JP2007234512A - Nonaqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、正極、負極および非水電解質からなる非水電解質二次電池に関する。 The present invention relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery including a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte.
現在、高エネルギー密度の二次電池として、非水電解質を使用し、例えばリチウムイオンを正極と負極との間で移動させて充放電を行うようにした非水電解質二次電池が多く利用されている。 Currently, non-aqueous electrolyte secondary batteries that use a non-aqueous electrolyte as a secondary battery with a high energy density, for example, charge and discharge by moving lithium ions between the positive electrode and the negative electrode are widely used. Yes.
このような非水電解質二次電池において、一般に正極としてニッケル酸リチウム(LiNiO2 )、およびコバルト酸リチウム(LiCoO2 )等の層状構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物が用いられ、負極としてリチウムの吸蔵および放出が可能な炭素材料、リチウム金属、リチウム合金等が用いられている(例えば、特許文献1参照)。 In such a non-aqueous electrolyte secondary battery, a lithium transition metal composite oxide having a layered structure such as lithium nickelate (LiNiO 2 ) and lithium cobaltate (LiCoO 2 ) is generally used as a positive electrode, and lithium as a negative electrode. Carbon materials, lithium metal, lithium alloys and the like that can be occluded and released are used (see, for example, Patent Document 1).
上記非水電解質二次電池を用いることにより、150〜180mAh/gの放電容量、約4Vの電位および約260mAh/gの理論容量を得ることができる。 By using the non-aqueous electrolyte secondary battery, a discharge capacity of 150 to 180 mAh / g, a potential of about 4 V, and a theoretical capacity of about 260 mAh / g can be obtained.
また、非水電解質として、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート等の有機溶媒に四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4 )、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6 )等の電解質塩を溶解させたものが使用されている。 In addition, a nonaqueous electrolyte in which an electrolyte salt such as lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ) or lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) is dissolved in an organic solvent such as ethylene carbonate or diethyl carbonate is used. ing.
一方、最近では、リチウムイオンの代わりにナトリウムイオンを利用した非水電解質二次電池の研究が始められている。 On the other hand, recently, research on non-aqueous electrolyte secondary batteries using sodium ions instead of lithium ions has been started.
このナトリウムイオンを利用した非水電解質二次電池の研究例は非常に少なく、正極に亜鉄酸ナトリウム(NaFeO2 )を用い、非水電解質に過酸化物である過塩素酸ナトリウム(NaClO4 )を用いたものが提案されている(例えば、非特許文献1参照)。
しかしながら、上記従来の非水電解質二次電池の充放電反応は、ナトリウムイオンの溶解および析出により行われるため、良好な初期放電容量密度、充放電効率および充放電特性(充放電サイクル特性)を得ることが困難である。 However, since the charge / discharge reaction of the conventional nonaqueous electrolyte secondary battery is performed by dissolution and precipitation of sodium ions, good initial discharge capacity density, charge / discharge efficiency, and charge / discharge characteristics (charge / discharge cycle characteristics) are obtained. Is difficult.
また、充放電を繰り返すと、非水電解質中に樹枝状の析出物(デンドライト)が生成されやすくなる。そのため、上記デンドライトにより内部短絡が発生する場合があり、十分な安全性の確保が困難である。 Moreover, when charging and discharging are repeated, dendritic precipitates (dendrites) are likely to be generated in the nonaqueous electrolyte. Therefore, an internal short circuit may occur due to the dendrite, and it is difficult to ensure sufficient safety.
さらに、一般的に、リチウムイオンを利用した非水電解質二次電池では、リチウムイオンを吸蔵および放出することが可能な実用性の高い炭素または珪素等からなる負極が用いられるが、ナトリウムイオンを利用した非水電解質二次電池において、炭素(黒鉛)からなる負極を用いた場合には、当該負極に注入されるナトリウムイオンは少量となってしまう。その結果、良好な充放電特性が得られない。 Furthermore, in general, non-aqueous electrolyte secondary batteries using lithium ions use highly practical negative electrodes made of carbon or silicon that can occlude and release lithium ions, but use sodium ions. In the nonaqueous electrolyte secondary battery, when a negative electrode made of carbon (graphite) is used, a small amount of sodium ions are injected into the negative electrode. As a result, good charge / discharge characteristics cannot be obtained.
珪素からなる負極を用いた場合には、当該負極はナトリウムイオンを吸蔵しない。その結果、可逆的な充放電を行うことができない。 When a negative electrode made of silicon is used, the negative electrode does not occlude sodium ions. As a result, reversible charging / discharging cannot be performed.
本発明の目的は、可逆的な充放電を行うことが可能で、高い初期放電容量密度を得ることが可能な非水電解質二次電池を提供することである。 An object of the present invention is to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery that can perform reversible charging / discharging and obtain a high initial discharge capacity density.
