1000 rpm using a zirconia ball having a diameter of about 10 to 15 mm per 100 cm 2 container. By performing pulverization for 1 hour or longer, the alkali titanate compound can be sufficiently pulverized. By setting the pulverization time to 3 hours or less, it is possible to prevent a compound different from the target product from being generated by a mechanochemical reaction.
プロトン交換が完了した後、任意に、水酸化リチウム水溶液のようなアルカリ性溶液を添加し、残留した酸を中和する。得られたチタン酸プロトン化合物は、蒸留水で水洗し、次いで乾燥する。チタン酸プロトン化合物は、洗浄水のpHが6〜8の範囲に入るまで十分に水洗することが好ましい。一方で、酸処理後に残留した酸の中和や洗浄、乾燥をせずに次の工程に進むこともできる。 After the proton exchange is complete, optionally an alkaline solution such as an aqueous lithium hydroxide solution is added to neutralize the remaining acid. The obtained titanate proton compound is washed with distilled water and then dried. It is preferable that the titanate proton compound is sufficiently washed with water until the pH of the wash water falls within the range of 6-8. On the other hand, it is possible to proceed to the next step without neutralizing, washing and drying the acid remaining after the acid treatment.
次に、チタン酸プロトン化合物を少なくとも2回加熱処理する。第1の加熱処理は、350〜500℃の範囲の温度で1〜3時間行う。次いで、得られたチタン酸化物を第2の加熱処理に供する。第2の加熱処理は、200〜300℃の範囲の温度で、1〜24時間行う。さらに、200〜300℃の範囲の温度で、さらなる加熱処理を繰返してもよい。 Next, the titanate proton compound is heat-treated at least twice. The first heat treatment is performed at a temperature in the range of 350 to 500 ° C. for 1 to 3 hours. Next, the obtained titanium oxide is subjected to a second heat treatment. The second heat treatment is performed at a temperature in the range of 200 to 300 ° C. for 1 to 24 hours. Further, the further heat treatment may be repeated at a temperature in the range of 200 to 300 ° C.
以上の方法により、TiO2(B)構造のチタンの酸化物を合成することができる。なお、このような方法により得られたTiO2(B)構造のチタンの酸化物は、出発原料にLiを含む化合物を用いることにより、Liが予め含まれていても良いが、充放電によりLiが吸蔵されるものであってもよい。By the above method, a titanium oxide having a TiO 2 (B) structure can be synthesized. The titanium oxide having a TiO 2 (B) structure obtained by such a method may contain Li in advance by using a compound containing Li as a starting material. May be occluded.
(異種元素を含有するTiO2(B)構造のチタンの酸化物の第2の合成方法)
次に、異種元素を含有するTiO2(B)構造のチタンの酸化物を合成する方法を説明する。(Second method for synthesizing titanium oxide containing TiO 2 (B) structure containing different elements)
Next, a method for synthesizing a titanium oxide having a TiO 2 (B) structure containing a different element will be described.
該方法は、Tiを含有する化合物、アルカリ元素を含有する化合物、及び、異種元素を含有する化合物を混合し、加熱することにより、異種元素を含有するチタン酸アルカリ化合物を合成する工程と、異種元素を含有するチタン酸アルカリ化合物を酸と反応させて、アルカリカチオンをプロトンに交換することにより、異種元素を含有するチタン酸プロトン化合物を得る工程と、異種元素を含有するチタン酸プロトン化合物を加熱処理することにより、単斜晶系二酸化チタンの結晶構造を有し、異種元素を含有するチタンの酸化物を生成する工程とを含む。 The method includes a step of synthesizing an alkali titanate compound containing a different element by mixing and heating a compound containing Ti, a compound containing an alkaline element, and a compound containing a different element, A process of obtaining a titanate proton compound containing a different element by reacting an alkali titanate compound containing an element with an acid to exchange an alkali cation with a proton, and heating the titanate proton compound containing a different element And a step of producing an oxide of titanium having a monoclinic titanium dioxide crystal structure and containing a different element.
まず、出発原料として、Tiを含有する化合物、アルカリ元素を含有する化合物、及び、異種元素を含有する化合物を用いる。これらの出発原料を所定の化学量論比で混合し、加熱して、異種元素を含有するチタン酸アルカリ化合物を合成する。ここで合成されたチタン酸アルカリ化合物の結晶形状は、何れの形状であってもよい。加熱処理は、これに限定されないが、800〜1100℃で行うことができる。 First, as a starting material, a compound containing Ti, a compound containing an alkali element, and a compound containing a different element are used. These starting materials are mixed at a predetermined stoichiometric ratio and heated to synthesize an alkali titanate compound containing a different element. The crystal shape of the alkali titanate compound synthesized here may be any shape. Although heat processing is not limited to this, It can carry out at 800-1100 degreeC.
出発原料のうち、Tiを含有する化合物及びアルカリ元素を含有する化合物は、第1の合成方法で記載したものを用いることができる。 Among the starting materials, compounds described in the first synthesis method can be used as the compound containing Ti and the compound containing an alkali element.
異種元素を含有する化合物には、Zr、Nb、Mo、Ta、Y、P及びBから選択される少なくとも1つの元素を含む化合物を用いることができ、例えば、炭酸塩、及び水酸化物などから選択される一以上の化合物を用いることができる。 As the compound containing a different element, a compound containing at least one element selected from Zr, Nb, Mo, Ta, Y, P and B can be used, for example, from carbonate, hydroxide, and the like. One or more selected compounds can be used.
異種元素を含有するチタン酸アルカリ化合物の例には、異種元素を含有するチタン酸ナトリウム、チタン酸カリウム及びチタン酸セシウムが含まれるが、これらに限定されない。 Examples of alkali titanate compounds containing different elements include, but are not limited to, sodium titanate, potassium titanate and cesium titanate containing different elements.
次に、酸処理によるプロトン交換を行う。まず、異種元素を含有するチタン酸アルカリ化合物を蒸留水でよく水洗し、不純物を除去する。その後、該チタン酸アルカリ化合物を酸処理し、チタン酸アルカリ化合物のアルカリカチオンをプロトンに交換することにより、異種元素を含有するチタン酸プロトン化合物を得ることができる。チタン酸ナトリウム、チタン酸カリウム及びチタン酸セシウムのようなチタン酸アルカリ化合物は、結晶構造を崩さずにそれらのアルカリカチオンをプロトンと交換することが可能であり、異種元素を含有するチタン酸アルカリ化合物も同様である。 Next, proton exchange by acid treatment is performed. First, an alkali titanate compound containing a different element is thoroughly washed with distilled water to remove impurities. Then, the titanate proton compound containing a different element can be obtained by acid-treating the alkali titanate compound and exchanging the alkali cation of the alkali titanate compound with a proton. Alkali titanate compounds such as sodium titanate, potassium titanate and cesium titanate are capable of exchanging their alkali cations with protons without breaking the crystal structure and containing different elements Is the same.
酸処理は、チタン酸アルカリ化合物の粉末に酸を加えて攪拌することによって行うことができる。酸は、濃度0.5〜2Mの塩酸、硝酸及び硫酸から選択される酸を用いることができる。酸処理は、アルカリカチオンがプロトンに十分に交換されるまで継続することが好ましい。酸処理の時間は、特に制限されないが、室温25℃付近で、濃度1M程度の塩酸を用いた場合、24時間以上行うことが好ましく、1〜2週間ほど行うことがより好ましい。さらに、24時間ごとに酸溶液を新しいものと交換することがより好ましい。第1の合成方法で記載したように、超音波のような振動を加えながら酸処理してもよい。また、プロトン交換をより効率的に行うために、チタン酸アルカリ化合物を予めボールミルなどで粉砕することも好ましい。 The acid treatment can be performed by adding an acid to the powder of the alkali titanate compound and stirring. As the acid, an acid selected from hydrochloric acid, nitric acid and sulfuric acid having a concentration of 0.5 to 2M can be used. The acid treatment is preferably continued until the alkali cations are sufficiently exchanged for protons. The time for the acid treatment is not particularly limited, but when hydrochloric acid having a concentration of about 1M is used at around room temperature of 25 ° C., it is preferably performed for 24 hours or more, and more preferably for about 1 to 2 weeks. Furthermore, it is more preferable to replace the acid solution with a new one every 24 hours. As described in the first synthesis method, acid treatment may be performed while applying vibration such as ultrasonic waves. In order to perform proton exchange more efficiently, it is also preferable to pulverize the alkali titanate compound in advance with a ball mill or the like.
プロトン交換が完了した後、任意に、水酸化リチウム水溶液のようなアルカリ性溶液を添加し、残留した酸を中和する。得られた異種元素を含有するチタン酸プロトン化合物は、蒸留水で水洗し、次いで乾燥する。チタン酸プロトン化合物は、洗浄水のpHが6〜8の範囲に入るまで十分に水洗することが好ましい。一方で、酸処理後に残留した酸の中和や洗浄、乾燥をせずに次の工程に進むこともできる。 After the proton exchange is complete, optionally an alkaline solution such as an aqueous lithium hydroxide solution is added to neutralize the remaining acid. The obtained titanate proton compound containing a different element is washed with distilled water and then dried. It is preferable that the titanate proton compound is sufficiently washed with water until the pH of the wash water falls within the range of 6-8. On the other hand, it is possible to proceed to the next step without neutralizing, washing and drying the acid remaining after the acid treatment.
次に、異種元素を含有するチタン酸プロトン化合物を加熱処理することにより、異種元素を含有するTiO2(B)構造のチタンの酸化物を得ることができる。Next, by subjecting the titanate proton compound containing the different element to heat treatment, an oxide of titanium having a TiO 2 (B) structure containing the different element can be obtained.
