JP2012252962A - Sodium secondary battery - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sodium secondary battery requiring a smaller amount of Li which is a rare metal than that required for conventional lithium secondary batteries, offering an improved discharge capacity when reaching low voltages during operation, and offering handleability during manufacture and a high discharge capacity superior to conventional sodium secondary batteries.SOLUTION: The sodium secondary battery comprises a positive electrode, a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte mainly containing sodium ions, and the positive electrode contains an active material containing a lithium-containing complex metallic oxide represented by the formula (1): LiAMO, where A represents one or more kinds of elements selected from the group consisting of Na and K, M represents one or more kinds of transition metal elements, 0<a≤1.5, 0≤b<1.5, 0<c≤3, 0<d≤6, and 0<a+b≤1.5.

Description

本発明は、ナトリウム二次電池に関する。   The present invention relates to a sodium secondary battery.

二次電池として、リチウム二次電池が携帯電話やノートパソコンなどの小型電源として既に実用化され、さらに、電気自動車、ハイブリッド自動車等の自動車用電源や分散型電力貯蔵用電源等の大型電源として使用可能であることから、その需要は増大しつつある。
しかしながら、リチウム二次電池において、それを構成する材料の製造には、リチウム等の高価な稀少金属元素を含有する原料を多く使用し、大型電源の需要の増大に対応するための前記原料の供給が懸念されている。また、リチウム二次電池は、高容量化のため低電圧まで使用すると、充放電を繰り返したときの放電容量が小さくなっていくという欠点もある。
As secondary batteries, lithium secondary batteries have already been put into practical use as small power sources for mobile phones and laptop computers, and are also used as large power sources such as power sources for automobiles such as electric vehicles and hybrid vehicles, and power sources for distributed power storage. The demand is increasing because it is possible.
However, in the production of materials constituting lithium secondary batteries, a large amount of raw materials containing expensive rare metal elements such as lithium are used, and the supply of the raw materials to cope with an increase in demand for large-scale power supplies. There are concerns. In addition, when a lithium secondary battery is used up to a low voltage for high capacity, there is a drawback that the discharge capacity when charging and discharging are repeated becomes small.

これに対し、上記の問題を解決することのできる二次電池として、ナトリウム二次電池の検討がなされている。ナトリウム二次電池において、その構成材料であるナトリウムは供給量が豊富で、しかも安価な原料から得ることができるため、これを実用化することにより、大型電源を大量に供給可能になるものと期待されている。   On the other hand, a sodium secondary battery has been studied as a secondary battery that can solve the above problems. In sodium secondary batteries, sodium, which is a constituent material, is abundant in supply and can be obtained from inexpensive raw materials, so it is expected that a large-scale power supply can be supplied in large quantities by putting this into practical use. Has been.

そして、従来のナトリウム二次電池として、特許文献1には、NaおよびMnの組成比(Na:Mn)が、0.7:1.0の原料を焼成して得られるナトリウム含有複合金属酸化物を正極活物質として用いたナトリウム二次電池が具体的に記載されている。   As a conventional sodium secondary battery, Patent Document 1 discloses a sodium-containing composite metal oxide obtained by firing a raw material having a composition ratio of Na and Mn (Na: Mn) of 0.7: 1.0. A sodium secondary battery using as a positive electrode active material is specifically described.

特開2006−216509号公報JP 2006-216509 A

しかしながら、特許文献1で開示されたナトリウム二次電池は、二次電池としての性能、例えば放電容量は十分とはいえない。
また、該ナトリウム二次電池において、正極活物質としてナトリウム含有複合金属酸化物を使用しているが、ナトリウム含有複合金属酸化物は、大気中の水分と反応して変質、劣化してしまう傾向があるため、電池製造時に活物質としての性能を維持するためには、乾燥設備などを必要とするなど取り扱いが難しい。
However, the sodium secondary battery disclosed in Patent Document 1 cannot be said to have sufficient performance as a secondary battery, for example, a discharge capacity.
Further, in the sodium secondary battery, a sodium-containing composite metal oxide is used as the positive electrode active material, but the sodium-containing composite metal oxide tends to be deteriorated and deteriorated by reacting with moisture in the atmosphere. Therefore, in order to maintain the performance as an active material at the time of battery manufacture, handling is difficult, for example, requiring a drying facility.

かかる状況下、本発明の目的は、従来のリチウム二次電池に比し稀少金属であるLiの使用量を減少させることができ、かつ低電圧まで使用したときの放電容量を向上させ、しかも、従来のナトリウム二次電池に比し、製造時の取り扱いが容易で、かつ、放電容量が大きいナトリウム二次電池を提供することにある。   Under such circumstances, the object of the present invention is to reduce the amount of Li, which is a rare metal, compared to conventional lithium secondary batteries, and to improve the discharge capacity when used up to a low voltage, An object of the present invention is to provide a sodium secondary battery that is easy to handle at the time of manufacture and has a large discharge capacity as compared with a conventional sodium secondary battery.

本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意検討を重ね、本発明に至った。   The inventors of the present invention have intensively studied to solve the above problems, and have reached the present invention.

すなわち、本発明は、下記の発明を提供するものである。
<1> 正極、負極およびナトリウムイオンを主に含有する非水電解質を用いるナトリウム二次電池であって、
前記正極が、以下の式(1)で表されるリチウム含有複合金属酸化物を含む活物質を有する電極であるナトリウム二次電池。
Liabcd (1)
(式(1)において、AはNaおよびKからなる群より選ばれる1種以上の元素、Mは1種以上の遷移金属元素を表し、0<a≦1.5、0≦b<1.5、0<c≦3、0<d≦6、かつ、0<a+b≦1.5である。)
<2> 前記式(1)で表されるリチウム含有複合金属酸化物の結晶構造が、層状型結晶構造および/またはスピネル型結晶構造である前記<1>に記載のナトリウム二次電池。
That is, the present invention provides the following inventions.
<1> A sodium secondary battery using a nonaqueous electrolyte mainly containing a positive electrode, a negative electrode, and sodium ions,
A sodium secondary battery, wherein the positive electrode is an electrode having an active material containing a lithium-containing composite metal oxide represented by the following formula (1).
Li a A b M c O d (1)
(In Formula (1), A represents one or more elements selected from the group consisting of Na and K, M represents one or more transition metal elements, and 0 <a ≦ 1.5, 0 ≦ b <1. 5, 0 <c ≦ 3, 0 <d ≦ 6, and 0 <a + b ≦ 1.5.)
<2> The sodium secondary battery according to <1>, wherein the crystal structure of the lithium-containing composite metal oxide represented by the formula (1) is a layered crystal structure and / or a spinel crystal structure.

本発明によれば、上記式(1)で表されるリチウム含有複合金属酸化物を活物質として用いているため、製造時の取り扱いが容易で充放電を繰り返した後の放電容量が大きいナトリウム二次電池を提供することができる。   According to the present invention, since the lithium-containing composite metal oxide represented by the above formula (1) is used as an active material, it is easy to handle during production and has a large discharge capacity after repeated charge and discharge. A secondary battery can be provided.

充放電前後の複合金属酸化物C1のX線回折パターンを示す図であり、(a)は充放電なし、(b)は充放電1サイクル目、(c)は充放電10サイクル目の結果である。It is a figure which shows the X-ray-diffraction pattern of the composite metal oxide C1 before and behind charging / discharging, (a) is no charging / discharging, (b) is the 1st charging / discharging cycle, (c) is the result of 10th charging / discharging cycle. is there. 充放電前後の複合金属酸化物C1のSEM像であり、(a)は充放電なし、(b)は充放電1サイクル目の結果である。It is a SEM image of composite metal oxide C1 before and behind charging / discharging, (a) is no charging / discharging, (b) is the result of 1st charging / discharging cycle. 充放電前後の複合金属酸化物C3のX線回折パターンを示す図であり、(a)は充放電なし、(b)は充放電1サイクル目、(c)は充放電10サイクル目の結果である。It is a figure which shows the X-ray-diffraction pattern of the composite metal oxide C3 before and behind charging / discharging, (a) is no charging / discharging, (b) is the 1st cycle of charging / discharging, (c) is the result of 10th cycle of charging / discharging. is there. 充放電前後の複合金属酸化物C3のSEM像であり、(a)は充放電なし、(b)は充放電1サイクル目の結果である。It is a SEM image of the composite metal oxide C3 before and after charging / discharging, (a) is no charging / discharging, (b) is the result of charging / discharging 1st cycle. 充放電前後の複合金属酸化物C4のX線回折パターン及び複合金属酸化物C5のX線回折パターンを示す図であり、(a)は充放電なし(C4)、(b)は充放電1サイクル目(C4)、(c)は充放電10サイクル目(C4)の結果であり、(d)は充放電なし(C5)の結果である。It is a figure which shows the X-ray-diffraction pattern of the composite metal oxide C4 before and behind charging / discharging, and the X-ray diffraction pattern of the composite metal oxide C5, (a) is no charging / discharging (C4), (b) is 1 cycle of charging / discharging. Eyes (C4) and (c) are results of the 10th charge / discharge cycle (C4), and (d) is a result of no charge / discharge (C5). 充放電前後の複合金属酸化物C4のSEM像であり、(a)は充放電なし、(b)は充放電1サイクル目の結果である。It is a SEM image of composite metal oxide C4 before and behind charging / discharging, (a) is no charging / discharging, (b) is the result of 1st charging / discharging cycle.

本発明は、正極、負極およびナトリウムイオンを主に含有する非水電解質を有するナトリウム二次電池であって、前記正極が、下記式(1)で表されるリチウム含有複合金属酸化物を含む活物質を有する電極を有するナトリウム二次電池に関する。
Liabcd (1)
(式(1)において、AはNaおよびKからなる群より選ばれる1種以上の元素、Mは1種以上の遷移金属元素を表し、0<a≦1.5、0≦b<1.5、0<c≦3、0<d≦6、かつ、0<a+b≦1.5である。)
なお、本発明のナトリウム二次電池は、通常、さらにセパレータを有する。
The present invention is a sodium secondary battery having a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte mainly containing sodium ions, wherein the positive electrode includes an active material containing a lithium-containing composite metal oxide represented by the following formula (1). The present invention relates to a sodium secondary battery having an electrode having a substance.
Li a A b M c O d (1)
(In Formula (1), A represents one or more elements selected from the group consisting of Na and K, M represents one or more transition metal elements, and 0 <a ≦ 1.5, 0 ≦ b <1. 5, 0 <c ≦ 3, 0 <d ≦ 6, and 0 <a + b ≦ 1.5.)
In addition, the sodium secondary battery of this invention has a separator normally further.

