JP2013175311A - Positive electrode material for sodium secondary battery, manufacturing method thereof, sodium secondary battery electrode using the positive electrode material for sodium secondary battery, nonaqueous sodium secondary battery having the sodium secondary battery electrode, and electric device having the nonaqueous sodium secondary battery incorporated therein - Google Patents

Positive electrode material for sodium secondary battery, manufacturing method thereof, sodium secondary battery electrode using the positive electrode material for sodium secondary battery, nonaqueous sodium secondary battery having the sodium secondary battery electrode, and electric device having the nonaqueous sodium secondary battery incorporated therein Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a positive electrode material for a sodium secondary battery, a manufacturing method thereof, a sodium secondary battery electrode using the positive electrode material for a sodium secondary battery, a nonaqueous sodium secondary battery having the sodium secondary battery electrode and an electric device having a nonaqueous sodium secondary battery incorporated therein which allow the achievement of an excellent charge/discharge capacity and an excellent capacity-keeping rate.SOLUTION: The positive electrode material for a sodium secondary battery comprises: a transition metal oxide solid solution having a crystal structure of a space group R-3 m (No.166). The positive electrode material has lattice constants which satisfy the conditions of 2.80≤a≤3.00 Å and 16.0≤c≤16.6 Å, and diffraction peaks of (003)plane and (104)plane which meet the condition of 1.1≤I(104)/I(003)≤1.3.

Description

本発明は、充放電容量と容量維持率に優れたナトリウム二次電池正極材料、該ナトリウム二次電池用正極材料の製造方法、該ナトリウム二次電池用正極材料を用いるナトリウム二次電池用電極、該ナトリウム二次電池用電極を備える非水系ナトリウム二次電池、及び該非水系ナトリウム二次電池を用いる電気機器に関する。   The present invention provides a sodium secondary battery positive electrode material excellent in charge and discharge capacity and capacity retention rate, a method for producing the sodium secondary battery positive electrode material, a sodium secondary battery electrode using the sodium secondary battery positive electrode material, The present invention relates to a non-aqueous sodium secondary battery including the sodium secondary battery electrode, and an electric device using the non-aqueous sodium secondary battery.

リチウムイオン電池は高いエネルギー密度を有する二次電池であることから、携帯電話やノートパソコン等の小型電源や、電気自動車等の大型電源としても実用化されており、今後もさらに需要の拡大が期待される。
しかしながら、電荷担体であるリチウムは希少金属であり、またその資源が南米や中国に偏在しているため、原料価格が高く、原料の安定供給にも不安がある。
Lithium-ion batteries are secondary batteries with high energy density, so they have been put to practical use as small power sources for mobile phones and laptop computers, and large power sources for electric vehicles. Is done.
However, lithium, which is a charge carrier, is a rare metal and its resources are unevenly distributed in South America and China. Therefore, raw material prices are high and there is concern about the stable supply of raw materials.

そのリチウム二次電池に代わる次世代二次電池として、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もある。つまり、リチウム資源に恵まれない我が国では、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であるが、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。   As a next-generation secondary battery replacing the lithium secondary battery, a sodium secondary battery has been studied. Sodium is abundant in seawater, the sixth most abundant element on earth, and is an inexpensive and readily available element. In other words, it is a very attractive element in Japan, which is not blessed with lithium resources. Further, the current collector of the negative electrode is a copper foil in a lithium ion battery, but there is also 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.

ナトリウム二次電池正極活物質として、特許文献1にはNaLi2±αの化学式で示される正極と、負極にナトリウム金属を用いたナトリウム二次電池が開示されている。
特許文献2には、リチウム含有複合酸化物から電気化学的にリチウムを脱離した正極と負極にナトリウム金属を用いたナトリウム二次電池が開示されている。
しかし、ナトリウムイオンはリチウムイオンと比較して、イオン半径が約1.3倍大きいため、充放電に伴う正極材料の体積膨張・収縮変化が大きく、ナトリウムイオンの吸蔵量も少なくなる。従って、これら従来のナトリウム二次電池においては、十分な充放電容量と、十分な容量維持率が得られていないのが現状である。
As a sodium secondary battery positive electrode active material, Patent Document 1 discloses a positive electrode represented by a chemical formula of Na a Li b M x O 2 ± α and a sodium secondary battery using sodium metal as a negative electrode.
Patent Document 2 discloses a sodium secondary battery using sodium metal for a positive electrode and a negative electrode obtained by electrochemically desorbing lithium from a lithium-containing composite oxide.
However, since the ion radius of the sodium ion is about 1.3 times larger than that of the lithium ion, the volume expansion / contraction change of the positive electrode material accompanying charge / discharge is large, and the occlusion amount of the sodium ion is also small. Therefore, in these conventional sodium secondary batteries, a sufficient charge / discharge capacity and a sufficient capacity retention rate are not obtained at present.

特開2007−287661号公報JP 2007-287661 A 特開2007−073424号公報JP 2007-073424 A 特開2006−12613号公報JP 2006-12613 A

Chemistry of Materials,2001,13,2951Chemistry of Materials, 2001, 13, 2951 第52回電池討論会要旨集、2B1052nd Battery Symposium Abstracts, 2B10 Journal of Solid State Chemistry,1981, 81, 203Journal of Solid State Chemistry, 1981, 81, 203

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、従来に比し、充放電容量と容量維持率に優れるナトリウム二次電池を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above-described state of the art, and a main object thereof is to provide a sodium secondary battery that is superior in charge / discharge capacity and capacity retention rate as compared with the conventional art.

本発明のナトリウム二次電池正極材料は、空間群R−3m(No.166)の結晶構造を有する遷移金属酸化物固溶体であって、格子定数が2.80Å≦a≦3.00Å、16.0Å≦c≦16.6Åであり、(003)面と(104)面の回折ピークが1.1≦I(104)/I(003)≦1.3である。   The positive electrode material for a sodium secondary battery of the present invention is a transition metal oxide solid solution having a crystal structure of space group R-3m (No. 166), and has a lattice constant of 2.80Å ≦ a ≦ 3.00Å, 16. 0Å ≦ c ≦ 16.6Å, and diffraction peaks of the (003) plane and the (104) plane are 1.1 ≦ I (104) / I (003) ≦ 1.3.

本発明のナトリウム二次電池正極材料は、組成式1:Na(MnM1)Oで表され、前記組成式1のNa原子の数Aが0.7〜1.2、Mn原子の数Bが0.4〜0.6、Mn原子の数BとM1原子の数Cとの和が0.7〜1.0、O原子の数Dが1.8〜2.2であって、前記M1は、Fe、Co、Ni、Nb、Moからなる群から選択される一種以上であることが好ましい。 Sodium secondary battery positive electrode material of the present invention, the composition formula 1: is represented by Na A (Mn B M1 C) O D, the number A of Na atoms in the composition formula 1 is 0.7 to 1.2, Mn atoms Number B of 0.4 to 0.6, the sum of the number B of Mn atoms and the number C of M1 atoms is 0.7 to 1.0, and the number D of O atoms is 1.8 to 2.2. The M1 is preferably one or more selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, Nb, and Mo.

別の態様によれば、本発明のナトリウム二次電池正極材料は、組成式2:Na(MnM1M2)Oで表され、前記組成式2のNa原子の数Aが0.7〜1.2、Mn原子の数Bが0.4〜0.6、M2原子の数Eが0.01〜0.1、Mn原子の数BとM1原子の数CとM2原子の数Eとの和が0.7〜1.0、O原子の数Dが1.8〜2.2であって、前記M1は、Fe、Co、Ni、Nb、Moからなる群から選択される一種以上であって、前記M2は、Ti、V、Cr、Zr、Wからなる群から選択される一種以上であることが好ましい。 According to another aspect, the sodium secondary battery positive electrode material of the present invention, the composition formula 2: Na A (Mn B M1 C M2 E) is represented by O D, the number A of Na atoms in the composition formula 2 0 0.7 to 1.2, Mn atom number B is 0.4 to 0.6, M2 atom number E is 0.01 to 0.1, Mn atom number B, M1 atom number C, and M2 atom number The sum with the number E is 0.7 to 1.0, the number D of O atoms is 1.8 to 2.2, and the M1 is selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, Nb, and Mo. Preferably, M2 is at least one selected from the group consisting of Ti, V, Cr, Zr, and W.

別の態様によれば、本発明のナトリウム二次電池正極材料は、組成式3:Na(MnM1M2)Oで表され、前記組成式3のNa原子の数Aが0.7〜1.2、Mn原子の数Bが0.4〜0.6、M2原子の数Eが0.01〜0.1、Mn原子の数BとM1原子の数CとM2原子の数Eとの和が0.7〜1.0、O原子の数Dが1.8〜2.2、F原子の数Gが0.01〜0.2であって、前記M1は、Fe、Co、Ni、Nb、Moからなる群から選択される一種以上であって、前記M2は、Ti、V、Cr、Zr、Wからなる群から選択される一種以上であることが好ましい。 According to another aspect, the sodium secondary battery positive electrode material of the present invention, the composition formula 3: Na A is represented by (Mn B M1 C M2 E) O D F G, the number of Na atoms in the composition formula 3 A Is 0.7 to 1.2, the number B of Mn atoms is 0.4 to 0.6, the number E of M2 atoms is 0.01 to 0.1, the number B of Mn atoms and the number of M1 atoms C and M2 The sum with the number E of atoms is 0.7 to 1.0, the number D of O atoms is 1.8 to 2.2, the number G of F atoms is 0.01 to 0.2, and M1 is , Fe, Co, Ni, Nb, Mo are preferably one or more selected from the group consisting of Mo, and M2 is preferably one or more selected from the group consisting of Ti, V, Cr, Zr, and W. .

別の態様によれば、本発明のナトリウム二次電池正極材料は、組成式4:NaLi(MnM1)Oで表され、前記組成式4のLi原子の数Jが0〜0.4、Li原子の数JとNa原子の数Aとの和が0.7〜1.2、Mn原子の数Bが0.4〜0.6、Mn原子の数BとM1原子の数Cとの和が0.7〜1.0、O原子の数Dが1.8〜2.2であって、前記M1は、Fe、Co、Ni、Nb、Moからなる群から選択される一種以上であることが好ましい。 According to another aspect, the sodium secondary battery positive electrode material of the present invention is represented by the composition formula 4: Na A Li J (Mn B M1 C ) O D , and the number J of Li atoms in the composition formula 4 is 0. ~ 0.4, the sum of the number J of Li atoms and the number A of Na atoms is 0.7 to 1.2, the number B of Mn atoms is 0.4 to 0.6, the number B of Mn atoms and M1 atoms The number of oxygen atoms is 0.7 to 1.0, the number of O atoms D is 1.8 to 2.2, and M1 is selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, Nb, and Mo. It is preferable that it is 1 or more types.

本発明のナトリウム二次電池正極材料によれば、従来のナトリウム二次電池に比して、充放電容量と容量維持率に優れるナトリウム二次電池を提供することができる。   According to the sodium secondary battery positive electrode material of the present invention, it is possible to provide a sodium secondary battery that is superior in charge / discharge capacity and capacity retention rate as compared to conventional sodium secondary batteries.

本発明のナトリウム二次電池正極材料は、さらにNa(POを含むことができる。これにより、ナトリウム二次電池のインピーダンスを低下させ、結果として、レート特性を向上させることができる。 The sodium secondary battery positive electrode material of the present invention can further contain Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 . Thereby, the impedance of a sodium secondary battery can be reduced and, as a result, rate characteristics can be improved.

本発明のナトリウム二次電池用正極材料の製造方法は、請求項2乃至6記載のナトリウム二次電池正極材料の製造方法であって、高リチウム含有遷移金属酸化物から、リチウムを電気化学的あるいは化学的に脱離させ、次いでナトリウム吸蔵させるナトリウム二次電池用正極材料の製造方法である。   A method for producing a positive electrode material for a sodium secondary battery according to the present invention is a method for producing a positive electrode material for a sodium secondary battery according to any one of claims 2 to 6, wherein lithium is electrochemically or from a high lithium-containing transition metal oxide. This is a method for producing a positive electrode material for a sodium secondary battery that is chemically desorbed and then occluded with sodium.

本発明のナトリウム二次電池用正極材料の製造方法において、高リチウム含有遷移金属酸化物が、組成式5:Li(MnM1)Oで表され、前記組成式5のLi原子の数Kが1.0〜1.2、Mn原子の数Bが0.4〜0.6、Mn原子の数BとM1原子の数Cとの和が0.7〜1.0、O原子の数Dが1.8〜2.2であって、前記M1は、Fe、Co、Ni、Nb、Moからなる群から選択される一種以上であることが好ましい。 In the method for producing a positive electrode material for a sodium secondary battery of the present invention, the high lithium-containing transition metal oxide is represented by the composition formula 5: Li K (Mn B M1 C ) O D , and the Li atom of the composition formula 5 The number K is 1.0 to 1.2, the number B of Mn atoms is 0.4 to 0.6, the sum of the number B of Mn atoms and the number C of M1 atoms is 0.7 to 1.0, O atoms The number D of these is 1.8 to 2.2, and the M1 is preferably at least one selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, Nb, and Mo.

別の態様によれば、本発明のナトリウム二次電池用正極材料の製造方法において、高リチウム含有遷移金属酸化物が、組成式6:Li(MnM1M2)Oで表され、前記組成式6のLi原子の数Kが1.0〜1.2、Mn原子の数Bが0.4〜0.6、M2原子の数Eが0.01〜0.1、Mn原子の数BとM1原子の数CとM2原子の数Eとの和が0.7〜1.0、O原子の数Dが1.8〜2.2であって、前記M1は、Fe、Co、Ni、Nb、Moからなる群から選択される一種以上であって、前記M2は、Ti、V、Cr、Zr、Wからなる群から選択される一種以上であることが好ましい。 According to another aspect, in the method for producing a positive electrode material for a sodium secondary battery of the present invention, the high lithium-containing transition metal oxide is represented by a composition formula 6: Li K (Mn B M1 C M2 E ) O D. In the compositional formula 6, the number K of Li atoms is 1.0 to 1.2, the number B of Mn atoms is 0.4 to 0.6, the number E of M2 atoms is 0.01 to 0.1, and the Mn atoms The sum of the number B of M, the number C of M1 atoms and the number E of M2 atoms is 0.7 to 1.0, the number D of O atoms is 1.8 to 2.2, and the M1 is Fe, Preferably, the M2 is one or more selected from the group consisting of Co, Ni, Nb, and Mo, and the M2 is one or more selected from the group consisting of Ti, V, Cr, Zr, and W.

別の態様によれば、本発明のナトリウム二次電池用正極材料の製造方法において、高リチウム含有遷移金属酸化物が、組成式7:Li(MnM1M2)Oで表され、前記組成式7のLi原子の数Kが1.0〜1.2、Mn原子の数Bが0.4〜0.6、M2原子の数Eが0.01〜0.1、Mn原子の数BとM1原子の数CとM2原子の数Eとの和が0.7〜1.0、O原子の数Dが1.8〜2.2、F原子の数Gが0.01〜0.2であって、前記M1は、Fe、Co、Ni、Nb、Moからなる群から選択される一種以上であって、前記M2は、Ti、V、Cr、Zr、Wからなる群から選択される一種以上であることが好ましい。 According to another aspect, in the method for producing a positive electrode material for a sodium secondary battery of the present invention, the high lithium-containing transition metal oxide is represented by the composition formula 7: Li K (Mn B M1 C M2 E ) O D F G In the composition formula 7, the number K of Li atoms is 1.0 to 1.2, the number B of Mn atoms is 0.4 to 0.6, the number E of M2 atoms is 0.01 to 0.1, The sum of the number B of Mn atoms, the number C of M1 atoms, and the number E of M2 atoms is 0.7 to 1.0, the number D of O atoms is 1.8 to 2.2, and the number G of F atoms is 0. 0.01 to 0.2, where M1 is one or more selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, Nb, and Mo, and M2 is selected from Ti, V, Cr, Zr, and W. It is preferable that it is 1 or more types selected from the group which consists of.

本発明のナトリウム二次電池用正極材料の製造方法は、前記高リチウム含有遷移金属酸化物を正極、Li金属を負極として第1半電池を作製し前記第1半電池を充電することによりLiを前記第1半電池の前記正極から脱離させる工程と、このLiが脱離した前記第1半電池の前記正極を正極、Na金属を負極として第2半電池を作製し前記第2半電池を放電することによりNaを前記第2半電池の前記正極に吸蔵させる工程とを備えることが好ましい。   The method for producing a positive electrode material for a sodium secondary battery according to the present invention comprises preparing a first half battery using the high lithium-containing transition metal oxide as a positive electrode and a Li metal as a negative electrode, and charging the first half battery. A step of detaching from the positive electrode of the first half-cell, and a second half-cell having a positive electrode as the positive electrode of the first half-cell from which Li has been desorbed and a negative electrode of Na metal as the second half-cell It is preferable to include a step of occluding Na in the positive electrode of the second half battery by discharging.

