JP2012059387A - Electrode active material and method of manufacturing the same, and nonaqueous electrolyte secondary battery with the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、一般的には電極活物質およびその製造方法、ならびにそれを備えた非水電解質二次電池に関し、特定的には、スピネル型構造のリチウムチタン複合酸化物からなる電極活物質およびその製造方法、ならびにそれを備えた非水電解質二次電池に関する。 The present invention generally relates to an electrode active material, a method for producing the same, and a non-aqueous electrolyte secondary battery including the electrode active material, and more particularly, to an electrode active material composed of a lithium-titanium composite oxide having a spinel structure and its The present invention relates to a manufacturing method and a nonaqueous electrolyte secondary battery including the same.
携帯電話、ノートパソコン、デジタルカメラ等の携帯用電子機器の市場拡大に伴い、これら電子機器のコードレス電源としてエネルギー密度が大きく長寿命の二次電池が待望されている。そして、このような要求に応えるべく、リチウムイオン等のアルカリ金属イオンを荷電担体とし、その電荷授受に伴う電気化学反応を利用した二次電池が開発されている。その中でも、エネルギー密度の大きなリチウムイオン二次電池は広く普及している。 With the expansion of the market for portable electronic devices such as mobile phones, notebook computers, and digital cameras, secondary batteries with high energy density and long life are expected as cordless power sources for these electronic devices. In response to such demands, secondary batteries have been developed that use an alkali metal ion such as lithium ion as a charge carrier and use an electrochemical reaction associated with the charge exchange. Among them, lithium ion secondary batteries having a large energy density are widely used.
上記のリチウムイオン二次電池では、正極活物質としてコバルト酸リチウム、マンガン酸リチウムなどのリチウム含有遷移金属酸化物が使用されている。また、負極活物質として、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な炭素材料が使用されている。炭素材料の中でも、天然黒鉛、人造黒鉛などの黒鉛は、放電電圧がリチウム金属に対して0.2Vと低く、黒鉛を負極活物質として用いた場合、放電電圧が3.6Vの電池が可能となる。しかしながら、炭素材料を負極に用いた場合、電池内部で短絡が発生すると、負極から正極に一気にリチウムイオンが流れ、温度が急上昇する恐れがある。 In the above lithium ion secondary battery, a lithium-containing transition metal oxide such as lithium cobaltate or lithium manganate is used as the positive electrode active material. In addition, a carbon material capable of inserting and extracting lithium ions is used as the negative electrode active material. Among carbon materials, graphite such as natural graphite and artificial graphite has a discharge voltage as low as 0.2 V with respect to lithium metal, and when graphite is used as a negative electrode active material, a battery having a discharge voltage of 3.6 V is possible. Become. However, when a carbon material is used for the negative electrode, if a short circuit occurs inside the battery, lithium ions may flow from the negative electrode to the positive electrode at once, and the temperature may increase rapidly.
そこで、電池内部で短絡が生じても急激に電流が流れないチタン酸リチウムなどのリチウムチタン複合酸化物が注目されている。リチウムチタン複合酸化物は、結晶格子の構造、サイズを変化させることなくリチウムイオンを吸蔵・放出できる材料であり、高信頼性の非水電解質二次電池の電極活物質として有力である。 Therefore, lithium titanium composite oxides such as lithium titanate, which do not flow abruptly even when a short circuit occurs inside the battery, are attracting attention. Lithium titanium composite oxide is a material that can occlude and release lithium ions without changing the structure and size of the crystal lattice, and is a promising electrode active material for highly reliable nonaqueous electrolyte secondary batteries.