本発明のナトリウム二次電池は、上記式(1)で表されるリチウム含有複合金属酸化物を含む活物質を有する電極を正極として用いていることに特徴がある。
ここで、式(1)で表されるリチウム含有複合金属酸化物は、ナトリウムイオンを主に含有する非水電解質中において、ナトリウムイオンをドープ・脱ドープできるのみならず、理由は現段階では明らかではないが、充放電を繰り返した後に放電容量が大きくなる傾向にある。そのため、正極として、該リチウム含有複合金属酸化物を含む活物質を有する電極を用いることにより、高容量のナトリウム二次電池を得ることができる。
The sodium secondary battery of the present invention is characterized in that an electrode having an active material containing a lithium-containing composite metal oxide represented by the above formula (1) is used as a positive electrode.
Here, the lithium-containing composite metal oxide represented by the formula (1) can not only be doped / undoped with sodium ions in a non-aqueous electrolyte mainly containing sodium ions, but the reason is clear at this stage. However, the discharge capacity tends to increase after repeated charging and discharging. Therefore, a high-capacity sodium secondary battery can be obtained by using an electrode having an active material containing the lithium-containing composite metal oxide as the positive electrode.

以下、本発明のナトリウム二次電池の構成要素について、より詳しく説明する。   Hereinafter, the components of the sodium secondary battery of the present invention will be described in more detail.

<非水電解質>
本発明のナトリウム二次電池において非水電解質とは、アルカリイオンを含有する物質からなる液体または固体であって、アルカリイオンとして主にナトリウムイオンを含有する。
該非水電解質は、ナトリウムイオン以外にアルカリイオンを含んでいてもよく、ナトリウムイオン以外のアルカリイオンとしては、リチウムイオンおよび/またはカリウムイオンが好ましい。
<Nonaqueous electrolyte>
In the sodium secondary battery of the present invention, the non-aqueous electrolyte is a liquid or solid composed of a substance containing alkali ions, and mainly contains sodium ions as alkali ions.
The non-aqueous electrolyte may contain alkali ions in addition to sodium ions, and lithium ions and / or potassium ions are preferable as alkali ions other than sodium ions.

該非水電解質に含有されるナトリウムイオンの含有割合は、アルカリイオン全体の50重量%以上であり、好ましくは75重量%以上であり、より好ましくは80重量%以上(100重量%含む)である。   The content ratio of sodium ions contained in the non-aqueous electrolyte is 50% by weight or more of the total alkali ions, preferably 75% by weight or more, more preferably 80% by weight or more (including 100% by weight).

本発明のナトリウム二次電池における非水電解質は、通常、電解質および有機溶媒を含有する非水電解液として用いられる。
該電解液における電解質の例としては、NaClO4、NaPF6、NaAsF6、NaSbF6、NaBF4、NaCF3SO3、NaN(SO2CF32、低級脂肪族カルボン酸ナトリウム塩、NaAlCl4が挙げられる。これらの2種以上の混合物を使用してもよい。該電解質として、NaPF6、NaAsF6、NaSbF6、NaBF4、NaCF3SO3およびNaN(SO2CF32からなる群より選ばれる少なくとも1種のフッ素含有ナトリウム塩を含むことが好ましい。
The nonaqueous electrolyte in the sodium secondary battery of the present invention is usually used as a nonaqueous electrolytic solution containing an electrolyte and an organic solvent.
Examples of the electrolyte in the electrolytic solution include NaClO 4 , NaPF 6 , NaAsF 6 , NaSbF 6 , NaBF 4 , NaCF 3 SO 3 , NaN (SO 2 CF 3 ) 2 , lower aliphatic carboxylic acid sodium salt, and NaAlCl 4. Can be mentioned. A mixture of two or more of these may be used. The electrolyte preferably contains at least one fluorine-containing sodium salt selected from the group consisting of NaPF 6 , NaAsF 6 , NaSbF 6 , NaBF 4 , NaCF 3 SO 3 and NaN (SO 2 CF 3 ) 2 .

上記電解液における有機溶媒としては、例えばプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、イソプロピルメチルカーボネート、ビニレンカーボネート、4−トリフルオロメチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、1,2−ジ(メトキシカルボニルオキシ)エタンなどのカーボネート類;1,2−ジメトキシエタン、1,3−ジメトキシプロパン、ペンタフルオロプロピルメチルエーテル、2,2,3,3−テトラフルオロプロピルジフルオロメチルエーテル、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフランなどのエーテル類;ギ酸メチル、酢酸メチル、γ−ブチロラクトンなどのエステル類;アセトニトリル、ブチロニトリルなどのニトリル類;N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミドなどのアミド類;3−メチル−2−オキサゾリドンなどのカーバメート類;スルホラン、ジメチルスルホキシド、1,3−プロパンスルトンなどの含硫黄化合物;または上記の有機溶媒にさらにフッ素置換基を導入したものを用いることができる。   Examples of the organic solvent in the electrolytic solution include propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, isopropyl methyl carbonate, vinylene carbonate, 4-trifluoromethyl-1,3-dioxolan-2-one, 1 Carbonates such as 1,2-di (methoxycarbonyloxy) ethane; 1,2-dimethoxyethane, 1,3-dimethoxypropane, pentafluoropropyl methyl ether, 2,2,3,3-tetrafluoropropyl difluoromethyl ether, Ethers such as tetrahydrofuran and 2-methyltetrahydrofuran; Esters such as methyl formate, methyl acetate and γ-butyrolactone; Nitriles such as acetonitrile and butyronitrile; N Amides such as N-dimethylformamide and N, N-dimethylacetamide; carbamates such as 3-methyl-2-oxazolidone; sulfur-containing compounds such as sulfolane, dimethyl sulfoxide and 1,3-propane sultone; or the above organic solvents Further, those having a fluorine substituent further introduced can be used.

本発明のナトリウム二次電池における非水電解質として、上記電解液の代わりに固体電解質を用いてもよい。
固体電解質としては、例えば、ポリエチレンオキサイド系の高分子、ポリオルガノシロキサン鎖およびポリオキシアルキレン鎖から選ばれる少なくとも1種以上を含む高分子などの高分子固体電解質に電解液を保持させた、いわゆるゲルタイプの電解質や、
Na2S−SiS2、Na2S−GeS2、Na2S−P25、Na2S−B23、Na2S−SiS2−Na3PO4、Na2S−SiS2−Na2SO4などの硫化物含有電解質;NaZr2(PO4)3などのNASICON型電解質;などの無機固体電解質が挙げられる。
このような固体電解質を用いると、二次電池の安全性をより高めることができることがある。なお、二次電池において、固体電解質を用いる場合には、固体電解質がセパレータの役割を果たす場合もあり、その場合には、セパレータを必要としないこともある。
As the non-aqueous electrolyte in the sodium secondary battery of the present invention, a solid electrolyte may be used instead of the electrolytic solution.
As the solid electrolyte, for example, a so-called gel in which an electrolytic solution is held in a polymer solid electrolyte such as a polymer containing at least one selected from a polyethylene oxide polymer, a polyorganosiloxane chain, and a polyoxyalkylene chain. Types of electrolytes,
Na 2 S-SiS 2, Na 2 S-GeS 2, Na 2 S-P 2 S 5, Na 2 S-B 2 S 3, Na 2 S-SiS 2 -Na 3 PO 4, Na 2 S-SiS 2 An inorganic solid electrolyte such as a sulfide-containing electrolyte such as Na 2 SO 4 ; a NASICON-type electrolyte such as NaZr 2 (PO 4 ) 3 ;
When such a solid electrolyte is used, the safety of the secondary battery may be further improved. In the secondary battery, when a solid electrolyte is used, the solid electrolyte may serve as a separator, and in that case, the separator may not be required.

<正極>
本発明のナトリウム二次電池における正極は、上記式(1)で表されるリチウム含有複合金属酸化物を含む活物質を有する電極である。
<Positive electrode>
The positive electrode in the sodium secondary battery of the present invention is an electrode having an active material containing the lithium-containing composite metal oxide represented by the above formula (1).

式(1)で表されるリチウム含有複合金属酸化物に含まれる遷移金属MとしてはCo、Ni、MnおよびFeからなる群より選ばれる1種以上の元素であることが好ましい。また、Mの一部を、上記の4元素以外の金属元素で置換してもよい。置換により、非水電解質二次電池の電池特性が向上する場合がある。Mを置換する金属としてはLi、K、Ag、Mg、Ca、Sr、Ba、Al、Ga、In、Ti、V、Cr、Cu、Zn、Sc、Y、Nb、Mo、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Ho、Er、Tm、YbおよびLu等の金属元素が挙げられる。   The transition metal M contained in the lithium-containing composite metal oxide represented by the formula (1) is preferably one or more elements selected from the group consisting of Co, Ni, Mn and Fe. A part of M may be replaced with a metal element other than the above four elements. The battery characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary battery may be improved by the replacement. As metals for substituting M, Li, K, Ag, Mg, Ca, Sr, Ba, Al, Ga, In, Ti, V, Cr, Cu, Zn, Sc, Y, Nb, Mo, La, Ce, Pr , Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Ho, Er, Tm, Yb and Lu.

式(1)で表されるリチウム含有複合金属酸化物の具体例としては、次の化合物を挙げることができる。
すなわち、LiFeO2、LiMnO2、LiNiO2およびLiCoO2等のLiMO2で表される層状型結晶構造を有する酸化物(但し、Mは1種以上の遷移金属元素を表す。);
Li0.7Mn1-c11 c1d1で表される層状型結晶構造を有する酸化物(但し、M1はMnを除く1種以上の遷移金属元素を表し、0<c1<1、1.9≦d1≦2.1である。);
Lia1(Mn1-c11 c1)24で表されるスピネル型結晶構造を有する酸化物(但し、M1はMnを除く1種以上の遷移金属元素を表し、0<a1≦1.5、0≦c1≦1である。);
Li0.44Mn1-c11 c12で表されるトンネル型結晶構造を有する酸化物(但し、M1はMnを除く1種以上の遷移金属元素を表し、0<c1<1である。);
等が挙げられる。
これらの中でも、結晶構造が、層状型結晶構造および/またはスピネル型結晶構造であるリチウム含有複合金属酸化物が好ましい。
Specific examples of the lithium-containing composite metal oxide represented by the formula (1) include the following compounds.
That, LiFeO 2, LiMnO 2, LiNiO 2 and the oxide having a layered-type crystal structure represented by LiMO 2 such as LiCoO 2 (where, M represents one or more transition metal elements.);
An oxide having a layered crystal structure represented by Li 0.7 Mn 1-c1 M 1 c1 O d1 (where M 1 represents one or more transition metal elements excluding Mn, and 0 <c 1 <1, 1 .9 ≦ d 1 ≦ 2.1);
An oxide having a spinel crystal structure represented by Li a1 (Mn 1-c1 M 1 c1 ) 2 O 4 (where M 1 represents one or more transition metal elements excluding Mn, and 0 <a 1 ≦ 1.5, 0 ≦ c 1 ≦ 1);
Li 0.44 Mn 1-c1 M 1 c1 O 2 oxide having tunnel type crystal structure (where M 1 represents one or more transition metal elements excluding Mn, and 0 <c 1 <1 .);
Etc.
Among these, lithium-containing composite metal oxides having a layered crystal structure and / or a spinel crystal structure are preferable.

また、該リチウム含有複合金属酸化物は、従来ナトリウム二次電池正極活物質として用いられているナトリウム含有複合金属酸化物(例えば、Na−Mn複合酸化物)に比し、大気中の水分に対する安定性が高い傾向にあるため、製造時の取り扱いが容易である。   In addition, the lithium-containing composite metal oxide is more stable against moisture in the atmosphere than the sodium-containing composite metal oxide (for example, Na-Mn composite oxide) conventionally used as a positive electrode active material for sodium secondary batteries. It is easy to handle at the time of production because of its high tendency.

