JP2005235426A - Battery - Google Patents

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JP2005235426A JP2004039883A JP2004039883A JP2005235426A JP 2005235426 A JP2005235426 A JP 2005235426A JP 2004039883 A JP2004039883 A JP 2004039883A JP 2004039883 A JP2004039883 A JP 2004039883A JP 2005235426 A JP2005235426 A JP 2005235426A
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香津雄 堤
Kazuya Nishimura
和也 西村
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a battery of low cost, not harmful to environment, and not limited for use for light-weight and compact electric products such as a lithium ion battery. <P>SOLUTION: Iron carbide and sulfur or sulfur compound are contained as an anode active material. The sulfur or the sulfur compound is preferred to be 0.1 to 20 weight parts to 100 weight parts of the iron carbide. Further, it is more preferable if a conductive agent such as a carbonaceous material of 0.1 to 20 weight parts is contained to 100 weight parts of iron carbide. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は電池に関し、特に、低コストで、環境に無害で、長寿命の電池に関する。   The present invention relates to a battery, and more particularly, to a low-cost battery that is harmless to the environment and has a long life.

電池は、電気化学的な酸化還元反応を利用して、電池活物質のもつ化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換するデバイスであって、電気化学反応により外部回路に電子を放出してそれ自身は酸化される負極と、電気化学反応により外部回路から電子を受け入れてそれ自身は還元される正極と、負極と正極との間のイオン移動媒体となる電解質との3つの主要な構成要素から成る。一般的に、負極および正極の材料は、軽量、高起電力および大容量が得られるような組み合わせが好ましい。   A battery is a device that directly converts the chemical energy of a battery active material into electrical energy using an electrochemical oxidation-reduction reaction. The battery emits electrons to an external circuit by the electrochemical reaction and oxidizes itself. The negative electrode is composed of three main components: a positive electrode that receives electrons from an external circuit by an electrochemical reaction and is reduced by itself, and an electrolyte that serves as an ion transfer medium between the negative electrode and the positive electrode. In general, the materials for the negative electrode and the positive electrode are preferably a combination that provides light weight, high electromotive force, and large capacity.

実用されている負極材料は、還元剤効率、放電電気量(Ah/g)、導電率、コストなどを総合的に考慮して選択される。水素は、負極材料として非常に魅力的であるが、ガス状態のために貯留しておく容器が必要で、その容器の中で効率よく電気化学反応を起こさなくてはならない。従って、実際には、カドミウム等の金属や水素吸蔵合金が負極材料に用いられている。   The practically used negative electrode material is selected in consideration of the reducing agent efficiency, discharge quantity (Ah / g), conductivity, cost, and the like. Although hydrogen is very attractive as a negative electrode material, a container for storing it in a gas state is required, and an electrochemical reaction must be efficiently generated in the container. Therefore, in practice, metals such as cadmium and hydrogen storage alloys are used for the negative electrode material.

また、正極材料は、高い酸化剤能力と同時に電解質と接触したときの安定性、有効な作動電圧などを考慮して選択される。酸素は大気中から直接セルへ取り込むことができ、非常に魅力的な正極材料であるが、水素の場合と同じ理由で、二酸化マンガンや酸化銀などの金属酸化物が正極材料として用いられている。   In addition, the positive electrode material is selected in consideration of high oxidant ability, stability when in contact with the electrolyte, effective operating voltage, and the like. Oxygen can be taken directly into the cell from the atmosphere and is a very attractive cathode material, but metal oxides such as manganese dioxide and silver oxide are used as the cathode material for the same reason as hydrogen. .

しかし、マンガンやカドミウムは人体に有害であり、酸化銀や水素吸蔵合金はコストが高いという問題がある。   However, manganese and cadmium are harmful to the human body, and silver oxide and hydrogen storage alloy are expensive.

ところで、特定の用途に最適の電池を選択するには、要求性能に適した特性を備えた電池を採用する必要がある。昨今、先端電子技術、携帯電子機器、電気自動車などの分野において電池の需要が急速に高まっており、各種の電池が提案されている。   By the way, in order to select an optimum battery for a specific application, it is necessary to employ a battery having characteristics suitable for required performance. Recently, the demand for batteries is rapidly increasing in the fields of advanced electronic technology, portable electronic devices, electric vehicles, and the like, and various types of batteries have been proposed.

例えば、特許文献1には、負極の酸化抑制効果と充放電サイクル特性に優れたアルカリ蓄電池として、その表面にイットリウムまたはイッテルビウム粉末と炭素粉末とを有する水素吸蔵合金からなる負極と、水酸化ニッケルを含有する正極を備えたニッケル−水素蓄電池が記載されている。   For example, in Patent Document 1, as an alkaline storage battery excellent in the negative electrode oxidation suppression effect and charge / discharge cycle characteristics, a negative electrode made of a hydrogen storage alloy having yttrium or ytterbium powder and carbon powder on its surface, nickel hydroxide A nickel-hydrogen storage battery with a positive electrode is described.

