JP5916007B2 - Method for producing composite of lithium titanate and carbon nanofiber - Google Patents

Method for producing composite of lithium titanate and carbon nanofiber Download PDF

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Description

本発明は、チタン酸リチウム複合体の製造方法に関する。
The present invention relates to the production how lithium titanate complex.

現在、リチウム電池の電極としてリチウムを貯蔵、放出するカーボン材料等が用いられているが、マイナス電位が水素の還元分解電位より小さいので電解液の分解という危険性がある。そこで、マイナス電位が水素の還元分解電位より大きいチタン酸リチウムの使用が検討されている(例えば、特許文献1,2参照)。   At present, carbon materials that store and release lithium are used as electrodes of lithium batteries, but there is a risk of decomposition of the electrolyte because the negative potential is smaller than the reductive decomposition potential of hydrogen. Therefore, use of lithium titanate having a negative potential larger than the reductive decomposition potential of hydrogen has been studied (for example, see Patent Documents 1 and 2).

このチタン酸リチウムの化学式はLiTi12である。チタン酸リチウムは、次の式(1)で表すようにLiの挿入脱離でエネルギーを放出・貯蔵することができるリチウムイオンインターカレート材料である。
[式1]
LiTi12 + 3Li+ + 3e → LiTi12 ・・・(1)
The chemical formula of this lithium titanate is Li 4 Ti 5 O 12 . Lithium titanate is a lithium ion intercalating material that can release and store energy by insertion and removal of Li + as represented by the following formula (1).
[Formula 1]
Li 4 Ti 5 O 12 + 3Li + + 3e → Li 7 Ti 5 O 12 (1)

このチタン酸リチウムは空間群Fd3mに属し、図21に示すようなスピネル型の構造を有する。また、Li挿入後のチタン酸リチウムは、空間群Fm3m
に属し、図22に示すような岩塩型の構造を有する。
This lithium titanate belongs to the space group Fd3m and has a spinel structure as shown in FIG. In addition, Li + lithium titanate after insertion is the space group Fm3m
And has a rock salt type structure as shown in FIG.

チタン酸リチウムの格子定数は8.358Åであるので、Li挿入・脱離による体積変化率は、0.2%となる。つまり、Liが挿入する際、チタン酸リチウムの16dサイトのLiとTiの位置と、32eサイトのOの位置は変化せず、8aサイトのLiだけが移動する。したがって、Liの挿入・脱離を繰り返してもLiTi12の結晶構造は崩れないので、電極材料として用いた場合、サイクル性に優れたエネルギー貯蔵デバイスとなる。 Since the lattice constant of lithium titanate is 8.358Å, the volume change rate due to Li + insertion / extraction is 0.2%. That is, when Li + is inserted, the positions of Li and Ti at the 16d site of lithium titanate and the position of O at the 32e site do not change, and only Li at the 8a site moves. Therefore, the Li 4 Ti 5 O 12 crystal structure does not collapse even if Li + is repeatedly inserted and desorbed, so that when used as an electrode material, an energy storage device having excellent cycleability is obtained.

特開2007−160151号公報JP 2007-160151 A 特開2008−270795号公報JP 2008-270795 A

一方、チタン酸リチウムの理論容量は175mAhg−1であり、金属リチウムの酸化還元電位に対して1.55Vの電位でLiの挿入脱離が起こる。チタン酸リチウムの電気伝導度は10-13Scm−1、Li拡散係数は10-11cm−1であり、非常に小さい。 On the other hand, the theoretical capacity of lithium titanate is 175 mAhg −1 , and Li + insertion / desorption occurs at a potential of 1.55 V with respect to the redox potential of metallic lithium. Lithium titanate has an electrical conductivity of 10 −13 Scm −1 and a Li + diffusion coefficient of 10 −11 cm 2 s −1 and is very small.

そのため、大きな電気伝導度や大きなLi拡散係数が求められる高出力用途のエネルギー貯蔵デバイスとして用いる場合には、電気伝導度とLi+拡散係数の問題を克服する必要がある。 For this reason, when used as an energy storage device for high power applications requiring high electrical conductivity and a large Li + diffusion coefficient, it is necessary to overcome the problems of electrical conductivity and Li + diffusion coefficient.

電気伝導度とLi拡散係数を大きくするためには、次の(1)(2)の方法がある。
(1)チタン酸リチウムのナノ粒子化
(2)チタン酸リチウムと導電補助剤との複合化
In order to increase the electrical conductivity and the Li + diffusion coefficient, there are the following methods (1) and (2).
(1) Nanoparticulation of lithium titanate (2) Composite of lithium titanate and conductive additive

(1)Li4Ti5O12のナノ粒子化
チタン酸リチウムの電気伝導度、Li拡散係数が小さいのであれば、チタン酸リチウム中のLi拡散距離、電子移動距離を短くすることでチタン酸リチウムの電気伝導度、Li拡散係数を大きくすることができる。しかしながら、チタン酸リチウムの粒子がnmオーダーサイズになると、粒子全体に対する、表面原子の割合が高くなる。この粒子の表面は、粒子内部に比べて不規則な構造になっており不安定であり、nmオーダーサイズの粒子は不安定である。従って、nmオーダーサイズの粒子は安定になろうと、つまり表面積を減らそうとして凝集しようという傾向がある。従って、低いLi拡散距離、電子移動距離を克服するためナノ粒子化するには限界がある。
(1) Making nanoparticles of Li 4 Ti 5 O 12 If the electrical conductivity and Li + diffusion coefficient of lithium titanate are small, titanium can be reduced by shortening the Li + diffusion distance and electron transfer distance in lithium titanate. The electrical conductivity and Li + diffusion coefficient of lithium acid can be increased. However, when the lithium titanate particles have a size of the order of nm, the ratio of surface atoms to the entire particles increases. The surface of this particle has an irregular structure compared to the inside of the particle and is unstable, and a particle of nm order size is unstable. Therefore, nm order size particles tend to become stable, i.e., aggregate to try to reduce the surface area. Therefore, there is a limit to the formation of nanoparticles in order to overcome the low Li + diffusion distance and electron transfer distance.

(2)チタン酸リチウムと導電補助剤との複合化
LiTi12の電気伝導度は小さいので、電子がチタン酸リチウム以外を移動する時は電気伝導度の高い材料を電子移動パスとすれば良い。従って、チタン酸リチウムの周りを貴金属やカーボンといった電気伝導性の高い物質で覆うことにより、チタン酸リチウムの電気伝導度、Li拡散係数を大きくすることができる。しかしながら、チタン酸リチウムの粒径が大きいと、チタン酸リチウムの内部は電気化学反応に関与しないことになるので、根本的な問題解決にはなっていない。
(2) Composite of lithium titanate and conductive auxiliary agent Since Li 4 Ti 5 O 12 has a small electric conductivity, when an electron moves other than lithium titanate, a material having a high electric conductivity is defined as an electron transfer path. Just do it. Therefore, by covering the periphery of lithium titanate with a material having high electrical conductivity such as a noble metal or carbon, the electrical conductivity and Li + diffusion coefficient of lithium titanate can be increased. However, if the particle size of the lithium titanate is large, the inside of the lithium titanate does not participate in the electrochemical reaction, so that the fundamental problem is not solved.

本発明は、上述したような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであって、(1)チタン酸リチウムのナノ粒子化(2)チタン酸リチウムと導電補助剤との複合化を同時に併用するものである。すなわち、チタン酸リチウムとカーボンナノファイバーとを複合化すると共に、チタン酸リチウムの表面に炭素皮膜を形成したチタン酸リチウムとカーボンナノファイバーの複合体、及びその製造方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、前記複合体を用いた電極及び電気化学素子を提供することにある。   The present invention has been proposed in order to solve the problems of the prior art as described above, and (1) nano-particle formation of lithium titanate (2) composite of lithium titanate and a conductive auxiliary agent Are used simultaneously. That is, an object of the present invention is to provide a composite of lithium titanate and carbon nanofibers in which lithium titanate and carbon nanofibers are combined and a carbon film is formed on the surface of lithium titanate, and a method for producing the same. Another object of the present invention is to provide an electrode and an electrochemical device using the composite.