上記製造方法においては、充電が4.6〜5.0V(vs.Li/Li)に達するまで行われ、放電が1〜2V(vs.Na/Na)に達するまで行われることが好ましい。 In the said manufacturing method, it is preferable to perform charging until it reaches 4.6 to 5.0 V (vs. Li / Li + ), and until discharging reaches 1 to 2 V (vs. Na / Na + ). .

本発明のナトリウム二次電池用正極材料の製造方法によれば、上記した結晶構造を有するナトリウム二次電池正極材料が得られるので、従来のナトリウム二次電池に比して、充放電容量と容量維持率に優れるナトリウム二次電池を提供することができる。   According to the method for producing a positive electrode material for a sodium secondary battery of the present invention, since the sodium secondary battery positive electrode material having the above-described crystal structure is obtained, the charge / discharge capacity and capacity are compared with those of a conventional sodium secondary battery. A sodium secondary battery having an excellent maintenance rate can be provided.

本発明のナトリウム二次電池用電極は、活物質として、上記ナトリウム二次電池用正極材料、又は上記ナトリウム二次電池用正極材料の製造方法で得られたナトリウム二次電池用正極材料を用いる。   The electrode for sodium secondary batteries of the present invention uses, as an active material, the positive electrode material for sodium secondary batteries or the positive electrode material for sodium secondary batteries obtained by the method for producing the positive electrode material for sodium secondary batteries.

本発明のナトリウム二次電池用電極は、導電助剤及びバインダーをさらに含み、活物質と導電助剤とバインダーとの合計を100重量%とした場合、バインダーを1〜25重量%含み、バインダーはカルボキシメチルセルロース(CMC)であることが好ましい。   The electrode for a sodium secondary battery of the present invention further includes a conductive additive and a binder. When the total of the active material, the conductive additive and the binder is 100% by weight, the binder is included in an amount of 1 to 25% by weight. Carboxymethyl cellulose (CMC) is preferred.

本発明のナトリウム二次電池用電極のバインダーがさらに、CMC100重量%に対してアクリル樹脂を10〜50重量%含有することが好ましい。   It is preferable that the binder of the electrode for a sodium secondary battery of the present invention further contains 10 to 50% by weight of an acrylic resin with respect to 100% by weight of CMC.

本発明のナトリウム二次電池用電極によれば、従来のナトリウム二次電池に比して、充放電容量と容量維持率に優れるナトリウム二次電池を提供することができる。   According to the electrode for sodium secondary batteries of the present invention, it is possible to provide a sodium secondary battery that is superior in charge / discharge capacity and capacity retention rate as compared to conventional sodium secondary batteries.

本発明の非水系ナトリウム二次電池は、上記ナトリウム二次電池用電極からなる正極を備える。
本発明の非水系ナトリウム二次電池はさらに、硫化スズ負極と、六フッ化リン酸ナトリウムが溶解したEC系電解液とを備えることが好ましい。
The non-aqueous sodium secondary battery of this invention is equipped with the positive electrode which consists of the said electrode for sodium secondary batteries.
The nonaqueous sodium secondary battery of the present invention preferably further comprises a tin sulfide negative electrode and an EC electrolyte solution in which sodium hexafluorophosphate is dissolved.

本発明の非水系ナトリウム二次電池によれば、従来のナトリウム二次電池に比して、充放電容量と容量維持率に優れるナトリウム二次電池を提供することができる。   According to the non-aqueous sodium secondary battery of the present invention, it is possible to provide a sodium secondary battery that is superior in charge / discharge capacity and capacity retention rate as compared to conventional sodium secondary batteries.

本発明の非水系ナトリウム二次電池は電気機器に用いることができる。   The non-aqueous sodium secondary battery of the present invention can be used for electrical equipment.

本発明によれば、上記空間群や格子定数で定義される構造をとる遷移金属酸化物固溶体であるナトリウム二次電池正極材料であることにより、従来に比して充放電容量と容量維持率に優れる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, by being a sodium secondary battery positive electrode material that is a transition metal oxide solid solution having a structure defined by the above space group and lattice constant, the charge / discharge capacity and the capacity retention ratio are improved as compared with the conventional case. An excellent sodium secondary battery can be provided.

Li1.2(Ni0.10Mn0.45Co0.25)O、及び電気化学的に作製したNa(Ni0.10Mn0.45Co0.25)OのXRDパターンである。In the XRD pattern of Li 1.2 (Ni 0.10 Mn 0.45 Co 0.25 ) O 2 and electrochemically produced Na A (Ni 0.10 Mn 0.45 Co 0.25 ) O 2 is there. 電気化学的に作製したNa(Ni0.10Mn0.45Co0.25)Oの充放電特性である。It is the charge / discharge characteristic of electrochemically produced Na A (Ni 0.10 Mn 0.45 Co 0.25 ) O 2 . NaLi(MnM1)Oの各J量におけるXRDパターンである。It is an XRD pattern in each J amount of Na A Li J (Mn B M1 C) O D. バインダーの違いによる60℃におけるサイクル寿命の変化を表すグラフである。It is a graph showing the change of the cycle life in 60 degreeC by the difference in a binder. ポリアクリル樹脂をバインダーに用いた電極の60℃における充放電曲線である。It is a charging / discharging curve at 60 degreeC of the electrode which used the polyacrylic resin for the binder. 遷移金属酸化物固溶体に5質量% Na(POを添加した正極の各レートにおける充放電曲線である。Transition metal oxide solid solution to 5 wt% Na 3 V 2 (PO 4 ) a charge-discharge curve at each rate of 3 positive electrode was added. 遷移金属酸化物固溶体に0,5,10,20質量% Na(POを添加した正極のレート特性を示すグラフである。Transition metal oxide solid solution in 0, 5, 10, 20 wt% Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 is a graph showing the rate characteristics of the positive electrode added. 各電解液における正極のレート特性を示すグラフである。It is a graph which shows the rate characteristic of the positive electrode in each electrolyte solution.

以下、本発明のナトリウム二次電池正極材料、該ナトリウム二次電池用正極材料の製造方法、該ナトリウム二次電池用正極材料を用いるナトリウム二次電池用電極、該ナトリウム二次電池用電極を備える非水系ナトリウム二次電池、及び該非水系ナトリウム二次電池を用いる電気機器の実施形態について説明する。   Hereinafter, a sodium secondary battery positive electrode material of the present invention, a method for producing the sodium secondary battery positive electrode material, a sodium secondary battery electrode using the sodium secondary battery positive electrode material, and the sodium secondary battery electrode are provided. Embodiments of a non-aqueous sodium secondary battery and an electric device using the non-aqueous sodium secondary battery will be described.

本発明のナトリウム二次電池正極材料は、空間群R−3m(No.166)の結晶構造を有する遷移金属酸化物固溶体であって、格子定数が2.80Å≦a≦3.00Å、16.0Å≦c≦16.6Åであり、(003)面と(104)面の回折ピークが1.1≦I(104)/I(003)≦1.3であるナトリウム二次電池正極材料である。
この正極材料を活物質として用いることにより、従来に比して充放電容量と容量維持率に優れるナトリウム二次電池とすることができる。
格子定数や回折ピークの比が、この範囲を外れるナトリウム二次電池正極材料を正極活物質としてナトリウム二次電池を構成すると、充放電容量が小さくなってしまい、また放電サイクルを繰り返すと放電容量が下降してしまい容量維持率が悪化するため、好ましくない。
The positive electrode material for a sodium secondary battery of the present invention is a transition metal oxide solid solution having a crystal structure of space group R-3m (No. 166), and has a lattice constant of 2.80Å ≦ a ≦ 3.00Å, 16. 0Å ≦ c ≦ 16.6Å, and the (003) plane and (104) plane diffraction peaks are 1.1 ≦ I (104) / I (003) ≦ 1.3. .
By using this positive electrode material as an active material, it is possible to obtain a sodium secondary battery that is superior in charge / discharge capacity and capacity retention rate as compared with the conventional material.
When a sodium secondary battery is configured using a positive electrode active material as a sodium secondary battery positive electrode material whose lattice constant or diffraction peak ratio is outside this range, the charge / discharge capacity is reduced, and the discharge capacity is reduced when the discharge cycle is repeated. Since it falls and the capacity maintenance rate deteriorates, it is not preferable.

本発明のナトリウム二次電池正極材料は、組成式1:Na(MnM1)Oで表され、前記組成式1のNa原子の数Aが0.7〜1.2、Mn原子の数Bが0.4〜0.6、Mn原子の数BとM1原子の数Cとの和が0.7〜1.0、O原子の数Dが1.8〜2.2であって、前記M1は、Fe、Co、Ni、Nb、Moからなる群から選択される一種以上である二次電池正極材料であることが好ましい。 Sodium secondary battery positive electrode material of the present invention, the composition formula 1: is represented by Na A (Mn B M1 C) O D, the number A of Na atoms in the composition formula 1 is 0.7 to 1.2, Mn atoms Number B of 0.4 to 0.6, the sum of the number B of Mn atoms and the number C of M1 atoms is 0.7 to 1.0, and the number D of O atoms is 1.8 to 2.2. The M1 is preferably a secondary battery positive electrode material that is at least one selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, Nb, and Mo.

或いは、組成式2:Na(MnM1M2)Oで表され、前記組成式2のNa原子の数Aが0.7〜1.2、Mn原子の数Bが0.4〜0.6、M2原子の数Eが0.01〜0.1、Mn原子の数BとM1原子の数CとM2原子の数Eとの和が0.7〜1.0、O原子の数Dが1.8〜2.2であって、前記M1は、Fe、Co、Ni、Nb、Moからなる群から選択される一種以上であって、前記M2は、Ti、V、Cr、Zr、Wからなる群から選択される一種以上であるナトリウム二次電池正極材料であることが好ましい。
これら元素M2は、組成式1:Na(MnM1)Oで表される遷移金属酸化物固溶体の結晶中において、主として、元素M1の一部と置換してM1サイトに存在するものである。このため、M1イオンサイズに近いイオンサイズの元素が好ましい。
M2とM1の総モル数に対するM2のモル数の原料組成における比をTとし、T=M2/(M2+M1)とすると、Tが0.01〜0.1の範囲であることが好ましい。
Alternatively, the composition formula 2: is represented by Na A (Mn B M1 C M2 E) O D, the number A of Na atoms in the composition formula 2 is 0.7 to 1.2, the number B of Mn atoms 0.4 -0.6, the number E of M2 atoms is 0.01-0.1, the sum of the number B of Mn atoms, the number C of M1 atoms, and the number E of M2 atoms is 0.7-1.0, O atoms The number D is 1.8 to 2.2, and the M1 is one or more selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, Nb, and Mo, and the M2 is Ti, V, Cr It is preferable that it is a sodium secondary battery positive electrode material which is 1 or more types selected from the group which consists of, Zr, and W.
These elements M2 are formula 1: in Na A (Mn B M1 C) a transition metal oxide solid solution in the crystal represented by O D, mainly, those present in a part and replaced by M1 site element M1 It is. For this reason, an element having an ion size close to the M1 ion size is preferable.
When the ratio in the raw material composition of the number of moles of M2 to the total number of moles of M2 and M1 is T, and T = M2 / (M2 + M1), T is preferably in the range of 0.01 to 0.1.

或いは、組成式3:Na(MnM1M2)Oで表され、前記組成式3のNa原子の数Aが0.7〜1.2、Mn原子の数Bが0.4〜0.6、M2原子の数Eが0.01〜0.1、Mn原子の数BとM1原子の数CとM2原子の数Eとの和が0.7〜1.0、O原子の数Dが1.8〜2.2、F原子の数Gが0.01〜0.2であって、前記M1は、Fe、Co、Ni、Nb、Moからなる群から選択される一種以上であって、前記M2は、Ti、V、Cr、Zr、Wからなる群から選択される一種以上であるナトリウム二次電池正極材料であることが好ましい。
上記組成式において、フッ素元素Fは、組成式2:Na(MnM1M2)Oの結晶中に存在するOの一部と置換してOサイトに存在するものであり、フッ素元素Fが置換した遷移金属酸化物固溶体は、初期の充放電容量は若干低下するものの、充放電サイクル特性が約5〜10%向上し、同時に、放電電圧が0.02〜0.1V程度上昇する。但し、フッ素元素Fの置換量が多くなるとNaとF間の結合エネルギーが強まり、Naイオンの挿入・脱離が起こりにくいため、正極容量が低下する。
フッ素元素Fの置換量であるGは0.01≦G≦0.2の範囲であればよいが、フッ素元素Fの置換効果を十分に発揮させるためには、0.01≦G≦0.05の範囲であることが好ましい。
Alternatively, the composition formula 3: represented by Na A (Mn B M1 C M2 E) O D F G, the number A of Na atoms in the composition formula 3 is 0.7 to 1.2, the number B of Mn atoms 0 .4 to 0.6, the number E of M2 atoms is 0.01 to 0.1, the sum of the number B of Mn atoms, the number C of M1 atoms and the number E of M2 atoms is 0.7 to 1.0, The number D of O atoms is 1.8 to 2.2, the number G of F atoms is 0.01 to 0.2, and M1 is selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, Nb, and Mo. Preferably, the M2 is a sodium secondary battery positive electrode material that is at least one selected from the group consisting of Ti, V, Cr, Zr, and W.
In the above composition formula, the fluorine element F is, formula 2: are those present in the Na A (Mn B M1 C M2 E) O D part and replaced by O site O present in the crystals, fluorine The transition metal oxide solid solution substituted with the element F has a slight decrease in the initial charge / discharge capacity, but the charge / discharge cycle characteristics are improved by about 5 to 10%, and at the same time, the discharge voltage is increased by about 0.02 to 0.1V. To do. However, when the amount of substitution of the fluorine element F increases, the binding energy between Na and F increases, and the insertion / extraction of Na ions does not easily occur, so the positive electrode capacity decreases.
The substitution amount G of fluorine element F may be in the range of 0.01 ≦ G ≦ 0.2. However, in order to sufficiently exhibit the substitution effect of fluorine element F, 0.01 ≦ G ≦ 0. A range of 05 is preferred.

或いは、組成式4:NaLi(MnM1)Oで表され、前記組成式4のLi原子の数Jが0〜0.4、Li原子の数JとNa原子の数Aとの和が0.7〜1.2、Mn原子の数Bが0.4〜0.6、Mn原子の数BとM1原子の数Cとの和が0.7〜1.0、O原子の数Dが1.8〜2.2であって、前記M1は、Fe、Co、Ni、Nb、Moからなる群から選択される一種以上であるナトリウム二次電池正極材料であることが好ましい。 Alternatively, the composition formula 4: Na A Li J is represented by (Mn B M1 C) O D , the number J of Li atoms in the composition formula 4 is 0 to 0.4, the number of the number J and Na atoms Li atom A Is 0.7 to 1.2, the number B of Mn atoms is 0.4 to 0.6, the sum of the number B of Mn atoms and the number C of M1 atoms is 0.7 to 1.0, O The number D of atoms is 1.8 to 2.2, and M1 is a positive electrode material for a sodium secondary battery that is at least one selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, Nb, and Mo. preferable.

尚、Na原子の数A(或いはLi原子の数JとNa原子の数Aとの和)が1.2を超えると、Na含有遷移金属酸化物固溶体の基本骨格構造が不安定なものとなりやすく、安定した充放電特性が得られにくい。   If the number A of Na atoms (or the sum of the number J of Li atoms and the number A of Na atoms) exceeds 1.2, the basic skeleton structure of the Na-containing transition metal oxide solid solution tends to be unstable. It is difficult to obtain stable charge / discharge characteristics.

一方、Na原子の数A(或いはLi原子の数JとNa原子の数Aとの和)が0.7未満であると、吸蔵及び放出可能なナトリウムイオン(及びリチウムイオン)の量が少なくなり、高い充放電容量を得ることができないため、好ましくない。   On the other hand, when the number A of Na atoms (or the sum of the number J of Li atoms and the number A of Na atoms) is less than 0.7, the amount of sodium ions (and lithium ions) that can be occluded and released is reduced. This is not preferable because a high charge / discharge capacity cannot be obtained.

