JP6197029B2 - 非水電解質蓄電素子用活物質 - Google Patents
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Description
Li1+xNb1−x−yMyO2+z [化学式1]
〔上記式中、0.01≦x≦0.5、0≦y≦0.3、−0.2≦z≦0.2であり、Mは、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Mo、W、Ag、Sn、Ge、Si、Al、およびこれらの組み合わせよりなる群から選ばれた元素である〕。」(請求項1)を用いる技術が開示されている。この負極活物質は、「従来から正極活物質として使用されてきたLiCoO2のようなリチウム−遷移金属酸化物の構造において、Coを他の金属元素「Nb」と別の第2の金属元素「M」に置換することにより、リチウムイオンの脱離/挿入が容易に行われるリチウム−金属酸化物を製造し、これをリチウム二次電池用負極活物質として用い、この負極活物質が高容量と優れた寿命特性を示すことを見出し」(段落0008)たと記載され、LiCoO2と同じ六方晶系の空間群「R−3m」の結晶構造を有することが段落0018、0019に示されている。具体的には、実施例5−1にLi1.1Nb0.89Fe0.01O2の組成式で表される負極活物質が例示されている。
Li1+xNbyMezApO2 ・・・ (1)
(MeはFe及び/又はMnを含む遷移金属、0<x<1、0<y<0.5、0.25≦z<1、AはNb、Me以外の元素、0≦p≦0.2)
aLiMeO2・(1−a)Li3/2Nb1/2O2(0<a<1)
これを変形して次式が得られる。
Li1+(1−a)/2Nb(1−a)/2MeaO2
従って、これを次式
Li1+xNbyMezO2
で表したとき、yが取りうる範囲は、0<y<0.5である。
上記式は、任意元素Aを加え、次式で表現することができる。
Li1+xNbyMezApO2 ・・・ (1)
(MeはFe及び/又はMnを含む遷移金属、0<x<1、0<y<0.5、0.25≦z<1、AはNb、Me以外の元素、0≦p≦0.2)
Li1+xNbyFeaMnbApO2 ・・・ (2)
(0<x<0.5、0<y<0.5、0<a<1、0<b<1、0.25≦a+b<1、AはNb、Me以外の元素、0≦p≦0.2)
本発明の非水電解質蓄電素子用活物質は、基本的に、活物質を構成する金属元素(Li,Nb,Me)を、目的とする活物質(リチウム遷移金属複合酸化物)の組成通りに含有するように原料を調整し、最終的にこの原料を焼成すること、によって得ることができる。但し、Li原料の量については、焼成中にLi原料の一部が消失することを見込んで、1〜5%程度過剰に含有させることが好ましく、3%程度過剰に含有させることがより好ましい。
本発明では、実施例に後述するように「固相法」を採用している。「固相法」を採用することにより、特別な装置を必要とせず、合成工程の簡易化が可能となり、活物質の合成コストを削減することができるので好ましい。
炭酸リチウム(Li2CO3)(ナカライテスク社製)1.101g、五酸化二ニオブ(Nb2O5)(ナカライテスク社製)1.026g及び三酸化二鉄(Fe2O3)(ナカライテスク社製)0.529gを秤取した。これらの粉末を直径10mmのアルミナ製ボールを10個備えたアルミナ製ポットに入れ、遊星型ボールミル(FRITSCH社製、型番pulverisette 5)にセットし、200rpmで1時間混合した。このようにして、Li:Nb:Feのモル比が135:35:30である混合粉体を調製した。この混合粉体を、ペレット成型機を用いて、6MPaの圧力で加圧成型し、直径25mmのペレットとした。ペレット成型に供した混合粉体の量は、想定する最終生成物の質量が2gとなるように換算して決定した。このペレット1個を全長約100mmのアルミナ製ボートに載置し、箱型電気炉(型番:AMF20)に設置し、空気雰囲気中、常圧下、常温から950℃まで約10時間かけて昇温し、950℃で24h焼成した。前記箱型電気炉の内部寸法は、縦10cm、幅20cm、奥行き30cmであり、幅方向20cm間隔に電熱線が入っている。焼成後、ペレットを取り出し、粒径を揃えるために、瑪瑙製自動乳鉢で数分間粉砕した。このようにして、実施例1に係るリチウム遷移金属複合酸化物を作製した。
混合粉体の調製工程において、Li:Nb:Feのモル比が、実施例2については130:30:40、実施例3については125:25:50、実施例4については120:20:60、実施例5については115:15:70、実施例6については110:10:80、実施例7については105:5:90、実施例8については130:20:50、実施例9については130:40:30となるように、炭酸リチウム、五酸化二ニオブ及び三酸化二鉄を秤取したことを除いては、実施例1と同様の手順で、実施例2〜9に係るリチウム遷移金属複合酸化物を作製した。