加熱処理温度は、チタン酸プロトン化合物体の組成や粒子径、結晶形状のような条件により最適な温度が異なるため、チタン酸プロトン化合物に依存して適宜決定されるが、250〜500℃の範囲であることが好ましい。250℃以上であると、結晶性が良好であり、H2Ti8O17の不純物相の生成が抑制され、電極容量、充放電効率、繰り返し特性も良好である。一方、500℃以下であると、H2Ti8O17並びにアナターゼ型TiO2の不純物相の生成が抑制されるため、電極容量の低下を防ぐことができる。より好ましい加熱処理温度は、300〜400℃である。The heat treatment temperature is appropriately determined depending on the titanate proton compound because the optimum temperature differs depending on the conditions such as the composition, particle diameter, and crystal shape of the titanate proton compound body, but is in the range of 250 to 500 ° C. It is preferable that When it is 250 ° C. or higher, the crystallinity is good, the generation of an impurity phase of H 2 Ti 8 O 17 is suppressed, and the electrode capacity, charge / discharge efficiency, and repeatability are also good. On the other hand, when the temperature is 500 ° C. or lower, the generation of impurity phases of H 2 Ti 8 O 17 and anatase TiO 2 is suppressed, so that a reduction in electrode capacity can be prevented. A more preferable heat treatment temperature is 300 to 400 ° C.
加熱時間は、温度に応じて30分以上24時間以下の範囲に設定できる。例えば、300℃以上400℃以下の温度の場合、1時間以上3時間以下にすることができる。 The heating time can be set in a range of 30 minutes to 24 hours depending on the temperature. For example, in the case of a temperature of 300 ° C. or higher and 400 ° C. or lower, the temperature can be 1 hour or longer and 3 hours or shorter.
以上の方法により、異種元素を含有するTiO2(B)構造のチタンの酸化物を合成することができる。なお、このような方法により得られたTiO2(B)構造のチタンの酸化物は、出発原料にLiを含む化合物を用いることにより、Liが予め含まれていても良いが、充放電によりLiが吸蔵されるものであってもよい。By the above method, a titanium oxide having a TiO 2 (B) structure containing a different element can be synthesized. The titanium oxide having a TiO 2 (B) structure obtained by such a method may contain Li in advance by using a compound containing Li as a starting material. May be occluded.
以上説明した第1又は第2の合成方法で得られたTiO2(B)粒子に第一の方法および第二の方法に示した手法でTiO2(B)粒子表面上にSiを含む無機系被覆層を作製することで、C/Siのモル比が0.4以上2以下を満たす被覆層を有するチタンの酸化物の粒子を製造することができる。このような活物質を用いることにより、抵抗増加が抑制され、サイクル寿命が向上された非水電解質電池を実現することができる。An inorganic system containing Si on the surface of the TiO 2 (B) particles by the method shown in the first method and the second method for the TiO 2 (B) particles obtained by the first or second synthesis method described above. By producing the coating layer, titanium oxide particles having a coating layer having a C / Si molar ratio of 0.4 or more and 2 or less can be produced. By using such an active material, it is possible to realize a nonaqueous electrolyte battery in which increase in resistance is suppressed and cycle life is improved.
(第3の実施形態)
第3の実施形態の非水電解質電池は、第1の実施形態の活物質を含む負極と、正極と、非水電解質とを含む。(Third embodiment)
The nonaqueous electrolyte battery of the third embodiment includes a negative electrode including the active material of the first embodiment, a positive electrode, and a nonaqueous electrolyte.
第3実施形態に係る非水電解質電池を、図面を参照してより具体的に説明する。図1は、扁平型非水電解質電池の断面図である。図2は図1のA部の拡大断面図である。なお、各図は発明の説明とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる点があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜設計変更することができる。 The nonaqueous electrolyte battery according to the third embodiment will be described more specifically with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view of a flat type nonaqueous electrolyte battery. FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a portion A in FIG. Each figure is a schematic diagram for facilitating the explanation and understanding of the invention, and its shape, dimensions, ratio, etc. are different from the actual device, but these are considered in consideration of the following explanation and known techniques. The design can be changed as appropriate.
扁平状の捲回電極群1は、2枚の樹脂層の間に金属層を介在したラミネートフィルムからなる袋状外装部材2内に収納されている。扁平状の捲回電極群1は、外側から負極3、セパレータ4、正極5、セパレータ4の順で積層した積層物を渦巻状に捲回し、プレス成型することにより形成される。 The flat
負極3は、負極集電体3aと負極活物質含有層3bから構成される。最外層の負極3は、図2に示すように負極集電体3aの内面側の片面に負極活物質含有層3bを形成した構成を有する。その他の負極3は、負極集電体3aの両面に負極活物質含有層3bが形成されている。 The negative electrode 3 includes a negative electrode current collector 3a and a negative electrode active material-containing layer 3b. As shown in FIG. 2, the outermost negative electrode 3 has a configuration in which a negative electrode active material-containing layer 3b is formed on one surface on the inner surface side of the negative electrode current collector 3a. In the other negative electrode 3, negative electrode active material-containing layers 3b are formed on both surfaces of the negative electrode current collector 3a.
正極5は、正極集電体5aの両面に正極活物質含有層5bが形成されている。 In the positive electrode 5, positive electrode active material-containing layers 5b are formed on both surfaces of the positive electrode current collector 5a.
捲回電極群1の外周端近傍において、負極端子6は最外層の負極3の負極集電体3aに接続され、正極端子7は内側の正極5の正極集電体5aに接続されている。これらの負極端子6及び正極端子7は、袋状外装部材2の開口部から外部に延出されている。例えば液状非水電解質は、袋状外装部材2の開口部から注入されている。袋状外装部材2の開口部を負極端子6及び正極端子7を挟んだ状態でヒートシールすることにより捲回電極群1及び液状非水電解質が外装部材内に封止される。 In the vicinity of the outer peripheral end of the
以下、実施形態の非水電解質電池に用いられる負極、正極、非水電解質、セパレータ、外装部材、正極端子、負極端子について詳細に説明する。 Hereinafter, the negative electrode, the positive electrode, the nonaqueous electrolyte, the separator, the exterior member, the positive electrode terminal, and the negative electrode terminal used in the nonaqueous electrolyte battery of the embodiment will be described in detail.
(負極)
負極は、負極集電体及び負極活物質含有層を含む。負極活物質含有層は、負極活物質、導電剤及び結着剤を含む。負極活物質含有層は、負極集電体の片面若しくは両面に形成される。(Negative electrode)
The negative electrode includes a negative electrode current collector and a negative electrode active material-containing layer. The negative electrode active material-containing layer includes a negative electrode active material, a conductive agent, and a binder. The negative electrode active material-containing layer is formed on one side or both sides of the negative electrode current collector.
活物質として、第1実施形態の活物質が用いられる。このような活物質は、例えば、第2の実施形態の方法で製造することができる。このような活物質は、前述したように抵抗増加が抑制されたものである。それ故、そのような活物質を含む負極を用いることにより、非水電解質電池のサイクル寿命を向上することができる。 As the active material, the active material of the first embodiment is used. Such an active material can be manufactured, for example, by the method of the second embodiment. Such an active material is one in which an increase in resistance is suppressed as described above. Therefore, the cycle life of the nonaqueous electrolyte battery can be improved by using a negative electrode containing such an active material.
なお、活物質として、TiO2(B)以外のチタン酸化物を含んでもよい。他の活物質の例には、スピネル構造を有するチタン酸リチウム(例えばLi4+xTi5O12(0≦x≦3)、Ramsdellite型構造を有するLi2Ti3O7、LiTiNbO5、LiTi3P3O12、ルチル構造を有するTiO2、TiO2−P2O5(TiP2O7など)、TiO2−V2O5,TiO2−Nb2O5,MgTi2O5,TiNb2O7,TiO2−SnO2,TiO2−P2O5−MeO(MeはCu,Ni,Fe及びCoから選択される少なくとも1種類の元素)系化合物が含まれる。活物質の種類は、1種類又は2種類以上にすることができる。Note that a titanium oxide other than TiO 2 (B) may be included as an active material. Examples of other active materials include lithium titanate having a spinel structure (for example, Li 4 + x Ti 5 O 12 (0 ≦ x ≦ 3), Li 2 Ti 3 O 7 having a Ramsdellite structure, LiTiNbO 5 , LiTi 3 P 3 O 12 , TiO 2 having a rutile structure, TiO 2 —P 2 O 5 (such as TiP 2 O 7 ), TiO 2 —V 2 O 5 , TiO 2 —Nb 2 O 5 , MgTi 2 O 5 , TiNb 2 O 7 , TiO 2 —SnO 2 , TiO 2 —P 2 O 5 —MeO (Me is at least one element selected from Cu, Ni, Fe and Co) based compounds. There can be more than one type.
導電剤は、集電性能を高め、活物質と集電体との接触抵抗を抑える。導電剤の例には、アセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛、カーボンナノファイバー、及びカーボンナノチューブが含まれる。導電剤の種類は、1種類又は2種類以上にすることができる。 The conductive agent improves current collection performance and suppresses contact resistance between the active material and the current collector. Examples of the conductive agent include acetylene black, carbon black, graphite, carbon nanofiber, and carbon nanotube. The type of conductive agent can be one type or two or more types.
結着剤は、活物質、導電剤及び集電体を結着させる。結着剤の例には、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)、セルロース系水溶性高分子(カルボキシメチルセルロース(CMC)など)、フッ素系ゴム、及びスチレンブタジェンゴムが含まれる。結着剤の種類は、1種類又は2種類以上にすることができる。 The binder binds the active material, the conductive agent, and the current collector. Examples of the binder include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), a water-soluble cellulose-based polymer (such as carboxymethyl cellulose (CMC)), a fluorine-based rubber, and a styrene butadiene rubber. . The type of the binder can be one type or two or more types.
負極活物質含有層中の活物質、導電剤及び結着剤は、それぞれ70重量%以上96重量%以下、2重量%以上28重量%以下、及び2重量%以上28重量%以下の割合で配合することが好ましい。導電剤の量を2重量%以上にすることにより、負極活物質含有層の集電性能を向上させることができる。また、結着剤の量を2重量%以上にすることにより、負極活物質含有層と集電体の結着性を向上させることができる。一方、導電剤及び結着剤はそれぞれ28重量%以下にすることが高容量化を図る上で好ましい。 The active material, the conductive agent, and the binder in the negative electrode active material-containing layer are blended in proportions of 70% to 96% by weight, 2% to 28% by weight, and 2% to 28% by weight, respectively. It is preferable to do. By setting the amount of the conductive agent to 2% by weight or more, the current collecting performance of the negative electrode active material-containing layer can be improved. Moreover, the binding property of a negative electrode active material content layer and a collector can be improved by making the quantity of a binder into 2 weight% or more. On the other hand, the conductive agent and the binder are each preferably 28% by weight or less in order to increase the capacity.