また、特許文献2には、高温時の充電効率が優れ、且つ自己放電量が少ないニッケル水素電池として、ミッシュメタルを含有する水素吸蔵合金からなる負極と、水酸化ニッケルにコバルト化合物を物理混合して作製されたニッケル電極を正極とするものが記載されている。   Patent Document 2 discloses that a nickel-metal hydride battery having excellent charging efficiency at high temperatures and a low self-discharge amount is obtained by physically mixing a negative electrode made of a hydrogen storage alloy containing misch metal and nickel hydroxide with a cobalt compound. In this case, a nickel electrode manufactured as described above is used as a positive electrode.

また、特許文献3には、初期活性化処理工程の短縮を実現可能なニッケル水素電池用の水素吸蔵合金負極の製造方法として、水素吸蔵合金粉末とニッケル粉末と増粘剤と結着材を含む水素吸蔵合金負極において、増粘剤及び結着材との混練前に150〜300℃で水素吸蔵合金粉末とニッケル粉末を水素ガス雰囲気に曝す方法が記載されている。   Patent Document 3 includes a hydrogen storage alloy powder, nickel powder, a thickener, and a binder as a method for manufacturing a hydrogen storage alloy negative electrode for a nickel metal hydride battery capable of shortening the initial activation process. In the hydrogen storage alloy negative electrode, a method is described in which the hydrogen storage alloy powder and nickel powder are exposed to a hydrogen gas atmosphere at 150 to 300 ° C. before kneading with the thickener and the binder.

また、特許文献4には、活性度および耐食性に優れるとともに、リサイクル性を備えたニッケル水素二次電池用水素吸蔵合金の製造方法として、希土類元素を含む水素吸蔵合金組成の鋳片を950〜1100℃で30分間〜10時間熱処理する方法が記載されている。   Patent Document 4 discloses a slab having a hydrogen storage alloy composition containing rare earth elements as a 950 to 1100 as a method for producing a hydrogen storage alloy for nickel-metal hydride secondary batteries having excellent activity and corrosion resistance and having recyclability. A method of heat treatment at 30 ° C. for 30 minutes to 10 hours is described.

さらに、特許文献5には、十分な電池容量と十分な充放電サイクル特性を有する電極用水素吸蔵合金として、チタンを含むバナジウム系水素吸蔵合金粉末の表面が希土類系水素吸蔵合金で被覆されたものが記載されている。   Furthermore, Patent Document 5 discloses that a surface of a vanadium-based hydrogen storage alloy powder containing titanium is coated with a rare earth-based hydrogen storage alloy as a hydrogen storage alloy for electrodes having sufficient battery capacity and sufficient charge / discharge cycle characteristics. Is described.

そして、特許文献6には、リサイクルが容易で、高強度で寸法安定性に優れたニッケルカドミウム電池用負極集電体として、ビッカース硬さHvが350〜450で、且つ炭素含有量0.01〜0.1%のニッケルが多数の孔を有する薄板状に形成されたものが記載されている。   Patent Document 6 discloses a negative electrode current collector for nickel cadmium batteries that is easy to recycle, has high strength and excellent dimensional stability, has a Vickers hardness Hv of 350 to 450, and a carbon content of 0.01 to It is described that 0.1% nickel is formed into a thin plate shape having a large number of holes.

また、特許文献7には、急速充放電特性を発揮できるリチウムイオン電池用正極材料として、リチウムイオンとの親和性が強い酸素原子に代えて正極材料の表面に硫黄原子を含むものが記載されている。   Patent Document 7 describes a lithium ion battery positive electrode material capable of exhibiting rapid charge / discharge characteristics that contains a sulfur atom on the surface of the positive electrode material instead of an oxygen atom having a strong affinity for lithium ions. Yes.

また、特許文献8には、リチウム塩が溶解されている非水系電解液の分解抑制と低温での電気伝導率を改善するために、非水系電解液中に硫黄化合物を含有するものが記載されている。   Patent Document 8 describes a non-aqueous electrolyte containing a sulfur compound in order to suppress decomposition of a non-aqueous electrolyte in which a lithium salt is dissolved and to improve electrical conductivity at a low temperature. ing.

さらに、特許文献9には、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な非水電解質二次電池用負極として、炭素材料とカーボンブラックを含むものが記載されている。   Further, Patent Document 9 describes a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery that can occlude / release lithium ions, which includes a carbon material and carbon black.