混合粉体の調製工程において、Li:Nb:Feのモル比が、比較例1については150:50:0、比較例2については145:45:10、比較例3については140:40:20、比較例4については100:0:100となるように、炭酸リチウム、五酸化二ニオブ及び三酸化二鉄を秤取したことを除いては、実施例1と同様の手順で、比較例1〜4に係るリチウム遷移金属複合酸化物を作製した。
炭酸リチウム(Li2CO3)(ナカライテスク社製)1.137g、五酸化二ニオブ(Nb2O5)(ナカライテスク社製)1.029g及び三酸化二マンガン(Mn2O3)(ナカライテスク社製)0.524gを秤取した。これらの粉末を直径10mmのアルミナ製ボールを10個備えたアルミナ製ポットに入れ、遊星型ボールミル(FRITSCH社製、型番pulverisette 5)にセットし、200rpmで1時間混合した。このようにして、Li:Nb:Mnのモル比が135:35:30である混合粉体を調製した。この混合粉体を、ペレット成型機を用いて、6MPaの圧力で加圧成型し、直径25mmのペレットとした。ペレット成型に供した混合粉体の量は、想定する最終生成物の質量が2gとなるように換算して決定した。このペレット1個を全長約100mmのアルミナ製ボートに載置し、管状炉に設置し、窒素雰囲気中、常圧下、常温から950℃まで約10時間かけて昇温し、950℃で24h焼成した。その後、ペレットを取り出し、粒径を揃えるために、瑪瑙製自動乳鉢で数分間粉砕した。このようにして、実施例1に係るリチウム遷移金属複合酸化物を作製した。
混合粉体の調製工程において、Li:Nb:Mnのモル比が、実施例11については130:30:40、実施例12については125:25:50、実施例13については120:20:60、実施例14については115:15:70、実施例15については110:10:80、実施例16については105:5:90、実施例17については130:35:35、実施例18については130:25:45、実施例19については130:45:25、実施例20については130:15:55となるように、炭酸リチウム、五酸化二ニオブ及び三酸化二マンガンを秤取したことを除いては、実施例10と同様の手順で、実施例11〜20に係るリチウム遷移金属複合酸化物を作製した。
混合粉体の調製工程において、Li:Nb:Mnのモル比が、比較例5については145:45:10、比較例6については140:40:20、比較例7については100:0:100となるように、炭酸リチウム、五酸化二ニオブ及び三酸化二マンガンを秤取したことを除いては、実施例10と同様の手順で、比較例5〜7に係るリチウム遷移金属複合酸化物を作製した。
炭酸リチウム(Li2CO3)(ナカライテスク社製)1.137g、五酸化二ニオブ(Nb2O5)(ナカライテスク社製)1.029g、三酸化二鉄(Fe2O3)(ナカライテスク社製)0.529g及び三酸化二マンガン(Mn2O3)(ナカライテスク社製)0.524gを秤取した。これらの粉末を直径10mmのアルミナ製ボールを10個備えたアルミナ製ポットに入れ、遊星型ボールミル(FRITSCH社製、型番pulverisette 5)にセットし、200rpmで1時間混合した。このようにして、Li:Nb:Fe:Mnのモル比が121.5:21.5:19:38である混合粉体を調製した。この混合粉体を、ペレット成型機を用いて、6MPaの圧力で加圧成型し、直径25mmのペレットとした。ペレット成型に供した混合粉体の量は、想定する最終生成物の質量が2gとなるように換算して決定した。このペレット1個を全長約100mmのアルミナ製ボートに載置し、管状炉に設置し、窒素雰囲気中、常圧下、常温から950℃まで約10時間かけて昇温し、950℃で24h焼成した。その後、ペレットを取り出し、粒径を揃えるために、瑪瑙製自動乳鉢で数分間粉砕した。このようにして、実施例21に係るリチウム遷移金属複合酸化物を作製した。
混合粉体の調製工程において、Li:Nb:Fe:Mnのモル比が、実施例22については112:12:38:38、実施例23については131:31:19:19、実施例24については121.5:21.5:38:19、実施例25については112:12:57:19、実施例26については131:31:19:57、実施例27については125:25:12:38、実施例28については115.5:15.5:12:57となるように、炭酸リチウム、五酸化二ニオブ、三酸化二鉄及び三酸化二マンガンを秤取したことを除いては、実施例21と同様の手順で、実施例22〜28に係るリチウム遷移金属複合酸化物を作製した。