たとえば、特開2001−196061号公報(以下、特許文献1という)では、エネルギー密度が高く、自己放電の少ない保存特性に優れた非水電解質リチウム二次電池を得るために、負極活物質の主成分にスピネル構造を有するLixTi5/3-yLyO4(Lは1種類以上のTi以外の元素、4/3≦x≦7/3、0≦y≦5/3)で表される酸化物焼成体を用い、正極活物質の主成分にオリビン構造を有するLimMPO4(Mは1種以上の遷移金属で、0≦m≦2.1)で表わせる酸化物焼成体を用いることが提案されている。 For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-196061 (hereinafter referred to as Patent Document 1), in order to obtain a nonaqueous electrolyte lithium secondary battery having high energy density and excellent self-discharge storage characteristics, Li x Ti 5 / 3-y L y O 4 having a spinel structure as a component (L is one or more elements other than Ti, 4/3 ≦ x ≦ 7/3, 0 ≦ y ≦ 5/3) Oxide sintered body that can be represented by Li m MPO 4 (M is one or more transition metals, 0 ≦ m ≦ 2.1) having an olivine structure as the main component of the positive electrode active material It has been proposed to use
しかしながら、特許文献1の実施例に記載されているように、Tiの一部をB、Co、または、Znで置換したリチウムチタン複合酸化物を負極活物質に用いることにより、エネルギー密度が高く、自己放電の少ない保存特性に優れた非水電解質二次電池が開示されている。しかし、B、Co、または、ZnでTiの一部を置換したリチウムチタン複合酸化物を負極活物質に用いても、高率充電特性が不十分であるという問題がある。
However, as described in the example of
そこで、この発明の目的は、スピネル型構造のチタン酸リチウムを主成分として含み、高率充電特性に優れた電極活物質およびその製造方法、ならびにそれを備えた非水電解質二次電池を提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an electrode active material having spinel-type lithium titanate as a main component and having excellent high-rate charging characteristics, a method for manufacturing the electrode active material, and a nonaqueous electrolyte secondary battery including the electrode active material. That is.
本発明者らは、従来技術の問題点を解決するために鋭意研究を重ねた結果、出発原料として少なくともリチウム化合物とチタン化合物にイットリウム化合物を混合し、焼成してスピネル型構造のチタン酸リチウムを合成する際に、チタン酸リチウムとは別にイットリウム化合物を存在させることにより、上記の目的を達成できることを見出した。この知見に基づいて、本発明に従った電極活物質は、次のような特徴を備えている。 As a result of intensive research in order to solve the problems of the prior art, the present inventors have mixed at least a lithium compound and a titanium compound as a starting material with an yttrium compound, and calcined to obtain a spinel type lithium titanate. It has been found that the above object can be achieved by synthesizing an yttrium compound separately from lithium titanate during synthesis. Based on this knowledge, the electrode active material according to the present invention has the following characteristics.
本発明に従った電極活物質は、スピネル型構造のチタン酸リチウムとイットリウム化合物とを含み、モル比率で、イットリウムがリチウム100モル部に対して0.6モル部以上2.4モル部以下含まれる。 An electrode active material according to the present invention includes lithium titanate having a spinel structure and an yttrium compound, and in a molar ratio, yttrium is included in an amount of 0.6 mol part or more and 2.4 mol part or less with respect to 100 mol parts of lithium. It is.
本発明に従った電極活物質の製造方法は、少なくとも、リチウム化合物とチタン化合物とイットリウム化合物とを混合して混合物を得る混合工程と、その混合物を焼成する焼成工程とを備える。 The method for producing an electrode active material according to the present invention includes at least a mixing step of mixing a lithium compound, a titanium compound, and an yttrium compound to obtain a mixture, and a baking step of baking the mixture.
また、上記の混合工程において、モル比率で、イットリウムがリチウム100モル部に対して0.6モル部以上2.4モル部以下含まれるように、リチウム化合物とチタン化合物とイットリウム化合物とを混合することが好ましい。 In the mixing step, the lithium compound, the titanium compound, and the yttrium compound are mixed so that yttrium is contained in a molar ratio of 0.6 mol part or more and 2.4 mol part or less with respect to 100 mol parts of lithium. It is preferable.
さらに、上記のイットリウム化合物が酸化イットリウムであることが好ましい。上記のリチウム化合物が炭酸リチウムであることが好ましい。上記のチタン化合物が酸化チタンであることが好ましい。 Furthermore, the yttrium compound is preferably yttrium oxide. The lithium compound is preferably lithium carbonate. The titanium compound is preferably titanium oxide.
本発明の非水電解質二次電池は、上記の電極活物質を電極材料に用いたものである。また、本発明の非水電解質二次電池は、上記の製造方法により製造された電極活物質を電極材料に用いたものである。 The nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention uses the above electrode active material as an electrode material. The non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention uses an electrode active material produced by the above production method as an electrode material.
本発明によれば、スピネル型構造のチタン酸リチウムを主成分として含む電極活物質において、高率放電特性に優れた電極活物質を得ることができる。また、チタン酸リチウムの合成時においてスラリー粘度を低下させることが可能になるので、ハンドリングがよくなり、生産性が向上する。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the electrode active material excellent in the high rate discharge characteristic can be obtained in the electrode active material which contains the lithium titanate of a spinel type structure as a main component. Moreover, since it becomes possible to reduce a slurry viscosity at the time of the synthesis | combination of a lithium titanate, handling becomes good and productivity improves.