前記の目的を達成するため本発明のチタン酸リチウムとカーボンナノファイバーの複合体は、チタン酸リチウムの表面にスクロースからなる炭素皮膜が形成され、前記炭素皮膜は、チタン酸リチウムに対して10 −4 wt%〜10 −3 wt%の割合のスクロースを添加したものであることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the lithium titanate and carbon nanofiber composite of the present invention has a carbon film composed of sucrose formed on the surface of lithium titanate , and the carbon film is 10 It is characterized by adding sucrose in a proportion of 4 wt% to 10 −3 wt% .

また、前記炭素皮膜の厚さは1〜2nmであることも本発明の一態様である。   Moreover, it is also one aspect | mode of this invention that the thickness of the said carbon film is 1-2 nm.

チタン酸リチウムとカーボンナノファイバーの組成比が、重量比で80〜70:20〜30であることも本発明の一態様である。 It is also an embodiment of the present invention that the composition ratio of lithium titanate and carbon nanofiber is 80 to 70:20 to 30 by weight .

前記チタン酸リチウムとカーボンナノファイバーの複合体をバインダーを用いて成形することによって形成された電極も本発明の一態様である。   An electrode formed by molding the composite of lithium titanate and carbon nanofiber using a binder is also an embodiment of the present invention.

前記電極を用いた電気化学素子も本発明の一態様である。   An electrochemical element using the electrode is also an embodiment of the present invention.

また、チタン酸リチウムとカーボンナノファイバーの製造方法も本発明の一態様である。   A method for producing lithium titanate and carbon nanofibers is also an embodiment of the present invention.

本発明によれば、チタン酸リチウムとカーボンナノファイバーの複合体において、優れたLiTi12の電気伝導度、Li拡散係数、及び大容量の充放電特性を発現することができる。 According to the present invention, in the composite of lithium titanate and carbon nanofiber, excellent electrical conductivity of Li 4 Ti 5 O 12 , Li + diffusion coefficient, and large capacity charge / discharge characteristics can be expressed.

スクロースの構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of sucrose. カーボンナノファイバーのTEM像である。It is a TEM image of carbon nanofiber. 本発明の製造方法に使用する反応器の一例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows an example of the reactor used for the manufacturing method of this invention. 本発明の実施形態におけるチタン酸リチウム及びカーボンナノファイバーの表面にスクロースによる炭素皮膜を形成する場合の作業手順を示したブロック図である。It is the block diagram which showed the operation | movement procedure in the case of forming the carbon film by a sucrose on the surface of lithium titanate and carbon nanofiber in embodiment of this invention. 本発明の実施形態における比較例3複合体のTG測定の結果を表したグラフである。It is the graph showing the result of the TG measurement of the comparative example 3 composite_body | complex in embodiment of this invention. 本発明の実施形態における実施例1,2及び比較例1〜3の複合体に対して行ったXRD(X線粉末回折法)による結晶構造解析の結果を表した図である。It is a figure showing the result of the crystal structure analysis by XRD (X-ray powder diffraction method) performed with respect to the composite body of Examples 1, 2 and Comparative Examples 1-3 in the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態における実施例1,2及び比較例1〜3の複合体の(111)、(311)、(400)面の結晶子サイズを示した図である。It is the figure which showed the crystallite size of (111), (311), (400) plane of the composite_body | complex of Examples 1, 2 and Comparative Examples 1-3 in embodiment of this invention. 本発明の実施形態における比較例1〜3の複合体の充放電試験結果を示したグラフである。It is the graph which showed the charging / discharging test result of the composite_body | complex of Comparative Examples 1-3 in embodiment of this invention. 本発明の実施形態における実施例1,2の複合体の充放電試験結果を示したグラフである。It is the graph which showed the charging / discharging test result of the composite_body | complex of Example 1, 2 in embodiment of this invention. 本発明の実施形態における比較例3の複合体のLiTi12周辺のHR−TEM像を表した図である。It is a diagram showing the Li 4 Ti 5 O 12 near HR-TEM image of the composite of Comparative Example 3 in the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態における比較例3の複合体のCNF周辺のHR−TEM像を表した図である。It is a figure showing the HR-TEM image of CNF periphery of the composite_body | complex of the comparative example 3 in embodiment of this invention. 本発明の実施形態における比較例2の複合体のLiTi12周辺のHR−TEM像を表した図である。It is a diagram showing the Li 4 Ti 5 O 12 near HR-TEM image of the composite of Comparative Example 2 in an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態における比較例2の複合体のCNF周辺のHR−TEM像を表した図である。It is a figure showing the HR-TEM image of CNF periphery of the composite_body | complex of the comparative example 2 in embodiment of this invention. 本発明の実施形態における実施例1の複合体のLiTi12周辺のHR−TEM像を表した図である。It is a diagram showing the Li 4 Ti 5 O 12 near HR-TEM image of the composite of Example 1 in an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態におけるチタン酸リチウムの表面にスクロースによる炭素皮膜を形成する場合の作業手順を示したブロック図である。It is the block diagram which showed the operation | movement procedure in the case of forming the carbon film by a sucrose on the surface of the lithium titanate in embodiment of this invention. 本発明の実施形態における実施例4の複合体のTG測定の結果を表したグラフである。It is the graph showing the result of TG measurement of the composite_body | complex of Example 4 in embodiment of this invention. 本発明の実施形態における実施例3,4の複合体に対して行ったXRD(X線粉末回折法)による結晶構造解析の結果を表した図である。It is a figure showing the result of the crystal structure analysis by XRD (X-ray powder diffraction method) performed with respect to the composite_body | complex of Example 3 and 4 in embodiment of this invention. 本発明の実施形態における実施例3,4の複合体の(111)、(311)、(400)面の結晶子サイズを示した図である。It is the figure which showed the crystallite size of (111), (311), (400) plane of the composite_body | complex of Example 3, 4 in embodiment of this invention. 本発明の実施形態における実施例2,4の複合体の充放電試験結果を示したグラフである。It is the graph which showed the charging / discharging test result of the composite_body | complex of Example 2, 4 in embodiment of this invention. 本発明の実施形態における実施例1,3の複合体の充放電試験結果を示したグラフである。It is the graph which showed the charging / discharging test result of the composite_body | complex of Example 1, 3 in embodiment of this invention. チタン酸リチウムのスピネル型の構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the spinel type structure of lithium titanate. チタン酸リチウムの岩塩型の構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the rock salt type | mold structure of lithium titanate.

本発明を実施する形態について、以下、説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものでない。   Embodiments for carrying out the present invention will be described below. In addition, this invention is not limited to embodiment described below.

本実施形態に係るチタン酸リチウムとカーボンナノファイバーとの複合体は、チタン源(以下、Ti源)、スクロースを含有するリチウム源(以下、Li源という)及びカーボンナノファイバー(以下、CNFという)を加えて、メカノケミカル反応の一つである超遠心力処理(Ultra-Centrifugal force processing method:以下、UC処理という)し、その生成物を真空乾燥し、その後、焼成することにより、得られる。   The composite of lithium titanate and carbon nanofiber according to this embodiment includes a titanium source (hereinafter referred to as Ti source), a lithium source containing sucrose (hereinafter referred to as Li source), and a carbon nanofiber (hereinafter referred to as CNF). Is added, subjected to ultra-centrifugal force processing (hereinafter referred to as UC treatment), which is one of mechanochemical reactions, the product is vacuum-dried, and then calcined.