本発明のナトリウム二次電池用材料は、さらにリン酸バナジウムナトリウム(Na(PO)を含むことができる。
これにより、レート特性を向上させることができる。
The material for a sodium secondary battery of the present invention can further contain sodium vanadium phosphate (Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 ).
Thereby, rate characteristics can be improved.

<正極材料の製造方法>
次に、本発明のナトリウム二次電池用正極材料の製造方法について説明する。
<Method for producing positive electrode material>
Next, the manufacturing method of the positive electrode material for sodium secondary batteries of this invention is demonstrated.

本発明のナトリウム二次電池用正極材料の製造方法は、高リチウム含有遷移金属酸化物(本発明の正極材料の出発物質)から、リチウムを電気化学的あるいは化学的に脱離させ、次いでナトリウム吸蔵させるナトリウム二次電池用正極材料の製造方法である。
本発明のナトリウム二次電池用正極材料の製造方法において、「電気化学的に」とは、物質間の電子の授受とそれに付随する諸現象によるものを言い、「化学的に」とは、物質間の化学反応によるものを言う。
例えば、電気化学的に製造される方法としては、非特許文献1ではLiFePOを正極とし、対極をLi箔とした半電池を作製し、充電することによりLiを脱離し、その後、充電後の正極と対極をNa箔とした半電池を作製しNaを挿入する方法などが挙げられる。化学的に製造される方法としては、特許文献3や非特許文献2および3に記載されるように、NOBF、NOPFまたはMoFを溶解したアセトニトリル溶液中にリチウム化合物を分散させ、化合物中からリチウムを脱離し、その後ヨウ化リチウム等の溶解したアセトニトリル溶液中でリチウムを挿入する方法などが挙げられる。
The method for producing a positive electrode material for a sodium secondary battery according to the present invention comprises desorbing lithium electrochemically or chemically from a high lithium-containing transition metal oxide (starting material of the positive electrode material of the present invention), and then storing sodium. It is a manufacturing method of the positive electrode material for sodium secondary batteries to be made.
In the method for producing a positive electrode material for a sodium secondary battery according to the present invention, “electrochemically” refers to the transfer of electrons between substances and various incidental phenomena, and “chemically” refers to substances This is due to a chemical reaction between them.
For example, as a method of electrochemical production, in Non-Patent Document 1, a half battery having LiFePO 4 as a positive electrode and a counter electrode as a Li foil is prepared, and Li is desorbed by charging. Examples thereof include a method of producing a half battery having a positive electrode and a counter electrode made of Na foil and inserting Na. As a chemical production method, as described in Patent Document 3 and Non-Patent Documents 2 and 3, a lithium compound is dispersed in an acetonitrile solution in which NO 2 BF 4 , NO 2 PF 6 or MoF 6 is dissolved. And removing lithium from the compound, and then inserting lithium into a dissolved acetonitrile solution such as lithium iodide.

高リチウム含有遷移金属酸化物としては、組成式5:Li(MnM1)Oで表され、前記組成式5のLi原子の数Kが1.0〜1.2、Mn原子の数Bが0.4〜0.6、Mn原子の数BとM1原子の数Cとの和が0.7〜1.0、O原子の数Dが1.8〜2.2であって、前記M1は、Fe、Co、Ni、Nb、Moからなる群から選択される一種以上である高リチウム含有遷移金属酸化物を用いることができる。 The high lithium-containing transition metal oxide, the composition formula 5: is represented by Li K (Mn B M1 C) O D, the number K of Li atoms in the composition formula 5 is 1.0 to 1.2, the Mn atoms The number B is 0.4 to 0.6, the sum of the number B of Mn atoms and the number C of M1 atoms is 0.7 to 1.0, and the number D of O atoms is 1.8 to 2.2. The M1 may be a high lithium-containing transition metal oxide that is at least one selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, Nb, and Mo.

また、高リチウム含有遷移金属酸化物として、組成式6:Li(MnM1M2)Oで表され、前記組成式6のLi原子の数Kが1.0〜1.2、Mn原子の数Bが0.4〜0.6、M2原子の数Eが0.01〜0.1、Mn原子の数BとM1原子の数CとM2原子の数Eとの和が0.7〜1.0、O原子の数Dが1.8〜2.2であって、前記M1は、Fe、Co、Ni、Nb、Moからなる群から選択される一種以上であって、前記M2は、Ti、V、Cr、Zr、Wからなる群から選択される一種以上である高リチウム含有遷移金属酸化物を用いることができる。 Further, as a high lithium-containing transition metal oxide, the composition formula 6: is represented by Li K (Mn B M1 C M2 E) O D, the number K of Li atoms in the composition formula 6 is 1.0 to 1.2, The number B of Mn atoms is 0.4 to 0.6, the number E of M2 atoms is 0.01 to 0.1, and the sum of the number B of Mn atoms, the number C of M1 atoms, and the number E of M2 atoms is 0. 0.7 to 1.0, the number D of O atoms is 1.8 to 2.2, and the M1 is one or more selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, Nb, and Mo, The M2 may be a high lithium-containing transition metal oxide that is one or more selected from the group consisting of Ti, V, Cr, Zr, and W.

また、高リチウム含有遷移金属酸化物として、組成式7:Li(MnM1M2)Oで表され、前記組成式7のLi原子の数Kが1.0〜1.2、Mn原子の数Bが0.4〜0.6、M2原子の数Eが0.01〜0.1、Mn原子の数BとM1原子の数CとM2原子の数Eとの和が0.7〜1.0、O原子の数Dが1.8〜2.2、F原子の数Gが0.01〜0.2であって、前記M1は、Fe、Co、Ni、Nb、Moからなる群から選択される一種以上であって、前記M2は、Ti、V、Cr、Zr、Wからなる群から選択される一種以上である高リチウム含有遷移金属酸化物を用いることができる。 Further, as a high lithium-containing transition metal oxide, the composition formula 7: is represented by Li K (Mn B M1 C M2 E) O D F G, the number K of Li atoms in the composition formula 7 is 1.0 to 1. 2, the number B of Mn atoms is 0.4 to 0.6, the number E of M2 atoms is 0.01 to 0.1, the sum of the number B of Mn atoms, the number C of M1 atoms, and the number E of M2 atoms Is 0.7 to 1.0, the number of O atoms D is 1.8 to 2.2, the number G of F atoms is 0.01 to 0.2, and M1 is Fe, Co, Ni, Use a high lithium content transition metal oxide which is one or more selected from the group consisting of Nb and Mo, and wherein M2 is one or more selected from the group consisting of Ti, V, Cr, Zr and W. Can do.

上記高リチウム含有遷移金属酸化物を出発物質とすることにより、本発明のナトリウム二次電池正極材料を得ることができる。   By using the high lithium-containing transition metal oxide as a starting material, the sodium secondary battery positive electrode material of the present invention can be obtained.

以下、本発明のナトリウム二次電池正極材料の製造方法について、工程ごとに説明する。   Hereinafter, the manufacturing method of the sodium secondary battery positive electrode material of this invention is demonstrated for every process.

1.Liの脱離
まず、高リチウム含有遷移金属酸化物からリチウムを脱離させる(引き抜く)。その一例として以下の方法が挙げられる。
1. Desorption of Li First, lithium is desorbed (pulled out) from the transition metal oxide containing high lithium. The following method is mentioned as an example.

まず、高リチウム含有遷移金属酸化物を正極、Li金属を負極として第1半電池を作製する。この第1半電池を充電することにより、Liを正極から脱離させることができる。
この充電は、4.6〜5.0V(vs.Li/Li)まで行われることが好ましい。
これにより、高リチウム含有遷移金属酸化物中のリチウムを多く脱離させることができ、高リチウム含有遷移金属酸化物中にリチウムが残留してしまうことを防止することができる。
First, a first half battery is fabricated using a high lithium-containing transition metal oxide as a positive electrode and Li metal as a negative electrode. Li can be desorbed from the positive electrode by charging the first half-cell.
This charging is preferably performed up to 4.6 to 5.0 V (vs. Li / Li + ).
As a result, a large amount of lithium in the transition metal oxide having a high lithium content can be eliminated, and lithium can be prevented from remaining in the transition metal oxide having a high lithium content.

本発明の組成式4:NaLi(MnM1)Oで表されるナトリウム二次電池正極材料において、リチウムの原子数Jが大きい、つまりリチウム残存量が多いほど、初期放電容量が小さくなる。
よって、出発物質である高リチウム含有遷移金属酸化物中のリチウムは、出来る限り脱離させることが好ましい。
In the sodium secondary battery positive electrode material represented by composition formula 4: Na A Li J (Mn B M1 C ) O D of the present invention, the initial discharge capacity increases as the number of lithium atoms J increases, that is, the remaining amount of lithium increases. Becomes smaller.
Therefore, it is preferable to remove lithium in the high lithium-containing transition metal oxide as a starting material as much as possible.

第1半電池の電解液としては、Liイオンを含有する溶液を用いることができ、リチウムイオン電池で使用される電解液を好適に用いることができる。例えば、電解液の支持塩としては、LiPF、LiBF、LiClO、LiTiF、LiVF、LiAsF、LiSbF、LiCFSO、Li(CSON、LiB(C、LiB10Cl10、LiB12Cl12、LiCFCOO、Li、LiNO、LiSO、LiPF(C、LiB(C、およびLi(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。溶媒としては、特に限定されないが、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネートのような環状カーボネート系、テトラヒドロフランなどのエーテル系、ヘキサンなどの炭化水素系、γ−ブチルラクトンなどのラクトン系、などを用いることができる。 As an electrolytic solution of the first half battery, a solution containing Li ions can be used, and an electrolytic solution used in a lithium ion battery can be suitably used. For example, as the supporting salt of the electrolytic solution, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiTiF 4 , LiVF 5 , LiAsF, LiSbF 6 , LiCF 3 SO 3 , Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N, LiB (C 2 O 4) 2, LiB 10 Cl 10, LiB 12 Cl 12, LiCF 3 COO, Li 2 S 2 O 4, LiNO 3, Li 2 SO 4, LiPF 3 (C 2 F 5) 3, LiB (C 6 F 5 ) 4 and salts such as Li (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. Solvents are not particularly limited, but cyclic carbonates such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC) and butylene carbonate, ethers such as tetrahydrofuran, hydrocarbons such as hexane, and lactones such as γ-butyllactone. System, etc. can be used.

2.電池の解体、電極の洗浄
Liが脱離した正極は周りにLiイオンが付着しているので、これを洗浄により除去することが好ましい。洗浄は第1半電池の電解液と同じ溶媒を用いることが好ましいが、電解質を溶解できる溶媒であれば特に制限はない。
2. Disassembly of the battery, washing of the electrode Since the positive electrode from which Li has been desorbed has Li ions attached around it, it is preferable to remove this by washing. Cleaning is preferably performed using the same solvent as the electrolyte of the first half battery, but is not particularly limited as long as it is a solvent that can dissolve the electrolyte.

3.Naの吸蔵
次いで、上記工程によりLiが脱離した第1半電池の正極を正極とし、Na金属を負極として第2半電池を作製する。この第2半電池を放電することにより、Naを第2半電池の正極に吸蔵させることができる。
この放電は、カットオフ電位1〜2V(vs.Na/Na)の範囲内であることが好ましい。
放電時のカットオフ電位が小さいほど、吸蔵させるナトリウムの原子数を多くすることができ、充放電容量の大きな正極とすることができる。但し、カットオフ電位が1V(vs.Na/Na)未満であると、Na含有遷移金属酸化物固溶体の基本骨格に留まらない余剰のナトリウムが電極表面に析出しやすくなるため、電池を組み立てた時に短絡する可能性がある。
一方、放電時のカットオフ電位が2V(vs.Na/Na)以上であると、吸蔵するナトリウムの原子数が小さくなり、十分な放電容量を有する本発明の正極材料を得ることができない。
従って、放電時のカットオフ電位は、1〜2V(vs.Na/Na)の範囲内まで行われることにより、電池を組み立てた時に短絡することなく、十分な充放電容量を得るこ
3. Occlusion of Na Next, the positive electrode of the first half battery from which Li is desorbed by the above process is used as the positive electrode, and the second half battery is manufactured using Na metal as the negative electrode. By discharging the second half-cell, Na can be stored in the positive electrode of the second half-cell.
This discharge is preferably in the range of a cutoff potential of 1 to 2 V (vs. Na / Na + ).
The smaller the cut-off potential at the time of discharge, the greater the number of sodium atoms to be occluded, and a positive electrode having a large charge / discharge capacity can be obtained. However, when the cut-off potential is less than 1 V (vs. Na / Na + ), excess sodium that does not remain in the basic skeleton of the Na-containing transition metal oxide solid solution easily precipitates on the electrode surface. Sometimes short circuit.
On the other hand, when the cut-off potential at the time of discharge is 2 V (vs. Na / Na + ) or more, the number of occluded sodium atoms becomes small, and the positive electrode material of the present invention having a sufficient discharge capacity cannot be obtained.
Therefore, the cut-off potential at the time of discharge is within the range of 1 to 2 V (vs. Na / Na + ), so that a sufficient charge / discharge capacity can be obtained without short-circuiting when the battery is assembled.

第2半電池の電解液としては、Naイオンを含有する溶液を用いることができ、Naイオン電池で使用される電解液を好適に用いることができる。例えば、電解液の支持塩としては、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。溶媒としては、特に限定されないが、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネートのような環状カーボネート系、テトラヒドロフランなどのエーテル系、ヘキサンなどの炭化水素系、γ−ブチルラクトンなどのラクトン系、などを用いることができる。 As an electrolytic solution of the second half battery, a solution containing Na ions can be used, and an electrolytic solution used in a Na ion battery can be preferably used. For example, as the supporting salt of the electrolytic solution, 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. Solvents are not particularly limited, but cyclic carbonates such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC) and butylene carbonate, ethers such as tetrahydrofuran, hydrocarbons such as hexane, and lactones such as γ-butyllactone. System, etc. can be used.

以上の工程を経ることにより、出発物質である高リチウム含有遷移金属酸化物からリチウムを脱離させ、ナトリウムを吸蔵させることができる。これにより、本発明のナトリウム二次電池正極材料を得ることができる。   Through the above steps, lithium can be eliminated from the high lithium-containing transition metal oxide that is a starting material, and sodium can be occluded. Thereby, the sodium secondary battery positive electrode material of this invention can be obtained.

本発明のナトリウム二次電池用材料を活物質とし、本発明のナトリウム二次電池用電極とすることができる。   The sodium secondary battery material of the present invention can be used as an active material to form the sodium secondary battery electrode of the present invention.

また、本発明のナトリウム二次電池正極材料は、負極としてナトリウムを吸蔵した炭素系材料あるいは合金を用いることにより、高リチウム含有遷移金属酸化物中のリチウムを脱離させた状態のものを用いることができる。   In addition, the positive electrode material of the sodium secondary battery according to the present invention uses a carbon-based material or alloy that occludes sodium as the negative electrode so that lithium in the transition metal oxide containing high lithium is desorbed. Can do.

<正極の製造方法>
本発明のナトリウム二次電池用電極は、本発明のナトリウム二次電池正極活物質及びバインダー、必要に応じて導電助剤を含むことができる。
例えば、上記正極活物質に加えてバインダーおよび必要に応じて添加される導電助剤等を含有させた混合物(正極合剤)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)を加えて十分に混練して得られる正極活物質合剤ペースト組成物、正極活物質合剤スラリー等を、集電体表面に塗布、乾燥し、更にプレスすることで、集電体表面に正極活物質含有層を形成し、第一半電池の正極とすることができる。
<Method for producing positive electrode>
The sodium secondary battery electrode of the present invention can contain the sodium secondary battery positive electrode active material of the present invention and a binder, and optionally a conductive additive.
For example, an appropriate solvent (N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), water) is added to a mixture (positive electrode mixture) containing a binder and, if necessary, a conductive additive added in addition to the positive electrode active material. A positive electrode active material mixture paste composition, a positive electrode active material mixture slurry, and the like obtained by sufficiently kneading and adding alcohol, xylene, toluene, etc.) to the surface of the current collector, drying, and pressing Thus, a positive electrode active material-containing layer can be formed on the surface of the current collector to form the positive electrode of the first half battery.

第一半電池の正極は、活物質とバインダーと必要に応じて添加される導電助剤との合計を100重量%とした場合、バインダーを1〜25%含むことが好ましい。   The positive electrode of the first half battery preferably contains 1 to 25% of the binder when the total of the active material, the binder and the conductive auxiliary agent added as necessary is 100% by weight.

