JP2011159596A - Secondary battery and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、正極と負極とが電解質を介して配置され、これら両電極間でアルカリ金属又はアルカリ土類金属のイオンをやり取りすることにより充放電を行う二次電池、及びその製造方法に関するものである。特に、負極面積を大きくして、高容量化を達成することができる大型化に適した二次電池に関する。 The present invention relates to a secondary battery in which a positive electrode and a negative electrode are arranged via an electrolyte, and charge and discharge are performed by exchanging ions of alkali metal or alkaline earth metal between the two electrodes, and a method for manufacturing the same. is there. In particular, the present invention relates to a secondary battery suitable for upsizing that can increase the negative electrode area and achieve high capacity.
二次電池は、電力負荷平準化や、非常用電源、瞬停対策などに用いられ、このような用途の二次電池の一つとして、ナトリウム‐硫黄(NAS)電池が知られている。例えば、特許文献1には、負極活物質である溶融金属ナトリウム、正極活物質である溶融硫黄を配し、両者の間をナトリウムイオンに対し選択的に伝導性を持つβ‐アルミナ固体電解質で隔離したNAS電池が開示されている。 The secondary battery is used for power load leveling, emergency power supply, instantaneous power failure countermeasure, and the like. As one of such secondary batteries, a sodium-sulfur (NAS) battery is known. For example, in Patent Document 1, molten metal sodium, which is a negative electrode active material, and molten sulfur, which is a positive electrode active material, are arranged, and a gap between the two is separated by a β-alumina solid electrolyte that is selectively conductive to sodium ions. A NAS battery has been disclosed.
また、別の二次電池として、リチウムイオン電池も知られている。例えば、特許文献2には、負極活物質に金属リチウムを用い、正極活物質にコバルト酸リチウム(LiCoO2)を用いたリチウムイオン電池が開示されている。 Moreover, a lithium ion battery is also known as another secondary battery. For example, Patent Document 2 discloses a lithium ion battery using metallic lithium as a negative electrode active material and lithium cobaltate (LiCoO 2 ) as a positive electrode active material.
その他近年では、マグネシウムイオン電池も注目され、研究開発が進められている。例えば、特許文献3には、負極活物質に金属マグネシウムを用い、正極活物質にマグネシウム酸化物(MgxCoO2)を用いたマグネシウムイオン電池が開示されている。 In recent years, magnesium ion batteries have been attracting attention and research and development have been promoted. For example, Patent Document 3 discloses a magnesium ion battery using metallic magnesium as a negative electrode active material and magnesium oxide (Mg x CoO 2 ) as a positive electrode active material.
これら二次電池は、電解質を介して正極と負極の間でNa、Liなどのアルカリ金属又はMgなどのアルカリ土類金属のイオンをやり取りすることにより充放電を行うものである。また、アルカリ金属或いはアルカリ土類金属を負極に用いることで、高エネルギー密度を得ることができる。 These secondary batteries charge and discharge by exchanging ions of alkali metals such as Na and Li or alkaline earth metals such as Mg between the positive electrode and the negative electrode through the electrolyte. A high energy density can be obtained by using an alkali metal or an alkaline earth metal for the negative electrode.
上記した従来の二次電池では、負極に、アルカリ金属又はアルカリ土類金属を圧延した箔(板)や、Cu、Ni、ステンレスの箔(板)などの集電体上にアルカリ金属又はアルカリ土類金属を気相法(例えば、真空蒸着法やスパッタリング法)により蒸着して活物質層を形成したものが利用されている。しかし、従来の二次電池では、負極の大面積化を図ることが困難であり、電池容量の向上に限界がある。 In the above-described conventional secondary battery, an alkali metal or alkaline earth is provided on a current collector such as a foil (plate) obtained by rolling an alkali metal or an alkaline earth metal on the negative electrode, or a foil (plate) made of Cu, Ni, or stainless steel. A material in which an active material layer is formed by vapor deposition of a similar metal by a vapor phase method (for example, a vacuum deposition method or a sputtering method) is used. However, in the conventional secondary battery, it is difficult to increase the area of the negative electrode, and there is a limit to improving the battery capacity.
Na、Li、Mgなどのアルカリ金属或いはアルカリ土類金属は、大気中の水分や酸素と反応するため、乾燥した不活性ガス中で取り扱う必要がある。そのため、これらの金属が大気と接触しないように、水分量などを制御したボックス内で圧延や蒸着などを行う必要があり、設備上の制約から、面積の大きい(例えば、500mm×500mm以上)大型の負極を作製することが困難である。それで、従来の二次電池は、電池容量が負極面積に制限され、電池容量が小さい小型のものが主流である。 Alkali metals or alkaline earth metals such as Na, Li, and Mg react with moisture and oxygen in the atmosphere, and therefore must be handled in a dry inert gas. For this reason, it is necessary to perform rolling and vapor deposition in a box with controlled moisture content so that these metals do not come into contact with the atmosphere. Due to equipment limitations, the area is large (eg, 500 mm x 500 mm or more). It is difficult to produce a negative electrode. Therefore, the conventional secondary batteries are mainly small-sized batteries whose battery capacity is limited to the negative electrode area and whose battery capacity is small.