上記リチウム含有複合金属酸化物のBET比表面積は、0.1〜5m2/gであることが好ましく、これにより特にエネルギー密度が高くなる傾向がある。BET比表面積はより好ましくは0.3m2/g以上であり、さらにより好ましくは0.5m2/g以上である。また、BET比表面積はより好ましくは4.5m2/g以下であり、さらにより好ましくは4m2/g以下である。 The lithium-containing composite metal oxide preferably has a BET specific surface area of 0.1 to 5 m 2 / g, which tends to increase the energy density. The BET specific surface area is more preferably 0.3 m 2 / g or more, and even more preferably 0.5 m 2 / g or more. Further, the BET specific surface area is more preferably 4.5 m 2 / g or less, and even more preferably 4 m 2 / g or less.

<リチウム含有複合金属酸化物の製造方法>
上記式(1)で表されるリチウム含有複合金属酸化物は、目的とするリチウム含有複合金属酸化物となる組成を有する原料を焼成することによって製造できる。該原料としては金属含有化合物の混合物が挙げられる。具体的には、対応する金属元素を含有する金属含有化合物をそれぞれ所定の組成となるように秤量し、それらを混合して、混合物を得る。得られた混合物を焼成することによって複合金属酸化物を製造できる。
好ましい金属元素比の一つとしてLi:Mn=1:2の金属元素比を有するリチウム含有複合金属酸化物は、Li2CO3、MnO2の各原料を、Li:Mnのモル比が1:2となるように秤量し、それらを混合し、得られた混合物を焼成することによって製造できる。
<Method for producing lithium-containing composite metal oxide>
The lithium-containing composite metal oxide represented by the above formula (1) can be produced by firing a raw material having a composition that becomes the target lithium-containing composite metal oxide. Examples of the raw material include a mixture of metal-containing compounds. Specifically, the metal-containing compounds containing the corresponding metal elements are weighed so as to have a predetermined composition, and they are mixed to obtain a mixture. A composite metal oxide can be manufactured by baking the obtained mixture.
A lithium-containing composite metal oxide having a metal element ratio of Li: Mn = 1: 2 as one of the preferred metal element ratios is obtained by using Li 2 CO 3 and MnO 2 raw materials with a molar ratio of Li: Mn of 1: It can be manufactured by weighing to 2 and mixing them and firing the resulting mixture.

前記金属含有化合物の例としては、対応する金属元素を含有する酸化物、水酸化物、炭酸塩、硝酸塩、ハロゲン化物およびシュウ酸塩などの高温で酸化物に変化し得る化合物が挙げられる。コバルト化合物としてはCo34が好ましく、マンガン化合物としてはMn23が好ましく、ニッケル化合物としてはNiOが好ましく、鉄化合物としてはFe34が好ましい。
リチウム化合物の例としては、水酸化リチウム、塩化リチウム、硝酸リチウム、過酸化リチウム、硫酸リチウム、炭酸水素リチウム、蓚酸リチウムおよび炭酸リチウムからなる群より選ばれる1種以上の化合物が挙げられ、これらの化合物は水和物であってもよい。取り扱い性の観点では吸湿性が低いために炭酸リチウムが好ましく、製造コストの観点では低温での反応性が高いために水酸化リチウムが好ましい。水酸化リチウムを用いれば、比較的低い焼成温度で焼成できる。これらの化合物は、水和物であってもよい。
Examples of the metal-containing compound include compounds that can change to oxides at high temperatures, such as oxides, hydroxides, carbonates, nitrates, halides, and oxalates containing the corresponding metal elements. The cobalt compound is preferably Co 3 O 4 , the manganese compound is preferably Mn 2 O 3 , the nickel compound is preferably NiO, and the iron compound is preferably Fe 3 O 4 .
Examples of the lithium compound include one or more compounds selected from the group consisting of lithium hydroxide, lithium chloride, lithium nitrate, lithium peroxide, lithium sulfate, lithium hydrogen carbonate, lithium oxalate, and lithium carbonate. The compound may be a hydrate. Lithium carbonate is preferable because of its low hygroscopicity from the viewpoint of handleability, and lithium hydroxide is preferable because of its high reactivity at low temperatures. If lithium hydroxide is used, it can be fired at a relatively low firing temperature. These compounds may be hydrates.

金属含有化合物の混合物は、以下の共沈法により得られた金属含有化合物とリチウム化合物とを混合して得ることもできる。   The mixture of metal-containing compounds can also be obtained by mixing a metal-containing compound obtained by the following coprecipitation method and a lithium compound.

具体的には、Co、Mn、NiおよびFeそれぞれの化合物として、塩化物、硝酸塩、酢酸塩、蟻酸塩、蓚酸塩または硫酸塩等の化合物を用いて、これらを水に溶解し、混合水溶液を得る。該水溶液を沈殿剤と接触させることで、金属含有化合物を含有する沈殿物を得ることができる。これらの化合物の中でも、好ましくは塩化物または硫酸塩である。水に溶解し難い原料を用いる場合、例えば、酸化物、水酸化物、金属材料を用いる場合には、これらを、塩酸、硫酸、硝酸等の酸またはこれらの水溶液に溶解させて、水溶液を得ることができる。   Specifically, as compounds of Co, Mn, Ni and Fe, compounds such as chloride, nitrate, acetate, formate, oxalate or sulfate are dissolved in water, and a mixed aqueous solution is prepared. obtain. By bringing the aqueous solution into contact with a precipitant, a precipitate containing a metal-containing compound can be obtained. Among these compounds, chloride or sulfate is preferable. When using raw materials that are difficult to dissolve in water, for example, when using oxides, hydroxides, or metal materials, these are dissolved in acids such as hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, or aqueous solutions thereof to obtain aqueous solutions. be able to.

前記沈殿剤の例としては、LiOH(水酸化リチウム)、NaOH(水酸化ナトリウム)、KOH(水酸化カリウム)、Li2CO3(炭酸リチウム)、Na2CO3(炭酸ナトリウム)、K2CO3(炭酸カリウム)、(NH42CO3(炭酸アンモニウム)および(NH22CO(尿素)からなる群より選ばれる化合物が挙げられる。沈殿剤は前記化合物1種以上であってもよく、前記化合物の水和物1種以上であってもよく、化合物と水和物とが併用されてもよい。これらの沈殿剤は沈殿剤水溶液であることが好ましい。沈殿剤水溶液は、沈殿剤を水に溶かして、得られる。沈殿剤水溶液における沈殿剤の濃度は、0.5〜10モル/リットル程度、好ましくは、1〜8モル/リットル程度である。沈殿剤は好ましくはKOHまたはNaOHである。沈殿剤水溶液は好ましくはKOH水溶液またはNaOH水溶液である。沈殿剤水溶液として、アンモニア水を挙げることもできる。アンモニア水と他の沈殿剤水溶液とを併用してもよい。 Examples of the precipitant include LiOH (lithium hydroxide), NaOH (sodium hydroxide), KOH (potassium hydroxide), Li 2 CO 3 (lithium carbonate), Na 2 CO 3 (sodium carbonate), K 2 CO Examples include compounds selected from the group consisting of 3 (potassium carbonate), (NH 4 ) 2 CO 3 (ammonium carbonate) and (NH 2 ) 2 CO (urea). The precipitating agent may be one or more of the compounds described above, may be one or more hydrates of the compounds described above, and a compound and a hydrate may be used in combination. These precipitating agents are preferably aqueous precipitant solutions. The aqueous precipitant solution is obtained by dissolving the precipitant in water. The concentration of the precipitant in the aqueous precipitant solution is about 0.5 to 10 mol / liter, preferably about 1 to 8 mol / liter. The precipitating agent is preferably KOH or NaOH. The aqueous precipitant solution is preferably an aqueous KOH solution or an aqueous NaOH solution. Aqueous ammonia can also be mentioned as the precipitant aqueous solution. Aqueous ammonia and other aqueous precipitant solutions may be used in combination.

混合水溶液を沈殿剤と接触させる方法の例としては、混合水溶液に、沈殿剤(沈殿剤水溶液を含む。)を添加する方法、沈殿剤水溶液に、混合水溶液を添加する方法、水に、混合水溶液および沈殿剤(沈殿剤水溶液を含む。)を添加する方法が挙げられる。これらの添加は、攪拌を伴うことが好ましい。上記の方法の中では、沈殿剤水溶液に、混合水溶液を添加する方法が好ましい。この方法によれば、pHを保ちやすく、得られる沈殿物の粒径を制御しやすい。沈殿剤水溶液に、混合水溶液を添加していくに従い、pHが低下していく傾向にある。pHが9以上、好ましくは10以上となるように調節しながら、混合水溶液を添加することが好ましい。この調節は、沈殿剤水溶液の添加によって行うことができる。接触時の雰囲気は、不純物生成抑制のために、好ましくは窒素またはアルゴンである。   Examples of the method of bringing the mixed aqueous solution into contact with the precipitant include a method of adding a precipitant (including a precipitant aqueous solution) to the mixed aqueous solution, a method of adding the mixed aqueous solution to the precipitant aqueous solution, and a mixed aqueous solution of water. And a method of adding a precipitant (including a precipitant aqueous solution). These additions are preferably accompanied by stirring. Among the above methods, a method of adding a mixed aqueous solution to a precipitant aqueous solution is preferable. According to this method, it is easy to maintain pH and control the particle size of the resulting precipitate. The pH tends to decrease as the mixed aqueous solution is added to the precipitant aqueous solution. It is preferable to add the mixed aqueous solution while adjusting the pH to be 9 or more, preferably 10 or more. This adjustment can be performed by adding a precipitant aqueous solution. The atmosphere at the time of contact is preferably nitrogen or argon in order to suppress impurity generation.

上記の接触により、沈殿物を得ることができる。この沈殿物は、金属含有化合物を含有する。   A precipitate can be obtained by the above contact. This precipitate contains a metal-containing compound.

混合水溶液を沈殿剤と接触させた後は、通常、沈殿物を含有するスラリーが得られ、これを固液分離して、沈殿物を回収すればよい。固液分離はいかなる方法によってもよい。 操作性の観点では、ろ過などの固液分離が好ましい。噴霧乾燥など、加熱して液体分を揮発させる方法を用いてもよい。回収された沈殿物を洗浄、乾燥してもよい。固液分離後に得られる沈殿物には、過剰な沈殿剤の成分が付着していることもあり、洗浄により当該成分を減らすことができる。洗浄に用いる洗浄液は、好ましくは水であり、アルコール、アセトンなどの水溶性有機溶媒でもよい。乾燥の例としては、加熱乾燥、送風乾燥、真空乾燥等が挙げられる。加熱乾燥は、通常50〜300℃で行われ、好ましくは100〜200℃程度で行われる。洗浄、乾燥は2回以上行ってもよい。   After bringing the mixed aqueous solution into contact with the precipitating agent, a slurry containing a precipitate is usually obtained, and the precipitate may be recovered by solid-liquid separation. Solid-liquid separation may be performed by any method. From the viewpoint of operability, solid-liquid separation such as filtration is preferable. A method of volatilizing the liquid by heating such as spray drying may be used. The collected precipitate may be washed and dried. The precipitate obtained after the solid-liquid separation may have an excessive component of the precipitant attached thereto, and the component can be reduced by washing. The cleaning liquid used for cleaning is preferably water, and may be a water-soluble organic solvent such as alcohol or acetone. Examples of drying include heat drying, air drying, and vacuum drying. Heat drying is normally performed at 50-300 degreeC, Preferably it is performed at about 100-200 degreeC. Washing and drying may be performed twice or more.