バインダーの材料としては、通常使用されるものであれば制約はないが、例えば、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ポリフッ化ビニリデン(PolyVinylidene DiFluoride;PVDF)、ポリイミド(PI)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、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)、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリビニルブチラール(PVB)、エチレン酢酸共重合体(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。   The binder material is not particularly limited as long as it is normally used. For example, carboxymethyl cellulose (CMC), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyimide (PI), polytetrafluoroethylene (PTFE), Polyamide, polyamideimide, polyacryl, styrene butadiene rubber (SBR), styrene-ethylene-butylene-styrene copolymer (SEBS), polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl butyral (PVB), ethylene acetic acid copolymer (EVA), etc. These materials may be used alone or in combination of two or more.

通常、正極用のバインダーに水を溶媒とするバインダー(以降、水系バインダーと記載する)を用いると、出発材料のリチウムが水に溶けるため、リチウムイオン電池では、実用量の低下を招くとされるが、本発明では、予めリチウムを電気化学的に引き抜き、次いでナトリウムを吸蔵させるため、水系バインダーを採用しても実用量の低下という問題が生じることはない。
上記の水系バインダーのうち、CMCが好適に用いられる。CMCをバインダーとして用いると、正極の高温耐久性が向上するだけでなく、出力特性も改善される。
これは、CMCは高温の電解液中で膨潤しないため、電極抵抗の上昇を抑えるとともに、結合力が弱まらないからであると考えられる。
In general, when a binder using water as a solvent (hereinafter referred to as an aqueous binder) is used as a positive electrode binder, lithium as a starting material dissolves in water. However, in the present invention, lithium is previously extracted electrochemically and then sodium is occluded, so that even if an aqueous binder is used, there is no problem of a decrease in the practical amount.
Of the above water-based binders, CMC is preferably used. When CMC is used as a binder, not only the high temperature durability of the positive electrode is improved, but also the output characteristics are improved.
This is presumably because CMC does not swell in a high-temperature electrolyte solution, and thus suppresses an increase in electrode resistance and does not weaken the bonding force.

水系バインダーは、さらにアクリル樹脂を含有することがより好ましい。
水系バインダーのみでも、十分な正極特性は得られるが、アクリル樹脂を含有させることで、充放電にともなう体積膨張・収縮を抑制し、正極のサイクル寿命特性が向上する。
しかし、アクリル樹脂の含有量が多すぎると、イオン導電性と電子伝導性が乏しくなり、十分なレート特性が得られなくなる。また、少なすぎると、十分な結着力を得られない。
従って、アクリル樹脂を含有する場合、CMC100重量%に対して10〜50重量%含有することが好ましく、15〜30重量%含有することがさらに好ましい。
More preferably, the aqueous binder further contains an acrylic resin.
Sufficient positive electrode characteristics can be obtained with only an aqueous binder, but by including an acrylic resin, volume expansion / contraction associated with charge / discharge is suppressed, and the cycle life characteristics of the positive electrode are improved.
However, if the content of the acrylic resin is too large, the ion conductivity and the electron conductivity become poor, and sufficient rate characteristics cannot be obtained. Moreover, when there are too few, sufficient binding force cannot be acquired.
Therefore, when it contains an acrylic resin, it is preferably contained in an amount of 10 to 50% by weight, more preferably 15 to 30% by weight, based on 100% by weight of CMC.

導電助剤は、通常用いられているもの、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、上記炭素材料の導電助剤に、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(フレークアルミニウム粉、フレークステンレス粉等)、カーボンファイバー、カーボンチューブ、非晶質炭素等)が添加されていることが好ましい。導電性の3次元網目構造が形成されていれば、十分な集電効果が得られるとともに、Na吸蔵・放出時の電極の体積膨張を効果的に抑制できる。   As the conductive auxiliary agent, a commonly used carbon material such as acetylene black (AB), ketjen black (KB), graphite, carbon fiber, carbon tube, graphene, amorphous carbon or the like is used alone. Or two or more of them may be used in combination. More preferably, the conductive aid of the carbon material can form a conductive three-dimensional network structure (for example, flaky conductive material (flaked aluminum powder, flake stainless steel powder, etc.), carbon fiber, carbon tube, Crystalline carbon or the like) is preferably added. If the conductive three-dimensional network structure is formed, a sufficient current collecting effect can be obtained, and the volume expansion of the electrode during Na occlusion / release can be effectively suppressed.

集電体は、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 current collector is not particularly limited as long as it is a material having electronic conductivity and capable of energizing 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。ただし、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. However, when a three-dimensional substrate (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。   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.

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 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.

上述の工程で製造した電極によれば、ナトリウム二次電池用の正極として機能する。   According to the electrode manufactured in the above-described process, it functions as a positive electrode for a sodium secondary battery.

<負極>
本発明のナトリウム二次電池用正極に組み合わせる負極は、ナトリウムイオン電池で使用される負極であればよく、ナトリウムの吸蔵および放出が可能な負極活物質を含有する電極であればよい。
例えば、ハードカーボン、Mg、Al、Si、P、K、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Y、Zr、Nb、Mo、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、W、PbおよびBiから選択される一種以上の元素、これらの元素を用いた合金或いは酸化物、ハロゲン化物、カルコゲン化物などであればよい。
なかでも、ナトリウムの吸蔵および放出が可能な負極活物質(Y)、Naαβおよびバインダーを含有するものであることが好ましい。ただし、Xは、F、Cl、Br、I、O、S、SeおよびTeから選択される一種以上の元素、αは1〜2、βは1〜5である。
ここで、ナトリウムの吸蔵および放出が可能な負極活物質(Y)は、初期の充電においてナトリウムイオンを吸蔵することができ、且つ、その後の充放電時においてナトリウムイオンを吸蔵・放出することができるものであれば特に限定はされない。例えば、Na、ハードカーボン、Mg、Al、Si、P、K、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Y、Zr、Nb、Mo、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、W、PbおよびBiから選択される一種以上の元素、これらの元素を用いた合金が好ましい。
<Negative electrode>
The negative electrode combined with the positive electrode for sodium secondary batteries of the present invention may be a negative electrode used in sodium ion batteries, and may be an electrode containing a negative electrode active material capable of occluding and releasing sodium.
For example, hard carbon, Mg, Al, Si, P, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, Y, Zr, Nb, Mo, Pd One or more elements selected from Ag, Cd, In, Sn, Sb, W, Pb and Bi, alloys or oxides using these elements, halides, chalcogenides, and the like may be used.
Especially, it is preferable to contain the negative electrode active material (Y) which can occlude and discharge | release sodium, Na ( alpha ) X ( beta ), and a binder. However, X is one or more elements selected from F, Cl, Br, I, O, S, Se and Te, α is 1 to 2, and β is 1 to 5.
Here, the negative electrode active material (Y) capable of occluding and releasing sodium can occlude sodium ions in the initial charge, and can occlude and release sodium ions during subsequent charging and discharging. If it is a thing, it will not specifically limit. For example, Na, hard carbon, Mg, Al, Si, P, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, Y, Zr, Nb, Mo One or more elements selected from Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, W, Pb, and Bi, and alloys using these elements are preferable.

負極活物質(Y)は、放電プラトーの領域が0〜1V(対ナトリウム電位)の範囲内に観測でき、且つその放電容量が高いことが好ましく、上記の例のうち、Sn、Ge、Sb等が好ましく、合金としては、A1−Ge、Si−Ge、Si−Sn、Zn−Sn、Ge−Ag、Ge−Sn、Ge−Sb、Ag−Sn、Ag−Ge、Sn−Sb、Sn−CuおよびSn−Ni等の各組み合わせ等が好ましい。なお、負極活物質(Y)は2種以上使用しても何ら問題ない。   The negative electrode active material (Y) preferably has a discharge plateau region that can be observed within a range of 0 to 1 V (vs. sodium potential) and has a high discharge capacity. Among the above examples, Sn, Ge, Sb, etc. The alloys are preferably A1-Ge, Si-Ge, Si-Sn, Zn-Sn, Ge-Ag, Ge-Sn, Ge-Sb, Ag-Sn, Ag-Ge, Sn-Sb, Sn-Cu. Each combination of Sn-Ni and the like is preferable. In addition, even if it uses 2 or more types of negative electrode active materials (Y), there is no problem.

Naαβは、初期の充電(ナトリウムイオン吸蔵の過程)で、ナトリウム化合物となり、その後の充放電過程で電気化学的に反応しないもの、すなわち、ナトリウム還元され、バッファ層に分解した化合物である。このバッファ層は、ナトリウムイオンの吸蔵・放出の過程で、負極材料の体積変化を抑制する働きをするものである。バッファ層としては、ナトリウムイオン導電性を有する物質が好ましい。 Na α X β is a compound which becomes a sodium compound in the initial charge (sodium ion occlusion process) and does not react electrochemically in the subsequent charge / discharge process, that is, a compound which has been reduced by sodium and decomposed into a buffer layer. . This buffer layer functions to suppress the volume change of the negative electrode material during the process of occlusion / release of sodium ions. As the buffer layer, a substance having sodium ion conductivity is preferable.

上記の目的を達成できる材料であれば、特に制約はないが、Naαβとしては、ハロゲン化ナトリウム(NaF、NaCl、NaBr、NaIなど)、カルコゲンナトリウム(NaO、Na、Na、NaS、NaSe、NaTeなど)、チッ化ナトリウム(NaN)、チッ化リン酸ナトリウム(NaPON)、シュウ酸ナトリウム(Na)、NaC1O、NaA1Cl、NaSO、NaNO、NaPO、NaSiO、NaVO、NaGeO、NaSiO、NaZrO、NaMoO、NaA1F、NaNi、NaBF、NaCFSO等が挙げられ、これらの一種以上を使用することができる。しかし、チッ化ナトリウム(NaN)、チッ化リン酸ナトリウム(NaPON)、シュウ酸ナトリウム(Na)、NaC1O、NaA1Cl、NaSO、NaNO、NaPO、NaSiO、NaVO、NaGeO、NaZrO、NaMoO、NaA1F、NaNi、NaBF、NaCFSO等はかさ密度が大きいため、電池容量密度の向上が難しい。そのため、Naαβは、ハロゲン化ナトリウム(NaF、NaCl、NaBr、NaIなど)、カルコゲンナトリウム(NaO、Na、Na、NaS、NaSe、NaTeなど)が好ましい。 As long as it is a material that can achieve the above-mentioned purpose, there is no particular limitation. Examples of Na α X β include sodium halide (NaF, NaCl, NaBr, NaI, etc.), chalcogen sodium (Na 2 O, Na 2 O 2 , Na 2 O 3 , Na 2 S, Na 2 Se, Na 2 Te, etc.), sodium nitride (Na 3 N), sodium nitride phosphate (NaPON), sodium oxalate (Na 2 C 2 O 4 ), NaC 1 O 3, NaA1Cl 4, Na 2 SO 4, NaNO 3, Na 3 PO 4, Na 4 SiO 4, Na 3 VO 4, Na 4 GeO 4, Na 4 SiO 4, Na 4 ZrO 4, NaMoO 4, NaA1F 4, Na 3 Ni 2 , NaBF 4 , NaCF 3 SO 3 and the like can be mentioned, and one or more of these can be used. However, sodium nitride (Na 3 N), sodium nitride phosphate (NaPON), sodium oxalate (Na 2 C 2 O 4 ), NaC 1 O 3 , NaA 1 Cl 4 , Na 2 SO 4 , NaNO 3 , Na 3 PO 4 , Na 4 SiO 4 , Na 3 VO 4 , Na 4 GeO 4 , Na 4 ZrO 4 , NaMoO 4 , NaA1F 4 , Na 3 Ni 2 , NaBF 4 , NaCF 3 SO 3, etc. have a large bulk density, so the battery capacity density It is difficult to improve. Therefore, Na α X β is sodium halide (NaF, NaCl, NaBr, NaI, etc.), chalcogen sodium (Na 2 O, Na 2 O 2 , Na 2 O 3 , Na 2 S, Na 2 Se, Na 2 Te). Etc.) is preferable.

また、上記の目的を達成できる材料の放電プラトーは0.2〜0.6Vで、ハードカーボン負極の0V付近の放電プラトーと比べて高い。負極の放電プラトーが高くなると、電池全体のエネルギー密度が低下するが、一方で、ナトリウムの析出電位以上の電位で充放電ができるため、デンドライド析出する可能性が低くなり安全性の面で好ましい。   Moreover, the discharge plateau of the material that can achieve the above-mentioned object is 0.2 to 0.6 V, which is higher than the discharge plateau near 0 V of the hard carbon negative electrode. When the discharge plateau of the negative electrode is increased, the energy density of the entire battery is decreased. On the other hand, charge and discharge can be performed at a potential equal to or higher than the deposition potential of sodium.

ナトリウムの吸蔵および放出が可能な負極活物質(Y)と、Naαβは単に混ぜ合わせただけの状態で存在していることよりも、分子レベルで混合されていることが好ましい。
ここで、「YとNaαβが分子レベルで均一に混合されている」とは、Yαβをナトリウム還元すると、YとNaαβに分解され、YとNaαβが均一に混合された状態を意味する。
YとNaαβが分子レベルで均一に混合していることで、充放電によるYの膨張・収縮応力を効果的に緩和できる。
It is preferable that the negative electrode active material (Y) capable of occluding and releasing sodium and Na α X β are mixed at the molecular level rather than being simply mixed.
Here, "Y and Na alpha X beta are uniformly mixed at the molecular level", when sodium reduction of Y alpha X beta, is decomposed into Y and Na alpha X beta, Y and Na alpha X beta is It means a uniformly mixed state.
Since Y and Na α X β are uniformly mixed at the molecular level, the expansion / contraction stress of Y due to charge / discharge can be effectively relieved.

本発明に係るナトリウム二次電池用の負極は、上記の負極活物質およびNaαβに加え、バインダーを含む。バインダーの種類は特に制約はなく、例えば、PVdFなどの一般によく利用されているバインダーを採用することができるが、二次電池の放電容量を向上させる観点からは、ポリイミドを含むバインダーを用いるのが好ましい。本発明に係るナトリウム二次電池用の負極には、上記のほか、導電性を向上するため、必要に応じて導電助剤を含んでもよい。導電助剤の種類は特に制約はなく、例えば、KB、AB、グラファイト、VGCF、Cu粉、Al粉、Ni粉等の一般によく利用されている導電助剤を含有させてもよい。 The negative electrode for a sodium secondary battery according to the present invention contains a binder in addition to the negative electrode active material and Na α X β . The type of the binder is not particularly limited, and for example, a commonly used binder such as PVdF can be used. From the viewpoint of improving the discharge capacity of the secondary battery, a binder containing polyimide is used. preferable. In addition to the above, the negative electrode for a sodium secondary battery according to the present invention may contain a conductive additive as necessary in order to improve conductivity. There are no particular restrictions on the type of conductive aid, and for example, commonly used conductive aids such as KB, AB, graphite, VGCF, Cu powder, Al powder, and Ni powder may be included.

本発明に係るナトリウム二次電池用の負極においては、下記(1)式で求められるTが0.10〜0.85の範囲であることが好ましい。Tがこの範囲にある負極であれば、放電容量が良好であり、サイクル寿命も良好である。Tの下限は、0.40とするのがより好ましく、さらに好ましいのは0.50である。Tの上限は、0.75とするのが好ましく、さらに好ましいのは0.70である。
T=M/(M+M) (1)
ただし、(1)式中の各記号の意味は下記の通りである。
:負極活物質(Y)のモル数(mol)
:Naαβのモル数(mol)
In the negative electrode for sodium secondary batteries according to the present invention, it is preferable that T obtained by the following formula (1) is in the range of 0.10 to 0.85. If the negative electrode has T in this range, the discharge capacity is good and the cycle life is also good. The lower limit of T is more preferably 0.40, and still more preferably 0.50. The upper limit of T is preferably 0.75, and more preferably 0.70.
T = M B / (M A + M B) (1)
However, the meaning of each symbol in the formula (1) is as follows.
M A : Number of moles of negative electrode active material (Y) (mol)
M B : number of moles of Na α X β (mol)

なお、Tが0.50以上の場合、活物質質量当たりの放電容量を200〜400mAh/g程度の良好な範囲としつつ、長寿命の負極が得られる。一方、Tが0.50未満の場合、サイクル寿命が若干劣るものの、活物質質量当たりの放電容量が300〜500mAh/gと高い負極が得られる。   When T is 0.50 or more, a long-life negative electrode can be obtained while the discharge capacity per mass of the active material is in a favorable range of about 200 to 400 mAh / g. On the other hand, when T is less than 0.50, a negative electrode having a high discharge capacity of 300 to 500 mAh / g per mass of the active material is obtained although the cycle life is slightly inferior.

