JPH04280072A - 熱電池用正極活物質の製造法およびそれを用いた熱電池 - Google Patents
熱電池用正極活物質の製造法およびそれを用いた熱電池Info
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- JPH04280072A JPH04280072A JP3041555A JP4155591A JPH04280072A JP H04280072 A JPH04280072 A JP H04280072A JP 3041555 A JP3041555 A JP 3041555A JP 4155591 A JP4155591 A JP 4155591A JP H04280072 A JPH04280072 A JP H04280072A
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- Japan
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- iron
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- electrode active
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は熱電池用正極活物質の製
造法およびそれを用いた熱電池に関し、特にリチウム/
二硫化鉄系熱電池の正極活物質を改良した熱電池用正極
活物質の製造法およびそれを用いた熱電池に関する。
造法およびそれを用いた熱電池に関し、特にリチウム/
二硫化鉄系熱電池の正極活物質を改良した熱電池用正極
活物質の製造法およびそれを用いた熱電池に関する。
【0002】
【従来の技術】熱電池は、常温では不活性であるが、高
温に加熱すると活性になり、外部へ電力を供給しうるよ
うになる電池で、貯蔵型電池の一種である。従って、5
〜10年あるいはそれ以上の貯蔵後においても製造直後
となんら電池特性が変わらないので緊急用電源に利用さ
れている。
温に加熱すると活性になり、外部へ電力を供給しうるよ
うになる電池で、貯蔵型電池の一種である。従って、5
〜10年あるいはそれ以上の貯蔵後においても製造直後
となんら電池特性が変わらないので緊急用電源に利用さ
れている。
【0003】本電池は、高温で作動させるために電極反
応が進みやすく分極も少ないので高率放電特性にすぐれ
、さらに、使用希望時には起動信号を入れると瞬時に電
力を取り出せるなどの特長を有する。しかし近年では、
益々高出力化が望まれており、特に高電位を必要とする
場合が多い。
応が進みやすく分極も少ないので高率放電特性にすぐれ
、さらに、使用希望時には起動信号を入れると瞬時に電
力を取り出せるなどの特長を有する。しかし近年では、
益々高出力化が望まれており、特に高電位を必要とする
場合が多い。
【0004】一方リチウムを負極とする二硫化鉄系熱電
池における素電池の開路電圧は、約2.2〜2.3Vで
ある。また放電時の作動電圧は、放電が進むにつれて正
極反応の場合は、集電部から離れた正極層の深部で起こ
るようになり電気抵抗が増加するため平均作動電圧を1
.6V〜1.8Vとして設計しなければならない。その
ため、高電圧出力が必要になる場合、素電池の積層枚数
が増えて電池の体積や重量が増加してしまい、電池の小
形,軽量化が難しくなるという短所を有していた。
池における素電池の開路電圧は、約2.2〜2.3Vで
ある。また放電時の作動電圧は、放電が進むにつれて正
極反応の場合は、集電部から離れた正極層の深部で起こ
るようになり電気抵抗が増加するため平均作動電圧を1
.6V〜1.8Vとして設計しなければならない。その
ため、高電圧出力が必要になる場合、素電池の積層枚数
が増えて電池の体積や重量が増加してしまい、電池の小
形,軽量化が難しくなるという短所を有していた。
【0005】この課題を解決するために、従来から用い
られてきた技術は二硫化鉄を正極活物質とする正極合剤
中に、良導電性物質を添加する方法が検討されており、