本発明に係る非水電解質二次電池は、正極と、負極活物質を含む負極と、ナトリウムイオンを含む非水電解質とを備え、負極活物質は、c軸方向の結晶子の大きさLcが72.5nm以下である易黒鉛化性炭素を単一成分または主成分として含むものである。 The non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention includes a positive electrode, a negative electrode including a negative electrode active material, and a non-aqueous electrolyte including sodium ions. The negative electrode active material has a crystallite size Lc in the c-axis direction. It contains graphitizable carbon of 72.5 nm or less as a single component or main component.
本発明に係る非水電解質二次電池においては、易黒鉛化性炭素を単一成分または主成分として含む負極活物質に対してナトリウムイオンが十分に吸蔵および放出される。それにより、可逆的な充放電を行うことができるとともに、高い初期放電容量密度を得ることができる。 In the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention, sodium ions are sufficiently occluded and released from the negative electrode active material containing graphitizable carbon as a single component or main component. Thereby, reversible charging / discharging can be performed and a high initial discharge capacity density can be obtained.
易黒鉛化性炭素のc軸方向の結晶子の大きさLcは15.5nm以下であってもよい。 The crystallite size Lc in the c-axis direction of the graphitizable carbon may be 15.5 nm or less.
この場合、さらに高い初期放電容量密度を得ることが可能となる。 In this case, a higher initial discharge capacity density can be obtained.
非水電解質二次電池は、金属箔からなる集電体をさらに備え、負極活物質は、集電体上に形成されてもよい。 The nonaqueous electrolyte secondary battery may further include a current collector made of a metal foil, and the negative electrode active material may be formed on the current collector.
この場合、負極活物質が金属箔からなる集電体上に容易に形成される。 In this case, the negative electrode active material is easily formed on the current collector made of the metal foil.
非水電解質は、六フッ化リン酸ナトリウムを含んでもよい。この場合、安全性が向上される。 The non-aqueous electrolyte may include sodium hexafluorophosphate. In this case, safety is improved.
非水電解質は、環状炭酸エステル、鎖状炭酸エステル、エステル類、環状エーテル類、鎖状エーテル類、ニトリル類およびアミド類からなる群から選択される1種または2種以上を含んでもよい。 The non-aqueous electrolyte may contain one or more selected from the group consisting of cyclic carbonates, chain carbonates, esters, cyclic ethers, chain ethers, nitriles and amides.
この場合、低コスト化が図れるとともに安全性が向上される。 In this case, the cost can be reduced and the safety is improved.
本発明に係る非水電解質二次電池によれば、炭素(易黒鉛化性炭素)を含む負極に対してナトリウムイオンが十分に吸蔵および放出される。それにより、可逆的な充放電を行うことが可能となり、高い初期放電容量密度を得ることが可能となる。 According to the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention, sodium ions are sufficiently occluded and released from the negative electrode containing carbon (graphitizable carbon). Thereby, reversible charging / discharging can be performed, and a high initial discharge capacity density can be obtained.
以下、本実施の形態に係る非水電解質二次電池について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present embodiment will be described with reference to the drawings.
本実施の形態に係る非水電解質二次電池は、作用極(以下、負極と称する)、対極(以下、正極と称する)、および非水電解質により構成される。 The nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present embodiment includes a working electrode (hereinafter referred to as a negative electrode), a counter electrode (hereinafter referred to as a positive electrode), and a nonaqueous electrolyte.
なお、以下に説明する各種材料および当該材料の厚さおよび濃度等は以下の記載に限定されるものではなく、適宜設定することができる。 The various materials described below and the thicknesses and concentrations of the materials are not limited to those described below, and can be set as appropriate.
(1)本発明の経緯
炭素の一種であるハードカーボン(難黒鉛化性炭素)にナトリウムイオンが吸蔵および放出されることは一般的に知られている。
(1) Background of the Invention It is generally known that sodium ions are occluded and released into hard carbon (non-graphitizable carbon) which is a kind of carbon.
ハードカーボンとは、熱処理温度が十分に高くなく黒鉛化が進行していないためにX線回折法による測定では非晶質を示すとともに、高温で熱処理しても黒鉛化しない炭素をいう。一方、熱処理温度が十分に高くなく黒鉛化が進行していないためにX線回折法による測定では非晶質を示すが、高温で熱処理することで黒鉛化する炭素のことをソフトカーボン(易黒鉛化性炭素)という。 Hard carbon refers to carbon that does not graphitize even when heat-treated at a high temperature, because the heat-treatment temperature is not sufficiently high and graphitization has not progressed, so that it is amorphous in the measurement by the X-ray diffraction method. On the other hand, since the heat treatment temperature is not sufficiently high and graphitization has not progressed, the measurement by X-ray diffraction shows amorphous, but the carbon that is graphitized by heat treatment at a high temperature is soft carbon (easy graphite). Carbon).
