JP2014078350A - Negative electrode active material for sodium ion battery and sodium ion battery - Google Patents

Negative electrode active material for sodium ion battery and sodium ion battery Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a negative electrode active material for a sodium ion battery capable of improving charge/discharge efficiency.SOLUTION: A negative electrode active material for a sodium ion battery is provided which has NaTiOcrystalline phase and in which the crystallite size of NaTiOcrystalline phase is within a range of 190Å to 520Å.

Description

本発明は、充放電効率の向上が図れるナトリウムイオン電池用負極活物質、およびそれを用いたナトリウムイオン電池に関する。   The present invention relates to a negative electrode active material for sodium ion batteries capable of improving charge / discharge efficiency, and a sodium ion battery using the same.

ナトリウムイオン電池は、Naイオンが正極および負極の間を移動する電池である。NaはLiに比べて豊富に存在するため、ナトリウムイオン電池は、リチウムイオン電池に比べて低コスト化を図りやすいという利点がある。一般的に、ナトリウムイオン電池は、正極活物質を含有する正極活物質層と、負極活物質を含有する負極活物質層と、正極活物質層および負極活物質層の間に形成された電解質層とを有する。   A sodium ion battery is a battery in which Na ions move between a positive electrode and a negative electrode. Since Na is abundant compared to Li, the sodium ion battery has an advantage that it is easy to reduce the cost compared to the lithium ion battery. In general, a sodium ion battery includes a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material, a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material, and an electrolyte layer formed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer. And have.

ナトリウムイオン電池に用いられる負極活物質として、NaTi13が知られている。例えば、非特許文献1には、NaTi13を負極活物質に用いたナトリウムイオン電池が開示されている。また、ナトリウムイオン電池ではないものの、非特許文献2には、NaTi13を負極活物質に用いたリチウムイオン電池が開示されている。同様の記載が、特許文献1の従来技術にも記載されている。また、特許文献2には、チタン酸リチウム(LiTi12)を負極活物質に用いたナトリウムイオン電池が開示されている。また、特許文献3には、ボールミルにより、活物質および炭素材料を複合化することが開示されている。 Na 2 Ti 6 O 13 is known as a negative electrode active material used for sodium ion batteries. For example, Non-Patent Document 1 discloses a sodium ion battery using Na 2 Ti 6 O 13 as a negative electrode active material. Although not a sodium ion battery, Non-Patent Document 2 discloses a lithium ion battery using Na 2 Ti 6 O 13 as a negative electrode active material. The same description is also described in the prior art of Patent Document 1. Patent Document 2 discloses a sodium ion battery using lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ) as a negative electrode active material. Patent Document 3 discloses that an active material and a carbon material are combined by a ball mill.

特開2009−117259号公報JP 2009-117259 A 特開2011−049126号公報JP 2011-049126 A 特開2007−048682号公報JP 2007-048682 A

N. D. Trinh et al., “Synthesis, Characterization and Electrochemical Studies of Active Materials for Sodium Ion Batteries”, ECS Transactions, 35 (32) 91-98 (2011)N. D. Trinh et al., “Synthesis, Characterization and Electrochemical Studies of Active Materials for Sodium Ion Batteries”, ECS Transactions, 35 (32) 91-98 (2011) J. C. Perez-Flores et al., “On the Mechanism of Lithium Insertion into A2Ti6O13 (A = Na, Li)”, ECS Transactions, 41 (41) 195-206 (2012)J. C. Perez-Flores et al., “On the Mechanism of Lithium Insertion into A2Ti6O13 (A = Na, Li)”, ECS Transactions, 41 (41) 195-206 (2012)

非特許文献1には、NaTi13を負極活物質に用いたナトリウムイオン電池が開示されている。しかしながら、この電池は、Figure 8に記載されているように、初回の充放電効率が約27%と低いという問題がある。 Non-Patent Document 1 discloses a sodium ion battery using Na 2 Ti 6 O 13 as a negative electrode active material. However, this battery has a problem that the initial charge and discharge efficiency is as low as about 27%, as shown in FIG.

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、充放電効率の向上が図れるナトリウムイオン電池用負極活物質を提供することを主目的とする。   This invention is made | formed in view of the said situation, and it aims at providing the negative electrode active material for sodium ion batteries which can aim at the improvement of charging / discharging efficiency.

上記課題を達成するために、本発明においては、NaTi13結晶相を有し、上記NaTi13結晶相の結晶子サイズが、190Å〜520Åの範囲内であることを特徴とするナトリウムイオン電池用負極活物質を提供する。 In order to achieve the above object, in the present invention, it has a Na 2 Ti 6 O 13 crystal phase, and the crystallite size of the Na 2 Ti 6 O 13 crystal phase is in the range of 190 to 520%. Provided is a negative electrode active material for a sodium ion battery.

本発明によれば、NaTi13結晶相の結晶子サイズが所定の範囲内にあることにより、充放電効率の向上が図れるナトリウムイオン電池用負極活物質とすることができる。 According to the present invention, by the crystallite size of the Na 2 Ti 6 O 13 crystal phase is within a predetermined range may be a negative active material for a sodium ion batteries can be improved charge and discharge efficiency.

また、本発明においては、正極活物質を含有する正極活物質層と、負極活物質を含有する負極活物質層と、上記正極活物質層および上記負極活物質層の間に形成された電解質層とを有するナトリウムイオン電池であって、上記負極活物質が、上述したナトリウムイオン電池用負極活物質であることを特徴とするナトリウムイオン電池を提供する。   In the present invention, a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material, a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material, and an electrolyte layer formed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer A sodium ion battery, wherein the negative electrode active material is the above-described negative electrode active material for a sodium ion battery.

本発明によれば、上述したナトリウムイオン電池用負極活物質を用いることで、充放電効率が高いナトリウムイオン電池とすることができる。   According to this invention, it can be set as a sodium ion battery with high charging / discharging efficiency by using the negative electrode active material for sodium ion batteries mentioned above.

上記発明においては、上記負極活物質層が、炭素材料から構成される導電化材を含有し、上記炭素材料は、層間距離d002が3.50Å以下であるか、ラマン分光測定により求められるD/G比が0.80以下であることが好ましい。充放電効率をより高くすることができるからである。   In the above invention, the negative electrode active material layer contains a conductive material composed of a carbon material, and the carbon material has an interlayer distance d002 of 3.50 mm or less, or is obtained by Raman spectroscopic measurement. The G ratio is preferably 0.80 or less. This is because the charge / discharge efficiency can be further increased.

本発明のナトリウムイオン電池用負極活物質は、充放電効率の向上を図ることができるという効果を奏する。   The negative electrode active material for a sodium ion battery of the present invention has an effect that charge / discharge efficiency can be improved.

本発明のナトリウムイオン電池の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the sodium ion battery of this invention. 実施例3で得られた活物質に対するXRD測定の結果である。4 is a result of XRD measurement on the active material obtained in Example 3. FIG. 実施例1〜5で得られた評価用電池の充放電試験の結果である。It is a result of the charging / discharging test of the battery for evaluation obtained in Examples 1-5. 実施例6で得られた評価用電池の充放電試験の結果である。6 is a result of a charge / discharge test of an evaluation battery obtained in Example 6. FIG. 実施例3、8で得られた活物質のSEM観察の結果である。It is a result of SEM observation of the active material obtained in Examples 3 and 8. 実施例3、8で得られた評価用電池の充放電試験の結果である。3 is a result of a charge / discharge test of evaluation batteries obtained in Examples 3 and 8. FIG. 実施例3、8で得られた評価用電池の充放電試験(充放電電流値に対するNa脱離容量)の結果である。It is a result of the charging / discharging test (Na desorption capacity with respect to charging / discharging electric current value) of the battery for evaluation obtained in Example 3, 8. FIG. 実施例9で得られた活物質のSEM観察の結果である。4 is a result of SEM observation of an active material obtained in Example 9. 実施例3、9で得られた評価用電池の充放電試験の結果である。3 is a result of a charge / discharge test of evaluation batteries obtained in Examples 3 and 9. FIG.

以下、本発明のナトリウムイオン電池用負極活物質およびナトリウムイオン電池について、詳細に説明する。   Hereinafter, the negative electrode active material for sodium ion batteries and the sodium ion battery of the present invention will be described in detail.