そして、特許文献10には、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な非水電解質二次電池の正極および負極に関して、正極活物質としてLiMn24を使用し、負極活物質として硫化鉄を使用したものが記載されている。
特開2001−266860号公報 特開平6−283170号公報 特開平11−111281号公報 特開2002−294373号公報 特開2003−13104号公報 特開2002−184410号公報 特開2002−170564号公報 特開2001−185215号公報 特開2002−324546号公報 特開2000−243445号公報
Patent Document 10 uses LiMn 2 O 4 as a positive electrode active material and iron sulfide as a negative electrode active material for a positive electrode and a negative electrode of a nonaqueous electrolyte secondary battery capable of occluding and releasing lithium ions. Is described.
JP 2001-266860 A JP-A-6-283170 Japanese Patent Laid-Open No. 11-111281 JP 2002-294373 A JP 2003-13104 A JP 2002-184410 A JP 2002-170564 A JP 2001-185215 A JP 2002-324546 A JP 2000-243445 A

しかしながら、上記各特許文献に記載された発明には、次ぎに説明するような欠点があるか、または本発明とは基本的な構成が異なっている。   However, the invention described in each of the above patent documents has the following drawbacks, or has a different basic configuration from the present invention.

特許文献1〜3に記載された希土類金属からなる水素吸蔵合金は非常に高価である。   The hydrogen storage alloys made of rare earth metals described in Patent Documents 1 to 3 are very expensive.

特許文献4に記載された方法は、高価な水素吸蔵合金の鋳片を1000℃前後の高温で熱処理する方法であって、非常にコストが高くなる。   The method described in Patent Document 4 is a method in which an expensive hydrogen storage alloy slab is heat-treated at a high temperature of about 1000 ° C., which is very expensive.

特許文献5に記載されたバナジウム系水素吸蔵合金は非常に高価である。   The vanadium-based hydrogen storage alloy described in Patent Document 5 is very expensive.

特許文献6に記載されたカドミウムは環境に有害である。   The cadmium described in Patent Document 6 is harmful to the environment.

特許文献7に記載された発明は、リチウムイオン電池の正極に限定されている。   The invention described in Patent Document 7 is limited to the positive electrode of a lithium ion battery.

特許文献8に記載された発明は、リチウムイオン電池の電解液の特性改善に限定されている。   The invention described in Patent Document 8 is limited to improving the characteristics of the electrolyte solution of a lithium ion battery.

特許文献9に記載された炭素材料とカーボンブラックは、リチウムイオン電池の負極活物質に限定されており、活物質材料として炭化鉄や硫黄化合物は記載されていない。   The carbon material and carbon black described in Patent Document 9 are limited to the negative electrode active material of the lithium ion battery, and iron carbide and sulfur compounds are not described as the active material.

特許文献10に記載された硫化鉄は、リチウムイオン電池の負極活物質に限定されており、活物質材料として炭化鉄は記載されていない。   The iron sulfide described in Patent Document 10 is limited to a negative electrode active material of a lithium ion battery, and iron carbide is not described as an active material.

本発明は、上記各電池の欠点に鑑みてなされたものであって、その目的は、低コストで、環境に有害でなく、リチウムイオン電池のように特に軽量・小型の電気製品用途に限定されることのない電池を提供することにある。   The present invention has been made in view of the shortcomings of each of the above-described batteries, and its purpose is low cost, is not harmful to the environment, and is limited to use in particularly lightweight and small electrical products such as lithium ion batteries. The object is to provide a battery that does not have a problem.

上記目的を達成するために本発明の電池は、炭化鉄と硫黄または硫黄化合物を負極活物質として含有することを特徴としている。   In order to achieve the above object, the battery of the present invention is characterized by containing iron carbide and sulfur or a sulfur compound as a negative electrode active material.

炭化鉄は、資源として非常に豊富な鉄鉱石を原料としてメタンガス等の炭素含有ガスで炭化することにより容易に製造できる物質であり、硫黄や硫黄化合物は広く一般に出回っている物質である。このように、本発明の電池は、低コストで、しかも無害な物質を負極活物質として使用しており、用途も限定されない。   Iron carbide is a substance that can be easily manufactured by carbonizing a very abundant iron ore as a raw material with a carbon-containing gas such as methane gas, and sulfur and sulfur compounds are widely available. As described above, the battery of the present invention uses a low-cost and harmless material as the negative electrode active material, and its use is not limited.