本発明の電極活物質は、スピネル型構造のチタン酸リチウムとイットリウム化合物とを含み、モル比率で、イットリウムがリチウム100モル部に対して0.6モル部以上2.4モル部以下含まれることを特徴としている。本発明の電極活物質は、チタン酸リチウムとは別にイットリウム化合物を存在させて、上記のモル比率で、イットリウムが含まれることにより、スピネル型構造のチタン酸リチウムを主成分として含む電極活物質において、急速充電時における充電容量維持率が高く、急速充電特性(または高率充電特性)に優れた電極活物質を得ることができる。また、チタン酸リチウムの合成時においてスラリー粘度を低下させることが可能になるので、ハンドリングがよくなり、生産性が向上する。モル比率でイットリウムがリチウム100モル部に対して0.6モル部未満含まれる場合、または、2.4モル部を超えて含まれる場合には、急速充電時における充電容量維持率が低下する。 The electrode active material of the present invention contains lithium titanate having a spinel structure and an yttrium compound, and yttrium is contained in a molar ratio of 0.6 mol part or more and 2.4 mol part or less with respect to 100 mol parts of lithium. It is characterized by. The electrode active material of the present invention includes an yttrium compound separately from lithium titanate, and contains yttrium in the molar ratio described above, whereby an electrode active material containing spinel type lithium titanate as a main component. It is possible to obtain an electrode active material that has a high charge capacity retention rate at the time of rapid charge and excellent in rapid charge characteristics (or high rate charge characteristics). Moreover, since it becomes possible to reduce a slurry viscosity at the time of the synthesis | combination of a lithium titanate, handling becomes good and productivity improves. When yttrium is contained at a molar ratio of less than 0.6 mole part relative to 100 mole parts of lithium, or when it exceeds 2.4 mole part, the charge capacity retention rate during rapid charging is reduced.
本発明の電極活物質の製造方法は、少なくとも、リチウム化合物とチタン化合物とイットリウム化合物とを混合して混合物を得る混合工程と、その混合物を焼成する焼成工程とを備えることを特徴としている。上記の混合工程において、モル比率で、イットリウムがリチウム100モル部に対して0.6モル部以上2.4モル部以下含まれるように、リチウム化合物とチタン化合物とイットリウム化合物とを混合することが好ましい。 The method for producing an electrode active material according to the present invention includes at least a mixing step of mixing a lithium compound, a titanium compound, and an yttrium compound to obtain a mixture, and a baking step of baking the mixture. In the mixing step, the lithium compound, the titanium compound, and the yttrium compound may be mixed so that yttrium is contained in a molar ratio of 0.6 mol part or more and 2.4 mol part or less with respect to 100 mol parts of lithium. preferable.
本発明の一実施の形態として、上記のリチウム化合物としては、リチウムの酸化物、炭酸塩、無機酸塩、有機酸塩や塩化物などが挙げられる。具体的には、水酸化リチウムや炭酸リチウムなどが挙げられる。特に、上記のリチウム化合物として炭酸リチウムを使用することが好ましい。 As one embodiment of the present invention, examples of the lithium compound include lithium oxide, carbonate, inorganic acid salt, organic acid salt and chloride. Specific examples include lithium hydroxide and lithium carbonate. In particular, it is preferable to use lithium carbonate as the lithium compound.
また、上記のチタン化合物としては、チタンの酸化物、炭酸塩、無機酸塩、有機酸塩、塩化物などが挙げられる。特に、上記のチタン化合物として酸化チタンを使用することが好ましい。 Moreover, as said titanium compound, the oxide, carbonate, inorganic acid salt, organic acid salt, chloride, etc. of titanium are mentioned. In particular, it is preferable to use titanium oxide as the titanium compound.
さらに、上記のイットリウム化合物としては、イットリウムの酸化物、炭酸塩、無機酸塩、有機酸塩、塩化物などが挙げられる。具体的には、炭酸イットリウム、酸化イットリウムが挙げられる。特に、上記のイットリウム化合物として酸化イットリウムを使用することが好ましい。 Furthermore, examples of the yttrium compound include yttrium oxides, carbonates, inorganic acid salts, organic acid salts, and chlorides. Specific examples include yttrium carbonate and yttrium oxide. In particular, it is preferable to use yttrium oxide as the yttrium compound.