(チタン源)
チタン源として、チタン(IV)テトラブトキシモノマー(Ti[O(CHCH、和光純薬工業株式会社製、一級)を用いることができる。チタン(IV)テトラブトキシモノマー以外のものとしては、イソプロピルアルコキシド、塩化チタンなどを利用することができる。Ti源の溶液は、キレート試薬として酢酸(CH3COOH、関東化学株式会社製、特級)、溶媒としてイソプロピルアルコール((CHCHOH、和光純薬工業社製、有機合成用)を加えて調製する。
(Titanium source)
As the titanium source, titanium (IV) tetrabutoxy monomer (Ti [O (CH 2 ) 3 CH 3 ] 4 , Wako Pure Chemical Industries, Ltd., first grade) can be used. As other than titanium (IV) tetrabutoxy monomer, isopropyl alkoxide, titanium chloride and the like can be used. The Ti source solution is prepared by adding acetic acid (CH3COOH, manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd., special grade) as a chelating reagent, and isopropyl alcohol ((CH 3 ) 2 CHOH, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., for organic synthesis) as a solvent. .

(リチウム源)
リチウム源として酢酸リチウム(CH3COOLi、和光純薬工業株式会社製、特級)を用いることができる。酢酸リチウム以外のリチウム源としては、水酸化リチウム、炭酸リチウム等を利用することができる。Li源の溶液は、蒸留水、酢酸、イソプロピルアルコールの混合溶液に、酢酸リチウムを溶解させることにより調製した。
(Lithium source)
Lithium acetate (CH3COOLi, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., special grade) can be used as the lithium source. As a lithium source other than lithium acetate, lithium hydroxide, lithium carbonate, or the like can be used. The Li source solution was prepared by dissolving lithium acetate in a mixed solution of distilled water, acetic acid and isopropyl alcohol.

(スクロース)
リチウム源に添加するスクロースはグルコースとフルクトースがグリコシド結合した二糖類である。スクロースは、化学式C122211
で表すことができ、図1の構造を有している。スクロースの物性は、密度1.587gcm−3、融点186℃、水への溶解度211.5g(100ml,20℃)であり、広い意味ではポリアルコールに相当する。
(sucrose)
Sucrose to be added to the lithium source is a disaccharide in which glucose and fructose are glycosidically bonded. Sucrose has the chemical formula C 12 H 22 O 11
It has the structure of FIG. The physical properties of sucrose have a density of 1.587 gcm −3 , a melting point of 186 ° C., a solubility in water of 211.5 g (100 ml, 20 ° C.), and in a broad sense, correspond to a polyalcohol.

スクロースはLi源に添加され、Ti源とCNFと共にUC処理することにより、チタン酸リチウムの表面及びCNFの表面に炭素皮膜を形成する。また、複合体内部において非晶質カーボンを形成する。特に、チタン酸リチウムの表面に形成した炭素皮膜は、チタン酸リチウムの結晶の成長を抑制する。このときの炭素皮膜の厚さは1〜2nmが好ましい。   Sucrose is added to the Li source, and a UC treatment is performed together with the Ti source and CNF, thereby forming a carbon film on the surface of lithium titanate and the surface of CNF. In addition, amorphous carbon is formed inside the composite. In particular, the carbon film formed on the surface of lithium titanate suppresses the growth of lithium titanate crystals. At this time, the thickness of the carbon film is preferably 1 to 2 nm.

このときのスクロースの添加量は、チタン酸リチウムに対して10−4wt%以上10−3wt%以下が適量である。スクロースの割合が、10−4wt%より少ないとLiTi12上の炭素皮膜が不足し、炭素皮膜を持つLiTi12前駆体と持たないLiTi12前駆体が混在することになる。炭素皮膜を持たないLiTi12前駆体には、無添加系の時よりも多くのTi源とLi源が反応してしまい、より大きな粒子が生成される。この大きな粒子により容量が低下するからである。
また、添加するスクロースの割合が10−3wtよりも多いと、複合体全体への非晶質カーボンの形成によりLi拡散が妨害されると共に、CNF上への厚い炭素皮膜が形成されることにより電気伝導度が失われる。これにより、チタン酸リチウムの利用率とレート特性が低下する。
The addition amount of sucrose at this time is 10 −4 wt% or more and 10 −3 wt% or less with respect to lithium titanate. The proportion of sucrose, 10-4 less than wt% and Li 4 Ti carbon film on 5 O 12 is insufficient, Li 4 Ti 5 O 12 precursor having no a Li 4 Ti 5 O 12 precursor having the carbon film Will be mixed. In the Li 4 Ti 5 O 12 precursor having no carbon film, more Ti source and Li source react than in the additive-free system, and larger particles are generated. This is because the capacity is reduced by the large particles.
Further, if the ratio of sucrose to be added is more than 10 −3 wt, formation of amorphous carbon in the entire composite will interfere with Li + diffusion and a thick carbon film will be formed on CNF. As a result, electrical conductivity is lost. Thereby, the utilization factor and rate characteristic of lithium titanate are lowered.

(カーボンナノファイバー)
反応過程で所定のCNFを加えることによって、チタン酸リチウムとCNFとの複合体を得ることができる。CNFは、数百nmの径のファイバーも含まれる多層カーボンナノチューブ(CNT)である。本実施例のCNFは、図2に示したTEM像のように、直径は15−30nmを使用した。このCNFは、電気伝導度は25Ω-1cm-1、比表面積は322m−1であり、一酸化炭素と原料とした触媒化学気相析出(CCVD ; catalytic chemical vapordeposition)法で作製した物である。
(Carbon nanofiber)
By adding predetermined CNF during the reaction process, a complex of lithium titanate and CNF can be obtained. CNF is a multi-walled carbon nanotube (CNT) that includes fibers with a diameter of several hundred nm. The CNF of this example used a diameter of 15-30 nm as shown in the TEM image shown in FIG. This CNF has an electrical conductivity of 25 Ω −1 cm −1 and a specific surface area of 322 m 2 g −1 , and is produced by catalytic chemical vapor deposition (CCVD) using carbon monoxide and a raw material. It is.

本実施例では、チタン酸リチウムに対して20〜30wt%の範囲の割合のカーボンナノファイバーを添加する。チタン酸リチウムに対して添加するカーボンナノファイバーの割合が20wt%未満であると、カーボンナノファイバーに担持したチタン酸リチウムが減少して、容量、レート特性が低下するからであり、また、添加するカーボンナノファイバーの割合が30wt%超であると、チタン酸リチウムが減少して、容量が低下するであるからである。   In this example, carbon nanofibers are added at a ratio in the range of 20 to 30 wt% with respect to lithium titanate. If the ratio of the carbon nanofibers added to the lithium titanate is less than 20 wt%, the lithium titanate supported on the carbon nanofibers is reduced, and the capacity and rate characteristics are lowered. This is because when the proportion of the carbon nanofibers exceeds 30 wt%, the lithium titanate decreases and the capacity decreases.

(溶媒)
溶媒としては、アルコール類、水、これらの混合溶媒を用いることができる。例えば、酢酸と酢酸リチウムをイソプロパノールと水の混合物に溶解した混合溶媒を使用することができる。
(solvent)
As the solvent, alcohols, water, or a mixed solvent thereof can be used. For example, a mixed solvent in which acetic acid and lithium acetate are dissolved in a mixture of isopropanol and water can be used.