負極集電体は、1V(v.s.Li+/Li)よりも貴である電位範囲において電気化学的に安定である材料から形成されることが望ましい。このような材料の例には、アルミニウム箔、Mg、Ti、Zn、Mn、Fe、Cu、及びSiよりなる群から選択される少なくとも1種類の元素を含むアルミニウム合金箔が含まれる。The negative electrode current collector is desirably formed of a material that is electrochemically stable in a potential range nobler than 1 V (vsLi + / Li). Examples of such materials include aluminum foil, aluminum alloy foil containing at least one element selected from the group consisting of Mg, Ti, Zn, Mn, Fe, Cu, and Si.
負極は、例えば次の方法により作製することができる。まず、負極活物質、導電剤及び結着剤を溶媒に懸濁してスラリーを調製する。このスラリーを、負極集電体の片面又は両面に塗布し、乾燥して、負極活物質含有層を形成する。その後、プレスを施す。或いは、負極活物質、導電剤及び結着剤をペレット状に形成し、負極活物質含有層として用いることもできる。 The negative electrode can be produced, for example, by the following method. First, a negative electrode active material, a conductive agent, and a binder are suspended in a solvent to prepare a slurry. This slurry is applied to one or both sides of the negative electrode current collector and dried to form a negative electrode active material-containing layer. Then press. Alternatively, the negative electrode active material, the conductive agent, and the binder can be formed into a pellet and used as the negative electrode active material-containing layer.
(正極)
正極は、正極集電体及び正極活物質含有層を含む。正極活物質含有層は、正極活物質、導電剤及び結着剤を含む。正極活物質含有層は、正極集電体の片面若しくは両面に形成される。(Positive electrode)
The positive electrode includes a positive electrode current collector and a positive electrode active material-containing layer. The positive electrode active material-containing layer includes a positive electrode active material, a conductive agent, and a binder. The positive electrode active material-containing layer is formed on one side or both sides of the positive electrode current collector.
活物質は、例えば、酸化物又はポリマーを用いることができる。活物質の種類は、1種類又は2種類以上にすることができる。
酸化物の例には、リチウムを吸蔵放出することが可能な二酸化マンガン(MnO2)、酸化鉄、酸化銅または酸化ニッケル;リチウムマンガン複合酸化物(例えば、LixMn2O4又はLixMnO2(0<x≦1);リチウムニッケル複合酸化物(例えば、LixNiO2(0<x≦1));リチウムコバルト複合酸化物(例えば、LixCoO2(0<x≦1));リチウムニッケルコバルト複合酸化物(例えば、LixNi1-yCoyO2(0<x≦1、0<y<1));リチウムマンガンコバルト複合酸化物(例えば、LixMnyCo1-yO2(0<x≦1、0<y<1));リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物(例えば、LiNi1-y-zCoyMnzO2(0<1−y−z<1、0<y<1、0<z<1));リチウムニッケルコバルトアルミニウム複合酸化物(例えば、LiNi1-y-zCoyAlzO2(0<1−y−z<1、0<y<1、0<z<1));スピネル構造を有するリチウムマンガンニッケル複合酸化物(例えば、LixMn2-yNiyO4(0<x≦1、0<y<2));オリビン構造を有するリチウムリン酸化物(例えば、LixFePO4、LixFe1-yMnyPO4、LixCoPO4(0<x≦1、0<y<1));硫酸鉄(Fe2(SO4)3);及びバナジウム酸化物(例えば、V2O5)が含まれる。活物質として、これらの化合物を単独で用いてもよく、或いは、複数の化合物を組合せて用いてもよい。For example, an oxide or a polymer can be used as the active material. The type of active material can be one type or two or more types.
Examples of oxides include manganese dioxide (MnO 2 ), iron oxide, copper oxide or nickel oxide capable of occluding and releasing lithium; lithium manganese composite oxides (eg, Li x Mn 2 O 4 or Li x MnO 2 (0 <x ≦ 1); lithium nickel composite oxide (for example, Li x NiO 2 (0 <x ≦ 1)); lithium cobalt composite oxide (for example, Li x CoO 2 (0 <x ≦ 1)) ; lithium-nickel-cobalt composite oxide (e.g., Li x Ni 1-y Co y O 2 (0 <x ≦ 1,0 <y <1)); lithium-manganese-cobalt composite oxide (e.g., Li x Mn y Co 1 -y O 2 (0 <x ≦ 1, 0 <y <1)); lithium nickel cobalt manganese composite oxide (for example, LiNi 1-yz Co y Mn z O 2 (0 <1-yz <1, 0 <y <1, 0 <z <1)); lithium nickel cobalt aluminum composite oxide (for example, LiNi 1-yz Co y Al z O 2 (0 <1-yz <1, 0 <y <1, 0 <z <1)); lithium manganese nickel composite oxide having a spinel structure (for example, Li x Mn 2-y Ni y O 4 (0 <x ≦ 1,0 <y <2)); lithium phosphates having an olivine structure (e.g., Li x FePO 4, Li x Fe 1-y Mn y PO 4, Li x CoPO 4 ( 0 <x ≦ 1, 0 <y <1)); iron sulfate (Fe 2 (SO 4 ) 3 ); and vanadium oxide (eg, V 2 O 5 ). They may be used alone or in combination with a plurality of compounds.
ポリマーの例には、ポリアニリン及びポリピロールのような導電性ポリマー材料、及び、ジスルフィド系ポリマー材料が含まれる。 Examples of the polymer include conductive polymer materials such as polyaniline and polypyrrole, and disulfide-based polymer materials.
また、イオウ(S)又はフッ化カーボンも活物質として使用できる。 Also, sulfur (S) or carbon fluoride can be used as an active material.
より好ましい活物質の例には、正極電圧が高いリチウムマンガン複合酸化物(LixMn2O4(0<x≦1))、スピネル構造を有するリチウムマンガンニッケル複合酸化物(LixMn2 -yNiyO4(0<x≦1、0<y<2))、リチウムニッケル複合酸化物(LixNiO2(0<x≦1))、リチウムコバルト複合酸化物(LixCoO2(0<x≦1))、リチウムニッケルコバルト複合酸化物(LixNi1-yCoyO2(0<x≦1、0<y<1))、リチウムマンガンコバルト複合酸化物(LixMnyCo1-yO2(0<x≦1、0<y<1))、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物(例えばLiNi1-y-zCoyMnzO2(0<1−y−z<1、0<y<1、0<z<1))及びリチウムリン酸鉄(LixFePO4(0<x≦1))が含まれる。Examples of more preferable active materials include a lithium manganese composite oxide (Li x Mn 2 O 4 (0 <x ≦ 1)) having a high positive electrode voltage and a lithium manganese nickel composite oxide having a spinel structure (Li x Mn 2 − y Ni y O 4 (0 <x ≦ 1, 0 <y <2)), lithium nickel composite oxide (Li x NiO 2 (0 <x ≦ 1)), lithium cobalt composite oxide (Li x CoO 2 ( 0 <x ≦ 1)), a lithium nickel cobalt composite oxide (Li x Ni 1-y coyO 2 (0 <x ≦ 1,0 <y <1)), lithium manganese cobalt composite oxide (Li x Mn y Co 1-y O 2 (0 < x ≦ 1,0 <y <1)), a lithium nickel cobalt manganese complex oxide (e.g., LiNi 1-yz Co y Mn z O 2 (0 <1-yz <1, 0 <y <1, 0 <z <1)) and lithium iron phosphate (Li x FePO 4 (0 <x ≦ 1)).
導電剤は、集電性能を高め、且つ活物質と集電体との接触抵抗を抑える。導電剤の例には、アセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛、カーボンナノファイバー、及びカーボンナノチューブのような炭素質物が含まれる。導電剤の種類は、1種類又は2種類以上にすることができる。 The conductive agent improves the current collecting performance and suppresses the contact resistance between the active material and the current collector. Examples of the conductive agent include carbonaceous materials such as acetylene black, carbon black, graphite, carbon nanofiber, and carbon nanotube. The type of conductive agent can be one type or two or more types.
結着剤は、活物質、導電剤、及び集電体とを結着させる。結着剤の例は、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)及びフッ素系ゴムが含まれる。結着剤の種類は、1種類又は2種類以上にすることができる。 The binder binds the active material, the conductive agent, and the current collector. Examples of the binder include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), and fluorine-based rubber. The type of the binder can be one type or two or more types.
正極活物質含有層中の活物質、導電剤及び結着剤は、それぞれ80重量%以上95重量%以下、3重量%以上18重量%以下、及び2重量%以上17重量%以下の割合で配合することが好ましい。導電剤は、3重量%以上の量にすることにより上述した効果を発揮することができる。導電剤は、18重量%以下の量にすることにより高温保存下での導電剤表面での非水電解質の分解を低減することができる。結着剤は、2重量%以上の量にすることにより十分な正極強度が得られる。結着剤は、17重量%以下の量にすることにより、正極中の絶縁材料である結着剤の配合量を減少させ、内部抵抗を減少できる。 The active material, the conductive agent, and the binder in the positive electrode active material-containing layer are blended at a ratio of 80% to 95% by weight, 3% to 18% by weight, and 2% to 17% by weight, respectively. It is preferable to do. The conductive agent can exert the above-described effects by setting the amount to 3% by weight or more. By making the amount of the conductive agent 18% by weight or less, decomposition of the non-aqueous electrolyte on the surface of the conductive agent under high temperature storage can be reduced. Sufficient positive electrode strength can be obtained by setting the binder to an amount of 2% by weight or more. By setting the amount of the binder to 17% by weight or less, the amount of the binder, which is an insulating material in the positive electrode, can be reduced, and the internal resistance can be reduced.