導電材としてステンレス粉末または黒鉛粉末を、正極合
剤中に添加することが検討された。
られてきた技術は二硫化鉄を正極活物質とする正極合剤
中に、良導電性物質を添加する方法が検討されており、
導電材としてステンレス粉末または黒鉛粉末を、正極合
剤中に添加することが検討された。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の二つの
手法とも次のような問題点があり実用的ではなかった。 すなわち上記前者の場合、当初はステンレス薄板が正極
集電板にも用いられていることから正極活物質FeS2
と反応しにくい材料と予想して使用した。しかし、その
結果正極合剤中の電子伝導性は向上するが、粉末のステ
ンレスを使用するため反応性が高く二硫化鉄とステンレ
ス粉末中の鉄が次式の反応 FeS2+Fe⇒2FeS により二硫化鉄が分解反応を起こしやすいため、かえっ
て放電容量を低下させるという致命的な欠点があった。
手法とも次のような問題点があり実用的ではなかった。 すなわち上記前者の場合、当初はステンレス薄板が正極
集電板にも用いられていることから正極活物質FeS2
と反応しにくい材料と予想して使用した。しかし、その
結果正極合剤中の電子伝導性は向上するが、粉末のステ
ンレスを使用するため反応性が高く二硫化鉄とステンレ
ス粉末中の鉄が次式の反応 FeS2+Fe⇒2FeS により二硫化鉄が分解反応を起こしやすいため、かえっ
て放電容量を低下させるという致命的な欠点があった。
【0007】また、上記後者の場合には、黒鉛粉末がか
さ高く、正極層が厚くなり素電池の体積が増加し、ひい
ては電池の大形化を招くという問題を生じた。
さ高く、正極層が厚くなり素電池の体積が増加し、ひい
ては電池の大形化を招くという問題を生じた。
【0008】本発明は、このような従来の課題を解消し
、放電時の正極層内の内部抵抗の上昇を低減させ、高い
作動電圧を供給し、小形で軽量な熱電池を提供できる熱
電池用正極活物質の製造法およびそれを用いた熱電池を
提供することを目的とする。
、放電時の正極層内の内部抵抗の上昇を低減させ、高い
作動電圧を供給し、小形で軽量な熱電池を提供できる熱
電池用正極活物質の製造法およびそれを用いた熱電池を
提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
本発明の熱電池用正極活物質の製造法およびそれを用い
た熱電池は、出発物質として鉄粉もしくは少なくとも表
面が鉄酸化物または水酸化鉄である鉄粉と、金属クロム
粉末と、硫黄を用いてこれら三者を混合する工程と、そ
の混合物を350℃〜500℃の温度で加熱合成する工
程と、合成物を粉砕する工程を経て正極活物質とする製
造法であって、得られる正極活物質中のクロム含有比を
5〜20重量%とするものである。
本発明の熱電池用正極活物質の製造法およびそれを用い
た熱電池は、出発物質として鉄粉もしくは少なくとも表
面が鉄酸化物または水酸化鉄である鉄粉と、金属クロム
粉末と、硫黄を用いてこれら三者を混合する工程と、そ
の混合物を350℃〜500℃の温度で加熱合成する工
程と、合成物を粉砕する工程を経て正極活物質とする製
造法であって、得られる正極活物質中のクロム含有比を
5〜20重量%とするものである。
【0010】そして、上記のようにして合成された正極
活物質に電解質およびバインダーを混合して正極合剤と
し、負極のリチウムもしくはリチウム合金と、電解質を
保持させたバインダーの粉末を主体とする電解質層とを
組み合わせて素電池を成型して、これと発熱剤とを組み
合わせることでリチウム/二硫化鉄系熱電池を構成する
ものである。
活物質に電解質およびバインダーを混合して正極合剤と
し、負極のリチウムもしくはリチウム合金と、電解質を
保持させたバインダーの粉末を主体とする電解質層とを
組み合わせて素電池を成型して、これと発熱剤とを組み
合わせることでリチウム/二硫化鉄系熱電池を構成する
ものである。
【0011】
【作用】この構成により本発明の熱電池用正極活物質お
よびそれを用いた熱電池は、鉄が硫化物化する際に同時