混合方法の例としては、乾式混合、湿式混合が挙げられる。簡便性の観点では、乾式混合が好ましい。混合装置の例としては、攪拌混合装置、V型混合機、W型混合機、リボン混合機、ドラムミキサーおよびボールミルが挙げられる。焼成温度は、用いるリチウム化合物の種類に依存し、通常400〜1200℃程度の温度であり、好ましくは500〜1000℃程度である。また、前記焼成温度で保持する時間は、通常0.1〜20時間であり、好ましくは0.5〜10時間である。前記焼成温度までの昇温速度は、通常50〜400℃/時間であり、前記焼成温度から室温までの降温速度は、通常10〜400℃/時間である。焼成の雰囲気の例としては、大気、酸素、窒素、アルゴンおよびそれらの混合ガスが挙げられる。雰囲気制御の容易さの観点では大気が好ましく、焼成後試料の安定性の観点では酸素、窒素、アルゴンまたはこれらの混合ガスが好ましい。   Examples of the mixing method include dry mixing and wet mixing. From the viewpoint of simplicity, dry mixing is preferred. Examples of the mixing device include a stirring and mixing device, a V-type mixer, a W-type mixer, a ribbon mixer, a drum mixer, and a ball mill. The firing temperature depends on the type of lithium compound used, and is usually about 400 to 1200 ° C., preferably about 500 to 1000 ° C. Moreover, the time hold | maintained at the said calcination temperature is 0.1 to 20 hours normally, Preferably it is 0.5 to 10 hours. The rate of temperature rise to the firing temperature is usually 50 to 400 ° C./hour, and the rate of temperature fall from the firing temperature to room temperature is usually 10 to 400 ° C./hour. Examples of the firing atmosphere include air, oxygen, nitrogen, argon, and a mixed gas thereof. Air is preferable from the viewpoint of easy atmosphere control, and oxygen, nitrogen, argon, or a mixed gas thereof is preferable from the viewpoint of stability of the sample after firing.

金属含有化合物として、フッ化物、塩化物等のハロゲン化物を適量用いることによって、生成するリチウム含有複合金属酸化物の結晶性、リチウム含有複合金属酸化物を構成する粒子の平均粒径を制御することができる。ハロゲン化物は、反応促進剤(フラックス)としての役割を果たすこともある。フラックスとしては、例えばLiF、NaF、MnF3、FeF2、NiF2、CoF2、LiCl、NaCl、MnCl2、FeCl2、FeCl3、NiCl2、CoCl2、Li2CO3、Na2CO3、LiHCO3、NaHCO3、NH4Cl、NH4I、B23およびH3BO3を挙げることができ、これらを混合物の原料(金属含有化合物)として、または、混合物に適量添加して用いることができる。これらのフラックスは、水和物であってもよい。 Controlling the crystallinity of the resulting lithium-containing composite metal oxide and the average particle size of the particles comprising the lithium-containing composite metal oxide by using an appropriate amount of a halide such as fluoride or chloride as the metal-containing compound Can do. The halide may play a role as a reaction accelerator (flux). Examples of the flux include LiF, NaF, MnF 3 , FeF 2 , NiF 2 , CoF 2 , LiCl, NaCl, MnCl 2 , FeCl 2 , FeCl 3 , NiCl 2 , CoCl 2 , Li 2 CO 3 , Na 2 CO 3 , LiHCO 3 , NaHCO 3 , NH 4 Cl, NH 4 I, B 2 O 3 and H 3 BO 3 can be mentioned, and these are used as a raw material (metal-containing compound) of the mixture or by adding an appropriate amount to the mixture be able to. These fluxes may be hydrates.

リチウム含有複合金属酸化物を正極活物質として用いる場合、得られたリチウム含有複合金属酸化物を、任意にボールミル、ジェットミル、振動ミル等の工業的に通常用いられる装置を用いて、粉砕してもよいし、洗浄、分級してもよい。これらの操作により、リチウム含有複合金属酸化物の粒度を調節できることがある。焼成を2回以上行ってもよい。 リチウム含有複合金属酸化物の粒子表面をSi、Al、Ti、Y等を含有する無機物質で被覆する等の表面処理をしてもよい。   When using a lithium-containing composite metal oxide as a positive electrode active material, the obtained lithium-containing composite metal oxide is optionally pulverized using an industrially commonly used apparatus such as a ball mill, a jet mill, or a vibration mill. Alternatively, it may be washed and classified. By these operations, the particle size of the lithium-containing composite metal oxide may be adjusted. Firing may be performed twice or more. Surface treatment such as coating the particle surface of the lithium-containing composite metal oxide with an inorganic substance containing Si, Al, Ti, Y or the like may be performed.

なお、上記の表面処理後、熱処理してもよい。熱処理の温度に依存して、熱処理後の粉末のBET比表面積が、リチウム含有複合金属酸化物のBET比表面積から変化することがある。   In addition, you may heat-process after said surface treatment. Depending on the temperature of the heat treatment, the BET specific surface area of the powder after the heat treatment may vary from the BET specific surface area of the lithium-containing composite metal oxide.

<正極の製造方法>
正極は、上記に記載したリチウム含有複合金属酸化物を正極活物質として含有する。正極は、正極活物質、導電材およびバインダーを含む正極合剤を、正極集電体に担持させて製造できる。
<Method for producing positive electrode>
The positive electrode contains the lithium-containing composite metal oxide described above as a positive electrode active material. The positive electrode can be produced by supporting a positive electrode mixture containing a positive electrode active material, a conductive material and a binder on a positive electrode current collector.

導電材としては、天然黒鉛、人造黒鉛、コークス類、カーボンブラックなどの炭素材料が挙げられる。   Examples of the conductive material include carbon materials such as natural graphite, artificial graphite, cokes, and carbon black.

バインダーとしては、熱可塑性樹脂が挙げられる。熱可塑性樹脂の例として、具体的には、ポリフッ化ビニリデン(以下、「PVDF」ということがある。)、ポリテトラフルオロエチレン(以下、「PTFE」ということがある。)、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン・フッ化ビニリデン系共重合体、六フッ化プロピレン・フッ化ビニリデン系共重合体、四フッ化エチレン・パーフルオロビニルエーテル系共重合体などのフッ素樹脂;およびポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂が挙げられる。これらの2種以上を用いてもよい。   A thermoplastic resin is mentioned as a binder. Specific examples of thermoplastic resins include polyvinylidene fluoride (hereinafter sometimes referred to as “PVDF”), polytetrafluoroethylene (hereinafter sometimes referred to as “PTFE”), tetrafluoroethylene · Fluororesin such as hexafluoropropylene / vinylidene fluoride copolymer, hexafluoropropylene / vinylidene fluoride copolymer, tetrafluoroethylene / perfluorovinyl ether copolymer; and polyolefins such as polyethylene and polypropylene Resin. Two or more of these may be used.

正極集電体としては、Al、Ni、ステンレスなどが挙げられる。薄膜に加工しやすく、安価であるという観点で、Alが好ましい。正極集電体に正極合剤を担持させる方法の例としては、加圧成型する方法;有機溶媒などをさらに用いて正極合剤ペーストを得て、該ペーストを正極集電体に塗工し乾燥してシートを得て、得られたシートをプレスすることにより、正極合剤を集電体に固着する方法が挙げられる。正極合剤ペーストは、正極活物質、導電材、バインダーおよび有機溶媒を含有する。有機溶媒の例としては、N,N−ジメチルアミノプロピルアミン、ジエチレントリアミン等のアミン系溶媒;テトラヒドロフラン等のエーテル系溶媒;メチルエチルケトン等のケトン系溶媒;酢酸メチル等のエステル系溶媒;ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン等(以下、NMPということがある。)のアミド系溶媒等が挙げられる。   Examples of the positive electrode current collector include Al, Ni, and stainless steel. Al is preferable from the viewpoint of being easily processed into a thin film and inexpensive. Examples of the method of supporting the positive electrode mixture on the positive electrode current collector include a pressure molding method; a positive electrode mixture paste is obtained by further using an organic solvent, and the paste is applied to the positive electrode current collector and dried. Then, a method of fixing the positive electrode mixture to the current collector by pressing the obtained sheet is obtained. The positive electrode mixture paste contains a positive electrode active material, a conductive material, a binder, and an organic solvent. Examples of organic solvents include amine solvents such as N, N-dimethylaminopropylamine and diethylenetriamine; ether solvents such as tetrahydrofuran; ketone solvents such as methyl ethyl ketone; ester solvents such as methyl acetate; dimethylacetamide, N- Examples thereof include amide solvents such as methyl-2-pyrrolidone (hereinafter sometimes referred to as NMP).

正極合剤を正極集電体へ塗工する方法としては、例えばスリットダイ塗工法、スクリーン塗工法、カーテン塗工法、ナイフ塗工法、グラビア塗工法および静電スプレー法が挙げられる。以上により、正極を製造することができる。   Examples of the method of applying the positive electrode mixture to the positive electrode current collector include a slit die coating method, a screen coating method, a curtain coating method, a knife coating method, a gravure coating method, and an electrostatic spray method. As described above, the positive electrode can be manufactured.

<正極の電気化学的処理>
上記式(1)で表されるリチウム含有複合金属酸化物は、特定の条件で電気化学的処理を行うことにより層状型結晶構造をもつナトリウム含有複合金属酸化物へ変化させることができる。
具体的には本発明のナトリウム二次電池の構成、すなわち、ナトリウムイオンを主に含有する非水電解質中において、リチウム含有複合金属酸化物を正極活物質とする正極を以下の二つの手順にて充放電を繰り返す方法が挙げられる。
(1)Na金属基準で3.8V以上、好ましくは4.0V以上まで充電(Liなどアルカリ金属元素を抜く)する。
(2)Na金属基準で3.5V以下、好ましくは3.0V以下まで放電(Naを挿入)する。
なお、詳細な理由は現段階では明らかではないが、このような条件にて充放電を繰り返した後、放電容量が大きくなる傾向にある。
電気化学処理後の活物質におけるリチウム含有複合金属酸化物とナトリウム含有複合金属酸化物との比率は、対象となるリチウム含有複合金属酸化物の種類や、必要とする電極性能を勘案して適宜決定すればよい。そのため、リチウム含有複合金属酸化物のほとんどを層状型結晶構造をもつナトリウム含有複合金属酸化物に変化させる場合もある。
<Electrochemical treatment of positive electrode>
The lithium-containing composite metal oxide represented by the above formula (1) can be changed to a sodium-containing composite metal oxide having a layered crystal structure by performing an electrochemical treatment under specific conditions.
Specifically, in the configuration of the sodium secondary battery of the present invention, that is, in a non-aqueous electrolyte mainly containing sodium ions, a positive electrode having a lithium-containing composite metal oxide as a positive electrode active material is subjected to the following two procedures. The method of repeating charging / discharging is mentioned.
(1) Charge to 3.8 V or higher, preferably 4.0 V or higher (withdrawing alkali metal elements such as Li) based on Na metal.
(2) Discharge (insert Na) to 3.5 V or less, preferably 3.0 V or less based on Na metal.
Although the detailed reason is not clear at this stage, the discharge capacity tends to increase after repeated charging and discharging under such conditions.
The ratio of the lithium-containing composite metal oxide to the sodium-containing composite metal oxide in the active material after the electrochemical treatment is appropriately determined in consideration of the type of target lithium-containing composite metal oxide and the required electrode performance. do it. Therefore, most of the lithium-containing composite metal oxide may be changed to a sodium-containing composite metal oxide having a layered crystal structure.