ハードカーボンにおいては、結晶子が無秩序な配列なため、高温で熱処理しても黒鉛化は進行しないが、ソフトカーボンにおいては、微小な結晶子がほぼ同一方向に並んでいるので、熱処理による僅かな拡散によって黒鉛化が起こる。 In hard carbon, the crystallites are disordered, so graphitization does not proceed even when heat-treated at high temperatures. However, in soft carbon, microcrystals are arranged in almost the same direction. Graphitization occurs by diffusion.
同じ炭素であっても、黒鉛にはナトリウムイオンが吸蔵および放出されないことも一般的に知られている。 It is also generally known that sodium ions are not occluded and released from graphite even with the same carbon.
本実施の形態では、このように、ナトリウムイオンを吸蔵および放出しない黒鉛がどのような物性になれば、ナトリウムイオンを吸蔵および放出することが可能となるかについての知見を得るため、メカニカルミリング法によって黒鉛(人造黒鉛)を粉砕することにより炭素材料を得た。 In the present embodiment, in order to obtain knowledge about what physical properties of graphite that does not occlude and release sodium ions can be occluded and released, a mechanical milling method is used. A carbon material was obtained by pulverizing graphite (artificial graphite) with
そして、この炭素材料を用いて充放電試験を行ったところ、c軸方向の結晶子の大きさLcがある値以下になると、負極に対してナトリウムイオンが吸蔵および放出されることを案出した。 Then, when a charge / discharge test was performed using this carbon material, it was devised that sodium ions were occluded and released from the negative electrode when the crystallite size Lc in the c-axis direction was below a certain value. .
(2)非水電解質二次電池の各構成
(2−1)負極の作製
本実施の形態においては、後述の負極活物質は、結晶子のc軸方向の大きさLcが、例えば72.5nm以下、好ましくは15.5nm以下である炭素材料を単一成分または主成分として含む。
(2) Each configuration of the nonaqueous electrolyte secondary battery (2-1) Production of negative electrode In the present embodiment, the negative electrode active material described later has a crystallite c-axis size Lc of, for example, 72.5 nm. Hereinafter, a carbon material preferably having a size of 15.5 nm or less is included as a single component or a main component.
このような負極活物質を得るには、例えば1〜6時間の間、人造黒鉛に対して例えば回転数300rpmで、5分間実施および5分間停止からなるサイクルを繰り返すメカニカルミリング処理を施す。 In order to obtain such a negative electrode active material, for example, mechanical milling treatment is performed on artificial graphite for 1 to 6 hours, for example, at a rotation speed of 300 rpm for 5 minutes and repeated for 5 minutes.
メカニカルミリング処理により得た上記の負極活物質と、結着剤としてのポリアクリロニトリル(PAN)とを例えば重量比97:3で混合することにより負極材料を得る。 A negative electrode material is obtained by mixing the negative electrode active material obtained by the mechanical milling process and polyacrylonitrile (PAN) as a binder at a weight ratio of 97: 3, for example.
次いで、上記負極材料にN−メチル−2−ピロリドンを添加し、これを混練することにより負極合剤としてのスラリーを作製する。 Next, N-methyl-2-pyrrolidone is added to the negative electrode material and kneaded to prepare a slurry as a negative electrode mixture.
次に、ドクターブレード法により、上記スラリーを負極集電体である例えば厚さ11μmの銅箔上に塗布した後、乾燥させることにより負極活物質層を形成する。 Next, the slurry is applied to a negative electrode current collector, for example, a 11 μm thick copper foil by a doctor blade method, and then dried to form a negative electrode active material layer.
次いで、負極活物質層が形成された銅箔を2cm×2cmの大きさに切り取り、負極タブを取り付けることにより負極を作製する。 Next, the copper foil on which the negative electrode active material layer is formed is cut into a size of 2 cm × 2 cm, and a negative electrode is attached by attaching a negative electrode tab.
(2−2)非水電解質の作製
非水電解質としては、非水溶媒に電解質塩を溶解させたものを用いることができる。
(2-2) Production of non-aqueous electrolyte As the non-aqueous electrolyte, a solution obtained by dissolving an electrolyte salt in a non-aqueous solvent can be used.
非水溶媒としては、通常電池用の非水溶媒として用いられる環状炭酸エステル、鎖状炭酸エステル、エステル類、環状エーテル類、鎖状エーテル類、ニトリル類、アミド類等およびこれらの組合せからなるものが挙げられる。 Examples of non-aqueous solvents include cyclic carbonates, chain carbonates, esters, cyclic ethers, chain ethers, nitriles, amides, and the like, which are usually used as non-aqueous solvents for batteries. Is mentioned.