上記の混合工程における混合方法、混合条件および上記の焼成工程における焼成方法、焼成条件は、非水電解質二次電池の要求特性、生産性等を考慮し、任意に設定することができる。 The mixing method, mixing conditions in the mixing step, and the baking method and baking conditions in the baking step can be arbitrarily set in consideration of the required characteristics, productivity, and the like of the nonaqueous electrolyte secondary battery.
次に、本発明の電極活物質を負極活物質に用いた場合の非水電解質二次電池の製造方法の一例を以下で詳細に説明する。 Next, an example of a method for producing a nonaqueous electrolyte secondary battery when the electrode active material of the present invention is used as a negative electrode active material will be described in detail below.
まず、負極を形成する。たとえば、負極活物質を導電助剤および結合剤とともに混合し、有機溶剤または水を加えて負極活物質スラリーとし、この負極活物質スラリーを電極集電体上に任意の塗工方法で塗工し、乾燥することにより負極を形成する。 First, a negative electrode is formed. For example, a negative electrode active material is mixed with a conductive additive and a binder, an organic solvent or water is added to form a negative electrode active material slurry, and this negative electrode active material slurry is applied onto the electrode current collector by an arbitrary coating method. The negative electrode is formed by drying.
次に、正極を形成する。たとえば、正極活物質を導電助剤および結合剤とともに混合し、有機溶剤または水を加えて正極活物質スラリーとし、この正極活物質スラリーを電極集電体上に任意の塗工方法で塗工し、乾燥することにより正極を形成する。 Next, a positive electrode is formed. For example, a positive electrode active material is mixed with a conductive additive and a binder, an organic solvent or water is added to form a positive electrode active material slurry, and this positive electrode active material slurry is applied onto the electrode current collector by an arbitrary coating method. The positive electrode is formed by drying.
本発明において、正極活物質は特に限定されるものではなく、コバルト酸リチウム、マンガン酸リチウム、ニッケル酸リチウムなどのリチウム化合物、マンガンとニッケルに加えて場合によってはアルミニウムなどを含有するリチウム遷移金属複合酸化物などを使用することができる。 In the present invention, the positive electrode active material is not particularly limited, and a lithium transition metal composite containing lithium compounds such as lithium cobaltate, lithium manganate, and lithium nickelate, and optionally aluminum in addition to manganese and nickel. An oxide or the like can be used.
本発明において結合剤は特に限定されるものではなく、ポリエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリヘキサフルオロプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレンオキサイド、カルボキシメチルセルロース等の各種樹脂を使用することができる。 In the present invention, the binder is not particularly limited, and various resins such as polyethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polytetrafluoroethylene, polyethylene oxide, and carboxymethyl cellulose can be used.
また、有機溶剤についても、特に限定されるものではなく、例えば、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、N‐メチルピロリドン、プロピレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、γ‐ブチロラクトン等の塩基性溶媒、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、ニトロベンゼン、アセトン等の非水溶媒、メタノール、エタノール等のプロトン性溶媒等を使用することができる。また、有機溶剤の種類、有機化合物と有機溶剤との配合比、添加剤の種類とその添加量等は、二次電池の要求特性、生産性等を考慮し、任意に設定することができる。 Further, the organic solvent is not particularly limited, and examples thereof include basic solvents such as dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, N-methylpyrrolidone, propylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, and γ-butyrolactone, acetonitrile, tetrahydrofuran, Nonaqueous solvents such as nitrobenzene and acetone, and protic solvents such as methanol and ethanol can be used. Moreover, the kind of organic solvent, the compounding ratio of the organic compound and the organic solvent, the kind of additive and the amount of the additive, and the like can be arbitrarily set in consideration of the required characteristics and productivity of the secondary battery.
次いで、図1に示すように、上記で得られた正極14を電解質に含浸させることにより、この正極14に電解質を染み込ませた後、正極端子を兼ねたケース11の底部中央の正極集電体上に正極14を載置する。その後、電解質を含浸させたセパレータ16を正極14上に積層し、さらに負極15と集電板17を順次積層し、内部空間に電解質を注入する。そして、集電板17上に金属製のばね部材18を載置すると共に、ガスケット13を周縁に配し、かしめ機等で負極端子を兼ねた封口板12をケース11に固着して外装封止することによってコイン型非水電解質二次電池1が作製される。
Next, as shown in FIG. 1, the
なお、電解質は、正極14と対向電極である負極15との間に介在して両電極間の荷電担体輸送を行う。このような電解質としては、室温で10-5〜10-1S/cmのイオン伝導度を有するものを使用することができる。たとえば、電解質塩を有機溶剤に溶解させた電解液を使用することができる。ここで、電解質塩としては、例えば、LiPF6、LiClO4、LiBF4、LiCF3SO3、Li(CF3SO2)2N、Li(C2F5SO2)2N、Li(CF3SO2)3C、Li(C2F5SO2)3C等を使用することができる。
The electrolyte is interposed between the
上記の有機溶剤としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、γ‐ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、スルホラン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N‐メチル‐2‐ピロリドン等を使用することができる。 As the organic solvent, ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, γ-butyrolactone, tetrahydrofuran, dioxolane, sulfolane, dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, etc. are used. be able to.