にクロムも硫化物化するために、二硫化鉄の結晶格子内
にクロムが組み込まれた二硫化鉄と二硫化クロムの複合
化合物ができる。
よびそれを用いた熱電池は、鉄が硫化物化する際に同時
にクロムも硫化物化するために、二硫化鉄の結晶格子内
にクロムが組み込まれた二硫化鉄と二硫化クロムの複合
化合物ができる。
【0012】この二硫化クロムは半導体物質であり、電
池が作動する温度領域での電子伝導度は著しく増加する
。そのため正極合剤中の内部抵抗が低下し、その結果素
電池の作動電圧を高くすることとなる。
池が作動する温度領域での電子伝導度は著しく増加する
。そのため正極合剤中の内部抵抗が低下し、その結果素
電池の作動電圧を高くすることとなる。
【0013】
【実施例】以下本発明の一実施例の熱電池用正極活物質
の製造法およびそれを用いた熱電池を図面を用いて説明
する。図1において出発物質としては、鉄粉もしくは少
なくとも表面が鉄酸化物または水酸化鉄である鉄粉とク
ロム粉および硫黄を用い、鉄粉およびクロム粉に関して
は、350mesh以下の粒径の粉末を用いた。原料の
混合比は、合成する正極活物質中のクロム含有量が所定
の重量%になり、かつ鉄もクロムも二硫化物となるよう
に設定した。
の製造法およびそれを用いた熱電池を図面を用いて説明
する。図1において出発物質としては、鉄粉もしくは少
なくとも表面が鉄酸化物または水酸化鉄である鉄粉とク
ロム粉および硫黄を用い、鉄粉およびクロム粉に関して
は、350mesh以下の粒径の粉末を用いた。原料の
混合比は、合成する正極活物質中のクロム含有量が所定
の重量%になり、かつ鉄もクロムも二硫化物となるよう
に設定した。
【0014】例えば、クロムを10重量%含有する正極
活物質を製造する場合には、鉄粉を36.6重量%、金
属クロムを10重量%、そして硫黄を53.4重量%と
する混合比を設定する。この時の硫黄の量は鉄とクロム
が、二硫化鉄となるために必要な量としている。本実施
例では、一回の混合重量を500gとし、それぞれ秤取
された原料を磁器製のボールミル混合機で1時間混合し
た。その後、混合物を磁器製のるつぼに入れて蓋をし、
さらに蓋付きの鉄製の容器に入れて電気炉により、45
0℃で3時間加熱合成を行なった。加熱合成としては、
270℃から690℃まで可能ではあるが、350℃未
満では硫化反応の進行が遅く、500℃を超える温度で
は生成した二硫化鉄が分解し始めるので工業的には35
0℃〜500℃の範囲が好ましい。合成物は冷却した後
、磁器製の乳鉢に入れて粉砕し200mesh以下の粒
度とした。また今回の実施例では前記の加熱合成工程と
粉砕工程を3回繰り返して行ない、最終の合成物を正極
活物質とした。1回の加熱合成でも硫化物化は可能であ
るが、より高品位な硫化物、すなわちより二硫化物化さ
せるためには、複数回の加熱合成工程と粉砕工程を繰り
返すことが好ましい。
活物質を製造する場合には、鉄粉を36.6重量%、金
属クロムを10重量%、そして硫黄を53.4重量%と
する混合比を設定する。この時の硫黄の量は鉄とクロム
が、二硫化鉄となるために必要な量としている。本実施
例では、一回の混合重量を500gとし、それぞれ秤取
された原料を磁器製のボールミル混合機で1時間混合し
た。その後、混合物を磁器製のるつぼに入れて蓋をし、
さらに蓋付きの鉄製の容器に入れて電気炉により、45
0℃で3時間加熱合成を行なった。加熱合成としては、
270℃から690℃まで可能ではあるが、350℃未
満では硫化反応の進行が遅く、500℃を超える温度で
は生成した二硫化鉄が分解し始めるので工業的には35
0℃〜500℃の範囲が好ましい。合成物は冷却した後
、磁器製の乳鉢に入れて粉砕し200mesh以下の粒
度とした。また今回の実施例では前記の加熱合成工程と
粉砕工程を3回繰り返して行ない、最終の合成物を正極
活物質とした。1回の加熱合成でも硫化物化は可能であ
るが、より高品位な硫化物、すなわちより二硫化物化さ
せるためには、複数回の加熱合成工程と粉砕工程を繰り
返すことが好ましい。
【0015】また、上記の実施例では原料の1つに鉄粉