上記の二次電池は、単独でも使用することができるが、複数接続して組電池として使用することが一般的である。ここで、電池一つあたりの電池容量が小さい場合、組電池全体として所定の容量を確保するために多数の電池を使用する必要があり、その分電池同士を接続する接続部品などの付属品の数も多くなることから、生産性やコストの面で問題がある。したがって、負極面積が大きく、電池容量の大きい大型の二次電池の方が、生産性やコストの観点から有利になることも考えられる。 Although the secondary battery can be used alone, it is common to connect a plurality of the secondary batteries as an assembled battery. Here, when the battery capacity per battery is small, it is necessary to use a large number of batteries in order to secure a predetermined capacity as a whole assembled battery. Since the number increases, there are problems in terms of productivity and cost. Therefore, a large secondary battery having a large negative electrode area and a large battery capacity may be advantageous from the viewpoint of productivity and cost.
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的の一つは、負極面積を大きくして、高容量化を達成することができる大型化に適した二次電池、及びその製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and one of its purposes is to increase the negative electrode area and achieve a higher capacity, and a secondary battery suitable for upsizing, and its manufacture. It is to provide a method.
本発明者らは、二次電池の組み立て時において、アルカリ金属又はアルカリ土類金属を含む負極活物質層が形成されていない負極集電体で構成されている負極とし、電池組み立て後の充電により、負極集電体上にアルカリ金属又はアルカリ土類金属を析出させることで、上記課題を解決する。 When assembling the secondary battery, the present inventors made a negative electrode composed of a negative electrode current collector in which a negative electrode active material layer containing an alkali metal or an alkaline earth metal was not formed, and charged by charging after the battery was assembled. The above problem is solved by precipitating alkali metal or alkaline earth metal on the negative electrode current collector.
本発明の二次電池は、正極と負極とが電解質を介して配置され、これら両電極間でアルカリ金属又はアルカリ土類金属のイオンをやり取りすることにより充放電を行う。そして、電池の組み立て時において、負極は、集電体上にアルカリ金属又はアルカリ土類金属を含む活物質層が形成されていない状態で構成されると共に、正極及び電解質の少なくとも一方は、アルカリ金属又はアルカリ土類金属のイオンが含有されている。また、充電時に、負極の集電体上にアルカリ金属又はアルカリ土類金属が析出されることを特徴とする。 In the secondary battery of the present invention, the positive electrode and the negative electrode are arranged via an electrolyte, and charge and discharge are performed by exchanging ions of alkali metal or alkaline earth metal between these electrodes. When the battery is assembled, the negative electrode is configured in a state where an active material layer containing an alkali metal or an alkaline earth metal is not formed on the current collector, and at least one of the positive electrode and the electrolyte is an alkali metal. Alternatively, alkaline earth metal ions are contained. In addition, an alkali metal or an alkaline earth metal is deposited on the negative electrode current collector during charging.
一方、本発明の二次電池の製造方法は、次の工程を備えることを特徴とする。
アルカリ金属或いはアルカリ土類金属のイオンを含有する正極又は電解質を用意する工程。
負極の集電体上にアルカリ金属又はアルカリ土類金属を含む負極の活物質層を形成しない状態で、正極と負極の集電体とを電解質を介して配置する工程。
正極と負極の集電体と電解質とを配置した後、充電して、アルカリ金属又はアルカリ土類金属を負極の集電体上に析出させる工程。
On the other hand, the method for manufacturing a secondary battery according to the present invention includes the following steps.
A step of preparing a positive electrode or an electrolyte containing alkali metal or alkaline earth metal ions.
A step of disposing a positive electrode and a negative electrode current collector through an electrolyte without forming a negative electrode active material layer containing an alkali metal or an alkaline earth metal on the negative electrode current collector.
A step of arranging a positive electrode and negative electrode current collector and an electrolyte and then charging to deposit an alkali metal or alkaline earth metal on the negative electrode current collector.
本発明の二次電池によれば、正極と負極の集電体と電解質とを配置した電池の組み立て時において、負極が、集電体上にアルカリ金属又はアルカリ土類金属を含む活物質層が形成されていない状態で構成されている。そのため、従来のように、負極に、アルカリ金属又はアルカリ土類金属を圧延した箔(板)や、箔又は板状の集電体上にアルカリ金属又はアルカリ土類金属を蒸着して活物質層を形成したものを利用する必要がない。また、電池組み立て後の充放電により、負極の集電体上にアルカリ金属又はアルカリ土類金属を可逆的に析出、溶解させることができる。したがって、従来、設備上の制約から困難であった負極の大型化(大面積化)を図ることができ、高容量化を達成し易く、大型化に適している。ここで、本発明において、アルカリ金属或いはアルカリ土類金属は、固体状態又は溶融(液体)状態で析出することを含む。 According to the secondary battery of the present invention, when assembling a battery in which a positive electrode and negative electrode current collector and an electrolyte are arranged, the negative electrode has an active material layer containing an alkali metal or alkaline earth metal on the current collector. It is configured in a state where it is not formed. Therefore, as in the past, the active material layer is obtained by depositing alkali metal or alkaline earth metal on a foil (plate) obtained by rolling an alkali metal or alkaline earth metal on the negative electrode, or on a foil or plate-like current collector. It is not necessary to use what formed. Further, by charging / discharging after battery assembly, an alkali metal or alkaline earth metal can be reversibly deposited and dissolved on the negative electrode current collector. Therefore, it is possible to increase the size (large area) of the negative electrode, which has heretofore been difficult due to restrictions on equipment, and it is easy to achieve high capacity, which is suitable for increasing the size. Here, in the present invention, the alkali metal or alkaline earth metal includes precipitation in a solid state or a molten (liquid) state.