また、電解質には、固体電解質を使用してもよい。固体電解質に用いられる高分子化合物としては、たとえば、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン‐ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−エチレン共重合体、フッ化ビニリデン‐モノフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン‐トリフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン‐テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン‐ヘキサフルオロプロピレン‐テトラフルオロエチレン三元共重合体等のフッ化ビニリデン系重合体、アクリロニトリル−メチルメタクリレート共重合体、アクリロニトリル‐メチルアクリレート共重合体、アクリロニトリル‐エチルメタクリレート共重合体、アクリロニトリル‐エチルアクリレート共重合体、アクリロニトリル‐メタクリル酸共重合体、アクリロニトリル‐アクリル酸共重合体、アクリロニトリル‐ビニルアセテート共重合体等のアクリルニトリル系重合体、さらにはポリエチレンオキサイド、エチレンオキサイド−プロピレンオキサイド共重合体、および、これらのアクリレート体やメタクリレート体の重合体等を挙げることができる。また、これらの高分子化合物に電解液を含ませてゲル状にしたものを電解質として使用してもよい。あるいは電解質塩を含有させた高分子化合物のみをそのまま電解質に使用してもよい。なお、電解質として、Li2S‐P2S5系、Li2S‐B2S3系、Li2S‐SiS2系に代表される硫化物ガラスなどの無機固体電解質を用いてもよい。 Moreover, you may use a solid electrolyte for electrolyte. Examples of the polymer compound used in the solid electrolyte include polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-ethylene copolymer, vinylidene fluoride-monofluoroethylene copolymer, and fluoride. Vinylidene fluoride polymers such as vinylidene-trifluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene terpolymer, and acrylonitrile-methyl methacrylate copolymer Polymer, acrylonitrile-methyl acrylate copolymer, acrylonitrile-ethyl methacrylate copolymer, acrylonitrile-ethyl acrylate copolymer, acrylonitrile-methacrylic acid copolymer, acrylonitrile-a Acrylic nitrile polymers such as lauric acid copolymer and acrylonitrile-vinyl acetate copolymer, polyethylene oxide, ethylene oxide-propylene oxide copolymer, and polymers of these acrylates and methacrylates. be able to. Moreover, you may use what made these polymer compounds contain electrolyte solution and made it gelatinous as electrolyte. Alternatively, only a polymer compound containing an electrolyte salt may be used as an electrolyte as it is. Incidentally, as an electrolyte, Li 2 S-P 2 S 5 based, Li 2 S-B 2 S 3 type, may be used an inorganic solid electrolyte such as sulfide glass represented by Li 2 S-SiS 2 system.
上記の実施の形態では、コイン型二次電池について説明したが、電池形状は特に限定されるものでないのはいうまでもなく、円筒型、角型、シート型等にも適用できる。また、外装方法も特に限定されず、金属ケース、モールド樹脂、アルミニウムラミネートフイルム等を使用してもよい。 In the above embodiment, the coin-type secondary battery has been described. However, the battery shape is not particularly limited, and can be applied to a cylindrical type, a square type, a sheet type, and the like. Also, the exterior method is not particularly limited, and a metal case, mold resin, aluminum laminate film, or the like may be used.
また、上記の実施の形態では、本発明の電極活物質を負極に使用したが、正極にも適用可能である。 In the above embodiment, the electrode active material of the present invention is used for the negative electrode, but the present invention can also be applied to the positive electrode.
さらに、上記の実施の形態では、電極活物質を非水電解質二次電池に使用した場合について述べたが、一次電池にも使用することが可能である。 Furthermore, although the case where the electrode active material is used for a non-aqueous electrolyte secondary battery has been described in the above embodiment, it can also be used for a primary battery.
次に、本発明の実施例を具体的に説明する。なお、以下に示す実施例は一例であり、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。 Next, examples of the present invention will be specifically described. In addition, the Example shown below is an example and this invention is not limited to the following Example.