(UC処理)
本実施形態で用いるUC処理は、メカノケミカル反応を利用した処理である。このメカノケミカル反応は、化学反応の過程で、旋回する反応器内で反応物にずり応力と遠心力を加えて化学反応を促進させる。
(UC processing)
The UC process used in the present embodiment is a process using a mechanochemical reaction. In the mechanochemical reaction, in the course of the chemical reaction, shearing stress and centrifugal force are applied to the reactants in a rotating reactor to promote the chemical reaction.

この反応方法は、例えば、図3に示すような反応器を用いて行うことができる。図3に示すように、反応器は、開口部にせき板1−2を有する外筒1と、貫通孔2−1を有し旋回する内筒2からなる。この反応器の内筒2内部に反応物を投入し、内筒2を旋回することによってその遠心力で内筒2内部の反応物が内筒2の貫通孔2−1を通って外筒1の内壁1−3に移動する。この時反応物は内筒2の遠心力によって外筒1の内壁1−3に衝突し、薄膜状となって内壁1−3の上部へずり上がる。この状態では反応物には内壁1−3との間のずり応力と内筒2からの遠心力の双方が同時に加わり、薄膜状の反応物に大きな機械的エネルギーが加わることになる。この機械的なエネルギーが反応に必要な化学エネルギー、いわゆる活性化エネルギーに転化するものと思われるが、短時間で反応が進行する。   This reaction method can be performed using, for example, a reactor as shown in FIG. As shown in FIG. 3, the reactor includes an outer cylinder 1 having a cough plate 1-2 at an opening, and an inner cylinder 2 having a through hole 2-1 and swirling. By putting the reactant into the inner cylinder 2 of this reactor and turning the inner cylinder 2, the reactant inside the inner cylinder 2 passes through the through-hole 2-1 of the inner cylinder 2 by the centrifugal force. Move to the inner wall 1-3. At this time, the reaction product collides with the inner wall 1-3 of the outer cylinder 1 by the centrifugal force of the inner cylinder 2, and forms a thin film and slides up to the upper part of the inner wall 1-3. In this state, both the shear stress between the inner wall 1-3 and the centrifugal force from the inner cylinder 2 are simultaneously applied to the reactant, and a large mechanical energy is applied to the thin-film reactant. This mechanical energy seems to be converted into chemical energy required for the reaction, so-called activation energy, but the reaction proceeds in a short time.

この反応において、薄膜状であると反応物に加えられる機械的エネルギーは大きなものとなるため、薄膜の厚みは5mm以下、好ましくは2.5mm以下、さらに好ましくは1.0mm以下である。なお、薄膜の厚みはせき板の幅、反応物の量によって設定することができる。   In this reaction, since the mechanical energy applied to the reaction product is large when it is in the form of a thin film, the thickness of the thin film is 5 mm or less, preferably 2.5 mm or less, more preferably 1.0 mm or less. The thickness of the thin film can be set according to the width of the dam plate and the amount of the reactant.

この反応方法は、反応物に加えられるずり応力と遠心力の機械的エネルギーによって実現できるものと考えられるが、このずり応力と遠心力は内筒内の反応物に加えられる遠心力によって生じる。したがって、本実施形態に必要な内筒内の反応物に加えられる遠心力は1500N(kgms-2)以上、好ましくは60000N(kgms-2)以上、さらに好ましくは270000N(kgms-2)以上である。 This reaction method is considered to be realized by the mechanical energy of the shear stress and the centrifugal force applied to the reactant, and the shear stress and the centrifugal force are generated by the centrifugal force applied to the reactant in the inner cylinder. Thus, the centrifugal force applied to the reactants in the inner cylinder necessary for the present embodiment is 1500 N (kgms -2) or more, preferably 60000N (kgms -2) or more, more preferably 270000N (kgms -2) or .

この反応方法においては、反応物にずり応力と遠心力の双方の機械的エネルギーが同時に加えられることによって、このエネルギーが化学エネルギーに転化することによるものと思われるが、従来にない速度で化学反応を促進させることができる。   In this reaction method, mechanical energy of both shear stress and centrifugal force is applied to the reactant at the same time, which seems to be due to the conversion of this energy into chemical energy. Can be promoted.

(乾燥・焼成処理)
本実施形態では、メカノケミカル反応によりチタン酸リチウムとカーボンナノファイバーとの複合体を得た後、この複合体を真空中で乾燥及び焼成することにより、この複合体を使用した電極や電気化学素子の容量、出力特性を向上させる。
(Drying / Baking treatment)
In this embodiment, after obtaining a composite of lithium titanate and carbon nanofibers by a mechanochemical reaction, the composite is dried and fired in vacuum, whereby an electrode or an electrochemical element using the composite is used. Improve the capacity and output characteristics.

すなわち本実施形態では、複合体の乾燥処理工程において、真空中において80℃の温度で17時間乾燥を行う。その後、焼成工程において、真空中において900℃の温度で3分間焼成を行う。このことによって、ナノ粒子の凝集が抑制されて、カーボンナノファイバーに高分散担持され、容量、レート特性が向上する。   That is, in this embodiment, in the drying process of the composite, drying is performed in a vacuum at a temperature of 80 ° C. for 17 hours. Thereafter, in the baking step, baking is performed in a vacuum at a temperature of 900 ° C. for 3 minutes. As a result, aggregation of the nanoparticles is suppressed, and the carbon nanofibers are supported in a highly dispersed manner, thereby improving capacity and rate characteristics.

(電極)
本実施形態により得られたチタン酸リチウムとカーボンナノファイバーとの複合体は、バインダーと混錬、成型し、電気化学素子の電極、すなわち電気エネルギー貯蔵用電極とすることができ、その電極は高出力特性、高容量特性を示す。
(electrode)
The composite of lithium titanate and carbon nanofibers obtained by the present embodiment can be kneaded and molded with a binder to form an electrode for an electrochemical element, that is, an electrode for storing electrical energy. Shows output characteristics and high capacity characteristics.

(電気化学素子)
この電極を用いることができる電気化学素子は、リチウムやマグネシウムなどの金属イオンを含有する電解液を用いる電気化学キャパシタや電池である。すなわち、本実施形態の電極は、金属イオンの吸蔵、脱着を行うことができ、負極や正極として作動する。したがって、金属イオンを含有する電解液を用い、対極として活性炭、金属イオンが吸蔵、脱着するチタン酸リチウムや金属酸化物等を用いることによって、電気化学キャパシタや電池を構成することができる。
(Electrochemical element)
An electrochemical element that can use this electrode is an electrochemical capacitor or a battery that uses an electrolytic solution containing a metal ion such as lithium or magnesium. That is, the electrode of the present embodiment can occlude and desorb metal ions, and operates as a negative electrode and a positive electrode. Therefore, an electrochemical capacitor or a battery can be configured by using an electrolytic solution containing metal ions and using, as a counter electrode, activated carbon, lithium titanate or a metal oxide that occludes and desorbs metal ions.

[第1の特性比較]
本特性比較では、チタン酸リチウム及びカーボンナノファイバーの表面にスクロースによる炭素皮膜を形成する工程における特性比較である。図4は、本特性比較の工程を表す図であり、本図に従い実施例1,2及び比較例1〜3の複合体を合成した。
[First characteristic comparison]
This characteristic comparison is a characteristic comparison in the process of forming a carbon film with sucrose on the surfaces of lithium titanate and carbon nanofibers. FIG. 4 is a diagram showing the process of comparing the characteristics, and the composites of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3 were synthesized according to the figure.