負極材料は、上記したように、コスト、導電率、放電電気量、還元剤効率などを考慮して選択されるが、鉄は最も安価な負極材料の一つである。本発明は負極活物質として、炭化鉄(Fe3C) と硫黄または硫黄化合物を含有している。炭化鉄(Fe3C) は、次式に示すように、鉄鉱石(Fe23)をメタンガス等で炭化することにより得られるもので、安価に製造することができて無害である。 As described above, the negative electrode material is selected in consideration of cost, electrical conductivity, electric discharge quantity, reducing agent efficiency, etc. Iron is one of the cheapest negative electrode materials. The present invention contains iron carbide (Fe 3 C) and sulfur or a sulfur compound as a negative electrode active material. As shown in the following formula, iron carbide (Fe 3 C) is obtained by carbonizing iron ore (Fe 2 O 3 ) with methane gas or the like, and can be manufactured at low cost and is harmless.

3Fe23+5H2+2CH4 → 2Fe3C+9H2
炭素は電気の良導体であるから、負極活物質の金属(鉄)が酸化物や水酸化物に化学変化しても、良好な導電性を確保することができ、放電特性の劣化(放電電圧の低下)を抑制することができる。なお、炭化鉄(Fe3C) を得る具体的な方法としては、本出願人により出願された特開平9−48604号公報に開示されたように、還元ガスを用いて含鉄原料の還元反応の一部を行い、次いで、還元および炭化ガスを用いて残りの還元反応と炭化反応を行う方法により製造すれば、炭化鉄を迅速且つ経済的に製造することができるので、特に好ましい。
3Fe 2 O 3 + 5H 2 + 2CH 4 → 2Fe 3 C + 9H 2 O
Since carbon is a good electrical conductor, even if the metal (iron) of the negative electrode active material is chemically changed to an oxide or hydroxide, good electrical conductivity can be secured, and the discharge characteristics are deteriorated (the discharge voltage is reduced). Reduction) can be suppressed. In addition, as a specific method for obtaining iron carbide (Fe 3 C), as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-48604 filed by the present applicant, a reduction reaction of the iron-containing raw material using a reducing gas is performed. It is particularly preferable to carry out a part, and then to produce by the method of carrying out the remaining reduction reaction and carbonization reaction using reduction and carbonization gas, since iron carbide can be produced quickly and economically.

ところで、電池は一次電池と二次電池に大別することができ、一次電池は再充電が不可能であり、一回の放電が終了すると廃棄されるが、再充電が可能な二次電池は、発電機などのエネルギー源につながれて充電され、必要に応じて放電される電力貯蔵用としての用途と、一次電池と同様に放電させ、放電後は再充電される反復使用に関する用途を有している。本発明の電池を二次電池として使用する場合、放電のみが行われる一次電池と異なり、負極活物質についても、二次電池に適した特性を備えることが必要である。   By the way, the battery can be roughly divided into a primary battery and a secondary battery. The primary battery is not rechargeable and is discarded after one discharge, but the rechargeable secondary battery is It has a use for power storage that is charged by being connected to an energy source such as a generator and discharged when necessary, and a use for repeated use that is discharged in the same manner as a primary battery and recharged after discharge. ing. When the battery of the present invention is used as a secondary battery, it is necessary for the negative electrode active material to have characteristics suitable for the secondary battery, unlike a primary battery in which only discharge is performed.

すなわち、二次電池の重要な特徴は、充電と放電ができる、つまり電気エネルギーと化学エネルギーの変換がほぼ可逆的に行われることにある。この可逆性の度合いはエネルギー効率で示され、サイクル寿命を低下させるような物質の変化はできるだけ小さい方が良い。また、電池材料の劣化を引き起こし、サイクル寿命を低下させるような化学反応は生じないことが好ましい。さらに、安価で低公害性であることなどの特性を有することが好ましい。   That is, an important feature of the secondary battery is that it can be charged and discharged, that is, the conversion of electric energy and chemical energy is performed almost reversibly. The degree of this reversibility is indicated by energy efficiency, and it is better that the change of the substance that reduces the cycle life is as small as possible. Moreover, it is preferable that a chemical reaction that causes deterioration of the battery material and the cycle life is not generated. Furthermore, it is preferable to have characteristics such as low cost and low pollution.

これらの点を考慮すると、二次電池の負極活物質として、炭化鉄に加えて硫黄または硫黄化合物を含有することが好ましい。というのは、硫黄または硫黄化合物は、比較的安定な物質であり、且つ安価な物質だからである。   Considering these points, it is preferable to contain sulfur or a sulfur compound in addition to iron carbide as the negative electrode active material of the secondary battery. This is because sulfur or a sulfur compound is a relatively stable substance and an inexpensive substance.

硫黄化合物としては、無機物、有機物いずれでも用いることができるが、例えば、硫化カリウム、硫化鉄、硫化炭素、硫化水素、硫化硼素、スルファミン酸などを用いることができる。その効果および低コストであるなどの理由により、特に、硫化物イオンを生成する硫黄化合物、例えば、硫化カリウムや硫化鉄を好ましく用いることができる。   As the sulfur compound, any of an inorganic substance and an organic substance can be used. For example, potassium sulfide, iron sulfide, carbon sulfide, hydrogen sulfide, boron sulfide, sulfamic acid, and the like can be used. Due to its effect and low cost, sulfur compounds that generate sulfide ions, such as potassium sulfide and iron sulfide, can be preferably used.

