JP7208147B2 - リチウムバナジウム酸化物結晶体、電極材料及び蓄電デバイス - Google Patents
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Description
まず、本発明のリチウムバナジウム酸化物結晶体(以下、本リチウムバナジウム酸化物結晶体という)は、リチウムイオンが可逆的に挿入及び脱離可能な材料である。本リチウムバナジウム酸化物結晶体は、例えば蓄電デバイスの電極材料としての用途に好適である。蓄電デバイスとしてはリチウムイオン二次電池やハイブリッドキャパシタが挙げられる。
本リチウムバナジウム酸化物結晶体は、図4に示すX線回折結果をもたらす結晶構造を有する。図4は、本リチウムバナジウム酸化物結晶体をシミュレーションに基づく粉末X線回折で分析した結果を示すグラフである。図4に示すように、従来(図1参照)と比べて、入射角2θが32.2度付近に鋭敏なピークが現れる点は同じである。尚、32.2度付近とは32.2±0.7度をいう。
長距離秩序を有し、リチウムイオンの脱離時にはVO4が四面体配位構造を有する従来のバナジン酸リチウム結晶体(以下、中間体という)に対し、CC-CV(Constant Current Constant Voltage)処理を行うことにより、本リチウムバナジウム酸化物結晶体は得られる。中間体は、リチウム源とバナジウム源の混合工程と熱処理工程を経て得られる。カーボンとの複合体を生成する場合には、中間体の作製過程内の混合工程で更にカーボン源を添加すればよい。
まず、中間体の製造方法について説明する。中間体は、混合工程、分散工程、ポリマー鎖形成工程、除去工程及び結晶化工程を経る。混合工程では、バナジウム源とリチウム源を含む金属粒子源、導電性炭素材料、錯体配位子、および重合剤とが混合された混合溶媒を作製する。分散工程では、炭素材料の表面に金属粒子源を付着させ、バナジン酸リチウムの前駆体を生成する。ポリマー鎖形成工程では、炭素材料上に付着したバナジン酸リチウムの前駆体にポリマー鎖を形成する。除去工程では、ポリマー鎖を形成したバナジン酸リチウムの前駆体が付着した炭素材料を加熱し、ポリマー鎖を除去する。結晶工程では、バナジン酸リチウムの前駆体が付着した炭素材料を焼成し、バナジン酸リチウムと炭素材料の複合材料を得る。
これにより得られた中間体に対してCC-CV処理を行うことによって本リチウムバナジウム酸化物結晶体とカーボンとの複合体が得られる。CC-CV処理は、中間体を負極としたハーフセルを作製し、このハーフセルに定電流及び定電圧の印加する処理である。
以下、本発明の実施例を示すが、本発明は実施例に限定されるものではない。まず、以下の製造方法により、中間体としてバナジン酸リチウムとカーボンナノチューブ(CNT)の複合材料(Li3VO4/CNT)を生成した。
このCC-CV処理の前後の生成物を粉末X線回折により分析した。その結果を図15及び図16に示す。図15はCC-CV処理前の中間体を分析した結果であり、図16はCC-CV処理後の最終生成物を分析した結果である。
CC-CV処理前の中間体、即ち従来のリチウムバナジウム酸化物結晶体とカーボンの複合体と、中間体をCC-CV処理することにより得た本リチウムバナジウム酸化物結晶体のリチウムイオン拡散係数を評価した。
次に、CC-CV処理前の中間体、即ち従来のリチウムバナジウム酸化物結晶体とカーボンの複合体と、中間体をCC-CV処理することにより得た本リチウムバナジウム酸化物結晶体の充放電ヒステリシスを評価した。充放電ヒステリシスの評価に際し、両ハーフセルに対し、電圧範囲は、0.1-2.5V(vs. Li/Li+)であり、電流値は0.01Ag-1(gはバナジン酸リチウム当たり)とした。その結果を図19及び図20に示す。
次に、CC-CV処理前の中間体、即ち従来のリチウムバナジウム酸化物結晶体とカーボンの複合体と、中間体をCC-CV処理することにより得た本リチウムバナジウム酸化物結晶体とカーボンとの複合体のレート特性を評価した。
Claims (8)
- カチオンがディスオーダー化された結晶構造を有し、
X線回折の結果で表される前記結晶構造は、
入射角2θが32.2度付近にピークが現れ、
更に当該32.2度付近のピークよりも低角の範囲にはピークが無いか、
またはピークがあっても、当該32.2度付近のピークよりも低角の範囲に存在する全てピークの回折強度は、前記32.2度付近のピークの回折強度を100とすると50以下であること、
を特徴とするリチウムバナジウム酸化物結晶体。 - 化学式Li3VO4で表されること、
を特徴とする請求項1記載のリチウムバナジウム酸化物結晶体。 - LiO6配位構造とVO6配位構造が並んで成り、
前記32.2度付近のピークよりも低角の範囲の長距離秩序の全て又は一部が崩れてランダムになっていること、
を特徴とする請求項1又は2記載のリチウムバナジウム酸化物結晶体。 - LiO6配位構造とVO6配位構造が並んで成り、
少なくとも一部のVO6配位構造がリチウムイオンの挿入及び離脱に関わらず、八面体配位を維持していること、
を特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載のリチウムバナジウム酸化物結晶体。 - LiO6配位構造とVO6配位構造が並んで成り、
少なくとも一部のVO6配位構造がリチウムイオンの挿入及び離脱に応じて、八面体配位と六面体配位を採ること、
を特徴とする請求項1乃至4の何れかに記載のリチウムバナジウム酸化物結晶体。 - 請求項1乃至5の何れかに記載のリチウムバナジウム酸化物結晶体を含むことを特徴とする電極材料。
- 前記リチウムバナジウム酸化物結晶体とカーボンとが複合化されて成る複合体粒子を有し、
前記複合体粒子のX線回折の結果で表される結晶構造は、
入射角2θが32.2度付近にピークが現れ、
更に当該32.2度付近のピークよりも低角の範囲にはピークが無いか、
またはピークがあっても、当該32.2度付近のピークよりも低角の範囲に存在する全てピークの回折強度は、前記32.2度付近のピークの回折強度を100とすると50以下であり、
更に当該32.2度付近のピークよりも低角の範囲にブロードなハローパターンが現われていること、
を特徴とする請求項6記載の電極材料。 - 請求項6又は7記載の電極材料を正極又は負極に用いたこと、
を特徴とする蓄電デバイス。
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