JP2013171798A - Negative electrode material for sodium secondary battery, method for producing the same, negative electrode for sodium secondary battery, sodium secondary battery, and electrical equipment including the same - Google Patents

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哲男 境
Masaki Yamaguchi
正起 山口
Yoshiyasu Ueda
宜保 上田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a negative electrode material for a sodium secondary battery, capable of exhibiting excellent cycle characteristics while maintaining high discharge capacity.SOLUTION: A negative electrode material for a sodium secondary battery according to the present invention includes soft carbon fired at 500-1,500°C. Specifically, the negative electrode material comprises: a simple substance of the soft carbon; the soft carbon having a surface on which a carbon coating film is formed; the soft carbon coated on a surface of a substance capable of being alloyed with sodium; or the like.

Description

本発明は、ナトリウム二次電池用負極材料及びその製造方法、並びにナトリウム二次電池用負極、ナトリウム二次電池及びこれを用いた電気機器に関する。   The present invention relates to a negative electrode material for a sodium secondary battery and a method for producing the same, and a negative electrode for a sodium secondary battery, a sodium secondary battery, and an electric device using the same.

リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池等のリチウム二次電池は、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池等と比較して高電圧、高容量を有し、しかも軽量である。そのため、近年では、移動体通信機器、携帯用電子機器、電動自転車、電動二輪車、電気自動車等の主電源としての利用が拡大している。
例えば、現行のリチウムイオン電池は、一般に正極にはコバルト酸リチウム(LiCoO)、ニッケル酸リチウム(LiNiO)、燐酸鉄リチウム(LiFePO)等のリチウム含有遷移金属複合酸化物が用いられ、負極には、リチウムの吸蔵および放出が可能なグラファイト、ハードカーボン等が用いられる。また、リチウムイオン電池に使用される電解液は、主として、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)等の環状カーボネートと、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、メチルエチルカーボネート(MEC)等の鎖状カーボネートとの混合有機溶媒に四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF)、六フッ化リン酸リチウム(LiPF)、六フッ化砒酸リチウム(LiAsF)、過塩素酸リチウム(LiClO)、リチウムビストリフルオロメタンスルホニルアミド(LiN(CFSO)、三フッ化メタンスルホン酸リチウム(LiCFSO)等の電解質塩を溶解させたものが使用されている。
Lithium secondary batteries such as lithium ion batteries and lithium polymer batteries have a higher voltage and a higher capacity and are lighter than nickel cadmium batteries and nickel metal hydride batteries. Therefore, in recent years, the use as a main power source for mobile communication devices, portable electronic devices, electric bicycles, electric motorcycles, electric vehicles and the like has been expanded.
For example, current lithium ion batteries generally use lithium-containing transition metal composite oxides such as lithium cobaltate (LiCoO 2 ), lithium nickelate (LiNiO 2 ), and lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) as the positive electrode. For this, graphite, hard carbon or the like capable of inserting and extracting lithium is used. In addition, electrolytes used for lithium ion batteries are mainly cyclic carbonates such as propylene carbonate (PC) and ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), and methyl ethyl carbonate (MEC). Lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium hexafluoroarsenate (LiAsF 6 ), lithium perchlorate (LiClO 4) ), Lithium bistrifluoromethanesulfonylamide (LiN (CF 3 SO 2 ) 2 ), lithium trifluoromethanesulfonate (LiCF 3 SO 3 ), and other electrolyte salts are used.

現状のリチウムイオン電池が抱える大きな問題点として、リチウム資源の地域的な偏在が挙げられる。このような実情から、近年、リチウムイオンの代わりにナトリウムイオンを利用した非水電解質二次電池の研究が始められている。ナトリウムは海水中に豊富に含まれ、地球上で6番目に多い元素であり、安価で、入手しやすい元素である。つまり、近年のレアアースフリーの流れからも非常に魅力的な元素といえる。また、負極の集電体は、リチウムイオン電池では銅箔を用いるが、ナトリウムイオン電池では安価なアルミニウム箔が使用できるというメリットもある。また、ナトリウムは、リチウムと同様のアルカリ金属元素であり、性質が似ており、ナトリウムイオン電池の理論自体は、古くから検討されている。   A major problem with current lithium ion batteries is the uneven distribution of lithium resources. In recent years, research on non-aqueous electrolyte secondary batteries using sodium ions instead of lithium ions has begun. Sodium is abundant in seawater, the sixth most abundant element on earth, and is an inexpensive and readily available element. In other words, it can be said to be a very attractive element from the recent rare earth-free trend. The negative electrode current collector uses a copper foil in a lithium ion battery, but has an advantage that an inexpensive aluminum foil can be used in a sodium ion battery. Further, sodium is an alkali metal element similar to lithium and has similar properties, and the theory of sodium ion batteries has been studied for a long time.

しかし、ナトリウムイオン電池は大きな課題を有する。
例えば、リチウムイオン電池は、リチウムイオンが負極活物質であるグラファイトと正極活物質であるLiCoO等のリチウム含有遷移金属酸化物間を相互に移動し、各々の材料の分子間に移動するインターカレーション現象を起こすことで充放電を行う。グラファイトは、層状の分子構造であり、この層間にリチウムイオンが出入りしてもグラファイトの構造が破壊されることが少ない。また、理論上372mAh/gのリチウムイオンが吸蔵できる。
しかし、ナトリウムイオンは、イオン半径が大きく、グラファイト層間に進入できないため、容量を示さない。
However, sodium ion batteries have significant challenges.
For example, a lithium ion battery is an intercalation in which lithium ions move between lithium-containing transition metal oxides such as graphite as a negative electrode active material and LiCoO 2 as a positive electrode active material, and move between molecules of each material. Charging / discharging is performed by causing a phenomenon. Graphite has a layered molecular structure, and the structure of graphite is rarely destroyed even when lithium ions enter and exit between the layers. Theoretically, 372 mAh / g of lithium ions can be occluded.
However, since sodium ions have a large ionic radius and cannot enter between graphite layers, they do not exhibit capacity.

特許文献1には、アルカリ金属を負極材料とした二次電池の発明が開示されている。具体的には、アルカリ金属としてリチウム金属を用いることが記載されているが、例えば、アルカリ金属としてナトリウム金属(Na)を負極材料とすれば、理論的には、高い容量が得られることが予想される。しかし、ナトリウム金属(Na)を負極材料とした場合、充電時に負極にデンドライトが析出し、充放電を繰り返すことによって正極側に達して、内部短絡の現象が起こるという大きな欠点がある。また、析出したデンドライトは、比表面積が大きいために反応活性度が高く、その表面で電子伝導性のない溶媒の分解生成物からなる界面被膜が形成され、これにより電池の内部抵抗が高くなって充放電効率の低下を生じる。このような理由により、ナトリウム金属を用いるナトリウムイオン電池は、信頼性が低く、サイクル寿命が短いという欠点がある。   Patent Document 1 discloses an invention of a secondary battery using an alkali metal as a negative electrode material. Specifically, it is described that lithium metal is used as the alkali metal. For example, if sodium metal (Na) is used as the negative electrode material as the alkali metal, it is theoretically expected that a high capacity can be obtained. Is done. However, when sodium metal (Na) is used as the negative electrode material, there is a great disadvantage that dendrites are deposited on the negative electrode during charging and reach the positive electrode side by repeating charging and discharging, causing an internal short circuit phenomenon. In addition, the deposited dendrites have high reaction activity due to their large specific surface area, and an interfacial film consisting of a decomposition product of a solvent having no electron conductivity is formed on the surface, thereby increasing the internal resistance of the battery. Reduces charge / discharge efficiency. For these reasons, sodium ion batteries using sodium metal have the disadvantages of low reliability and short cycle life.

このような背景から、ナトリウムイオン二次電池において、ナトリウム金属以外の材料からなり、内部短絡が起こらないような負極材料が望まれている。
特許文献2には、負極に直径0.1μm〜1.0μmの繊維状炭素材料を用いたナトリウムイオン二次電池に関する発明が記載されている。
しかし、特許文献2に記載される直繊維状炭素材料を用いた負極の場合、サイクル寿命は良好であるが、エネルギー密度が小さいという問題がある。
From such a background, a negative electrode material that is made of a material other than sodium metal and does not cause an internal short circuit is desired in a sodium ion secondary battery.
Patent Document 2 describes an invention relating to a sodium ion secondary battery using a fibrous carbon material having a diameter of 0.1 μm to 1.0 μm as a negative electrode.
However, in the case of the negative electrode using the straight fibrous carbon material described in Patent Document 2, the cycle life is good, but there is a problem that the energy density is small.

特許文献3及び非特許文献1には、ナトリウムイオン二次電池において、ハードカーボン電極を用いることが記載されている。
しかし、ハードカーボンは、0V(vs.Na/Na)付近で充填プラトーを有することから、高速充電や低温環境での充填を行うと、ナトリウムデントライトが負極表面に析出する可能性が高いという問題がある。
Patent Document 3 and Non-Patent Document 1 describe using a hard carbon electrode in a sodium ion secondary battery.
However, since hard carbon has a filling plateau near 0 V (vs. Na + / Na), it is highly likely that sodium dentite will precipitate on the negative electrode surface when fast charging or filling in a low temperature environment is performed. There's a problem.

特許文献4には、Sn単体またはGe単体を含む負極を用いた非水電解質二次電池において、非水電解質にナトリウムイオンが含まれる例が開示されている。
しかし、特許文献4に記載されるSn単体またはGe単体を含む負極の場合、充電・放電時に起こるナトリウム吸蔵・放出により、大きな体積膨張・収縮を生じる。その結果、電極そのものが瓦解することがあり、サイクル寿命が悪いという問題がある。
Patent Document 4 discloses an example in which sodium ions are contained in a nonaqueous electrolyte in a nonaqueous electrolyte secondary battery using a negative electrode containing Sn alone or Ge alone.
However, in the case of the negative electrode containing Sn alone or Ge alone described in Patent Document 4, large volume expansion / contraction occurs due to sodium occlusion / release occurring during charging / discharging. As a result, there is a problem that the electrode itself may be broken and the cycle life is poor.

特開昭58−73968号公報JP 58-73968 A 特開平3−155062号公報Japanese Patent Laid-Open No. 3-155062 WO2010/109889A1WO2010 / 109889A1 特開2006−244976号公報JP 2006-244976 A

村田渉ほか、ナトリウムイオン電池用ハードカーボン、第50回電池討論会,1D05,pp.233,2009年11月30日発行Murata Wataru et al., Hard Carbon for Sodium Ion Battery, 50th Battery Discussion Meeting, 1D05, pp. 233, issued on November 30, 2009

本発明は、上記従来技術の現状に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、高い放電容量を維持しつつ、優れたサイクル特性を発揮できるナトリウム二次電池用負極材料及びその製造方法、並びにナトリウム二次電池用負極、ナトリウム二次電池及びこれを用いた電気機器を提供することにある。   The present invention has been made in view of the current state of the prior art, and its main object is a negative electrode material for sodium secondary batteries capable of exhibiting excellent cycle characteristics while maintaining a high discharge capacity, and a method for producing the same. And a negative electrode for a sodium secondary battery, a sodium secondary battery, and an electric device using the same.

