JP2014086378A - Sodium secondary battery - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sodium secondary battery excellent in cost performance.SOLUTION: The present invention relates to a sodium secondary battery including: a positive electrode including a material capable of inserting/desorbing sodium ions; a negative electrode including metallic sodium, a sodium-containing material, or a material capable of inserting/desorbing sodium ions; and an electrolyte having sodium ion conductivity. The material capable of inserting/desorbing sodium ions included in the positive electrode is an azo compound, specifically methyl orange or methyl red sodium. The present invention also provides a method for manufacturing the sodium secondary battery.

Description

本発明は、ナトリウム二次電池に関する。特に本発明は、ナトリウム二次電池の正極にアゾ化合物、特にメチルオレンジ又はメリルレッドナトリウム塩を含む、コスト性及びサイクル特性に優れたナトリウム二次電池に関する。   The present invention relates to a sodium secondary battery. In particular, the present invention relates to a sodium secondary battery that includes an azo compound, particularly methyl orange or meryl red sodium salt, in the positive electrode of a sodium secondary battery, and is excellent in cost and cycle characteristics.

ナトリウムイオンの挿入及び脱離反応を用いるナトリウム二次電池は、現在、広範に使用されているリチウム二次電池よりも、ナトリウムの資源の優位性から、コスト性に優れた二次電池として期待されている。このため、その電極材料及び電解質材料に関する研究開発が進められている。   Sodium secondary batteries using sodium ion insertion and desorption reactions are expected to be cost effective secondary batteries because of the superiority of sodium resources over the widely used lithium secondary batteries. ing. For this reason, research and development relating to the electrode material and the electrolyte material are underway.

Parkらは、非特許文献1において、NaTi(POが、有機電解液中で正極として、また水系電解液中で負極として使用できること、そして、電流密度2.0mA/cmの放電の場合、両電解液とも約120mAh/gという比較的大きな放電容量を示すことを報告している。 Park et al. In Non-Patent Document 1 that NaTi 2 (PO 4 ) 3 can be used as a positive electrode in an organic electrolyte and a negative electrode in an aqueous electrolyte, and a discharge with a current density of 2.0 mA / cm 2 . In this case, both electrolytes have reported a relatively large discharge capacity of about 120 mAh / g.

また、特許文献1では、非水系の電解質中でNaCoOが充放電可能であり、5回という少ないサイクル回数であるものの、94%の高い放電容量維持率を有することが記載されている。 Further, Patent Document 1 describes that NaCoO 2 can be charged and discharged in a non-aqueous electrolyte and has a high discharge capacity maintenance rate of 94% although the number of cycles is as small as five.

特開2007−35283号公報JP 2007-35283 A

Sun Il Park et al., Journal of The Electrochemical Society, 158 (10) A1067-A1070 (2011)Sun Il Park et al., Journal of The Electrochemical Society, 158 (10) A1067-A1070 (2011)

上記のように、これまでにリチウム二次電池に匹敵するレベルの放電容量が報告されているが、上記非特許文献及び特許文献のように電極材料としてレアメタルを含むものを使用する場合が多く、コスト的に不利であるとともに、十分なサイクル特性が得られないという課題があった。   As described above, a discharge capacity at a level comparable to that of a lithium secondary battery has been reported so far, but in many cases, a material containing a rare metal is used as an electrode material as in the non-patent literature and patent literature, In addition to being disadvantageous in terms of cost, there were problems that sufficient cycle characteristics could not be obtained.

本発明は、上記の課題に対して、コスト性、及び、サイクル特性に優れたナトリウム二次電池を提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the sodium secondary battery excellent in cost property and cycling characteristics with respect to said subject.

本発明は、ナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質を含む正極、
金属ナトリウム、ナトリウム含有物質、又は、ナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質を含む負極、及び
ナトリウムイオン導電性を有する電解質
を含むナトリウム二次電池であり、
前記正極のナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質(以下単に正極物質とも称する)が、アゾ化合物である下記式(I)で表されるメチルオレンジであることを特徴とする。
The present invention includes a positive electrode containing a substance capable of inserting and removing sodium ions,
A sodium secondary battery including a metal sodium, a sodium-containing material, or a negative electrode including a material capable of inserting and removing sodium ions, and an electrolyte having sodium ion conductivity;
The material capable of inserting and desorbing sodium ions from the positive electrode (hereinafter also simply referred to as positive electrode material) is methyl orange represented by the following formula (I), which is an azo compound.

Figure 2014086378
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本発明では、前記正極の正極物質は、アゾ化合物である下記式(II)で表されるメチルレッドナトリウム塩であってもよい。   In the present invention, the positive electrode material of the positive electrode may be a methyl red sodium salt represented by the following formula (II) which is an azo compound.

Figure 2014086378
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また、本発明のナトリウム二次電池では、前記正極は、前記メチルオレンジ又はメチルレッドナトリウム塩、及びカーボン粒子を含み、ボールミルによる処理を行った正極材料を含むことが好ましい(本明細書では、メチルオレンジ又はメチルレッドナトリウム塩の正極物質と、カーボン粒子などの導電性物質とを含む正極の材料を正極材料とも称する。)。   In the sodium secondary battery of the present invention, it is preferable that the positive electrode includes a positive electrode material that includes the methyl orange or methyl red sodium salt and carbon particles and is processed by a ball mill (in this specification, methyl A positive electrode material including a positive electrode material of orange or methyl red sodium salt and a conductive material such as carbon particles is also referred to as a positive electrode material).

本発明のナトリウム二次電池では、前記電解質は、ナトリウムイオンを含む有機電解液であることが好ましい。   In the sodium secondary battery of the present invention, the electrolyte is preferably an organic electrolyte containing sodium ions.

更に、本発明は、上記ナトリウム二次電池の製造方法を提供する。この製造方法において、前記ナトリウム二次電池は、
ナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質及びカーボン粒子を含む正極材料を含む正極、
金属ナトリウム、ナトリウム含有物質、又は、ナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質を含む負極、及び
ナトリウムイオン導電性を有する電解質
を含み、
前記ナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質は、下記式(I)で表されるメチルオレンジ、又は、
Furthermore, this invention provides the manufacturing method of the said sodium secondary battery. In this manufacturing method, the sodium secondary battery is
A positive electrode comprising a substance capable of inserting and desorbing sodium ions and a positive electrode material comprising carbon particles;
A negative electrode containing metallic sodium, a sodium-containing substance, or a substance capable of inserting and removing sodium ions, and an electrolyte having sodium ion conductivity,
The substance capable of inserting and desorbing sodium ions is methyl orange represented by the following formula (I), or

Figure 2014086378
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下記式(II)で表されるメチルレッドナトリウム塩であり、 Methyl red sodium salt represented by the following formula (II):

Figure 2014086378
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この製造方法は、
(a)前記正極を準備する工程と、
(b)前記負極を準備する工程と、
(c)前記電解質を準備する工程と、
(d)前記正極、負極及び電解質からナトリウム二次電池を作製する工程とを含み、
前記正極を準備する工程が、前記ナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質と、カーボン粒子とをボールミルで混合して正極材料を調製する工程を含むことを特徴とする。
This manufacturing method is
(A) preparing the positive electrode;
(B) preparing the negative electrode;
(C) preparing the electrolyte;
(D) producing a sodium secondary battery from the positive electrode, the negative electrode and the electrolyte,
The step of preparing the positive electrode includes a step of preparing a positive electrode material by mixing the substance capable of inserting and desorbing sodium ions and carbon particles with a ball mill.

本発明によれば、コスト性およびサイクル特性に優れたナトリウム二次電池を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the sodium secondary battery excellent in cost performance and cycling characteristics can be provided.

本発明のナトリウム二次電池の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the sodium secondary battery of this invention. 本発明の二次電池の正極材料の構造を示す図であり、(a)はメチルオレンジの構造を表し、(b)はメチルレッドナトリウム塩の構造を表す。It is a figure which shows the structure of the positive electrode material of the secondary battery of this invention, (a) represents the structure of methyl orange, (b) represents the structure of methyl red sodium salt. 本発明の一実施形態のナトリウム二次電池の構造を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the sodium secondary battery of one Embodiment of this invention. 図2に示した本発明の実施形態のナトリウム二次電池の充放電曲線を示す図である。It is a figure which shows the charging / discharging curve of the sodium secondary battery of embodiment of this invention shown in FIG.