環状炭酸エステルとしては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート等が挙げられ、これらの水素基の一部または全部がフッ素化されているものも用いることが可能で、例えば、トリフルオロプロピレンカーボネート、フルオロエチルカーボネート等が挙げられる。 Examples of the cyclic carbonate include ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate and the like, and those in which some or all of these hydrogen groups are fluorinated can be used. For example, trifluoropropylene carbonate, fluoro Examples include ethyl carbonate.
鎖状炭酸エステルとしては、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、メチルイソプロピルカーボネート等が挙げられ、これらの水素基の一部または全部がフッ素化されているものも用いることが可能である。 Examples of chain carbonic acid esters include dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, diethyl carbonate, methyl propyl carbonate, ethyl propyl carbonate, methyl isopropyl carbonate, and the like. Some of these hydrogen groups are fluorinated. It is possible to use.
エステル類としては、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、γ−ブチロラクトン等が挙げられる。環状エーテル類としては、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1、3−ジオキソラン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、プロピレンオキシド、1,2−ブチレンオキシド、1,4−ジオキサン、1,3,5−トリオキサン、フラン、2−メチルフラン、1,8−シネオール、クラウンエーテル等が挙げられる。 Examples of the esters include methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, and γ-butyrolactone. Examples of cyclic ethers include 1,3-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, propylene oxide, 1,2-butylene oxide, 1,4-dioxane, 1,3,5. -Trioxane, furan, 2-methylfuran, 1,8-cineol, crown ether and the like.
鎖状エーテル類としては、1,2−ジメトキシエタン、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ジブチルエーテル、ジヘキシルエーテル、エチルビニルエーテル、ブチルビニルエーテル、メチルフェニルエーテル、エチルフェニルエーテル、ブチルフェニルエーテル、ペンチルフェニルエーテル、メトキシトルエン、ベンジルエチルエーテル、ジフェニルエーテル、ジベンジルエーテル、o−ジメトキシベンゼン、1,2−ジエトキシエタン、1,2−ジブトキシエタン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル、1,1−ジメトキシメタン、1,1−ジエトキシエタン、トリエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチル等が挙げられる。 Examples of chain ethers include 1,2-dimethoxyethane, diethyl ether, dipropyl ether, diisopropyl ether, dibutyl ether, dihexyl ether, ethyl vinyl ether, butyl vinyl ether, methyl phenyl ether, ethyl phenyl ether, butyl phenyl ether, pentyl phenyl. Ether, methoxytoluene, benzyl ethyl ether, diphenyl ether, dibenzyl ether, o-dimethoxybenzene, 1,2-diethoxyethane, 1,2-dibutoxyethane, diethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol diethyl ether, diethylene glycol dibutyl ether, 1,1 -Dimethoxymethane, 1,1-diethoxyethane, triethylene glycol dimethyl ether, tetraethy Glycol dimethyl and the like.
ニトリル類としては、アセトニトリル等が挙げられ、アミド類としては、ジメチルホルムアミド等が挙げられる。 Nitriles include acetonitrile and the like, and amides include dimethylformamide and the like.
電解質塩としては、例えば六フッ化リン酸ナトリウム(NaPF6 )、四フッ化ホウ酸ナトリウム(NaBF4 )、NaCF3 SO3 、NaBeTi等の非水溶媒に可溶な過酸化物でない安全性の高いものを用いる。なお、上記の電解質塩のうち1種を用いてもよく、あるいは2種以上を組み合わせて用いてもよい。 Examples of electrolyte salts include non-peroxides that are soluble in nonaqueous solvents such as sodium hexafluorophosphate (NaPF 6 ), sodium tetrafluoroborate (NaBF 4 ), NaCF 3 SO 3 , and NaBeTi. Use expensive ones. In addition, 1 type may be used among said electrolyte salt, and may be used in combination of 2 or more type.
本実施の形態では、非水電解質として、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとを体積比50:50の割合で混合した非水溶媒に、電解質塩としての六フッ化リン酸ナトリウムを1mol/lの濃度になるように添加したものを用いる。 In the present embodiment, as a nonaqueous electrolyte, a nonaqueous solvent in which ethylene carbonate and diethyl carbonate are mixed at a volume ratio of 50:50, and sodium hexafluorophosphate as an electrolyte salt to a concentration of 1 mol / l. What was added so that it may become is used.
(2−3)非水電解質二次電池の作製
上記のように作製した負極、非水電解質、下記の正極および参照極を用いて、以下に示すような非水電解質二次電池を作製する。
(2-3) Production of Nonaqueous Electrolyte Secondary Battery A nonaqueous electrolyte secondary battery as shown below is produced using the negative electrode, the nonaqueous electrolyte, the positive electrode and the reference electrode described below.