本発明に係るナトリウム二次電池用負極材料は、500〜1500℃で焼成されたソフトカーボン(以下、「本ソフトカーボン」と称す場合がある。)を含むものである。
本発明に係るナトリウム二次電池用負極材料には、本ソフトカーボン単体からなるもの、本ソフトカーボンの表面にカーボン被覆膜が形成されているもの、ナトリウムと合金化し得る物質の表面に本ソフトカーボンが被覆されているもの、等が含まれる。
The negative electrode material for a sodium secondary battery according to the present invention contains soft carbon baked at 500 to 1500 ° C. (hereinafter sometimes referred to as “the present soft carbon”).
The negative electrode material for a sodium secondary battery according to the present invention is composed of the present soft carbon alone, a carbon coating film formed on the surface of the present soft carbon, and the present soft carbon on the surface of a substance that can be alloyed with sodium. Examples include those coated with carbon.

本発明に係るナトリウム二次電池用負極材料の製造方法は、本ソフトカーボンの表面にカーボンを被覆することにより、本ソフトカーボンとカーボンからなる複合粉末を形成する、という方法からなる。
ここで、前記複合粉末は、本ソフトカーボンを、カーボン前駆体を含む非酸化性ガス雰囲気下で加熱する熱処理を施すことによって形成することが好ましい。
本発明に係るナトリウム二次電池用負極材料の製造方法の別の態様は、ナトリウムと合金化し得る物質の表面に本ソフトカーボンを被覆することにより、前記物質と本ソフトカーボンからなる複合粉末を形成する、という方法からなる。
ここで、前記複合粉末は、ナトリウムと合金化し得る物質と本ソフトカーボンとをメカニカルミリング処理することにより形成することが好ましい。
The method for producing a negative electrode material for a sodium secondary battery according to the present invention comprises a method of forming a composite powder composed of the present soft carbon and carbon by coating the surface of the present soft carbon with carbon.
Here, the composite powder is preferably formed by subjecting the soft carbon to a heat treatment in which the soft carbon is heated in a non-oxidizing gas atmosphere containing a carbon precursor.
Another aspect of the method for producing a negative electrode material for a sodium secondary battery according to the present invention is to form a composite powder comprising the substance and the soft carbon by coating the soft carbon on the surface of the substance that can be alloyed with sodium. It consists of the method of doing.
Here, the composite powder is preferably formed by mechanically milling a substance that can be alloyed with sodium and the present soft carbon.

本発明に係るナトリウム二次電池用負極は、上記ナトリウム二次電池用負極材料を用いた負極、或いは、上記製造方法により得られたナトリウム二次電池用負極材料を用いた負極である。
本発明に係るナトリウム二次電池用負極は、ポリイミドからなるバインダーを5〜30質量%含むことが好ましい。また、ステンレス鋼からなる集電体を備えることが好ましい。
The negative electrode for a sodium secondary battery according to the present invention is a negative electrode using the negative electrode material for a sodium secondary battery or a negative electrode using a negative electrode material for a sodium secondary battery obtained by the above production method.
It is preferable that the negative electrode for sodium secondary batteries which concerns on this invention contains 5-30 mass% of binders which consist of polyimides. Moreover, it is preferable to provide the electrical power collector which consists of stainless steel.

本発明に係るナトリウム二次電池用負極の製造方法は、ポリイミドからなるバインダーを5〜30質量%含むナトリウム二次電池用負極の製造方法において、非酸化性雰囲気下、温度200〜400℃で前記ポリイミドを熱架橋する工程を含むものである。   The manufacturing method of the negative electrode for sodium secondary batteries which concerns on this invention is a manufacturing method of the negative electrode for sodium secondary batteries containing 5-30 mass% of the binder which consists of polyimides, The temperature is 200-400 degreeC by non-oxidizing atmosphere. It includes a step of thermally cross-linking polyimide.

本発明に係るナトリウム二次電池は、上記したナトリウム二次電池用負極を用いたものである。
本発明に係るナトリウム二次電池は、グラファイト正極を用いたものであることが好ましい。また、カットオフ電位の下限値がNa/Naを基準として0.05V以上であることが好ましい。
本発明に係る電気機器は、これらのナトリウム二次電池を用いたものである。
The sodium secondary battery according to the present invention uses the above-described negative electrode for a sodium secondary battery.
The sodium secondary battery according to the present invention preferably uses a graphite positive electrode. Moreover, it is preferable that the lower limit value of the cut-off potential is 0.05 V or more with respect to Na + / Na.
The electric apparatus according to the present invention uses these sodium secondary batteries.

本発明によれば、高い放電容量を維持しつつ、優れたサイクル特性を発揮できるナトリウム二次電池用負極材料及びその製造方法、並びにナトリウム二次電池用負極、ナトリウム二次電池及びこれを用いた電気機器を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the negative electrode material for sodium secondary batteries which can exhibit the outstanding cycling characteristics, maintaining its high discharge capacity, its manufacturing method, the negative electrode for sodium secondary batteries, a sodium secondary battery, and this were used. Electrical equipment can be provided.

実施例3の負極材料(ソフトカーボン3)を用いた電極の充放電曲線を示した図である。It is the figure which showed the charging / discharging curve of the electrode using the negative electrode material (soft carbon 3) of Example 3. FIG. 比較例4の負極材料(ハードカーボン)を用いた電極の充放電曲線を示した図である。It is the figure which showed the charging / discharging curve of the electrode using the negative electrode material (hard carbon) of the comparative example 4. 比較例5の負極材料(球状化黒鉛)を用いた電極の充放電曲線を示した図である。It is the figure which showed the charging / discharging curve of the electrode using the negative electrode material (spheroidized graphite) of the comparative example 5. 実施例1〜10及び比較例1〜3の負極材料に関する放電容量と熱処理温度の関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between the discharge capacity regarding the negative electrode material of Examples 1-10 and Comparative Examples 1-3, and heat processing temperature. ソフトカーボンからなる負極材料(実施例1〜10及び比較例1〜3)の負極材料をリチウム二次電池用の負極として用いた試験結果について、放電容量と熱処理(焼成)温度の関係(リチウム)を示した図である。Relationship between discharge capacity and heat treatment (firing) temperature (lithium) for test results using negative electrode materials made of soft carbon (Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 to 3) as negative electrodes for lithium secondary batteries FIG. 実施例3の負極材料を用いた高率放電試験結果を示した図である。It is the figure which showed the high rate discharge test result using the negative electrode material of Example 3. 実施例11の負極材料を用いた高率放電試験結果を示した図である。It is the figure which showed the high rate discharge test result using the negative electrode material of Example 11. 実施例12の充放電曲線を示した図である。It is the figure which showed the charging / discharging curve of Example 12. 実施例11からなる負極材料を活物質として用い、1800℃で焼成したソフトカーボンを正極活物質として用いて作製した本全電池の放電曲線を示した図である。It is the figure which showed the discharge curve of this whole battery produced using the negative electrode material which consists of Example 11 as an active material, and using the soft carbon baked at 1800 degreeC as a positive electrode active material.

以下、本発明のナトリウム二次電池用負極材料及びその製造方法、並びにナトリウム二次電池用負極及びナトリウム二次電池及びこれを用いた電気機器の実施形態について説明する。
本発明のナトリウム二次電池(ナトリウムイオン二次電池)用負極材料は、500〜1500℃で焼成されたソフトカーボン(本ソフトカーボン)を含有している。
Hereinafter, embodiments of a negative electrode material for a sodium secondary battery and a manufacturing method thereof, and a negative electrode for a sodium secondary battery, a sodium secondary battery, and an electric device using the same will be described.
The negative electrode material for a sodium secondary battery (sodium ion secondary battery) of the present invention contains soft carbon (this soft carbon) fired at 500 to 1500 ° C.

<第一実施形態の負極材料>
本発明のナトリウム二次電池用負極材料の第一実施形態は、500〜1500℃で焼成されたソフトカーボン単体からなる。
<Negative electrode material of first embodiment>
1st embodiment of the negative electrode material for sodium secondary batteries of this invention consists of a soft carbon single-piece | unit baked at 500-1500 degreeC.

本発明において、ソフトカーボン(高結晶性炭素)とは、「黒鉛化するために必要とされる処理をすることにより黒鉛結晶となる炭素」を意味する。別の表現をすれば、ソフトカーボンとは、不活性雰囲気中で加熱処理を施した時、黒鉛構造(炭素原子が構成する六角網平面が規則性をもって積層した構造)が発達し易いカーボンであり、易黒鉛化性炭素とも言われる。
一方、ハードカーボン(低結晶性炭素)とは、「黒鉛化するために必要とされる処理(例えば、高温処理)をしても黒鉛結晶とはなり得ない炭素」を意味する。別の表現をすれば、ハードカーボンとは、上述した黒鉛構造の発達が抑えられた不規則な構造を有するカーボンであり、難黒鉛化性炭素とも言われる。
In the present invention, soft carbon (highly crystalline carbon) means “carbon that becomes a graphite crystal by performing a treatment required for graphitization”. In other words, soft carbon is a carbon that easily develops a graphite structure (a structure in which hexagonal mesh planes composed of carbon atoms are stacked regularly) when heat treatment is performed in an inert atmosphere. Also called graphitizable carbon.
On the other hand, hard carbon (low crystallinity carbon) means “carbon that cannot be converted into graphite crystals even if a treatment required for graphitization (for example, high temperature treatment) is performed”. In other words, hard carbon is carbon having an irregular structure in which the development of the above-described graphite structure is suppressed, and is also called non-graphitizable carbon.

本発明においてソフトカーボンを使用する理由は、上述した通り、ハードカーボンは、0V(vs.Na/Na)付近で充填プラトーを有することから、高速充電や低温環境での充填を行うと、ナトリウムデントライトが負極表面に析出する可能性が高いという問題があるのに対し、ハードカーボンは0V(vs.Na/Na)付近で充填プラトーを有さず、ナトリウムデントライトの析出の問題が生じないためである。
また、ハードカーボンは熱処理温度を上げて結晶性を改良すると放電容量が低下する傾向にあるのに対して、ソフトカーボンは熱処理温度(焼成温度)を上げて結晶性を向上させると放電容量(ナトリウム吸蔵量)が向上するためである。但し、熱処理温度が所定温度(約800℃)を超えると、放電容量(ナトリウム吸蔵量)が低下する傾向があるため、熱処理温度は前記所定温度を挟んだ特定の範囲に設定することが好ましい。
本発明においては、500〜1500℃で焼成されたソフトカーボン(本ソフトカーボン)を使用することにより、放電容量が高いナトリウム二次電池を得ることが可能となる。
The reason for using soft carbon in the present invention is that, as described above, hard carbon has a filling plateau in the vicinity of 0 V (vs. Na + / Na). While there is a high possibility that dentrite is deposited on the negative electrode surface, hard carbon does not have a filling plateau in the vicinity of 0 V (vs. Na + / Na), causing a problem of precipitation of sodium dentite. This is because there is not.
Hard carbon tends to decrease discharge capacity when crystallinity is improved by increasing the heat treatment temperature, whereas soft carbon increases discharge capacity (sodium by increasing the heat treatment temperature (firing temperature) and improving crystallinity. This is because the (occlusion amount) is improved. However, when the heat treatment temperature exceeds a predetermined temperature (about 800 ° C.), the discharge capacity (sodium storage amount) tends to decrease. Therefore, it is preferable to set the heat treatment temperature within a specific range sandwiching the predetermined temperature.
In the present invention, it is possible to obtain a sodium secondary battery having a high discharge capacity by using soft carbon (the present soft carbon) baked at 500 to 1500 ° C.

<第二実施形態の負極材料>
本発明に係るナトリウム二次電池用負極材料の第二実施形態は、本ソフトカーボンに導電性処理が施されたもの、具体的には、本ソフトカーボンの表面に熱処理によってカーボン被覆膜を形成したものである。
カーボン被覆膜は、高い導電性を有し、且つイオン導電性を有する薄膜であり、負極材料の導電性を改善する効果を有する。
<Negative electrode material of second embodiment>
In the second embodiment of the negative electrode material for sodium secondary batteries according to the present invention, the soft carbon is subjected to a conductive treatment, specifically, a carbon coating film is formed on the surface of the soft carbon by heat treatment. It is a thing.
The carbon coating film is a thin film having high conductivity and ionic conductivity, and has an effect of improving the conductivity of the negative electrode material.