A.ナトリウムイオン電池用負極活物質
まず、本発明のナトリウムイオン電池用負極活物質について説明する。本発明のナトリウムイオン電池用負極活物質は、NaTi13結晶相を有し、上記NaTi13結晶相の結晶子サイズが、190Å〜520Åの範囲内であることを特徴とするものである。
A. First, the negative electrode active material for sodium ion batteries of the present invention will be described. Negative active material for a sodium ion battery of the present invention has a Na 2 Ti 6 O 13 crystal phase, wherein the crystallite size of the Na 2 Ti 6 O 13 crystal phase is in the range of 190Å~520Å It is what.

本発明によれば、NaTi13結晶相の結晶子サイズが所定の範囲内にあることにより、充放電効率の向上が図れるナトリウムイオン電池用負極活物質とすることができる。ここで、非特許文献1では、充放電効率が低い理由として、電解液分解による皮膜形成が副反応として生じている点が記載されている。しかしながら、本発明者は、皮膜形成の副反応だけでは、充放電効率がこれほどまで低くなることを説明できないと考え、他の理由が存在する可能性を考えた。そこで、鋭意研究を重ねた結果、NaTi13結晶相の結晶子サイズが、充放電効率に影響を与えることを見出し、NaTi13結晶相の結晶子サイズを所定の範囲内とすることで、充放電効率の向上を図ることができることを確認した。さらに、後述するように、NaTi13結晶相の結晶子サイズのみならず、負極活物質と共に用いられる炭素材料の結晶性も、充放電効率に影響を与えることを見出し、炭素材料の結晶性を規定することで、充放電効率の向上を図ることができることを確認した。 According to the present invention, by the crystallite size of the Na 2 Ti 6 O 13 crystal phase is within a predetermined range may be a negative active material for a sodium ion batteries can be improved charge and discharge efficiency. Here, Non-Patent Document 1 describes that the film formation by electrolytic solution decomposition occurs as a side reaction as a reason why the charge / discharge efficiency is low. However, the present inventor considered that the charge / discharge efficiency could not be explained so low only by the side reaction of film formation, and considered that there may be other reasons. As a result of extensive research, it has been found that the crystallite size of the Na 2 Ti 6 O 13 crystal phase affects the charge / discharge efficiency, and the crystallite size of the Na 2 Ti 6 O 13 crystal phase falls within a predetermined range. It was confirmed that the charging / discharging efficiency can be improved by setting the inside. Furthermore, as described later, it has been found that not only the crystallite size of the Na 2 Ti 6 O 13 crystal phase but also the crystallinity of the carbon material used together with the negative electrode active material affects the charge / discharge efficiency. It was confirmed that the charge / discharge efficiency can be improved by defining the crystallinity.

本発明のナトリウムイオン電池用負極活物質は、NaTi13結晶相を有するものである。NaTi13結晶相の存在は、X線回折(XRD)測定等により確認することができる。XRD測定には、例えばCuKα線を用いることができる。本発明のナトリウムイオン電池用負極活物質は、通常、2θ=11.8°、14.1°、24.5°、29.8°、30.1°、30.5°、32.2°、33.5°、43.3°、44.3°、48.6°の位置に典型的なピークが確認される。なお、これらのピークの位置は、後述する実施例で得られた実測値であり、±0.5°の範囲内で前後していても良い。 The negative electrode active material for a sodium ion battery of the present invention has a Na 2 Ti 6 O 13 crystal phase. The presence of the Na 2 Ti 6 O 13 crystal phase can be confirmed by X-ray diffraction (XRD) measurement or the like. For example, CuKα rays can be used for the XRD measurement. The negative electrode active material for sodium ion batteries of the present invention is usually 2θ = 11.8 °, 14.1 °, 24.5 °, 29.8 °, 30.1 °, 30.5 °, 32.2 °. Typical peaks are observed at positions of 33.5 °, 43.3 °, 44.3 ° and 48.6 °. The positions of these peaks are actually measured values obtained in examples described later, and may be back and forth within a range of ± 0.5 °.

また、本発明のナトリウムイオン電池用負極活物質は、NaTi13結晶相の割合が多いことが好ましく、具体的にはNaTi13結晶相を主体として含有することが好ましい。ここで、「NaTi13結晶相を主体とする」とは、ナトリウムイオン電池用負極活物質に含まれる全ての結晶相の中で、NaTi13結晶相の割合が最も大きいことをいう。ナトリウムイオン電池用負極活物質に含まれるNaTi13結晶相の割合は、50mol%以上であることが好ましく、60mol%以上であることがより好ましく、70mol%以上であることがさらに好ましい。また、本発明のナトリウムイオン電池用負極活物質は、NaTi13結晶相のみから構成されるもの(単相の活物質)であっても良い。なお、ナトリウムイオン電池用負極活物質に含まれるNaTi13結晶相の割合は、例えば、X線回折による定量分析法(例えば、R値による定量法、リートベルト法)により決定することができる。 Further, the negative electrode active material for sodium ion battery of the present invention preferably has a large proportion of Na 2 Ti 6 O 13 crystal phase, and specifically, preferably contains mainly a Na 2 Ti 6 O 13 crystal phase. . Here, “mainly composed of the Na 2 Ti 6 O 13 crystal phase” means that the ratio of the Na 2 Ti 6 O 13 crystal phase is the highest among all the crystal phases contained in the negative electrode active material for a sodium ion battery. It means big. The ratio of the Na 2 Ti 6 O 13 crystal phase contained in the negative electrode active material for sodium ion batteries is preferably 50 mol% or more, more preferably 60 mol% or more, and even more preferably 70 mol% or more. . Moreover, the negative electrode active material for sodium ion batteries of the present invention may be composed of only a Na 2 Ti 6 O 13 crystal phase (single-phase active material). In addition, the ratio of the Na 2 Ti 6 O 13 crystal phase contained in the negative electrode active material for sodium ion batteries is determined by, for example, a quantitative analysis method by X-ray diffraction (for example, a quantitative method by R value, Rietveld method). Can do.

また、NaTi13結晶相における2θ=11.8°のピーク強度をIとし、酸化チタンにおける2θ=25.2°のピーク強度をIとした場合、I/Iの値が、0.1以下であることが好ましく、0.01以下であることがより好ましい。なお、Iは0であっても良い。 Further, the peak intensity of 2 [Theta] = 11.8 ° in the Na 2 Ti 6 O 13 crystal phase and I A, the peak intensity of 2 [Theta] = 25.2 ° in the titanium oxide when the I B, of I B / I A The value is preferably 0.1 or less, and more preferably 0.01 or less. In addition, I B may be 0.

本発明において、NaTi13結晶相の結晶子サイズは、通常、190Å以上であり、240Å以上であることが好ましく、250Å以上であることがより好ましい。結晶子サイズが小さすぎると、不要な結晶相(例えば原料に由来する結晶相)の割合が多くなる可能性があるからである。例えば、固相法により、NaTi13結晶相の結晶子サイズが小さい活物質を合成する場合、焼成温度を低くしたり、焼成時間を短くしたりする必要がある。その結果、例えば酸化チタンのような原料に由来する結晶相の割合が多くなる可能性があり、充放電効率の向上を十分に図ることができない可能性がある。 In the present invention, the crystallite size of the Na 2 Ti 6 O 13 crystal phase is usually 190 mm or more, preferably 240 mm or more, and more preferably 250 kg or more. This is because if the crystallite size is too small, the proportion of unnecessary crystal phases (for example, crystal phases derived from raw materials) may increase. For example, when an active material having a small crystallite size of the Na 2 Ti 6 O 13 crystal phase is synthesized by a solid phase method, it is necessary to lower the firing temperature or shorten the firing time. As a result, for example, the proportion of the crystal phase derived from the raw material such as titanium oxide may increase, and the charge / discharge efficiency may not be sufficiently improved.