炭化鉄に対する硫黄または硫黄化合物の配合量は、炭化鉄100重量部に対して、硫黄または硫黄化合物を0.1〜20重量部含有するのが好ましい。硫黄または硫黄化合物が0.1重量部未満では、上記のような作用が期待できないからである。一方、硫黄または硫黄化合物を20重量部超含有すると、活物質割合が不足するという不都合が生じるので好ましくない。   The compounding amount of sulfur or sulfur compound with respect to iron carbide preferably contains 0.1 to 20 parts by weight of sulfur or sulfur compound with respect to 100 parts by weight of iron carbide. This is because the above action cannot be expected if the sulfur or sulfur compound is less than 0.1 parts by weight. On the other hand, if it contains more than 20 parts by weight of sulfur or a sulfur compound, it is not preferable because the disadvantage of insufficient active material ratio occurs.

また、導電助剤を添加すると、導電性能が一段と向上するので好ましい。導電助剤としては、各種金属、例えば、ニッケル、コバルト、鉄、アルミニウム、銅、亜鉛、チタン、錫等の粉末や粒状物を用いることができる。所定の導電性能が得られるならば、単体金属のみならず、金属化合物の状態で導電助剤として用いることも可能である。   Moreover, it is preferable to add a conductive assistant since the conductive performance is further improved. As a conductive support agent, various metals, for example, powder and granular materials, such as nickel, cobalt, iron, aluminum, copper, zinc, titanium, tin, can be used. If a predetermined conductive performance can be obtained, it can be used as a conductive auxiliary agent in the state of not only a single metal but also a metal compound.

さらに、添加後に脱酸、脱窒、脱硼素、脱炭、脱弗素、脱塩素等の適当な処理を施すことで導電性能を発現するものも導電助剤として用いることが可能である。すなわち、ニッケル、コバルト、鉄、アルミニウム、銅、亜鉛、チタン、錫等の金属の酸化物、窒化物、硼化物、炭化物、弗化物、塩化物なども導電助剤として使用できる。   Further, those that exhibit conductive performance by performing an appropriate treatment such as deoxidation, denitrification, deboronation, decarburization, defluorination, and dechlorination after addition can also be used as a conductive aid. That is, oxides, nitrides, borides, carbides, fluorides, chlorides, and the like of metals such as nickel, cobalt, iron, aluminum, copper, zinc, titanium, and tin can be used as the conductive aid.

その他の導電助剤としては炭素系物質を挙げることができ、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、PAN系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、活性炭等の無定形炭素を用いることができる。   Other conductive aids include carbon-based materials such as natural carbon, artificial graphite, carbon black, acetylene black, ketjen black, PAN-based carbon fiber, pitch-based carbon fiber, activated carbon, and other amorphous carbon. Can be used.

その他、気体、液体の炭素化合物についても、添加後に導電助剤として固定できるものは用いることが可能である。すなわち、メタン、エタン等の水素化物、一酸化炭素、二酸化炭素、カルボニル化合物等の酸化物は、適当な温度と圧力と雰囲気の下で、反応や吸着等により炭化鉄及び硫黄または硫黄化合物と導電性能を有する混合物を形成することができる。上記導電助剤中では、コストや操作性を考慮すると、炭素系物質が特に好ましい。   In addition, a gas or liquid carbon compound that can be fixed as a conductive auxiliary agent after addition can be used. That is, hydrides such as methane and ethane, and oxides such as carbon monoxide, carbon dioxide, and carbonyl compounds are electrically conductive with iron carbide and sulfur or sulfur compounds by reaction or adsorption under appropriate temperature, pressure and atmosphere. Mixtures with performance can be formed. Among the conductive aids, a carbon-based material is particularly preferable in consideration of cost and operability.

炭化鉄に対する導電助剤の配合量は、炭化鉄100重量部に対して、導電助剤を0.1〜20重量部含有するのが好ましい。導電助剤が0.1重量部未満では、導電性能の向上が期待できないからである。一方、導電助剤を20重量部超含有すると、活物質割合が低く、重量当たりの電池容量が小さくなるという不都合が生じるので好ましくない。   The blending amount of the conductive assistant with respect to iron carbide preferably contains 0.1 to 20 parts by weight of the conductive assistant with respect to 100 parts by weight of iron carbide. This is because if the conductive assistant is less than 0.1 parts by weight, improvement in conductive performance cannot be expected. On the other hand, if it contains more than 20 parts by weight of the conductive assistant, the active material ratio is low and the battery capacity per weight is reduced, which is not preferable.