本発明のナトリウム二次電池用の負極に用いる集電体としては、特に限定されないが、例えば、Cu、Al、Ni、Cr、TiもしくはFeまたはこれらの合金を用いることができる。このうち、コストまたは製造の容易性などを考慮すると、Cu、Al、Feもしくはこれらの合金を用いるのが好ましい。但し、負極材料として、S、F、Cl、Br、Iなどを含有させると、熱処理によって集電体を腐食するため、耐腐食性の強いAlもしくはAl合金またはステンレス鋼を用いるのが好ましい。例えば、SnSを負極活物質とする場合、集電体にCuを使用すると、熱処理により硫化銅が生成し、集電体の強度が極端に低下し、電極として機能しない場合がある。 Although it does not specifically limit as a collector used for the negative electrode for sodium secondary batteries of this invention, For example, Cu, Al, Ni, Cr, Ti, Fe, or these alloys can be used. Of these, Cu, Al, Fe, or alloys thereof are preferably used in consideration of cost, ease of manufacture, and the like. However, if S, F, Cl, Br, I, or the like is contained as the negative electrode material, the current collector is corroded by heat treatment, and therefore, it is preferable to use Al, Al alloy, or stainless steel having high corrosion resistance. For example, when SnS 2 is used as the negative electrode active material, if Cu is used for the current collector, copper sulfide is generated by the heat treatment, and the strength of the current collector is extremely reduced, which may not function as an electrode.

本発明に係るナトリウムイオン電池に用いられる負極は、例えば、下記の(1)〜(3)の工程を経て製造することができる。
(1)Yαβ〔但し、YはSnまたはGeの一種または二種、XはF、Cl、Br、I、O、S、SeおよびTeから選択される一種以上の元素、αは1〜2、βは1〜5〕と、バインダーとを含むスラリーを得る工程、
(2)前記スラリーをアルミニウム集電体に塗布し、これに熱処理を行って負極前駆体を得る工程、および、
(3)前記負極前駆体の活物質層上に金属ナトリウムを圧着した後、20〜150℃の温度で1時間以上保持する熱処理を行う工程。
The negative electrode used for the sodium ion battery which concerns on this invention can be manufactured through the process of following (1)-(3), for example.
(1) Y α X β [wherein Y is one or two of Sn or Ge, X is one or more elements selected from F, Cl, Br, I, O, S, Se and Te, α is 1 ~ 2, β is 1-5] and a step of obtaining a slurry containing a binder,
(2) applying the slurry to an aluminum current collector, subjecting the slurry to heat treatment to obtain a negative electrode precursor, and
(3) A step of performing a heat treatment of holding metal sodium on the active material layer of the negative electrode precursor and holding it at a temperature of 20 to 150 ° C. for 1 hour or more.

ここで、Yαβとしては、初期の充電の過程で、上記のようなバッファ層のみに分解する化合物よりも、バッファ層に加えてナトリウムイオンを吸蔵・放出することができる物質に分解する化合物がより好ましい。このため、Yαβとしては、例えば、SnO、SnO、SnCなどの酸化物、SnS、SnSなどのカルコゲン化物、SnF、SnCl、SnI、SnIなどのハロゲン化物、SnSeなどのセレン化物、SnTeなどのテルル化物等が挙げられる。中でもSnのフッ化物および硫化物の一方または両方を用いるのが好ましい。また、βが大きいと、放電容量を大きくできるとともに、サイクル寿命を向上させることができる。よって、βは2以上とすることが好ましい。中でも、サイクル寿命が特に良好であるのは、SnS、SnSおよびSnFである。 Here, Y α X β is decomposed into a substance that can occlude and release sodium ions in addition to the buffer layer, rather than the compound that decomposes only into the buffer layer as described above, in the process of initial charging. Compounds are more preferred. For this reason, examples of Y α X β include oxides such as SnO, SnO 2 , and SnC 2 O 4 , chalcogenides such as SnS and SnS 2 , and halides such as SnF 2 , SnCl 2 , SnI 2 , and SnI 4. And selenides such as SnSe and tellurides such as SnTe. Among them, it is preferable to use one or both of Sn fluoride and sulfide. Further, when β is large, the discharge capacity can be increased and the cycle life can be improved. Therefore, β is preferably 2 or more. Among these, SnS, SnS 2 and SnF 2 have particularly good cycle life.

αβは、特に、Sn化合物であることが好ましい。具体的には、SnO、SnO、SnS、SnS、SnSe、SnSe、SnTe、SnTe、SnF、SnCl、SnBr、SnI、などが挙げられる。これは、初期の充電時にNa還元され、分子レベルで均一に混合した活物質(Y)とバッファ層(Naαβ)が構築され、さらにバッファ層(Naαβ)がイオン導電性に優れるため、サイクル寿命が良好であるという理由による。 Y α X β is particularly preferably a Sn compound. Specifically, SnO, SnO 2, SnS, SnS 2, SnSe, SnSe 2, SnTe, SnTe 2, SnF 2, SnCl 2, SnBr 2, SnI 2, and the like. This is because Na is reduced during the initial charge, and an active material (Y) and a buffer layer (Na α X β ) that are uniformly mixed at the molecular level are constructed. Further, the buffer layer (Na α X β ) becomes ionic conductive. This is because the cycle life is good because it is excellent.

ここで、負極活物質前躯体として、Yαβを用いた場合は、初期不可逆容量が大きくなるという問題がある。この初期不可逆容量が大きいと、全電池を作製しても正常に動作しないことがある。そのため、負極にはあらかじめナトリウムをドープし、容量補償していることが好ましい。ナトリウムのドープ方法としては、特に制限されないが、例えば、(i)負極集電体上の本発明の負極材料がない部分に金属ナトリウムを貼り付け、注液することでローカルセルを形成し、負極活物質中にナトリウムをドープする方法、(ii)本発明の負極材料上に蒸着やスパッタにより金属ナトリウムを成膜し、固相反応で本発明の負極材料中にナトリウムをドープする方法、(iii)電池構成前の負極に、電解液中で電気化学的にナトリウムをドープする方法、(iv)本発明で使用する複合粉末の作製の際に金属ナトリウムを加え混合処理することで、本発明の負極材料中にナトリウムをドープする方法、等の方法が挙げられる。 Here, when Y α X β is used as the negative electrode active material precursor, there is a problem that the initial irreversible capacity increases. If this initial irreversible capacity is large, even if all the batteries are manufactured, they may not operate normally. Therefore, it is preferable that the negative electrode is doped with sodium in advance to compensate the capacity. The sodium doping method is not particularly limited. For example, (i) metal sodium is attached to a portion where the negative electrode material of the present invention on the negative electrode current collector is not present, and a local cell is formed by injecting the liquid. A method of doping sodium into the active material, (ii) a method of forming a metal sodium film on the negative electrode material of the present invention by vapor deposition or sputtering, and doping sodium into the negative electrode material of the present invention by solid phase reaction, (iii) ) A method of electrochemically doping sodium into the negative electrode before battery construction in an electrolytic solution, and (iv) Sodium metal is added and mixed during the production of the composite powder used in the present invention. Examples thereof include a method of doping sodium into the negative electrode material.

ただし、上記(i)では、局部的に金属ナトリウムが存在するため、負極全域に均一にナトリウムイオンが拡散しにくい。上記(ii)では、蒸着装置やスパッタ装置等の大掛かりな装置が必要となり、生産性に改善の余地がある。上記(iii)では、予めナトリウムドープ用の電池を構成する必要がある。上記(iv)では、得られる負極材料がナトリウム化しているため、軟らかく取り扱いが困難であり、また通常雰囲気中(湿度のある空気中)でスラリーを作製できない傾向がある。   However, in the above (i), since sodium metal is locally present, it is difficult for sodium ions to diffuse uniformly throughout the negative electrode. In (ii) above, a large-scale apparatus such as a vapor deposition apparatus or a sputtering apparatus is required, and there is room for improvement in productivity. In the above (iii), it is necessary to configure a battery for sodium doping in advance. In (iv) above, since the obtained negative electrode material is sodium, it is soft and difficult to handle, and there is a tendency that a slurry cannot be produced in a normal atmosphere (in a humid air).

このような問題点を解消するためには、スラリーをアルミニウム集電体に塗布し、これに熱処理を行って得た負極前駆体の活物質層上に直接、金属ナトリウム箔を圧着した後、熱処理するのが有効である。これにより、特殊な装置を用いることなく、負極全域に均一にナトリウムイオンをドープすることができる。なお、金属ナトリウム箔の厚さは、取り扱いの容易さと均一にナトリウムイオンをドープできることを考慮し、金属ナトリウム箔は1〜30μmのものを用いることが好ましく、5〜20μmのものを用いることがより好ましい。   In order to eliminate such problems, the slurry is applied to an aluminum current collector, and heat treatment is performed on the negative electrode precursor active material layer obtained by applying heat treatment to the aluminum current collector. It is effective to do. Thereby, a sodium ion can be uniformly doped in the whole negative electrode, without using a special apparatus. The thickness of the metal sodium foil is preferably 1 to 30 μm, more preferably 5 to 20 μm, considering the ease of handling and the ability to dope sodium ions uniformly. preferable.

ナトリウムイオンをドープするための熱処理の条件としては、低温でも本発明の負極材料にナトリウムドープすることは可能であるが、反応速度が遅いため、20〜150℃で、少なくとも1時間以上とすることが好ましい。この熱処理は、電解液中で行うのが良い。加熱温度をこの条件とすれば、電極自身にダメージを与えず、また電解液を蒸発させずに、ナトリウムイオンをドープすることができる。なお、熱処理温度の下限は、30℃とするのが好ましく、上限は90℃とするのが好ましい。   As a condition of the heat treatment for doping sodium ions, it is possible to dope the negative electrode material of the present invention with sodium even at a low temperature, but since the reaction rate is slow, it should be at least 1 hour at 20 to 150 ° C. Is preferred. This heat treatment is preferably performed in an electrolytic solution. If the heating temperature is set to this condition, sodium ions can be doped without damaging the electrode itself and without evaporating the electrolyte. The lower limit of the heat treatment temperature is preferably 30 ° C., and the upper limit is preferably 90 ° C.

上述の構成の電極によれば、ナトリウム二次電池用の負極として機能する。   According to the electrode having the above-described configuration, it functions as a negative electrode for a sodium secondary battery.

<電池>
本発明のナトリウム二次電池用電極からなる正極を用い、本発明の非水系ナトリウム二次電池とすることができる。
本発明の非水系ナトリウム二次電池は、上記正極と、上記負極を用いることができる。
電解液は、電解液の溶媒としては、特に限定されないが、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネートのような環状カーボネート系、テトラヒドロフランなどのエーテル系、ヘキサンなどの炭化水素系、γ−ブチルラクトンなどのラクトン系、などを用いることができる。このうち、レート特性の観点から、EC系電解液を備えることが好ましい。
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、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)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。
EC系の電解液の溶媒としては、EC(エチレンカーボネート)‐DEC(ジエチレンカーボネート)、EC‐DMC(ジメチルカーボネート)が好適に用いられ、特にEC‐DECが好適に用いられる。
<Battery>
Using the positive electrode comprising the electrode for the sodium secondary battery of the present invention, the non-aqueous sodium secondary battery of the present invention can be obtained.
The non-aqueous sodium secondary battery of the present invention can use the positive electrode and the negative electrode.
The electrolyte solution is not particularly limited as a solvent for the electrolyte solution, but is a cyclic carbonate system such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC) and butylene carbonate, an ether system such as tetrahydrofuran, a hydrocarbon system such as hexane, A lactone system such as γ-butyllactone can be used. Among these, it is preferable to provide EC type electrolyte solution from a viewpoint of rate characteristics.
Usually, since EC is solid at room temperature, EC alone does not function as an electrolyte. However, when used as a mixed solvent with PC, dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), etc., it functions as an electrolyte that can be used at room temperature.
EC (ethylene carbonate) -DEC (diethylene carbonate) and EC-DMC (dimethyl carbonate) are preferably used as the solvent for the EC electrolyte solution, and EC-DEC is particularly preferably used.

電解液の支持塩としては、特に限定されないが、ナトリウム二次電池に一般的に使用される塩を用いることができる。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。 Although it does not specifically limit as a support salt of electrolyte solution, The salt generally used for a sodium secondary battery can be used. For example, 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 Na (CF A salt such as 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.

このうち、六フッ化リン酸ナトリウム(NaPF)、過塩素酸ナトリウム(NaClO)、四フッ化ホウ酸ナトリウム(NaBF)などが好適に用いられ、特にNaPFが好適に用いられる。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。 Among these, sodium hexafluorophosphate (NaPF 6 ), sodium perchlorate (NaClO 4 ), sodium tetrafluoroborate (NaBF 4 ), and the like are preferably used, and NaPF 6 is particularly preferably used. 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.

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。   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、以下の化学式(1)〜(3)に示す充放電反応により、二次電池として機能する。以下の化学式(1)は、本発明の正極の主な充放電反応を示す。次に、化学式(2)および(3)は、本発明の負極の主な充放電反応を示す。   According to the sodium secondary battery having the above-described structure, it functions as a secondary battery by charge / discharge reactions shown in the following chemical formulas (1) to (3). The following chemical formula (1) shows the main charge / discharge reaction of the positive electrode of the present invention. Next, chemical formulas (2) and (3) show main charge / discharge reactions of the negative electrode of the present invention.

本発明の非水系ナトリウム二次電池は、移動体通信機器や携帯用電子機器などの電気機器に用いることができる。   The non-aqueous sodium secondary battery of the present invention can be used for electric devices such as mobile communication devices and portable electronic devices.

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.

<電気化学的手法によるNa(Ni0.10Mn0.45Co0.25)Oの合成>
1.Liの脱離
Li1.2(Ni0.10Mn0.45Co0.25)Oを正極、Li金属を負極、支持塩として1mol/L LiPFを含有したEC‐DECを電解液として用いた半電池を作製し、4.6V(vs.Li/Li)まで充電した。
<Synthesis of Na A (Ni 0.10 Mn 0.45 Co 0.25 ) O 2 by Electrochemical Method>
1. Desorption of Li Li 1.2 (Ni 0.10 Mn 0.45 Co 0.25 ) O 2 as positive electrode, Li metal as negative electrode, EC-DEC containing 1 mol / L LiPF 6 as supporting salt as electrolyte The half cell used was prepared and charged to 4.6 V (vs. Li / Li + ).

2.電池の解体、電極の洗浄
Liが脱離した状態の正極を取り出し、ジメチルカーボネートで洗浄し、電極に付着しているLi電解質を除去した。
2. Disassembly of the battery, washing of the electrode The positive electrode from which Li was detached was taken out and washed with dimethyl carbonate to remove the Li electrolyte adhering to the electrode.

3.Naの吸蔵
洗浄後の電極を正極に、Na金属を負極に、支持塩として1mol/L NaPFを含有したEC‐DECを電解液に用いた半電池を作製し、1V(vs.Na/Na)まで放電した。また2V(vs.Na/Na)まで放電した場合も行った。
3. A half-cell using an electrode after the occlusion cleaning of Na as a positive electrode, Na metal as a negative electrode and EC-DEC containing 1 mol / L NaPF 6 as a supporting salt as an electrolyte was prepared, and 1 V (vs. Na / Na + ) Was discharged. Moreover, it carried out also when discharging to 2 V (vs. Na / Na + ).

上記工程により、固溶体系の結晶構造を維持したナトリウム含有化合物が得られた。   The sodium-containing compound which maintained the crystal structure of the solid solution system by the said process was obtained.

<電気化学的手法により合成されたNa(Ni0.10Mn0.45Co0.25)OのX線回折>
Li1.2(Ni0.10Mn0.45Co0.25)O(試料B)と、上記電気化学的手法により合成されたNa(Ni0.10Mn0.45Co0.25)O(試料A)を、X線回折測定器(MAC Science社製、CuKα1線λ=1.54056Å)を用いてX線回折測定を行い、結晶性を評価した。試料A,B夫々のXRDパターンを図1に示す。
<X-Ray Diffraction of Na A (Ni 0.10 Mn 0.45 Co 0.25 ) O 2 Synthesized by Electrochemical Method>
Li 1.2 (Ni 0.10 Mn 0.45 Co 0.25 ) O 2 (Sample B) and Na A (Ni 0.10 Mn 0.45 Co 0.25 ) synthesized by the electrochemical method described above. ) O 2 (Sample A) was subjected to X-ray diffraction measurement using an X-ray diffractometer (manufactured by MAC Science, CuKα 1 line λ = 1.54056Å), and crystallinity was evaluated. The XRD patterns of the samples A and B are shown in FIG.