一方、NaTi13結晶相の結晶子サイズは、通常、520Å以下であり、510Å以下であることが好ましく、500Å以下であることがより好ましい。結晶子サイズが大きすぎると、充放電効率が低下する可能性があるからである。充放電効率が低下する理由としては、Naイオン伝導パスおよび電子伝導パスが長くなること、および、比表面積の減少に伴い反応活性点が減少すること等が挙げられる。なお、非特許文献1では、NaTi13の合成の際に、800℃で1日間焼成を行い、その後、930℃で3日間焼成を行っている。この焼成条件は、後述する実施例での焼成条件に比べて、焼成温度が高く、焼成時間も長い。そのため、非特許文献1で得られたNaTi13の結晶子サイズは、本発明における結晶子サイズよりも大きい。 On the other hand, the crystallite size of the Na 2 Ti 6 O 13 crystal phase is usually 520 Å or less, preferably 510 Å or less, and more preferably 500 Å or less. This is because if the crystallite size is too large, the charge / discharge efficiency may decrease. The reason why the charge / discharge efficiency is lowered includes that the Na ion conduction path and the electron conduction path are lengthened, and that the reactive sites are reduced as the specific surface area is reduced. In Non-Patent Document 1, when Na 2 Ti 6 O 13 is synthesized, baking is performed at 800 ° C. for 1 day, and then baking is performed at 930 ° C. for 3 days. These firing conditions are higher in firing temperature and longer in firing time than firing conditions in Examples described later. Therefore, the crystallite size of Na 2 Ti 6 O 13 obtained in Non-Patent Document 1 is larger than the crystallite size in the present invention.

また、NaTi13結晶相の結晶子サイズは、XRD測定により得られたピークの半値幅から算出することができる。具体的には、上述した2θ=11.8°のピークの半値全幅(FWHM)を用い、Scherrerの式により求めることができる。
D=Kλ/(βcosθ)
K:Scherrer定数、λ:波長、β:結晶子の大きさによる回折線の拡がり、θ:回折角2θ/θ
なお、非特許文献1のFigure 5に記載されたXRDパターンから、NaTi13の結晶子サイズを正確に求めることは困難であるが、非常にピークが立っていることから、1μm弱程度であると推測される。
In addition, the crystallite size of the Na 2 Ti 6 O 13 crystal phase can be calculated from the half width of the peak obtained by XRD measurement. Specifically, the full width at half maximum (FWHM) of the peak at 2θ = 11.8 ° described above can be used to obtain the Scherrer equation.
D = Kλ / (βcosθ)
K: Scherrer constant, λ: wavelength, β: diffraction line broadening depending on crystallite size, θ: diffraction angle 2θ / θ
Although it is difficult to accurately determine the crystallite size of Na 2 Ti 6 O 13 from the XRD pattern described in Figure 5 of Non-Patent Document 1, it is a little less than 1 μm because it has a very high peak. It is estimated that it is about.

本発明のナトリウムイオン電池用負極活物質は、金属Naに対するNa挿入電位が1.0V以下であることが好ましく、0.5V〜1.0Vの範囲内であることがより好ましい。Na挿入電位が低すぎると、金属Naの析出を十分に抑制できない可能性があり、Na挿入電位が高すぎると、電池電圧が小さくなる可能性があるからである。本発明においては、上記負極活物質のNa挿入電位を、サイクリックボルタンメトリ(CV)法により決定することができる。   In the negative electrode active material for a sodium ion battery of the present invention, the Na insertion potential with respect to metal Na is preferably 1.0 V or less, and more preferably in the range of 0.5 V to 1.0 V. This is because if the Na insertion potential is too low, the precipitation of metal Na may not be sufficiently suppressed, and if the Na insertion potential is too high, the battery voltage may be reduced. In the present invention, the Na insertion potential of the negative electrode active material can be determined by a cyclic voltammetry (CV) method.

本発明のナトリウムイオン電池用負極活物質は、導電化材と複合化していることが好ましい。レート特性の向上を図ることができるからである。複合化される導電化材としては、所望の電子伝導性を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えば炭素材料および金属材料を挙げることができ、中でも炭素材料が好ましい。炭素材料としては、具体的には、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック;VGCF等の炭素繊維;グラファイト;ハードカーボン;コークス等を挙げることができる。金属材料としては、Fe、Cu、Ni、Al等を挙げることができる。「ナトリウムイオン電池用負極活物質と導電化材とが複合化されている」とは、通常、両者にメカノケミカル処理を行うことで得られる状態をいう。例えば、両者がナノオーダーで互いに密着するように分散している状態、および、一方の表面上に他方がナノオーダーで密着するように分散している状態等がある。なお、両者の間に化学結合が存在していても良い。複合化していることは、例えば、SEM観察、TEM観察、TEM−EELS法、X線吸収微細構造(XAFS)等により確認することができる。また、メカノケミカル処理としては、例えば、機械的エネルギーを付与できる処理を挙げることができ、例えば、ボールミル等を挙げることができる。また、市販の複合化装置(例えば、ホソカワミクロン社製ノビルタ)等を用いることもできる。   The negative electrode active material for sodium ion batteries of the present invention is preferably combined with a conductive material. This is because rate characteristics can be improved. The conductive material to be combined is not particularly limited as long as it has desired electronic conductivity, and examples thereof include a carbon material and a metal material. Among these, a carbon material is preferable. Specific examples of the carbon material include carbon black such as acetylene black, ketjen black, furnace black, and thermal black; carbon fiber such as VGCF; graphite; hard carbon; coke and the like. Examples of the metal material include Fe, Cu, Ni, and Al. “The negative electrode active material for sodium ion battery and the conductive material are combined” means a state obtained by performing mechanochemical treatment on both. For example, there are a state where both are dispersed so as to be in close contact with each other in nano order, and a state where the other is dispersed so as to be closely attached with each other in nano order on one surface. A chemical bond may exist between the two. The compounding can be confirmed by, for example, SEM observation, TEM observation, TEM-EELS method, X-ray absorption fine structure (XAFS), or the like. Further, examples of the mechanochemical treatment include a treatment capable of imparting mechanical energy, such as a ball mill. Moreover, a commercially available compounding device (for example, Nobilta manufactured by Hosokawa Micron Corporation) or the like can also be used.

また、ナトリウムイオン電池用負極活物質が導電化材と複合化している場合、複合化した導電化材の割合は、例えば1重量%〜30重量%の範囲内であることが好ましく、5重量%〜20重量%の範囲内であることがより好ましい。複合化した導電化材の割合が少なすぎると、レート特性の向上を十分に図ることができない可能性があり、複合化した導電化材の割合が多すぎると、相対的に活物質の量が減り、容量が低下してしまう可能性があるからである。複合化した導電化材が炭素材料である場合、炭素材料の結晶性は高いことが好ましい。具体的には、後述するように、層間距離d002またはD/G比が所定の値となるように炭素材料が複合化されていることが好ましい。   Moreover, when the negative electrode active material for sodium ion batteries is combined with a conductive material, the ratio of the combined conductive material is preferably within a range of, for example, 1% by weight to 30% by weight, and 5% by weight. More preferably, it is in the range of ˜20% by weight. If the ratio of the composite conductive material is too small, the rate characteristics may not be sufficiently improved. If the composite conductive material ratio is too large, the amount of the active material is relatively small. This is because there is a possibility that the capacity decreases. When the composite conductive material is a carbon material, the carbon material preferably has high crystallinity. Specifically, as described later, it is preferable that the carbon material is combined so that the interlayer distance d002 or the D / G ratio becomes a predetermined value.

本発明のナトリウムイオン電池用負極活物質の形状は、例えば粒子状であることが好ましい。また、その平均粒径(D50)は、例えば1nm〜100μmの範囲内、中でも10nm〜30μmの範囲内であることが好ましい。 The shape of the negative electrode active material for sodium ion batteries of the present invention is preferably, for example, particulate. The average particle diameter (D 50 ) is preferably in the range of 1 nm to 100 μm, and more preferably in the range of 10 nm to 30 μm, for example.