硫黄または硫黄化合物および導電助剤を炭化鉄に添加する方法は特に限定されない。炭化鉄と硫黄または硫黄化合物および導電助剤を混合するための機械としては、例えば、ローラーミル、ハンマーミル、ボールミル、ジェットミル等の一般的な混合機を用いることができる。それらの混合時の温度は常温、圧力は大気圧下、雰囲気は大気雰囲気でよく、特に、高温、高圧にしなくてもよい。なお、特に、混合後に100℃以上、0.1MPa以上の高温・高圧且つ還元雰囲気に炭化鉄と硫黄または硫黄化合物と導電助剤の化合物を曝せば、電池容量が増加するという効果が期待できるので、好ましい。   The method for adding sulfur or a sulfur compound and a conductive additive to iron carbide is not particularly limited. As a machine for mixing iron carbide, sulfur or a sulfur compound, and a conductive additive, for example, a general mixer such as a roller mill, a hammer mill, a ball mill, a jet mill or the like can be used. The mixing temperature may be ordinary temperature, the pressure may be atmospheric pressure, and the atmosphere may be an air atmosphere. In particular, the effect of increasing the battery capacity can be expected if iron carbide and sulfur or a sulfur compound and a conductive additive compound are exposed to a high temperature and high pressure of 0.1 MPa or higher and a reducing atmosphere after mixing. ,preferable.

特に、硫黄化合物が液体の場合、液体の硫黄化合物を炭化鉄や導電助剤に混練、含浸等することにより添加することができる。また、適当な化合物の存在下において液体の硫黄化合物を沈澱物として析出させた後に、沈澱物となった硫黄化合物を添加することもできる。さらに、電解液に液体の硫黄化合物を直接添加することもできる。   In particular, when the sulfur compound is a liquid, it can be added by kneading, impregnating, etc. the liquid sulfur compound with iron carbide or a conductive additive. Moreover, after depositing a liquid sulfur compound as a precipitate in the presence of an appropriate compound, the sulfur compound that has become a precipitate can be added. Furthermore, a liquid sulfur compound can be directly added to the electrolytic solution.

特に、硫黄化合物が気体の場合、気体の硫黄化合物を炭化鉄や導電助剤に接触させて吸着させたり、適当な化合物および反応条件下において固体として析出させた後に添加することもできる。さらに、電解液に気体の硫黄化合物を直接吹き込むこともできる。   In particular, when the sulfur compound is a gas, the gaseous sulfur compound can be brought into contact with iron carbide or a conductive additive to be adsorbed, or can be added after being deposited as a solid under an appropriate compound and reaction conditions. Further, a gaseous sulfur compound can be directly blown into the electrolytic solution.

また、硫黄化合物を別途添加するのではなく、炭化鉄の製造プロセスにおいて、例えば、高温下で硫化水素を添加するという方法により、炭化鉄の一部を硫化することで硫黄化合物を添加するのと同じ効果を達成することもできる。また、導電助剤を別途添加するのではなく、炭化鉄製造プロセスにおいて、原料となる炭素系物質を過剰量添加するという方法により炭化鉄の表面に炭素分を析出させることで導電助剤を添加するのと同じ効果を達成することもできる。   In addition, the sulfur compound is not added separately, but in the iron carbide manufacturing process, for example, by adding hydrogen sulfide at a high temperature, the sulfur compound is added by sulfiding a part of the iron carbide. The same effect can be achieved. Also, instead of adding a conductive aid separately, in the iron carbide manufacturing process, a conductive aid is added by precipitating carbon on the surface of the iron carbide by adding an excessive amount of carbon-based material as a raw material. The same effect can be achieved.

本発明の電池は、炭化鉄と硫黄または硫黄化合物を負極活物質として含有することを特徴としているが、その放電容量向上メカニズムについて、本発明者は、次のように考える。   The battery of the present invention is characterized by containing iron carbide and sulfur or a sulfur compound as a negative electrode active material. The inventor considers the discharge capacity improvement mechanism as follows.

すなわち、炭化鉄のみでは、充放電の繰り返しによる劣化が著しくなるが、硫黄または硫黄化合物が炭化鉄表面に吸着等によって存在することで劣化を抑制し、放電容量の向上につなげることができる。   That is, although deterioration due to repeated charge / discharge becomes remarkable with iron carbide alone, the deterioration can be suppressed and the discharge capacity can be improved because sulfur or sulfur compounds are present on the iron carbide surface by adsorption or the like.

以上のように、本発明の電池によれば、負極である鉄の空気中の酸素による酸化を抑制するためのバリヤーとして硫黄が作用することで、電池寿命の延長に対して大きく貢献できるのである。   As described above, according to the battery of the present invention, sulfur acts as a barrier for suppressing oxidation of iron, which is a negative electrode, by oxygen in the air, which can greatly contribute to the extension of battery life. .