本発明の第一は、ナトリウム二次電池、特に、正極のナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質が、下記式(I)で表されるメチルオレンジ(C1414NaOS)、 The first of the present invention is a sodium secondary battery, in particular, a substance capable of inserting and removing sodium ions in the positive electrode is methyl orange (C 14 H 14 N 3 NaO 3 S represented by the following formula (I): ),

Figure 2014086378
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又は、下記式(II)で表されるメチルレッドナトリウム塩(C1514NaO)であるナトリウム二次電池に関する。 Alternatively, the present invention relates to a sodium secondary battery that is a methyl red sodium salt (C 15 H 14 N 3 NaO 2 ) represented by the following formula (II).

Figure 2014086378
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本発明のナトリウム二次電池では、前記正極は、前記メチルオレンジ又はメチルレッドナトリウム塩、及びカーボン粒子を含む正極材料を含むことが好ましい。   In the sodium secondary battery of the present invention, the positive electrode preferably includes a positive electrode material including the methyl orange or methyl red sodium salt and carbon particles.

一実施形態では、正極はボールミルによる処理を行った正極材料を含むことが好ましい。   In one embodiment, the positive electrode preferably includes a positive electrode material that has been ball milled.

このようなボールミル処理を行うのは、上記のメチルオレンジ及びメチルレッドナトリウム塩の電子導電性が低いため、電池材料として用いた場合、放電電圧が低下し、充電電圧の増加が起こることが懸念されることによる。即ち、本発明では、上記のメチルオレンジ及びメチルレッドナトリウム塩(正極物質)を含む正極の導電性を向上させるために、メチルオレンジ及びメチルレッドナトリウム塩を導電材であるカーボン材料と混合し、ボールミル処理を行う。このような処理を行うことで、正極物質をカーボン材料とコンポジット化させて、正極材料中の活物質の密着性を高め、且つ活物質の均一性及び分散性を改善し、導電性を改善することができる。そして、より優れたナトリウム二次電池を作製することができる。   Such ball milling is performed because of the low electronic conductivity of the methyl orange and methyl red sodium salts described above, so that when used as a battery material, there is a concern that the discharge voltage decreases and the charging voltage increases. By. That is, in the present invention, in order to improve the conductivity of the positive electrode containing methyl orange and methyl red sodium salt (positive electrode material), methyl orange and methyl red sodium salt are mixed with a carbon material as a conductive material, Process. By performing such treatment, the positive electrode material is composited with the carbon material to improve the adhesion of the active material in the positive electrode material, improve the uniformity and dispersibility of the active material, and improve the conductivity. be able to. A more excellent sodium secondary battery can be produced.

本発明の第二は、上記のナトリウム二次電池の製造方法に関する。本発明の製造方法では、正極材料として上記(I)のメチルオレンジ又は式(II)のメチルレッドナトリウム塩とカーボン粒子のような導電性粒子を使用し、これらの材料をボールミル処理して混合する手順を含むことにより正極を調製する。   The second of the present invention relates to a method for producing the sodium secondary battery. In the production method of the present invention, methyl orange of (I) or methyl red sodium salt of formula (II) and conductive particles such as carbon particles are used as the positive electrode material, and these materials are ball milled and mixed. A positive electrode is prepared by including a procedure.

まず、本発明のナトリウム二次電池の実施形態について説明する。   First, an embodiment of the sodium secondary battery of the present invention will be described.

本発明のナトリウム二次電池は、正極、負極及び電解質を少なくとも含む。正極はナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質(正極物質)を含むものであり、負極は金属ナトリウム、ナトリウム含有物質、若しくはナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質を含むものであり、電解質はナトリウムイオン導電性を有するものである。   The sodium secondary battery of the present invention includes at least a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte. The positive electrode contains a substance capable of inserting and removing sodium ions (positive electrode substance), and the negative electrode contains metallic sodium, a sodium-containing substance, or a substance capable of inserting and removing sodium ions, The electrolyte has sodium ion conductivity.

本発明では、正極は、ナトリウム含有アゾ化合物をナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質(正極物質)として含む。本発明では、正極物質としてのアゾ化合物は、上記式(I)のメチルオレンジ又は上記式(II)のメチルレッドナトリウム塩である。   In the present invention, the positive electrode contains a sodium-containing azo compound as a substance capable of inserting and removing sodium ions (positive electrode substance). In the present invention, the azo compound as the positive electrode material is methyl orange of the above formula (I) or methyl red sodium salt of the above formula (II).

本発明で使用できるメチルオレンジ及びメチルレッドナトリウム塩は、市販品として得ることができる。   The methyl orange and methyl red sodium salts that can be used in the present invention can be obtained as commercial products.

本発明のナトリウム二次電池の正極は、メチルオレンジ又はメチルレッドナトリウム塩と、カーボン粉末のような導電性材料とを混合したもの(正極材料)を含むことが好ましい。本発明の一実施形態では、メチルオレンジ又はメチルレッドナトリウム塩とカーボン粉末(例えばアセチレンブラック粉末などのカーボンブラック類)のような導電性材料とを、ボールミル処理により粉砕・混合した正極材料を正極として用いることが特に好ましい。   The positive electrode of the sodium secondary battery of the present invention preferably includes a mixture (positive electrode material) of methyl orange or methyl red sodium salt and a conductive material such as carbon powder. In one embodiment of the present invention, a positive electrode material obtained by pulverizing and mixing a conductive material such as methyl orange or methyl red sodium salt and carbon powder (for example, carbon blacks such as acetylene black powder) by ball milling is used as a positive electrode. It is particularly preferable to use it.

上述の正極は、例えば以下のような手段により調製することができるが、本発明はこれらに限定されない。   The above-mentioned positive electrode can be prepared, for example, by the following means, but the present invention is not limited to these.

まず、カーボン粉末(例えばアセチレンブラック粉末などのカーボンブラック類)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)のような結着剤粉末、及び、メチルオレンジ又はメチルレッドナトリウム塩を混合し、次いでロールプレス機により圧延し、所定サイズに切り抜いてペレット状に成型することにより、正極を調製することができる。   First, carbon powder (for example, carbon blacks such as acetylene black powder), binder powder such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), and methyl orange or methyl red sodium salt are mixed. Then, the positive electrode can be prepared by rolling with a roll press machine, cutting into a predetermined size, and forming into a pellet.

あるいは、前述のカーボン粉末、結着剤粉末及びメチルレッド又はメチルレッドナトリウム塩の混合物を有機溶剤(例えばN−メチル−2−ピロリドン(NMP))等の溶媒中に分散してスラリー状にした後、例えば銅箔のような金属箔上に塗布し、乾燥することにより、正極を調製することもできる。   Alternatively, after a mixture of the above-mentioned carbon powder, binder powder and methyl red or methyl red sodium salt is dispersed in a solvent such as an organic solvent (for example, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP)) to form a slurry. The positive electrode can also be prepared by coating on a metal foil such as a copper foil and drying.

本発明では、上述した通り、メチルオレンジ及びメチルレッドナトリウム塩が電子導電性を有しないため、電池材料として用いた場合、放電電圧が低下し、充電電圧の増加が起こる可能性がある。従って、メチルオレンジ又はメチルレッドナトリウム塩(正極物質)を含む正極の導電性を向上させるために、正極物質を導電材である上述のようなカーボン粒子と混合し、ボールミル処理を行うことが好ましい。このようなボールミル処理により、正極材料中のメチルオレンジ又はメチルレッドナトリウム塩とカーボン粉末との間の均一性及び分散性を向上させ、二次電池の性能を改善することができ、より優れた電池特性を有するナトリウム二次電池を得ることができる。   In the present invention, as described above, since methyl orange and methyl red sodium salt do not have electronic conductivity, when used as a battery material, the discharge voltage may decrease and the charge voltage may increase. Therefore, in order to improve the conductivity of the positive electrode containing methyl orange or methyl red sodium salt (positive electrode material), it is preferable to mix the positive electrode material with the above-described carbon particles as a conductive material and perform ball mill treatment. By such ball mill treatment, the uniformity and dispersibility between the methyl orange or methyl red sodium salt in the positive electrode material and the carbon powder can be improved, and the performance of the secondary battery can be improved. A sodium secondary battery having characteristics can be obtained.