本発明の二次電池の一形態として、アルカリ金属がNaである形態が挙げられる。 As one form of the secondary battery of this invention, the form whose alkali metal is Na is mentioned.
本発明の二次電池において、アルカリ金属又はアルカリ土類金属としては、特に限定されないが、例えば、アルカリ金属ではNaやLiなど、アルカリ土類金属ではMgやCaなどが挙げられる。Naを選択した場合はナトリウムイオン電池、Liを選択した場合はリチウムイオン電池、Mgを選択した場合はマグネシウムイオン電池、Caを選択した場合はカルシウムイオン電池となる。その中でもNaは、資源が豊富であり、安価で供給量も安定しているため、大型化にも適している。 In the secondary battery of the present invention, the alkali metal or alkaline earth metal is not particularly limited, and examples thereof include Na and Li for alkali metals, and Mg and Ca for alkaline earth metals. When Na is selected, the battery is a sodium ion battery, when Li is selected, the battery is a lithium ion battery, when Mg is selected, the battery is a magnesium ion battery, and when Ca is selected, the battery is a calcium ion battery. Among them, Na is abundant in resources, inexpensive and stable in supply, and therefore suitable for upsizing.
本発明の二次電池の一形態として、電解質が溶融塩である形態が挙げられる。 As one form of the secondary battery of this invention, the form whose electrolyte is molten salt is mentioned.
本発明の二次電池において、電解質としては、溶融塩、有機電解液、固体電解質が挙げられる。その中でも溶融塩は、不燃性であり安全性が高く、またイオン伝導性も高いため、高エネルギー密度化に適している。 In the secondary battery of the present invention, examples of the electrolyte include a molten salt, an organic electrolyte, and a solid electrolyte. Among them, the molten salt is suitable for high energy density because it is nonflammable, high in safety, and high in ion conductivity.
本発明の二次電池の一形態として、負極集電体の電解質側の表面の少なくとも一部が、Al、Cr、Fe、Ni、Cu、Mo、W、Pt及びAu、並びにそれらの合金及びステンレスの少なくとも一種で形成されている形態が挙げられる。 As one form of the secondary battery of the present invention, at least a part of the electrolyte-side surface of the negative electrode current collector is Al, Cr, Fe, Ni, Cu, Mo, W, Pt and Au, and alloys and stainless steels thereof. The form currently formed with at least 1 type of these is mentioned.
本発明の二次電池において、負極集電体としては、アルカリ金属又はアルカリ土類金属との濡れ性が良く、導電性が良い金属材料が好適に利用できる。このような金属としては、例えば、Al、Cr、Fe、Ni、Cu、Mo、W、Pt及びAu、並びにそれらの合金及びステンレスの少なくとも一種が挙げられる。例えばアルカリ金属がNaの場合、Al、Mo、W、Pt及びAu、並びにそれらの合金の少なくとも一種を選択することが好ましい。また、負極集電体は、全体を上記の金属単独で形成してもよいが、基材の表面に上記の金属を形成したものを用いてもよい。基材の表面に上記の金属を形成したものを用いる場合、負極集電体としたときに電解質側の表面の少なくとも一部が上記の金属で形成されるようにする。基材表面への金属の形成方法としては、例えば、基材の表面に金属を蒸着やめっきしたり、箔又は板状の金属を圧着や接着したりすることが挙げられる。 In the secondary battery of the present invention, as the negative electrode current collector, a metal material having good wettability with an alkali metal or alkaline earth metal and good conductivity can be suitably used. Examples of such metals include at least one of Al, Cr, Fe, Ni, Cu, Mo, W, Pt, and Au, alloys thereof, and stainless steel. For example, when the alkali metal is Na, it is preferable to select at least one of Al, Mo, W, Pt and Au, and alloys thereof. The negative electrode current collector may be entirely formed of the above metal alone, but may be formed by forming the above metal on the surface of the substrate. When using the above-mentioned metal formed on the surface of the substrate, at least a part of the surface on the electrolyte side is made of the above metal when the negative electrode current collector is used. Examples of the method for forming a metal on the substrate surface include vapor deposition or plating of a metal on the surface of the substrate, or pressure bonding or adhesion of a foil or plate metal.
本発明の二次電池、及びその製造方法は、負極面積を大きくして、高容量化を達成することができる大型化に適している。 The secondary battery of the present invention and the method for manufacturing the secondary battery are suitable for increasing the size by increasing the area of the negative electrode and achieving high capacity.
以下、本発明の実施の形態を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below.