以下、電極活物質に適用されるスピネル型構造のチタン酸リチウムを作製し、それを用いたコイン型非水電解質二次電池の実施例1〜4と比較例1について説明する。 Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 of coin type nonaqueous electrolyte secondary batteries using spinel type lithium titanate applied to an electrode active material will be described below.
(電極活物質の合成) (Synthesis of electrode active material)
スピネル型構造のチタン酸リチウム(Li4Ti5O12)の合成を以下の方法で行った。 The spinel type lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ) was synthesized by the following method.
まず、原料である炭酸リチウム(Li2CO3)、酸化チタン(TiO2)、酸化イットリウム(Y2O3)を、それぞれ、質量比率が以下の実施例1〜4と比較例1で示される比率になるように秤量し、溶媒として水を用いて20時間湿式で混合してスラリーを得た。この場合、Li2CO3とTiO2の合計の質量が100g、水の質量が200gになるようにした。このようにして得られたスラリーを噴霧乾燥した後、大気中で850℃の温度で1時間焼成して各電極活物質を作製した。 First, lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), titanium oxide (TiO 2 ), and yttrium oxide (Y 2 O 3 ), which are raw materials, are shown in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 having mass ratios below. The slurry was weighed so as to have a ratio and wet-mixed using water as a solvent for 20 hours to obtain a slurry. In this case, the total mass of Li 2 CO 3 and TiO 2 was 100 g, and the mass of water was 200 g. The slurry thus obtained was spray-dried and then fired in the atmosphere at a temperature of 850 ° C. for 1 hour to prepare each electrode active material.
得られた実施例1〜4と比較例1の各スラリーを少量採取して、スラリーの粘度を測定した。粘度測定では、粘度計として東機産業株式会社製のTVB形粘度計を用いて、ロータNo.M3にて回転数を60rpmとした。スラリーの粘度測定の結果を以下の表1に示す。 A small amount of each of the obtained slurry of Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 was collected, and the viscosity of the slurry was measured. In the viscosity measurement, a TVB type viscometer manufactured by Toki Sangyo Co., Ltd. was used as the viscometer, and the rotor No. The rotation speed was set to 60 rpm at M3. The results of measuring the viscosity of the slurry are shown in Table 1 below.
(実施例1) Example 1
Li2CO3:TiO2:Y2O3=0.37:0.92:0.0022(モル比)(この場合、電極活物質がスピネル型構造のLi4Ti5O12とY2O3とを含み、モル比率で、YがLi:100モル部に対して0.6モル部(Y添加量)含まれることになる。) Li 2 CO 3 : TiO 2 : Y 2 O 3 = 0.37: 0.92: 0.0022 (molar ratio) (in this case, the electrode active material is Li 4 Ti 5 O 12 and Y 2 O having a spinel structure) 3), and in terms of molar ratio, Y is included in an amount of 0.6 mol part (Y addition amount) with respect to Li: 100 mol part.)
(実施例2) (Example 2)
Li2CO3:TiO2:Y2O3=0.37:0.92:0.0044(モル比)(この場合、電極活物質がスピネル型構造のLi4Ti5O12とY2O3とを含み、モル比率で、YがLi:100モル部に対して1.2モル部(Y添加量)含まれることになる。) Li 2 CO 3 : TiO 2 : Y 2 O 3 = 0.37: 0.92: 0.0044 (molar ratio) (in this case, the electrode active material is Li 4 Ti 5 O 12 and Y 2 O having a spinel structure) 3), and in terms of molar ratio, Y is included in an amount of 1.2 mol parts (Y addition amount) with respect to Li: 100 mol parts.
(実施例3) (Example 3)
Li2CO3:TiO2:Y2O3=0.37:0.92:0.066(モル比)(この場合、電極活物質がスピネル型構造のLi4Ti5O12とY2O3とを含み、モル比率で、Li:100モル部に対してYが1.8モル部(Y添加量)含まれることになる。) Li 2 CO 3 : TiO 2 : Y 2 O 3 = 0.37: 0.92: 0.066 (molar ratio) (in this case, the electrode active material is Li 4 Ti 5 O 12 and Y 2 O having a spinel structure) 3), and in a molar ratio, Li is included in an amount of 1.8 mol parts (Y addition amount) with respect to 100 mol parts.)