以下に本発明の実施例を説明するが、本発明の技術的範囲を逸脱しない範囲において適宜変更と修正が可能である。
(1)炭化鉄粉体の製造
鉄鉱石をメタンガスの存在下で、550〜750℃に加熱することにより、鉄鉱石は還元されて金属鉄になり、さらに反応を継続すると炭化鉄(Fe3C) が生成され、その割合は増えていった。炭素の重量割合が増加するに従って電気伝導性は増加するが、重量割合で0.1%程度以上の炭素が存在すると十分導電性は確保できる。本実施例においては、上記温度範囲にコントロールした状態で約4時間熱処理することにより、約5%まで炭化が進行した炭化鉄を得た。なお、炭化の程度は透磁率を測定することにより確認した。
Examples of the present invention will be described below, but changes and modifications can be appropriately made without departing from the technical scope of the present invention.
(1) Manufacture of iron carbide powder When iron ore is heated to 550 to 750 ° C. in the presence of methane gas, the iron ore is reduced to metallic iron, and when the reaction continues, iron carbide (Fe 3 C ) Was generated and the proportion increased. Although the electrical conductivity increases as the weight ratio of carbon increases, sufficient conductivity can be ensured if there is about 0.1% or more of carbon by weight ratio. In this example, iron carbide having been carbonized to about 5% was obtained by heat treatment for about 4 hours in a state controlled to the above temperature range. The degree of carbonization was confirmed by measuring the magnetic permeability.

そして、上記のようにして得た炭化鉄を振動破砕器(CTM社製のT1−100形式のもの)で約1分間破砕して炭化鉄粉体を得た。
(2)炭化鉄粉体と硫黄または硫黄化合物と導電助剤の混合
上記のようにして得た炭化鉄粉体と、硫黄(和光純薬社製の型番195−04625)、硫化カリウム(和光純薬社製の型番169−04505)、硫化鉄(和光純薬社製の型番095−01115)、カーボンブラック(三菱化学社製の商品名3050B)または活性炭(武田薬品社製の商品名G2X)を下記表1に記載するように配合して、ボールミルにより混合した。
The iron carbide obtained as described above was crushed with a vibration crusher (T1-100 type manufactured by CTM) for about 1 minute to obtain iron carbide powder.
(2) Mixing of iron carbide powder and sulfur or sulfur compound and conductive additive Iron carbide powder obtained as described above, sulfur (model number 195-04625 manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), potassium sulfide (Wako Pure) Model number 169-04505 manufactured by Yakuhin Co., Ltd., iron sulfide (model number 095-01115 manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), carbon black (trade name 3050B manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation) or activated carbon (trade name G2X manufactured by Takeda Pharmaceutical Co., Ltd.) They were blended as described in Table 1 below and mixed by a ball mill.

使用したボールミルは、ステンレス鋼製の容積2リットルの円柱状容器で、ボールはアルミナ製の直径20mmのものを400gと直径5mmのものを300g使用した。回転台は、日陶科学社製の型式AN−5Sを使用し、その回転台に上記円柱状容器を乗せて100rpm で24時間回転させた。   The ball mill used was a stainless steel cylindrical container with a volume of 2 liters, and the balls used were 400 g of alumina 20 mm diameter and 300 g of 5 mm diameter. As the turntable, model AN-5S manufactured by Nippon Ceramics Co., Ltd. was used, and the cylindrical container was placed on the turntable and rotated at 100 rpm for 24 hours.

また、液状の硫黄化合物としてのスルファミン酸は電解液に直接添加した。
(3)放電容量
以上のようにして得た活物質を負極電極に成形し、正極にはオキシ水酸化ニッケルを使用して、電解液として水酸化カリウム水溶液を使用し、このニッケル/炭化鉄二次電池の電極電位を計測するための参照電極として、Ag/AgCl参照電極を使用した。
Further, sulfamic acid as a liquid sulfur compound was directly added to the electrolytic solution.
(3) Discharge capacity The active material obtained as described above is formed into a negative electrode, nickel oxyhydroxide is used for the positive electrode, an aqueous potassium hydroxide solution is used as the electrolyte, and this nickel / iron carbide secondary An Ag / AgCl reference electrode was used as a reference electrode for measuring the electrode potential of the battery.