[二次電池]
図1に示す二次電池10は、正極11と負極12とが電解質15を介して配置され、これら両電極間でアルカリ金属又はアルカリ土類金属のイオンをやり取りすることにより充放電を行う。より特定的には、電池の作動温度が250℃以下、好ましくは200℃以下、さらに好ましくは150℃以下、特に好ましくは100℃以下、最も好ましくは80℃以下である。NAS電池の場合、作動温度が300〜350℃と高温のため、運転に要する加熱エネルギーの消費が大きい。これに対し、作動温度が250℃以下と低ければ、電池の運転に要する加熱エネルギーを省力化できる。具体例としては、電解質に溶融塩を用いた溶融塩電池や、リチウムイオン電池などが挙げられる。溶融塩電池は、通常、電解質が不燃性で安全性が高く、また電解質のイオン伝導性も高いため、高エネルギー密度化に適している。リチウムイオン電池は、加熱しても構わないが、加熱することなく動作できる。以下、各電池の構成についてより詳しく説明する。
[Secondary battery]
In a
{溶融塩電池}
ここで説明する溶融塩電池は、基本的な構成が図1と同様であり、正極11、負極12、溶融塩からなる電解質15を備える。電解質15には、溶融塩を含浸させたセパレータを用いてもよい。また、これら発電要素は、図示しないケースに収納される。
{Molten salt battery}
The molten salt battery described here has the same basic configuration as that shown in FIG. 1, and includes a
(正極)
正極11には、金属又は金属化合物、結着剤、及び導電助剤を含むものが好適に利用できる。この金属又は金属化合物としては、アルカリ金属又はアルカリ土類金属の一種をインターカレーションするものが好適である。特に、アルカリ金属がNaの場合、次式で表わされる金属又は金属化合物は、充放電サイクル特性に優れ、高エネルギー密度の電池を得られる点で好ましい。
NaxM1yM2zM3w … 式1
(Positive electrode)
As the
NaxM1yM2zM3w Equation 1
式1において、M1はFe、Ti、Cr、Mn又はVを示し、M2はPO4又はSを示し、M3はF又はOを示す。また、xは0≦x≦2の関係を満たす実数であり、yは0≦y≦1の関係を満たす実数であり、zは0≦z≦2の関係を満たす実数であり、wは0≦w≦3の関係を満たす実数である。そして、x+y>0の関係を満たすと共に、z+w>0の関係を満たす。正極11の具体例としては、NaCrO2、TiS2、NaMnF3、Na2FePO4F、NaVPO4F、Na0.44MnO2などが挙げられる。
In Formula 1, M1 represents Fe, Ti, Cr, Mn or V, M2 represents PO 4 or S, and M3 represents F or O. X is a real number that satisfies the relationship 0 ≦ x ≦ 2, y is a real number that satisfies the relationship 0 ≦ y ≦ 1, z is a real number that satisfies the relationship 0 ≦ z ≦ 2, and w is 0 It is a real number that satisfies the relationship of ≦ w ≦ 3. The relationship x + y> 0 is satisfied, and the relationship z + w> 0 is satisfied. Specific examples of the
結着剤としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)が好適に利用できる。正極11における結着剤の含有率は、40質量%以下であることが好ましい。特に、1質量%以上10質量%以下がより好ましい。結着剤の含有率が当該規定範囲であれば、金属又は金属化合物と導電助剤とをより強固に固着でき、かつ正極11の導電性を適切なものとし易い。この結着剤は、必ずしも正極11に含まれている必要はない。
As the binder, polytetrafluoroethylene (PTFE) can be suitably used. The content of the binder in the
導電助剤としては、ケッチェンブラックやアセチレンブラックといったカーボンブラックなどを用いることができる。正極11における導電助剤の含有率は、40質量%以下であることが好ましい。特に、5質量%以上20質量%以下がより好ましい。導電助剤の含有率が当該規定範囲であれば、充放電のサイクル特性に優れ、高エネルギー密度の電池を得易い。導電助剤は、正極の導電性に応じて適宜添加すればよく、必須ではない。
As the conductive assistant, carbon black such as ketjen black or acetylene black can be used. The content of the conductive additive in the
また、正極11は、正極集電体を備える構成としてもよい。正極の作製方法としては、例えば、上記の正極材料を混合した溶剤を集電体の表面に塗布したり、上記の正極材料を混合し加圧成形した後、焼成したりすることが挙げられる、正極集電体としては、例えば、Al、Ni、又はステンレスなどを用いることができる。
Further, the
(負極)
負極12は、電池組み立て時において、集電体上にアルカリ金属又はアルカリ土類金属を含む活物質層が形成されていない状態で構成されている。この例では、負極12が負極集電体13のみで構成されている(図1(A)参照)。負極集電体13としては、アルカリ金属又はアルカリ土類金属との濡れ性が良く、導電性が良い金属材料が好適に利用でき、例えば、Al、Cr、Fe、Ni、Cu、Mo、W、Pt及びAu、並びにそれらの合金及びステンレスの少なくとも一種を用いることができる。特に、アルカリ金属がNaの場合、Al、Mo、W、Pt及びAu、並びにそれらの合金の少なくとも一種を選択することが好ましい。
(Negative electrode)
The
また、負極12は、電池組み立て後の充電により、正極11及び電解質15の少なくとも一方に予め含有されているアルカリ金属又はアルカリ土類金属のイオン(例、Naイオン)が負極集電体13上に析出することで、負極活物質層14が形成される(図1(B)参照)。
In addition, the