<負極>
本発明のナトリウム二次電池における負極として、正極よりも低い電位においてナトリウムイオンでドープされることができ、かつ、脱ドープされることができる電極が用いられる。
負極としては、具体的には、負極材料を含む負極合剤が負極集電体に担持された電極、または負極材料単独からなる電極が挙げられる。
負極材料としては、炭素材料、カルコゲン化合物(酸化物、硫化物など)、窒化物、金属または合金で、正極よりも低い電位で、ナトリウムイオンでドープされることができかつ脱ドープされることができる材料が挙げられる。これらの負極材料は混合されてもよい。
<Negative electrode>
As the negative electrode in the sodium secondary battery of the present invention, an electrode that can be doped with sodium ions at a potential lower than that of the positive electrode and that can be dedoped is used.
Specific examples of the negative electrode include an electrode in which a negative electrode mixture containing a negative electrode material is supported on a negative electrode current collector, or an electrode made of a negative electrode material alone.
The negative electrode material may be a carbon material, a chalcogen compound (oxide, sulfide, etc.), a nitride, a metal or an alloy, which can be doped with sodium ions at a lower potential than that of the positive electrode and can be undoped. Possible materials are listed. These negative electrode materials may be mixed.

炭素材料の例として、具体的には、天然黒鉛、人造黒鉛等の黒鉛、コークス類、カーボンブラック、熱分解炭素類、炭素繊維、高分子焼成体などの中で、正極よりも低い電位で、ナトリウムイオンでドープされることができかつ脱ドープされることができる材料が挙げられる。酸化物の例としては、Li4Ti512等が挙げられる。硫化物の例としては、TiS2、NiS2、FeS2、Fe34等が挙げられる。窒化物の例としては、Li3N、Li2.6Co0.4N等のLi3-XXN(但し、Mは遷移金属元素、0≦X≦3)、Na3N、Na2.6Co0.4N等のNa3-XXN(但し、Mは遷移金属元素、0≦X≦3)等が挙げられる。
これらの炭素材料、酸化物、硫化物、窒化物は、併用してもよく、結晶質または非晶質のいずれでもよい。これらの炭素材料、酸化物、硫化物、窒化物は、主に、負極集電体に担持されて、負極として用いられる。
負極材料としての金属の例として、具体的には、ナトリウム金属、シリコン金属、スズ金属、ビスマス金属、ゲルマニウム金属などが挙げられる。合金の例としては、前記負極材料として例示された金属からなる合金や、Na−Al、Na−Ni、Na−Siなどのナトリウム合金;Si−Znなどのシリコン合金;Sn−Mn、Sn−Co、Sn−Ni、Sn−Cu、Sn−Laなどのスズ合金;Cu2Sb、La3Ni2Sn7などの合金が挙げられる。これらの金属、合金は、主に、単独で電極として用いられる(例えば箔状で用いられる。)。
As an example of the carbon material, specifically, in graphite such as natural graphite and artificial graphite, coke, carbon black, pyrolytic carbon, carbon fiber, polymer fired body, etc., at a lower potential than the positive electrode, Examples include materials that can be doped with sodium ions and can be dedope. Examples of the oxide include Li 4 Ti 5 O 12 . Examples of sulfides include TiS 2 , NiS 2 , FeS 2 , Fe 3 S 4 and the like. Examples of nitrides include Li 3 -X M x N such as Li 3 N and Li 2.6 Co 0.4 N (where M is a transition metal element, 0 ≦ X ≦ 3), Na 3 N, Na 2.6 Co 0.4 N Na 3−X M X N (where M is a transition metal element, 0 ≦ X ≦ 3) and the like.
These carbon materials, oxides, sulfides, and nitrides may be used in combination, and may be crystalline or amorphous. These carbon materials, oxides, sulfides and nitrides are mainly carried on the negative electrode current collector and used as the negative electrode.
Specific examples of the metal as the negative electrode material include sodium metal, silicon metal, tin metal, bismuth metal, and germanium metal. Examples of the alloy include alloys made of the metals exemplified as the negative electrode material, sodium alloys such as Na—Al, Na—Ni, Na—Si; silicon alloys such as Si—Zn; Sn—Mn, Sn—Co. , Sn—Ni, Sn—Cu, Sn—La and other tin alloys; Cu 2 Sb, La 3 Ni 2 Sn 7 and other alloys. These metals and alloys are mainly used alone as electrodes (for example, used in a foil shape).

なお、上記負極合剤は、必要に応じて、バインダーを含有してもよい。バインダーとしては、熱可塑性樹脂が挙げられる。熱可塑性樹脂の例として、具体的には、PVDF、熱可塑性ポリイミド、カルボキシメチルセルロース、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸ナトリウムなどが挙げられる。なお、電解液が後述のエチレンカーボネートを含有せず、かつ負極合剤がポリエチレンカーボネートを含有する場合、得られる電池のサイクル特性と大電流放電特性とが向上することがある。   In addition, the said negative mix may contain a binder as needed. A thermoplastic resin is mentioned as a binder. Specific examples of the thermoplastic resin include PVDF, thermoplastic polyimide, carboxymethyl cellulose, polyethylene, polypropylene, polyacrylic acid, sodium polyacrylate, and the like. In addition, when electrolyte solution does not contain the below-mentioned ethylene carbonate and a negative electrode mixture contains polyethylene carbonate, the cycling characteristics and large current discharge characteristic of the battery obtained may improve.

負極集電体の例としては、Cu、Ni、ステンレス、Alなどが挙げられる。ナトリウムと合金を作り難く、薄膜に加工しやすいという観点で、CuまたはAlが好ましい。負極集電体に負極合剤を担持させる方法は、正極と同様に、加圧成型する方法;有機溶媒などをさらに用いて負極合剤ペーストを得て、該ペーストを負極集電体に塗工し乾燥してシートを得て、得られたシートをプレスすることにより、負極合剤を集電体に固着する方法が挙げられる。   Examples of the negative electrode current collector include Cu, Ni, stainless steel, and Al. From the viewpoint that it is difficult to make an alloy with sodium and it is easy to process into a thin film, Cu or Al is preferable. The method of supporting the negative electrode mixture on the negative electrode current collector is the same as the method of forming the positive electrode; pressure molding; obtaining a negative electrode mixture paste by further using an organic solvent and the like, and applying the paste to the negative electrode current collector And drying to obtain a sheet, and pressing the obtained sheet to fix the negative electrode mixture to the current collector.

<セパレータ>
ナトリウム二次電池は、通常、セパレータを有する。本発明のナトリウム二次電池で用いることができるセパレータとしては例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂、フッ素樹脂、含窒素芳香族重合体などの材質からなる、多孔質フィルム、不織布、織布などの形態を有する材料を用いることができる。また、これらの材質を2種以上用いた単層または積層セパレータとしてもよい。セパレータとしては、例えば特開2000−30686号公報、特開平10−324758号公報等に記載のセパレータを挙げることができる。セパレータの厚みは、電池の体積エネルギー密度が上がり、内部抵抗が小さくなるという点で、機械的強度が保たれる限り薄いほど好ましい。セパレータの厚みは一般に、5〜200μm程度が好ましく、より好ましくは5〜40μm程度である。
<Separator>
A sodium secondary battery usually has a separator. Examples of the separator that can be used in the sodium secondary battery of the present invention include porous films, nonwoven fabrics, woven fabrics, and the like made of materials such as polyolefin resins such as polyethylene and polypropylene, fluororesins, and nitrogen-containing aromatic polymers. A material having a form can be used. Moreover, it is good also as a single layer or laminated separator which used 2 or more types of these materials. Examples of the separator include separators described in JP 2000-30686 A, JP 10-324758 A, and the like. The thickness of the separator is preferably as thin as possible as long as the mechanical strength is maintained in that the volume energy density of the battery is increased and the internal resistance is reduced. In general, the thickness of the separator is preferably about 5 to 200 μm, more preferably about 5 to 40 μm.

セパレータは、好ましくは、熱可塑性樹脂を含有する多孔質フィルムを有する。ナトリウム二次電池においては、通常、正極−負極間の短絡等が原因で電池内に異常電流が流れた際に、電流を遮断して、過大電流が流れることを阻止する(シャットダウンする)ことが重要である。したがって、セパレータには、通常の使用温度を越えた場合に、できるだけ低温でシャットダウンする(セパレータが、熱可塑性樹脂を含有する多孔質フィルムを有する場合には、多孔質フィルムの微細孔が閉塞する)こと、およびシャットダウンした後、ある程度の高温まで電池内の温度が上昇しても、その温度により破膜することなく、シャットダウンした状態を維持すること、換言すれば、耐熱性が高いことが求められる。
セパレータとして、耐熱樹脂を含有する耐熱多孔層と熱可塑性樹脂を含有する多孔質フィルムとが積層された積層多孔質フィルムからなるセパレータを用いることにより、熱破膜をより防ぐことが可能となる。ここで、耐熱多孔層は、多孔質フィルムの両面に積層されていてもよい。
The separator preferably has a porous film containing a thermoplastic resin. In a sodium secondary battery, normally, when an abnormal current flows in the battery due to a short circuit between the positive electrode and the negative electrode, the current is interrupted to prevent an excessive current from flowing (shut down). is important. Therefore, the separator shuts down at the lowest possible temperature when the normal use temperature is exceeded (if the separator has a porous film containing a thermoplastic resin, the pores of the porous film are blocked). In addition, even if the temperature in the battery rises to a certain high temperature after the shutdown, it is required to maintain the shutdown state without breaking the film due to the temperature, in other words, to have high heat resistance. .
By using a separator made of a laminated porous film in which a heat-resistant porous layer containing a heat-resistant resin and a porous film containing a thermoplastic resin are laminated as the separator, thermal breakage can be further prevented. Here, the heat-resistant porous layer may be laminated on both surfaces of the porous film.