カーボン被覆膜の厚さについては、特に制約はないが、例えば、0.01〜5μmの範囲とすることが好ましい。カーボン被覆膜の厚さが0.01μm未満では、導電性の改善が不十分であり、また、リチウムイオンの吸脱着反応場として作用が不十分であり、活物質表面での充放電時の電流集中が生じやすくなり、高率充放電特性を向上させることが困難となる。一方、カーボン被覆膜の厚さが5μmを超える場合には、電極容量密度の低下を招くおそれがある。   Although there is no restriction | limiting in particular about the thickness of a carbon coating film, For example, it is preferable to set it as the range of 0.01-5 micrometers. When the thickness of the carbon coating film is less than 0.01 μm, the improvement in conductivity is insufficient, and the action as a lithium ion adsorption / desorption reaction field is insufficient, and charging / discharging on the surface of the active material is performed. Current concentration tends to occur and it is difficult to improve the high rate charge / discharge characteristics. On the other hand, when the thickness of the carbon coating film exceeds 5 μm, the electrode capacity density may be reduced.

カーボン被覆膜の被覆率は、本ソフトカーボン100質量%に対して0.1〜10質量%である必要がある。被覆率が0.1質量%未満では、導電性の改善が不十分であり、活物質表面での充放電時の電流集中が生じやすくなり、高率充放電特性を向上させることが困難となる。また、リチウムイオンの吸脱着反応場として作用しにくいという問題がある。一方、被覆率が10質量%を超えると、電極容量密度の低下を招くという問題がある。被覆率の好ましい下限は0.2質量%であり、より好ましい下限は0.5質量%である。また、被覆率の好ましい上限は5質量%であり、より好ましい上限は2質量%である。   The coverage of the carbon coating film needs to be 0.1 to 10% by mass with respect to 100% by mass of the present soft carbon. When the coverage is less than 0.1% by mass, the improvement in conductivity is insufficient, current concentration at the time of charging / discharging on the active material surface tends to occur, and it becomes difficult to improve the high rate charging / discharging characteristics. . In addition, there is a problem that it is difficult to act as a lithium ion adsorption / desorption reaction field. On the other hand, when the coverage exceeds 10% by mass, there is a problem in that the electrode capacity density is reduced. The minimum with a preferable coverage is 0.2 mass%, and a more preferable minimum is 0.5 mass%. Moreover, the upper limit with preferable coverage is 5 mass%, and a more preferable upper limit is 2 mass%.

<第三実施形態の負極材料>
本発明のナトリウム二次電池用負極材料の第三実施形態は、ナトリウムと合金化し得る物質(以下、合金化物質と称す)の表面に本ソフトカーボンが被覆されている複合粉末(以下、「ソフトカーボン/合金化物質複合体(又は複合粉末)」と称す)からなる。
ここで、「複合」は「混合」とは異なる概念である。混合粉末が合金化物質と本ソフトカーボンの粉末との単なる集合であるのに対し、複合粉末は当該粉末を構成する1つの粒子中に合金化物質と本ソフトカーボンの両方が含有されている。
<Negative electrode material of third embodiment>
The third embodiment of the negative electrode material for sodium secondary batteries of the present invention is a composite powder (hereinafter referred to as “soft”) in which the surface of a substance that can be alloyed with sodium (hereinafter referred to as an alloying substance) is coated with the present soft carbon. Carbon / alloying substance composite (or composite powder) ”.
Here, “composite” is a different concept from “mixing”. Whereas the mixed powder is simply an assembly of the alloying substance and the powder of the present soft carbon, the composite powder contains both the alloying substance and the present soft carbon in one particle constituting the powder.

本発明において使用可能な合金化物質としては、例えば、Sn,Sb,Ge,SnO,SnO,SnS,SnS,SnF,SnCl,SnBr,SnI,Sb,GeO,CuO,NiO等が挙げられ、これらの一種を単独で使用してもよいし二種以上を併用してもかまわない。このうち、特にSn,Sb,SnS,SnS,Sbを使用することが好ましい。その理由は、高容量の負極を得ることができるからである。 Examples of alloying materials that can be used in the present invention include Sn, Sb, Ge, SnO, SnO 2 , SnS, SnS 2 , SnF 2 , SnCl 2 , SnBr 2 , SnI 2 , Sb 2 S 3 , GeO 2 , CuO, NiO etc. are mentioned, These 1 type may be used independently and 2 or more types may be used together. Among these, it is particularly preferable to use Sn, Sb, SnS, SnS 2 , and Sb 2 S 3 . The reason is that a high capacity negative electrode can be obtained.

本発明(第三実施形態)において、ソフトカーボンを使用する理由は、ハードカーボンやグラファイトと比べると軟らかいため、メカニカルミリング処理によりソフトカーボンと合金化物質とを複合化しやすいためである。一方、ハードカーボンやグラファイトは、ソフトカーボンと比べて硬いために、メカニカルミリング処理を行っても複合化しにくい。   In the present invention (third embodiment), the reason why soft carbon is used is that it is softer than hard carbon or graphite, so that soft carbon and an alloying substance are easily combined by mechanical milling. On the other hand, since hard carbon and graphite are harder than soft carbon, they are difficult to be combined even if mechanical milling is performed.

ソフトカーボンを使用するもう一つの理由は、合金化物質の表面にソフトカーボンを被覆した負極材料とポリイミドバインダーを用いた負極は、高温環境下で充放電を行っても電極の劣化が少ないためである。例えば、同バインダーを用いた合金化物質負極や同バインダーを用いたグラファイト負極であると、充電状態の活物質が高温環境下でナトリウムとポリイミドが反応してバインダーを劣化させる。すなわち、バインダーとしての能力が低下するため、良好なサイクル寿命特性が得られない。   Another reason for using soft carbon is that the negative electrode material with soft carbon coated on the surface of the alloying substance and the negative electrode using polyimide binder are less deteriorated even when charged and discharged in a high temperature environment. is there. For example, in the case of an alloying material negative electrode using the same binder or a graphite negative electrode using the same binder, the active material in a charged state reacts with sodium and polyimide in a high temperature environment to deteriorate the binder. That is, since the ability as a binder falls, a favorable cycle life characteristic cannot be obtained.

本発明(第三実施形態)のナトリウム二次電池用負極材料によれば、合金化物質を核としてその周囲(表面)をソフトカーボンが被覆することにより、ソフトカーボンが充電・放電時のナトリウム吸蔵・放出に起因する合金化物質の体積変化(膨張・収縮)を緩和し、合金化物質の体積変化に起因する割れを抑制することができる。
これにより、合金化物質のみではサイクル寿命が乏しい活物質でもサイクル特性を向上させることができるので、高容量な(体積膨張の大きな)活物質でもサイクル寿命特性が良好なものとなる。そのため、高容量で良好なサイクル寿命が得られる負極材料として機能することができる。加えて、ソフトカーボンにより直接に合金化物質が電解液と接触することが防がれるため、高温耐久性にも優れる負極材料として機能することができる。
According to the negative electrode material for a sodium secondary battery of the present invention (third embodiment), the soft carbon is covered with soft carbon around the alloyed substance as a nucleus, so that the soft carbon is occluded during charging and discharging. -The volume change (expansion / shrinkage) of the alloying substance caused by the release can be alleviated, and the crack caused by the volume change of the alloying substance can be suppressed.
As a result, the cycle characteristics can be improved even with an active material having a short cycle life with only the alloying material, and therefore the cycle life characteristics are good even with an active material having a high capacity (large volume expansion). Therefore, it can function as a negative electrode material having a high capacity and a good cycle life. In addition, the soft carbon prevents the alloying substance from coming into direct contact with the electrolytic solution, so that it can function as a negative electrode material having excellent high-temperature durability.

次に、本発明に係るナトリウム二次電池用負極材料の製造方法について説明する。
本発明に係るナトリウム二次電池用負極材料は、上述した通り、第一実施形態〜第三実施形態に大別できる。
Next, the manufacturing method of the negative electrode material for sodium secondary batteries which concerns on this invention is demonstrated.
The negative electrode material for sodium secondary batteries according to the present invention can be broadly classified into the first to third embodiments as described above.

<第一実施形態の負極材料の製造方法>
第一実施形態の負極材料は、ソフトカーボン前駆体を焼成することにより製造される。
ソフトカーボン前駆体としては、タール、ピッチなどの石炭系重質油或いは石油系重質油などが挙げられる。
ソフトカーボン前駆体の焼成温度は、500〜1500℃、好ましくは600〜1400℃に設定される。
ソフトカーボン前駆体の焼成温度が400℃未満であると、ソフトカーボン前駆体が炭化(カーボン化)されにくくソフトカーボンが得られにくい。400℃以上500℃未満の範囲内であるとソフトカーボンは生成されるが、不可逆容量が大きいソフトカーボンとなる。一方、焼成温度が上昇すると2800℃付近からソフトカーボンが徐々にグラファイト化する。グラファイトは、ナトリウム吸蔵(放電)の反応電圧範囲が約0.1Vと低いため、低温環境下や急速充電を行うとナトリウムデンドライドが発生しやすい。
500〜1500℃の範囲内で焼成されたソフトカーボンであれば、上述した不具合が起こらない為、不可逆容量が少なく、90mAh/g以上の放電容量を有し、出力特性とサイクル寿命特性が良好なソフトカーボンとなる。また、焼成温度を600〜1400℃に設定すると、100mAh/g以上の放電容量が得られる。
<The manufacturing method of the negative electrode material of 1st embodiment>
The negative electrode material of the first embodiment is manufactured by firing a soft carbon precursor.
Examples of the soft carbon precursor include coal-based heavy oil such as tar and pitch or petroleum-based heavy oil.
The firing temperature of the soft carbon precursor is set to 500 to 1500 ° C, preferably 600 to 1400 ° C.
When the firing temperature of the soft carbon precursor is less than 400 ° C., the soft carbon precursor is hardly carbonized (carbonized) and it is difficult to obtain soft carbon. Soft carbon is generated when the temperature is in the range of 400 ° C. or higher and lower than 500 ° C., but soft carbon having a large irreversible capacity is obtained. On the other hand, when the firing temperature rises, soft carbon gradually graphitizes from around 2800 ° C. Since graphite has a low reaction voltage range of sodium occlusion (discharge) of about 0.1 V, sodium dendride is likely to be generated under a low temperature environment or rapid charge.
If soft carbon is fired within the range of 500-1500 ° C., the above-mentioned problems do not occur, so the irreversible capacity is small, the discharge capacity is 90 mAh / g or more, and the output characteristics and cycle life characteristics are good. It becomes soft carbon. Moreover, when the firing temperature is set to 600 to 1400 ° C., a discharge capacity of 100 mAh / g or more can be obtained.