また、本発明のナトリウムイオン電池用負極活物質の製造方法は、上述した活物質を得ることができる方法であれば特に限定されるものではないが、例えば固相法を挙げることができる。固相法の具体例としては、Na源(例えば炭酸ナトリウム)およびTi源(例えば酸化チタン)を所定の割合で混合した原料組成物を用意し、その原料組成物を焼成する方法を挙げることができる。また、結晶子サイズは、例えば焼成温度および焼成時間を調整することで、コントロールすることができる。焼成温度が高い場合および焼成時間が長い場合に、結晶子サイズが大きくなる傾向にある。焼成温度は、例えば700℃〜900℃の範囲内であることが好ましく、750℃〜850℃の範囲内であることがより好ましい。焼成温度が低すぎると、固相反応が生じない可能性があり、焼成温度が高すぎると、不要な結晶相が生成する可能性があるからである。焼成時間は、例えば20時間〜80時間の範囲内であることが好ましく、40時間〜60時間の範囲内であることがより好ましい。焼成の雰囲気は、特に限定されるものではなく、酸素が存在する雰囲気であっても良く、不活性ガス雰囲気であっても良く、減圧(真空)雰囲気であっても良い。   Moreover, the manufacturing method of the negative electrode active material for sodium ion batteries of this invention will not be specifically limited if it is a method which can obtain the active material mentioned above, For example, a solid-phase method can be mentioned. As a specific example of the solid phase method, there is a method of preparing a raw material composition in which a Na source (for example, sodium carbonate) and a Ti source (for example, titanium oxide) are mixed at a predetermined ratio, and firing the raw material composition. it can. The crystallite size can be controlled by adjusting the firing temperature and firing time, for example. When the firing temperature is high and the firing time is long, the crystallite size tends to increase. The firing temperature is preferably in the range of 700 ° C. to 900 ° C., for example, and more preferably in the range of 750 ° C. to 850 ° C. This is because if the firing temperature is too low, solid phase reaction may not occur, and if the firing temperature is too high, an unnecessary crystal phase may be generated. The firing time is preferably in the range of 20 hours to 80 hours, for example, and more preferably in the range of 40 hours to 60 hours. The firing atmosphere is not particularly limited, and may be an atmosphere in which oxygen is present, an inert gas atmosphere, or a reduced pressure (vacuum) atmosphere.

B.ナトリウムイオン電池
次に、本発明のナトリウムイオン電池について説明する。本発明のナトリウムイオン電池は、正極活物質を含有する正極活物質層と、負極活物質を含有する負極活物質層と、上記正極活物質層および上記負極活物質層の間に形成された電解質層とを有するナトリウムイオン電池であって、上記負極活物質が、上述したナトリウムイオン電池用負極活物質であることを特徴とするものである。
B. Next, the sodium ion battery of the present invention will be described. The sodium ion battery of the present invention includes a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material, a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material, and an electrolyte formed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer. The negative electrode active material is a sodium ion battery negative electrode active material as described above.

図1は、本発明のナトリウムイオン電池の一例を示す概略断面図である。図1に示されるナトリウムイオン電池10は、正極活物質層1と、負極活物質層2と、正極活物質層1および負極活物質層2の間に形成された電解質層3と、正極活物質層1の集電を行う正極集電体4と、負極活物質層2の集電を行う負極集電体5と、これらの部材を収納する電池ケース6とを有するものである。本発明のナトリウムイオン電池は、負極活物質層2が、上記「A.ナトリウムイオン電池用負極活物質」に記載した負極活物質を含有することを大きな特徴とする。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the sodium ion battery of the present invention. A sodium ion battery 10 shown in FIG. 1 includes a positive electrode active material layer 1, a negative electrode active material layer 2, an electrolyte layer 3 formed between the positive electrode active material layer 1 and the negative electrode active material layer 2, and a positive electrode active material. It has a positive electrode current collector 4 that collects current from the layer 1, a negative electrode current collector 5 that collects current from the negative electrode active material layer 2, and a battery case 6 that houses these members. The sodium ion battery of the present invention is characterized in that the negative electrode active material layer 2 contains the negative electrode active material described in “A. Negative electrode active material for sodium ion battery”.

本発明によれば、上述したナトリウムイオン電池用負極活物質を用いることで、充放電効率が高いナトリウムイオン電池とすることができる。
以下、本発明のナトリウムイオン電池について、構成ごとに説明する。
According to this invention, it can be set as a sodium ion battery with high charging / discharging efficiency by using the negative electrode active material for sodium ion batteries mentioned above.
Hereinafter, the sodium ion battery of the present invention will be described for each configuration.

1.負極活物質層
まず、本発明における負極活物質層について説明する。本発明における負極活物質層は、少なくとも負極活物質を含有する層である。また、負極活物質層は、負極活物質の他に、導電化材、結着材および固体電解質材料の少なくとも一つを含有していても良い。
1. Negative electrode active material layer First, the negative electrode active material layer in the present invention will be described. The negative electrode active material layer in the present invention is a layer containing at least a negative electrode active material. The negative electrode active material layer may contain at least one of a conductive material, a binder, and a solid electrolyte material in addition to the negative electrode active material.

本発明における負極活物質は、通常、上記「A.ナトリウムイオン電池用負極活物質」に記載した負極活物質である。   The negative electrode active material in the present invention is usually the negative electrode active material described in “A. Negative electrode active material for sodium ion battery” above.

本発明における負極活物質層は、導電化材を含有することが好ましい。導電化材は、上記負極活物質と複合化したものであっても良く、複合化ではなく負極活物質層内で負極活物質と混合された状態で存在するものであっても良く、その両者であっても良い。導電化材としては、所望の電子伝導性を有するものであれば特に限定されるものではなく、上記「A.ナトリウムイオン電池用負極活物質」に記載した内容と同様である。中でも、導電化材は炭素材料であることが好ましく、特に、炭素材料の結晶性が高いことが好ましい。炭素材料の結晶性が高いと、Naイオンが炭素材料に挿入されにくくなり、Naイオン挿入による不可逆容量を低減できるからである。その結果、充放電効率の向上をさらに図ることができる。炭素材料の結晶性は、例えば層間距離d002およびD/G比で規定できる。   The negative electrode active material layer in the present invention preferably contains a conductive material. The conductive material may be combined with the negative electrode active material, or may be present in a state mixed with the negative electrode active material in the negative electrode active material layer instead of being combined. It may be. The conductive material is not particularly limited as long as it has desired electronic conductivity, and is the same as described in the above-mentioned “A. Negative electrode active material for sodium ion battery”. Especially, it is preferable that a electrically conductive material is a carbon material, and it is especially preferable that the crystallinity of a carbon material is high. This is because if the carbon material has high crystallinity, Na ions are hardly inserted into the carbon material, and the irreversible capacity due to the insertion of Na ions can be reduced. As a result, the charge / discharge efficiency can be further improved. The crystallinity of the carbon material can be defined by, for example, the interlayer distance d002 and the D / G ratio.

上記炭素材料は、層間距離d002が、例えば3.54Å以下であることが好ましく、3.50Å以下であることがより好ましく、3.40Å以下であることがさらに好ましい。結晶性の高い炭素材料とすることができるからである。一方、層間距離d002は、通常3.36Å以上である。層間距離d002とは、炭素材料における(002)面の面間隔をいい、具体的にはグラフェン層間の距離に該当する。層間距離d002は、例えばCuKα線を用いたX線回折(XRD)法により得られるピークから求めることができる。   The carbon material preferably has an interlayer distance d002 of, for example, 3.54 mm or less, more preferably 3.50 mm or less, and further preferably 3.40 mm or less. This is because a carbon material with high crystallinity can be obtained. On the other hand, the interlayer distance d002 is usually 3.36 mm or more. The interlayer distance d002 refers to the surface spacing of the (002) plane in the carbon material, and specifically corresponds to the distance between the graphene layers. The interlayer distance d002 can be obtained from a peak obtained by, for example, an X-ray diffraction (XRD) method using CuKα rays.

上記炭素材料は、ラマン分光測定により求められるD/G比が、例えば0.90以下であることが好ましく、0.80以下であることがより好ましく、0.50以下であることがさらに好ましく、0.20以下であることが特に好ましい。結晶性の高い炭素材料とすることができるからである。D/G比とは、ラマン分光測定(波長532nm)において観察される、1590cm−1付近のグラファイト構造に由来するG−bandのピーク強度に対する、1350cm−1付近の欠陥構造に由来するD−bandのピーク強度をいう。 The carbon material preferably has a D / G ratio determined by Raman spectroscopy of, for example, 0.90 or less, more preferably 0.80 or less, and even more preferably 0.50 or less, It is especially preferable that it is 0.20 or less. This is because a carbon material with high crystallinity can be obtained. The D / G ratio is a D-band derived from a defect structure near 1350 cm −1 with respect to a peak intensity of G-band derived from a graphite structure near 1590 cm −1 observed in Raman spectroscopy (wavelength 532 nm). The peak intensity.