上記ボールミル処理を含めた、正極を得るための具体的な手順としては、まず、カーボン粉末(例えばアセチレンブラック粉末などのカーボンブラック類)と、メチルオレンジ又はメチルレッドナトリウム塩とを混合し、ボールミル等の粉砕機により所望の時間粉砕混合し、得られたボールミル(BM)処理混合物に、更に上述したような結着剤粉末を混合した後、上述したような圧延成形をすればよい。   As a specific procedure for obtaining a positive electrode including the above ball mill treatment, first, carbon powder (for example, carbon blacks such as acetylene black powder) and methyl orange or methyl red sodium salt are mixed, ball mill or the like. The above-mentioned pulverizer may be pulverized and mixed for a desired time, and the resulting ball mill (BM) treatment mixture may be further mixed with the binder powder as described above, followed by rolling as described above.

ボールミル処理の上記所望の粉砕混合時間は、正極物質がメチルオレンジの場合、6.5時間未満、好ましくは3〜6.5時間、より好ましくは、3〜6時間であり、正極材料がメチルレッドナトリウム塩の場合、10.5時間未満、好ましくは3〜10.5時間、より好ましくは6〜10.5時間、特に好ましくは6〜10時間である。   When the cathode material is methyl orange, the desired pulverization and mixing time of the ball mill treatment is less than 6.5 hours, preferably 3 to 6.5 hours, more preferably 3 to 6 hours, and the cathode material is methyl red. In the case of a sodium salt, it is less than 10.5 hours, preferably 3 to 10.5 hours, more preferably 6 to 10.5 hours, and particularly preferably 6 to 10 hours.

本発明の正極は、ナトリウムイオンを含む有機電解液を電解質溶液として用いることができる。更に、本発明の正極を含むナトリウム二次電池は、ナトリウムイオンを通す固体電解質又はポリマー電解質を電解質として用いることもできる。   In the positive electrode of the present invention, an organic electrolyte containing sodium ions can be used as the electrolyte solution. Furthermore, the sodium secondary battery including the positive electrode of the present invention can also use a solid electrolyte or polymer electrolyte that allows sodium ions to pass therethrough as an electrolyte.

負極は、金属ナトリウム、ナトリウム含有合金のようなナトリウム含有物質、又はナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質を含むものであれば特に限定されない。例えば、負極の例としては、金属ナトリウムのシート、又は金属ナトリウムのシートをアルミニウム等の金属箔に圧着したものなどを挙げることができる。このような金属ナトリウムのシートの負極は、金属ナトリウムをプレス機などでシート状に圧延して所望の形状に成形することで調製することができる。また、金属ナトリウムのシートを金属箔に圧着したものは、前記のように調製した金属ナトリウムのシートをアルミニウム等の金属箔に圧着して調製することができる。   The negative electrode is not particularly limited as long as it includes a sodium-containing material such as metallic sodium, a sodium-containing alloy, or a material capable of inserting and removing sodium ions. For example, examples of the negative electrode include a metal sodium sheet, or a metal sodium sheet bonded to a metal foil such as aluminum. The negative electrode of such a metal sodium sheet can be prepared by rolling metal sodium into a sheet shape with a press or the like and forming it into a desired shape. Further, a metal sodium sheet that has been pressure-bonded to a metal foil can be prepared by pressure-bonding the metal sodium sheet prepared as described above to a metal foil such as aluminum.

また、上記のような金属ナトリウム以外の負極材料として、負極活物質としてナトリウムを主成分として含む合金(例えば、ナトリウム−スズ合金)(ナトリウム含有物質)、又は、ナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能なアモルファスカーボンなどの材料(ナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質)を挙げることができる。これらの負極活物質を含む負極は、例えば、銅箔のような金属箔に、負極活性物質とポリフッ化ビニリデン(PVDF)のような結着剤をN−メチル−2−ピロリドン(NMP)のような有機溶媒に分散させたスラリーを塗布し、乾燥するというような方法で調製することができる。   Moreover, as a negative electrode material other than metallic sodium as described above, an alloy containing sodium as a main component as a negative electrode active material (for example, a sodium-tin alloy) (sodium-containing material), or insertion and removal of sodium ions is possible. Examples thereof include amorphous carbon and other materials (substances capable of inserting and removing sodium ions). The negative electrode containing these negative electrode active materials is, for example, a metal foil such as copper foil and a negative electrode active material and a binder such as polyvinylidene fluoride (PVDF), such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP). A slurry dispersed in a simple organic solvent can be applied and dried.

本発明のナトリウム二次電池の電解質は、ナトリウムイオン導電性を有する物質で電子導電性を有しない物質であれば、ナトリウムを含む有機電解液やナトリウムイオンを含む固体電解質やポリマー電解質などの固体状の電解質も使用することができる。例えば、ナトリウムビストリフルオロメタンスルホニルイミド(NaTFSI)、過塩素酸ナトリウム(NaClO)、六フッ化リン酸ナトリウム(NaPF)などのナトリウムイオンを含む金属塩を、例えば炭酸エチレン(EC)及び炭酸ジメチル(DMC)(体積比1:1)の混合溶媒、EC及び炭酸ジエチル(DEC)などのような混合溶媒、又は炭酸プロピレン(PC)のような単独溶媒に溶解した有機電解液を挙げることができる。 As long as the electrolyte of the sodium secondary battery of the present invention is a substance having sodium ion conductivity but not electronic conductivity, it is a solid state such as an organic electrolyte containing sodium, a solid electrolyte containing sodium ion, or a polymer electrolyte. The electrolyte can also be used. For example, metal salts containing sodium ions such as sodium bistrifluoromethanesulfonylimide (NaTFSI), sodium perchlorate (NaClO 4 ), sodium hexafluorophosphate (NaPF 6 ), such as ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate. An organic electrolyte dissolved in a mixed solvent of (DMC) (volume ratio 1: 1), a mixed solvent such as EC and diethyl carbonate (DEC), or a single solvent such as propylene carbonate (PC). .

電解質の他の例として、ナトリウムイオンを通す固体電解質[例えば、75NaS・25P、NASICON(Na Super Ionic Conductor、NaZrSiPO12等)]、ナトリウムイオンを通すポリマー電解質[例えば、上記有機電解質とポリエチレンオキシドをコンポジット化したもの(ポリエチレンオキシド(PEO)系のポリマー電解質)]などを挙げることができるが、これらに限定されない。本発明では、ナトリウム二次電池で使用される公知のナトリウムイオンを通す固体電解質又はナトリウムイオンを通すポリマー電解質であれば使用することができる。 Other examples of the electrolyte include solid electrolytes that pass sodium ions [eg, 75Na 2 S · 25P 2 S 5 , NASICON (Na + Super Ionic Conductor, Na 3 Zr 2 Si 2 PO 12, etc.)], polymers that pass sodium ions Examples thereof include, but are not limited to, an electrolyte [for example, a composite of the above organic electrolyte and polyethylene oxide (polyethylene oxide (PEO) -based polymer electrolyte)]. In the present invention, any known solid electrolyte passing through sodium ions or polymer electrolyte passing through sodium ions used in sodium secondary batteries can be used.

本願発明のナトリウム二次電池はまた、セパレータ、電池ケース等の構造材料などの他の要素を含むこともできる。これらの要素についても、従来公知の二次電池に用いられる各種材料が使用でき、特に制限はない。   The sodium secondary battery of the present invention can also include other elements such as a structural material such as a separator and a battery case. Also for these elements, various materials used in conventionally known secondary batteries can be used, and there is no particular limitation.

上記のような正極、負極、電解液等を使用する電池は、コイン形、円筒形、ラミネート形など従来の形状をとることができる。   A battery using the positive electrode, the negative electrode, the electrolytic solution, or the like as described above can take a conventional shape such as a coin shape, a cylindrical shape, or a laminate shape.

本発明のナトリウム二次電池は、例えば、図1に示すような、正極及び負極と、これら両極に接する電解質からなる。本発明では、正極及び負極の間にセパレータが含まれていてもよい。有機電解質を電解質液として用いる場合には、例えば、セパレータに電解質液を含浸させればよい。また、有機電解質は、ポリマー電解質等に含浸させてもよい。また、固体電解質、ポリマー電解質等を用いる場合には、両極がこれらに接するように配置すればよい。   The sodium secondary battery of the present invention includes, for example, a positive electrode and a negative electrode as shown in FIG. 1 and an electrolyte in contact with both electrodes. In the present invention, a separator may be included between the positive electrode and the negative electrode. When using an organic electrolyte as the electrolyte solution, for example, a separator may be impregnated with the electrolyte solution. Further, the organic electrolyte may be impregnated in a polymer electrolyte or the like. Moreover, what is necessary is just to arrange | position so that both poles may contact | connect these, when using a solid electrolyte, a polymer electrolyte, etc.