<第二実施形態の負極材料の製造方法>
第二実施形態の負極材料は、本ソフトカーボンに熱処理を施すことによって、本ソフトカーボンの表面にカーボン被覆膜を形成することにより製造される。
熱処理としては、例えば、本ソフトカーボンをロータリーキルンなどの熱処理炉に収容し、この熱処理炉内部にブタンガスなどのカーボン前駆体ガスを導入して、非酸化性ガス雰囲気下で400〜1000℃を維持しながら0.1〜5時間保持する処理を採用することができる。熱処理温度が、400℃未満では、カーボン前駆体がカーボン化しにくく、ソフトカーボンの導電性改善効果が少ないことがある。一方、1000℃を超えると、装置が大掛かりなものとなり、コスト高になるばかりか、活物質にダメージを与えることがある。また、熱処理時間が0.1時間未満では、均一にカーボンを被覆しにくいことがある。一方、5時間を超えると、長時間にわたって熱源を駆動しなければならないため、コスト高になることがある。
熱処理雰囲気は、ブタンガスに限らず、メタンガス、エタンガス、プロパンガス、または、それら混合ガスなどを採用でき、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、水素、二酸化炭素、または、それらの混合ガス等で希釈したカーボン前駆体ガスでもよい。また、ガスに限らず、液体、固体でもどんな物理状態であってもかまわない。
<The manufacturing method of the negative electrode material of 2nd embodiment>
The negative electrode material of the second embodiment is manufactured by forming a carbon coating film on the surface of the present soft carbon by subjecting the present soft carbon to a heat treatment.
As the heat treatment, for example, the soft carbon is housed in a heat treatment furnace such as a rotary kiln, and a carbon precursor gas such as butane gas is introduced into the heat treatment furnace to maintain 400 to 1000 ° C. in a non-oxidizing gas atmosphere. However, the process which hold | maintains for 0.1 to 5 hours is employable. When the heat treatment temperature is less than 400 ° C., the carbon precursor is difficult to be carbonized and the conductivity improvement effect of soft carbon may be small. On the other hand, if the temperature exceeds 1000 ° C., the apparatus becomes large and not only the cost increases, but also the active material may be damaged. In addition, when the heat treatment time is less than 0.1 hour, it may be difficult to uniformly coat the carbon. On the other hand, if it exceeds 5 hours, the heat source must be driven for a long time, which may increase the cost.
The heat treatment atmosphere is not limited to butane gas, but methane gas, ethane gas, propane gas, or a mixed gas thereof can be adopted, and carbon diluted with nitrogen, helium, neon, argon, hydrogen, carbon dioxide, or a mixed gas thereof. A precursor gas may be used. Moreover, it is not limited to gas, and it may be in any physical state such as liquid or solid.

<第三実施形態の負極材料の製造方法>
第三実施形態の負極材料は、ナトリウムと合金化し得る物質の表面(合金化物質)に本ソフトカーボンを被覆することによって、前記合金化物質と本ソフトカーボンからなる複合粉末を形成することにより製造される。
具体的には、合金化物質と本ソフトカーボンとをメカニカルミリング処理することにより、合金化物質の粒子表面を本ソフトカーボンで被覆したソフトカーボン/合金化物質複合体を形成する。
メカニカルミリング処理の重力加速度は20〜200Gであることが好ましく、40〜60Gであることがより好ましい。重力加速度が20G未満であると、合金化物質の粒子表面をソフトカーボンで被覆することが難しく、寿命特性が悪くなる。一方、200Gを超えると、合金化物質が複合粒子表面に露出するおそれがあり、高温耐久性が悪くなる。
<The manufacturing method of the negative electrode material of 3rd embodiment>
The negative electrode material of the third embodiment is manufactured by coating the surface of a substance that can be alloyed with sodium (alloying substance) with the present soft carbon to form a composite powder composed of the alloying substance and the present soft carbon. Is done.
Specifically, the alloying substance and the present soft carbon are mechanically milled to form a soft carbon / alloying substance composite in which the particle surface of the alloying substance is coated with the present soft carbon.
The gravitational acceleration of the mechanical milling process is preferably 20 to 200G, and more preferably 40 to 60G. When the gravitational acceleration is less than 20 G, it is difficult to coat the surface of the alloying substance particles with soft carbon, resulting in poor life characteristics. On the other hand, if it exceeds 200 G, the alloying substance may be exposed on the surface of the composite particles, and the high-temperature durability deteriorates.

ここで、メカニカルミリング処理とは、衝撃・引張り・摩擦・圧縮・せん断等の外力を原料粉末(少なくとも合金化物質及びソフトカーボン)に与えることが可能な方法であって、転動ミル、振動ミル、遊星ミル、揺動ミル、水平ミル、アトライターミル、ジェットミル、擂潰機、ホモジナイザー、フルイダイザー、ペイントシェイカー、ミキサー等などを用いる方法が挙げられる。
例えば、遊星ミルを用いる方法では、原料粉末とボールとを共に容器に入れ、自転と公転をさせることによって生じる力学的エネルギーにより、原料粉末を粉砕・混合又は固相反応させることができる。この方法によれば、原料粉末がナノオーダーまで粉砕されることが知られている。
本発明では、負極材料の原料粉末は少なくとも合金化物質とソフトカーボンとを含んでいる。ソフトカーボンは合金化物質と比べて機械的強度が低いため、合金化物質よりもソフトカーボンが粉砕されやすい。そのため、微粒子となったソフトカーボン粉末が合金化物質粉末の表面に対してボール等により圧着されることとなり、合金化物質にソフトカーボンを被覆することが可能となる。
Here, the mechanical milling process is a method capable of imparting external forces such as impact, tension, friction, compression, and shear to the raw material powder (at least the alloying substance and soft carbon). , Planetary mill, rocking mill, horizontal mill, attritor mill, jet mill, crusher, homogenizer, fluidizer, paint shaker, mixer and the like.
For example, in the method using a planetary mill, the raw material powder can be pulverized / mixed or subjected to solid phase reaction by mechanical energy generated by putting both the raw material powder and balls in a container and rotating and revolving. According to this method, it is known that the raw material powder is pulverized to the nano-order.
In the present invention, the raw material powder of the negative electrode material contains at least an alloying substance and soft carbon. Since soft carbon has lower mechanical strength than alloyed materials, soft carbon is more easily pulverized than alloyed materials. Therefore, the soft carbon powder that has become fine particles is pressed against the surface of the alloying substance powder by a ball or the like, and the alloying substance can be covered with soft carbon.

合金化物質粉末の表面に被覆されるソフトカーボンは、上記第一実施形態で使用されるものと同様の方法で製造されたものが使用される。   As the soft carbon coated on the surface of the alloying substance powder, one produced by the same method as that used in the first embodiment is used.

上記した第一実施形態乃至第三実施形態の負極材料は、いずれもナトリウム二次電池用負極活物質(負極材料)として有効に使用できる。
これら本発明の負極材料を集電体上に被着形成することにより、本発明に係るナトリウム二次電池用負極を得ることができる。
Any of the negative electrode materials of the first to third embodiments described above can be used effectively as a negative electrode active material (negative electrode material) for a sodium secondary battery.
By forming these negative electrode materials of the present invention on a current collector, the negative electrode for sodium secondary batteries according to the present invention can be obtained.

被着形成するとは、集電体と本発明の負極材料とを接触させた状態で固定することである。具体的には、負極材料を充填すること、集電体である金属網等によって負極材料を固定すること等が該当する。被着形成手法としては特に限定されないが、例えば、圧着法、スラリー法、ペースト法、電気泳動法、ディッピング法、スピンコート法、エアロゾルデポジション法等が挙げられる。なかでも、発泡状ニッケルのような金属発泡体を集電体として用いる場合は、充填密度、電極製造速度等の観点から、スラリー法又はペースト法が好ましい。   The formation of deposition means fixing the current collector and the negative electrode material of the present invention in contact with each other. Specifically, filling of the negative electrode material, fixing of the negative electrode material by a metal net as a current collector, and the like are applicable. The deposition method is not particularly limited, and examples thereof include a pressure bonding method, a slurry method, a paste method, an electrophoresis method, a dipping method, a spin coating method, and an aerosol deposition method. In particular, when a metal foam such as foamed nickel is used as a current collector, a slurry method or a paste method is preferable from the viewpoints of packing density, electrode production rate, and the like.

負極は、本発明の負極材料の他に、必要に応じて導電性を付与するための導電助剤や、結着性を付与するためのバインダーを含有させてもよい。
例えば、上記負極材料に加えて導電助剤及びバインダー等を含有させた混合物(負極合剤)に、適当な溶剤(N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、水、アルコール、キシレン、トルエン等)を加えて充分に混練して得られる負極合剤ペースト組成物、負極合剤スラリー等を、集電体表面に塗布、乾燥し、更にプレスすることで、集電体表面に負極材料含有層を形成し、負極とすることができる。
In addition to the negative electrode material of the present invention, the negative electrode may contain a conductive auxiliary agent for imparting conductivity and a binder for imparting binding properties, if necessary.
For example, an appropriate solvent (N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), water, alcohol, xylene, toluene, etc.) is added to a mixture (negative electrode mixture) containing a conductive additive and a binder in addition to the negative electrode material. The negative electrode mixture paste composition, the negative electrode mixture slurry, and the like obtained by sufficiently kneading and applying to the surface of the current collector are dried, and further pressed to form a negative electrode material-containing layer on the current collector surface. It can be formed into a negative electrode.

本発明に係るナトリウム二次電池は、この負極を搭載したナトリウム二次電池である。
このナトリウム二次電池は、公知のナトリウム二次電池の電池要素(正極、セパレーター、電解液等)を用いて、常法に従って、角型、円筒型、コイン型等のナトリウム二次電池に組み立てることにより製造することができる。
The sodium secondary battery according to the present invention is a sodium secondary battery equipped with this negative electrode.
This sodium secondary battery is assembled into a sodium secondary battery such as a square, cylindrical or coin type according to a conventional method using battery elements (positive electrode, separator, electrolyte, etc.) of a known sodium secondary battery. Can be manufactured.

導電助剤としては、通常用いられているもの、例えば上記で説明したものを使用することができ、炭素材料を含む場合には、炭素材料の種類(構造等)は特に限定されない。例えば、アセチレンブラック(AB)、ケッチェンブラック(KB)、黒鉛、カーボンファイバー、カーボンチューブ、グラフェン、非晶質炭素等の炭素材料を、一種単独で用いてもよいし、または二種以上を併用してもよい。より好ましくは、複合粉末中に導電性の3次元網目構造を形成できるもの(例えば、フレーク状の導電材(フレーク銅粉やフレークニッケル粉等)、カーボンファイバー、カーボンチューブ、非晶質炭素等)が好ましい。導電性の3次元網目構造が形成されていれば、ナトリウム二次電池用負極材料として充分な集電効果が得られるとともに、Na吸蔵時の電極(特に合金成分)の体積膨張を効果的に抑制できる。   As the conductive auxiliary agent, those usually used, for example, those described above can be used. When a carbon material is included, the type (structure, etc.) of the carbon material is not particularly limited. For example, carbon materials such as acetylene black (AB), ketjen black (KB), graphite, carbon fiber, carbon tube, graphene, and amorphous carbon may be used alone or in combination of two or more. May be. More preferably, those capable of forming a conductive three-dimensional network structure in the composite powder (for example, flaky conductive material (flaked copper powder, flake nickel powder, etc.), carbon fiber, carbon tube, amorphous carbon, etc.) Is preferred. If a conductive three-dimensional network structure is formed, a sufficient current collecting effect can be obtained as a negative electrode material for sodium secondary batteries, and the volume expansion of electrodes (particularly alloy components) during Na occlusion can be effectively suppressed. it can.