集電体は、アルミニウム箔、又は、Mg、Ti、Zn、Mn、Fe、Cu、及びSiから選択される一以上の元素を含むアルミニウム合金箔から形成されることが好ましい。 The current collector is preferably formed from an aluminum foil or an aluminum alloy foil containing one or more elements selected from Mg, Ti, Zn, Mn, Fe, Cu, and Si.
正極は、例えば次の方法により作製することができる。まず、正極活物質、導電剤及び結着剤を溶媒に懸濁してスラリーを調製する。このスラリーを、正極集電体の片面又は両面に塗布し、乾燥して、正極活物質含有層を形成する。その後、プレスを施す。或いは、正極活物質、導電剤及び結着剤をペレット状に形成し、正極活物質含有層として用いることもできる。 The positive electrode can be produced, for example, by the following method. First, a positive electrode active material, a conductive agent, and a binder are suspended in a solvent to prepare a slurry. This slurry is applied to one or both sides of the positive electrode current collector and dried to form a positive electrode active material-containing layer. Then press. Alternatively, the positive electrode active material, the conductive agent, and the binder can be formed into a pellet and used as the positive electrode active material-containing layer.
(非水電解質)
非水電解質としては、液状非水電解質又はゲル状非水電解質を用いることができる。液状非水電解質は、電解質を有機溶媒に溶解することにより調製される。電解質の濃度は、0.5〜2.5 mol/lの範囲であることが好ましい。ゲル状非水電解質は、液状電解質と高分子材料を複合化することにより調製される。(Nonaqueous electrolyte)
As the non-aqueous electrolyte, a liquid non-aqueous electrolyte or a gel non-aqueous electrolyte can be used. The liquid non-aqueous electrolyte is prepared by dissolving the electrolyte in an organic solvent. The concentration of the electrolyte is preferably in the range of 0.5 to 2.5 mol / l. The gel-like nonaqueous electrolyte is prepared by combining a liquid electrolyte and a polymer material.
電解質の例には、過塩素酸リチウム(LiClO4)、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4)、六フッ化砒酸リチウム(LiAsF6)、トリフルオロメタスルホン酸リチウム(LiCF3SO3)、及びビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム[LiN(CF3SO2)2]のようなリチウム塩及びそれらの混合物が含まれる。電解質は、高電位でも酸化し難いものであることが好ましく、LiPF6が最も好ましい。Examples of electrolytes include lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium hexafluoroarsenate (LiAsF 6 ), trifluorometa Lithium salts such as lithium sulfonate (LiCF 3 SO 3 ) and lithium bistrifluoromethylsulfonylimide [LiN (CF 3 SO 2 ) 2 ] and mixtures thereof are included. The electrolyte is preferably one that is not easily oxidized even at a high potential, and LiPF 6 is most preferred.
有機溶媒の例は、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ビニレンカーボネートのような環状カーボネート;ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、メチルエチルカーボネート(MEC)のような鎖状カーボネート;テトラヒドロフラン(THF)、2メチルテトラヒドロフラン(2MeTHF)、ジオキソラン(DOX)のような環状エーテル;ジメトキシエタン(DME)、ジエトキシエタン(DEE)のような鎖状エーテル;又はγ−ブチロラクトン(GBL)、アセトニトリル(AN)、スルホラン(SL)を含む。これらの有機溶媒は、単独で又は2種類以上を組合せて用いることができる。 Examples of organic solvents are cyclic carbonates such as propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), vinylene carbonate; chain carbonates such as diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), and methyl ethyl carbonate (MEC). Cyclic ethers such as tetrahydrofuran (THF), 2-methyltetrahydrofuran (2MeTHF), dioxolane (DOX); chain ethers such as dimethoxyethane (DME) and diethoxyethane (DEE); or γ-butyrolactone (GBL), Contains acetonitrile (AN) and sulfolane (SL). These organic solvents can be used alone or in combination of two or more.
より好ましい有機溶媒の例には、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、及びメチルエチルカーボネート(MEC)からなる群のうち、少なくとも2つ以上を混合した混合溶媒、及び、γ−ブチロラクトン(GBL)を含む混合溶媒が含まれる。このような混合溶媒を用いることによって、低温特性の優れた非水電解質電池を得ることができる。 Examples of more preferable organic solvents include at least two or more of the group consisting of propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), and methyl ethyl carbonate (MEC). And a mixed solvent containing γ-butyrolactone (GBL). By using such a mixed solvent, a nonaqueous electrolyte battery having excellent low temperature characteristics can be obtained.
高分子材料の例には、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリエチレンオキサイド(PEO)が含まれる。 Examples of the polymer material include polyvinylidene fluoride (PVdF), polyacrylonitrile (PAN), and polyethylene oxide (PEO).
(セパレータ)
セパレータには、例えば、多孔質フィルム、合成樹脂製不織布等を用いることができる。セパレータを構成する材料の例には、ポリオレフィン系樹脂(例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン)、セルロース及びポリフッ化ビニリデン(PVdF)が含まれる。材料の種類は、1種類又は2種類以上にすることができる。中でも、ポリエチレン又はポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂からなる多孔質フィルムは、一定温度において溶融し、電流を遮断することが可能であり、安全性向上の観点から好ましい。(Separator)
For the separator, for example, a porous film, a synthetic resin nonwoven fabric, or the like can be used. Examples of the material constituting the separator include polyolefin resins (for example, polyethylene and polypropylene), cellulose, and polyvinylidene fluoride (PVdF). The type of material can be one type or two or more types. Especially, the porous film which consists of polyolefin resin, such as polyethylene or a polypropylene, can melt | dissolve at fixed temperature and can interrupt | block an electric current and is preferable from a viewpoint of a safety improvement.
(外装部材)
外装部材としては、ラミネートフィルム製の袋状容器又は金属製容器が用いられる。(Exterior material)
As the exterior member, a laminated film bag-like container or a metal container is used.
形状としては、扁平型、角型、円筒型、コイン型、ボタン型、シート型、積層型等が挙げられる。なお、無論、携帯用電子機器等に積載される小型電池の他、二輪乃至四輪の自動車等に積載される大型電池でも良い。 Examples of the shape include a flat type, a square type, a cylindrical type, a coin type, a button type, a sheet type, and a laminated type. Of course, in addition to a small battery mounted on a portable electronic device or the like, a large battery mounted on a two-wheel to four-wheel automobile or the like may be used.
ラミネートフィルムとしては、樹脂フィルム間に金属層を介在した多層フィルムが用いられる。金属層は、軽量化のためにアルミニウム箔もしくはアルミニウム合金箔が好ましい。樹脂フィルムには、例えばポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、ナイロン、及びポリエチレンテレフタレート(PET)のような高分子材料を1種類以上用いることができる。ラミネートフィルムは、熱融着によりシールを行って外装部材の形状に成形することができる。ラミネートフィルムは、肉厚が0.2mm以下であることが好ましい。 As the laminate film, a multilayer film in which a metal layer is interposed between resin films is used. The metal layer is preferably an aluminum foil or an aluminum alloy foil for weight reduction. For the resin film, for example, one or more polymer materials such as polypropylene (PP), polyethylene (PE), nylon, and polyethylene terephthalate (PET) can be used. The laminate film can be formed into the shape of an exterior member by sealing by heat sealing. The laminate film preferably has a thickness of 0.2 mm or less.
金属製容器は、アルミニウム又はアルミニウム合金から形成されることができる。アルミニウム合金は、マグネシウム、亜鉛及びケイ素のような元素を少なくとも1種類含むことが好ましい。一方、鉄、銅、ニッケル、クロム等の1種類以上の遷移金属の含有量は100重量ppm以下にすることが好ましい。これにより、高温環境下での長期信頼性、放熱性を飛躍的に向上させることが可能となる。金属製容器は、肉厚が0.5mm以下であることが好ましく、肉厚が0.2mm以下であることがより好ましい。 The metallic container can be formed from aluminum or an aluminum alloy. The aluminum alloy preferably contains at least one element such as magnesium, zinc and silicon. On the other hand, the content of one or more transition metals such as iron, copper, nickel and chromium is preferably 100 ppm by weight or less. Thereby, it becomes possible to dramatically improve long-term reliability and heat dissipation in a high temperature environment. The metal container preferably has a thickness of 0.5 mm or less, and more preferably has a thickness of 0.2 mm or less.
(正極端子)
正極端子は、Li電位に対して3.0V(v.s.Li+/Li)以上4.25V(v.s.Li+/Li)以下の範囲において電気的に安定であり、且つ導電性を有する材料から形成される。アルミニウム、或いは、Mg、Ti、Zn、Mn、Fe、Cu及びSiのような元素を1種類以上含むアルミニウム合金から形成されることが好ましい。正極端子は、正極集電体との接触抵抗を低減するために、正極集電体と同様の材料から形成されることが好ましい。(Positive terminal)
The positive terminal is electrically stable at 3.0V (vsLi + / Li) or 4.25V (vsLi + / Li) following range with respect to Li potential, is formed from a material and having conductivity. It is preferably formed from aluminum or an aluminum alloy containing one or more elements such as Mg, Ti, Zn, Mn, Fe, Cu and Si. The positive electrode terminal is preferably formed of the same material as the positive electrode current collector in order to reduce contact resistance with the positive electrode current collector.
(負極端子)
負極端子は、Li電位に対して1.0V(v.s.Li+/Li)以上3.0V(v.s.Li+/Li)以下の範囲において電気的に安定であり、かつ導電性を有する材料から形成される。アルミニウム、又は、Mg,Ti,Zn,Mn,Fe,Cu,Siのような元素を1種類以上含むアルミニウム合金から形成されることが好ましい。負極端子は、負極集電体との接触抵抗を低減するために、負極集電体と同様の材料から形成されることが好ましい。(Negative terminal)
The negative terminal is electrically stable at 1.0V (vsLi + / Li) or 3.0V (vsLi + / Li) following range with respect to Li potential, and is formed of a conductive material. It is preferably formed from aluminum or an aluminum alloy containing one or more elements such as Mg, Ti, Zn, Mn, Fe, Cu, and Si. The negative electrode terminal is preferably formed from the same material as the negative electrode current collector in order to reduce the contact resistance with the negative electrode current collector.