試料Aにおいて18°付近で観察された(003)面のピークが、試料Bでは16°付近において観察された。すなわち、ピークの低角度へのシフトが、Li1.2(Ni0.10Mn0.45Co0.25)Oの格子定数が大きくなることを意味している。ナトリウムはリチウムと比べてイオンサイズが大きいため、LiとNaが置換されていることがわかる。
また、この(104)面のピーク強度は層間に存在するナトリウム量に依存するため、ナトリウム量が多いほど16°付近において観察される(003)面に比して相対強度が大きくなる。
試料Bにおいて、I(104)/I(003)は1.2であった。
この図1のXRDパターンから、試料A,Bの格子定数を求めた。結果を下記表1に示す。
The (003) plane peak observed at around 18 ° in sample A was observed at around 16 ° in sample B. That is, the shift of the peak to a low angle means that the lattice constant of Li 1.2 (Ni 0.10 Mn 0.45 Co 0.25 ) O 2 is increased. Since sodium has a larger ion size than lithium, it can be seen that Li and Na are substituted.
Further, since the peak intensity of the (104) plane depends on the amount of sodium existing between the layers, the relative intensity increases as the sodium amount increases compared to the (003) plane observed near 16 °.
In sample B, I (104) / I (003) was 1.2.
From the XRD pattern of FIG. 1, the lattice constants of samples A and B were obtained. The results are shown in Table 1 below.

得られたNa(Ni0.10Mn0.45Co0.25)Oの充放電特性を測定した。
正極組成は、活物質90質量%、AB5質量%およびPVdFバインダー5質量%を混合してスラリー状の合剤を調製し、厚さ20μmのアルミニウム箔上に塗布・乾燥後、ロールプレス機により、アルミニウム箔と塗膜とを密着接合させ、次いで、加熱処理(減圧中、180℃、1時間以上)した。対極として、試験電極計算容量の約50倍の容量を有している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、電解液として1mol/L NaPF(EC:DEC=1:1 vol.%)を具備したコインセル(CR2032)を作製した。
図2は、電気化学的に作製したNa(Ni0.10Mn0.45Co0.25)Oの充放電特性である。下の図はカットオフ電位2−4.2V(Na/Na)、上の図はカットオフ電位1−4.2V(Na/Na)の場合である。
カットオフ電位2−4.2V(Na/Na)の場合、初期放電容量は252mAh/gであり、放電容量から計算される挿入されたNaの原子数Aは0.83であった。
カットオフ電位1−4.2V(Na/Na)の場合、初期放電容量は275mAh/gであり、放電容量から計算される挿入されたNaの原子数Aは0.91であった。
この結果から、放電時のカットオフ電位が低いほど、吸蔵されるNaの原子の数が増加し、初期放電容量も増加することがわかる。
The charge / discharge characteristics of the obtained Na A (Ni 0.10 Mn 0.45 Co 0.25 ) O 2 were measured.
The positive electrode composition was prepared by mixing 90% by mass of active material, 5% by mass of AB and 5% by mass of PVdF binder to prepare a slurry-like mixture, and after applying and drying on a 20 μm thick aluminum foil, The aluminum foil and the coating film were tightly bonded, and then heat-treated (during decompression, 180 ° C., 1 hour or longer). As a counter electrode, a metal sodium foil having a capacity about 50 times the calculated capacity of the test electrode was used, a glass filter as a separator, and 1 mol / L NaPF 6 (EC: DEC = 1: 1 vol.%) As an electrolyte. The provided coin cell (CR2032) was produced.
FIG. 2 shows the charge / discharge characteristics of electrochemically produced Na A (Ni 0.10 Mn 0.45 Co 0.25 ) O 2 . The lower diagram shows the case where the cutoff potential is 2-4.2 V (Na / Na + ), and the upper diagram shows the case where the cutoff potential is 1-4.2 V (Na / Na + ).
In the case of a cut-off potential of 2-4.2 V (Na / Na + ), the initial discharge capacity was 252 mAh / g, and the number A of inserted Na atoms calculated from the discharge capacity was 0.83.
In the case of a cut-off potential of 1-4.2 V (Na / Na + ), the initial discharge capacity was 275 mAh / g, and the number A of inserted Na atoms calculated from the discharge capacity was 0.91.
From this result, it can be seen that the lower the cut-off potential during discharge, the greater the number of stored Na atoms and the greater the initial discharge capacity.

次に、ナトリウム含有遷移金属酸化物中のリチウム量が放電特性に及ぼす影響を調べた。
上記電気化学的手法によるNa(Ni0.10Mn0.45Co0.25)Oの合成方法において、第一半電池でのLi脱離時のカットオフ電位を4.1、4.0、3.8、3.6、3.3V(Li/Li)とすることにより、NaLi(MnM1)Oで表されるナトリウム含有遷移金属酸化物中のLi原子の数Jが夫々0.13,0.16,0.27,0.43,0.59である化合物を得た。
Next, the influence of the amount of lithium in the sodium-containing transition metal oxide on the discharge characteristics was examined.
In the method for synthesizing Na A (Ni 0.10 Mn 0.45 Co 0.25 ) O 2 by the electrochemical method, the cutoff potential at the time of Li desorption in the first half cell is 4.1, 4. Li atom in sodium-containing transition metal oxide represented by Na A Li J (Mn B M1 C ) O D by setting to 0, 3.8, 3.6, 3.3 V (Li / Li + ) Obtained were compounds having a number J of 0.13, 0.16, 0.27, 0.43, and 0.59, respectively.

図3は、NaLi(MnM1)Oの各J量におけるXRDパターンである。
このXRDパターンより、リチウム量J=0〜0.4において結晶構造は単一相であり、0.4を超えると結晶構造は二相となることがわかった。
正極組成を活物質:AB:PVdF=90:5:5 質量%、対極としてNa箔、電解液として1mol/L NaPF(EC:DEC=1:1 vol.%)、集電体としてAl箔(20μm)を用い、カットオフ電位2−4.2V(Na/Na)で充放電し、NaLi(MnM1)Oの各J量における初期放電容量を測定した。
その結果を、下記表2に示す。
Figure 3 is a XRD pattern of each J amount of Na A Li J (Mn B M1 C) O D.
From this XRD pattern, it was found that the crystal structure was a single phase when the amount of lithium J = 0 to 0.4, and that the crystal structure became a two-phase when it exceeded 0.4.
The positive electrode composition is active material: AB: PVdF = 90: 5: 5% by mass, Na foil as the counter electrode, 1 mol / L NaPF 6 (EC: DEC = 1: 1 vol.%) As the electrolyte, and Al foil as the current collector (20 [mu] m) using a charge and discharge cutoff potential 2-4.2V (Na / Na +), was measured initial discharge capacity at each J amount of Na a Li J (Mn B M1 C) O D.
The results are shown in Table 2 below.

表2の結果より、活物質中のリチウム残存量が多いほど、初期放電容量が小さくなり、特にリチウム原子の数が0.4を超えると初期放電容量が小さくなることがわかる。また、リチウム原子の数J=0〜0.4において結晶構造は単一相であり、0.4を超えると結晶構造は二相となることがわかる。   From the results shown in Table 2, it can be seen that the larger the residual amount of lithium in the active material, the smaller the initial discharge capacity. In particular, when the number of lithium atoms exceeds 0.4, the initial discharge capacity decreases. It can also be seen that the crystal structure is a single phase when the number of lithium atoms J = 0 to 0.4, and that the crystal structure becomes a two-phase when the number exceeds 0.4.

次いで、バインダーの違いによるナトリウム二次電池の高温特性(60℃)の変化を調べた。
バインダーは、PVdF、CMC(カルボキシメチルセルロース)、及びCMCにアクリル樹脂を加えた3種類について調べた。
上記電気化学的手法(4.6V充電(vs.Li/Li)後、2V放電(vs.Na/Na))により得られたNa(Ni0.10Mn0.45Co0.25)Oを活物質とし、正極組成は、活物質90質量%、AB5質量%およびバインダー5質量%を混合してスラリー状の合剤を調製し、厚さ20μmのアルミニウム箔上に塗布・乾燥後、ロールプレス機により、アルミニウム箔と塗膜とを密着接合させ、次いで、加熱処理(減圧中、180℃、1時間以上)した。対極として、試験電極計算容量の約50倍の容量を有している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、電解液として1mol/L NaPF(EC:DEC=1:1 vol.%)を具備したコインセル(CR2032)を作製し、カットオフ電位2−4.2V(Na/Na)で60サイクルまで充放電を行った。
Subsequently, the change of the high temperature characteristic (60 degreeC) of the sodium secondary battery by the difference in a binder was investigated.
Three types of binders were examined: PVdF, CMC (carboxymethylcellulose), and CMC with an acrylic resin added.
Na A (Ni 0.10 Mn 0.45 Co 0.25 ) obtained by the above electrochemical method (4.6 V charge (vs. Li / Li + ) and then 2 V discharge (vs. Na / Na + )). ) Using O 2 as the active material, the positive electrode composition was prepared by mixing 90% by mass of the active material, 5% by mass of AB and 5% by mass of the binder to prepare a slurry-like mixture, which was applied and dried on a 20 μm thick aluminum foil After that, the aluminum foil and the coating film were closely bonded by a roll press machine, and then heat-treated (under reduced pressure, 180 ° C., 1 hour or more). As a counter electrode, a metal sodium foil having a capacity about 50 times the calculated capacity of the test electrode was used, a glass filter as a separator, and 1 mol / L NaPF 6 (EC: DEC = 1: 1 vol.%) As an electrolyte. The provided coin cell (CR2032) was produced, and it charged / discharged to 60 cycles with the cut-off potential 2-4.2V (Na / Na <+> ).

図4は、バインダーの違いによるサイクル寿命の変化を表すグラフであり、下記表3はそれを数値で表したものである。
図5は、アクリル樹脂をバインダーに用いた電極の60℃環境下における充放電曲線である。
FIG. 4 is a graph showing changes in cycle life due to the difference in binder, and Table 3 below shows the values numerically.
FIG. 5 is a charge / discharge curve of an electrode using an acrylic resin as a binder in a 60 ° C. environment.

この結果から、バインダーとしてCMC及びポリアクリルを用いると、高温環境下の高サイクルにおいても、従来より用いられているPVdFに比べ放電容量を維持できていることがわかる。特にポリアクリルをバインダーとして用いることにより、容量維持率が向上することがわかる。   From this result, it is understood that when CMC and polyacryl are used as the binder, the discharge capacity can be maintained as compared with PVdF that has been conventionally used even in a high cycle under a high temperature environment. In particular, it can be seen that the capacity retention rate is improved by using polyacryl as a binder.

次いで、正極にNa(POを添加したときの充放電特性を調べた。
上記電気化学的手法(4.6V充電(vs.Li/Li)後、2V放電(vs.Na/Na))により得られたNa(Ni0.10Mn0.45Co0.25)Oを活物質とし、正極組成は、活物質90質量%、AB5質量%およびPVdFバインダー5質量%を混合してスラリー状の合剤を調製し、厚さ20μmのアルミニウム箔上に塗布・乾燥後、ロールプレス機により、アルミニウム箔と塗膜とを密着接合させ、次いで、加熱処理(減圧中、180℃、1時間以上)した。対極として、試験電極計算容量の約50倍の容量を有している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、電解液として1mol/L NaPF(EC:DEC=1:1 vol.%)を具備したコインセル(CR2032)を作製し、放電レート0.05C〜1Cで15サイクルまで充放電を行った。
Next, the charge / discharge characteristics when Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 was added to the positive electrode were examined.
Na A (Ni 0.10 Mn 0.45 Co 0.25 ) obtained by the above electrochemical method (4.6 V charge (vs. Li / Li + ) and then 2 V discharge (vs. Na / Na + )). ) Using O 2 as the active material, the positive electrode composition was prepared by mixing 90% by mass of the active material, 5% by mass of AB and 5% by mass of the PVdF binder to prepare a slurry-like mixture, which was applied onto an aluminum foil having a thickness of 20 μm. After drying, the aluminum foil and the coating film were tightly bonded with a roll press, and then heat-treated (under reduced pressure at 180 ° C. for 1 hour or more). As a counter electrode, a metal sodium foil having a capacity about 50 times the calculated capacity of the test electrode was used, a glass filter as a separator, and 1 mol / L NaPF 6 (EC: DEC = 1: 1 vol.%) As an electrolyte. The equipped coin cell (CR2032) was produced, and it charged / discharged to 15 cycles with the discharge rate 0.05C-1C.

図6は、遷移金属酸化物固溶体に5質量% Na(POを添加した正極の充放電曲線であり、下記表4はそれを数値で表したものである。
図7は、遷移金属酸化物固溶体に0,5,10,20質量% Na(POを添加した正極のレート特性を示すグラフである。
FIG. 6 is a charge / discharge curve of a positive electrode in which 5 mass% Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 is added to a transition metal oxide solid solution, and Table 4 below shows numerical values thereof.
FIG. 7 is a graph showing rate characteristics of a positive electrode in which 0, 5, 10, 20 mass% Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 is added to a transition metal oxide solid solution.

放電レート1Cにおいて、Na(POを正極材料に添加していないものに比べ、Na(POを5〜20質量%添加したものは容量維持率に優れていることがわかる。
従って、Na(POを正極材料に添加することにより、レート特性が向上することがわかる。
When the discharge rate is 1C, Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 added in an amount of 5 to 20% by mass is superior to those in which Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 is not added to the positive electrode material. You can see that
Therefore, it can be seen that the rate characteristics are improved by adding Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 to the positive electrode material.

次いで、正極の充放電特性に及ぼす電解液の溶媒と支持塩の影響を調べた。
電解液は、下記表5の組み合わせを用いた。
上記電気化学的手法4.6V充電(vs.Li/Li)後2V放電(vs.Na/Na))により得られたNa(Ni0.10Mn0.45Co0.25)Oを活物質とし、正極組成は、活物質90質量%、AB5質量%およびPVdFバインダー5質量%を混合してスラリー状の合剤を調製し、厚さ20μmのアルミニウム箔上に塗布・乾燥後、ロールプレス機により、アルミニウム箔と塗膜とを密着接合させ、次いで、加熱処理(減圧中、180℃、1時間以上)した。対極として、試験電極計算容量の約50倍の容量を有している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、電解液として1mol/L NaPF(EC:DEC=1:1 vol.%)を具備したコインセル(CR2032)を作製し、放電レート0.05C〜1Cで12サイクルまで充放電を行った。
Next, the influence of the electrolyte solvent and the supporting salt on the charge / discharge characteristics of the positive electrode was examined.
As the electrolytic solution, combinations shown in Table 5 below were used.
Na A (Ni 0.10 Mn 0.45 Co 0.25 ) O obtained by 4.6 V charge (vs. Li / Li + ) and 2 V discharge (vs. Na / Na + )) 2 was used as the active material, and the positive electrode composition was prepared by mixing 90% by mass of the active material, 5% by mass of AB and 5% by mass of the PVdF binder to prepare a slurry mixture, and applying and drying on a 20 μm thick aluminum foil The aluminum foil and the coating film were tightly bonded with a roll press machine, and then heat-treated (under reduced pressure at 180 ° C. for 1 hour or more). As a counter electrode, a metal sodium foil having a capacity about 50 times the calculated capacity of the test electrode was used, a glass filter as a separator, and 1 mol / L NaPF 6 (EC: DEC = 1: 1 vol.%) As an electrolyte. The equipped coin cell (CR2032) was produced, and it charged / discharged to 12 cycles with the discharge rate 0.05C-1C.

図8は、各電解液における正極のレート特性を示すグラフであり、下記表5はそれを数値で表したものである。   FIG. 8 is a graph showing the rate characteristics of the positive electrode in each electrolytic solution, and Table 5 below shows the numerical values.

この結果から、初期放電容量は、電解液4>電解液2>電解液1>電解液3であり、レート特性は、電解液4≒電解液2≒電解液1>電解液3であることがわかる。
従って、支持塩としてはPF>ClO であり、溶媒としてはEC‐DEC≒EC‐DMC>PCであることがわかる。
From this result, the initial discharge capacity is electrolytic solution 4> electrolytic solution 2> electrolytic solution 1> electrolytic solution 3, and the rate characteristics are electrolytic solution 4≈electrolytic solution 2≈electrolytic solution 1> electrolytic solution 3. Recognize.
Therefore, it can be seen that the supporting salt is PF 6 > ClO 4 and the solvent is EC-DEC≈EC-DMC> PC.