図1は、本実施の形態に係る非水電解質二次電池の試験セルの概略説明図である。 FIG. 1 is a schematic explanatory diagram of a test cell of a nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present embodiment.
図1に示すように、不活性雰囲気下において、上記負極(作用極)1にリードを取り付けるとともに、ナトリウム金属からなる正極2にリードを取り付ける。なお、ナトリウム金属からなる正極(対極)2の代わりに、ナトリウムイオンを吸蔵および放出することが可能なNaMnO2 等の材料を含む正極2を用いてもよい。
As shown in FIG. 1, in an inert atmosphere, a lead is attached to the negative electrode (working electrode) 1 and a lead is attached to the
次に、負極1と正極2との間にセパレータ4を挿入し、セル容器10内に負極1、正極2およびナトリウム金属からなる参照極3を配置する。そして、セル容器10内に上記非水電解質5を注入することにより試験セルとしての非水電解質二次電池を作製する。
Next, the
(3)本実施の形態における効果
本実施の形態に係る非水電解質二次電池においては、c軸方向の結晶子の大きさLcが72.5nm以下である炭素材料を単一成分または主成分として含む負極活物質を用いることによって、負極1に対してナトリウムイオンが十分に吸蔵および放出される。それにより、可逆的な充放電を行うことができるとともに、高い初期放電容量密度を得ることができる。
(3) Effects in this Embodiment In the nonaqueous electrolyte secondary battery according to this embodiment, a carbon material having a crystallite size Lc in the c-axis direction of 72.5 nm or less is a single component or a main component. By using the negative electrode active material contained as sodium ions, sodium ions are sufficiently occluded and released from the
また、負極活物質として、c軸方向の結晶子の大きさLcが15.5nm以下の炭素材料を用いることにより、可逆的な充放電を行うことができるとともに、さらに高い初期放電容量密度を得ることが可能となる。 In addition, by using a carbon material having a c-axis direction crystallite size Lc of 15.5 nm or less as the negative electrode active material, reversible charging / discharging can be performed and a higher initial discharge capacity density can be obtained. It becomes possible.
なお、可逆的な充放電が可能となる理由、および高い初期放電容量密度を得ることが可能となる理由について、本発明者は以下のように考える。 The present inventor considers the reason why reversible charging / discharging is possible and the reason why a high initial discharge capacity density can be obtained as follows.
メカニカルミリング処理により人造黒鉛に対し物理的衝撃を加えることによって、層状であった黒鉛結晶が徐々に崩壊するため、黒鉛の層が細かく分断され入り乱れた状態の炭素材料となる。その結果、c軸方向の結晶子の大きさLcが小さくなるものと考えられる。 By applying a physical impact to the artificial graphite by mechanical milling treatment, the layered graphite crystals gradually collapse, so that the graphite layer is finely divided into a carbon material in a disordered state. As a result, the crystallite size Lc in the c-axis direction is considered to be small.
このような炭素材料は、内部に多くの空隙および端面部を有する。メカニカルミリング処理前の黒鉛の層間には吸蔵および放出されないナトリウムイオンでも、メカニカルミリング処理を行うことによって広がりの生じた空隙および端面部に吸蔵および放出されやすくなるものと考える。したがって、高い初期放電容量密度を得ることが可能となる。 Such a carbon material has many voids and end face portions therein. It is considered that even sodium ions that are not occluded and released between the graphite layers before mechanical milling are likely to be occluded and released in the voids and end surfaces that have spread by mechanical milling. Therefore, a high initial discharge capacity density can be obtained.
一方、メカニカルミリング処理により黒鉛の層があまりにも細かく分断され入り乱れすぎている場合には、上記空隙および端面部が減少する。その結果、ナトリウムイオンが吸蔵および放出されなくなり、可逆的な充放電を行うことが困難となるものと考えられる。 On the other hand, when the graphite layer is too finely divided and excessively disturbed by the mechanical milling process, the voids and end face portions are reduced. As a result, it is considered that sodium ions are not occluded and released, making it difficult to perform reversible charging / discharging.
以下、実施例および比較例の非水電解質二次電池について説明する。 Hereinafter, the nonaqueous electrolyte secondary battery of an Example and a comparative example is demonstrated.
(a)実施例1
上述の実施の形態に基づいて作製した非水電解質二次電池の充放電特性を調べた。
(A) Example 1
The charge / discharge characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary battery produced based on the above-described embodiment were examined.
本実施例では、人造黒鉛に対し1時間メカニカルミリング処理を行った。 In this example, artificial milling was performed for 1 hour on artificial graphite.