バインダーも通常用いられているもの、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(PTFE)、ポリイミド(PI)、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアクリル、スチレンブタジエンゴム(SBR)、スチレン−エチレン−ブチレン−スチレン共重合体(SEBS)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ポリアクリル、PVA、PVB、EVA等の材料を一種単独で用いてもよく、二種以上を併用してもよい。但し、活物質容量が大きい場合は、充放電に伴う体積膨張が大きいため、用いるバインダーはPIが好ましい。   Binders are also commonly used, for example, polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyimide (PI), polyamide, polyamideimide, polyacryl, styrene butadiene rubber (SBR), styrene-ethylene- Materials such as butylene-styrene copolymer (SEBS), carboxymethylcellulose (CMC), polyacryl, PVA, PVB and EVA may be used singly or in combination of two or more. However, since the volume expansion accompanying charging / discharging is large when the active material capacity is large, PI is preferably used as the binder.

負極の負極材料含有層においては、例えば、本発明の負極材料が50〜99質量%、導電助剤量が0.5〜40質量%、バインダー量が0.5〜30質量%であることが好ましい。
負極の負極材料含有層の厚みは、電極容量密度にもよるが、例えば、0.5〜200μmであることが好ましい。負極材料含有層の厚みをこの範囲とすることで、集電体が負極材料を支持しつつ、実用的な電気容量を得ることができる。
In the negative electrode material-containing layer of the negative electrode, for example, the negative electrode material of the present invention is 50 to 99% by mass, the conductive auxiliary agent amount is 0.5 to 40% by mass, and the binder amount is 0.5 to 30% by mass. preferable.
The thickness of the negative electrode material-containing layer of the negative electrode is preferably 0.5 to 200 μm, for example, although it depends on the electrode capacity density. By setting the thickness of the negative electrode material-containing layer within this range, a practical electric capacity can be obtained while the current collector supports the negative electrode material.

負極の製造工程は、バインダーを加熱して乾燥させる乾燥工程を含んでいる。
乾燥工程における加熱温度は、バインダーの種類によって異なるが、例えば、PVdFの場合は、120〜200℃、PTFEの場合は120〜250℃、PIの場合は200〜400℃、SBRの場合は120〜250℃、CMCの場合は120〜250℃が好ましい。
特にバインダーとしてPIを使用した場合、PIの未架橋部分が負極内に残存していると充電状態の合金化物質と反応することから、高温で乾燥させることによりPIを熱架橋させることが好ましい。PIを熱架橋させるためには、乾燥工程における加熱温度を200〜400℃とすることが好ましく、250〜400℃とすることがより好ましい。なお、乾燥工程における雰囲気は、集電体の酸化を防止するため、非酸化性雰囲気下とすることが好ましい。
The manufacturing process of the negative electrode includes a drying process in which the binder is heated and dried.
Although the heating temperature in a drying process changes with kinds of binder, for example, in the case of PVdF, 120-200 degreeC in the case of PTFE, 120-250 degreeC in the case of PI, 200-400 degreeC in the case of PI, 120-in the case of SBR In the case of 250 degreeC and CMC, 120-250 degreeC is preferable.
In particular, when PI is used as the binder, if the uncrosslinked portion of PI remains in the negative electrode, it reacts with the alloyed material in a charged state, and therefore it is preferable to thermally crosslink PI by drying at a high temperature. In order to thermally crosslink PI, the heating temperature in the drying step is preferably 200 to 400 ° C, more preferably 250 to 400 ° C. Note that the atmosphere in the drying step is preferably a non-oxidizing atmosphere in order to prevent oxidation of the current collector.

負極に用いられる集電体の材料は、電子伝導性を有し、保持した負極材料に通電し得る材料であれば特に限定されない。例えば、C、Ti、Cr、Ni、Mo、Ru、Rh、Ta、W、Os、Ir、Pt、Au、Al等の導電性物質、これら導電性物質の二種類以上を含有する合金(例えば、ステンレス鋼)を使用し得る。電気伝導性が高く、電解液中の安定性がよい観点から、集電体としてはC、Ti、Cr、Ni、Cu、Au、Al、ステンレス鋼等が好ましく、さらに材料コストの観点からC、Al、ステンレス鋼等が好ましい。特に、活物質容量が300mAh/gを超える場合は、充放電に伴う膨張・収縮が激しいため、機械強度の高いステンレス鋼が好ましい。
集電体の形状としては、線状、棒状、板状、箔状、網状、織布、不織布、エキスパンド、多孔体又は発泡体があり、このうち充填密度を高めることができること、出力特性が良好なことから、エキスパンド、多孔体又は発泡体が好ましい。コストの観点からは、汎用性のある板状がよく、厚みは5〜40μmが好ましい。
The material of the current collector used for the negative electrode is not particularly limited as long as it is a material that has electronic conductivity and can conduct electricity to the held negative electrode material. For example, conductive materials such as C, Ti, Cr, Ni, Mo, Ru, Rh, Ta, W, Os, Ir, Pt, Au, Al, and alloys containing two or more of these conductive materials (for example, Stainless steel) can be used. From the viewpoint of high electrical conductivity and good stability in the electrolyte, C, Ti, Cr, Ni, Cu, Au, Al, stainless steel and the like are preferable as the current collector, and C from the viewpoint of material cost. Al, stainless steel and the like are preferable. In particular, when the active material capacity exceeds 300 mAh / g, since the expansion / contraction associated with charging / discharging is severe, stainless steel having high mechanical strength is preferable.
The shape of the current collector includes linear, rod-like, plate-like, foil-like, net-like, woven fabric, non-woven fabric, expanded, porous body or foam, among which the packing density can be increased and the output characteristics are good Therefore, an expand, a porous body or a foam is preferable. From the viewpoint of cost, a versatile plate shape is preferable, and the thickness is preferably 5 to 40 μm.

正極としては、コバルト酸ナトリウム(NaCoO)、ニッケル酸ナトリウム(NaNiO)、コバルトマンガンニッケル酸ナトリウム(NaCo0.33Ni0.33Mn0.33)、マンガン酸ナトリウム(NaMn)、鉄酸ナトリウム(NaFeO)、リン酸鉄ナトリウム(NaFePO)、酸化バナジウム系材料、硫黄系材料、グラファイト、等の既存のものが用いられる他、ソフトカーボンも正極材料として使用することができる。
本発明においては、グラファイト又はソフトカーボンを使用することが好ましい。グラファイト又はソフトカーボンを用いることで、4〜5V級のナトリウム二次電池が得られる。より好ましくは、1300〜2200℃の温度範囲で焼成されたソフトカーボンであることが好ましい。上記温度範囲内で焼成されたソフトカーボンであれば、高電位で高容量な正極が得られる。
As a positive electrode, sodium cobaltate (NaCoO 2 ), sodium nickelate (NaNiO 2 ), cobalt manganese sodium nickelate (NaCo 0.33 Ni 0.33 Mn 0.33 O 2 ), sodium manganate (NaMn 2 O 4) ), Sodium ferrate (NaFeO 2 ), sodium iron phosphate (NaFePO 4 ), vanadium oxide-based materials, sulfur-based materials, graphite, and the like, and soft carbon may be used as the positive electrode material. it can.
In the present invention, it is preferable to use graphite or soft carbon. By using graphite or soft carbon, a 4 to 5 V class sodium secondary battery can be obtained. More preferably, it is soft carbon baked in a temperature range of 1300 to 2200 ° C. If the soft carbon is fired within the above temperature range, a positive electrode having a high potential and a high capacity can be obtained.

正極に用いられる集電体の材料は、電子伝導性を有し、保持した負極材料に通電し得る材料であれば特に限定されない。例えば、C、Ti、Cr、Mo、Ru、Rh、Ta、W、Os、Ir、Pt、Au、Al等の導電性物質、これら導電性物質の二種類以上を含有する合金(例えば、ステンレス鋼)を使用し得る。電気伝導性が高く、電解液中の安定性と耐酸化性がよい観点から、集電体としてはC、Al、ステンレス鋼等が好ましく、さらに材料コストの観点からAl等が好ましい。   The material of the current collector used for the positive electrode is not particularly limited as long as it is a material that has electronic conductivity and can conduct electricity to the held negative electrode material. For example, conductive materials such as C, Ti, Cr, Mo, Ru, Rh, Ta, W, Os, Ir, Pt, Au, and Al, and alloys containing two or more of these conductive materials (for example, stainless steel ) Can be used. The current collector is preferably C, Al, stainless steel or the like from the viewpoint of high electrical conductivity and good stability and oxidation resistance in the electrolytic solution, and Al or the like is more preferable from the viewpoint of material cost.

集電体の形状には、特に制約はないが、箔状基材、三次元基材などを用いることができる。三次元基材(発泡メタル、メッシュ、織布、不織布、エキスパンド等)を用いると、集電体との密着性に欠けるようなバインダーであっても高い容量密度の電極が得られる。加えて、高率充放電特性も良好になる。
なお、箔状の集電体であっても、予め、集電体表面上にプライマー層を形成することで高容量化を図ることができる。プライマー層は、活物質層と集電体との密着性が良好で、且つ導電性を有しているものであればよい。例えば、炭素系導電助剤を混ぜ合わせた結着材を集電体上に0.1μm〜50μmの厚みで塗布することでプライマー層を形成することができる。
Although there is no restriction | limiting in particular in the shape of an electrical power collector, A foil-like base material, a three-dimensional base material, etc. can be used. When a three-dimensional base material (foamed metal, mesh, woven fabric, non-woven fabric, expanded, etc.) is used, an electrode with a high capacity density can be obtained even with a binder that lacks adhesion to the current collector. In addition, high rate charge / discharge characteristics are also improved.
Even in the case of a foil-like current collector, the capacity can be increased by forming a primer layer on the current collector surface in advance. The primer layer only needs to have good adhesion between the active material layer and the current collector and have conductivity. For example, a primer layer can be formed by applying a binder mixed with a carbon-based conductive additive on a current collector in a thickness of 0.1 μm to 50 μm.

プライマー層用の導電助剤は、炭素粉末が好ましい。金属系の導電助剤であると、容量密度を上げることは可能だが、入出力特性が悪くなる。導電助剤が炭素系であればCMCを用いて容量密度を上げることが可能であり、且つ入出力特性がよくなる。炭素系導電助剤としては、KB、AB、VGCF、グラファイト、グラフェン、カーボンチューブ等が挙げられ、これらの一種を用いてもよいし、二種以上を併用してもよい。このうち、導電性とコストの観点から、KBまたはABが好ましい。   The conductive auxiliary for the primer layer is preferably carbon powder. If it is a metal-based conductive additive, it is possible to increase the capacity density, but the input / output characteristics deteriorate. If the conductive additive is carbon-based, the capacity density can be increased using CMC, and the input / output characteristics are improved. Examples of the carbon-based conductive assistant include KB, AB, VGCF, graphite, graphene, carbon tube, and the like. One of these may be used, or two or more may be used in combination. Among these, KB or AB is preferable from the viewpoint of conductivity and cost.

プライマー層用の結着剤は、炭素系導電助剤を結着できるものであれば、その種類は問わない。ただし、PVA、CMC、アルギン酸ナトリウム等の水系バインダーを用いてプライマー層を形成すると、活物質層を形成する際に、プライマー層が溶け、効果が顕著に発揮されないことが多い。そのため、このような水系バインダーを用いる際は、予めプライマー層を架橋するとよい。架橋材としては、ジルコニア化合物、ホウ素化合物、チタン化合物などが挙げられ、プライマー層用スラリー形成時にバインダー量に対して0.1〜20質量%添加するとよい。
このようにして作製されたプライマー層は、箔状の集電体で、CMCを用いて容量密度を上げることが可能なだけでなく、高い電流で充放電を行っても、分極が小さくなり高率充放電特性が良好になる。
なお、プライマー層は箔状の集電体だけに効果があるのではなく、三次元基材でも同様の効果がある。
The binder for the primer layer is not limited as long as it can bind the carbon-based conductive additive. However, when the primer layer is formed using an aqueous binder such as PVA, CMC, or sodium alginate, the primer layer melts when the active material layer is formed, and the effect is often not exhibited remarkably. Therefore, when using such an aqueous binder, the primer layer may be crosslinked in advance. Examples of the cross-linking material include a zirconia compound, a boron compound, a titanium compound, and the like.
The primer layer thus prepared is a foil-shaped current collector, and not only can the capacity density be increased using CMC, but also the polarization becomes small and high even when charging / discharging with a high current. The rate charge / discharge characteristics are improved.
The primer layer is not only effective for the foil-shaped current collector but also has the same effect for a three-dimensional substrate.