第3実施形態に係る非水電解質電池は、図1および図2に示す構成のものに限らず、例えば図3および図4に示す構成の電池であってもよい。図3は、第3実施形態に係る別の扁平型非水電解質二次電池を模式的に示す部分切欠斜視図であり、図4は図3のB部の拡大断面図である。 The nonaqueous electrolyte battery according to the third embodiment is not limited to the one shown in FIGS. 1 and 2, and may be a battery shown in FIGS. 3 and 4, for example. FIG. 3 is a partially cutaway perspective view schematically showing another flat type nonaqueous electrolyte secondary battery according to the third embodiment, and FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of a portion B in FIG.
積層型電極群11は、2枚の樹脂フィルムの間に金属層を介在したラミネートフィルムからなる外装部材12内に収納されている。積層型電極群11は、図4に示すように正極13と負極14とをその間にセパレータ15を介在させながら交互に積層した構造を有する。正極13は複数枚存在し、それぞれが集電体13aと、集電体13aの両面に担持された正極活物質含有層13bとを備える。負極14は複数枚存在し、それぞれが負極集電体14aと、負極集電体14aの両面に担持された負極活物質含有層14bとを備える。各負極14の負極集電体14aは、一辺が負極14から突出している。突出した負極集電体14aは、帯状の負極端子16に電気的に接続されている。帯状の負極端子16の先端は、外装部材11から外部に引き出されている。また、図示しないが、正極13の正極集電体13aは、負極集電体14aの突出辺と反対側に位置する辺が正極13から突出している。正極13から突出した正極集電体13aは、帯状の正極端子17に電気的に接続されている。帯状の正極端子17の先端は、負極端子16とは反対側に位置し、外装部材11の辺から外部に引き出されている。 The
以上の第3の実施形態によれば、第1の実施形態の活物質を負極に含有させるため、抵抗増加が抑制され、サイクル寿命が向上された非水電解質電池を提供することが可能である。 According to the third embodiment described above, since the active material of the first embodiment is contained in the negative electrode, it is possible to provide a nonaqueous electrolyte battery in which increase in resistance is suppressed and cycle life is improved. .
(第4の実施形態)
第4の実施形態に係る電池パックについて、図面を参照して説明する。電池パックは、第3の実施形態に係る非水電解質電池(単電池)を1個又は複数有する。複数の単電池を含む場合、各単電池は、電気的に直列もしくは並列に接続して配置される。(Fourth embodiment)
A battery pack according to a fourth embodiment will be described with reference to the drawings. The battery pack includes one or more nonaqueous electrolyte batteries (unit cells) according to the third embodiment. When a plurality of unit cells are included, each unit cell is electrically connected in series or in parallel.
図5及び図6に、図1に示した扁平型電池を複数含む電池パックの一例を示す。図5は、電池パックの分解斜視図である。図6は、図5の電池パックの電気回路を示すブロック図である。 5 and 6 show an example of a battery pack including a plurality of the flat batteries shown in FIG. FIG. 5 is an exploded perspective view of the battery pack. FIG. 6 is a block diagram showing an electric circuit of the battery pack of FIG.
複数の単電池21は、外部に延出した負極端子6及び正極端子7が同じ向きに揃えられるように積層され、粘着テープ22で締結することにより組電池23を構成している。これらの単電池21は、図6に示すように互いに電気的に直列に接続されている。 The plurality of
プリント配線基板24は、負極端子6及び正極端子7が延出する単電池21側面と対向して配置されている。プリント配線基板24には、図6に示すようにサーミスタ25、保護回路26及び外部機器への通電用端子27が搭載されている。なお、組電池23と対向する保護回路基板24の面には組電池23の配線と不要な接続を回避するために絶縁板(図示せず)が取り付けられている。 The printed
正極側リード28は、組電池23の最下層に位置する正極端子7に接続され、その先端はプリント配線基板24の正極側コネクタ29に挿入されて電気的に接続されている。負極側リード30は、組電池23の最上層に位置する負極端子6に接続され、その先端はプリント配線基板24の負極側コネクタ31に挿入されて電気的に接続されている。これらのコネクタ29,31は、プリント配線基板24に形成された配線32,33を通して保護回路26に接続されている。 The positive
サーミスタ25は、単電池21の温度を検出するために用いられる。その検出信号は保護回路26に送信される。保護回路26は、所定の条件で保護回路26と外部機器への通電用端子27との間のプラス側配線34a及びマイナス側配線34bを遮断できる。所定の条件とは、例えばサーミスタ25の検出温度が所定温度以上になったときである。また、所定の条件とは単電池21の過充電、過放電、過電流等を検出したときである。この過充電等の検出は、個々の単電池21もしくは単電池21全体について行われる。個々の単電池21を検出する場合、電池電圧を検出してもよいし、正極電位もしくは負極電位を検出してもよい。後者の場合、個々の単電池21中に参照極として用いるリチウム電極が挿入される。図5及び図6の場合、単電池21それぞれに電圧検出のための配線35を接続し、これら配線35を通して検出信号が保護回路26に送信される。 The
正極端子7及び負極端子6が突出する側面を除く組電池23の三側面には、ゴムもしくは樹脂からなる保護シート36がそれぞれ配置されている。
組電池23は、各保護シート36及びプリント配線基板24と共に収納容器37内に収納される。すなわち、収納容器37の長辺方向の両方の内側面と短辺方向の内側面それぞれに保護シート36が配置され、短辺方向の反対側の内側面にプリント配線基板24が配置される。組電池23は、保護シート36及びプリント配線基板24で囲まれた空間内に位置する。蓋38は、収納容器37の上面に取り付けられている。 The assembled
なお、組電池23の固定には粘着テープ22に代えて、熱収縮テープを用いてもよい。この場合、組電池の両側面に保護シートを配置し、熱収縮テープを周回させた後、熱収縮テープを熱収縮させて組電池を結束させる。 In addition, instead of the
図5、図6では単電池21を直列接続した形態を示したが、電池容量を増大させるためには並列に接続してもよい。あるいは、直列接続と並列接続を組合せてもよい。組み上がった電池パックをさらに直列又は並列に接続することもできる。 5 and 6 show the configuration in which the
また、電池パックの態様は用途により適宜変更される。実施形態に係る電池パックは、大電流を取り出したときにサイクル特性が優れていることが要求される用途に好適に用いられる。具体的には、デジタルカメラの電源として、又は、例えば二輪乃至四輪のハイブリッド電気自動車、二輪乃至四輪の電気自動車、及び、アシスト自転車の車載用電池として用いられる。特に、車載用電池として好適に用いられる。 Moreover, the aspect of a battery pack is changed suitably by a use. The battery pack according to the embodiment is suitably used for applications that require excellent cycle characteristics when a large current is taken out. Specifically, it is used as a power source for a digital camera, or as an in-vehicle battery for, for example, a two-wheel to four-wheel hybrid electric vehicle, a two-wheel to four-wheel electric vehicle, and an assist bicycle. In particular, it is suitably used as a vehicle-mounted battery.
以上説明した第4の実施形態の電池パックによれば、第1の実施形態の活物質を含む負極を含む非水電解質電池を備えるため、低SOC領域においても高い入出力性能が得られ、かつ充放電サイクル性能に優れる電池パックを実現することができる。 According to the battery pack of the fourth embodiment described above, since the nonaqueous electrolyte battery including the negative electrode including the active material of the first embodiment is provided, high input / output performance can be obtained even in a low SOC region, and A battery pack having excellent charge / discharge cycle performance can be realized.
(実施例1)
<TiO2(B)構造のチタンの酸化物の合成>
出発原料として、炭酸カリウム(K2CO3)及びアナターゼ型二酸化チタン(TiO2)を用いた。出発原料を混合し、1000℃で24時間焼成して、チタン酸カリウム化合物(K2Ti4O9)を合成した。このチタン酸カリウム化合物を、ジルコニアビーズで乾式粉砕して粒度調整した後、蒸留水で洗浄してプロトン交換前駆体を得た。このプロトン交換前駆体を、1M濃度の塩酸溶液中に投入し、25℃で1時間の超音波攪拌を行った。この操作を、塩酸溶液を交換しながら12回繰返した。酸処理の終了後、蒸留水で洗浄して、チタン酸プロトン化合物を得た。このチタン酸プロトン化合物を、大気中で、350℃で3時間焼成し、TiO2(B)構造のTiO2を得た。Example 1
<Synthesis of TiO 2 (B) structure titanium oxide>
As starting materials, potassium carbonate (K 2 CO 3 ) and anatase-type titanium dioxide (TiO 2 ) were used. The starting materials were mixed and fired at 1000 ° C. for 24 hours to synthesize a potassium titanate compound (K 2 Ti 4 O 9 ). The potassium titanate compound was dry pulverized with zirconia beads to adjust the particle size, and then washed with distilled water to obtain a proton exchange precursor. This proton exchange precursor was put into a 1M hydrochloric acid solution and subjected to ultrasonic stirring at 25 ° C. for 1 hour. This operation was repeated 12 times while exchanging the hydrochloric acid solution. After completion of the acid treatment, the titanate proton compound was obtained by washing with distilled water. This titanate proton compound was calcined in the atmosphere at 350 ° C. for 3 hours to obtain TiO 2 having a TiO 2 (B) structure.