また、本実施例で用いた負極活物質としての炭素材料の層間距離dは0.3367nmであり、c軸方向の結晶子の大きさLcは72.5nmであった。なお、これらの層間距離dおよびc軸方向の結晶子の大きさLcは、X線回折装置(XRD)を用い、回折角2θが10度〜40度の範囲にある場合におけるピーク強度の値に基づいて算出した。回折角2θが10度〜40度の範囲にある場合におけるXRD測定の測定結果を図2に示す。 The interlayer distance d of the carbon material as the negative electrode active material used in this example was 0.3367 nm, and the crystallite size Lc in the c-axis direction was 72.5 nm. The interlayer distance d and the crystallite size Lc in the c-axis direction are the peak intensity values when the diffraction angle 2θ is in the range of 10 degrees to 40 degrees using an X-ray diffractometer (XRD). Based on the calculation. FIG. 2 shows the measurement results of the XRD measurement when the diffraction angle 2θ is in the range of 10 degrees to 40 degrees.
X線回折装置においては、X線源(ターゲット)にCu(銅)を用い、使用電圧および使用電流をそれぞれ40kVおよび40mAとし、スキャン速度は0.6度/分とした。 In the X-ray diffractometer, Cu (copper) was used as the X-ray source (target), the working voltage and working current were 40 kV and 40 mA, respectively, and the scanning speed was 0.6 degrees / minute.
作製した上記非水電解質二次電池において、0.4mAの定電流で参照極3を基準とする負極1の電位が0Vに達するまで充電を行った。その後、0.4mAの定電流で、参照極3を基準とする負極1の電位が1.0Vに達するまで放電を行うことにより充放電特性を調べた。
In the produced non-aqueous electrolyte secondary battery, charging was performed at a constant current of 0.4 mA until the potential of the
その結果、40mAh/gの初期放電容量密度を得ることができた。 As a result, an initial discharge capacity density of 40 mAh / g could be obtained.
(b)実施例2
上述の実施の形態に基づいて作製した非水電解質二次電池の充放電特性を調べた。
(B) Example 2
The charge / discharge characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary battery produced based on the above-described embodiment were examined.
本実施例では、人造黒鉛に対し2時間メカニカルミリング処理を行った。回折角2θが10度〜40度の範囲にある場合におけるXRD測定の測定結果を図3に示す。本実施例で用いた負極活物質としての炭素材料の層間距離dは0.3337nmであり、c軸方向の結晶子の大きさLcは15.5nmであった。 In this example, artificial milling was performed on artificial graphite for 2 hours. FIG. 3 shows the measurement results of the XRD measurement when the diffraction angle 2θ is in the range of 10 degrees to 40 degrees. The interlayer distance d of the carbon material as the negative electrode active material used in this example was 0.3337 nm, and the crystallite size Lc in the c-axis direction was 15.5 nm.
作製した上記非水電解質二次電池において、0.4mAの定電流で参照極3を基準とする負極1の電位が0Vに達するまで充電を行った。その後、0.4mAの定電流で、参照極3を基準とする負極1の電位が1.0Vに達するまで放電を行うことにより充放電特性を調べた。
In the produced non-aqueous electrolyte secondary battery, charging was performed at a constant current of 0.4 mA until the potential of the
その結果、約61mAh/gの初期放電容量密度を得ることができた。 As a result, an initial discharge capacity density of about 61 mAh / g could be obtained.
(c)実施例3
上述の実施の形態に基づいて作製した非水電解質二次電池の充放電特性を調べた。
(C) Example 3
The charge / discharge characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary battery produced based on the above-described embodiment were examined.
本実施例では、人造黒鉛に対し3時間メカニカルミリング処理を行った。回折角2θが10度〜40度の範囲にある場合におけるXRD測定の測定結果を図4に示す。本実施例で用いた負極活物質としての炭素材料の層間距離dは0.3440nmであり、c軸方向の結晶子の大きさLcは1.6nmであった。 In this example, the artificial graphite was subjected to mechanical milling for 3 hours. FIG. 4 shows the measurement results of the XRD measurement when the diffraction angle 2θ is in the range of 10 degrees to 40 degrees. The interlayer distance d of the carbon material as the negative electrode active material used in this example was 0.3440 nm, and the crystallite size Lc in the c-axis direction was 1.6 nm.
作製した上記非水電解質二次電池において、0.4mAの定電流で参照極3を基準とする負極1の電位が0Vに達するまで充電を行った。その後、0.4mAの定電流で、参照極3を基準とする負極1の電位が1.0Vに達するまで放電を行うことにより充放電特性を調べた。
In the produced non-aqueous electrolyte secondary battery, charging was performed at a constant current of 0.4 mA until the potential of the
その結果、約120mAh/gの初期放電容量密度を得ることができた。 As a result, an initial discharge capacity density of about 120 mAh / g could be obtained.