セパレータとしては、公知のナトリウム二次電池に用いられるものが使用できる。
例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエステル、セルロース、ポリアミド等の樹脂からなる多孔質シート、ガラスフィルター、不織布、織布等を用いることができるが、これらに限定はされない。
As a separator, what is used for a well-known sodium secondary battery can be used.
For example, a porous sheet made of a resin such as polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyester, cellulose, polyamide or the like, a glass filter, a nonwoven fabric, a woven fabric, or the like can be used, but is not limited thereto.

電解質は、ナトリウムイオンを含有する必要があることから、ナトリウム二次電池で用いられるものであれば特に限定されないが、その電解質塩としては、ナトリウム塩が好適である。このナトリウム塩としては、例えば、NaPF、NaBF、NaClO、NaTiF、NaVF、NaAsF、NaSbF、NaCFSO、Na(CSON、NaB(C、NaB10Cl10、NaB12Cl12、NaCFCOO、Na、NaNO、NaSO、NaPF(C、NaB(C、およびNa(CFSOCなどの塩を用いることができる。なお、上記塩のうち1種単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせてもよい。上記ナトリウム塩は、電気的陰性度が高く、イオン化しやすいことから、充放電サイクル特性に優れ、二次電池の充放電容量を向上させることができる。中でも、電解質塩はNaPFが好ましい。NaPFを塩として用いることで、正極の放電容量とサイクル寿命を改善し、負極のサイクル寿命を改善する効果が高まる。また、電解液の濃度(溶媒中の塩の濃度)は、特に限定されないが、0.1〜3mol/Lであることが好ましく、0.5〜2mol/Lであることが更に好ましい。 Since the electrolyte needs to contain sodium ions, the electrolyte is not particularly limited as long as it is used in a sodium secondary battery, but a sodium salt is preferable as the electrolyte salt. Examples of the sodium salt include NaPF 6 , NaBF 4 , NaClO 4 , NaTiF 4 , NaVF 5 , NaAsF, NaSbF 6 , NaCF 3 SO 3 , Na (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N, NaB (C 2 O 4 ) 2 , NaB 10 Cl 10 , NaB 12 Cl 12 , NaCF 3 COO, Na 2 S 2 O 4 , NaNO 3 , Na 2 SO 4 , NaPF 3 (C 2 F 5 ) 3 , NaB (C 6 F 5 ) 4 and salts such as Na (CF 3 SO 2 ) 3 C can be used. In addition, 1 type may be used independently among the said salts, and 2 or more types may be combined. Since the sodium salt has high electronegative properties and is easily ionized, it has excellent charge / discharge cycle characteristics and can improve the charge / discharge capacity of the secondary battery. Among them, the electrolyte salt NaPF 6 is preferred. By using NaPF 6 as a salt, the effect of improving the discharge capacity and cycle life of the positive electrode and improving the cycle life of the negative electrode is enhanced. The concentration of the electrolytic solution (the concentration of the salt in the solvent) is not particularly limited, but is preferably 0.1 to 3 mol / L, and more preferably 0.5 to 2 mol / L.

上記電解質の溶媒としては、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、γ−ブチロラクトン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、ニトロメタン、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシドよりなる群から選択される少なくとも一種を用いることができ、特に、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合物、又はγ−ブチロラクトン単体が好適である。尚、上記エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合物の混合比は、エチレンカーボネート及びジエチルカーボネートともに10〜90vol%の範囲で任意に調整することができる。中でも、電解液溶媒はECを含有する溶媒が好ましい。ECを含有する溶媒を用いることで、負極のサイクル寿命を改善する効果が高まる。
通常、ECは常温では固体であるため、EC単独では電解液としての機能を果たさない。しかし、PC、DMC、DEC、EMCなどとの混合溶媒とすることで、常温でも使用可能な電解液として機能する。
あるいは、溶媒を用いず、固体電解質でもかまわない。
ナトリウム二次電池の構造としては、特に限定されないが、積層式電池、捲回式電池などの既存の電池形態・構造に適用できる。
Examples of the solvent for the electrolyte include propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), γ-butyrolactone, 2-methyltetrahydrofuran, 1,3 -Dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, diethyl ether, sulfolane, methylsulfolane, nitromethane, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide In particular, a mixture of ethylene carbonate and diethyl carbonate or γ-butyrolactone alone is preferable. The mixing ratio of the mixture of ethylene carbonate and diethyl carbonate can be arbitrarily adjusted in the range of 10 to 90 vol% for both ethylene carbonate and diethyl carbonate. Among them, the electrolyte solution solvent is preferably a solvent containing EC. By using a solvent containing EC, the effect of improving the cycle life of the negative electrode is enhanced.
Usually, since EC is solid at room temperature, EC alone does not function as an electrolyte. However, by using a mixed solvent with PC, DMC, DEC, EMC, etc., it functions as an electrolyte that can be used even at room temperature.
Alternatively, a solid electrolyte may be used without using a solvent.
Although it does not specifically limit as a structure of a sodium secondary battery, It can apply to the existing battery forms and structures, such as a laminated type battery and a wound type battery.

上述の構造のナトリウム二次電池によれば、二次電池として機能する。
本発明のナトリウム二次電池は、高エネルギー密度であり、且つ特殊な材料を用いず構成されるため、様々な電気機器(電気を使用する乗り物を含む)の電源として利用することができる。
According to the sodium secondary battery having the above structure, it functions as a secondary battery.
Since the sodium secondary battery of the present invention has a high energy density and is configured without using a special material, it can be used as a power source for various electric devices (including vehicles using electricity).

電気機器としては、例えば、エアコン、洗濯機、テレビ、冷蔵庫、冷凍庫、冷房機器、ノートパソコン、パソコンキーボード、パソコン用ディスプレイ、デスクトップ型パソコン、ノート型パソコン、CRTモニター、パソコンラック、プリンター、一体型パソコン、マウス、ハードディスク、パソコン周辺機器、アイロン、衣類乾燥機、ウインドウファン、トランシーバー、送風機、換気扇、テレビ、音楽レコーダー、音楽プレーヤー、オーブン、レンジ、洗浄機能付便座、温風ヒーター、カーコンポ、カーナビ、懐中電灯、加湿器、携帯カラオケ機、換気扇、乾燥機、乾電池、空気清浄器、携帯電話、非常用電灯、ゲーム機、血圧計、コーヒーミル、コーヒーメーカー、こたつ、コピー機、ディスクチェンジャー、ラジオ、シェーバー、ジューサー、シュレッダー、浄水器、照明器具、除湿器、食器乾燥機、炊飯器、ステレオ、ストーブ、スピーカー、ズボンプレッサー、掃除機、体脂肪計、体重計、ヘルスメーター、ムービープレーヤー、電気カーペット、電気釜、炊飯器、電気かみそり、電気スタンド、電気ポット、電子ゲーム機、携帯ゲーム機、電子辞書、電子手帳、電子レンジ、電磁調理器、電卓、電動カート、電動車椅子、電動工具、電動歯ブラシ、あんか、散髪器具、電話機、時計、インターホン、エアサーキュレーター、電撃殺虫器、複写機、ホットプレート、トースター、ドライヤー、電動ドリル、給湯器、パネルヒーター、粉砕機、はんだごて、ビデオカメラ、ビデオデッキ、ファクシミリ、ファンヒーター、フードプロセッサー、布団乾燥機、ヘッドホン、電気ポット、ホットカーペット、マイク、マッサージ機、豆電球、ミキサー、ミシン、もちつき機、床暖房パネル、ランタン、リモコン、冷温庫、冷水器、冷凍ストッカー、冷風器、ワープロ、泡だて器、電子楽器、オートバイ、おもちゃ類、芝刈り機、うき、自転車、自動車、ハイブリッド自動車、プラグインハイブリッド自動車、電気自動車、鉄道、船、飛行機、非常用蓄電池などが挙げられる。   Examples of electrical equipment include air conditioners, washing machines, televisions, refrigerators, freezers, air conditioners, notebook computers, computer keyboards, computer displays, desktop computers, notebook computers, CRT monitors, computer racks, printers, integrated computers , Mouse, hard disk, computer peripherals, iron, clothes dryer, window fan, walkie-talkie, blower, ventilation fan, TV, music recorder, music player, oven, range, toilet seat with washing function, hot air heater, car component, car navigation system, pocket Electric light, humidifier, portable karaoke machine, ventilation fan, dryer, dry cell, air purifier, mobile phone, emergency light, game machine, blood pressure monitor, coffee mill, coffee maker, kotatsu, copy machine, disk changer, radio, shaver , Juicer, shredder, water purifier, lighting equipment, dehumidifier, dish dryer, rice cooker, stereo, stove, speaker, trouser press, vacuum cleaner, body fat scale, weight scale, health meter, movie player, electric carpet, electric kettle , Rice cooker, electric razor, table lamp, electric pot, electronic game machine, portable game machine, electronic dictionary, electronic notebook, microwave oven, electromagnetic cooker, calculator, electric cart, electric wheelchair, electric tool, electric toothbrush, red bean , Haircut equipment, telephones, watches, intercoms, air circulators, lightning insecticide, copying machines, hot plates, toasters, dryers, electric drills, water heaters, panel heaters, crushers, soldering irons, video cameras, video decks, facsimile , Fan heater, food processor, futon dryer, headphones Electric kettle, hot carpet, microphone, massage machine, miniature light bulb, mixer, sewing machine, mochi machine, floor heating panel, lantern, remote control, cold storage, water cooler, refrigeration stocker, cold air blower, word processor, whisk, electronic musical instrument , Motorcycles, toys, lawn mowers, walkers, bicycles, automobiles, hybrid cars, plug-in hybrid cars, electric cars, railways, ships, airplanes, emergency batteries, etc.

以下、実施例により本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

<ソフトカーボン製造>
石油ピッチ(ソフトカーボン前駆体)を下記表1に示す焼成条件により、カーボン化(炭化)し、その後、粉砕することにより、ソフトカーボン1〜13を得た。焼成条件は、窒素ガス雰囲気下、ピッチを20℃/時間の昇温速度で所定温度まで昇温後、同温度で10時間保持した。
<Soft carbon production>
Petroleum pitch (soft carbon precursor) was carbonized (carbonized) under the firing conditions shown in Table 1 below, and then pulverized to obtain soft carbons 1 to 13. The firing condition was that the pitch was heated to a predetermined temperature at a heating rate of 20 ° C./hour in a nitrogen gas atmosphere and then held at that temperature for 10 hours.

Figure 2013171798
Figure 2013171798

<実施例1〜10、比較例1〜5>
下記表2に示す炭素材料を、実施例1〜10及び比較例1〜5の試料とした。
<Examples 1 to 10, Comparative Examples 1 to 5>
The carbon materials shown in Table 2 below were used as samples of Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 to 5.