(実施例4) Example 4
Li2CO3:TiO2:Y2O3=0.37:0.92:0.0088(モル比)(この場合、電極活物質がスピネル型構造のLi4Ti5O12とY2O3とを含み、モル比率で、Li:100モル部に対してYが2.4モル部(Y添加量)含まれることになる。) Li 2 CO 3 : TiO 2 : Y 2 O 3 = 0.37: 0.92: 0.0088 (molar ratio) (in this case, the electrode active material is Li 4 Ti 5 O 12 and Y 2 O having a spinel structure) 3), and 2.4 mole parts (Y addition amount) of Y with respect to 100 mole parts of Li: in a molar ratio.
(比較例1) (Comparative Example 1)
Li2CO3:TiO2:Y2O3=0.37:0.92:0.0(モル比)(この場合、電極活物質がスピネル型構造のLi4Ti5O12のみを含むことになる。) Li 2 CO 3 : TiO 2 : Y 2 O 3 = 0.37: 0.92: 0.0 (molar ratio) (in this case, the electrode active material contains only Li 4 Ti 5 O 12 having a spinel structure) become.)
得られた各電極活物質を用いて、図1に示すようなコイン型非水電解質二次電池を作製した。 A coin-type non-aqueous electrolyte secondary battery as shown in FIG. 1 was produced using each of the obtained electrode active materials.
図1に示すように、コイン型非水電解質二次電池1は、正極端子を兼ねたケース11と、負極端子を兼ねた封口板12と、ケース11と封口板12とを絶縁するガスケット13と、正極14と、負極15と、正極14と負極15との間に介在したセパレータ16と、負極15の上に配置された集電板17と、集電板17と封口板12との間に配置されたばね部材18とから構成され、ケース11の内部には電解液が充填されている。
As shown in FIG. 1, a coin-type nonaqueous electrolyte
上記で作製された各電極活物質を用いて、図1に示されたコイン型非水電解質二次電池1の正極14を作製して、実施例1〜4と比較例1の非水電解質二次電池用電極活物質としての作用効果を検証した。
The
具体的には、上記で作製された電極活物質とアセチレンブラックとポリフッ化ビニリデンとを88:6:6の質量比率になるように秤量し、混合して電極合剤を作製した。この電極合剤を溶媒(N−メチル−2−ピロリドン)中に分散させて電極スラリーを作製した。この電極スラリーを厚みが20μmのアルミニウム箔の表面上に6mg/cm2の塗布量で塗布して140℃の温度で乾燥させた後、1トン/cm2の圧力で直径12mmの円板に打ち抜くことにより、電極シートを作製した。この電極シートを図1に示されたコイン型非水電解質二次電池1の正極14として用いた。負極15には、直径が15.5mmの金属リチウム箔からなる円板を用いた。この負極15に集電板17を張り合わせた。セパレータ16には、直径が16mmの円板状のポリエチレン多孔膜を用いた。電解液としては、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートを体積比3:7で混合した溶媒に、溶媒1リットル当たり1モルの6フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を溶解させたものを用いた。このようにして、直径が20mm、厚みが3.2mmのコイン型非水電解質二次電池1を作製した。
Specifically, the electrode active material prepared above, acetylene black, and polyvinylidene fluoride were weighed so as to have a mass ratio of 88: 6: 6 and mixed to prepare an electrode mixture. This electrode mixture was dispersed in a solvent (N-methyl-2-pyrrolidone) to prepare an electrode slurry. This electrode slurry was applied on the surface of an aluminum foil having a thickness of 20 μm at a coating amount of 6 mg / cm 2 , dried at a temperature of 140 ° C., and then punched into a disk having a diameter of 12 mm at a pressure of 1 ton / cm 2. This produced an electrode sheet. This electrode sheet was used as the
以上のようにして作製されたコイン型非水電解質二次電池1を用いて充電特性を評価した。コイン型非水電解質二次電池1を、温度25℃の恒温槽内にて、0.2mA/cm2の電流値、1.0〜3.0Vの電圧範囲で3サイクル充放電させて、3サイクル目の充電
容量を測定した。その後、同様にコイン型非水電解質二次電池1を、4mA/cm2の電流値、1.0〜3.0Vの電圧範囲で充放電させて充電容量を測定した。そして、充電容量維持率を以下の式で算出した。実施例1〜4と比較例1の電極活物質を用いたコイン型非水電解質二次電池1の電池特性の測定結果を以下の表2に示す。
Charging characteristics were evaluated using the coin-type non-aqueous electrolyte
充電容量維持率[%]={(電流値4mA/cm2の充電容量)/(電流値0.2mA/cm2の3サイクル目の充電容量)}×100 Charging capacity maintenance rate [%] = {(charging capacity at current value 4 mA / cm 2 ) / (charging capacity at the third cycle at current value 0.2 mA / cm 2 )} × 100
なお、この検証実験では、正極14の活物質として用いられた実施例1〜4と比較例1の各電極活物質へのリチウム挿入によって電位が下降することを充電、各電極活物質からのリチウム脱離によって電位が上昇することを放電と定義する。
In this verification experiment, it was charged that the potential dropped due to the insertion of lithium into each electrode active material of Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 used as the active material of the
表1から、酸化イットリウムを含有しない比較例1のスラリーの粘度が高く、酸化イットリウムを含有する実施例1〜4のスラリーの粘度が低いことがわかる。したがって、酸化イットリウムを添加することによって、スラリーの粘度を低減させることが可能であることがわかる。 From Table 1, it can be seen that the viscosity of the slurry of Comparative Example 1 not containing yttrium oxide is high, and the viscosity of the slurries of Examples 1 to 4 containing yttrium oxide is low. Therefore, it can be seen that the viscosity of the slurry can be reduced by adding yttrium oxide.