(d)実施例4
上述の実施の形態に基づいて作製した非水電解質二次電池の充放電特性を調べた。
(D) Example 4
The charge / discharge characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary battery produced based on the above-described embodiment were examined.
本実施例では、人造黒鉛に対し6時間メカニカルミリング処理を行った。回折角2θが10度〜40度の範囲にある場合におけるXRD測定の測定結果を図5に示す。本実施例で用いた負極活物質としての炭素材料の層間距離dは0.3542nmであり、c軸方向の結晶子の大きさLcは0.65nmであった。 In this example, artificial milling was performed on artificial graphite for 6 hours. FIG. 5 shows the measurement results of the XRD measurement when the diffraction angle 2θ is in the range of 10 degrees to 40 degrees. The interlayer distance d of the carbon material as the negative electrode active material used in this example was 0.3542 nm, and the crystallite size Lc in the c-axis direction was 0.65 nm.
作製した上記非水電解質二次電池において、0.4mAの定電流で参照極3を基準とする負極1の電位が0Vに達するまで充電を行った。その後、0.4mAの定電流で、参照極3を基準とする負極1の電位が1.0Vに達するまで放電を行うことにより充放電特性を調べた。
In the produced non-aqueous electrolyte secondary battery, charging was performed at a constant current of 0.4 mA until the potential of the
その結果、107mAh/gの初期放電容量密度を得ることができた。 As a result, an initial discharge capacity density of 107 mAh / g could be obtained.
(e)比較例1
上述の実施の形態に基づいて作製した非水電解質二次電池の充放電特性を調べた。
(E) Comparative Example 1
The charge / discharge characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary battery produced based on the above-described embodiment were examined.
本比較例では、人造黒鉛に対し0.5時間メカニカルミリング処理を行った。回折角2θが10度〜40度の範囲にある場合におけるXRD測定の測定結果を図6に示す。本比較例で用いた負極活物質としての炭素材料の層間距離dは0.3366nmであり、c軸方向の結晶子の大きさLcは80.6nmであった。 In this comparative example, artificial milling was performed for 0.5 hours on artificial graphite. FIG. 6 shows the measurement results of the XRD measurement when the diffraction angle 2θ is in the range of 10 degrees to 40 degrees. The interlayer distance d of the carbon material as the negative electrode active material used in this comparative example was 0.3366 nm, and the crystallite size Lc in the c-axis direction was 80.6 nm.
作製した上記非水電解質二次電池において、0.4mAの定電流で参照極3を基準とする負極1の電位が0Vに達するまで充電を行った。その後、0.4mAの定電流で、参照極3を基準とする負極1の電位が1.0Vに達するまで放電を試みたが、全く放電することができなかった。
In the produced non-aqueous electrolyte secondary battery, charging was performed at a constant current of 0.4 mA until the potential of the
(f)比較例2
本比較例の非水電解質二次電池が、比較例1の非水電解質二次電池と異なる点は、負極である。
(F) Comparative example 2
The nonaqueous electrolyte secondary battery of this comparative example is different from the nonaqueous electrolyte secondary battery of Comparative Example 1 in the negative electrode.
本比較例では、負極活物質としてメカニカルミリング処理を行っていない人造黒鉛と、結着剤としてのポリアクリロニトリル(PAN)とを重量比97:3で混合することにより負極材料を得た。 In this comparative example, negative electrode material was obtained by mixing artificial graphite not subjected to mechanical milling treatment as a negative electrode active material and polyacrylonitrile (PAN) as a binder at a weight ratio of 97: 3.
次いで、上記負極材料にN−メチル−2−ピロリドンを添加し、これを混練することにより負極合剤としてのスラリーを作製した。 Next, N-methyl-2-pyrrolidone was added to the negative electrode material and kneaded to prepare a slurry as a negative electrode mixture.
次に、ドクターブレード法により、上記スラリーを負極集電体である厚さ11μmの銅箔上に塗布した後、乾燥させることにより負極活物質層を形成した。 Next, the slurry was applied on a copper foil having a thickness of 11 μm as a negative electrode current collector by a doctor blade method, and then dried to form a negative electrode active material layer.
次いで、負極活物質層が形成された銅箔を2cm×2cmの大きさに切り取り、負極タブを取り付けることにより負極を作製した。 Next, the copper foil on which the negative electrode active material layer was formed was cut into a size of 2 cm × 2 cm, and a negative electrode tab was attached to prepare a negative electrode.