実施例1はLi源側の溶液に添加するスクロースの割合が10−3wt%であり、実施例2はLi源側の溶液に添加するスクロースの割合が10−4wt%である。また、比較例1は、Li源側の溶液に添加するスクロースの割合が10−2wt%であり、比較例2は、Li源側の溶液に添加するスクロースの割合が10−1wt%であり、比較例3は、Li源側の溶液に添加するスクロースの割合が2wt%である。 In Example 1, the ratio of sucrose added to the solution on the Li source side is 10 −3 wt%, and in Example 2, the ratio of sucrose added to the solution on the Li source side is 10 −4 wt%. In Comparative Example 1, the ratio of sucrose added to the solution on the Li source side is 10 −2 wt%. In Comparative Example 2, the ratio of sucrose added to the solution on the Li source side is 10 −1 wt%. In Comparative Example 3, the ratio of sucrose added to the solution on the Li source side is 2 wt%.

本特性比較では、Ti源の溶液はイソプロピルアルコール300molにテトラブトキシチタン5molを加えて調製した。   In this characteristic comparison, a Ti source solution was prepared by adding 5 mol of tetrabutoxytitanium to 300 mol of isopropyl alcohol.

一方、Li源の溶液として蒸留水50mol、酢酸9mol及びイソプロピルアルコール36molの混合溶液に、酢酸リチウム5molを溶解させることにより調製した。実施例1,2及び比較例1〜3の複合体を作成するために、チタン酸リチウムに対して10−2wt%、10−3wt%、10−4wt%の割合でスクロースをLi源に添加した。このとき添加量を制御するためにスクロース水溶液を以下のように調製・滴下した。
(1)実施例1:10−3wt%のスクロースを添加する時は、0.0178gのスクロースを100mLの蒸留水に溶かした水溶液を56.2μLだけチタン酸リチウム原料溶液に滴下した。
(2)実施例2:10−4wt%のスクロースを添加する時は、0.0025gのスクロースを25mLの蒸留水に溶かした水溶液を10.0μLだけチタン酸リチウム原料溶液に滴下した。
(3)比較例1:10−2wt%のスクロースを添加する時は、0.1978gのスクロースを20mLの蒸留水に溶かした水溶液を10.1μLだけチタン酸リチウム原料溶液に滴下した。
(4)比較例2:10−1wt%のスクロースを添加する時は、チタン酸リチウムに対して10−1wt%の割合のスクロースをUC反応原料溶液に加えた。
(5)比較例3:2wt%のスクロースを添加する時は、チタン酸リチウムに対して2wt%の割合のスクロースをUC反応原料溶液に加えた。
On the other hand, it was prepared by dissolving 5 mol of lithium acetate in a mixed solution of 50 mol of distilled water, 9 mol of acetic acid and 36 mol of isopropyl alcohol as a Li source solution. In order to prepare the composites of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3, sucrose was used as a Li source at a ratio of 10 −2 wt%, 10 −3 wt%, and 10 −4 wt% with respect to lithium titanate. Added to. At this time, in order to control the addition amount, an aqueous sucrose solution was prepared and dropped as follows.
(1) Example 1: When adding 10 −3 wt% sucrose, 56.2 μL of an aqueous solution prepared by dissolving 0.0178 g of sucrose in 100 mL of distilled water was added dropwise to the lithium titanate raw material solution.
(2) Example 2: When adding 10 −4 wt% of sucrose, 10.0 μL of an aqueous solution prepared by dissolving 0.0025 g of sucrose in 25 mL of distilled water was added dropwise to the lithium titanate raw material solution.
(3) Comparative Example 1: When 10 −2 wt% sucrose was added, 10.1 μL of an aqueous solution prepared by dissolving 0.1978 g of sucrose in 20 mL of distilled water was added dropwise to the lithium titanate raw material solution.
(4) Comparative Example 2: When 10 −1 wt% sucrose was added, sucrose at a ratio of 10 −1 wt% with respect to lithium titanate was added to the UC reaction raw material solution.
(5) Comparative Example 3: When 2 wt% sucrose was added, sucrose at a ratio of 2 wt% with respect to lithium titanate was added to the UC reaction raw material solution.

以上の様に調製したTi源溶液にLi源溶液を加え、さらにLiTi12:CNF=70:30の重量比でCNFを原料溶液に加えた。この原料溶液に対して、超遠心力場におけるUC処理を行い前駆体を生成した。その後、得られた前駆体を真空下で17時間乾燥させた後、900℃の真空下で3分間焼成を行うことにより実施例1,2及び比較例1〜3の複合体を得た。 The Li source solution was added to the Ti source solution prepared as described above, and CNF was further added to the raw material solution at a weight ratio of Li 4 Ti 5 O 12 : CNF = 70: 30. This raw material solution was subjected to UC treatment in an ultracentrifugal force field to produce a precursor. Then, after the obtained precursor was dried under vacuum for 17 hours, the composites of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3 were obtained by firing for 3 minutes at 900 ° C. under vacuum.

この実施例1,2及び比較例1〜3の複合体に対して、XRD(X線粉末回折法)による結晶構造の解析、TG(熱重量分析)による熱特性及びカーボン比率の算出、及びHR−TEM(透過型電子顕微鏡)による結晶系の同定およびSTEM(走査透過電子顕微鏡)観察を行った。   For the composites of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3, analysis of crystal structure by XRD (X-ray powder diffraction method), calculation of thermal characteristics and carbon ratio by TG (thermogravimetric analysis), and HR -Identification of the crystal system by TEM (transmission electron microscope) and observation by STEM (scanning transmission electron microscope).

[TGによる熱特性、カーボン比率の算出]
複合体中のLiTi12
とCNFの組成比を確かめるため、TG測定を行った。雰囲気は空気下(N+O)、測定温度は30−900℃とした。昇温速度は20℃
min−1、900℃において10分間温度を保持した。
[Calculation of thermal characteristics and carbon ratio by TG]
Li 4 Ti 5 O 12 in the composite
In order to confirm the composition ratio of CNF and CNF, TG measurement was performed. The atmosphere was under air (N 2 + O 2 ), and the measurement temperature was 30-900 ° C. Heating rate is 20 ° C
The temperature was held at min −1 and 900 ° C. for 10 minutes.

図5は、比較例3のチタン酸リチウムに対して2wt%の割合のスクロースを添加した複合体のTG
測定の結果を表したグラフである。図からは、実施例1,2及び比較例1〜3の複合体の中で最もスクロース添加率が大きい2wt%の時でも、組成比が仕込み比のLiTi12/CNF=70:30とほぼ一致していた。この結果から、スクロースの添加量が比較例3より少ない実施例1,2及び比較例1,2の複合体においても組成制御は可能であることが判る。
FIG. 5 shows a TG of a composite obtained by adding sucrose at a ratio of 2 wt% to the lithium titanate of Comparative Example 3.
It is a graph showing the result of a measurement. From the figure, even when the sucrose addition rate is 2 wt% which is the largest among the composites of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3, the composition ratio is Li 4 Ti 5 O 12 / CNF = 70: It was almost consistent with 30. From this result, it can be seen that the composition can be controlled even in the composites of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 in which the amount of sucrose added is smaller than that in Comparative Example 3.

[XRDによる結晶構造解析]
結晶構造を同定するためXRD測定を行った。またXRD結果より、次に示すシェラーの式(2)から結晶子サイズd[nm]を求めた。
d=(Kλ)/(β cosθ)・・・・(2)
K は構造因子、λはX 線波長、βは半値幅
[Crystal structure analysis by XRD]
XRD measurement was performed to identify the crystal structure. From the XRD results, the crystallite size d [nm] was determined from Scherrer's formula (2) shown below.
d = (Kλ) / (β cosθ) (2)
K is the structure factor, λ is the X-ray wavelength, β is the half-width

図6は、実施例1,2及び比較例1〜3の複合体に対して行ったXRD(X線粉末回折法)による結晶構造解析の結果を表した図である。この図によれば、実施例1,2及び比較例1〜3において、約25°のところにカーボン由来のピークがある以外は、アナターゼ型TiOやルチル型TiOなどの不純物を含まないLiTi12が生成していることが判る。 FIG. 6 is a diagram showing the results of crystal structure analysis by XRD (X-ray powder diffraction method) performed on the composites of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3. According to this figure, in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3, except that a peak of the carbon derived from at about 25 °, does not contain impurities such as anatase type TiO 2 and rutile-type TiO 2 Li It can be seen that 4 Ti 5 O 12 is formed.