さらに図1には明記していないが、正極、負極、電解質、セパレータ等を被う電池ケース等を含むことができる。本発明では、メチルオレンジ又はメチルレッドナトリウム塩を正極物質として用いることが特に好ましい。   Further, although not explicitly shown in FIG. 1, a battery case covering a positive electrode, a negative electrode, an electrolyte, a separator, and the like can be included. In the present invention, it is particularly preferable to use methyl orange or methyl red sodium salt as the positive electrode material.

より具体的な一実施形態としては、図3に示すようなコインセル型の二次電池として本発明を適用することができる。図3に示されるように、コインセル型の二次電池は、正極1及び負極3を含み、これらの電極の間に電解液を含浸したセパレータ2をさらに含む。さらに二次電池構造体は正極ケース4、ガスケット5、及び負極ケース6を含むことができる。   As a more specific embodiment, the present invention can be applied as a coin cell type secondary battery as shown in FIG. As shown in FIG. 3, the coin cell type secondary battery includes a positive electrode 1 and a negative electrode 3, and further includes a separator 2 impregnated with an electrolyte between these electrodes. Further, the secondary battery structure may include a positive electrode case 4, a gasket 5, and a negative electrode case 6.

本発明では、セパレータに代えて又は加えて、上述したような固体電解質、ポリマー電解質等を使用することができる。   In the present invention, a solid electrolyte, a polymer electrolyte, or the like as described above can be used instead of or in addition to the separator.

次に、本発明のナトリウム二次電池の製造方法(第二の発明)について説明する。   Next, the manufacturing method (2nd invention) of the sodium secondary battery of this invention is demonstrated.

上記のような正極、負極、電解液等を使用する本発明のナトリウム二次電池の製造方法はでは、コイン形、円筒形、ラミネート形など従来の形状で、ナトリウム二次電池を作製することができる。そして、これらの二次電池の製造方法も従来と同様の方法を用いることができる。   In the manufacturing method of the sodium secondary battery of the present invention using the positive electrode, the negative electrode, the electrolytic solution and the like as described above, the sodium secondary battery can be manufactured in a conventional shape such as a coin shape, a cylindrical shape, and a laminate shape. it can. And the manufacturing method of these secondary batteries can also use the method similar to the past.

例えば、図1に示すようなナトリウム二次電池では、正極、負極、及びこれら両極に接する電解質を準備する。これらの材料は、上述した各材料の調整方法に従って準備すればよい。本発明では、有機電解質を電解液として用いる場合には、例えば、図示していないセパレータに電解質液を含浸させて使用することができる。また、有機電解質は、ポリマー電解質等に含浸させてもよい。また、固体電解質、ポリマー電解質等を用いる場合には、両極がこれらに接するように配置すればよい。   For example, in a sodium secondary battery as shown in FIG. 1, a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte in contact with both electrodes are prepared. What is necessary is just to prepare these materials according to the adjustment method of each material mentioned above. In the present invention, when an organic electrolyte is used as an electrolytic solution, for example, a separator (not shown) can be used by impregnating the electrolytic solution. Further, the organic electrolyte may be impregnated in a polymer electrolyte or the like. Moreover, what is necessary is just to arrange | position so that both poles may contact | connect these, when using a solid electrolyte, a polymer electrolyte, etc.

さらに図1には明記していないが、正極、負極、電解質、セパレータ等を被う電池ケース等を含むことができ、正極、負極、電解質、セパレータ等をこの電池ケースに配置して電池ケースを固定することによりナトリウム二次電池を製造することができる。   Further, although not clearly shown in FIG. 1, it can include a battery case that covers a positive electrode, a negative electrode, an electrolyte, a separator, and the like. The positive electrode, the negative electrode, the electrolyte, the separator, and the like are arranged in this battery case. A sodium secondary battery can be manufactured by fixing.

より具体的な一実施形態としては、図3に示すようなコインセル型の二次電池を製造することができる。例えば、正極1、負極3、及び電解液を含浸したセパレータ2を、正極ケース4及び負極ケース6に所望の通りに配置し、各構成要素を配置した両ケースを固定することで、ナトリウム二次電池を製造することができる。   As a more specific embodiment, a coin cell type secondary battery as shown in FIG. 3 can be manufactured. For example, the positive electrode 1, the negative electrode 3, and the separator 2 impregnated with the electrolytic solution are disposed in the positive electrode case 4 and the negative electrode case 6 as desired, and both cases in which the respective components are disposed are fixed. A battery can be manufactured.

具体的な本発明のナトリウム二次電池の製造方法は以下の通りである。   A specific method of manufacturing the sodium secondary battery of the present invention is as follows.

ナトリウム二次電池の製造方法であって、
前記ナトリウム二次電池は、
ナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質及びカーボン粒子を含む正極材料を含む正極、
金属ナトリウム、ナトリウム含有物質、又は、ナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質を含む負極、及び
ナトリウムイオン導電性を有する電解質
を含み、
前記正極のナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質は、上述の式(I)で表されるメチルオレンジ、又は、上記式(II)で表されるメチルレッドナトリウム塩であり、
前記方法は、
(a)前記正極を準備する工程と、
(b)前記負極を準備する工程と、
(c)前記電解質を準備する工程と、
(d)前記正極、負極及び電解質からナトリウム二次電池を作製する工程とを含み、
前記正極を準備する工程が、前記ナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質とカーボン粒子とを、ボールミルで粉砕混合して正極材料を調製する工程を含むことを特徴とする。
A method for manufacturing a sodium secondary battery, comprising:
The sodium secondary battery is
A positive electrode comprising a substance capable of inserting and desorbing sodium ions and a positive electrode material comprising carbon particles;
A negative electrode containing metallic sodium, a sodium-containing substance, or a substance capable of inserting and removing sodium ions, and an electrolyte having sodium ion conductivity,
The substance capable of inserting and desorbing sodium ions from the positive electrode is methyl orange represented by the above formula (I) or methyl red sodium salt represented by the above formula (II),
The method
(A) preparing the positive electrode;
(B) preparing the negative electrode;
(C) preparing the electrolyte;
(D) producing a sodium secondary battery from the positive electrode, the negative electrode and the electrolyte,
The step of preparing the positive electrode includes a step of preparing a positive electrode material by pulverizing and mixing the substance capable of inserting and desorbing sodium ions and carbon particles with a ball mill.

上記工程(a)〜(c)は、上述した第一の発明で説明した両極及び電解質の調製方法に従って準備することができる。また、工程(d)は、例えば、正極、負極及び電解質を電池ケースに配置して電池ケースを固定すればよい。より具体的な手順は、図1及び図3を参照して先に説明した通りである。   The steps (a) to (c) can be prepared according to the bipolar electrode and electrolyte preparation method described in the first invention. Moreover, what is necessary is just to arrange | position a battery case, for example, arrange | positions a positive electrode, a negative electrode, and electrolyte to a battery case. A more specific procedure is as described above with reference to FIGS.

本発明の製造方法では、上述したような固体電解質、ポリマー電解質等を電解質として使用することができる。   In the production method of the present invention, the above-described solid electrolyte, polymer electrolyte, or the like can be used as the electrolyte.

本発明の製造方法では、メチルオレンジ又はメチルレッドナトリウム塩(正極物質)を含む正極の導電性を向上させることが好ましい。このため、上記工程(a)の正極を準備する工程において、ナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質(メチルオレンジ又はメチルレッドナトリウム塩)とカーボン粒子とを、ボールミルで粉砕混合(ボールミル処理)して正極材料を調製する工程を含むことが好ましい。   In the production method of the present invention, it is preferable to improve the conductivity of the positive electrode containing methyl orange or methyl red sodium salt (positive electrode material). For this reason, in the step of preparing the positive electrode in step (a), a substance capable of inserting and removing sodium ions (methyl orange or methyl red sodium salt) and carbon particles are pulverized and mixed by a ball mill (ball mill treatment). And preparing a positive electrode material.