結着材としては、化学的、電気的に安定なものであれば特に限定されるものではないが、例えばポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素系結着材、スチレンブタジエンゴム等のゴム系結着材、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)等のオレフィン系結着材、カルボキシメチルセルロース(CMC)等のセルロース系結着材等を挙げることができる。また、固体電解質材料としては、所望のイオン伝導性を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えば、酸化物固体電解質材料、硫化物固体電解質材料を挙げることができる。なお、固体電解質材料については、後述する「3.電解質層」で詳細に説明する。   The binder is not particularly limited as long as it is chemically and electrically stable. For example, a fluorine-based binder such as polyvinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoroethylene (PTFE), Examples thereof include rubber binders such as styrene butadiene rubber, olefin binders such as polypropylene (PP) and polyethylene (PE), and cellulose binders such as carboxymethyl cellulose (CMC). The solid electrolyte material is not particularly limited as long as it has desired ionic conductivity, and examples thereof include an oxide solid electrolyte material and a sulfide solid electrolyte material. The solid electrolyte material will be described in detail in “3. Electrolyte layer” described later.

負極活物質層における負極活物質の含有量は、容量の観点からはより多いことが好ましく、例えば60重量%〜99重量%の範囲内、中でも70重量%〜95重量%の範囲内であることが好ましい。また、導電化材の含有量は、所望の電子伝導性を確保できれば、より少ないことが好ましく、例えば5重量%〜80重量%の範囲内、中でも10重量%〜40重量%の範囲内であることが好ましい。導電化材の含有量が少なすぎると、十分な電子伝導性が得られない可能性があり、導電化材の含有量が多すぎると、相対的に活物質の量が減り、容量が低下してしまう可能性があるからである。また、結着材の含有量は、負極活物質等を安定に固定化できれば、より少ないことが好ましく、例えば1重量%〜40重量%の範囲内であることが好ましい。結着剤の含有量が少なすぎると、十分な結着性が得られない可能性があり、結着剤の含有量が多すぎると、相対的に活物質の量が減り、容量が低下してしまう可能性があるからである。また、固体電解質材料の含有量は、所望のイオン伝導性を確保できれば、より少ないことが好ましく、例えば1重量%〜40重量%の範囲内であることが好ましい。固体電解質材料の含有量が少なすぎると、十分なイオン伝導性が得られない可能性があり、固体電解質材料の含有量が多すぎると、相対的に活物質の量が減り、容量が低下してしまう可能性があるからである。   The content of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer is preferably larger from the viewpoint of capacity, for example, in the range of 60 wt% to 99 wt%, particularly in the range of 70 wt% to 95 wt%. Is preferred. Further, the content of the conductive material is preferably less as long as the desired electronic conductivity can be ensured, for example, in the range of 5 wt% to 80 wt%, particularly in the range of 10 wt% to 40 wt%. It is preferable. If the content of the conductive material is too low, sufficient electronic conductivity may not be obtained. If the content of the conductive material is too high, the amount of the active material is relatively reduced and the capacity is reduced. This is because there is a possibility that it will end up. Further, the content of the binder is preferably less as long as the negative electrode active material and the like can be stably fixed, and is preferably in the range of 1% by weight to 40% by weight, for example. If the binder content is too low, sufficient binding properties may not be obtained. If the binder content is too high, the amount of active material is relatively reduced and the capacity is reduced. This is because there is a possibility that it will end up. Further, the content of the solid electrolyte material is preferably smaller as long as desired ion conductivity can be ensured, and is preferably in the range of 1 wt% to 40 wt%, for example. If the content of the solid electrolyte material is too small, sufficient ion conductivity may not be obtained. If the content of the solid electrolyte material is too large, the amount of the active material is relatively reduced and the capacity is reduced. This is because there is a possibility that it will end up.

また、負極活物質層の厚さは、電池の構成によって大きく異なるものであるが、例えば0.1μm〜1000μmの範囲内であることが好ましい。   The thickness of the negative electrode active material layer varies greatly depending on the configuration of the battery, but is preferably in the range of 0.1 μm to 1000 μm, for example.

2.正極活物質層
次に、本発明における正極活物質層について説明する。本発明における正極活物質層は、少なくとも正極活物質を含有する層である。また、正極活物質層は、正極活物質の他に、導電化材、結着材および固体電解質材料の少なくとも一つを含有していても良い。
2. Next, the positive electrode active material layer in the present invention will be described. The positive electrode active material layer in the present invention is a layer containing at least a positive electrode active material. The positive electrode active material layer may contain at least one of a conductive material, a binder, and a solid electrolyte material in addition to the positive electrode active material.

正極活物質としては、例えば、層状活物質、スピネル型活物質、オリビン型活物質等を挙げることができる。正極活物質の具体例としては、NaFeO、NaNiO、NaCoO、NaMnO、NaVO、Na(NiMn1−X)O(0<X<1)、Na(FeMn1−X)O(0<X<1)、NaVPOF、NaFePOF、Na(PO等を挙げることができる。 Examples of the positive electrode active material include a layered active material, a spinel active material, and an olivine active material. Specific examples of the positive electrode active material include NaFeO 2 , NaNiO 2 , NaCoO 2 , NaMnO 2 , NaVO 2 , Na (Ni X Mn 1-X ) O 2 (0 <X <1), Na (Fe X Mn 1− X 2 ) O 2 (0 <X <1), NaVPO 4 F, Na 2 FePO 4 F, Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 and the like.

正極活物質の形状は、粒子状であることが好ましい。また、正極活物質の平均粒径(D50)は、例えば1nm〜100μmの範囲内、中でも10nm〜30μmの範囲内であることが好ましい。正極活物質層における正極活物質の含有量は、容量の観点からはより多いことが好ましく、例えば60重量%〜99重量%の範囲内、中でも70重量%〜95重量%の範囲内であることが好ましい。なお、正極活物質層に用いられる、導電化材、結着材および固体電解質材料の種類ならびに含有量については、上述した負極活物質層に記載した内容と同様であるので、ここでの記載は省略する。また、正極活物質層の厚さは、電池の構成によって大きく異なるものであるが、例えば0.1μm〜1000μmの範囲内であることが好ましい。 The shape of the positive electrode active material is preferably particulate. Further, the average particle diameter (D 50 ) of the positive electrode active material is, for example, preferably in the range of 1 nm to 100 μm, and more preferably in the range of 10 nm to 30 μm. The content of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer is preferably higher from the viewpoint of capacity, for example, in the range of 60 wt% to 99 wt%, particularly in the range of 70 wt% to 95 wt%. Is preferred. The type and content of the conductive material, binder, and solid electrolyte material used for the positive electrode active material layer are the same as those described for the negative electrode active material layer described above. Omitted. The thickness of the positive electrode active material layer varies greatly depending on the configuration of the battery, but is preferably in the range of 0.1 μm to 1000 μm, for example.

3.電解質層
次に、本発明における電解質層について説明する。本発明における電解質層は、上記正極活物質層および上記負極活物質層の間に形成される層である。電解質層に含まれる電解質を介して、正極活物質と負極活物質との間のイオン伝導を行う。電解質層の形態は、特に限定されるものではなく、液体電解質層、ゲル電解質層、固体電解質層等を挙げることができる。
3. Electrolyte Layer Next, the electrolyte layer in the present invention will be described. The electrolyte layer in the present invention is a layer formed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer. Ion conduction between the positive electrode active material and the negative electrode active material is performed via the electrolyte contained in the electrolyte layer. The form of the electrolyte layer is not particularly limited, and examples thereof include a liquid electrolyte layer, a gel electrolyte layer, and a solid electrolyte layer.