Figure 2013171798
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<電池特性の評価>
上記実施例1〜10及び比較例1〜5からなる負極材料をそれぞれ活物質として用い、負極活物質85質量%、KB5質量%、PVdFバインダー10質量%、を混合してスラリー状の合剤を調製し、アルミ箔(厚さ25μm、4.88mg/cm)の上に塗布・乾燥後、ロールプレス機により、アルミ箔と塗膜とを密着接合させ、次いで、加熱処理(減圧下、300℃、1時間以上)して試験電極(負極)を得た。
対極として、金属ナトリウム箔を用い、セパレータとしてガラスフィルター(商品名「アドバンテックGA−100」、厚み0.44mm、空隙率90.1%を圧縮して、厚み0.35mm、空隙率87.6%としたもの)、電解液として1mol/LのNaPF/EC‐DEC(1:1vol%)を具備したコインセル(CR2032)を作製した。
<Evaluation of battery characteristics>
Using the negative electrode materials composed of Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 to 5 as active materials, 85% by mass of the negative electrode active material, 5% by mass of KB, and 10% by mass of PVdF binder were mixed to prepare a slurry mixture. After preparing and applying and drying on an aluminum foil (thickness 25 μm, 4.88 mg / cm 2 ), the aluminum foil and the coating film are closely bonded with a roll press machine, and then heat treatment (under reduced pressure, 300 And a test electrode (negative electrode) was obtained.
As a counter electrode, metal sodium foil is used, and a glass filter (trade name “Advantech GA-100”, thickness 0.44 mm, porosity 90.1% is compressed to a thickness 0.35 mm, porosity 87.6% is used as a separator. And a coin cell (CR2032) having 1 mol / L NaPF 6 / EC-DEC (1: 1 vol%) as an electrolytic solution.

<充放電試験>
作製した試験セル(ナトリウム二次電池)について0.5C率で充放電試験を行った。試験条件は、カットオフ電位:0−1V(vs.Na/Na)、温度雰囲気:30℃に設定した。
実施例1〜10及び比較例1〜5の負極材料を用いた試験結果を表3に示す。表3から明らかなように、各実施例のソフトカーボンを負極材料として用いた電池は、初期の放電容量が90〜165mAh/gの値を示している。また、充放電100サイクル目の放電容量が81〜150mAh/gの値を示しており、サイクル寿命特性が良好であった。
<Charge / discharge test>
The prepared test cell (sodium secondary battery) was subjected to a charge / discharge test at a rate of 0.5C. The test conditions were set such that the cut-off potential was 0 to 1 V (vs. Na + / Na) and the temperature atmosphere was 30 ° C.
Table 3 shows the test results using the negative electrode materials of Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 to 5. As is apparent from Table 3, the batteries using the soft carbon of each example as the negative electrode material have an initial discharge capacity of 90 to 165 mAh / g. Further, the discharge capacity at the 100th charge / discharge cycle showed a value of 81 to 150 mAh / g, and the cycle life characteristics were good.

Figure 2013171798
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このうち、特に特性が良好であった実施例3及び比較例4,5の負極材料を用いた電極の充放電曲線をそれぞれ図1〜図3に示す。図1は実施例3の負極材料(ソフトカーボン3)を用いた電極の充放電曲線、図2は比較例4の負極材料(ハードカーボン)を用いた電極の充放電曲線、図3は比較例5の負極材料(球状化黒鉛)を用いた電極の充放電曲線、をそれぞれ示す。   Among these, the charge / discharge curves of the electrodes using the negative electrode materials of Example 3 and Comparative Examples 4 and 5 having particularly good characteristics are shown in FIGS. 1 is a charge / discharge curve of an electrode using the negative electrode material (soft carbon 3) of Example 3, FIG. 2 is a charge / discharge curve of an electrode using the negative electrode material (hard carbon) of Comparative Example 4, and FIG. 3 is a comparative example. 5 shows charge / discharge curves of electrodes using the negative electrode material 5 (spheroidized graphite).

ハードカーボンからなる負極(比較例4)の場合、表3及び図2に示すように、初期充電では約380mAh/gの容量が確認でき、可逆容量は約250mAh/gであった。しかし、0V付近に大きなプラトーがあり、デンドライドの析出が懸念される。
球状化黒鉛からなる負極(比較例5)の場合、表3及び図3に示すように、初期充電では約80mAh/gの容量が確認できるが、可逆容量は約10mAh/gであり、単体では負極として使用できないことが分かる。
これに対して、ソフトカーボンからなる負極(実施例3)の場合、表3及び図1に示すように、初期充電では約320mAh/gの容量が確認でき、可逆容量は約160mAh/gであった。可逆容量はハードカーボンの場合(比較例4)と比べると低いものの、0V付近に大きなプラトーがないため、デンドライドが析出する可能性が低いことが分かる。
In the case of the negative electrode made of hard carbon (Comparative Example 4), as shown in Table 3 and FIG. 2, a capacity of about 380 mAh / g was confirmed in the initial charge, and the reversible capacity was about 250 mAh / g. However, there is a large plateau in the vicinity of 0 V, and there is a concern about the precipitation of dendriides.
In the case of the negative electrode made of spheroidized graphite (Comparative Example 5), as shown in Table 3 and FIG. 3, the capacity of about 80 mAh / g can be confirmed in the initial charge, but the reversible capacity is about 10 mAh / g. It turns out that it cannot be used as a negative electrode.
On the other hand, in the case of the negative electrode made of soft carbon (Example 3), as shown in Table 3 and FIG. 1, a capacity of about 320 mAh / g can be confirmed in the initial charge, and the reversible capacity is about 160 mAh / g. It was. Although the reversible capacity is lower than that in the case of hard carbon (Comparative Example 4), it can be seen that there is no large plateau in the vicinity of 0 V, so that the possibility of dendride precipitation is low.

また、通常の電池は、負極からのデンドライド析出を防止するため、正極規制となるように電池を設計する。従って、負極容量の全てを使用することはできない。また、0V付近の電位は上述の通り、負極からのデンドライド析出が懸念されるため、0V付近を使用しないことがよいとされる。
そこで、試験条件のカットオフ電位の下限を所定値に変更し、実施例3及び比較例4の負極材料を用いた電池の容量を表4に示す。表4から明らかなように、カットオフ電位の下限値が0.05V(vs.Na/Na)以上であると、実施例3の容量維持率は比較例4の容量維持率を超えることがわかる。従って、本発明においては、カットオフ電位の下限値が、Na/Naを基準として0.05V以上であることが好ましく、0.08V以上であることがより好ましい。
Moreover, in order to prevent dendride precipitation from a negative electrode, a normal battery is designed so that it may become positive electrode regulation. Therefore, the entire negative electrode capacity cannot be used. Further, as described above, since there is a concern about dendrid precipitation from the negative electrode, it is recommended not to use a potential near 0V.
Therefore, Table 4 shows the capacities of the batteries using the negative electrode materials of Example 3 and Comparative Example 4 by changing the lower limit of the cutoff potential of the test conditions to a predetermined value. As is clear from Table 4, when the lower limit value of the cutoff potential is 0.05 V (vs. Na + / Na) or more, the capacity retention rate of Example 3 may exceed the capacity retention rate of Comparative Example 4. Recognize. Therefore, in the present invention, the lower limit value of the cutoff potential is preferably 0.05 V or more, more preferably 0.08 V or more, based on Na + / Na.

Figure 2013171798
Figure 2013171798

ソフトカーボンからなる負極材料(実施例1〜10及び比較例1〜3)をナトリウム二次電池用の負極として用いた試験結果について、放電容量と熱処理(焼成)温度の関係(ナトリウム)を図4に示す。   FIG. 4 shows the relationship (sodium) between the discharge capacity and the heat treatment (firing) temperature for the test results using the negative electrode material made of soft carbon (Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 to 3) as the negative electrode for a sodium secondary battery. Shown in

図4から、ソフトカーボンからなる負極材料は、熱処理温度(焼成温度)を上げると放電容量(ナトリウム吸蔵量)が向上するが、熱処理温度が所定温度(800℃)を超えると、放電容量が低下する傾向があることが分かる。特に、500〜1500℃で焼成されたソフトカーボン(実施例1〜10)を使用することにより、放電容量が高いナトリウム二次電池を得ることができることが分かる。
また、ソフトカーボンからなる負極材料(実施例1〜10及び比較例1〜3)の負極材料をリチウム二次電池用の負極として用いた試験結果について、放電容量と熱処理(焼成)温度の関係(リチウム)を図5に示す。
図4及び図5を比較して明らかなように、ナトリウム二次電池としての評価結果とリチウム二次電池としての評価結果が異なる。従って、リチウムイオン電池として高容量とされた負極材料であっても、必ずしもナトリウム二次電池として高容量であるとは限らないことが証明された。
From FIG. 4, the negative electrode material made of soft carbon improves the discharge capacity (sodium storage amount) when the heat treatment temperature (calcination temperature) is increased, but the discharge capacity decreases when the heat treatment temperature exceeds a predetermined temperature (800 ° C.). It turns out that there is a tendency to. In particular, it can be seen that a sodium secondary battery having a high discharge capacity can be obtained by using soft carbon (Examples 1 to 10) baked at 500 to 1500 ° C.
Moreover, about the test result which used the negative electrode material (Examples 1-10 and Comparative Examples 1-3) consisting of soft carbon as a negative electrode for lithium secondary batteries, the relationship between discharge capacity and heat treatment (firing) temperature ( Lithium) is shown in FIG.
As is clear by comparing FIG. 4 and FIG. 5, the evaluation result as a sodium secondary battery is different from the evaluation result as a lithium secondary battery. Accordingly, it has been proved that even a negative electrode material having a high capacity as a lithium ion battery does not necessarily have a high capacity as a sodium secondary battery.

<高率放電試験(カーボン被覆有無の比較)>
作製した試験セル(ナトリウム二次電池)について0.5C率で充電し、その後、所定の放電レートで高率放電試験を行った。尚、0.5C率で充電を行った際の容量を電池容量100%としている。試験条件は、カットオフ電位:0−1V(vs.Na/Na)、温度雰囲気:30℃に設定した。
実施例3の負極材料を用いた高率放電試験結果を図6に示す。
実施例11は、予め、実施例3の粉末をロータリーキルン(700℃、1時間、ブタンガス雰囲気)に装入して、導電薄膜(カーボン被覆膜)を1質量%形成したものを用いた。電極の作製と試験条件は実施例3と同様である。
実施例11の負極材料を用いた高率放電試験結果を図7に示す。
図6と図7を比較して明らかなように、導電薄膜を形成した実施例11は、導電薄膜を形成していない実施例3よりも、高率放電特性(出力特性)が良好であった。
<High-rate discharge test (comparison with or without carbon coating)>
The prepared test cell (sodium secondary battery) was charged at a rate of 0.5 C, and then a high rate discharge test was performed at a predetermined discharge rate. In addition, the capacity | capacitance at the time of charging by 0.5C rate is set to 100% of battery capacity. The test conditions were set such that the cut-off potential was 0 to 1 V (vs. Na + / Na) and the temperature atmosphere was 30 ° C.
The results of the high rate discharge test using the negative electrode material of Example 3 are shown in FIG.
In Example 11, a powder obtained by charging the powder of Example 3 in a rotary kiln (700 ° C., 1 hour, butane gas atmosphere) in advance to form 1% by mass of a conductive thin film (carbon coating film) was used. The production of electrodes and the test conditions are the same as in Example 3.
The results of the high rate discharge test using the negative electrode material of Example 11 are shown in FIG.
As is clear from comparison between FIG. 6 and FIG. 7, Example 11 in which the conductive thin film was formed had better high rate discharge characteristics (output characteristics) than Example 3 in which the conductive thin film was not formed. .