<ナトリウム二次電池の形態>
ナトリウム二次電池は、正極、セパレータ、負極およびセパレータをこの順に積層、または積層かつ巻回することにより得られる電極群を、電池缶などの電池ケース内に収納し、該ケース内に、電解質および有機溶媒を含有する電解液を注入することによって、製造できる。
なお、セパレータを有さない場合には、ナトリウム二次電池は、例えば、正極、固体電解質、負極および固体電解質をこの順に積層する、または積層かつ巻回することにより得られる電極群を、電池缶などの電池ケース内に収納して、製造できる。
<Type of sodium secondary battery>
In a sodium secondary battery, an electrode group obtained by laminating or laminating and winding a positive electrode, a separator, a negative electrode, and a separator in this order is housed in a battery case such as a battery can, and the electrolyte and It can manufacture by inject | pouring the electrolyte solution containing an organic solvent.
In the case where the separator is not provided, the sodium secondary battery includes, for example, an electrode group obtained by laminating, or laminating and winding, a positive electrode, a solid electrolyte, a negative electrode, and a solid electrolyte in this order. Can be stored in a battery case.

電極群の形状としては、例えば、電極群を巻回の軸に垂直に切断したときの断面または電極群を積層方向に平行に切断したときの断面が、円、楕円、長方形、角がとれたような長方形等となるような形状が挙げられる。電池の形状としては、例えば、ペーパー型、コイン型、円筒型、角型などの形状が挙げられる。   As the shape of the electrode group, for example, a cross section when the electrode group is cut perpendicularly to the axis of winding or a cross section when the electrode group is cut parallel to the stacking direction has a circle, an ellipse, a rectangle, and a corner. The shape which becomes such a rectangle etc. is mentioned. Examples of the shape of the battery include a paper shape, a coin shape, a cylindrical shape, and a square shape.

<ナトリウム二次電池の用途>
本発明のナトリウム二次電池は、エネルギー密度が高いことから、携帯電話、携帯オーディオ、ノートパソコン等の小型機器用電源である小型電池、自動車、自動二輪車、電動椅子、フォークリフト、電車、飛行機、船舶、宇宙船、潜水艦等の輸送機器用電源;耕運機等の機械用電源;キャンプ用途等の屋外電源;自動販売機用途等の屋外/屋内電源などの移動用電池である中・大型電池として好適である。
<Uses of sodium secondary batteries>
Since the sodium secondary battery of the present invention has a high energy density, it is a small battery, automobile, motorcycle, electric chair, forklift, train, airplane, ship, which is a power source for small devices such as mobile phones, portable audios, and notebook computers. Power supply for transportation equipment such as spacecraft and submarines; Power supply for machinery such as cultivators; Outdoor power supply for camping applications; Suitable for medium and large-sized batteries that are mobile batteries for outdoor / indoor power supplies such as vending machines is there.

また、本発明のナトリウム二次電池は、供給量が豊富で安価な原料を用いているため、工場、家屋用等の屋外/屋内設置電源;太陽電池用充電装置、風力発電用充電装置等の各種発電用の負荷平準化電源;冷蔵・冷凍倉庫内、極冷地等の低温環境用設置電源;砂漠等の高温環境用設置電源;宇宙ステーション用等の宇宙環境用設置電源などの定置型電池である中・大型電池として好適である。   In addition, since the sodium secondary battery of the present invention uses abundant and inexpensive raw materials, it can be used in outdoor / indoor installation power supplies for factories, houses, etc .; solar battery chargers, wind power generator chargers, etc. Load leveling power source for various power generations; Installation power source for low temperature environments such as in refrigerated / refrigerated warehouses and extremely cold areas; Installation power source for high temperature environments such as deserts; Installation power source for space environments such as space stations It is suitable as a medium / large battery.

以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらによって限定されるものではない。なお、特に断らない限り、充放電試験用の電極および二次電池の作製方法は、下記の通りである。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited by these. In addition, unless otherwise indicated, the manufacturing method of the electrode for a charging / discharging test and a secondary battery is as follows.

(1)電極(正極)の作製
電極活物質として後述する複合金属酸化物、導電材としてアセチレンブラック(電気化学工業株式会社製)、およびバインダーとしてPVDF(Polysciences社製、PolyVinylideneDiFluoride)を使用し、複合金属酸化物:アセチレンブラック:PVDF=8:1:1(重量比)の組成となるようにそれぞれ秤量した。その後、まず複合金属酸化物とアセチレンブラックをメノウ乳鉢で十分に混合して得られた混合物に、N−メチル−2−ピロリドン(NMP:東京化成工業株式会社製)を適量加え、さらにPVDFを加えて引き続き均一になるように混合して、スラリー化した。得られたスラリーを、集電体であるステンレスメッシュ上に塗布し、これを乾燥機に入れ、NMPを除去させながら、十分に乾燥することによって電極(正極)を得た。
(1) Production of electrode (positive electrode) Composite metal oxide described later as an electrode active material, acetylene black (manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) as a conductive material, and PVDF (manufactured by Polysciences, PolyVinyleneDiFluoride) as a binder Each was weighed so as to have a composition of metal oxide: acetylene black: PVDF = 8: 1: 1 (weight ratio). Thereafter, an appropriate amount of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP: manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) is first added to the mixture obtained by thoroughly mixing the composite metal oxide and acetylene black in an agate mortar, and then PVDF is added. Then, they were mixed so as to be uniform and slurried. The obtained slurry was applied onto a stainless mesh as a current collector, put in a drier, and sufficiently dried while removing NMP to obtain an electrode (positive electrode).

(2)電池の作製
ビーカーセル(高さ80mm、直径30mmの瓶を用いたもの)のリード線のクリップに正極を挟み、そして電解液、および負極としてのアルカリ金属を組み合わせて、電池を作製した。なお、電池の組み立てはアルゴン雰囲気のグローブボックス内で行った。
(2) Production of battery A battery was produced by sandwiching a positive electrode between clips of a lead wire of a beaker cell (a bottle having a height of 80 mm and a diameter of 30 mm) and combining an electrolyte and an alkali metal as a negative electrode. . The battery was assembled in a glove box in an argon atmosphere.

(3)粉末X線回折測定
測定は、株式会社リガク製の粉末X線回折測定装置RINT2500TTR型を用いて、以下の条件で行った:
X線 :CuKα
電圧−電流 :40kV−140mA
測定角度範囲:2θ=10〜90°
ステップ :0.02°
スキャンスピード:4°/分
(3) Powder X-ray diffraction measurement The measurement was performed under the following conditions using a powder X-ray diffraction measurement apparatus RINT2500TTR manufactured by Rigaku Corporation.
X-ray: CuKα
Voltage-current: 40 kV-140 mA
Measurement angle range: 2θ = 10-90 °
Step: 0.02 °
Scan speed: 4 ° / min

(4)走査型電子顕微鏡(SEM)観察
Carl Zeis社のFE-SEM(supra40)を使用し、加速電圧10kVの条件で測定した。
(4) Scanning electron microscope (SEM) observation
Measurement was carried out using a Carl Zeis FE-SEM (supra40) under an acceleration voltage of 10 kV.

製造例1
(1)複合金属酸化物の製造
金属含有化合物として、炭酸リチウム(Li2CO3:和光純薬工業株式会社製:純度99.8%)、および酸化コバルト(II、III)(Co34:株式会社高純度化学研究所製:純度99%)を用い、Li:Coのモル比が1.00:1.00となるように秤量し、乾式ボールミルで4時間にわたって混合して、金属含有化合物の混合物を得た。得られた金属含有化合物の混合物を、アルミナボートに充填し、電気炉を用いて空気雰囲気において加熱して700℃で12時間にわたって保持して焼成した。焼成は1回行った。このようにして製造例1のリチウム含有複合金属酸化物C1を得た。複合金属酸化物C1のX線回折測定結果及びSEM像をそれぞれ図1(a)、図2(a)に示す。
X線回折測定の結果、複合金属酸化物C1は、層状型結晶構造を有するLiCoO2であった。
Production Example 1
(1) Production of Composite Metal Oxide As a metal-containing compound, lithium carbonate (Li 2 CO 3 : Wako Pure Chemical Industries, Ltd .: purity 99.8%) and cobalt oxide (II, III) (Co 3 O 4 : Made by Kojundo Chemical Laboratories Co., Ltd .: purity 99%), weighed so that the molar ratio of Li: Co would be 1.00: 1.00, mixed for 4 hours with a dry ball mill, and contained metal A mixture of compounds was obtained. The obtained mixture of metal-containing compounds was filled in an alumina boat, heated in an air atmosphere using an electric furnace, held at 700 ° C. for 12 hours, and fired. Firing was performed once. In this way, lithium-containing composite metal oxide C1 of Production Example 1 was obtained. The X-ray diffraction measurement result and SEM image of the composite metal oxide C1 are shown in FIG. 1 (a) and FIG. 2 (a), respectively.
As a result of the X-ray diffraction measurement, the composite metal oxide C1 was LiCoO 2 having a layered crystal structure.

比較例1
(2)リチウム二次電池の充放電性能評価
複合金属酸化物C1を用いて電極を作製し、該電極をリチウム二次電池の正極として用い、電解液にLiClO4/PC(キシダ化学株式会社製)、対極にリチウム金属(本城金属株式会社製)を用いた電池を作製し、以下の条件で定電流充放電試験を実施した。
Comparative Example 1
(2) Evaluation of charge / discharge performance of lithium secondary battery An electrode was prepared using the composite metal oxide C1, the electrode was used as the positive electrode of the lithium secondary battery, and LiClO 4 / PC (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) was used as the electrolyte. ), A battery using lithium metal (manufactured by Honjo Metal Co., Ltd.) as a counter electrode was prepared, and a constant current charge / discharge test was performed under the following conditions.

充放電条件:
充電は、4.0Vまで0.1Cレート(10時間で完全充電する速度)でCC(コンスタントカレント:定電流)充電することにより行った。放電は、該充電速度と同じ速度で、CC放電を行い、電圧2.0Vでカットオフすることにより行った。次サイクル以降の充電、放電は、該充電速度と同じ速度で行い、1サイクル目と同様に、充電電圧4.0V、放電電圧2.0Vでカットオフした。
Charging / discharging conditions:
Charging was performed by CC (constant current: constant current) charging at a 0.1 C rate (a rate of complete charging in 10 hours) to 4.0 V. The discharge was performed by performing CC discharge at the same rate as the charge rate and cutting off at a voltage of 2.0V. Charging and discharging after the next cycle were performed at the same rate as the charging rate, and cut off at a charging voltage of 4.0 V and a discharging voltage of 2.0 V as in the first cycle.

この電池について、充放電1サイクル目の放電容量は、154mAh/gであり、充放電10サイクル目の放電容量を114mAh/gであった。充放電1サイクル目の放電容量に対する、充放電10サイクル目の放電容量の割合(放電容量維持率)は、74%であった。結果を表1に示す。   For this battery, the discharge capacity at the first charge / discharge cycle was 154 mAh / g, and the discharge capacity at the 10th charge / discharge cycle was 114 mAh / g. The ratio of the discharge capacity at the 10th charge / discharge cycle (discharge capacity retention ratio) to the discharge capacity at the first charge / discharge cycle was 74%. The results are shown in Table 1.