そして、放電曲線より求めた放電容量に関する数値を表1に示す。表1の比放電容量とは、比較例の放電容量を100とした数値で示す。ここに放電容量(Ah/g)は、電池性能の比較的安定した充放電10サイクル目において、初期電位(約1.2V)から0.8Vの電位まで放電したときの値である。   Table 1 shows numerical values related to the discharge capacity obtained from the discharge curve. The specific discharge capacity in Table 1 is a numerical value with the discharge capacity of the comparative example as 100. Here, the discharge capacity (Ah / g) is a value when discharging from an initial potential (about 1.2 V) to a potential of 0.8 V in the 10th charge / discharge cycle with relatively stable battery performance.

Figure 2005235426
表1に明らかなように、炭化鉄に硫黄または硫黄化合物を添加することで電池性能が向上し、導電助剤(カーボンブラックまたは活性炭)を添加すると、さらに電池性能が向上することが分かる。
(4)長期充放電サイクル試験
次ぎに、負極活物質として炭化鉄と硫化鉄の混合物を使用した表1の実施例3の場合と、負極活物質として炭化鉄のみを使用した比較例の場合について、初期電位(約1.2V)から0.8 Vの電位まで放電したときの長期充放電サイクル試験の結果として、比較例(白い丸の記号)の放電サイクル1回目における放電容量を100とする相対的な数値により、比較例と実施例3(黒い丸の記号)の放電容量を図1に示す。
Figure 2005235426
As is apparent from Table 1, it is understood that the battery performance is improved by adding sulfur or a sulfur compound to iron carbide, and the battery performance is further improved by adding a conductive additive (carbon black or activated carbon).
(4) Long-term charge / discharge cycle test Next, in the case of Example 3 in Table 1 using a mixture of iron carbide and iron sulfide as the negative electrode active material, and in the case of a comparative example using only iron carbide as the negative electrode active material. As a result of the long-term charge / discharge cycle test when discharging from the initial potential (about 1.2 V) to the potential of 0.8 V, the discharge capacity in the first discharge cycle of the comparative example (white circle symbol) is 100. The discharge capacities of the comparative example and Example 3 (black circle symbols) are shown in FIG.

図1に明らかなように、本発明の実施例3の電池性能は長期間充放電を繰り返しても劣化しないことが分かる。   As is apparent from FIG. 1, it can be seen that the battery performance of Example 3 of the present invention does not deteriorate even after repeated charge and discharge for a long time.

参考のために、カーボンブラックまたは硫化鉄を負極とし、正極と電解液等の条件は、上記(3)に記載した内容と同じにした場合における電池の長期充放電サイクル試験の結果を図1に併記する。図1において、カーボンブラックは△の記号で示し、硫化鉄は×の記号で示す。   For reference, the results of a long-term charge / discharge cycle test of the battery when carbon black or iron sulfide is used as the negative electrode and the conditions of the positive electrode and the electrolyte solution are the same as those described in (3) above are shown in FIG. It is written together. In FIG. 1, carbon black is indicated by a symbol “Δ”, and iron sulfide is indicated by a symbol “x”.

図1に明らかなように、負極活物質としてカーボンブラックや硫化鉄を使用した電池は、比較例の電池(負極活物質として炭化鉄を使用した電池)に比べてさらに電池性能が劣ることが分かる。   As can be seen from FIG. 1, the battery using carbon black or iron sulfide as the negative electrode active material is inferior to the battery of the comparative example (battery using iron carbide as the negative electrode active material). .

本発明の負極活物質を使用した電池と比較例および参考例の電池の長期充放電サイクル試験の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the long-term charging / discharging cycle test of the battery using the negative electrode active material of this invention, and the battery of a comparative example and a reference example.

Claims (6)

炭化鉄と硫黄または硫黄化合物を負極活物質として含有することを特徴とする電池。   A battery comprising iron carbide and sulfur or a sulfur compound as a negative electrode active material. 炭化鉄100重量部に対して、硫黄または硫黄化合物を0.1〜20重量部含有することを特徴とする請求項1記載の電池。   The battery according to claim 1, wherein 0.1 to 20 parts by weight of sulfur or a sulfur compound is contained with respect to 100 parts by weight of iron carbide. 導電助剤をさらに含有することを特徴とする請求項1または2記載の電池。   The battery according to claim 1 or 2, further comprising a conductive assistant. 炭化鉄100重量部に対して、導電助剤を0.1〜20重量部含有することを特徴とする請求項3記載の電池。   4. The battery according to claim 3, wherein the conductive assistant is contained in an amount of 0.1 to 20 parts by weight with respect to 100 parts by weight of iron carbide. 硫黄化合物が、硫化物イオンを生成するものであることを特徴とする請求項1、2、3または4記載の電池。   The battery according to claim 1, 2, 3, or 4, wherein the sulfur compound generates sulfide ions. 導電助剤が、炭素系物質であることを特徴とする請求項3、4または5記載の電池。   6. The battery according to claim 3, 4 or 5, wherein the conductive assistant is a carbon-based material.
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