表2から、実施例1〜4では、比較例1に比べて、充電容量維持率が高く、高率充電特性が良好であることがわかる。また、実施例4では、電流値0.2mA/cm2の3サイクル目の充電容量が比較的低いが、充電容量維持率が高く、高率充電特性が良好であることがわかる。したがって、電極活物質がスピネル型構造のチタン酸リチウムと酸化イットリウムとを含み、モル比率でイットリウムがリチウム100モル部に対して0.6モル部以上2.4モル部以下、含まれる場合には、非水電解質二次電池の急速充電時における充電容量維持率が高く、高率充電特性に優れた電極活物質を得ることができることがわかる。 From Table 2, it can be seen that in Examples 1 to 4, the charge capacity maintenance rate is higher than that of Comparative Example 1, and the high rate charging characteristics are good. Moreover, in Example 4, although the charge capacity of the 3rd cycle of electric current value 0.2mA / cm < 2 > is comparatively low, it turns out that a charge capacity maintenance factor is high and a high rate charge characteristic is favorable. Therefore, when the electrode active material includes lithium titanate having a spinel structure and yttrium oxide, and yttrium is included in a molar ratio of 0.6 mol part or more and 2.4 mol part or less with respect to 100 mol parts of lithium. It can be seen that it is possible to obtain an electrode active material having a high charge capacity retention rate during rapid charging of the nonaqueous electrolyte secondary battery and excellent in high rate charging characteristics.
今回開示された実施の形態と実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は以上の実施の形態と実施例ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正や変形を含むものであることが意図される。 It should be considered that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is shown not by the above embodiments and examples but by the scope of claims, and is intended to include all modifications and variations within the meaning and scope equivalent to the scope of claims. .
本発明の電極活物質は、スピネル型構造のチタン酸リチウムを主成分として含み、非水電解質二次電池の急速充電時における充電容量維持率が高い電極活物質であるので、非水電解質二次電池の製造に有用である。 Since the electrode active material of the present invention contains a spinel-type lithium titanate as a main component and is an electrode active material having a high charge capacity retention rate at the time of quick charge of a non-aqueous electrolyte secondary battery, the non-aqueous electrolyte secondary Useful in the manufacture of batteries.
1:コイン型非水電解質二次電池、11:ケース、12:封口板、13:ガスケット、14:正極、15:負極、16:セパレータ、17:集電板、18:ばね部材。
1: Coin-type non-aqueous electrolyte secondary battery, 11: case, 12: sealing plate, 13: gasket, 14: positive electrode, 15: negative electrode, 16: separator, 17: current collector plate, 18: spring member.
Claims (8)
少なくとも、リチウム化合物とチタン化合物とイットリウム化合物とを混合して混合物を得る混合工程と、
前記混合物を焼成する焼成工程とを備えた、電極活物質の製造方法。 It is a manufacturing method of the electrode active material according to claim 1,
At least a mixing step of mixing a lithium compound, a titanium compound, and an yttrium compound to obtain a mixture;
The manufacturing method of an electrode active material provided with the baking process which bakes the said mixture.
A nonaqueous electrolyte secondary battery using, as an electrode material, an electrode active material produced by the production method according to any one of claims 2 to 6.
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| KR101369172B1 (en) * | 2012-06-28 | 2014-03-04 | 한국세라믹기술원 | A method of synthesis of high dispersed spherical Y or Nb doped lithium titanate oxide using titanium tetrachloride and lithium hydroxide |
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