<全電池試験>
上記電気化学的手法(4.6V充電(vs.Li/Li)後2V放電(vs.Na/Na))により得られたNa(Ni0.10Mn0.45Co0.25)Oを活物質とし、正極組成は、活物質90質量%、AB5質量%、CMCバインダー4質量%、アクリル樹脂1質量%を混合してスラリー状の合剤を調製し、厚さ20μmのアルミニウム箔上に塗布・乾燥後、ロールプレス機により、アルミニウム箔と塗膜とを密着接合させ、次いで、加熱処理(減圧中、180℃、1時間以上)した。
<All battery tests>
Na A (Ni 0.10 Mn 0.45 Co 0.25 ) obtained by the above electrochemical method (4.6 V charge (vs. Li / Li + ) and then 2 V discharge (vs. Na / Na + )) the O 2 as the active material, the positive electrode composition, the active material 90% by weight, AB5 wt%, CMC binder 4 mass%, a mixture of 1 wt% of acrylic resin to prepare a slurry mixture, of a thickness of 20μm aluminum After coating and drying on the foil, the aluminum foil and the coating film were closely bonded with a roll press, and then heat-treated (under reduced pressure at 180 ° C. for 1 hour or more).

対極として、SnSを負極活物質前躯体として用い、負極活物質前躯体80質量%、KB5質量%、PIバインダー15質量%を混合してスラリー状の合剤を調製し、厚さ20μmのアルミニウム箔上に塗布・乾燥後、ロールプレス機により、アルミニウム箔と塗膜とを密着接合させ、次いで、加熱処理(減圧中、230℃、1時間以上)した。続いて、負極活物質層上に10μmの金属ナトリウム箔を圧着した後、50℃の電解液(1mol/LのNaPF/EC:DEC(50:50vol%))中で2時間熱処理し、不可逆容量分のナトリウムをドープした。 As a counter electrode, SnS was used as a negative electrode active material precursor, and a slurry mixture was prepared by mixing 80% by mass of a negative electrode active material precursor, 5% by mass of KB, and 15% by mass of a PI binder, and an aluminum foil having a thickness of 20 μm. After coating and drying, the aluminum foil and the coating film were closely bonded with a roll press machine, and then heat-treated (under reduced pressure at 230 ° C. for 1 hour or more). Subsequently, after a metal sodium foil of 10 μm was pressure-bonded on the negative electrode active material layer, it was heat-treated for 2 hours in an electrolytic solution (1 mol / L NaPF 6 / EC: DEC (50:50 vol%)) at 50 ° C. A volume of sodium was doped.

上記正極、負極および電解液として1mol/L NaPF(EC:DEC=1:1 vol.%)を用いて、ナトリウムイオン全電池(公称容量2.25mAh)のコインセルを作製し、60℃環境下でカットオフ電位1−4.2Vで100サイクルまで試験を行った。
また、ハードカーボンを負極活物質とする負極を作製し、同様に全電池試験を行った。条件は、SnSをハードカーボンに変更した他同様である。
表6にNa(Ni0.10Mn0.45Co0.25)O正極とナトリウムがドープされたSnS負極またはハードカーボン負極とを組み合わせたナトリウムイオン全電池の60℃環境下におけるサイクル寿命試験結果を示す。
Using a 1 mol / L NaPF 6 (EC: DEC = 1: 1 vol.%) As the positive electrode, negative electrode, and electrolyte, a coin cell of a sodium ion total battery (nominal capacity 2.25 mAh) was prepared, and in a 60 ° C. environment. The test was conducted up to 100 cycles at a cutoff potential of 1-4.
Moreover, the negative electrode which uses hard carbon as a negative electrode active material was produced, and the whole battery test was done similarly. The conditions are the same except that SnS is changed to hard carbon.
Table 6 shows the cycle life of a sodium ion all battery in which Na A (Ni 0.10 Mn 0.45 Co 0.25 ) O 2 positive electrode and sodium-doped SnS negative electrode or hard carbon negative electrode are combined in a 60 ° C. environment. The test results are shown.

表6から明らかなように、SnS負極であっても、ハードカーボン負極であっても可逆的に電池として動作することがわかる。 As is apparent from Table 6, it can be seen that the SnS negative electrode and the hard carbon negative electrode reversibly operate as a battery.

<電気化学的手法によるNa(Ni0.10Mn0.45Co0.25)O1.980.02の合成>
1.Liの脱離
Li1.2(Ni0.10Mn0.45Co0.25)O1.980.02を正極、Li金属を負極、支持塩として1mol/L LiPFを含有したEC‐DECを電解液として用いた半電池を作製し、4.6V(vs.Li/Li)まで充電した。
<Synthesis of Na A (Ni 0.10 Mn 0.45 Co 0.25 ) O 1.98 F 0.02 by Electrochemical Method>
1. Desorption of Li 1.2 (Ni 0.10 Mn 0.45 Co 0.25 ) O 1.98 F 0.02 as positive electrode, Li metal as negative electrode, EC containing 1 mol / L LiPF 6 as supporting salt -A half-cell using DEC as the electrolyte was prepared and charged to 4.6 V (vs. Li / Li + ).

2.電池の解体、電極の洗浄
Liが脱離した状態の正極を取り出し、ジメチルカーボネートで洗浄し、電極に付着しているLi電解質を除去した。
2. Disassembly of the battery, washing of the electrode The positive electrode from which Li was detached was taken out and washed with dimethyl carbonate to remove the Li electrolyte adhering to the electrode.

3.Naの吸蔵
洗浄後の電極を正極に、Na金属を負極に、支持塩として1mol/L NaPFを含有したEC‐DECを電解液に用いた半電池を作製し、2V(vs.Na/Na)まで放電した場合も行った。
3. A half-cell using an electrode after the occlusion cleaning of Na as a positive electrode, Na metal as a negative electrode and EC-DEC containing 1 mol / L NaPF 6 as a supporting salt as an electrolyte was prepared, and 2 V (vs. Na / Na It was also performed when discharging to + ).

上記工程により、固溶体系の結晶構造を維持したNa(Ni0.10Mn0.45Co0.25)O1.980.02が得られた。
得られたNa(Ni0.10Mn0.45Co0.25)O1.980.02の充放電特性を測定した。
正極組成は、活物質:アセチレンブラック(AB):ポリフッ化ビニリデン(PVdF)=90:5:5 質量%、対極としてNa箔、電解液として1mol/L NaPF(EC:DEC=1:1 vol.%)、集電体としてAl箔(20μm)を用いた。
By the above process, Na A (Ni 0.10 Mn 0.45 Co 0.25 ) O 1.98 F 0.02 was obtained, which maintained the crystal structure of the solid solution system.
The charge / discharge characteristics of the obtained Na A (Ni 0.10 Mn 0.45 Co 0.25 ) O 1.98 F 0.02 were measured.
The composition of the positive electrode was as follows: active material: acetylene black (AB): polyvinylidene fluoride (PVdF) = 90: 5: 5 mass%, Na foil as the counter electrode, 1 mol / L NaPF 6 as the electrolyte (EC: DEC = 1: 1 vol) Al) (20 μm) was used as a current collector.

結果として、初期放電容量は243mAh/gであり、放電容量から計算される挿入されたNaの原子数Aは0.80であった。   As a result, the initial discharge capacity was 243 mAh / g, and the atomic number A of inserted Na calculated from the discharge capacity was 0.80.

<電気化学的手法によるNa(Mn0.45Ni0.35)Oの合成>
1.Liの脱離
Li1.2(Mn0.45Ni0.35)Oを正極、Li金属を負極、支持塩として1mol/L LiPFを含有したEC‐DECを電解液として用いた半電池を作製し、4.6V(vs.Li/Li)まで充電した。
<Synthesis of Na A (Mn 0.45 Ni 0.35 ) O 2 by Electrochemical Method>
1. Desorption of Li Half cell using Li 1.2 (Mn 0.45 Ni 0.35 ) O 2 as positive electrode, Li metal as negative electrode, EC-DEC containing 1 mol / L LiPF 6 as supporting salt as electrolyte And charged to 4.6 V (vs. Li / Li + ).

2.電池の解体、電極の洗浄
Liが脱離した状態の正極を取り出し、ジメチルカーボネートで洗浄し、電極に付着しているLi電解質を除去した。
2. Disassembly of the battery, washing of the electrode The positive electrode from which Li was detached was taken out and washed with dimethyl carbonate to remove the Li electrolyte adhering to the electrode.

3.Naの吸蔵
洗浄後の電極を正極に、Na金属を負極に、支持塩として1mol/L NaPFを含有したEC‐DECを電解液に用いた半電池を作製し、2V(vs.Na/Na)まで放電した場合も行った。
3. A half-cell using an electrode after the occlusion cleaning of Na as a positive electrode, Na metal as a negative electrode and EC-DEC containing 1 mol / L NaPF 6 as a supporting salt as an electrolyte was prepared, and 2 V (vs. Na / Na It was also performed when discharging to + ).

上記工程により、固溶体系の結晶構造を維持したNa(Mn0.45Ni0.35)Oが得られた。
得られたNa(Mn0.45Ni0.35)Oの充放電特性を測定した。
正極組成は、活物質:アセチレンブラック(AB):ポリフッ化ビニリデン(PVdF)=90:5:5 質量%、対極としてNa箔、電解液として1mol/L NaPF(EC:DEC=1:1 vol.%)、集電体としてAl箔(20μm)を用いた。
By the above process, Na A (Mn 0.45 Ni 0.35 ) O 2 maintaining the crystal structure of the solid solution system was obtained.
The charge / discharge characteristics of the obtained Na A (Mn 0.45 Ni 0.35 ) O 2 were measured.
The composition of the positive electrode was as follows: active material: acetylene black (AB): polyvinylidene fluoride (PVdF) = 90: 5: 5 mass%, Na foil as the counter electrode, 1 mol / L NaPF 6 as the electrolyte (EC: DEC = 1: 1 vol) Al) (20 μm) was used as a current collector.

結果として、初期放電容量は237mAh/gであり、放電容量から計算される挿入されたNaの原子数Aは0.78であった。   As a result, the initial discharge capacity was 237 mAh / g, and the number of inserted Na atoms A calculated from the discharge capacity was 0.78.

<電気化学的手法によるNa(Mn0.45Fe0.35)Oの合成>
1.Liの脱離
Li1.2(Mn0.45Fe0.35)Oを正極、Li金属を負極、支持塩として1mol/L LiPFを含有したEC‐DECを電解液として用いた半電池を作製し、4.6V(vs.Li/Li)まで充電した。
<Synthesis of Na A (Mn 0.45 Fe 0.35 ) O 2 by Electrochemical Method>
1. Desorption of Li Half cell using Li 1.2 (Mn 0.45 Fe 0.35 ) O 2 as positive electrode, Li metal as negative electrode, EC-DEC containing 1 mol / L LiPF 6 as supporting salt as electrolyte And charged to 4.6 V (vs. Li / Li + ).

2.電池の解体、電極の洗浄
Liが脱離した状態の正極を取り出し、ジメチルカーボネートで洗浄し、電極に付着しているLi電解質を除去した。
2. Disassembly of the battery, washing of the electrode The positive electrode from which Li was detached was taken out and washed with dimethyl carbonate to remove the Li electrolyte adhering to the electrode.

3.Naの吸蔵
洗浄後の電極を正極に、Na金属を負極に、支持塩として1mol/L NaPFを含有したEC‐DECを電解液に用いた半電池を作製し、2V(vs.Na/Na)まで放電した場合も行った。
3. A half-cell using an electrode after the occlusion cleaning of Na as a positive electrode, Na metal as a negative electrode and EC-DEC containing 1 mol / L NaPF 6 as a supporting salt as an electrolyte was prepared, and 2 V (vs. Na / Na It was also performed when discharging to + ).

上記工程により、固溶体系の結晶構造を維持したNa(Mn0.45Fe0.35)Oが得られた。
得られたNa(Mn0.45Fe0.35)Oの充放電特性を測定した。
正極組成は、活物質:アセチレンブラック(AB):ポリフッ化ビニリデン(PVdF)=90:5:5 質量%、対極としてNa箔、電解液として1mol/L NaPF(EC:DEC=1:1 vol.%)、集電体としてAl箔(20μm)を用いた。
By the above process, Na A (Mn 0.45 Fe 0.35 ) O 2 maintaining the crystal structure of the solid solution system was obtained.
The charge / discharge characteristics of the obtained Na A (Mn 0.45 Fe 0.35 ) O 2 were measured.
The composition of the positive electrode was as follows: active material: acetylene black (AB): polyvinylidene fluoride (PVdF) = 90: 5: 5 mass%, Na foil as the counter electrode, 1 mol / L NaPF 6 as the electrolyte (EC: DEC = 1: 1 vol) Al) (20 μm) was used as a current collector.

結果として、初期放電容量は228mAh/gであり、放電容量から計算される挿入されたNaの原子数Aは0.75であった。   As a result, the initial discharge capacity was 228 mAh / g, and the atomic number A of inserted Na calculated from the discharge capacity was 0.75.

<電気化学的手法によるNa(Mn0.45Co0.30.05)Oの合成>
1.Liの脱離
Li1.2(Mn0.45Co0.30.05)Oを正極、Li金属を負極、支持塩として1mol/L LiPFを含有したEC‐DECを電解液として用いた半電池を作製し、4.6V(vs.Li/Li)まで充電した。
<Synthesis of Na A (Mn 0.45 Co 0.3 W 0.05 ) O 2 by Electrochemical Method>
1. Desorption of Li Li 1.2 (Mn 0.45 Co 0.3 W 0.05 ) O 2 as positive electrode, Li metal as negative electrode, EC-DEC containing 1 mol / L LiPF 6 as supporting salt as electrolyte The half cell used was prepared and charged to 4.6 V (vs. Li / Li + ).

2.電池の解体、電極の洗浄
Liが脱離した状態の正極を取り出し、ジメチルカーボネートで洗浄し、電極に付着しているLi電解質を除去した。
2. Disassembly of the battery, washing of the electrode The positive electrode from which Li was detached was taken out and washed with dimethyl carbonate to remove the Li electrolyte adhering to the electrode.

3.Naの吸蔵
洗浄後の電極を正極に、Na金属を負極に、支持塩として1mol/L NaPFを含有したEC‐DECを電解液に用いた半電池を作製し、2V(vs.Na/Na)まで放電した場合も行った。
3. A half-cell using an electrode after the occlusion cleaning of Na as a positive electrode, Na metal as a negative electrode and EC-DEC containing 1 mol / L NaPF 6 as a supporting salt as an electrolyte was prepared, and 2 V (vs. Na / Na It was also performed when discharging to + ).

上記工程により、固溶体系の結晶構造を維持したNa(Mn0.45Co0.30.05)Oが得られた。
得られたNa(Mn0.45Co0.30.05)Oの充放電特性を測定した。
正極組成は、活物質:アセチレンブラック(AB):ポリフッ化ビニリデン(PVdF)=90:5:5 質量%、対極としてNa箔、電解液として1mol/L NaPF(EC:DEC=1:1 vol.%)、集電体としてAl箔(20μm)を用いた。
By the above process, Na A (Mn 0.45 Co 0.3 W 0.05 ) O 2 maintaining the crystal structure of the solid solution system was obtained.
The charge / discharge characteristics of the obtained Na A (Mn 0.45 Co 0.3 W 0.05 ) O 2 were measured.
The composition of the positive electrode was as follows: active material: acetylene black (AB): polyvinylidene fluoride (PVdF) = 90: 5: 5 mass%, Na foil as the counter electrode, 1 mol / L NaPF 6 as the electrolyte (EC: DEC = 1: 1 vol) Al) (20 μm) was used as a current collector.

結果として、初期放電容量は236mAh/gであり、放電容量から計算される挿入されたNaの原子数Aは0.77であった。   As a result, the initial discharge capacity was 236 mAh / g, and the number of inserted Na atoms A calculated from the discharge capacity was 0.77.