<充放電試験(Snの複合化)>
Snとソフトカーボン(焼成温度:800℃)とを常圧のアルゴン雰囲気下で遊星ボールミル処理することにより、Snの粒子表面をソフトカーボンで被覆したソフトカーボン/Sn複合体(質量比で3:7)を形成した(実施例12)。
遊星ボールミル処理の条件は、重力加速度は100Gで、処理時間は1時間である。
バインダーをPIに変更した他、実施例3と同様の条件である。
作製した試験セル(ナトリウム二次電池)について0.2C率で充放電を行った。試験条件は、カットオフ電位:0−1V(vs.Na/Na)、温度雰囲気:30℃に設定した。
図8に、実施例12の充放電曲線を示す。
図8から明らかなように、ソフトカーボンとSnとを複合化することで300〜400mAh/gもの高容量が可逆的に得られた。
<Charge / discharge test (combining Sn)>
A soft carbon / Sn composite (mass ratio of 3: 7) in which Sn and soft carbon (firing temperature: 800 ° C.) are treated with a planetary ball mill in an atmospheric argon atmosphere to coat the Sn particle surface with soft carbon. ) Was formed (Example 12).
The conditions of the planetary ball mill process are a gravitational acceleration of 100 G and a processing time of 1 hour.
The conditions are the same as in Example 3 except that the binder is changed to PI.
The produced test cell (sodium secondary battery) was charged and discharged at a rate of 0.2C. The test conditions were set such that the cut-off potential was 0 to 1 V (vs. Na + / Na) and the temperature atmosphere was 30 ° C.
In FIG. 8, the charging / discharging curve of Example 12 is shown.
As is apparent from FIG. 8, a high capacity of 300 to 400 mAh / g was reversibly obtained by combining soft carbon and Sn.

<全電池試験>
実施例11からなる負極材料を活物質として用い、負極活物質94質量%、KB2質量%、CMCバインダー3.5質量%、SBRバインダー0.5質量%を混合してスラリー状の合剤を調製し、アルミ箔(厚さ25μm、4.88mg/cm)の上に塗布・乾燥後、ロールプレス機により、アルミ箔と塗膜とを密着接合させ、次いで、加熱処理(減圧下、200℃、5時間以上)して試験電極(負極)を得た。
正極は、1800℃で焼成したソフトカーボンを活物質として用い、正極活物質94質量%、KB2質量%、CMCバインダー4質量%、を混合してスラリー状の合剤を調製し、厚さ1μmのカーボン層が形成されたアルミ箔(厚さ26μm、4.88mg/cm)の上に塗布・乾燥後、ロールプレス機により、カーボン層が形成されたアルミ箔と塗膜とを密着接合させ、次いで、加熱処理(減圧下、200℃、5時間以上)して正極を得た。
セパレータとしてガラスフィルター(商品名「アドバネックGA−100」、厚み0.44mm、空隙率90.1%を圧縮して、厚み0.35mm、空隙率87.6%としたもの)、電解液として1mol/LのNaPF/EC‐DEC(1:1vol%)を具備したコインセル(CR2032)を作製した。
なお、本全電池の公称容量は1mAhで、N/P比は1.7である。作製した試験セル(ナトリウム全電池)について0.2C率で充放電試験を行い、その放電曲線を図9に示す。全電池の試験条件は、カットオフ電位:1.5−4.90V(電池電位)、温度雰囲気:30℃に設定した。
図9から明らかなように、1800℃で焼成したソフトカーボンを活物質として用いた正極と組み合わせることで、4V以上の高い電位で大きな放電プラトーが確認される。
<All battery tests>
Using the negative electrode material consisting of Example 11 as an active material, 94% by mass of the negative electrode active material, 2% by mass of KB, 3.5% by mass of CMC binder, and 0.5% by mass of SBR binder were mixed to prepare a slurry mixture. Then, after coating and drying on an aluminum foil (thickness 25 μm, 4.88 mg / cm 2 ), the aluminum foil and the coating film are closely bonded with a roll press machine, and then heat treatment (under reduced pressure, 200 ° C. 5 hours or more) to obtain a test electrode (negative electrode).
The positive electrode uses soft carbon baked at 1800 ° C. as an active material, and mixes 94% by mass of the positive electrode active material, 2% by mass of KB, and 4% by mass of the CMC binder to prepare a slurry-like mixture having a thickness of 1 μm. After applying and drying on the aluminum foil (thickness 26 μm, 4.88 mg / cm 2 ) on which the carbon layer has been formed, the aluminum foil on which the carbon layer has been formed and the coating film are closely bonded by a roll press machine, Next, heat treatment was performed (under reduced pressure at 200 ° C. for 5 hours or longer) to obtain a positive electrode.
As a separator, a glass filter (trade name “Advaneck GA-100”, thickness 0.44 mm, porosity 90.1% compressed to a thickness 0.35 mm, porosity 87.6%), electrolyte A coin cell (CR2032) equipped with 1 mol / L NaPF 6 / EC-DEC (1: 1 vol%) was produced.
The nominal capacity of all the batteries is 1 mAh, and the N / P ratio is 1.7. The prepared test cell (all sodium battery) was subjected to a charge / discharge test at a rate of 0.2 C, and the discharge curve is shown in FIG. The test conditions for all the batteries were set to a cut-off potential: 1.5-4.90 V (battery potential) and a temperature atmosphere: 30 ° C.
As is clear from FIG. 9, a large discharge plateau is confirmed at a high potential of 4 V or more by combining with a positive electrode using soft carbon fired at 1800 ° C. as an active material.

本発明により得られるナトリウム二次電池は、例えば、移動体通信機器、携帯用電子機器、電動自転車、電動二輪車、電気自動車等の主電源等の用途に利用することが可能である。   The sodium secondary battery obtained by the present invention can be used for applications such as main power sources for mobile communication devices, portable electronic devices, electric bicycles, electric motorcycles, electric vehicles, and the like.

本発明により得られるナトリウム二次電池用負極は、高容量でサイクル寿命特性が良好であり、これを用いたナトリウム二次電池は実用に耐えうるものである。ナトリウムは、安価で、入手しやすい元素であり、リチウム資源のような地域的な偏在がない上、ナトリウムイオン電池では負極の集電体として安価なアルミニウム箔を使用することができるため、現在、二次電池の主流となっているリチウムイオン二次電池に置き換えることができれば、これまでよりも安価に二次電池を製造することが可能となる。このように、本発明は、二次電池市場の更なる発展に大きく寄与するものである。   The negative electrode for a sodium secondary battery obtained by the present invention has a high capacity and good cycle life characteristics, and a sodium secondary battery using the negative electrode can withstand practical use. Sodium is an element that is inexpensive and readily available, has no local uneven distribution like lithium resources, and because sodium ion batteries can use inexpensive aluminum foil as a negative electrode current collector, If it can be replaced with a lithium ion secondary battery that is the mainstream of secondary batteries, it will be possible to manufacture secondary batteries at a lower cost than before. Thus, the present invention greatly contributes to further development of the secondary battery market.

Claims (16)

500〜1500℃で焼成されたソフトカーボンを含むナトリウム二次電池用負極材料。   A negative electrode material for a sodium secondary battery containing soft carbon baked at 500 to 1500 ° C. 前記ソフトカーボンの表面に、カーボン被覆膜が形成されている請求項1記載のナトリウム二次電池用負極材料。   The negative electrode material for sodium secondary batteries according to claim 1, wherein a carbon coating film is formed on the surface of the soft carbon. ナトリウムと合金化し得る物質の表面に、前記ソフトカーボンが被覆されている請求項1記載のナトリウム二次電池用負極材料。   The negative electrode material for sodium secondary batteries according to claim 1, wherein the soft carbon is coated on the surface of a substance that can be alloyed with sodium. 500〜1500℃で焼成されたソフトカーボンの表面にカーボンを被覆することにより、前記ソフトカーボンとカーボンからなる複合粉末を形成する、ナトリウム二次電池用負極材料の製造方法。   The manufacturing method of the negative electrode material for sodium secondary batteries which forms the composite powder which consists of the said soft carbon and carbon by coat | covering carbon on the surface of the soft carbon baked at 500-1500 degreeC. 前記ソフトカーボンを、カーボン前駆体を含む非酸化性ガス雰囲気下で加熱する熱処理を施すことにより、ソフトカーボンの表面をカーボンで被覆した複合粉末を形成する、請求項4記載のナトリウム二次電池用負極材料の製造方法。   5. The sodium secondary battery according to claim 4, wherein the soft carbon is heat-treated in a non-oxidizing gas atmosphere containing a carbon precursor to form a composite powder in which the surface of the soft carbon is coated with carbon. Manufacturing method of negative electrode material. ナトリウムと合金化し得る物質の表面に、500〜1500℃で焼成されたソフトカーボンを被覆することにより、前記物質と前記ソフトカーボンからなる複合粉末を形成する、ナトリウム二次電池用負極材料の製造方法。   A method for producing a negative electrode material for a sodium secondary battery, wherein a composite powder composed of the substance and the soft carbon is formed by coating the surface of a substance that can be alloyed with sodium with a soft carbon fired at 500 to 1500 ° C. . 前記物質と前記ソフトカーボンとをメカニカルミリング処理することにより、前記物質表面を前記ソフトカーボンで被覆した複合粉末を形成する、請求項6記載のナトリウム二次電池用負極材料の製造方法。   The manufacturing method of the negative electrode material for sodium secondary batteries of Claim 6 which forms the composite powder which coat | covered the said substance surface with the said soft carbon by carrying out the mechanical milling process of the said substance and the said soft carbon. 請求項1乃至3いずれかに記載のナトリウム二次電池用負極材料を用いたナトリウム二次電池用負極。   The negative electrode for sodium secondary batteries using the negative electrode material for sodium secondary batteries in any one of Claims 1 thru | or 3. 請求項4乃至6いずれかに記載の製造方法により得られたナトリウム二次電池用負極材料を用いたナトリウム二次電池用負極。   The negative electrode for sodium secondary batteries using the negative electrode material for sodium secondary batteries obtained by the manufacturing method in any one of Claims 4 thru | or 6. ポリイミドからなるバインダーを5〜30質量%含む請求項8又は9記載のナトリウム二次電池用負極。   The sodium secondary battery negative electrode according to claim 8 or 9, comprising 5 to 30% by mass of a binder made of polyimide. ステンレス鋼からなる集電体を備える請求項8乃至10いずれかに記載のナトリウム二次電池用負極。   The negative electrode for sodium secondary batteries according to any one of claims 8 to 10, comprising a current collector made of stainless steel. 請求項10記載のナトリウム二次電池用負極の製造方法であって、非酸化性雰囲気下、温度200〜400℃で前記バインダーのポリイミドを熱架橋する工程を含むナトリウム二次電池用負極の製造方法。   The method for producing a negative electrode for a sodium secondary battery according to claim 10, comprising a step of thermally cross-linking the polyimide of the binder at a temperature of 200 to 400 ° C. in a non-oxidizing atmosphere. . 請求項8乃至11いずれかに記載のナトリウム二次電池用負極を用いたナトリウム二次電池。   The sodium secondary battery using the negative electrode for sodium secondary batteries in any one of Claims 8 thru | or 11. グラファイト正極を用いた請求項13記載のナトリウム二次電池。   The sodium secondary battery according to claim 13, wherein a graphite positive electrode is used. カットオフ電位の下限値がNa/Naを基準として0.05V以上である請求項13記載のナトリウム二次電池。 The sodium secondary battery according to claim 13, wherein the lower limit value of the cutoff potential is 0.05 V or more with respect to Na + / Na. 請求項13乃至15いずれかに記載のナトリウム二次電池を用いた電気機器。   An electric device using the sodium secondary battery according to claim 13.
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