本明細書において、ボールミル処理(BM処理)とは、メチルオレンジ又はメチルレッドナトリウム塩(正極物質)と、カーボン粒子のような導電性粒子を、ボールの存在下で所定の時間粉砕混合し、コンポジット化することをいう。具体的には、メチルオレンジ又はメチルレッドナトリウム塩と、カーボン粒子のような導電性粒子を、まず、ミキサー中で数分程度混合し、この混合物に、例えばジルコニア製のボールを加え、所定時間粉砕混合する。BM処理において、正極物質−導電性粒子の混合物とボールの混合比率は、重量比で、正極物質−導電性粒子の混合物:ボール=1:9〜2:8であることが好ましい。また、BM処理時の材料を混合する際のミキサーの回転速度は200〜1000rpmであることが好ましい。   In this specification, the ball mill treatment (BM treatment) is a compound in which methyl orange or methyl red sodium salt (positive electrode material) and conductive particles such as carbon particles are pulverized and mixed for a predetermined time in the presence of balls. It means to become. Specifically, methyl orange or methyl red sodium salt and conductive particles such as carbon particles are first mixed for about several minutes in a mixer, and, for example, zirconia balls are added to the mixture and pulverized for a predetermined time. Mix. In the BM treatment, the mixture ratio of the positive electrode material-conductive particles and the ball is preferably a weight ratio of the positive electrode material-conductive particle mixture: ball = 1: 9 to 2: 8. Moreover, it is preferable that the rotational speed of the mixer at the time of mixing the material at the time of BM processing is 200-1000 rpm.

ボールミル処理で粉砕混合する際の所定時間は、正極物質がメチルオレンジの場合、6.5時間未満、好ましくは3〜6.5時間、より好ましくは、3〜6時間であり、正極材料がメチルレッドナトリウム塩の場合、10.5時間未満、好ましくは3〜10.5時間、より好ましくは6〜10.5時間、特に好ましくは6〜10時間である。   When the positive electrode material is methyl orange, the predetermined time for pulverizing and mixing by the ball mill treatment is less than 6.5 hours, preferably 3 to 6.5 hours, more preferably 3 to 6 hours, and the positive electrode material is methyl In the case of a red sodium salt, it is less than 10.5 hours, preferably 3 to 10.5 hours, more preferably 6 to 10.5 hours, and particularly preferably 6 to 10 hours.

以下に図面を参照して、本発明のナトリウム二次電池についての実施例を詳細に説明する。なお、本発明は下記の実施例に示したものに限定されるものではなく、本発明の趣旨及び範囲を変更しない範囲において適宜変更して実施できるものである。   Hereinafter, embodiments of the sodium secondary battery of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to what was shown to the following Example, In the range which does not change the meaning and scope of this invention, it can change suitably and can implement.

下記では、実施例1〜10を示す。実施例1及び2は、有機溶媒を用いた有機電解質を使用してナトリウム二次電池を作製した例であり、実施例3〜10は、ボールミル処理を施した正極材料を使用してナトリウム二次電池を作製した例である。   Examples 1 to 10 are shown below. Examples 1 and 2 are examples in which a sodium secondary battery was prepared using an organic electrolyte using an organic solvent, and Examples 3 to 10 were sodium secondary batteries using a positive electrode material subjected to ball milling. This is an example of manufacturing a battery.

(実施例1及び実施例2)
本実施例は、メチルオレンジを正極物質として使用した例(実施例1)及びメチルレッドナトリウムを正極物質として使用した例(実施例2)である。
(Example 1 and Example 2)
This example is an example using methyl orange as a positive electrode material (Example 1) and an example using methyl red sodium as a positive electrode material (Example 2).

(i)ナトリウム二次電池の作製
ナトリウム二次電池は、以下の手順で作製した。
(I) Production of sodium secondary battery A sodium secondary battery was produced by the following procedure.

正極は、市販試薬のメチルレンジ粉末(キシダ化学製)[実施例1]又はメチルレッドナトリウム塩粉末(メルク社製)[実施例2]、アセチレンブラック粉末(電気化学工業社製)及びポリテトラフルオロエチレン(PTFE)粉末(ダイキン社製)を70:25:5の重量比で、らいかい機を用いて十分に粉砕・混合し、次いで、ロール成形して、シートペレット状の電極(厚さ:0.5mm)を作製した。このシート状電極を直径15mmの円形に切り抜いた。負極は、市販の試薬であるナトリウム塊(関東化学製)を、0.8mmの厚さまでプレスし、直径15mmの円形シート状に成型することによって作製した。電解液は、炭酸エチレン(EC)(キシダ化学製)と炭酸ジメチル(DMC)(キシダ化学製)を体積比1:1で混合して調製した混合溶媒に、1mol/Lの濃度でナトリウムビストリフルオロメタンスルホニルイミド(NaTFSI)(キシダ化学製)を溶解することにより調製した。セパレータは、リチウム二次電池用のポリプロピレン製のもの(セルガード社製)を用いた。   The positive electrode is a commercially available reagent, methyl range powder (manufactured by Kishida Chemical) [Example 1] or methyl red sodium salt powder (manufactured by Merck) [Example 2], acetylene black powder (manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.), and polytetrafluoro Ethylene (PTFE) powder (manufactured by Daikin) at a weight ratio of 70: 25: 5 is sufficiently pulverized and mixed using a roughing machine, and then roll-molded to form a sheet pellet-shaped electrode (thickness: 0.5 mm). This sheet-like electrode was cut out into a circle having a diameter of 15 mm. The negative electrode was produced by pressing a sodium reagent (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.), which is a commercially available reagent, to a thickness of 0.8 mm and molding it into a circular sheet having a diameter of 15 mm. The electrolyte was sodium bistrifluoromethane at a concentration of 1 mol / L in a mixed solvent prepared by mixing ethylene carbonate (EC) (manufactured by Kishida Chemical) and dimethyl carbonate (DMC) (manufactured by Kishida Chemical) at a volume ratio of 1: 1. It was prepared by dissolving methanesulfonylimide (NaTFSI) (manufactured by Kishida Chemical). The separator was made of polypropylene (made by Celgard) for lithium secondary batteries.

ナトリウム二次電池は、図3に示すような2320コイン型のものを製造した。正極は、上記のペレット電極を正極ケース4にセットし、チタンメッシュ(ニラコ製)(図示せず)で覆い、その周縁部をスポット溶接により固定した。負極は、負極ケース6にチタンメッシュ(ニラコ製)(図示せず)をスポット溶接で固定し、その上にナトリウムシートを圧着することにより固定して調製した。次に、ペレットを固定した正極ケースに、セパレータ2をセットし、さらにセパレータ2に電解液を注入し、ナトリウムシートを固定した負極ケースを被せ、コインセルかしめ機で正極ケース4及び負極ケース6をかしめることにより、ポリプロピレン製ガスケット5を含むコインセルを作製した。なお、ナトリウム二次電池の作製は、露点が−85℃以下のアルゴン雰囲気のグローブボックス中で行った。   As the sodium secondary battery, a 2320 coin type battery as shown in FIG. 3 was manufactured. For the positive electrode, the above-mentioned pellet electrode was set in the positive electrode case 4, covered with a titanium mesh (manufactured by Niraco) (not shown), and the peripheral edge thereof was fixed by spot welding. The negative electrode was prepared by fixing a titanium mesh (manufactured by Niraco) (not shown) to the negative electrode case 6 by spot welding and fixing a sodium sheet thereon by pressure bonding. Next, the separator 2 is set in the positive electrode case to which the pellet is fixed, the electrolytic solution is injected into the separator 2, and the negative electrode case to which the sodium sheet is fixed is covered, and the positive electrode case 4 and the negative electrode case 6 are covered with a coin cell caulking machine. By crimping, a coin cell including a polypropylene gasket 5 was produced. The sodium secondary battery was produced in an argon atmosphere glove box having a dew point of −85 ° C. or lower.

(ii)充放電試験
ナトリウム二次電池の充放電試験は、市販の充放電測定システム(北斗電工社製)を用いて、正極の有効面積当たりの電流密度で0.5mA/cmを通電し、充電終止電圧3.5V、放電終止電圧2.0V(若しくは1.5V)の電圧範囲で充放電試験を行った。電池の充放電試験は、25℃の恒温槽内(雰囲気は通常の生活環境下)で測定を行った。
(Ii) Charge / Discharge Test The charge / discharge test of the sodium secondary battery was conducted by applying 0.5 mA / cm 2 at a current density per effective area of the positive electrode using a commercially available charge / discharge measurement system (made by Hokuto Denko). The charge / discharge test was performed in a voltage range of a charge end voltage of 3.5 V and a discharge end voltage of 2.0 V (or 1.5 V). The battery charge / discharge test was performed in a thermostatic chamber at 25 ° C. (atmosphere was in a normal living environment).