<負極活物質の作製>
上記のように合成した、TiO2(B)構造のTiO215gに対して、ポリメチルシリケート(SinO(n−1)(OCH3)2(n+1);n=3〜5(平均);シリカとして50〜53%)0.8g、エタノール2gを添加し、室温環境(温度が25℃、露点−40℃、窒素ガスフロー)で乾燥処理を行い、乾燥後の重量が添加前の重量に対して5%重量増加していることを確認した。この粉末をTEMにより表面観察を行ったところ、二酸化チタン粒子の表面にSi酸化物の被覆層が形成されていることを確認した。この被覆層を有するTiO2(B)構造のTiO2粒子を負極活物質として用いた。<Preparation of negative electrode active material>
Were synthesized as described above, with respect to TiO 2 (B) TiO 2 15g of structure, polymethyl silicate (Si n O (n-1 ) (OCH 3) 2 (n + 1); n = 3~5 ( average) ; 50 to 53% as silica) 0.8 g and 2 g of ethanol are added, and a drying treatment is performed in a room temperature environment (temperature is 25 ° C., dew point −40 ° C., nitrogen gas flow). It was confirmed that the weight increased by 5%. When the surface of this powder was observed with a TEM, it was confirmed that a Si oxide coating layer was formed on the surface of the titanium dioxide particles. TiO 2 particles having this coating layer and having a TiO 2 (B) structure were used as the negative electrode active material.
<負極の作製>
負極活物質の粉末を90重量%、アセチレンブラック5重量%、及びポリフッ化ビニリデン(PVdF)5重量%を、NMP加えて混合し、スラリーを調製した。このスラリーを厚さ15μmのアルミニウム箔からなる集電体の両面に塗布し、乾燥した後、プレスすることにより電極密度が2.0g/cm3の負極を作製した。<Production of negative electrode>
NMP was added to 90% by weight of the negative electrode active material powder, 5% by weight of acetylene black, and 5% by weight of polyvinylidene fluoride (PVdF) to prepare a slurry. This slurry was applied to both surfaces of a current collector made of an aluminum foil having a thickness of 15 μm, dried, and pressed to prepare a negative electrode having an electrode density of 2.0 g / cm 3 .
<正極の作製>
正極活物質としてリチウムニッケルコバルトアルミニウム複合酸化物(LiNi0.82Co0.15Al0.03O2)を用い、導電剤としてアセチレンブラックとポリフッ化ビニリデン(PVdF)を用いた。リチウムニッケルコバルトアルミニウム複合酸化物の粉末90重量%、アセチレンブラック5重量%、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)5重量%を、NMPに加えて混合してスラリーを調製した。このスラリーを厚さ15μmのアルミニウム箔からなる集電体の両面に塗布し、乾燥した後、プレスすることにより、電極密度が3.15g/cm3の正極を作製した。<Preparation of positive electrode>
Lithium nickel cobalt aluminum composite oxide (LiNi 0.82 Co 0.15 Al 0.03 O 2 ) was used as the positive electrode active material, and acetylene black and polyvinylidene fluoride (PVdF) were used as the conductive agent. A slurry was prepared by adding 90% by weight of lithium nickel cobalt aluminum composite oxide powder, 5% by weight of acetylene black and 5% by weight of polyvinylidene fluoride (PVdF) in addition to NMP and mixing them. This slurry was applied to both surfaces of a current collector made of an aluminum foil having a thickness of 15 μm, dried, and pressed to prepare a positive electrode having an electrode density of 3.15 g / cm 3 .
<電極群の作製>
正極、厚さ25μmのポリエチレン製多孔質フィルムからなるセパレータ、負極、及びセパレータを、この順序で積層した後、渦巻き状に捲回した。これを90℃で加熱プレスすることにより、幅が30mm、厚さ3.0mmの偏平状電極群を作製した。得られた電極群をラミネートフィルムからなるパックに収納し、80℃で24時間真空乾燥した。ラミネートフィルムは厚さ40μmのアルミニウム箔の両面にポリプロピレン層を形成して構成されたものであり、全体の厚さは0.1mmであった。<Production of electrode group>
A positive electrode, a separator made of a polyethylene porous film having a thickness of 25 μm, a negative electrode, and a separator were laminated in this order, and then wound in a spiral shape. This was heated and pressed at 90 ° C. to produce a flat electrode group having a width of 30 mm and a thickness of 3.0 mm. The obtained electrode group was housed in a pack made of a laminate film and vacuum dried at 80 ° C. for 24 hours. The laminate film was constituted by forming a polypropylene layer on both sides of an aluminum foil having a thickness of 40 μm, and the overall thickness was 0.1 mm.
<液状非水電解質の調製>
エチレンカーボネート(EC)及びエチルメチルカーボネート(EMC)を1:2の体積比率で混合して混合溶媒を調製した。この混合溶媒に電解質としてLiPF6を1M溶解し、液状非水電解質を調製した。<Preparation of liquid nonaqueous electrolyte>
Ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) were mixed at a volume ratio of 1: 2 to prepare a mixed solvent. 1M LiPF 6 was dissolved as an electrolyte in this mixed solvent to prepare a liquid non-aqueous electrolyte.
<非水電解質二次電池の製造>
電極群を収納したラミネートフィルムのパック内に液状非水電解質を注入した。その後、パックをヒートシールにより密閉し、図1に示すような構造を有し、幅35mm、厚さ3.2mm、高さが65mmの非水電解質二次電池を製造した。<Manufacture of non-aqueous electrolyte secondary batteries>
A liquid non-aqueous electrolyte was poured into a laminate film pack containing the electrode group. Thereafter, the pack was sealed by heat sealing to produce a nonaqueous electrolyte secondary battery having a structure as shown in FIG. 1, having a width of 35 mm, a thickness of 3.2 mm, and a height of 65 mm.
(実施例2)
<Nbを含有するTiO2(B)構造のチタンの酸化物の合成>
出発原料として、炭酸カリウム(K2CO3)、アナターゼ型二酸化チタン(TiO2)、及び水酸化ニオブ(Nb2O5・nH2O)を用いた。出発原料を混合し、1000℃で24時間焼成して、Nbを含有するチタン酸アルカリ化合物(K-Ti-Nb-O化合物)を合成した。このK-Ti-Nb-O化合物を、ジルコニアビーズで乾式粉砕して粒度調整した後、蒸留水で洗浄してプロトン交換前駆体を得た。このプロトン交換前駆体を、1M濃度の塩酸溶液中に投入し、25℃で1時間の超音波攪拌を行った。この操作を、塩酸溶液を交換しながら12回繰返した。酸処理の終了後、蒸留水で洗浄して、Nbを含有するチタン酸プロトン化合物を得た。このNbを含有するチタン酸プロトン化合物を、大気中で、350℃で3時間焼成し、Nbを含有するTiO2(B)構造のチタンの酸化物を得た。(Example 2)
<Synthesis of titanium oxide with Nb-containing TiO 2 (B) structure>
As starting materials, potassium carbonate (K 2 CO 3 ), anatase type titanium dioxide (TiO 2 ), and niobium hydroxide (Nb 2 O 5 .nH 2 O) were used. The starting materials were mixed and baked at 1000 ° C. for 24 hours to synthesize an alkali titanate compound (K—Ti—Nb—O compound) containing Nb. The K—Ti—Nb—O compound was dry-pulverized with zirconia beads to adjust the particle size, and then washed with distilled water to obtain a proton exchange precursor. This proton exchange precursor was put into a 1M hydrochloric acid solution and subjected to ultrasonic stirring at 25 ° C. for 1 hour. This operation was repeated 12 times while exchanging the hydrochloric acid solution. After the completion of the acid treatment, it was washed with distilled water to obtain a titanate proton compound containing Nb. This Nb-containing titanate proton compound was calcined in the atmosphere at 350 ° C. for 3 hours to obtain an oxide of titanium having a TiO 2 (B) structure containing Nb.
得られたチタンの酸化物をICP発光分光測定で測定した結果、Nbの含有量(Nb2O5換算)は、Nbを含有するチタンの酸化物の総重量に対して8重量%であった。As a result of measuring the obtained titanium oxide by ICP emission spectrometry, the Nb content (in terms of Nb 2 O 5 ) was 8% by weight with respect to the total weight of the titanium oxide containing Nb. .
<負極活物質の作製>
上記のように合成した、Nbを含有するTiO2(B)構造のチタンの酸化物15gに対して、ポリメチルシリケート0.6g、エタノール2gを添加し、室温環境(温度が25℃、窒素フロー、露点:-20℃で乾燥処理を行い、乾燥後の重量が添加前の重量に対して9%重量増加していることを確認した。この粉末をTEM−EDXにより表面観察を行ったところ、Nbを含有するTiO2(B)構造のチタンの酸化物粒子の表面にSi酸化物の被覆層が形成していることを確認した。この被覆層を有するチタンの酸化物を負極活物質として用いた。<Preparation of negative electrode active material>
To 15 g of titanium oxide having a TiO 2 (B) structure containing Nb synthesized as described above, 0.6 g of polymethyl silicate and 2 g of ethanol are added, and the room temperature environment (temperature is 25 ° C., nitrogen flow) The dew point was dried at -20 ° C., and it was confirmed that the weight after drying was increased by 9% with respect to the weight before addition, and the surface of this powder was observed with TEM-EDX. It was confirmed that a Si oxide coating layer was formed on the surface of the titanium oxide particles with a TiO 2 (B) structure containing Nb, and the titanium oxide having this coating layer was used as the negative electrode active material. It was.
<非水電解質二次電池の製造>
上記の負極活物質を用い、実施例1と同様に非水電解質二次電池を作製した。<Manufacture of non-aqueous electrolyte secondary batteries>
A nonaqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 using the above negative electrode active material.
(実施例3)
実施例2において合成した、Nbを含有するTiO2(B)構造のチタンの酸化物15gに対して、ポリメチルシリケート3g、エタノール2gを添加し、室温環境(温度が25℃、窒素フロー、露点-40℃で乾燥処理を行い、乾燥後の重量が添加前の重量に対して9%重量増加していることを確認した。TEM−EDXによる表面観察によって、Nbを含有するTiO2(B)構造のチタンの酸化物粒子の表面にSiを主成分とする酸化物の被覆層が存在することが確認された。この被覆層を有するチタンの酸化物を負極活物質として用いた。(Example 3)
3 g of polymethyl silicate and 2 g of ethanol are added to 15 g of titanium oxide having a TiO 2 (B) structure containing Nb synthesized in Example 2, and a room temperature environment (temperature is 25 ° C., nitrogen flow, dew point) A drying treatment was performed at −40 ° C., and it was confirmed that the weight after drying increased by 9% with respect to the weight before addition, and TiO 2 (B) containing Nb was observed by surface observation with TEM-EDX. It was confirmed that an oxide coating layer composed mainly of Si was present on the surface of the titanium oxide particles having the structure, and the titanium oxide having this coating layer was used as the negative electrode active material.