負極12の配置は、電解質(溶融塩)15の比重との関係を考慮して上下位置を決定することが好適である。例えば、電池の運転時における負極12の比重が電解質15の比重よりも小さければ、負極12が上、電解質15が下となるように配置し、負極12の比重が電解質15の比重よりも大きければ、負極12が下、電解質15が上となるように配置することが好ましい。電池の運転時において、負極12(負極集電体13、及び析出した負極活物質層14を含む)は固体状態又は溶融状態となり、電解質15は液体(溶融状態)の溶融塩となるため、後述するセパレータがなければ、比重の小さい負極12が電解質15の下になると、負極12が電解質15の上に浮いてしまい、一方、比重の大きい負極12が電解質15の上になると、負極12が電解質15の下に沈んでしまい、正極11と短絡する虞があるからである。
It is preferable to determine the vertical position of the
(電解質)
電解質15には、250℃以下、好ましくは200℃以下、さらに好ましくは150℃以下、特に好ましくは100℃以下、最も好ましくは80℃以下で溶融塩となるものが好適に利用できる。更には、各電極11,12、特に析出するアルカリ金属又はアルカリ土類金属(負極活物質層14)の融点以下で溶融塩となるものが好適である。このような融点の低い溶融塩を電解質15に用いることで、電池の作動温度を低くすることができ、その結果、NAS電池に比較して運転に要する加熱エネルギーを大幅に低減でき、また、電極を固体状態に維持した状態で運転できる。具体的には、下記の式2で表わされるアニオンと、金属カチオンとを含む溶融塩が好適に利用できる。この金属カチオンには、アルカリ金属のカチオンの一種以上、及びアルカリ土類金属のカチオンの一種以上の少なくとも一方が含まれる。
(Electrolytes)
As the
式2において、R1及びR2はそれぞれ独立にフッ素原子又はフルオロアルキル基を示している。R1及びR2は同一のものでも異なるものでもよい。 In Formula 2, R1 and R2 each independently represent a fluorine atom or a fluoroalkyl group. R1 and R2 may be the same or different.
アニオンの具体例としては、R1及びR2をFとするビスフルオロスルフォニルイミドイオン(FSI-)や、R1及びR2をCF3とするビストリフルオロメチルスルフォニルイミドイオン(TFSI-)の少なくとも一方を用いることが好ましい。 As a specific example of the anion, at least one of a bisfluorosulfonylimide ion (FSI − ) in which R1 and R2 are F and a bistrifluoromethylsulfonylimide ion (TFSI − ) in which R1 and R2 are CF 3 is used preferable.
溶融塩MFSI(Mはアルカリ金属又はアルカリ土類金属の一種)の単塩としては、LiFSI、NaFSI、KFSI、RbFSI、CsFSI、Be(FSI)2、Mg(FSI)2、Ca(FSI)2、Sr(FSI)2又はBa(FSI)2が挙げられる。また、溶融塩MTFSIの単塩としては、LiTFSI、NaTFSI、KTFSI、RbTFSI、CsTFSI、Be(TFSI)2、Mg(TFSI)2、Ca(TFSI)2、Sr(TFSI)2又はBa(TFSI)2が挙げられる。これらの単塩は、単独で用いても、或いは2種以上組み合わせた混合物として用いてもよい。 As a single salt of molten salt MFSI (M is one of alkali metals or alkaline earth metals), LiFSI, NaFSI, KFSI, RbFSI, CsFSI, Be (FSI) 2 , Mg (FSI) 2 , Ca (FSI) 2 , Sr (FSI) 2 or Ba (FSI) 2 may be mentioned. Further, as a single salt of molten salt MTFSI, LiTFSI, NaTFSI, KTFSI, RbTFSI, CsTFSI, Be (TFSI) 2 , Mg (TFSI) 2 , Ca (TFSI) 2 , Sr (TFSI) 2 or Ba (TFSI) 2 Is mentioned. These single salts may be used alone or as a mixture of two or more.
特に、NaFSIとKFSIとの混合物からなる二元系の溶融塩(NaFSI‐KFSI)は融点を57℃とすることが可能であり、アルカリ金属がNaである場合、Naの融点(約98℃)以下の温度で電解質(溶融塩)15を溶融状態として運転できる。 In particular, a binary molten salt (NaFSI-KFSI) composed of a mixture of NaFSI and KFSI can have a melting point of 57 ° C. When the alkali metal is Na, the melting point of Na (about 98 ° C) The electrolyte (molten salt) 15 can be operated in a molten state at the following temperature.
NaFSI‐KFSI溶融塩におけるNaカチオンとKカチオンとのモル比((Kカチオンのモル数)/(Naカチオンのモル数+Kカチオンのモル数))は、0.4以上0.7以下とすることが好ましく、0.5以上0.6以下とすることがより好ましい。このモル比であれば、融点を90℃以下に調整し易く、作動温度を90℃以下の低温とし易い。 The molar ratio of Na cation to K cation in NaFSI-KFSI molten salt ((number of moles of K cation) / (number of moles of Na cation + number of moles of K cation)) is preferably 0.4 or more and 0.7 or less, 0.5 More preferably, it is 0.6 or less. With this molar ratio, the melting point is easily adjusted to 90 ° C. or lower, and the operating temperature is easily set to a low temperature of 90 ° C. or lower.