本実施例で作製したナトリウム二次電池の充放電曲線を、図4に示す。図より、実施例1及び実施例2共に、不可逆容量(充電容量と放電容量の差)も小さく、本発明によるナトリウム二次電池は充放電が可能であった。   A charge / discharge curve of the sodium secondary battery produced in this example is shown in FIG. From the figure, both Example 1 and Example 2 had small irreversible capacity (difference between charge capacity and discharge capacity), and the sodium secondary battery according to the present invention could be charged and discharged.

メチルオレンジを使用した実施例1では、初回放電容量が73mAh/g(メチルオレンジ粉末の重量当たりで規格化した)であり、メチルレッドナトリウム塩を使用した実施例2では、初回放電容量が87mAh/g(メチルレッドナトリウム塩粉末の重量当たりで規格化した)であった。また、平均放電電圧は、実施例1で2.5V、実施例2で2.4Vを示した。表1に、20サイクル目、50サイクル目の放電容量維持率を示す。表より、1サイクル当たり約0.4%程度の容量減少しか見られず、安定したサイクル特性を有していることが分かる。   In Example 1 using methyl orange, the initial discharge capacity was 73 mAh / g (normalized per weight of methyl orange powder), and in Example 2 using methyl red sodium salt, the initial discharge capacity was 87 mAh / g. g (normalized per weight of methyl red sodium salt powder). The average discharge voltage was 2.5 V in Example 1 and 2.4 V in Example 2. Table 1 shows the discharge capacity retention rates at the 20th and 50th cycles. From the table, it can be seen that only about 0.4% capacity reduction per cycle is seen, and that stable cycle characteristics are obtained.

Figure 2014086378
Figure 2014086378

上記のように、実施例1及び実施例2によるナトリウム二次電池は、サイクル特性に優れ充放電可能であることが分かった。しかしながら、開回路からの通電時の放電電圧低下は、両実施例とも大きかった。これは、メチルオレンジ及びメチルレッドナトリウム塩の導電性が低いことに起因していると考えられる。   As mentioned above, it turned out that the sodium secondary battery by Example 1 and Example 2 is excellent in cycling characteristics, and can be charged / discharged. However, the decrease in discharge voltage during energization from the open circuit was great in both examples. This is thought to be due to the low conductivity of methyl orange and methyl red sodium salts.

(実施例3〜6)
本実施例では、メチルオレンジ粉末とアセチレンブラック粉末を、ボールミル(BM)で粉砕・混合すること(ボールミル処理)により、電池性能の改善を試みた。
(Examples 3 to 6)
In this example, methyl orange powder and acetylene black powder were pulverized and mixed with a ball mill (BM) (ball mill treatment) to improve battery performance.

メチルオレンジ粉末とアセチレンブラック粉末(重量比70:25)をミキサー中で数分程度混合した。この混合物に、直径7mmのジルコニア製ボールを加え、3時間(実施例3)、6時間(実施例4)、6.5時間(実施例5)、10時間(実施例6)のBM処理を行った。なお、いずれのBM処理の場合も、メチルオレンジ−アセチレンブラック混合物とボールの混合比率は、重量比で1:10とし、BM処理時の回転速度は500rpmとした。   Methyl orange powder and acetylene black powder (weight ratio 70:25) were mixed in a mixer for about several minutes. A zirconia ball having a diameter of 7 mm was added to this mixture, and BM treatment was performed for 3 hours (Example 3), 6 hours (Example 4), 6.5 hours (Example 5), and 10 hours (Example 6). went. In any BM treatment, the mixing ratio of the methyl orange-acetylene black mixture and the ball was 1:10 by weight, and the rotation speed during the BM treatment was 500 rpm.

得られたBM処理後のメチルオレンジ−アセチレンブラック混合物に、PTFEバインダーを更に加え、らいかい機で混合し、実施例1及び2と同様にして正極ペレットを作製した。このペレットを用いて、上記実施例1及び2と同様にして、コインセルを作製した。また、充放電試験も、上記実施例1及び2と同様に行った。   A PTFE binder was further added to the obtained methyl orange-acetylene black mixture after the BM treatment, and the mixture was mixed with a rake machine to produce positive electrode pellets in the same manner as in Examples 1 and 2. Using this pellet, a coin cell was produced in the same manner as in Examples 1 and 2 above. The charge / discharge test was also performed in the same manner as in Examples 1 and 2 above.

充放電試験の結果を表2に示す(表2では、参考として上記実施例1の結果を合わせて記載した)。BM処理時間が、6h(6時間)までは特性が改善した。また、6hのBM処理において、50サイクル後の放電容量維持率も95%の高い値及び高い放電電圧を達成した。これは、BM処理により、メチルオレンジ粉末とアセチレンブラック粉末の接触性が向上し、粉末間の界面抵抗が減少したためであると推察される。一方、6時間を越えるBM処理では、放電容量などの電池性能は低下した。これは、BM処理時の局所的な熱の発生により、メチルオレンジの分解が起こったためであると考えられる。このように、本発明では、正極材料の活物質をBM処理することにより、通電時の放電電圧の低下を抑制し、放電電圧や放電容量についての電池性能が改善することが明らかとなった。ただし、BM処理については、試料の粒子サイズや使用するボールの材質や大きさによって最適条件が異なるため、それぞれの場合で最適化を行う必要があると考えられる。   The results of the charge / discharge test are shown in Table 2 (in Table 2, the results of Example 1 are also shown for reference). The characteristics improved until the BM treatment time was 6 hours (6 hours). In addition, in the BM treatment for 6 hours, the discharge capacity retention rate after 50 cycles achieved a high value of 95% and a high discharge voltage. This is presumably because the BM treatment improved the contact between the methyl orange powder and the acetylene black powder, and the interfacial resistance between the powders decreased. On the other hand, the battery performance such as the discharge capacity deteriorated in the BM treatment exceeding 6 hours. This is presumably because methyl orange was decomposed due to local heat generation during BM treatment. Thus, in this invention, it became clear by carrying out BM treatment of the active material of positive electrode material, the fall of the discharge voltage at the time of electricity supply was suppressed, and the battery performance regarding discharge voltage and discharge capacity improved. However, with regard to the BM treatment, the optimum conditions differ depending on the particle size of the sample and the material and size of the ball to be used. Therefore, it is considered that optimization is necessary in each case.

Figure 2014086378
Figure 2014086378

(実施例7〜10)
メチルレッドナトリウム塩粉末とアセチレンブラック粉末を、ボールミル(BM)で粉砕・混合すること(ボールミル処理)により、電池性能の改善を試みた。
(Examples 7 to 10)
An attempt was made to improve battery performance by pulverizing and mixing methyl red sodium salt powder and acetylene black powder with a ball mill (BM) (ball mill treatment).

メチルレッドナトリウム塩粉末とアセチレンブラック粉末(重量比70:25)をミキサー中で数分程度混合した。この混合物に、直径7mmのジルコニア製ボールを加え、3時間(実施例7)、6時間(実施例8)、10時間(実施例9)、10.5時間(実施例10)、12時間(実施例11)のBM処理を行った。なお、いずれのBM処理の場合も、メチルレッドナトリウム塩−アセチレンブラック混合物とボールの混合比率は、重量比で1:10とし、BM処理時の回転速度は300rpmとした。   Methyl red sodium salt powder and acetylene black powder (weight ratio 70:25) were mixed in a mixer for several minutes. To this mixture, a zirconia ball having a diameter of 7 mm was added, 3 hours (Example 7), 6 hours (Example 8), 10 hours (Example 9), 10.5 hours (Example 10), 12 hours ( The BM treatment of Example 11) was performed. In any BM treatment, the mixing ratio of the methyl red sodium salt-acetylene black mixture and the ball was 1:10 by weight, and the rotation speed during the BM treatment was 300 rpm.

得られたBM処理後のメチルレッドナトリウム塩−アセチレンブラック混合物は、PTFEバインダーを加え、らいかい機で混合し、実施例1及び2と同様にして正極ペレットを作製した。このペレットを用いて、実施例1及び2と同様にして、コインセルを作製し、充放電試験を行った。   The obtained BM-treated methyl red sodium salt-acetylene black mixture was added with a PTFE binder and mixed with a coarse machine to produce positive electrode pellets in the same manner as in Examples 1 and 2. Using this pellet, a coin cell was produced in the same manner as in Examples 1 and 2, and a charge / discharge test was performed.