上記のように得られた負極活物質を用いて、実施例1と同様に非水電解質電池を製造した。 A non-aqueous electrolyte battery was produced in the same manner as in Example 1 using the negative electrode active material obtained as described above.
(実施例4)
実施例2において合成した、Nbを含有するTiO2(B)構造のチタンの酸化物15gに対して、ポリメチルシリケート0.7g、エタノール1g、1−プロパノール2gを添加し、室温環境(25℃、窒素フロー、露点:−30℃)で乾燥処理を行い、乾燥後の重量が添加前の重量に対して3%重量増加していることを確認した。TEM−EDXによる表面観察によって、Nbを含有するTiO2(B)構造のチタンの酸化物の表面にSiを主成分とする酸化物の被覆層が存在することが確認された。この被覆層を有するチタンの酸化物を負極活物質として用いた。Example 4
To 15 g of titanium oxide having a TiO 2 (B) structure containing Nb synthesized in Example 2, 0.7 g of polymethyl silicate, 1 g of ethanol, and 2 g of 1-propanol were added, and the room temperature environment (25 ° C. , Nitrogen flow, dew point: −30 ° C.), and it was confirmed that the weight after drying was increased by 3% with respect to the weight before addition. Surface observation by TEM-EDX confirmed that an oxide coating layer mainly composed of Si was present on the surface of the titanium oxide having a TiO 2 (B) structure containing Nb. A titanium oxide having this coating layer was used as a negative electrode active material.
上記のように得られた負極活物質を用いて、実施例1と同様に非水電解質電池を製造した。 A non-aqueous electrolyte battery was produced in the same manner as in Example 1 using the negative electrode active material obtained as described above.
(実施例5)
実施例2において合成した、Nbを含有するTiO2(B)構造のチタンの酸化物15gに対して、ポリメチルシリケート0.45g、エタノール1g、1−プロパノール2gを用いて、露点−40℃の環境で乾燥した以外は、実施例2と同様に非水電解質電池を製造した。(Example 5)
With respect to 15 g of titanium oxide having a TiO 2 (B) structure containing Nb synthesized in Example 2, 0.45 g of polymethyl silicate, 1 g of ethanol, and 2 g of 1-propanol, a dew point of −40 ° C. A nonaqueous electrolyte battery was produced in the same manner as in Example 2 except that it was dried in the environment.
(実施例6)
実施例2において合成した、Nbを含有するTiO2(B)構造のチタンの酸化物15gに対して、ポリエチルシリケート0.6g、エタノール2g、1−ブタノール2gを用いて、露点−40℃の環境で乾燥した以外は、実施例2と同等の条件で作製し、重量増加2.8%を確認した。さらに同様の手法で非水電解質電池を製造した。(Example 6)
With respect to 15 g of titanium oxide having a TiO 2 (B) structure containing Nb synthesized in Example 2, 0.6 g of polyethyl silicate, 2 g of ethanol, and 2 g of 1-butanol were used, and the dew point was −40 ° C. Except for drying in the environment, it was produced under the same conditions as in Example 2, and a weight increase of 2.8% was confirmed. Furthermore, a non-aqueous electrolyte battery was manufactured in the same manner.
(実施例7)
実施例2において合成した、Nbを含有するTiO2(B)構造のチタンの酸化物15gに対して、ポリエチルシリケート1g、エタノール2g、1−プロパノール1g、1−ブタノール1gを用いて、露点−40℃の環境で乾燥した以外は、実施例2と同等の条件で作製し、重量増加3.8%を確認した。さらに同様の手法で非水電解質電池を製造した。(Example 7)
With respect to 15 g of titanium oxide having a TiO 2 (B) structure containing Nb synthesized in Example 2, 1 g of polyethyl silicate, 2 g of ethanol, 1 g of 1-propanol, and 1 g of 1-butanol were used as dew points— Except that it was dried in an environment of 40 ° C., it was produced under the same conditions as in Example 2, and a weight increase of 3.8% was confirmed. Furthermore, a non-aqueous electrolyte battery was manufactured in the same manner.
(実施例8)
実施例2において合成した、Nbを含有するTiO2(B)構造のチタンの酸化物15gに対して、メチルシリケート1.6g、エタノール2gを用いて、アルゴンフロー環境の露点−40℃の環境で乾燥した以外は、実施例2と同等の条件で作製し、重量増加3.1%を確認した。さらに同様の手法で非水電解質電池を製造した。(Example 8)
Using 15 g of titanium oxide having a TiO 2 (B) structure containing Nb synthesized in Example 2, 1.6 g of methyl silicate and 2 g of ethanol were used to dry in an argon flow environment at a dew point of −40 ° C. Except for the above, it was produced under the same conditions as in Example 2, and a weight increase of 3.1% was confirmed. Furthermore, a non-aqueous electrolyte battery was manufactured in the same manner.
(実施例9)
実施例2において合成した、Nbを含有するTiO2(B)構造のチタンの酸化物15gに対して、メチルシリケート1g、エタノール2g、1−プロパノール1g、1−ブタノール1gを用いて、アルゴンフロー環境の露点−40℃の環境で乾燥した以外は、実施例2と同等の条件で作製し、重量増加2.1%を確認した。さらに同様の手法で非水電解質電池を製造した。Example 9
Argon flow environment using 1 g of methyl silicate, 2 g of ethanol, 1 g of 1-propanol, and 1 g of 1-butanol with respect to 15 g of titanium oxide of TiO 2 (B) structure containing Nb synthesized in Example 2. The sample was prepared under the same conditions as in Example 2 except that it was dried in an environment having a dew point of −40 ° C., and a weight increase of 2.1% was confirmed. Furthermore, a non-aqueous electrolyte battery was manufactured in the same manner.
(実施例10)
実施例2において合成した、Nbを含有するTiO2(B)構造のチタンの酸化物15gに対して、エチルシリケート1.3g、エタノール2gを用いて、アルゴンフロー環境の露点−40℃の環境で乾燥した以外は、実施例2と同等の条件で作製し、重量増加1.9%を確認した。さらに同様の手法で非水電解質電池を製造した。(Example 10)
Using 15 g of titanium oxide having a TiO 2 (B) structure containing Nb and synthesized in Example 2, 1.3 g of ethyl silicate and 2 g of ethanol were used for drying in an argon flow environment with a dew point of −40 ° C. Except that, it was produced under the same conditions as in Example 2, and a weight increase of 1.9% was confirmed. Furthermore, a non-aqueous electrolyte battery was manufactured in the same manner.
(実施例11)
実施例2において合成した、Nbを含有するTiO2(B)構造のチタンの酸化物15gに対して、ポリメチルシリケート0.8g、エタノール2g、高沸点有機溶媒として1−ブタノール2gを用いて、大気雰囲気(25℃、湿度50%)の環境で乾燥処理を行い、重量増加2.8%を確認した。その後実施例2と同様に非水電解質電池を製造した。Example 11
Using 15 g of titanium oxide having a TiO 2 (B) structure containing Nb synthesized in Example 2, 0.8 g of polymethyl silicate, 2 g of ethanol, and 2 g of 1-butanol as a high boiling point organic solvent, A drying treatment was performed in an atmosphere (25 ° C., humidity 50%), and a weight increase of 2.8% was confirmed. Thereafter, a nonaqueous electrolyte battery was produced in the same manner as in Example 2.
(実施例12)
実施例2において合成した、Nbを含有するTiO2(B)構造のチタンの酸化物15gに対して、ポリメチルシリケート0.6g、高沸点有機溶媒として1−プロパノール1g及び1−ブタノール2gを用いて、大気雰囲気(25℃、湿度40%)の環境で乾燥処理を行い、重量増加1.8%を確認した。その後実施例2と同様に非水電解質電池を製造した。(Example 12)
For 15 g of titanium oxide having a TiO 2 (B) structure containing Nb synthesized in Example 2, 0.6 g of polymethyl silicate, 1 g of 1-propanol and 2 g of 1-butanol as a high boiling point organic solvent were used. Then, a drying process was performed in an atmosphere of air atmosphere (25 ° C., humidity 40%), and a weight increase of 1.8% was confirmed. Thereafter, a nonaqueous electrolyte battery was produced in the same manner as in Example 2.
(実施例13)
実施例2において合成した、Nbを含有するTiO2(B)構造のチタンの酸化物15gに対して、ポリメチルシリケート3g、エタノール2g、高沸点有機溶媒として1−プロパノール2g及び1−ブタノール1gを用いて、大気雰囲気(25℃、湿度25%)の環境で乾燥処理を行い、重量増加8.9%を確認した。その後実施例2と同様に非水電解質電池を製造した。(Example 13)
For 15 g of titanium oxide having a TiO 2 (B) structure containing Nb synthesized in Example 2, 3 g of polymethyl silicate, 2 g of ethanol, 2 g of 1-propanol and 1 g of 1-butanol as a high boiling point organic solvent. Using this, a drying treatment was performed in an atmosphere of air atmosphere (25 ° C.,
(実施例14)
実施例2において合成した、Nbを含有するTiO2(B)構造のチタンの酸化物15gに対して、ポリメチルシリケート0.7g、エタノール1g、高沸点有機溶媒として1−プロパノール2g及び1−ブタノール1gを用いて、大気雰囲気(25℃、湿度30%)の環境で乾燥処理を行い、重量増加2.9%を確認した。その後実施例2と同様に非水電解質電池を製造した。(Example 14)
For 15 g of titanium oxide having a TiO 2 (B) structure containing Nb synthesized in Example 2, 0.7 g of polymethyl silicate, 1 g of ethanol, 2 g of 1-propanol and 1-butanol as a high boiling point organic solvent Using 1 g, a drying treatment was performed in an atmosphere of air atmosphere (25 ° C.,
(比較例1)
実施例2において合成した、Nbを含有するTiO2(B)構造のチタンの酸化物を負極活物質(SiO2被覆などを行っていないもの)として用い、実施例1と同様に非水電解質電池を製造した。(Comparative Example 1)
A non-aqueous electrolyte battery similar to that of Example 1 was prepared by using the titanium oxide having a TiO 2 (B) structure containing Nb synthesized in Example 2 as a negative electrode active material (not coated with SiO 2 or the like). Manufactured.