溶融塩からなる電解質15には、有機カチオンが含まれていてもよい。この場合には、電解質の導電率を高くすることができると共に、電池の作動温度を低くすることができる傾向にある。有機カチオンとしては、1‐エチル‐3‐メチルイミダゾリウムカチオン等のアルキルイミダゾール系カチオン、N‐エチル‐N‐メチルピロリジニウムカチオン等のアルキルピロリジニウム系カチオン、1‐メチル‐ピリジニウムカチオン等のアルキルピリジニウム系カチオン、トリメチルヘキシルアンモニウムカチオン等の4級アンモニウム系カチオンなどを用いることができる。
The
(その他)
溶融塩からなる電解質15は、セパレータに含浸させて用いてもよい。このセパレータとしては、電解質に対して安定な材料、例えばガラスメッシュなどが好適に利用できる。電池組み立て時、電解質15は溶融状態でセパレータに含浸し、そのセパレータ(電解質15)を正極11と負極集電体13との間に配置すればよい。電池の運転時、電解質15は加熱されて溶融塩となる。また、必要に応じて、両電極間に圧接力を付与する弾性材を設けてもよい。弾性材は、例えば、発電要素の積層方向に圧力を付与するように配置することが挙げられる。弾性材としては、例えば、皿ばね、板ばね、圧縮ばねなどを用いることができる。
(Other)
The
電池を製造するときは、アルカリ金属或いはアルカリ土類金属のイオンを含有する上記の正極11又は電解質15を用意する。そして、正極11と負極集電体13とを電解質15を介して配置した後、最終的に図示しないケースに収納することで完成する。このとき、負極集電体13には、アルカリ金属又はアルカリ土類金属を含む負極活物質層が形成されてない。また、電池組み立て後の充電により、負極集電体13上にアルカリ金属又はアルカリ土類金属が析出することで、負極活物質層14が形成される。
When the battery is manufactured, the
{リチウムイオン電池}
リチウムイオン電池は、正極、負極、及びこれら両電極間に介在される電解質を備える。リチウムイオン電池は、電解質を介して正極と負極の間でアルカリ金属であるLiイオンをやり取りすることにより充放電を行う二次電池である。このリチウムイオン電池は、加熱することなく動作できる。各構成部材は次の通りである。
{Lithium ion battery}
A lithium ion battery includes a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte interposed between the two electrodes. A lithium ion battery is a secondary battery that charges and discharges by exchanging Li ions, which are alkali metals, between a positive electrode and a negative electrode through an electrolyte. This lithium ion battery can operate without heating. Each component is as follows.
(正極)
正極には、正極活物質、結着剤、及び導電助剤を含むものが好適に利用できる。正極活物質としては、例えば、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)、及びオリビン型鉄リン酸リチウム(LiFePO4)といったリチウム酸化物や、酸化マンガン(MnO2)といった金属酸化物などを用いることができる。結着剤としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン、エチレン‐プロピレン‐ジエン共重合体、フッ素系ゴム、カルボキシメチルセルロース、フルオロオレフィン共重合体架橋ポリマー、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、ポリイミドなどを用いることができる。結着剤を溶解する溶剤としては、例えば、N‐メチル‐2‐ピロリドンといったN‐メチルピロリドンやアセトンなどの有機溶媒などを用いることができる。導電助剤としては、ケッチェンブラックやアセチレンブラックといったカーボンブラックなどを用いることができる。
(Positive electrode)
As the positive electrode, a material containing a positive electrode active material, a binder, and a conductive additive can be suitably used. Examples of the positive electrode active material include lithium oxides such as lithium cobaltate (LiCoO 2 ), lithium nickelate (LiNiO 2 ), lithium manganate (LiMn 2 O 4 ), and olivine-type lithium iron phosphate (LiFePO 4 ). Metal oxides such as manganese oxide (MnO 2 ) can be used. Examples of the binder include polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene, ethylene-propylene-diene copolymer, fluorine-based rubber, carboxymethyl cellulose, fluoroolefin copolymer cross-linked polymer, polyvinyl alcohol, and polyacrylic acid. Polyimide or the like can be used. As the solvent for dissolving the binder, for example, N-methylpyrrolidone such as N-methyl-2-pyrrolidone or an organic solvent such as acetone can be used. As the conductive assistant, carbon black such as ketjen black or acetylene black can be used.
(負極)
負極は、電池組み立て時において、負極集電体上にLiを含む負極活物質層が形成されていない状態で構成されており、例えば、負極集電体のみで構成されている。負極集電体としては、例えば、Cr、Fe、Ni及びCu、並びにそれらの合金及びステンレスの少なくとも一種を用いることができる。また、負極は、電池組み立て後の充電により、正極及び電解質の少なくとも一方に予め含有されているLiイオンが負極集電体上に析出することで、負極活物質層が形成される。
(Negative electrode)
The negative electrode is configured in a state where a negative electrode active material layer containing Li is not formed on the negative electrode current collector at the time of battery assembly. For example, the negative electrode is composed of only the negative electrode current collector. As the negative electrode current collector, for example, at least one of Cr, Fe, Ni, Cu, alloys thereof, and stainless steel can be used. Further, the negative electrode is charged after the battery is assembled, so that Li ions previously contained in at least one of the positive electrode and the electrolyte are deposited on the negative electrode current collector, whereby a negative electrode active material layer is formed.