液体電解質層は、通常、非水電解液を用いてなる層である。非水電解液は、通常、ナトリウム塩および非水溶媒を含有する。ナトリウム塩としては、例えばNaPF、NaBF、NaClOおよびNaAsF等の無機ナトリウム塩;およびNaCFSO、NaN(CFSO、NaN(CSO、NaN(FSO、NaC(CFSO等の有機ナトリウム塩等を挙げることができる。非水溶媒としては、ナトリウム塩を溶解するものであれば特に限定されるものではない。例えば高誘電率溶媒としては、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(BC)等の環状エステル(環状カーボネート)、γ−ブチロラクトン、スルホラン、N−メチルピロリドン(NMP)、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン(DMI)等を挙げることができる。一方、低粘度溶媒としては、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)等の鎖状エステル(鎖状カーボネート)、メチルアセテート、エチルアセテート等のアセテート類、2−メチルテトラヒドロフラン等のエーテル等を挙げることができる。高誘電率溶媒および低粘度溶媒を混合した混合溶媒を用いても良い。非水電解液におけるナトリウム塩の濃度は、例えば0.3mol/L〜5mol/Lの範囲内であり、0.8mol/L〜1.5mol/Lの範囲内であることが好ましい。ナトリウム塩の濃度が低すぎるとハイレート時の容量低下が生じる可能性があり、ナトリウム塩の濃度が高すぎると粘性が高くなり低温での容量低下が生じる可能性があるからである。なお、本発明においては、非水電解液として、例えばイオン性液体等の低揮発性液体を用いても良い。 The liquid electrolyte layer is usually a layer using a non-aqueous electrolyte. The nonaqueous electrolytic solution usually contains a sodium salt and a nonaqueous solvent. Examples of sodium salts include inorganic sodium salts such as NaPF 6 , NaBF 4 , NaClO 4 and NaAsF 6 ; and NaCF 3 SO 3 , NaN (CF 3 SO 2 ) 2 , NaN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , NaN Examples thereof include organic sodium salts such as (FSO 2 ) 2 and NaC (CF 3 SO 2 ) 3 . The nonaqueous solvent is not particularly limited as long as it dissolves a sodium salt. For example, as a high dielectric constant solvent, cyclic ester (cyclic carbonate) such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), γ-butyrolactone, sulfolane, N-methylpyrrolidone (NMP), 1, And 3-dimethyl-2-imidazolidinone (DMI). On the other hand, as low-viscosity solvents, chain esters (chain carbonate) such as dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC) and ethyl methyl carbonate (EMC), acetates such as methyl acetate and ethyl acetate, 2-methyl Mention may be made of ethers such as tetrahydrofuran. You may use the mixed solvent which mixed the high dielectric constant solvent and the low-viscosity solvent. The concentration of the sodium salt in the nonaqueous electrolytic solution is, for example, in the range of 0.3 mol / L to 5 mol / L, and preferably in the range of 0.8 mol / L to 1.5 mol / L. This is because if the sodium salt concentration is too low, there is a possibility that the capacity will decrease at the high rate, and if the sodium salt concentration is too high, the viscosity will increase and the capacity may decrease at low temperatures. In the present invention, a low volatile liquid such as an ionic liquid may be used as the nonaqueous electrolytic solution.

ゲル電解質層は、例えば、非水電解液にポリマーを添加してゲル化することで得ることができる。具体的には、非水電解液に、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリアクリルニトリル(PAN)またはポリメチルメタクリレート(PMMA)等のポリマーを添加することにより、ゲル化を行うことができる。   The gel electrolyte layer can be obtained, for example, by adding a polymer to the non-aqueous electrolyte and gelling. Specifically, gelation can be performed by adding a polymer such as polyethylene oxide (PEO), polyacrylonitrile (PAN), or polymethyl methacrylate (PMMA) to the nonaqueous electrolytic solution.

固体電解質層は、固体電解質材料を用いてなる層である。固体電解質材料としては、Naイオン伝導性を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えば酸化物固体電解質材料および硫化物固体電解質材料を挙げることができる。酸化物固体電解質材料としては、例えばNaZrSiPO12、βアルミナ固体電解質(NaO−11Al等)等を挙げることができる。硫化物固体電解質材料としては、例えばNaS−P等を挙げることができる。 The solid electrolyte layer is a layer made of a solid electrolyte material. The solid electrolyte material is not particularly limited as long as it has Na ion conductivity, and examples thereof include oxide solid electrolyte materials and sulfide solid electrolyte materials. Examples of the oxide solid electrolyte material include Na 3 Zr 2 Si 2 PO 12 , β-alumina solid electrolyte (Na 2 O-11Al 2 O 3 etc.) and the like. Examples of the sulfide solid electrolyte material include Na 2 S—P 2 S 5 .

本発明における固体電解質材料は、非晶質であっても良く、結晶質であっても良い。また、固体電解質材料の形状は、粒子状であることが好ましい。また、固体電解質材料の平均粒径(D50)は、例えば1nm〜100μmの範囲内、中でも10nm〜30μmの範囲内であることが好ましい。   The solid electrolyte material in the present invention may be amorphous or crystalline. The shape of the solid electrolyte material is preferably particulate. The average particle diameter (D50) of the solid electrolyte material is preferably in the range of 1 nm to 100 μm, for example, and in particular in the range of 10 nm to 30 μm.

電解質層の厚さは、電解質の種類および電池の構成によって大きく異なるものであるが、例えば0.1μm〜1000μmの範囲内、中でも0.1μm〜300μmの範囲内であることが好ましい。   The thickness of the electrolyte layer varies greatly depending on the type of electrolyte and the configuration of the battery. For example, the thickness of the electrolyte layer is preferably in the range of 0.1 μm to 1000 μm, and more preferably in the range of 0.1 μm to 300 μm.

4.その他の構成
本発明のナトリウムイオン電池は、上述した負極活物質層、正極活物質層および電解質層を少なくとも有するものである。さらに通常は、正極活物質層の集電を行う正極集電体、および、負極活物質層の集電を行う負極集電体を有する。正極集電体の材料としては、例えばSUS、アルミニウム、ニッケル、鉄、チタンおよびカーボン等を挙げることができる。一方、負極集電体の材料としては、例えばSUS、銅、ニッケルおよびカーボン等を挙げることができる。また、正極集電体および負極集電体の形状としては、例えば、箔状、メッシュ状、多孔質状等を挙げることができる。
4). Other Configurations The sodium ion battery of the present invention has at least the negative electrode active material layer, the positive electrode active material layer, and the electrolyte layer described above. Furthermore, it usually has a positive electrode current collector for collecting current of the positive electrode active material layer and a negative electrode current collector for collecting current of the negative electrode active material layer. Examples of the material for the positive electrode current collector include SUS, aluminum, nickel, iron, titanium, and carbon. On the other hand, examples of the material for the negative electrode current collector include SUS, copper, nickel, and carbon. Examples of the shapes of the positive electrode current collector and the negative electrode current collector include a foil shape, a mesh shape, and a porous shape.

本発明のナトリウムイオン電池は、正極活物質層および負極活物質層の間に、セパレータを有していても良い。より安全性の高い電池を得ることができるからである。セパレータの材料としては、例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、セルロース、ポリフッ化ビニリデン等の多孔膜;および樹脂不織布、ガラス繊維不織布等の不織布等を挙げることができる。また、セパレータは、単層構造(例えばPE、PP)であっても良く、積層構造(例えばPP/PE/PP)であっても良い。また、本発明に用いられる電池ケースには、一般的な電池の電池ケースを用いることができる。電池ケースとしては、例えばSUS製電池ケース等を挙げることができる。   The sodium ion battery of the present invention may have a separator between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer. This is because a battery with higher safety can be obtained. Examples of the material for the separator include porous films such as polyethylene (PE), polypropylene (PP), cellulose, and polyvinylidene fluoride; and nonwoven fabrics such as a resin nonwoven fabric and a glass fiber nonwoven fabric. Further, the separator may have a single layer structure (for example, PE or PP), or may have a laminated structure (for example, PP / PE / PP). Moreover, the battery case of a general battery can be used for the battery case used for this invention. Examples of the battery case include a SUS battery case.