を用いているが、特開昭58−115031号公報に開
示されている手法によって作られた、少なくとも表面が
水酸化鉄である鉄粉を用いても同様の効果のある正極活
物質が得られ、且つ鉄の硫化も促進されて高品位なもの
が得られる。
を用いているが、特開昭58−115031号公報に開
示されている手法によって作られた、少なくとも表面が
水酸化鉄である鉄粉を用いても同様の効果のある正極活
物質が得られ、且つ鉄の硫化も促進されて高品位なもの
が得られる。
【0016】図2Aは、本実施例のクロム含有率10重
量%の正極活物質のX線回折パターンを示しており、図
2Bは従来の正極活物質のX線回折パターンを示してい
る。図2A中△印で示すCrS2のものと特定できるピ
ークと、FeS2の回折ピーク●印が存在しており、両
者の結晶構造がそれぞれ単独に、またまざり合って存在
している。以上のような、本実施例により合成された正
極活物質を用いて図3に示すような断面の素電池を構成
し、さらに図4のような積層型熱電池を試作した。図3
の素電池4は、本実施例による正極活物質と、LiCl
−KCl溶融塩電解質と電解質を保持するためのSiO
2バインダーとの混合物を主体とする正極層1と、負極
活物質のチリウムを鉄粉によって固定化した負極層2、
およびLiCl−KCl溶融塩をMgOバインダーに保
持させた粉体の成型層を主体とする電解質層3の一体成
型体として構成されている。このように構成された素電
池4を用いて、積層型熱電池を試作した。
量%の正極活物質のX線回折パターンを示しており、図
2Bは従来の正極活物質のX線回折パターンを示してい
る。図2A中△印で示すCrS2のものと特定できるピ
ークと、FeS2の回折ピーク●印が存在しており、両
者の結晶構造がそれぞれ単独に、またまざり合って存在
している。以上のような、本実施例により合成された正
極活物質を用いて図3に示すような断面の素電池を構成
し、さらに図4のような積層型熱電池を試作した。図3
の素電池4は、本実施例による正極活物質と、LiCl
−KCl溶融塩電解質と電解質を保持するためのSiO
2バインダーとの混合物を主体とする正極層1と、負極
活物質のチリウムを鉄粉によって固定化した負極層2、
およびLiCl−KCl溶融塩をMgOバインダーに保
持させた粉体の成型層を主体とする電解質層3の一体成
型体として構成されている。このように構成された素電
池4を用いて、積層型熱電池を試作した。
【0017】図4において、4は図3の素電池で、必要
数を直列積層構成することで容易に所望の電圧が得られ
、塩素酸カリウムと鉄粉との均一混合物を主体とする発
熱剤5と交互に積層する。8は点火器でそのリード線は
一対の点火器用端子9に接続され、この端子よりパルス
電流を通電すると火炎を発してヒートパッド10を燃焼
し、その火炎は、導火帯11を燃焼して伝播される。 12,13は正,負極出力端子で、積層スタックの最上
部と最下部から取り出した内部リード線14,15と接
続する。16は断熱材、17は電池蓋、18は電池ケー
スでいずれもステンレス鋼から構成され、それらの嵌合
部を溶接密封する。
数を直列積層構成することで容易に所望の電圧が得られ
、塩素酸カリウムと鉄粉との均一混合物を主体とする発
熱剤5と交互に積層する。8は点火器でそのリード線は
一対の点火器用端子9に接続され、この端子よりパルス
電流を通電すると火炎を発してヒートパッド10を燃焼
し、その火炎は、導火帯11を燃焼して伝播される。 12,13は正,負極出力端子で、積層スタックの最上
部と最下部から取り出した内部リード線14,15と接
続する。16は断熱材、17は電池蓋、18は電池ケー
スでいずれもステンレス鋼から構成され、それらの嵌合
部を溶接密封する。
【0018】以上のように構成した積層型熱電池により
正極活物質の評価を行なった。図5は、本実施例の正極
活物質中のクロム含有量を変化させて、それぞれ積層型
熱電池を試作し、電流密度500mA/cm2の定電流
放電を行なったときの正極活物質の利用率を求めた結果
である。正極活物質のクロム含有率は利用率に影響を与