(電解質)
電解質には、有機電解液や固体電解質が利用できる。
(Electrolytes)
An organic electrolyte or a solid electrolyte can be used as the electrolyte.
有機電解液には、有機溶媒にリチウム塩を添加したものが挙げられる。有機溶媒としては、環状カーボネート或いは鎖状カーボネートを用いることができる。環状カーボネートとしては、例えばエチレンカーボネート(EC)、ビニレンカーボネート(VC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)などが挙げられる。鎖状カーボネートとしては、例えばジメチルカーボネート(DMC)、メチルエチルカーボネート(MEC)、ジエチルカーボネート(DEC)などが挙げられる。特に、エチレンカーボネート(EC)又はビニレンカーボネート(VC)が好適である。リチウム塩としては、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiTFSI、LiBETIなどを用いることができ、これらリチウム塩を2種以上組み合わせて用いてもよい。 Examples of the organic electrolyte include those obtained by adding a lithium salt to an organic solvent. As the organic solvent, cyclic carbonate or chain carbonate can be used. Examples of the cyclic carbonate include ethylene carbonate (EC), vinylene carbonate (VC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), and the like. Examples of the chain carbonate include dimethyl carbonate (DMC), methyl ethyl carbonate (MEC), and diethyl carbonate (DEC). In particular, ethylene carbonate (EC) or vinylene carbonate (VC) is suitable. As the lithium salt, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiTFSI, LiBETI, or the like can be used, and two or more of these lithium salts may be used in combination.
固体電解質としては、Li2Sを含む硫化物系固体電解質や、Li3PO4、LiPONなどの酸化物系固体電解質を用いることができる。硫化物系固体電解質は、酸化物系固体電解質に比べて高いLiイオン伝導性を示す点で好適である。具体的な硫化物系固体電解質としては、Li2S‐P2S5系、Li2S‐SiS2系、Li2S‐B2S3系などが挙げられ、更にP2O5やLi3PO4を添加してもよい。中でも、Li2SとP2S5を含む硫化物系固体電解質は、高いLiイオン伝導性を示すので好適である。 As the solid electrolyte, a sulfide-based solid electrolyte containing Li 2 S, or an oxide-based solid electrolyte such as Li 3 PO 4 or LiPON can be used. Sulfide-based solid electrolytes are preferable in that they exhibit higher Li ion conductivity than oxide-based solid electrolytes. Specific sulfide-based solid electrolytes include Li 2 S-P 2 S 5 system, Li 2 S-SiS 2 system, Li 2 S-B 2 S 3 system, etc., and also P 2 O 5 and Li 2 3 PO 4 may be added. Among them, a sulfide-based solid electrolyte containing Li 2 S and P 2 S 5 is preferable because it exhibits high Li ion conductivity.
(その他)
有機電解液を用いる場合、正負極間にセパレータを介在させる。このセパレータとしては、例えばポリオレフィン不織布などが利用できる。また、正極には、正極集電体を設けてもよく、正極集電体としては、例えば、Al、Ni、又はステンレスなどを用いることができる。
(Other)
When using an organic electrolyte, a separator is interposed between the positive and negative electrodes. As this separator, for example, a polyolefin nonwoven fabric can be used. The positive electrode may be provided with a positive electrode current collector. As the positive electrode current collector, for example, Al, Ni, stainless steel, or the like can be used.
<実施例1>
図1に示す基本構成の溶融塩電池を作製し、充放電試験を行った。電解質には、アルカリ金属のNaイオンを含有するNaFSI‐KFSI溶融塩(NaFSI:0.45mol%、KFSI:0.55mol%)を使用した。この溶融塩の融点は57℃であった。この溶融塩をセパレータとなる厚さ80μmの多孔質のガラスクロスに含浸させた。一方、正極にはNaCrO2を、負極集電体にはNiをそれぞれ使用した。そして、溶融塩を含浸させたガラスクロスを正極と負極集電体との間に配置し、この組み立て体をコイン型の電池ケースに収納した。正極のより詳しい作製手順は、次の通りである。正極活物質となるNaCrO2、結着剤となるPTFE、及び導電助剤となるアセチレンブラックをそれぞれ80:5:15の質量割合で混練し、この混練物をAlメッシュ(正極集電体)上に圧着することで作製した。
<Example 1>
A molten salt battery having the basic configuration shown in FIG. 1 was produced and a charge / discharge test was performed. As the electrolyte, NaFSI-KFSI molten salt (NaFSI: 0.45 mol%, KFSI: 0.55 mol%) containing Na ions of alkali metal was used. The melting point of this molten salt was 57 ° C. This molten salt was impregnated into a porous glass cloth having a thickness of 80 μm serving as a separator. On the other hand, NaCrO 2 was used for the positive electrode and Ni was used for the negative electrode current collector. Then, a glass cloth impregnated with a molten salt was disposed between the positive electrode and the negative electrode current collector, and the assembly was stored in a coin-type battery case. A more detailed manufacturing procedure of the positive electrode is as follows. NaCrO 2 serving as a positive electrode active material, PTFE serving as a binder, and acetylene black serving as a conductive auxiliary agent are kneaded at a mass ratio of 80: 5: 15, respectively, and this kneaded product is placed on an Al mesh (positive electrode current collector). It was prepared by pressure bonding to.