回折角2θが10度〜40度の範囲にある場合におけるXRD測定の測定結果を図7に示す。本比較例で用いた負極活物質としての炭素材料の層間距離dは0.3366nmであり、c軸方向の結晶子の大きさLcは80.6nmであった。 FIG. 7 shows the measurement result of the XRD measurement when the diffraction angle 2θ is in the range of 10 degrees to 40 degrees. The interlayer distance d of the carbon material as the negative electrode active material used in this comparative example was 0.3366 nm, and the crystallite size Lc in the c-axis direction was 80.6 nm.
作製した上記非水電解質二次電池において、0.4mAの定電流で参照極3を基準とする負極1の電位が0Vに達するまで充電を行った。その後、0.4mAの定電流で、参照極3を基準とする負極1の電位が1.0Vに達するまで放電を試みたが、全く放電することができなかった。
In the produced non-aqueous electrolyte secondary battery, charging was performed at a constant current of 0.4 mA until the potential of the
(g)まとめ
図8は、実施例1〜4および比較例1,2における負極活物質(炭素材料)のc軸方向の結晶子の大きさLcと初期放電容量密度との関係を示すグラフである。また、図9は、実施例1〜4および比較例1,2における負極活物質(炭素材料)の層間距離dと初期放電容量密度との関係を示すグラフである。
(G) Summary FIG. 8 is a graph showing the relationship between the crystallite size Lc in the c-axis direction of the negative electrode active material (carbon material) in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2 and the initial discharge capacity density. is there. FIG. 9 is a graph showing the relationship between the interlayer distance d of the negative electrode active material (carbon material) and the initial discharge capacity density in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2.
ナトリウムイオンを吸蔵および放出することができない負極活物質である人造黒鉛に対しメカニカルミリング処理により物理的衝撃を与えることによって、負極活物質はナトリウムイオンを吸蔵および放出することが可能となることがわかった。 It was found that the negative electrode active material can occlude and release sodium ions by applying physical impact to the artificial graphite, which is a negative electrode active material that cannot occlude and release sodium ions, by mechanical milling treatment. It was.
この場合、ナトリウムイオンの吸蔵および放出が可能か否かは、メカニカルミリング処理を施す時間に依存し、当該処理時間は1〜6時間であることが好ましいことがわかった。 In this case, it was found that whether or not sodium ions can be occluded and released depends on the time for performing the mechanical milling treatment, and the treatment time is preferably 1 to 6 hours.
図8に示すように、負極活物質のc軸方向の結晶子の大きさLcが72.5nm以下である場合に、当該負極活物質はナトリウムイオンを吸蔵および放出することが可能となり、より高い初期放電容量密度を得るには、当該負極活物質のc軸方向の結晶子の大きさLcが15.5nm以下であることが好ましいことがわかった。 As shown in FIG. 8, when the size Lc of the crystallite in the c-axis direction of the negative electrode active material is 72.5 nm or less, the negative electrode active material can occlude and release sodium ions, which is higher. In order to obtain the initial discharge capacity density, it has been found that the crystallite size Lc in the c-axis direction of the negative electrode active material is preferably 15.5 nm or less.
このように、人造黒鉛をメカニカルミリング処理することにより得た負極活物質としての炭素材料の充放電特性は上記Lcにのみ依存し、図9に示すように、層間距離dには依存しないことが明らかになった。これにより、上記実施例で用いた負極活物質としての炭素材料は、通常のハードカーボンとは異なるものであることがわかった。 Thus, the charge / discharge characteristics of the carbon material as the negative electrode active material obtained by mechanical milling of artificial graphite depend only on Lc, and as shown in FIG. 9, it may not depend on the interlayer distance d. It was revealed. Thereby, it turned out that the carbon material as a negative electrode active material used in the said Example is a thing different from normal hard carbon.
本発明に係る非水電解質二次電池は、携帯用電源および自動車用電源等の種々の電源として利用することができる。 The nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention can be used as various power sources such as a portable power source and an automotive power source.
1 負極(作用極)
2 正極(対極)
3 参照極
4 セパレータ
5 非水電解質
10 セル容器
1 Negative electrode (working electrode)
2 Positive electrode (counter electrode)
3
Claims (5)
前記負極活物質は、c軸方向の結晶子の大きさLcが72.5nm以下である易黒鉛化性炭素を単一成分または主成分として含むことを特徴とする非水電解質二次電池。 A positive electrode, a negative electrode containing a negative electrode active material, and a non-aqueous electrolyte containing sodium ions,
The non-aqueous electrolyte secondary battery, wherein the negative electrode active material includes graphitizable carbon having a c-axis direction crystallite size Lc of 72.5 nm or less as a single component or a main component.
前記負極活物質は、前記集電体上に形成されたことを特徴とする請求項1または2記載の非水電解質二次電池。 A current collector made of metal foil;
The non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein the negative electrode active material is formed on the current collector.
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