(比較例2)
実施例2において合成した、Nbを含有するTiO2(B)構造のチタンの酸化物15gに対して、ポリメチルシリケート0.8g、エタノール2gを用いて、大気雰囲気(25℃、湿度50%)の環境で乾燥処理を行い、重量増加2.5%を確認した。その後、実施例2と同様に非水電解質電池を製造した。(Comparative Example 2)
Using 15 g of titanium oxide having a TiO 2 (B) structure containing Nb synthesized in Example 2, 0.8 g of polymethyl silicate and 2 g of ethanol were used, and air atmosphere (25 ° C., humidity 50%) The drying process was performed in an environment of 2.5% and a weight increase of 2.5% was confirmed. Thereafter, a nonaqueous electrolyte battery was produced in the same manner as in Example 2.
(比較例3)
実施例2において合成した、Nbを含有するTiO2(B)構造のチタンの酸化物15gに対して、ポリメチルシリケート0.6g、エタノール2gを用いて、大気雰囲気(25℃、湿度40%)の環境で乾燥処理を行い、重量増加2.0%を確認した。その後、実施例2と同様に非水電解質電池を製造した。(Comparative Example 3)
Using 15 g of titanium oxide having a TiO 2 (B) structure containing Nb synthesized in Example 2, 0.6 g of polymethyl silicate and 2 g of ethanol were used, and air atmosphere (25 ° C., humidity 40%) The drying process was performed in an environment of 2 to confirm a weight increase of 2.0%. Thereafter, a nonaqueous electrolyte battery was produced in the same manner as in Example 2.
(比較例4)
実施例2において合成した、Nbを含有するTiO2(B)構造のチタンの酸化物15gに対して、ポリメチルシリケート3g、エタノール2gを用いて、大気雰囲気(25℃、湿度70%)の環境で乾燥処理を行い、重量増加7.7%を確認した。その後、実施例2と同様に非水電解質電池を製造した。(Comparative Example 4)
Using 15 g of titanium oxide having a TiO 2 (B) structure containing Nb synthesized in Example 2, 3 g of polymethyl silicate and 2 g of ethanol were used, and the atmosphere was an atmosphere (25 ° C., humidity 70%). A drying treatment was carried out at 7.7 to confirm a weight increase of 7.7%. Thereafter, a nonaqueous electrolyte battery was produced in the same manner as in Example 2.
(比較例5)
実施例2において合成した、Nbを含有するTiO2(B)構造のチタンの酸化物15gに対して、ポリメチルシリケート0.7g、エタノール2gを用いて、大気雰囲気(25℃、湿度30%)の環境で乾燥処理を行い、重量増加2.2%を確認した。その後、実施例2と同様に非水電解質電池を製造した。(Comparative Example 5)
Using 15 g of titanium oxide having a TiO 2 (B) structure containing Nb synthesized in Example 2, 0.7 g of polymethyl silicate and 2 g of ethanol were used, and the air atmosphere (25 ° C.,
(充放電サイクル試験)
実施例1〜14及び比較例1〜5の負極それぞれから三極セルを作製した。三極セルの対極と参照極にLi金属、セパレータにガラスフィルターを用いた。また、エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)が1:2の割合で混合された溶媒に、LiPF6を支持塩として溶解させ、電解液を調製した。各三極セルに45℃環境で単極の充放電サイクル試験を行い、容量維持率を測定した。(Charge / discharge cycle test)
Tripolar cells were prepared from the negative electrodes of Examples 1 to 14 and Comparative Examples 1 to 5, respectively. Li metal was used for the counter electrode and the reference electrode of the triode cell, and a glass filter was used for the separator. Further, LiPF 6 was dissolved as a supporting salt in a solvent in which ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) were mixed at a ratio of 1: 2, to prepare an electrolytic solution. Each tripolar cell was subjected to a single electrode charge / discharge cycle test in a 45 ° C. environment, and the capacity retention rate was measured.
充放電条件は、45℃環境下において、1Cレートで行った。充電は1.4Vの定電流定電圧充電を行い、充電時間は3時間とした。放電カットオフ電圧を3.0Vとして定電流放電を行った。50サイクル繰り返し充放電を行い(充電/放電で1サイクルとする)、1サイクル目の放電容量に対する50サイクル目の放電容量の比率を算出し、50サイクル後の容量維持率として表2,4に示す。表2,4には、負極活物質について、TiO2換算でのチタンの酸化物の重量(wt%)、被覆層中のSiO2換算でのSi量(表中ではSiO2量(wt%)と表記)、C量(wt%)、C/Si比(モル比)を併記する。
表1〜表4から明らかな通り、C/Siモル比が0.4〜2の範囲の実施例1〜14の電池は、50サイクル目の容量維持率が85%以上と高い。 As is clear from Tables 1 to 4, the batteries of Examples 1 to 14 having a C / Si molar ratio in the range of 0.4 to 2 have a high capacity retention rate of 85% or more at the 50th cycle.
これに対し、被覆層を形成していない比較例1、C/Siモル比が0.4未満の比較例2〜5の電池は、50サイクル目の容量維持率が高くても66%であった。比較例2,3,5では、原料に1−プロパノール及び1−ブタノールといったエタノールよりも高沸点の有機溶媒が含まれていないため、被覆層に残留した有機成分が少なく、C/Siモル比が0.4未満となった。一方、比較例4では、湿度が70%と高いため、有機成分の揮発やゾルゲル反応が早く進行し、重合反応で生じた活物質表面を被覆するSiO2ネットワーク内に有機成分が残留できず、C/Siモル比が0.4未満となった。In contrast, the batteries of Comparative Example 1 in which the coating layer was not formed and Comparative Examples 2 to 5 having a C / Si molar ratio of less than 0.4 were 66% even when the capacity retention ratio at the 50th cycle was high. It was. In Comparative Examples 2, 3, and 5, since the raw material does not contain an organic solvent having a boiling point higher than ethanol such as 1-propanol and 1-butanol, the organic component remaining in the coating layer is small, and the C / Si molar ratio is It became less than 0.4. On the other hand, in Comparative Example 4, since the humidity is as high as 70%, the volatilization of the organic component and the sol-gel reaction proceed quickly, and the organic component cannot remain in the SiO 2 network covering the active material surface generated by the polymerization reaction. The C / Si molar ratio was less than 0.4.
以上の実施例では、チタンの酸化物としてTiO2(B)構造の二酸化チタンを用いたが、これに限定されず、固体酸点又は水酸基を粒子表面に有するチタンの酸化物及びチタン酸複合酸化物の粒子を負極活物質に使用したものに対しても有効である。In the above examples, titanium dioxide having a TiO 2 (B) structure was used as the titanium oxide. However, the present invention is not limited to this, and titanium oxide having a solid acid point or a hydroxyl group on the particle surface and titanic acid composite oxidation. It is also effective for those using particles of the product as the negative electrode active material.
以上説明したうちの少なくとも一つの実施形態及び実施例の活物質によれば、チタンの酸化物の粒子の表面にSi成分及び有機成分を含有する層を含み、C/Siモル比が0.4以上2以下であるため、抵抗増加の抑制と、サイクル寿命の向上とを図ることが可能な非水電解質電池を実現することができる。 According to the active material of at least one of the embodiments and examples described above, the surface of titanium oxide particles includes a layer containing a Si component and an organic component, and the C / Si molar ratio is 0.4. Since it is 2 or less, a nonaqueous electrolyte battery capable of suppressing an increase in resistance and improving the cycle life can be realized.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
[1]チタンの酸化物粒子と、前記チタンの酸化物粒子の表面の少なくとも一部に存在し、Si成分及び有機成分を含む層とを含み、C/Siモル比が0.4以上2以下である負極活物質。
[2]前記Si成分は、珪素の酸化物である、[1]に記載の負極活物質。
[3]前記有機成分は、金属アルコキシドに由来する成分を含む、[1]または[2]に記載の負極活物質。
[4] [1]〜[3]いずれかに記載の負極活物質を含む負極と、
正極と、
非水電解質と、
を含む非水電解質電池。
[5] [4]に記載の非水電解質電池を含む電池パック。
Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
Hereinafter, the invention described in the scope of claims of the present application will be appended.
[1] A titanium oxide particle and a layer that is present on at least a part of the surface of the titanium oxide particle and includes a Si component and an organic component, and a C / Si molar ratio is 0.4 or more and 2 or less A negative electrode active material.
[2] The negative electrode active material according to [1], wherein the Si component is an oxide of silicon.
[3] The negative electrode active material according to [1] or [2], wherein the organic component includes a component derived from a metal alkoxide.
[4] A negative electrode comprising the negative electrode active material according to any one of [1] to [3],
A positive electrode;
A non-aqueous electrolyte,
Including non-aqueous electrolyte battery.
[5] A battery pack including the nonaqueous electrolyte battery according to [4].
1,11…電極群、2,12…外装部材、3,13…正極、3a,13a…正極集電体、3b,13b…正極活物質含有層、4,15…セパレータ、5,14…負極、5a,14a…負極集電体、5b,14b…負極活物質含有層、6,16…負極端子、7,17…正極端子、20…電池パック、21…単電池、22…粘着テープ、23…組電池、24…プリント配線基板、28…正極側配線、29…正極側コネクタ、30…負極側配線、31…負極側コネクタ、37…収納容器、38…蓋。 DESCRIPTION OF
Claims (8)
正極と、
非水電解質と、
を含む非水電解質電池。 A negative electrode comprising the negative electrode active material according to claim 1;
A positive electrode;
A non-aqueous electrolyte,
Including non-aqueous electrolyte battery.
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