5.ナトリウムイオン電池
本発明のナトリウムイオン電池は、上述した正極活物質層、負極活物質層および電解質層を有するものであれば特に限定されるものではない。また、本発明のナトリウムイオン電池は、電解質層が固体電解質層である電池であっても良く、電解質層が液体電解質層である電池であって良く、電解質層がゲル電解質層である電池であっても良い。さらに、本発明のナトリウムイオン電池は、一次電池であっても良く、二次電池であっても良いが、中でも、二次電池であることが好ましい。繰り返し充放電でき、例えば車載用電池として有用だからである。また、本発明のナトリウムイオン電池の形状としては、例えば、コイン型、ラミネート型、円筒型および角型等を挙げることができる。また、ナトリウムイオン電池の製造方法は、特に限定されるものではなく、一般的なナトリウムイオン電池における製造方法と同様である。
5. Sodium ion battery The sodium ion battery of this invention will not be specifically limited if it has the positive electrode active material layer, negative electrode active material layer, and electrolyte layer which were mentioned above. The sodium ion battery of the present invention may be a battery in which the electrolyte layer is a solid electrolyte layer, a battery in which the electrolyte layer is a liquid electrolyte layer, or a battery in which the electrolyte layer is a gel electrolyte layer. May be. Further, the sodium ion battery of the present invention may be a primary battery or a secondary battery, but among them, a secondary battery is preferable. This is because it can be repeatedly charged and discharged and is useful, for example, as an in-vehicle battery. In addition, examples of the shape of the sodium ion battery of the present invention include a coin type, a laminate type, a cylindrical type, and a square type. Moreover, the manufacturing method of a sodium ion battery is not specifically limited, It is the same as the manufacturing method in a general sodium ion battery.

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。   The present invention is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an exemplification, and the present invention has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention, and any device that exhibits the same function and effect is the present invention. It is included in the technical scope of the invention.

以下に実施例を示して本発明をさらに具体的に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.

[実施例1]
(活物質の合成)
出発原料として、炭酸ナトリウム(NaCO)および酸化チタン(anatase、TiO)を、NaCO:TiO=1:6のモル比で秤量し、エタノール中で混合した。次に、エタノールを乾燥除去し、ペレットに成型し、マッフル炉にて700℃、60時間の条件で焼成を行った。これにより、NaTi13結晶相を有する活物質を得た。
[Example 1]
(Synthesis of active material)
As starting materials, sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) and titanium oxide (anatase, TiO 2 ) were weighed at a molar ratio of Na 2 CO 3 : TiO 2 = 1: 6 and mixed in ethanol. Next, ethanol was removed by drying, molded into pellets, and fired in a muffle furnace at 700 ° C. for 60 hours. This gave an active material having an Na 2 Ti 6 O 13 crystal phase.

(評価用電池の作製)
得られた活物質を用いた評価用電池を作製した。まず、得られた活物質と、導電化材(アセチレンブラック、層間距離d002=3.54Å、D/G比=0.87)と、結着材(ポリフッ化ビニリデン、PVDF)とを、活物質:導電化材:結着材=85:10:5の重量比で混合し、混練することにより、ペーストを得た。次に、得られたペーストを、銅箔上にドクターブレードにて塗工し、乾燥し、プレスすることにより、厚さ20μmの試験電極を得た。
(Production of evaluation battery)
An evaluation battery using the obtained active material was produced. First, the obtained active material, a conductive material (acetylene black, interlayer distance d002 = 3.54 mm, D / G ratio = 0.87), and a binder (polyvinylidene fluoride, PVDF) : Conductive material: Binder = Mixing at a weight ratio of 85: 10: 5 and kneading gave a paste. Next, the obtained paste was applied onto a copper foil with a doctor blade, dried, and pressed to obtain a test electrode having a thickness of 20 μm.

その後、CR2032型コインセルを用い、作用極として上記試験電極を用い、対極として金属Naを用い、セパレータとしてポリエチレン/ポリプロピレン/ポリエチレンの多孔質セパレータ(厚さ25μm)を用いた。電解液には、EC(エチレンカーボネート)およびDEC(ジエチルカーボネート)を同体積で混合した溶媒にNaPFを濃度1mol/Lで溶解させたものを用いた。これにより、評価用電池を得た。 Thereafter, a CR2032-type coin cell was used, the test electrode was used as a working electrode, metal Na was used as a counter electrode, and a polyethylene / polypropylene / polyethylene porous separator (thickness 25 μm) was used as a separator. As the electrolytic solution, a solution in which NaPF 6 was dissolved at a concentration of 1 mol / L in a solvent in which EC (ethylene carbonate) and DEC (diethyl carbonate) were mixed in the same volume was used. Thereby, a battery for evaluation was obtained.

[実施例2]
800℃、30時間の条件で焼成を行ったこと以外は、実施例1と同様にして活物質を得た。さらに、得られた活物質を用いたこと以外は、実施例1と同様にして評価用電池を得た。
[Example 2]
An active material was obtained in the same manner as in Example 1 except that firing was performed at 800 ° C. for 30 hours. Further, an evaluation battery was obtained in the same manner as in Example 1 except that the obtained active material was used.

[実施例3]
800℃、60時間の条件で焼成を行ったこと以外は、実施例1と同様にして活物質を得た。さらに、得られた活物質を用いたこと以外は、実施例1と同様にして評価用電池を得た。
[Example 3]
An active material was obtained in the same manner as in Example 1 except that firing was performed at 800 ° C. for 60 hours. Further, an evaluation battery was obtained in the same manner as in Example 1 except that the obtained active material was used.

[実施例4]
900℃、30時間の条件で焼成を行ったこと以外は、実施例1と同様にして活物質を得た。さらに、得られた活物質を用いたこと以外は、実施例1と同様にして評価用電池を得た。
[Example 4]
An active material was obtained in the same manner as in Example 1 except that firing was performed at 900 ° C. for 30 hours. Further, an evaluation battery was obtained in the same manner as in Example 1 except that the obtained active material was used.

[実施例5]
900℃、60時間の条件で焼成を行ったこと以外は、実施例1と同様にして活物質を得た。さらに、得られた活物質を用いたこと以外は、実施例1と同様にして評価用電池を得た。
[Example 5]
An active material was obtained in the same manner as in Example 1 except that firing was performed at 900 ° C. for 60 hours. Further, an evaluation battery was obtained in the same manner as in Example 1 except that the obtained active material was used.

[評価1]
(XRD測定)
実施例1〜5で得られた活物質に対して、CuKα線を用いたX線回折(XRD)測定を行った。典型的な一例として、実施例3の結果を図2に示す。図2に示すように、2θ=11.8°、14.1°、24.5°、29.8°、30.1°、30.5°、32.2°、33.5°、43.3°、44.3°、48.6°の位置に、NaTi13結晶相を示す典型的なピークが確認された。また、2θ=11.8°のピークの半値全幅(FWHM)から、上述したScherrerの式を用いて結晶子サイズを算出した。また、NaTi13結晶相における2θ=11.8°のピーク強度をIとし、酸化チタンにおける2θ=25.2°のピーク強度をIとした場合、I/Iの値は0.08であった。
[Evaluation 1]
(XRD measurement)
X-ray diffraction (XRD) measurement using CuKα rays was performed on the active materials obtained in Examples 1 to 5. As a typical example, the results of Example 3 are shown in FIG. As shown in FIG. 2, 2θ = 11.8 °, 14.1 °, 24.5 °, 29.8 °, 30.1 °, 30.5 °, 32.2 °, 33.5 °, 43 Typical peaks indicating a Na 2 Ti 6 O 13 crystal phase were observed at positions of 3 °, 44.3 °, and 48.6 °. The crystallite size was calculated from the full width at half maximum (FWHM) of the peak at 2θ = 11.8 ° using the Scherrer equation described above. Further, the peak intensity of 2 [Theta] = 11.8 ° in the Na 2 Ti 6 O 13 crystal phase and I A, the peak intensity of 2 [Theta] = 25.2 ° in the titanium oxide when the I B, of I B / I A The value was 0.08.

(充放電試験)
実施例1〜5で得られた評価用電池に対して、充放電試験を行った。具体的には、環境温度25℃、電流値6mA/g、電圧範囲0.5V〜2.5Vの条件で行い、初回の充放電効率を求めた。その結果を表1および図3に示す。
(Charge / discharge test)
A charge / discharge test was performed on the evaluation batteries obtained in Examples 1 to 5. Specifically, the initial charge / discharge efficiency was determined under the conditions of an environmental temperature of 25 ° C., a current value of 6 mA / g, and a voltage range of 0.5 V to 2.5 V. The results are shown in Table 1 and FIG.

表1および図3に示すように、結晶子サイズが190Å〜520Åの範囲内にある場合に、充放電効率が向上することが明らかとなった。特に、結晶子サイズが250Å〜500Åの範囲内にある場合には、80%を超える充放電効率が実現できた。   As shown in Table 1 and FIG. 3, it was revealed that the charge / discharge efficiency is improved when the crystallite size is in the range of 190 to 520 mm. In particular, when the crystallite size is in the range of 250 to 500 mm, charge / discharge efficiency exceeding 80% can be realized.