<電気化学的手法によるNa(Mn0.45Ni0.05Co0.25Ti0.03Zr0.02)Oの合成>
1.Liの脱離
Li1.2(Mn0.45Ni0.05Co0.25Ti0.03Zr0.02)Oを正極、Li金属を負極、支持塩として1mol/L LiPFを含有したEC‐DECを電解液として用いた半電池を作製し、4.6V(vs.Li/Li)まで充電した。
<Synthesis of Na A (Mn 0.45 Ni 0.05 Co 0.25 Ti 0.03 Zr 0.02 ) O 2 by Electrochemical Method>
1. Desorption of Li Li 1.2 (Mn 0.45 Ni 0.05 Co 0.25 Ti 0.03 Zr 0.02 ) O 2 as positive electrode, Li metal as negative electrode, 1 mol / L LiPF 6 as supporting salt A half cell using the EC-DEC thus prepared as an electrolyte was prepared and charged to 4.6 V (vs. Li / Li + ).

2.電池の解体、電極の洗浄
Liが脱離した状態の正極を取り出し、ジメチルカーボネートで洗浄し、電極に付着しているLi電解質を除去した。
2. Disassembly of the battery, washing of the electrode The positive electrode from which Li was detached was taken out and washed with dimethyl carbonate to remove the Li electrolyte adhering to the electrode.

3.Naの吸蔵
洗浄後の電極を正極に、Na金属を負極に、支持塩として1mol/L NaPFを含有したEC‐DECを電解液に用いた半電池を作製し、2V(vs.Na/Na)まで放電した場合も行った。
3. A half-cell using an electrode after the occlusion cleaning of Na as a positive electrode, Na metal as a negative electrode and EC-DEC containing 1 mol / L NaPF 6 as a supporting salt as an electrolyte was prepared, and 2 V (vs. Na / Na It was also performed when discharging to + ).

上記工程により、固溶体系の結晶構造を維持したNa(Mn0.45Ni0.05Co0.25Ti0.03Zr0.02)Oが得られた。
得られたNa(Mn0.45Ni0.05Co0.25Ti0.03Zr0.02)Oの充放電特性を測定した。
正極組成は、活物質:アセチレンブラック(AB):ポリフッ化ビニリデン(PVdF)=90:5:5 質量%、対極としてNa箔、電解液として1mol/L NaPF(EC:DEC=1:1 vol.%)、集電体としてAl箔(20μm)を用いた。
By the above process, Na A (Mn 0.45 Ni 0.05 Co 0.25 Ti 0.03 Zr 0.02 ) O 2 maintaining the crystal structure of the solid solution system was obtained.
The charge / discharge characteristics of the obtained Na A (Mn 0.45 Ni 0.05 Co 0.25 Ti 0.03 Zr 0.02 ) O 2 were measured.
The composition of the positive electrode was as follows: active material: acetylene black (AB): polyvinylidene fluoride (PVdF) = 90: 5: 5 mass%, Na foil as the counter electrode, 1 mol / L NaPF 6 as the electrolyte (EC: DEC = 1: 1 vol) Al) (20 μm) was used as a current collector.

結果として、初期放電容量は241mAh/gであり、放電容量から計算される挿入されたNaの原子数Aは0.79であった。   As a result, the initial discharge capacity was 241 mAh / g, and the atomic number A of inserted Na calculated from the discharge capacity was 0.79.

本発明は、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に好適に利用されるものである。   The present invention is suitably used as a main power source for mobile communication devices, portable electronic devices, electric bicycles, electric motorcycles, electric vehicles and the like.

Claims (19)

空間群R−3m(No.166)の結晶構造を有する遷移金属酸化物固溶体であって、格子定数が2.80Å≦a≦3.00Å、16.4Å≦c≦17Åであり、(003)面と(104)面の回折ピークが1.1≦I(104)/I(003)≦1.3であることを特徴とするナトリウム二次電池正極材料。   A transition metal oxide solid solution having a crystal structure of space group R-3m (No. 166), with lattice constants of 2.80Å ≦ a ≦ 3.00Å, 16.4Å ≦ c ≦ 17Å, (003) A sodium secondary battery positive electrode material, wherein the diffraction peak of the surface and the (104) plane is 1.1 ≦ I (104) / I (003) ≦ 1.3. 組成式1:Na(MnM1)Oで表され、
前記組成式1のNa原子の数Aが0.7〜1.2、Mn原子の数Bが0.4〜0.6、Mn原子の数BとM1原子の数Cとの和が0.7〜1.0、O原子の数Dが1.8〜2.2であって、
前記M1は、Fe、Co、Ni、Nb、Moからなる群から選択される一種以上であることを特徴とする請求項1記載のナトリウム二次電池正極材料。
Formula 1: is represented by Na A (Mn B M1 C) O D,
The number A of Na atoms in the composition formula 1 is 0.7 to 1.2, the number B of Mn atoms is 0.4 to 0.6, and the sum of the number B of Mn atoms and the number C of M1 atoms is 0.00. 7 to 1.0, the number D of O atoms is 1.8 to 2.2,
The sodium secondary battery positive electrode material according to claim 1, wherein the M1 is one or more selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, Nb, and Mo.
組成式2:Na(MnM1M2)Oで表され、
前記組成式2のNa原子の数Aが0.7〜1.2、Mn原子の数Bが0.4〜0.6、M2原子の数Eが0.01〜0.1、Mn原子の数BとM1原子の数CとM2原子の数Eとの和が0.7〜1.0、O原子の数Dが1.8〜2.2であって、
前記M1は、Fe、Co、Ni、Nb、Moからなる群から選択される一種以上であって、前記M2は、Ti、V、Cr、Zr、Wからなる群から選択される一種以上であることを特徴とする請求項1記載のナトリウム二次電池正極材料。
Formula 2: is represented by Na A (Mn B M1 C M2 E) O D,
The number A of Na atoms in the composition formula 2 is 0.7 to 1.2, the number B of Mn atoms is 0.4 to 0.6, the number E of M2 atoms is 0.01 to 0.1, The sum of the number B, the number C of M1 atoms, and the number E of M2 atoms is 0.7 to 1.0, and the number D of O atoms is 1.8 to 2.2,
The M1 is one or more selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, Nb, and Mo, and the M2 is one or more selected from the group consisting of Ti, V, Cr, Zr, and W. The sodium secondary battery positive electrode material according to claim 1.
組成式3:Na(MnM1M2)Oで表され、
前記組成式3のNa原子の数Aが0.7〜1.2、Mn原子の数Bが0.4〜0.6、M2原子の数Eが0.01〜0.1、Mn原子の数BとM1原子の数CとM2原子の数Eとの和が0.7〜1.0、O原子の数Dが1.8〜2.2、F原子の数Gが0.01〜0.2であって、
前記M1は、Fe、Co、Ni、Nb、Moからなる群から選択される一種以上であって、前記M2は、Ti、V、Cr、Zr、Wからなる群から選択される一種以上であることを特徴とする請求項1記載のナトリウム二次電池正極材料。
Formula 3: represented by Na A (Mn B M1 C M2 E) O D F G,
The number A of Na atoms in the composition formula 3 is 0.7 to 1.2, the number B of Mn atoms is 0.4 to 0.6, the number E of M2 atoms is 0.01 to 0.1, The sum of the number B, the number C of M1 atoms and the number E of M2 atoms is 0.7 to 1.0, the number D of O atoms is 1.8 to 2.2, and the number G of F atoms is 0.01 to 0.2,
The M1 is one or more selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, Nb, and Mo, and the M2 is one or more selected from the group consisting of Ti, V, Cr, Zr, and W. The sodium secondary battery positive electrode material according to claim 1.
組成式4:NaLi(MnM1)Oで表され、
前記組成式4のLi原子の数Jが0〜0.4、Li原子の数JとNa原子の数Aとの和が0.7〜1.2、Mn原子の数Bが0.4〜0.6、Mn原子の数BとM1原子の数Cとの和が0.7〜1.0、O原子の数Dが1.8〜2.2であって、
前記M1は、Fe、Co、Ni、Nb、Moからなる群から選択される一種以上であることを特徴とする請求項1記載のナトリウム二次電池正極材料。
Composition formula 4: Na A Li J (Mn B M1 C ) O D
The number J of Li atoms in the composition formula 4 is 0 to 0.4, the sum of the number J of Li atoms and the number A of Na atoms is 0.7 to 1.2, and the number B of Mn atoms is 0.4 to 0.4. 0.6, the sum of the number B of Mn atoms and the number C of M1 atoms is 0.7 to 1.0, the number D of O atoms is 1.8 to 2.2,
The sodium secondary battery positive electrode material according to claim 1, wherein the M1 is one or more selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, Nb, and Mo.
さらにNa(POを含むことを特徴とする請求項1乃至5いずれかに記載のナトリウム二次電池正極材料。 The sodium secondary battery positive electrode material according to claim 1, further comprising Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 . 請求項2乃至6記載のナトリウム二次電池正極材料の製造方法であって、高リチウム含有遷移金属酸化物から、リチウムを電気化学的あるいは化学的に脱離させ、次いでナトリウム吸蔵させることを特徴とするナトリウム二次電池用正極材料の製造方法。   The method for producing a positive electrode material for a sodium secondary battery according to claim 2, wherein lithium is electrochemically or chemically desorbed from a high lithium-containing transition metal oxide and then occluded by sodium. A method for producing a positive electrode material for a sodium secondary battery. 前記高リチウム含有遷移金属酸化物が、組成式5:Li(MnM1)Oで表され、前記組成式5のLi原子の数Kが1.0〜1.2、Mn原子の数Bが0.4〜0.6、Mn原子の数BとM1原子の数Cとの和が0.7〜1.0、O原子の数Dが1.8〜2.2であって、前記M1は、Fe、Co、Ni、Nb、Moからなる群から選択される一種以上であることを特徴とする請求項7記載のナトリウム二次電池用正極材料の製造方法。 The high lithium-containing transition metal oxide, the composition formula 5: is represented by Li K (Mn B M1 C) O D, the number K of Li atoms in the composition formula 5 is 1.0 to 1.2, the Mn atoms The number B is 0.4 to 0.6, the sum of the number B of Mn atoms and the number C of M1 atoms is 0.7 to 1.0, and the number D of O atoms is 1.8 to 2.2. The method for producing a positive electrode material for a sodium secondary battery according to claim 7, wherein M1 is at least one selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, Nb, and Mo. 前記高リチウム含有遷移金属酸化物が、組成式6:Li(MnM1M2)Oで表され、前記組成式6のLi原子の数Kが1.0〜1.2、Mn原子の数Bが0.4〜0.6、M2原子の数Eが0.01〜0.1、Mn原子の数BとM1原子の数CとM2原子の数Eとの和が0.7〜1.0、O原子の数Dが1.8〜2.2であって、前記M1は、Fe、Co、Ni、Nb、Moからなる群から選択される一種以上であって、前記M2は、Ti、V、Cr、Zr、Wからなる群から選択される一種以上であることを特徴とする請求項7記載のナトリウム二次電池用正極材料の製造方法。 The high lithium-containing transition metal oxide, the composition formula 6: is represented by Li K (Mn B M1 C M2 E) O D, the number K of Li atoms in the composition formula 6 is 1.0 to 1.2, Mn The number B of atoms is 0.4 to 0.6, the number E of M2 atoms is 0.01 to 0.1, and the sum of the number B of Mn atoms, the number C of M1 atoms, and the number E of M2 atoms is 0. 7 to 1.0, the number of O atoms D is 1.8 to 2.2, and the M1 is at least one selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, Nb, and Mo, The method for producing a positive electrode material for a sodium secondary battery according to claim 7, wherein M2 is at least one selected from the group consisting of Ti, V, Cr, Zr, and W. 前記高リチウム含有遷移金属酸化物が、組成式7:Li(MnM1M2)Oで表され、前記組成式7のLi原子の数Kが1.0〜1.2、Mn原子の数Bが0.4〜0.6、M2原子の数Eが0.01〜0.1、Mn原子の数BとM1原子の数CとM2原子の数Eとの和が0.7〜1.0、O原子の数Dが1.8〜2.2、F原子の数Gが0.01〜0.2であって、前記M1は、Fe、Co、Ni、Nb、Moからなる群から選択される一種以上であって、前記M2は、Ti、V、Cr、Zr、Wからなる群から選択される一種以上であることを特徴とする請求項7記載のナトリウム二次電池用正極材料の製造方法。 The high lithium-containing transition metal oxide, the composition formula 7: is represented by Li K (Mn B M1 C M2 E) O D F G, the number K of Li atoms in the composition formula 7 is 1.0 to 1.2 The number B of Mn atoms is 0.4 to 0.6, the number E of M2 atoms is 0.01 to 0.1, the sum of the number B of Mn atoms, the number C of M1 atoms, and the number E of M2 atoms is 0.7 to 1.0, the number D of O atoms is 1.8 to 2.2, the number G of F atoms is 0.01 to 0.2, and M1 is Fe, Co, Ni, Nb The sodium according to claim 7, wherein the M2 is one or more selected from the group consisting of Ti, V, Cr, Zr, and W. A method for producing a positive electrode material for a secondary battery. 前記高リチウム含有遷移金属酸化物を正極、Li金属を負極として第1半電池を作成し前記第1半電池を充電することによりLiを前記第1半電池の前記正極から脱離させる工程と、このLiが脱離した前記第1半電池の前記正極を正極、Na金属を負極として第2半電池を作成し前記第2半電池を放電することによりNaを前記第2半電池の前記正極に吸蔵させる工程とを備えることを特徴とする請求項7乃至10いずれかに記載のナトリウム二次電池用正極材料の製造方法。   Desorbing Li from the positive electrode of the first half-cell by creating a first half-cell using the high lithium-containing transition metal oxide as the positive electrode and Li metal as the negative electrode and charging the first half-cell; The second half cell is created by using the positive electrode of the first half cell from which Li has been detached as the positive electrode and Na metal as the negative electrode, and discharging the second half cell, whereby Na becomes the positive electrode of the second half cell. The method for producing a positive electrode material for a sodium secondary battery according to any one of claims 7 to 10, further comprising a step of occlusion. 前記充電が4.6〜5.0V(vs.Li/Li)に達するまで行われ、前記放電が1〜2V(vs.Na/Na)に達するまで行われることを特徴とする請求項11記載のナトリウム二次電池用正極材料の製造方法。 The charging is performed until reaching 4.6 to 5.0 V (vs. Li / Li + ), and the discharging is performed until reaching 1 to 2 V (vs. Na / Na + ). 11. A method for producing a positive electrode material for a sodium secondary battery according to 11. 活物質として、請求項1〜6に記載のナトリウム二次電池用正極材料、又は請求項7〜12に記載のナトリウム二次電池用正極材料の製造方法で得られたナトリウム二次電池用正極材料を含むことを特徴とするナトリウム二次電池用電極。   The positive electrode material for sodium secondary batteries according to claim 1, or the positive electrode material for sodium secondary batteries obtained by the method for producing a positive electrode material for sodium secondary batteries according to claim 7 as an active material. An electrode for a sodium secondary battery, comprising: 導電助剤及びバインダーをさらに含み、前記活物質と前記導電助剤と前記バインダーとの合計を100重量%とした場合、前記バインダーを1〜25重量%含み、前記バインダーがカルボキシメチルセルロース(CMC)であることを特徴とする請求項13記載のナトリウム二次電池用電極。   When the total of the said active material, the said conductive support agent, and the said binder is 100 weight% further including a conductive support agent and a binder, the said binder is included 1-25 weight%, The said binder is carboxymethylcellulose (CMC). The electrode for sodium secondary batteries according to claim 13, wherein the electrode is provided. 前記バインダーがさらに、CMC100重量%に対してアクリル樹脂を10〜50重量%含有することを特徴とする請求項14記載のナトリウム二次電池用電極。   The sodium secondary battery electrode according to claim 14, wherein the binder further contains 10 to 50% by weight of an acrylic resin with respect to 100% by weight of CMC. 請求項13〜15に記載のナトリウム二次電池用電極からなる正極を備えることを特徴とする非水系ナトリウム二次電池。   A non-aqueous sodium secondary battery comprising a positive electrode comprising the sodium secondary battery electrode according to claim 13. さらに、硫化スズ負極と、六フッ化リン酸ナトリウムが溶解したEC系電解液とを備えることを特徴とする請求項16記載の非水系ナトリウム二次電池。   The nonaqueous sodium secondary battery according to claim 16, further comprising a tin sulfide negative electrode and an EC electrolyte solution in which sodium hexafluorophosphate is dissolved. 負極が硫化スズを含有する合金化合物であることを特徴とする請求項17記載の非水系ナトリウム二次電池。   The non-aqueous sodium secondary battery according to claim 17, wherein the negative electrode is an alloy compound containing tin sulfide. 請求項17又は18に記載の非水系ナトリウム二次電池を用いることを特徴とする電気機器。   An electrical apparatus using the non-aqueous sodium secondary battery according to claim 17 or 18.
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