実施例1
(3)ナトリウム二次電池の充放電性能評価
複合金属酸化物C1を用いて電極を作製し、該電極をナトリウム二次電池の正極として用い、電解液にNaClO4/PC(キシダ化学株式会社製)、対極にナトリウム金属(アルドリッチ社製)を用いた電池を作製し、比較例1と同様の条件で定電流充放電試験を実施した。
この電池について、充放電1サイクル目の放電容量は、119mAh/gであり、充放電10サイクル目の放電容量を120mAh/gであった。充放電1サイクル目の放電容量に対する、充放電10サイクル目の放電容量の割合(放電容量維持率)は、101%であった。結果を表1に示す。
また、この電池の正極について、充放電1サイクル後、10サイクル後のX線回折測定結果をそれぞれ図1(b)、図1(c)に示す。X線回折測定の結果から、複合金属酸化物C1におけるLiCoO2は、充放電サイクルを行うことにより、層状構造を有するNaxCoO2(但し、0.6≦x≦0.9)に変化することが分かった。
また、充放電1サイクル後のSEM像を図2(b)に示すが、充放電サイクル前の複合金属酸化物C1(図2(a))と比較して、粒子表面や形態に目立った変化は確認されなかった。
Example 1
(3) Evaluation of charge / discharge performance of sodium secondary battery An electrode was prepared using the composite metal oxide C1, the electrode was used as the positive electrode of the sodium secondary battery, and NaClO 4 / PC (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) was used as the electrolyte. ), A battery using sodium metal (manufactured by Aldrich) as a counter electrode was produced, and a constant current charge / discharge test was performed under the same conditions as in Comparative Example 1.
For this battery, the discharge capacity at the first charge / discharge cycle was 119 mAh / g, and the discharge capacity at the 10th charge / discharge cycle was 120 mAh / g. The ratio of the discharge capacity at the 10th charge / discharge cycle (discharge capacity retention ratio) to the discharge capacity at the 1st charge / discharge cycle was 101%. The results are shown in Table 1.
Moreover, about the positive electrode of this battery, after 1 cycle of charging / discharging, the X-ray-diffraction measurement result after 10 cycles is shown in FIG.1 (b) and FIG.1 (c), respectively. From the result of X-ray diffraction measurement, LiCoO 2 in the composite metal oxide C1 is changed to Na x CoO 2 having a layered structure (provided that 0.6 ≦ x ≦ 0.9) by performing a charge / discharge cycle. I understood that.
Moreover, although the SEM image after 1 cycle of charging / discharging is shown in FIG.2 (b), compared with the composite metal oxide C1 (Fig.2 (a)) before charging / discharging cycle, the change which was conspicuous in the particle | grain surface and form Was not confirmed.

製造例2
(1)複合金属酸化物の製造
金属含有化合物として、炭酸ナトリウム(Na2CO3:和光純薬工業株式会社製:純度99.8%)、および酸化コバルト(II、III)(Co34:株式会社高純度化学研究所製:純度99%)を用い、Na:Coのモル比が1.00:1.00となるように秤量し、乾式ボールミルで4時間にわたって混合して、金属含有化合物の混合物を得た。得られた金属含有化合物の混合物を、アルミナボートに充填し、電気炉を用いて空気雰囲気において加熱して800℃で24時間にわたって保持して焼成した。焼成は1回行った。このようにして製造例2のナトリウム含有複合金属酸化物C2を得た。
X線回折測定の結果、複合金属酸化物C2は、層状型結晶構造を有するNaCoO2であった。
Production Example 2
(1) Production of Composite Metal Oxide As a metal-containing compound, sodium carbonate (Na 2 CO 3 : Wako Pure Chemical Industries, Ltd .: purity 99.8%) and cobalt oxide (II, III) (Co 3 O 4 : Made by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd .: purity 99%), weighed so that the molar ratio of Na: Co would be 1.00: 1.00, mixed for 4 hours with a dry ball mill, and contained metal A mixture of compounds was obtained. The obtained mixture of metal-containing compounds was filled in an alumina boat, heated in an air atmosphere using an electric furnace, held at 800 ° C. for 24 hours, and fired. Firing was performed once. In this way, sodium-containing composite metal oxide C2 of Production Example 2 was obtained.
As a result of the X-ray diffraction measurement, the composite metal oxide C2 was NaCoO 2 having a layered crystal structure.

比較例2
(2)ナトリウム二次電池の充放電性能評価
複合金属酸化物C2を用いて電極を作製し、該電極をナトリウム二次電池の正極として用い、電解液にNaClO4/PC(キシダ化学株式会社製)、対極にナトリウム金属(アルドリッチ社製)を用いた電池を作製し、以下の条件で定電流充放電試験を実施した。
Comparative Example 2
(2) Evaluation of charge / discharge performance of sodium secondary battery An electrode was prepared using the composite metal oxide C2, the electrode was used as the positive electrode of the sodium secondary battery, and NaClO 4 / PC (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) was used as the electrolyte. ), A battery using sodium metal (manufactured by Aldrich) as a counter electrode was prepared, and a constant current charge / discharge test was performed under the following conditions.

充放電条件:
充電は、4.0Vまで0.1Cレート(10時間で完全充電する速度)でCC(コンスタントカレント:定電流)充電することにより行った。放電は、該充電速度と同じ速度で、CC放電を行い、電圧2.0Vでカットオフすることにより行った。次サイクル以降の充電、放電は、該充電速度と同じ速度で行い、1サイクル目と同様に、充電電圧4.0V、放電電圧2.0Vでカットオフした。
Charging / discharging conditions:
Charging was performed by CC (constant current: constant current) charging at a 0.1 C rate (a rate of complete charging in 10 hours) to 4.0 V. The discharge was performed by performing CC discharge at the same rate as the charge rate and cutting off at a voltage of 2.0V. Charging and discharging after the next cycle were performed at the same rate as the charging rate, and cut off at a charging voltage of 4.0 V and a discharging voltage of 2.0 V as in the first cycle.

この電池について、充放電1サイクル目の放電容量は、115mAh/gであり、充放電10サイクル目の放電容量を104mAh/gであった。充放電1サイクル目の放電容量に対する、充放電10サイクル目の放電容量の割合(放電容量維持率)は、90%であった。結果を表1に示す。   With respect to this battery, the discharge capacity at the first charge / discharge cycle was 115 mAh / g, and the discharge capacity at the 10th charge / discharge cycle was 104 mAh / g. The ratio of the discharge capacity at the 10th charge / discharge cycle (discharge capacity maintenance ratio) to the discharge capacity at the first charge / discharge cycle was 90%. The results are shown in Table 1.

市販品1
(1)複合金属酸化物の評価
リチウム含有複合金属酸化物C3として、株式会社日本化学工業製のLiCo0.33Mn0.33Ni0.332を使用した。複合金属酸化物C3のX線回折測定結果を図3(a)に示す。X線回折測定の結果、複合金属酸化物C3は、層状型結晶構造を有するLiCo0.33Mn0.33Ni0.332であることが確認された。
Commercial product 1
(1) Evaluation of composite metal oxide LiCo 0.33 Mn 0.33 Ni 0.33 O 2 manufactured by Nippon Chemical Industry Co., Ltd. was used as the lithium-containing composite metal oxide C3. The X-ray diffraction measurement result of the composite metal oxide C3 is shown in FIG. As a result of X-ray diffraction measurement, it was confirmed that the composite metal oxide C3 was LiCo 0.33 Mn 0.33 Ni 0.33 O 2 having a layered crystal structure.

比較例3
(2)リチウム二次電池の充放電性能評価
複合金属酸化物C3を用いて電極を作製し、該電極をリチウム二次電池の正極として用い、電解液にLiClO4/PC(キシダ化学株式会社製)、対極にリチウム金属(本城金属株式会社製)を用いた電池を作製し、比較例1と同様の条件で定電流充放電試験を実施した。この電池について、充放電1サイクル目の放電容量は、150mAh/gであり、充放電10サイクル目の放電容量を95mAh/gであった。充放電1サイクル目の放電容量に対する、充放電10サイクル目の放電容量の割合(放電容量維持率)は、63%であった。結果を表1に示す。
Comparative Example 3
(2) Evaluation of charge / discharge performance of lithium secondary battery An electrode was prepared using the composite metal oxide C3, the electrode was used as the positive electrode of the lithium secondary battery, and LiClO 4 / PC (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) was used as the electrolyte. ), A battery using lithium metal (manufactured by Honjo Metal Co., Ltd.) as a counter electrode was prepared, and a constant current charge / discharge test was performed under the same conditions as in Comparative Example 1. For this battery, the discharge capacity at the first charge / discharge cycle was 150 mAh / g, and the discharge capacity at the 10th charge / discharge cycle was 95 mAh / g. The ratio of the discharge capacity at the 10th charge / discharge cycle (discharge capacity maintenance ratio) to the discharge capacity at the first charge / discharge cycle was 63%. The results are shown in Table 1.

実施例2
(3)ナトリウム二次電池の充放電性能評価
複合金属酸化物C3を用いて電極を作製し、該電極をナトリウム二次電池の正極として用い、電解液にNaClO4/PC(キシダ化学株式会社製)、対極にナトリウム金属(アルドリッチ社製)を用いた電池を作製し、比較例1と同様の条件で定電流充放電試験を実施した。この電池について、充放電1サイクル目の放電容量は、142mAh/gであり、充放電10サイクル目の放電容量を155mAh/gであった。充放電1サイクル目の放電容量に対する、充放電10サイクル目の放電容量の割合(放電容量維持率)は、109%であった。結果を表1に示す。
また、この電池の正極について、充放電1サイクル後、10サイクル後のX線回折測定結果をそれぞれ図3(b)、図3(c)に示す。X線回折測定の結果から、複合金属酸化物C1におけるLiCo0.33Mn0.33Ni0.332は、充放電サイクルを行うことにより、層状構造を有するNaxMnO2(但し、x≒1)に変化することが分かった。
また、充放電1サイクル後のSEM像を図4(b)に示すが、充放電サイクル前の複合金属酸化物C3(図4(a))と比較して、粒子表面や形態に目立った変化は確認されなかった。
Example 2
(3) Evaluation of charge / discharge performance of sodium secondary battery An electrode was prepared using the composite metal oxide C3, the electrode was used as the positive electrode of the sodium secondary battery, and NaClO 4 / PC (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) was used as the electrolyte. ), A battery using sodium metal (manufactured by Aldrich) as a counter electrode was produced, and a constant current charge / discharge test was performed under the same conditions as in Comparative Example 1. With respect to this battery, the discharge capacity at the first charge / discharge cycle was 142 mAh / g, and the discharge capacity at the 10th charge / discharge cycle was 155 mAh / g. The ratio of the discharge capacity at the 10th charge / discharge cycle (discharge capacity maintenance ratio) to the discharge capacity at the first charge / discharge cycle was 109%. The results are shown in Table 1.
Moreover, about the positive electrode of this battery, the X-ray-diffraction measurement result after 10 cycles after charging / discharging is shown in FIG.3 (b) and FIG.3 (c), respectively. From the result of the X-ray diffraction measurement, LiCo 0.33 Mn 0.33 Ni 0.33 O 2 in the composite metal oxide C1 changes to Na x MnO 2 having a layered structure (however, x≈1) by performing a charge / discharge cycle. I understood that.
Moreover, although the SEM image after 1 cycle of charging / discharging is shown in FIG.4 (b), compared with the composite metal oxide C3 (Fig.4 (a)) before charging / discharging cycle, the change which was conspicuous in the particle | grain surface and form Was not confirmed.