また、図7は、実施例1,2及び比較例1〜3の複合体における結晶子サイズを各XRD結果とシェラーの式から求めた(111)、(311)、(400)面の結晶子サイズを示した図である。この図からは、スクロースを添加しない場合に比べてスクロースを添加した複合体では、結晶子サイズが小さくなることが判る。   FIG. 7 shows crystallite sizes in the (111), (311), and (400) planes obtained from the XRD results and Scherrer's equation for the crystallite sizes in the composites of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3. It is the figure which showed the size. From this figure, it can be seen that the crystallite size is smaller in the complex added with sucrose than in the case where sucrose is not added.

[充放電試験結果]
充放電試験は放電側(LiがLiTi12に挿入する側)のレートを10Cに固定し、充電のレートを10、30、60、120、180、300Cと変えていき、各レートで3回ずつ測定を行った。測定電位は1−3Vvs.Li/Liの範囲とした。
[Charge / discharge test results]
In the charge / discharge test, the rate on the discharge side (the side on which Li + is inserted into Li 4 Ti 5 O 12 ) is fixed at 10 C, and the charge rate is changed to 10, 30, 60, 120, 180, 300 C, Measurements were made three times at a rate. The measurement potential is 1-3 Vvs. The range was Li / Li + .

図8は、比較例1〜3の複合体の充放電試験結果を示した。前記XRDによる結晶構造解析で述べたように、スクロースを添加した複合体では、スクロースを添加しない複合体に比べて結晶子サイズが小さくなる。それにも関わらず、図8からは、スクロースを添加していない複合体よりも容量が低下することが判る。つまり、比較例1〜3の複合体においては、全てのレートにおいてLiTi12の利用率が低下する。 FIG. 8 shows the charge / discharge test results of the composites of Comparative Examples 1 to 3. As described in the crystal structure analysis by XRD, the complex with sucrose added has a smaller crystallite size than the complex without sucrose added. Nevertheless, it can be seen from FIG. 8 that the capacity is lower than the complex without sucrose added. That is, in the composites of Comparative Examples 1 to 3, the utilization rate of Li 4 Ti 5 O 12 decreases at all rates.

一方、図9は、実施例1,2の複合体の充放電試験結果を示した。図9からは、実施例1の複合体は、全レートにおいてスクロースを添加していない複合体よりも容量が大きいことが判る。また、実施例2の複合体は、低レート側においてスクロースを添加していない複合体よりも容量が大きいことが判る。つまり、10−4wt%〜10−3wt%の割合のスクロースを添加することによりLiTi12の利用率が向上することにより容量が大きくなる。特に10−3wt%の割合のスクロースを添加することにより全レートでの容量が向上する。 On the other hand, FIG. 9 shows the charge / discharge test results of the composites of Examples 1 and 2. FIG. 9 shows that the composite of Example 1 has a larger capacity than the composite without sucrose added at all rates. It can also be seen that the composite of Example 2 has a larger capacity than the composite without sucrose on the low rate side. That is, by adding sucrose at a ratio of 10 −4 wt% to 10 −3 wt%, the utilization rate of Li 4 Ti 5 O 12 is improved, and the capacity is increased. In particular, the addition of sucrose in a proportion of 10 −3 wt% improves the capacity at all rates.

[HR−TEMによる結晶系の同定および形態観察]
図10〜14は、実施例1及び比較例2,3の複合体の結晶構造を表した写真である。複合体の結晶構造は、HR−TEM(高分解能透過電子顕微鏡)を使用することにより観察した。
[Identification and morphology observation of crystal system by HR-TEM]
10 to 14 are photographs showing the crystal structures of the composites of Example 1 and Comparative Examples 2 and 3. FIG. The crystal structure of the composite was observed by using HR-TEM (high resolution transmission electron microscope).

図10,11は、比較例3の複合体のLiTi12とCNF周辺のHR−TEM像を表した図である。また、図12,13は、比較例2の複合体のLiTi12とCNF周辺のTEM像を表した図である。 10 and 11 are views showing HR-TEM images around the Li 4 Ti 5 O 12 and CNF of the composite of Comparative Example 3. FIG. 12 and 13 are views showing TEM images of the composite of Comparative Example 2 around Li 4 Ti 5 O 12 and CNF.

図10,12からは、LiTi12の表面に炭素皮膜が形成されていることが判る。この炭素皮膜により、LiTi12の結晶の成長が抑制されている。また、図11,13からは、複合体全体に対して大きな非晶質カーボンが形成されていることが判る。これにより、Liの拡散が妨害され、LiTi12の利用率が低下が起こる。 10 and 12 , it can be seen that a carbon film is formed on the surface of Li 4 Ti 5 O 12 . The growth of the crystal of Li 4 Ti 5 O 12 is suppressed by this carbon film. Also, from FIGS. 11 and 13, it can be seen that large amorphous carbon is formed on the entire composite. Thereby, the diffusion of Li + is disturbed, and the utilization factor of Li 4 Ti 5 O 12 is lowered.

一方、図14は、実施例1の複合体のLiTi12とCNF周辺のHR−TEM像を表した図である。図14からは、LiTi12の表面に炭素皮膜が形成されていることが判る。つまり、比較例2,3と同様にLiTi12の結晶の成長が抑制されている。しかしながら、LiTi12の表面に炭素皮膜の厚さは約1〜2nmしかなく、比較例2,3と比較して大幅に薄くなっている。また、複合体全体に対する非晶質カーボンは形成されていないことが判る。CNF上の炭素皮膜が薄くなったことにより、LiTi12利用率が向上する。 On the other hand, FIG. 14 is a diagram showing an HR-TEM image around Li 4 Ti 5 O 12 and CNF of the composite of Example 1. FIG. 14 shows that a carbon film is formed on the surface of Li 4 Ti 5 O 12 . That is, like the comparative examples 2 and 3, the growth of the crystal of Li 4 Ti 5 O 12 is suppressed. However, the thickness of the carbon film on the surface of Li 4 Ti 5 O 12 is only about 1 to 2 nm, which is significantly thinner than Comparative Examples 2 and 3. Moreover, it turns out that the amorphous carbon with respect to the whole composite is not formed. As the carbon film on CNF becomes thinner, the utilization ratio of Li 4 Ti 5 O 12 is improved.

[まとめ]
以上より、スクロースを添加することにより、LiTi12の表面に炭素皮膜が形成されLiTi12の結晶成長は抑制される。しかしながら、スクロース添加率が10−2wt%以上になると、CNF上の炭素皮膜はCNFが本来持つ電気伝導性を失わせるほど厚くなる。また、複合体全体に対して非晶質カーボンが形成され、Liの拡散が妨害されるため、スクロースを添加していない複合体よりもLiTi12利用率が低下する。
[Summary]
As described above, by the addition of sucrose, crystal growth of the Li 4 Ti 5 carbon film on the surface of the O 12 is formed Li 4 Ti 5 O 12 is suppressed. However, when the sucrose addition rate is 10 −2 wt% or more, the carbon film on CNF becomes thick enough to lose the electrical conductivity inherent to CNF. Further, since amorphous carbon is formed over the entire complex and Li + diffusion is hindered, the utilization rate of Li 4 Ti 5 O 12 is lower than that of the complex not added with sucrose.