えており、特にクロム含有率が5〜20重量%の範囲で
は、利用率が45%以上となり、電池の小形,軽量化の
点から工業的価値が大きい領域といえる。次に本実施例
の効果を比較例と比べた結果を述べる。
正極活物質の評価を行なった。図5は、本実施例の正極
活物質中のクロム含有量を変化させて、それぞれ積層型
熱電池を試作し、電流密度500mA/cm2の定電流
放電を行なったときの正極活物質の利用率を求めた結果
である。正極活物質のクロム含有率は利用率に影響を与
えており、特にクロム含有率が5〜20重量%の範囲で
は、利用率が45%以上となり、電池の小形,軽量化の
点から工業的価値が大きい領域といえる。次に本実施例
の効果を比較例と比べた結果を述べる。
【0019】図6は素電池を直径43mm、電池の外径
55mm、電池の厚さ38mmの形状における電流密度
500mA/cm2の定電流放電試験結果を示した図で
ある。また、ここでセル抵抗を調べるため、放電開始か
ら20秒間隔でオープン電圧も同時に計測し、オープン
電圧と負荷時の電圧差からセル1枚当たりの抵抗を読み
取る。その読み取った結果を、図7に示した。なお素電
池の直列数は15である。図6のAは、本実施例の電池
の放電カーブを示し、Bは従来例の電池の放電カーブを
示す。放電カーブBは、作動直後から1セル当たりの作
動電圧が低く2.0Vに満たないもので、終止電圧24
Vまでの持続時間も短いという結果であった。放電カー
ブAは、平均作動電圧が1セル当たりで2.1Vあり、
放電カーブBと電圧レベルを比較すると約1セル分高い
ことになる。 また、このことより終止電圧24Vまでの持続時間も本
実施例では従来例と比べて1.3倍と放電特性が改良さ
れる。図7のAは本実施例の電池のセル抵抗、Bは従来
例の電池のセル抵抗を示す。図7に示す結果より、放電
中のセル抵抗は、本実施例の方が従来例よりも約13%
小さい。このセル抵抗の違いは、正極活物質の違いによ
るもので本実施例の正極活物質に含まれる二硫化クロム
の電子伝導度が向上したためと考えられる。以上の結果
より、放電特性が改良される。
55mm、電池の厚さ38mmの形状における電流密度
500mA/cm2の定電流放電試験結果を示した図で
ある。また、ここでセル抵抗を調べるため、放電開始か
ら20秒間隔でオープン電圧も同時に計測し、オープン
電圧と負荷時の電圧差からセル1枚当たりの抵抗を読み
取る。その読み取った結果を、図7に示した。なお素電
池の直列数は15である。図6のAは、本実施例の電池
の放電カーブを示し、Bは従来例の電池の放電カーブを
示す。放電カーブBは、作動直後から1セル当たりの作
動電圧が低く2.0Vに満たないもので、終止電圧24
Vまでの持続時間も短いという結果であった。放電カー
ブAは、平均作動電圧が1セル当たりで2.1Vあり、
放電カーブBと電圧レベルを比較すると約1セル分高い
ことになる。 また、このことより終止電圧24Vまでの持続時間も本
実施例では従来例と比べて1.3倍と放電特性が改良さ
れる。図7のAは本実施例の電池のセル抵抗、Bは従来
例の電池のセル抵抗を示す。図7に示す結果より、放電
中のセル抵抗は、本実施例の方が従来例よりも約13%
小さい。このセル抵抗の違いは、正極活物質の違いによ
るもので本実施例の正極活物質に含まれる二硫化クロム
の電子伝導度が向上したためと考えられる。以上の結果
より、放電特性が改良される。
【0020】
【発明の効果】以上の実施例の説明から明らかなように
、本発明の熱電池用正極活物質の製造法およびそれを用
いた熱電池によれば正極活物質として放電時の正極層内
の内部抵抗の上昇の少ない二硫化鉄と二硫化クロムの複
合化合物を容易につくれ、これを用いた熱電池は平均作
動電圧レベルが向上し、正極活物質の利用率を改善でき
る。従って小形で軽量な高性能熱電池を提供することが
できるという効果が得られる。
、本発明の熱電池用正極活物質の製造法およびそれを用
いた熱電池によれば正極活物質として放電時の正極層内
の内部抵抗の上昇の少ない二硫化鉄と二硫化クロムの複
合化合物を容易につくれ、これを用いた熱電池は平均作