[実施例6]
導電化材として、グラファイト(層間距離d002=3.36Å、D/G比=0.12)を用いたこと以外は、実施例3と同様にして評価用電池を得た。
[Example 6]
An evaluation battery was obtained in the same manner as in Example 3 except that graphite (interlayer distance d002 = 3.36 mm, D / G ratio = 0.12) was used as the conductive material.

[実施例7]
導電化材として、VGCF(層間距離d002=3.37Å、D/G比=0.07)を用いたこと以外は、実施例3と同様にして評価用電池を得た。
[Example 7]
An evaluation battery was obtained in the same manner as in Example 3 except that VGCF (interlayer distance d002 = 3.37 mm, D / G ratio = 0.07) was used as the conductive material.

[評価2]
(充放電試験)
実施例3、6、7で得られた評価用電池に対して、充放電試験を行った。具体的には、環境温度25℃、電流値6mA/g、電圧範囲0.5V〜2.5Vの条件で行い、初回の充放電効率を求めた。その結果を表2に示す。
[Evaluation 2]
(Charge / discharge test)
A charge / discharge test was performed on the evaluation batteries obtained in Examples 3, 6, and 7. Specifically, the initial charge / discharge efficiency was determined under the conditions of an environmental temperature of 25 ° C., a current value of 6 mA / g, and a voltage range of 0.5 V to 2.5 V. The results are shown in Table 2.

表2に示すように、導電化材の結晶性が高いほど(層間距離d002が小さいほど、D/G比が小さいほど)、充放電効率が向上することが明らかになった。図4は、最も充放電効率が高かった実施例6の結果である。   As shown in Table 2, it became clear that the higher the crystallinity of the conductive material (the smaller the interlayer distance d002 and the smaller the D / G ratio), the better the charge / discharge efficiency. FIG. 4 shows the result of Example 6 in which the charge / discharge efficiency was highest.

[実施例8]
実施例3で得られた活物質と、アセチレンブラック(層間距離d002=3.54Å、D/G比=0.87)とを、活物質:アセチレンブラック=90:10の重量比となるように秤量し、これらの混合物をZrO製ポットに入れ、ボールミル処理(180rpm×24時間)を行った。これにより、アセチレンブラックが複合化した活物質を得た。得られた複合化活物質を用いたこと以外は、実施例3と同様にして評価用電池を得た。
[Example 8]
The active material obtained in Example 3 and acetylene black (interlayer distance d002 = 3.54Å, D / G ratio = 0.87) were mixed so that the weight ratio of active material: acetylene black = 90: 10 was obtained. These were weighed, and these mixtures were placed in a ZrO 2 pot and ball milled (180 rpm × 24 hours). Thereby, an active material in which acetylene black was combined was obtained. An evaluation battery was obtained in the same manner as in Example 3, except that the obtained composite active material was used.

[評価3]
(SEM観察)
実施例3、8で得られた活物質のSEM観察を行った。その結果を図5に示す。図5(a)に示すように、実施例8では、活物質とアセチレンブラックとが複合化していることが確認できた。
[Evaluation 3]
(SEM observation)
SEM observation of the active material obtained in Examples 3 and 8 was performed. The result is shown in FIG. As shown in FIG. 5A, in Example 8, it was confirmed that the active material and acetylene black were combined.

(充放電試験)
実施例3、8で得られた評価用電池に対して、充放電試験を行った。具体的には、環境温度25℃、電圧範囲0.5V〜2.5Vの条件で行った。電流値は、6mA/g、30mA/g、150mA/g、750mA/gと変化させた。その結果を図6、図7に示す。図6、図7に示すように、実施例8は、実施例3に比べて、容量、レート特性、サイクル特性の面で優れていることが確認できた。
(Charge / discharge test)
A charge / discharge test was performed on the evaluation batteries obtained in Examples 3 and 8. Specifically, it was performed under the conditions of an environmental temperature of 25 ° C. and a voltage range of 0.5 V to 2.5 V. The current value was changed to 6 mA / g, 30 mA / g, 150 mA / g, and 750 mA / g. The results are shown in FIGS. As shown in FIGS. 6 and 7, it was confirmed that Example 8 was superior to Example 3 in terms of capacity, rate characteristics, and cycle characteristics.

[実施例9]
実施例3で得られた活物質と、グラファイト(層間距離d002=3.36Å、D/G比=0.12)とを、活物質:グラファイト=90:10の重量比となるように秤量し、これらの混合物をZrO製ポットに入れ、ボールミル処理(180rpm×24時間)を行った。これにより、グラファイトが複合化した活物質を得た。得られた複合化活物質を用いたこと以外は、実施例3と同様にして評価用電池を得た。
[Example 9]
The active material obtained in Example 3 and graphite (interlayer distance d002 = 3.36 mm, D / G ratio = 0.12) were weighed so that the weight ratio of active material: graphite = 90: 10 was obtained. These mixtures were placed in a ZrO 2 pot and subjected to ball milling (180 rpm × 24 hours). Thereby, an active material in which graphite was combined was obtained. An evaluation battery was obtained in the same manner as in Example 3, except that the obtained composite active material was used.

[評価4]
(SEM観察)
実施例9で得られた活物質のSEM観察を行った。その結果を図8に示す。図8に示すように、実施例9では、活物質とグラファイトとが複合化していることが確認できた。
[Evaluation 4]
(SEM observation)
SEM observation of the active material obtained in Example 9 was performed. The result is shown in FIG. As shown in FIG. 8, in Example 9, it was confirmed that the active material and graphite were combined.

(充放電試験)
実施例3、9で得られた評価用電池に対して、充放電試験を行った。具体的には、環境温度25℃、電圧範囲10mV〜2.5Vの条件で行った。電流値は、6mA/gとした。その結果を図9に示す。図9に示すように、実施例9は、実施例3に比べて、容量維持率の面で優れていることが確認できた。
(Charge / discharge test)
A charge / discharge test was performed on the evaluation batteries obtained in Examples 3 and 9. Specifically, it was performed under conditions of an environmental temperature of 25 ° C. and a voltage range of 10 mV to 2.5 V. The current value was 6 mA / g. The result is shown in FIG. As shown in FIG. 9, it was confirmed that Example 9 was superior to Example 3 in terms of capacity retention rate.

1 … 正極活物質層
2 … 負極活物質層
3 … 電解質層
4 … 正極集電体
5 … 負極集電体
6 … 電池ケース
10 … ナトリウムイオン電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Positive electrode active material layer 2 ... Negative electrode active material layer 3 ... Electrolyte layer 4 ... Positive electrode collector 5 ... Negative electrode collector 6 ... Battery case 10 ... Sodium ion battery

Claims (3)

NaTi13結晶相を有し、
前記NaTi13結晶相の結晶子サイズが、190Å〜520Åの範囲内であることを特徴とするナトリウムイオン電池用負極活物質。
Having a Na 2 Ti 6 O 13 crystal phase,
A negative electrode active material for a sodium ion battery, wherein a crystallite size of the Na 2 Ti 6 O 13 crystal phase is in a range of 190 to 520 Å.
正極活物質を含有する正極活物質層と、負極活物質を含有する負極活物質層と、前記正極活物質層および前記負極活物質層の間に形成された電解質層とを有するナトリウムイオン電池であって、
前記負極活物質が、請求項1に記載のナトリウムイオン電池用負極活物質であることを特徴とするナトリウムイオン電池。
A sodium ion battery having a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material, a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material, and an electrolyte layer formed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer There,
A sodium ion battery, wherein the negative electrode active material is the negative electrode active material for sodium ion batteries according to claim 1.
前記負極活物質層が、炭素材料から構成される導電化材を含有し、
前記炭素材料は、層間距離d002が3.50Å以下であるか、ラマン分光測定により求められるD/G比が0.80以下であることを特徴とする請求項2に記載のナトリウムイオン電池。
The negative electrode active material layer contains a conductive material composed of a carbon material,
3. The sodium ion battery according to claim 2, wherein the carbon material has an interlayer distance d002 of 3.50 mm or less or a D / G ratio obtained by Raman spectroscopy of 0.80 or less.
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