これに対して、スクロース添加率をさらに減らし10−3wt%としたところ、複合体全体に対する非晶質カーボンが形成されなくなり、CNF上の炭素皮膜も薄くなっていた。その結果、スクロース無添加系よりもLiTi12利用率が向上する。 On the other hand, when the sucrose addition rate was further reduced to 10 −3 wt%, amorphous carbon was not formed on the entire composite, and the carbon film on CNF was also thin. As a result, the utilization rate of Li 4 Ti 5 O 12 is improved as compared with the sucrose-free system.

[第2の特性比較]
本特性比較は、チタン酸リチウムの表面にスクロースによる炭素皮膜を形成する工程における特性比較である。図15は、本特性比較の工程を表す図であり、図15に従い実施例3,4の複合体を合成した。
[Second characteristic comparison]
This characteristic comparison is a characteristic comparison in the process of forming a carbon film with sucrose on the surface of lithium titanate. FIG. 15 is a diagram showing the process of this characteristic comparison, and the composites of Examples 3 and 4 were synthesized according to FIG.

実施例3はLi源側の溶液に添加するスクロースの割合が10−3wt%であり、実施例4はLi源側の溶液に添加するスクロースの割合が10−4wt%である。 In Example 3, the ratio of sucrose added to the solution on the Li source side is 10 −3 wt%, and in Example 4, the ratio of sucrose added to the solution on the Li source side is 10 −4 wt%.

本特性比較では、Ti源の溶液はイソプロピルアルコール300molにテトラブトキシチタン5molを加えて調製した。   In this characteristic comparison, a Ti source solution was prepared by adding 5 mol of tetrabutoxytitanium to 300 mol of isopropyl alcohol.

一方、Li源の溶液として蒸留水50mol、酢酸9mol及びイソプロピルアルコール36molの混合溶液に、酢酸リチウム5molを溶解させることにより調製した。実施例3,4の複合体を作成するために、チタン酸リチウムに対して10−3wt%1、10−4wt%の割合でスクロースをLi源に添加した。このとき添加量を制御するためにスクロース水溶液を以下のように調製・滴下した。
(1)実施例3:10−3wt%のスクロースを添加する時は、0.0178gのスクロースを100mLの蒸留水に溶かした水溶液を56.2μLだけチタン酸リチウム原料溶液に滴下した。
(2)実施例4:10−4wt%のスクロースを添加する時は、0.0025gのスクロースを25mLの蒸留水に溶かした水溶液を10.0μLだけチタン酸リチウム原料溶液に滴下した。
On the other hand, it was prepared by dissolving 5 mol of lithium acetate in a mixed solution of 50 mol of distilled water, 9 mol of acetic acid and 36 mol of isopropyl alcohol as a Li source solution. In order to prepare the composites of Examples 3 and 4 , sucrose was added to the Li source at a ratio of 10 −3 wt% 1 and 10 −4 wt% with respect to lithium titanate. At this time, in order to control the addition amount, an aqueous sucrose solution was prepared and dropped as follows.
(1) Example 3: When adding 10 −3 wt% sucrose, 56.2 μL of an aqueous solution obtained by dissolving 0.0178 g of sucrose in 100 mL of distilled water was added dropwise to the lithium titanate raw material solution.
(2) Example 4: When adding 10 −4 wt% of sucrose, 10.0 μL of an aqueous solution obtained by dissolving 0.0025 g of sucrose in 25 mL of distilled water was added dropwise to the lithium titanate raw material solution.

以上の様に調製したTi 源溶液にLiTi12:CNF=70:30の重量比でCNFをTi源溶液に加えて、超音波処理を3分間行った。その後、Li 源溶液を原料溶液に加えた。この原料溶液に対して、超遠心力場におけるUC処理を行い前駆体を生成した。その後、得られた前駆体を真空中において80℃の温度で17時間乾燥させた後、900℃の真空下で3分間焼成を行うことにより実施例1,2及び比較例1〜3の複合体を得た。 CNF was added to the Ti source solution in a weight ratio of Li 4 Ti 5 O 12 : CNF = 70: 30 to the Ti source solution prepared as described above, and sonication was performed for 3 minutes. Thereafter, the Li source solution was added to the raw material solution. This raw material solution was subjected to UC treatment in an ultracentrifugal force field to produce a precursor. Then, after drying the obtained precursor at a temperature of 80 ° C. for 17 hours in a vacuum, the composites of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3 were baked for 3 minutes under a vacuum of 900 ° C. Got.

この実施例3,4の複合体及び前記特性比較で作製した実施例1,2の複合体に対して、XRD(X線粉末回折法)による結晶構造の解析、TG(熱重量分析)による熱特性及びカーボン比率の算出、及びHR−TEM(透過型電子顕微鏡)による結晶系の同定およびSTEM(走査透過電子顕微鏡)観察を行った。   Analysis of the crystal structure by XRD (X-ray powder diffraction method) and heat by TG (thermogravimetric analysis) for the composites of Examples 3 and 4 and the composites of Examples 1 and 2 prepared in the above characteristic comparison. Calculation of characteristics and carbon ratio, identification of the crystal system by HR-TEM (transmission electron microscope), and STEM (scanning transmission electron microscope) observation were performed.

[TGによる熱特性、カーボン比率の算出]
複合体中のLiTi12
とCNFの組成比を確かめるため、TG測定を行った。雰囲気は空気下(N+O)、測定温度は30-900℃とした。昇温速度は20℃min−1、900℃において10分間温度を保持した。
[Calculation of thermal characteristics and carbon ratio by TG]
Li 4 Ti 5 O 12 in the composite
In order to confirm the composition ratio of CNF and CNF, TG measurement was performed. The atmosphere was under air (N 2 + O 2 ), and the measurement temperature was 30-900 ° C. The temperature elevation rate was 20 ° C. min −1 and the temperature was maintained at 900 ° C. for 10 minutes.

図16は、実施例4の複合体のTG測定の結果を表したグラフである。図16からは、実施例4の複合体においても、組成比が仕込み比のLiTi12/CNF=70:30とほぼ一致していた。この結果から、スクロースの添加量が実施例3の複合体においても組成制御は可能であることが判る。 FIG. 16 is a graph showing the results of TG measurement of the complex of Example 4. From FIG. 16, also in the composite of Example 4, the composition ratio almost coincided with the charge ratio of Li 4 Ti 5 O 12 / CNF = 70: 30. From this result, it can be seen that the composition can be controlled even in the composite of Example 3 with the addition amount of sucrose.

[XRDによる結晶構造解析]
図17は、実施例3,4の複合体に対して行ったXRD(X線粉末回折法)による結晶構造解析の結果を表した図である。この図によれば、実施例3,4において、25°付近にカーボン由来のピークがあり、アナターゼ型TiOやルチル型TiOなどの不純物を含まないLiTi12が生成していることが判る。
[Crystal structure analysis by XRD]
FIG. 17 is a diagram showing the results of crystal structure analysis by XRD (X-ray powder diffraction method) performed on the composites of Examples 3 and 4. According to this figure, in Examples 3 and 4, there is a peak derived from carbon in the vicinity of 25 °, and Li 4 Ti 5 O 12 containing no impurities such as anatase TiO 2 or rutile TiO 2 is generated. I understand that.