電池組み立て後、電池を加熱した状態で、運転温度:80℃、充電開始電圧:2.5V、放電開始電圧:3.5V、電流密度:0.6mA/cm2の条件で充放電試験を行った。その結果、電池の容量は、75mAh/gであった。 After the battery was assembled, a charge / discharge test was performed under the conditions of operating temperature: 80 ° C., charge start voltage: 2.5 V, discharge start voltage: 3.5 V, and current density: 0.6 mA / cm 2 with the battery heated. As a result, the capacity of the battery was 75 mAh / g.
<変形例>
上述した実施の形態では、電池組み立て時における負極集電体を単独の金属材料で形成する場合を例に説明したが、負極集電体には、基材の表面に上記の負極集電体材料を形成したものを用いてもよい。この場合、負極集電体としたときに電解質側の表面の少なくとも一部が負極集電体材料で形成されるようにする。例えば、基材に箔又は板状のステンレスを採用し、その基材の表面にステンレス以外の上記の負極集電体材料を形成することが挙げられる。
<Modification>
In the embodiment described above, the case where the negative electrode current collector at the time of battery assembly is formed of a single metal material has been described as an example. However, the negative electrode current collector has the above-described negative electrode current collector material on the surface of the substrate. You may use what formed. In this case, when the negative electrode current collector is used, at least a part of the surface on the electrolyte side is formed of the negative electrode current collector material. For example, foil or plate-like stainless steel is adopted as the base material, and the negative electrode current collector material other than stainless steel is formed on the surface of the base material.
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、NaやLiなどのアルカリ金属の他、MgやCaなどのアルカリ土類金属を用いてもよく、その場合、正極材料、負極集電体材料、電解質を適宜変更してもよい。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be modified as appropriate without departing from the gist of the present invention. For example, in addition to alkali metals such as Na and Li, alkaline earth metals such as Mg and Ca may be used. In that case, the positive electrode material, the negative electrode current collector material, and the electrolyte may be appropriately changed.
本発明の二次電池、及びその製造方法は、例えば、風力発電・太陽光発電などの電力負荷平準化や、非常用電源、瞬停対策として活用したり、電動車両などの電源、又は各種電気機器の電源として適用することが期待される。 The secondary battery of the present invention and the manufacturing method thereof can be used as, for example, power load leveling such as wind power generation and solar power generation, an emergency power source, an instantaneous power failure countermeasure, a power source for an electric vehicle, etc. It is expected to be applied as a power source for equipment.
10 二次電池
11 正極
12 負極
13 負極集電体 14 負極活物質層(Na)
15 電解質(溶融塩)
10 Secondary battery
11 Positive electrode
12 Negative electrode
13 Negative electrode
15 Electrolyte (molten salt)
Claims (5)
この電池の組み立て時において、
前記負極は、集電体上に前記アルカリ金属又は前記アルカリ土類金属を含む活物質層が形成されていない状態で構成されると共に、
前記正極及び前記電解質の少なくとも一方は、前記アルカリ金属又は前記アルカリ土類金属のイオンが含有されており、
充電時に、前記負極の集電体上に前記アルカリ金属又は前記アルカリ土類金属が析出されることを特徴とする二次電池。 A secondary battery in which a positive electrode and a negative electrode are disposed via an electrolyte, and charge and discharge are performed by exchanging ions of alkali metal or alkaline earth metal between the two electrodes,
When assembling this battery,
The negative electrode is configured in a state where an active material layer containing the alkali metal or the alkaline earth metal is not formed on a current collector,
At least one of the positive electrode and the electrolyte contains ions of the alkali metal or the alkaline earth metal,
The secondary battery, wherein the alkali metal or the alkaline earth metal is deposited on the current collector of the negative electrode during charging.
前記アルカリ金属或いは前記アルカリ土類金属のイオンを含有する前記正極又は前記電解質を用意する工程と、
前記負極の集電体上に前記アルカリ金属又は前記アルカリ土類金属を含む負極の活物質層を形成しない状態で、前記正極と前記負極の集電体とを前記電解質を介して配置する工程と、
前記正極と前記負極の集電体と前記電解質とを配置した後、充電して、前記アルカリ金属又は前記アルカリ土類金属を前記負極の集電体上に析出させる工程と、
を備えることを特徴とする二次電池の製造方法。 A method for producing a secondary battery that performs charge and discharge by exchanging alkali metal or alkaline earth metal ions between a positive electrode and a negative electrode via an electrolyte,
Preparing the positive electrode or the electrolyte containing ions of the alkali metal or the alkaline earth metal;
Disposing the positive electrode and the negative electrode current collector through the electrolyte in a state where the negative electrode active material layer containing the alkali metal or the alkaline earth metal is not formed on the negative electrode current collector; ,
Arranging the positive electrode, the negative electrode current collector and the electrolyte, and then charging to deposit the alkali metal or the alkaline earth metal on the negative electrode current collector;
A method for producing a secondary battery, comprising:
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