充放電試験の結果を、表3に示す(表3では、参考として上記実施例2の結果を合わせて記載した)。BM処理時間が、3時間では実施例2と同等の効果がみられ、6時間以降は特性が改善し、50サイクル後の放電容量維持率も94%の高い値及び高い放電電圧を達成した。これは、BM処理により、メチルレッドナトリウム塩粉末とアセチレンブラック粉末の接触性が向上し、粉末間の界面抵抗が減少したためであると推察される。一方、10hを越えるBM処理では、放電容量などの電池性能は低下した。これは、BM処理時の局所的な熱の発生により、メチルレッドナトリウム塩の変性が起こったためであると考えられる。このように、本発明では、正極材料の活物質をBM処理することにより、通電時の放電電圧の低下を抑制し、放電電圧や放電容量についての電池性能が改善することが明らかとなった。ただし、BM処理については、試料の粒子サイズや使用するボールの材質や大きさによって最適条件が異なるため、それぞれの場合で最適化を行う必要があると考えられる。   The results of the charge / discharge test are shown in Table 3 (in Table 3, the results of Example 2 above are also described for reference). When the BM treatment time was 3 hours, the same effect as in Example 2 was observed. After 6 hours, the characteristics were improved, and the discharge capacity retention ratio after 50 cycles achieved a high value of 94% and a high discharge voltage. This is presumably because the contact property between the methyl red sodium salt powder and the acetylene black powder was improved by the BM treatment, and the interfacial resistance between the powders was reduced. On the other hand, in the BM treatment exceeding 10 h, battery performance such as discharge capacity was lowered. This is presumably because methyl red sodium salt was denatured due to local heat generation during BM treatment. Thus, in this invention, it became clear by carrying out BM treatment of the active material of positive electrode material, the fall of the discharge voltage at the time of electricity supply was suppressed, and the battery performance regarding discharge voltage and discharge capacity improved. However, with regard to the BM treatment, the optimum conditions differ depending on the particle size of the sample and the material and size of the ball to be used. Therefore, it is considered that optimization is necessary in each case.

Figure 2014086378
Figure 2014086378

(実施例12及び実施例13)
固体電解質としてNASICON(NaZrSiPO12)を、負極材料としてアモルファスカーボンを、正極として実施例4及び9の条件で作製したメチルオレンジ−アセチレンブラック混合物(実施例12)、及びメチルレッドナトリウム塩−アセチレンブラック混合物(実施例13)を、それぞれ使用した。
(Example 12 and Example 13)
NASICON (Na 3 Zr 2 Si 2 PO 12 ) as a solid electrolyte, amorphous carbon as a negative electrode material, and a methyl orange-acetylene black mixture (Example 12) produced under the conditions of Examples 4 and 9 as a positive electrode, and methyl red A sodium salt-acetylene black mixture (Example 13) was used, respectively.

NASICONディスクは、以下の手順で調製した。まず、ZrO(NO・8HO(関東化学株式会社)、NHPO(関東化学株式会社)、及びNaSiO・9HO(関東化学株式会社)を、Na:Zr:Si:P=3:2:2:1の比率となるモル比で混合し、850℃で仮焼成を行った。得られた粉末をペレット成型機でディスク状に成型し、1100℃で24時間の本焼成を行った。 The NASICON disk was prepared by the following procedure. First, ZrO (NO 3 ) 2 · 8H 2 O (Kanto Chemical Co., Inc.), NH 4 H 2 PO 4 (Kanto Chemical Co., Ltd.), and Na 2 SiO 3 · 9H 2 O (Kanto Chemical Co., Ltd.) : Zr: Si: P = 3: 2: 2: 1 were mixed at a molar ratio, and calcined at 850 ° C. The obtained powder was molded into a disk shape by a pellet molding machine and subjected to main firing at 1100 ° C. for 24 hours.

実施例1と同様にして、コインセルを作製した。なお、固体電解質はコインセル内に収まるようにディスク(厚さ:約1mm)状に作製し、図3のセパレータ2の部分にセットした。また、正極/固体電解質/負極のそれぞれの界面に隙間ができないように、コインセルケースに任意の厚さのコインセルと同材質のディスク状のスペーサーを溶接した。   A coin cell was fabricated in the same manner as in Example 1. The solid electrolyte was produced in a disk (thickness: about 1 mm) shape so as to be accommodated in the coin cell, and set in the separator 2 part of FIG. Also, a disc-shaped spacer made of the same material as the coin cell of an arbitrary thickness was welded to the coin cell case so that no gap was formed at each interface of the positive electrode / solid electrolyte / negative electrode.

電池の放電試験は、実施例1とほぼ同様に、市販の放充電測定システムを用いて、正極の有効面積あたりの電流密度で0.5mA/cmを通電し、充電終止電圧3.5V、放電終止電圧2.0Vの電圧範囲で充放電試験を行った。 In the battery discharge test, in the same manner as in Example 1, 0.5 mA / cm 2 was applied at a current density per effective area of the positive electrode using a commercially available discharge charge measurement system, and the charge end voltage was 3.5 V. A charge / discharge test was conducted in a voltage range of a discharge end voltage of 2.0V.

充放電試験の結果を表4に示す。実施例4及び9と比較して、正極/電解質及び負極/電解質の界面の接触抵抗が増大するために、電圧は0.3〜0.5Vの減少を示し、若干ではあるが放電容量も減少した。しかしながら、放電容量で示されるサイクル安定性に変化はみられなかった。本実施例により、固体電解質を含む本発明のナトリウム二次電池が作動可能であることが確認された。   Table 4 shows the results of the charge / discharge test. Compared with Examples 4 and 9, the contact resistance at the positive electrode / electrolyte and negative electrode / electrolyte interface increases, so the voltage shows a decrease of 0.3 to 0.5 V, and the discharge capacity also decreases slightly. did. However, there was no change in the cycle stability indicated by the discharge capacity. According to this example, it was confirmed that the sodium secondary battery of the present invention including the solid electrolyte was operable.

Figure 2014086378
Figure 2014086378

(実施例14及び実施例15)
ポリマー電解質として、PEO系高分子電解質膜を、負極材料としてアモルファスカーボンを、正極として実施例4及び9の条件で作製したメチルオレンジ−アセチレンブラック混合物(実施例14)、及びメチルレッドナトリウム塩−アセチレンブラック混合物(実施例15)を、それぞれ使用した。
(Example 14 and Example 15)
Methyl orange-acetylene black mixture (Example 14) prepared as a polymer electrolyte using PEO polymer electrolyte membrane, amorphous carbon as negative electrode material, and Examples 4 and 9 as positive electrode, and methyl red sodium salt-acetylene A black mixture (Example 15) was used respectively.

PEO系電解質膜(厚さ:約2mm)は、以下の手順で調製した。   A PEO-based electrolyte membrane (thickness: about 2 mm) was prepared by the following procedure.

まず、PEO(Aldrich、Mw=6×10)及び溶質であるLiTFSI(キシダ化学)を、Li/O=1/18となるように、10重量%のBaTiOフィラー(BaTiOは、Aldrich製試薬(粒子径:<2μm)を用いた))と共にアセトニトリル溶媒(キシダ化学)に添加した。一晩攪拌した後、得られた溶液をPTFE板上に塗布し、アセトニトリルを完全に揮発させた。その後、真空下において90℃で12時間乾燥を行った。 First, PEO (Aldrich, Mw = 6 × 10 5 ) and LiTFSI (Kishida Chemical) as a solute are 10 wt% BaTiO 3 filler (BaTiO 3 manufactured by Aldrich) so that Li / O = 1/18. Reagent (with particle size: <2 μm)) was added to the acetonitrile solvent (Kishida Chemical). After stirring overnight, the resulting solution was applied on a PTFE plate to completely volatilize acetonitrile. Then, it dried at 90 degreeC under vacuum for 12 hours.

実施例1と同様にして、コインセルを作製した。なお、ポリマー電解質はコインセル内に収まるようにディスク状に切り抜き、図3のセパレータ2の部分にセットした。また、正極/固体電解質/負極のそれぞれの界面に隙間ができないように、コインセルケースに任意の厚さのコインセルと同材質のディスク状のスペーサーを溶接した。   A coin cell was fabricated in the same manner as in Example 1. The polymer electrolyte was cut out in a disk shape so as to fit in the coin cell, and set in the separator 2 part of FIG. Also, a disc-shaped spacer made of the same material as the coin cell of an arbitrary thickness was welded to the coin cell case so that no gap was formed at each interface of the positive electrode / solid electrolyte / negative electrode.