また、図18は、実施例3,4の複合体における結晶子サイズを各XRD結果とシェラーの式である前述の式(2)から求めた(111)、(311)、(400)面の結晶子サイズを示した図である。この図からは、スクロース添加率10−3wt%の時は、合成スキーム変更後と変更前で結晶子サイズはほとんど変化しないことが判る。このときの結晶子のサイズは、スクロースを添加しない場合よりも小さいことが判る。一方、スクロース添加率が10−4wt%の時は、合成スキーム変更前に比べて、変更後は結晶子サイズが小さくなった。この結果から、スキームを変更することにより結晶粒径抑制が行われていることが判る。 Further, FIG. 18 shows the crystallite size in the composites of Examples 3 and 4 obtained from each XRD result and the above formula (2) which is Scherrer's formula (111), (311), (400) planes. It is the figure which showed the crystallite size. From this figure, it can be seen that when the sucrose addition rate is 10 −3 wt%, the crystallite size hardly changes after and before the synthesis scheme change. It can be seen that the crystallite size at this time is smaller than when sucrose is not added. On the other hand, when the sucrose addition rate was 10 −4 wt%, the crystallite size was smaller after the change than before the synthesis scheme was changed. From this result, it can be seen that the crystal grain size is suppressed by changing the scheme.

[充放電試験結果]
第1の特性比較と同様に、充放電試験は放電側(LiがLiTi12に挿入する側)のレートを10Cに固定し、充電のレートを10、30、60、120、180、300Cと変えていき、各レートで3回ずつ測定を行った。
[Charge / discharge test results]
Similar to the first characteristic comparison, in the charge / discharge test, the rate on the discharge side (the side on which Li + is inserted into Li 4 Ti 5 O 12 ) is fixed at 10 C, and the charge rate is 10, 30, 60, 120, The measurement was performed three times at each rate while changing to 180 and 300C.

図19は、実施例2と実施例4のレート特性を示した図である。この図からは、製造工程を変化させた実施例4において、高レート側での容量が向上することが判る。すなわち、実施例2,4ともに低レート側においては、スクロースを添加していない場合よりも容量か向上している。特に、実施例4においては、高レート側のLiTi12利用率が向上することが判る。
これは、合成スキームを変更することにより、LiTi12に選択的に炭素皮膜が形成されるからである。
FIG. 19 is a diagram illustrating rate characteristics of the second and fourth embodiments. From this figure, it can be seen that the capacity on the high rate side is improved in Example 4 in which the manufacturing process is changed. That is, in both Examples 2 and 4, the capacity is improved on the low rate side compared to the case where sucrose is not added. In particular, in Example 4, it can be seen that the utilization rate of Li 4 Ti 5 O 12 on the high rate side is improved.
This is because a carbon film is selectively formed on Li 4 Ti 5 O 12 by changing the synthesis scheme.

図20は、実施例1と実施例3のレート特性を示した図である。この図からは、実施例1,3において、低レート側においてはスクロースを添加していない場合よりも容量が向上している。しかしながら、実施例においては、スクロースを添加していない場合よりも高レート側の容量が向上しているが、実施例においては、高レート側の容量が低下していることが判る。
これは、CNF上に存在していた炭素皮膜も、全てLiTi12表面に担持したために、LiTi12表面の炭素皮膜が厚くなるからである。
FIG. 20 is a diagram illustrating rate characteristics of the first and third embodiments. From this figure, in Examples 1 and 3, the capacity is improved on the low rate side compared to the case where sucrose is not added. However, in Example 1 , although the capacity | capacitance of the high rate side is improving rather than the case where sucrose is not added, in Example 3 , it turns out that the capacity | capacitance of the high rate side is falling.
This carbon film was present on CNF also for all supported on Li 4 Ti 5 O 12 surface, because the carbon film of Li 4 Ti 5 O 12 surface becomes thicker.

[HR−TEMによる結晶系の同定および形態観察] [Identification and morphology observation of crystal system by HR-TEM]

図21は、比較例3の複合体のLiTi12とCNF周辺のHR−TEM像を表した図である。図21からは、LiTi12の表面に炭素皮膜が形成されている。また、この炭素皮膜により、LiTi12の結晶の成長が抑制されていることが判る。これにより、Liの拡散が妨害され、LiTi12の利用率が低下が起こる。 FIG. 21 is a diagram showing an HR-TEM image around Li 4 Ti 5 O 12 and CNF of the composite of Comparative Example 3. From FIG. 21, a carbon film is formed on the surface of Li 4 Ti 5 O 12 . Further, this carbon film, Li 4 Ti 5 Growth O 12 crystals seen to have been suppressed. Thereby, the diffusion of Li + is disturbed, and the utilization factor of Li 4 Ti 5 O 12 is lowered.

[まとめ]
以上より、CNFを先にTi源溶液に溶解させることで、CNF表面に優先的にTi源が担持させることにより、後から投入されるスクロースがCNF表面に担持しない。これにより、LiTi12表面に選択的に炭素皮膜が形成することができるので、CNFの表面に炭素皮膜を形成する場合に比べて少ないスクロースで、LiTi12の結晶成長は抑制され、LiTi12利用率が向上する。
[Summary]
As described above, by dissolving CNF in the Ti source solution first, the Ti source is preferentially supported on the CNF surface, so that sucrose to be charged later is not supported on the CNF surface. Thus, it is possible to selectively form the carbon film on the Li 4 Ti 5 O 12 surface, sucrose smaller than in the case of forming a carbon film on the surface of the CNF, the crystal growth of Li 4 Ti 5 O 12 Is suppressed, and the utilization rate of Li 4 Ti 5 O 12 is improved.

1 …外筒
1−2…せき板
1−3…内壁
2… 内筒
2−1…貫通孔
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Outer cylinder 1-2 ... Baffle 1-3 ... Inner wall 2 ... Inner cylinder 2-1 ... Through-hole

Claims (3)

旋回する反応容器内で、チタン源と、スクロースを含有するリチウム源と、カーボンナノファイバーとを含む溶液にずり応力と遠心力を加えて反応させてチタン酸リチウムとカーボンナノファイバーとの複合体を生成する複合化処理と、
この複合化処理を経た複合体を真空中において加熱する加熱処理と、
を有するチタン酸リチウムとカーボンナノファイバーの複合体の製造方法であって、
前記スクロースの添加量は、チタン酸リチウムに対して10−4wt%〜10−3wt%であることを特徴とするチタン酸リチウムとカーボンナノファイバーの複合体の製造方法。
In a swirling reaction vessel, a solution of lithium titanate and carbon nanofibers is reacted by applying shear stress and centrifugal force to a solution containing a titanium source, a lithium source containing sucrose, and carbon nanofibers. The composite processing to generate,
A heat treatment for heating the composite through the composite treatment in a vacuum;
A method for producing a composite of lithium titanate and carbon nanofibers having
The method for producing a composite of lithium titanate and carbon nanofiber, wherein the amount of sucrose added is 10 −4 wt% to 10 −3 wt% with respect to lithium titanate.
前記複合化処理は、
チタン源にスクロースを含有するリチウム源を添加した後、カーボンナノファイバーを添加した溶液にずり応力と遠心力を加えて反応させる処理であることを特徴とする請求項に記載のチタン酸リチウムとカーボンナノファイバーの複合体の製造方法。
The compounding process is
2. The lithium titanate according to claim 1 , which is a treatment in which a shearing stress and a centrifugal force are applied to the solution to which the carbon nanofibers are added and then reacted after adding a lithium source containing sucrose to the titanium source. A method for producing a composite of carbon nanofibers.
前記複合化処理は、
チタン源にカーボンナノファイバーを添加した後、スクロースを含むリチウムを含むリチウム源を添加した溶液にずり応力と遠心力を加えて反応させる処理である特徴とする請求項に記載のチタン酸リチウムとカーボンナノファイバーの複合体の製造方法。
The compounding process is
2. The lithium titanate according to claim 1 , wherein after adding carbon nanofibers to a titanium source, the reaction is performed by applying shear stress and centrifugal force to a solution in which a lithium source containing lithium containing sucrose is added. A method for producing a composite of carbon nanofibers.
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