実施例1〜20及び比較例1〜8に係るリチウム遷移金属複合酸化物について、エックス線回折装置(Rigaku社製、型名:MiniFlex II)を用いて粉末エックス線回折測定を行った。線源はCuKα、加速電圧及び電流はそれぞれ30kV及び15mAとした。得られたエックス線回折図及びエックス線回折データについて、前記エックス線回折装置の付属ソフトである「PDXL」を用いて解析を実施した。その結果、実施例1〜28及び比較例4については空間群Fm−3mの単一相、比較例2及び3については空間群Fm−3mの相とLi3NbO4相との混相、比較例5及び6については空間群Pmmnの相とLi3NbO4相との混相、比較例1についてはLi3NbO4に由来する空間群I−43mの単一相、比較例7についてはLiMnO2に由来する空間群Pmmnの単一相であった。
実施例1〜28及び比較例1〜7のそれぞれのリチウム遷移金属複合酸化物を非水電解質電池の正極活物質として用いて、以下の手順で非水電解質二次電池を作製し、電池特性を評価した。
上記のようにして作製された非水電解質二次電池を、25℃に設定した恒温槽に移し、1サイクルの充放電を実施した。充電は、電流0.1CmA、電位4.8Vの定電流定電圧充電とした。充電終止条件については、電流値が0.02CmAに減衰した時点とした。放電は、電流0.1CmA、終止電圧1.0Vの定電流放電とした。全てのサイクルにおいて、充電後及び放電後に、30分の休止時間を設定した。実施例1〜9及び比較例1〜4の電池では、このときの放電電気量と放電電圧からエネルギー(mWh)を算出した後、正極活物質質量で除した値を「エネルギー密度(mWh/g)」とした。この結果を表1に示す。また、実施例10〜28と比較例1及び5〜7では、上記放電電気量を活物質質量で除した値を「放電容量(mAh/g)」とした。この結果を表2及び表3に示す。
MeとしてFeを採用した場合、層状岩塩型構造のLiFeO2は、そもそもリチウムイオン(Li+)の伝導パスが存在しない。非特許文献1では、LiFeO2粒子の充放電特性が報告されているが、これはLiFeO2粒子の微粒子化により物理的に拡散距離を短くすることで放電容量を示すようになったと考えられる。一方、本発明に係るリチウム遷移金属複合酸化物は、組成式中のFeのモル比zが0.3≦z<1となるようにLiFeO2とLi3NbO4を固溶させることで、同じ層状岩塩構造であっても、一次粒子の構成や各元素の配置により岩塩相(LiFeO2)のLi+の拡散が促進される。そのため、粒子の微粒子化を行うことなく、大きな放電容量を得ることができるので、非水電解質蓄電素子用活物質のエネルギー密度を大きくすることが可能になったと考えられる。
即ち、上記作用を享受するためには、リチウム遷移金属複合酸化物の組成式中のMeのモル比zが0.3≦z<1の範囲にあることが好ましいと考えられる。
1 非水電解質二次電池
2 電極群
3 電池容器
4 正極端子
4’ 正極リード
5 負極端子
5’ 負極リード
20 蓄電ユニット
30 蓄電装置
Claims (7)
- 空間群Fm−3mに帰属可能な結晶構造を有し、組成式(1)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を含有する非水電解質蓄電素子用活物質。
Li1+xNbyMezApO2 ・・・ (1)
(MeはFe及び/又はMnを含む遷移金属、0<x<1、0<y<0.5、0.25≦z<1、AはNb、Me以外の元素、0≦p≦0.2、但し、Li 1+p Fe 1−q Nb q O 2 であって、0.15<p≦0.3、0<q≦0.3であるものを除く) - 0.05≦y≦0.35、0.8≦2y+z≦1.2である請求項1に記載の非水電解質蓄電素子用活物質。
- 前記組成式(1)を組成式(2)で表したとき、0.1<a<0.6、0.1<b<0.6である請求項1又は2に記載の非水電解質蓄電素子用活物質。
Li1+xNbyFeaMnbApO2 ・・・ (2) - 0.3≦z≦0.7である請求項1〜3のいずれかに記載の非水電解質蓄電素子用活物質。
- |x−y|≦0.2である請求項1〜4のいずれかに記載の非水電解質蓄電素子用活物質。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の非水電解質蓄電素子用活物質を含有する非水電解質蓄電素子用電極。
- 請求項6に記載の非水電解質蓄電素子用電極を備えた非水電解質蓄電素子。
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