動電圧レベルが向上し、正極活物質の利用率を改善でき
る。従って小形で軽量な高性能熱電池を提供することが
できるという効果が得られる。
【図1】本発明の一実施例の熱電池用正極活物質の製造
法およびそれを用いた熱電池における熱電池用正極活物
質の製造工程図
法およびそれを用いた熱電池における熱電池用正極活物
質の製造工程図
【図2】同正極活物質のX線回折パターン図
【図3】同
素電池の構成を示す断面図
素電池の構成を示す断面図
【図4】図3の素電池を用いて構成された積層型熱電池
の縦断面図
の縦断面図
【図5】同熱電池用正極活物質のクロム含有量と正極利
用率の関係を示すグラフ
用率の関係を示すグラフ
【図6】本実施例と従来例の電池の放電電圧,オープン
電圧と持続時間の関係を示すグラフ
電圧と持続時間の関係を示すグラフ
【図7】図6の放電中のセル抵抗を示すグラフ
1 正極層
2 負極層
3 電解質層
4 素電池
Claims (3)
- 【請求項1】鉄粉、もしくは少なくとも表面が鉄酸化物
または水酸化鉄である鉄粉と、金属クロム粉末と硫黄と
を出発物質としてこれらを混合する工程と、その混合物
を350℃〜500℃の温度下で加熱合成する工程と、
その後合成物を粉砕する工程とを主体とし、前記合成物
中のクロム含有比が5〜20重量%である熱電池用正極
活物質の製造法。 - 【請求項2】加熱合成工程と合成物の粉砕工程とを複数
回繰り返し行なう請求項1記載の熱電池用正極活物質の
製造法。 - 【請求項3】鉄粉、もしくは少なくとも表面が鉄酸化物
または水酸化鉄である鉄粉と、金属クロム粉末と硫黄を
出発物質としてこれらを混合する工程と、その混合物を
350℃〜500℃の温度下で加熱合成する工程と、そ
の後合成物を粉砕する工程とを主体とし、前記合成物中
のクロム含有比が5〜20重量%である正極活物質を用
いた熱電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3041555A JPH04280072A (ja) | 1991-03-07 | 1991-03-07 | 熱電池用正極活物質の製造法およびそれを用いた熱電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3041555A JPH04280072A (ja) | 1991-03-07 | 1991-03-07 | 熱電池用正極活物質の製造法およびそれを用いた熱電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04280072A true JPH04280072A (ja) | 1992-10-06 |
Family
ID=12611680
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3041555A Pending JPH04280072A (ja) | 1991-03-07 | 1991-03-07 | 熱電池用正極活物質の製造法およびそれを用いた熱電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04280072A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012523100A (ja) * | 2009-04-06 | 2012-09-27 | イーグルピッチャー テクノロジーズ,エルエルシー | 熱電池のカソード材料およびそれを含有する電池 |
-
1991
- 1991-03-07 JP JP3041555A patent/JPH04280072A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012523100A (ja) * | 2009-04-06 | 2012-09-27 | イーグルピッチャー テクノロジーズ,エルエルシー | 熱電池のカソード材料およびそれを含有する電池 |
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