電池の放電試験は、実施例1とほぼ同様に、市販の放充電測定システムを用いて、正極の有効面積あたりの電流密度で0.5mA/cmを通電し、充電終止電圧3.5V、放電終止電圧2.0Vの電圧範囲で充放電試験を行った。 In the battery discharge test, in the same manner as in Example 1, 0.5 mA / cm 2 was applied at a current density per effective area of the positive electrode using a commercially available discharge charge measurement system, and the charge end voltage was 3.5 V. A charge / discharge test was conducted in a voltage range of a discharge end voltage of 2.0V.

充放電試験の結果を表5に示す。実施例4及び9と比較して、正極/電解質及び負極/電解質の界面の接触抵抗が増大するために、電圧は0.1〜0.2Vの減少を示し、若干ではあるが放電容量も減少した。しかしながら、放電容量で示されるサイクル安定性に変化はみられなかった。本実施例により、ポリマー電解質を含む本発明のナトリウム二次電池が作動可能であることが確認された。   Table 5 shows the results of the charge / discharge test. Compared with Examples 4 and 9, the contact resistance at the positive electrode / electrolyte and negative electrode / electrolyte interface increases, so the voltage shows a decrease of 0.1 to 0.2 V, and the discharge capacity also decreases slightly. did. However, there was no change in the cycle stability indicated by the discharge capacity. This example confirmed that the sodium secondary battery of the present invention containing a polymer electrolyte was operable.

Figure 2014086378
Figure 2014086378

(比較例)
比較例として、レアメタルを含む正極物質を用いたナトリウム二次電池を作製した。正極物質としてNaCoOを評価した。NaCoOは、NaCOとCoを所定モル比(3:2)で混合し、1000℃で焼成を行うことにより合成した。
(Comparative example)
As a comparative example, a sodium secondary battery using a positive electrode material containing a rare metal was produced. NaCoO 2 was evaluated as a positive electrode material. NaCoO 2 was synthesized by mixing Na 2 CO 3 and Co 3 O 4 at a predetermined molar ratio (3: 2) and firing at 1000 ° C.

NaCoOを用いるコインセルは、上記実施例1及び2と同様にして作製及び評価を行った。その結果を、表6に実施例4及び9と比較して示す。 Coin cells using NaCoO 2 were produced and evaluated in the same manner as in Examples 1 and 2 above. The results are shown in Table 6 in comparison with Examples 4 and 9.

本比較例による電池は、実施例4及び9と比較して、初期特性においては、電圧や放電容量について優れた特性を示した。しかしながら、充放電サイクルによる容量減少は著しく、100サイクル後には、初期の約30%の放電容量しか得られなかった。   Compared with Examples 4 and 9, the battery according to this comparative example showed excellent characteristics in terms of voltage and discharge capacity. However, the capacity decrease due to the charge / discharge cycle was significant, and only about 30% of the initial discharge capacity was obtained after 100 cycles.

一方、実施例4及び9の場合、比較例よりも初期性能は劣る(但し、二次電池としての特性としては十分なものである。)ものの、100サイクル後でも放電容量は、それぞれ約88%及び86%維持されており、安定性が高いことが分かった。これは、NaCoOの場合、遷移金属であるCoの溶出が起こっており、容量の減少を誘因したのではないかと考えられる。 On the other hand, in the case of Examples 4 and 9, the initial performance is inferior to that of the comparative example (however, the characteristics as a secondary battery are sufficient), but the discharge capacity is about 88% after 100 cycles. It was found that the stability was high. In the case of NaCoO 2 , the elution of Co, which is a transition metal, has occurred, which is considered to have caused a decrease in capacity.

以上のように、本発明によるナトリウム二次電池は、コスト性に優れ、更に優れた充放電サイクル特性を有した高性能電池あることが分かった。   As described above, it was found that the sodium secondary battery according to the present invention is a high-performance battery having excellent cost performance and excellent charge / discharge cycle characteristics.

Figure 2014086378
Figure 2014086378

本発明により、コスト性及びサイクル特性に優れたナトリウム二次電池を作製することができ、本発明のナトリウム二次電池は、様々な電子機器の駆動源等として使用することができる。   According to the present invention, a sodium secondary battery having excellent cost performance and cycle characteristics can be manufactured, and the sodium secondary battery of the present invention can be used as a drive source for various electronic devices.

1 正極
2 セパレータ(電解質液を含浸)
3 負極
4 正極ケース
5 ガスケット
6 負極ケース
1 Positive electrode 2 Separator (impregnated with electrolyte)
3 Negative electrode 4 Positive electrode case 5 Gasket 6 Negative electrode case

Claims (5)

ナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質を含む正極、
金属ナトリウム、ナトリウム含有物質、又は、ナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質を含む負極、及び
ナトリウムイオン導電性を有する電解質
を含むナトリウム二次電池であって、
前記正極のナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質が、下記式(I):
Figure 2014086378
で表されるメチルオレンジであることを特徴とするナトリウム二次電池。
A positive electrode containing a substance capable of inserting and removing sodium ions;
A sodium secondary battery comprising a negative electrode containing metallic sodium, a sodium-containing substance, or a substance capable of inserting and removing sodium ions, and an electrolyte having sodium ion conductivity,
A substance capable of inserting and removing sodium ions from the positive electrode is represented by the following formula (I):
Figure 2014086378
A sodium secondary battery characterized by being methyl orange represented by
ナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質を含む正極、
金属ナトリウム、ナトリウム含有物質、又は、ナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質を含む負極、及び
ナトリウムイオン導電性を有する電解質
を含むナトリウム二次電池であって、
前記正極のナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質が、下記式(II):
Figure 2014086378
で表されるメチルレッドナトリウム塩であることを特徴とするナトリウム二次電池。
A positive electrode containing a substance capable of inserting and removing sodium ions;
A sodium secondary battery comprising a negative electrode containing metallic sodium, a sodium-containing substance, or a substance capable of inserting and removing sodium ions, and an electrolyte having sodium ion conductivity,
A substance capable of inserting and removing sodium ions from the positive electrode is represented by the following formula (II):
Figure 2014086378
A sodium secondary battery characterized by being a methyl red sodium salt represented by the formula:
前記正極は、前記メチルオレンジ及びカーボン粒子を含み、ボールミル処理を行った材料であることを特徴とする請求項1に記載のナトリウム二次電池。   2. The sodium secondary battery according to claim 1, wherein the positive electrode is a material including the methyl orange and carbon particles and subjected to a ball mill treatment. 前記正極は、前記メチルレッドナトリウム塩及びカーボン粒子を含み、ボールミル処理を行った材料であることを特徴とする請求項2に記載のナトリウム二次電池。   3. The sodium secondary battery according to claim 2, wherein the positive electrode is a material that includes the methyl red sodium salt and carbon particles and is ball milled. ナトリウム二次電池の製造方法であって、
前記ナトリウム二次電池は、
ナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質及びカーボン粒子を含む正極材料を含む正極、
金属ナトリウム、ナトリウム含有物質、又は、ナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質を含む負極、及び
ナトリウムイオン導電性を有する電解質
を含み、
前記正極のナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質は、下記式(I)で表されるメチルオレンジ、又は、
Figure 2014086378
下記式(II)で表されるメチルレッドナトリウム塩であり、
Figure 2014086378
前記方法は、
(a)前記正極を準備する工程と、
(b)前記負極を準備する工程と、
(c)前記電解質を準備する工程と、
(d)前記正極、負極及び電解質からナトリウム二次電池を作製する工程とを含み、
前記正極を準備する工程が、前記ナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質と、カーボン粒子をボールミルで混合して正極材料を調製する工程を含むことを特徴とするナトリウム二次電池の製造方法。
A method for manufacturing a sodium secondary battery, comprising:
The sodium secondary battery is
A positive electrode comprising a substance capable of inserting and desorbing sodium ions and a positive electrode material comprising carbon particles;
A negative electrode containing metallic sodium, a sodium-containing substance, or a substance capable of inserting and removing sodium ions, and an electrolyte having sodium ion conductivity,
The substance capable of inserting and desorbing sodium ions in the positive electrode is methyl orange represented by the following formula (I), or
Figure 2014086378
Methyl red sodium salt represented by the following formula (II):
Figure 2014086378
The method
(A) preparing the positive electrode;
(B) preparing the negative electrode;
(C) preparing the electrolyte;
(D) producing a sodium secondary battery from the positive electrode, the negative electrode and the electrolyte,
The step of preparing the positive electrode includes a step of preparing a positive electrode material by mixing the substance capable of inserting and desorbing sodium ions and a carbon particle with a ball mill. .
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