製造例3
(1)複合金属酸化物の製造
金属含有化合物として、炭酸リチウム(Li2CO3:和光純薬工業株式会社製:純度99.8%)、および酸化マンガン(II、III)(Mn23:株式会社高純度化学研究所製:純度99%)を用い、Li:Mnのモル比が1.00:2.00となるように秤量し、乾式ボールミルで4時間にわたって混合して、金属含有化合物の混合物を得た。得られた金属含有化合物の混合物を、アルミナボートに充填し、電気炉を用いて空気雰囲気において加熱して700℃で12時間にわたって保持して焼成した。焼成は1回行った。このようにして製造例3のリチウム含有複合金属酸化物C4を得た。複合金属酸化物C4のX線回折測定結果を図5(a)に示す。X線回折測定の結果、複合金属酸化物C4は、スピネル型結晶構造を有するLiMn24であった。
Production Example 3
(1) Production of composite metal oxide As metal-containing compounds, lithium carbonate (Li 2 CO 3 : Wako Pure Chemical Industries, Ltd .: purity 99.8%) and manganese oxide (II, III) (Mn 2 O 3 : 99% pure purity chemical laboratory Co., Ltd.), weighed so that the molar ratio of Li: Mn is 1.00: 2.00, mixed for 4 hours in a dry ball mill, and contained metal A mixture of compounds was obtained. The obtained mixture of metal-containing compounds was filled in an alumina boat, heated in an air atmosphere using an electric furnace, held at 700 ° C. for 12 hours, and fired. Firing was performed once. Thus, the lithium-containing composite metal oxide C4 of Production Example 3 was obtained. FIG. 5A shows the X-ray diffraction measurement result of the composite metal oxide C4. As a result of the X-ray diffraction measurement, the composite metal oxide C4 was LiMn 2 O 4 having a spinel crystal structure.

比較例4
(2)リチウム二次電池の充放電性能評価
複合金属酸化物C4を用いて電極を作製し、該電極をリチウム二次電池の正極として用い、電解液にLiClO4/PC(キシダ化学株式会社製)、対極にリチウム金属(本城金属株式会社製)を用いた電池を作製し、比較例1と同様の条件で定電流充放電試験を実施した。この電池について、充放電1サイクル目の放電容量は、250mAh/gであり、充放電10サイクル目の放電容量を64mAh/gであった。充放電1サイクル目の放電容量に対する、充放電10サイクル目の放電容量の割合(放電容量維持率)は、25%であった。結果を表1に示す。
Comparative Example 4
(2) Evaluation of charge / discharge performance of lithium secondary battery An electrode was prepared using the composite metal oxide C4, the electrode was used as the positive electrode of the lithium secondary battery, and LiClO 4 / PC (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) ), A battery using lithium metal (manufactured by Honjo Metal Co., Ltd.) as a counter electrode was prepared, and a constant current charge / discharge test was performed under the same conditions as in Comparative Example 1. For this battery, the discharge capacity at the first charge / discharge cycle was 250 mAh / g, and the discharge capacity at the 10th charge / discharge cycle was 64 mAh / g. The ratio of the discharge capacity at the 10th charge / discharge cycle (discharge capacity retention ratio) to the discharge capacity at the first charge / discharge cycle was 25%. The results are shown in Table 1.

実施例3
(3)ナトリウム二次電池の充放電性能評価
複合金属酸化物C4を用いて電極を作製し、該電極をナトリウム二次電池の正極として用い、電解液にNaClO4/PC(キシダ化学株式会社製)、対極にナトリウム金属(アルドリッチ社製)を用いた電池を作製し、比較例1と同様の条件で定電流充放電試験を実施した。この電池について、充放電1サイクル目の放電容量は、199mAh/gであり、充放電10サイクル目の放電容量を190mAh/gであった。充放電1サイクル目の放電容量に対する、充放電10サイクル目の放電容量の割合(放電容量維持率)は、95%であった。結果を表1に示す。
また、この電池の正極について、充放電1サイクル後、10サイクル後のX線回折測定結果をそれぞれ図5(b)、図5(c)に示す。X線回折測定の結果から、複合金属酸化物C4におけるLiMn24は、充放電サイクルを行うことにより、層状構造を有するNaMnO2に変化することが分かった。
また、充放電1サイクル後のSEM像を図6(b)に示すが、充放電サイクル前の複合金属酸化物C4(図6(a))と比較して、粒子表面や形態に目立った変化は確認されなかった。
Example 3
(3) Evaluation of charge / discharge performance of sodium secondary battery An electrode was prepared using the composite metal oxide C4, the electrode was used as the positive electrode of the sodium secondary battery, and NaClO 4 / PC (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) was used as the electrolyte. ), A battery using sodium metal (manufactured by Aldrich) as a counter electrode was produced, and a constant current charge / discharge test was performed under the same conditions as in Comparative Example 1. For this battery, the discharge capacity at the first charge / discharge cycle was 199 mAh / g, and the discharge capacity at the 10th charge / discharge cycle was 190 mAh / g. The ratio of the discharge capacity at the 10th charge / discharge cycle (discharge capacity retention ratio) to the discharge capacity at the first charge / discharge cycle was 95%. The results are shown in Table 1.
Moreover, about the positive electrode of this battery, the X-ray-diffraction measurement result after 10 cycles after charging / discharging is shown in FIG.5 (b) and FIG.5 (c), respectively. From the result of the X-ray diffraction measurement, it was found that LiMn 2 O 4 in the composite metal oxide C4 changed to NaMnO 2 having a layered structure by performing a charge / discharge cycle.
Moreover, although the SEM image after 1 cycle of charging / discharging is shown in FIG.6 (b), compared with the composite metal oxide C4 (Fig.6 (a)) before charging / discharging cycle, the change which was conspicuous in the particle | grain surface and form Was not confirmed.

製造例4
(1)複合金属酸化物の製造
金属含有化合物として、炭酸ナトリウム(Na2CO3:和光純薬工業株式会社製:純度99.8%)、および酸化マンガン(II、III)(Mn23:株式会社高純度化学研究所製:純度99%)を用い、Na:Mnのモル比が1.00:1.00となるように秤量し、乾式ボールミルで4時間にわたって混合して、金属含有化合物の混合物を得た。得られた金属含有化合物の混合物を、アルミナボートに充填し、電気炉を用いて空気雰囲気において加熱して800℃で24時間にわたって保持して焼成した。焼成は1回行った。 このようにして製造例4のナトリウム含有複合金属酸化物C5を得た。複合金属酸化物C5のX線回折測定結果を図5(d)に示す。X線回折測定の結果、複合金属酸化物C5は、層状型結晶構造を有するNaMnO2であった。
Production Example 4
(1) Production of composite metal oxide As metal-containing compounds, sodium carbonate (Na 2 CO 3 : Wako Pure Chemical Industries, Ltd .: purity 99.8%), and manganese oxide (II, III) (Mn 2 O 3 : Made by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd .: purity 99%), weighed so that the molar ratio of Na: Mn was 1.00: 1.00, mixed for 4 hours with a dry ball mill, and contained metal A mixture of compounds was obtained. The obtained mixture of metal-containing compounds was filled in an alumina boat, heated in an air atmosphere using an electric furnace, held at 800 ° C. for 24 hours, and fired. Firing was performed once. Thus, sodium-containing composite metal oxide C5 of Production Example 4 was obtained. FIG. 5D shows the X-ray diffraction measurement result of the composite metal oxide C5. As a result of the X-ray diffraction measurement, the composite metal oxide C5 was NaMnO 2 having a layered crystal structure.

比較例5
(2)ナトリウム二次電池の充放電性能評価
複合金属酸化物C5を用いて電極を作製し、該電極をナトリウム二次電池の正極として用い、電解液にNaClO4/PC(キシダ化学株式会社製)、対極にナトリウム金属(アルドリッチ社製)を用いた電池を作製し、比較例2と同様の条件で定電流充放電試験を実施した。この電池について、充放電1サイクル目の放電容量は、156mAh/gであり、充放電10サイクル目の放電容量を92mAh/gであった。充放電1サイクル目の放電容量に対する、充放電10サイクル目の放電容量の割合(放電容量維持率)は、59%であった。結果を表1に示す。
Comparative Example 5
(2) Evaluation of charge / discharge performance of sodium secondary battery An electrode was prepared using the composite metal oxide C5, the electrode was used as the positive electrode of the sodium secondary battery, and NaClO 4 / PC (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) was used as the electrolyte. ), A battery using sodium metal (manufactured by Aldrich) as a counter electrode was produced, and a constant current charge / discharge test was performed under the same conditions as in Comparative Example 2. With respect to this battery, the discharge capacity at the first charge / discharge cycle was 156 mAh / g, and the discharge capacity at the 10th charge / discharge cycle was 92 mAh / g. The ratio of the discharge capacity at the 10th charge / discharge cycle (discharge capacity retention ratio) to the discharge capacity at the first charge / discharge cycle was 59%. The results are shown in Table 1.

本発明のナトリウム二次電池は、充放電を繰り返しても大きな放電容量が得られ、重量当たりの放電容量が大きく、また、高価なリチウムの使用量を低減することができる。
さらに、大掛かりな乾燥設備などを必要することなく、大気雰囲気中などで容易に電極や電池の作製ができるため、本発明は工業的に極めて有用である。
The sodium secondary battery of the present invention can provide a large discharge capacity even after repeated charge and discharge, has a large discharge capacity per weight, and can reduce the amount of expensive lithium used.
Furthermore, the present invention is extremely useful industrially because an electrode and a battery can be easily produced in an air atmosphere or the like without requiring a large drying facility.

Claims (2)

正極、負極およびナトリウムイオンを主に含有する非水電解質を用いるナトリウム二次電池であって、
前記正極が、以下の式(1)で表されるリチウム含有複合金属酸化物を含む活物質を有する電極であることを特徴とするナトリウム二次電池。
Liabcd (1)
(式(1)において、AはNaおよびKからなる群より選ばれる1種以上の元素、Mは1種以上の遷移金属元素を表し、0<a≦1.5、0≦b<1.5、0<c≦3、0<d≦6、かつ、0<a+b≦1.5である。)
A sodium secondary battery using a positive electrode, a negative electrode and a non-aqueous electrolyte mainly containing sodium ions,
The sodium secondary battery, wherein the positive electrode is an electrode having an active material containing a lithium-containing composite metal oxide represented by the following formula (1).
Li a A b M c O d (1)
(In Formula (1), A represents one or more elements selected from the group consisting of Na and K, M represents one or more transition metal elements, and 0 <a ≦ 1.5, 0 ≦ b <1. 5, 0 <c ≦ 3, 0 <d ≦ 6, and 0 <a + b ≦ 1.5.)
前記式(1)で表されるリチウム含有複合金属酸化物の結晶構造が、層状型結晶構造および/またはスピネル型結晶構造である請求項1に記載のナトリウム二次電池。   2. The sodium secondary battery according to claim 1, wherein a crystal structure of the lithium-containing composite metal oxide represented by the formula (1) is a layered crystal structure and / or a spinel crystal structure.
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