JP2014149943A - Active material and secondary battery using the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an active material capable of being used in an aqueous electrolyte, less in deterioration of discharge capacity due to repetition of charging/discharging, and excellent in cycle characteristics, and a secondary battery using the active material and an aqueous electrolyte.SOLUTION: A secondary battery having a sufficient charge/discharge function and excellent in cycle characteristics can be obtained by using: an active material that is a phosphate containing sodium and at least one element selected from transition metal elements and having a maricite-type crystal structure, as a positive electrode active material; and an aqueous electrolyte.

Description

本発明は、二次電池の活物質およびそれを用いた二次電池に関する。   The present invention relates to an active material for a secondary battery and a secondary battery using the same.

近年、二次電池は、携帯電話やノートPCだけでなく、電気自動車用バッテリーや住宅・店舗用蓄電池としてもその用途を広げている。   In recent years, secondary batteries have been used not only as mobile phones and notebook PCs, but also as electric vehicle batteries and residential / store storage batteries.

二次電池は、一般に正極と負極と電解液(質)とから構成されており、正極には例えば遷移金属とアルカリ金属の酸化物が、負極には例えば黒鉛やハードカーボンなどの炭素系材料や、合金系材料、酸化物材料が、そして電解液には溶媒として有機系(非水系)溶媒や水系溶媒が用いられている。このような電池の代表例としては、リチウムイオン電池や鉛電池が挙げられる。   A secondary battery is generally composed of a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte solution (quality). The positive electrode includes, for example, transition metal and alkali metal oxides, and the negative electrode includes, for example, carbon-based materials such as graphite and hard carbon. An alloy material, an oxide material, and an organic (non-aqueous) solvent or an aqueous solvent are used as a solvent in the electrolytic solution. Typical examples of such batteries include lithium ion batteries and lead batteries.

リチウムイオン電池は、エネルギー密度が高いことから、今後、電気自動車用や家庭用の蓄電池だけでなく、風力や太陽光発電などの電圧安定化や貯蔵、夜間に蓄電した電力を日中に供給して電力負荷を平準化するなどの目的に利用する、数kWから数MWの大容量を有する定置用の大型蓄電池としても期待されている。しかしながらリチウムイオン電池では電極材料にLiやCo、Niなどのレアメタルが用いられており、地球上に存在する量、いわゆるクラーク数が小さく、今後リチウムイオン電池の需要が増えればさらに単価の高騰が懸念される。   Since lithium-ion batteries have a high energy density, they will not only supply storage batteries for electric vehicles and households, but also provide voltage stabilization and storage, such as wind power and solar power generation, and power stored at night during the day. It is also expected as a stationary large storage battery having a large capacity of several kW to several MW, which is used for the purpose of leveling the electric power load. However, in lithium ion batteries, rare metals such as Li, Co, and Ni are used as electrode materials, and the amount existing on the earth, the so-called Clark number, is small. If the demand for lithium ion batteries increases in the future, there is a concern that the unit price will rise further. Is done.

そこで近年、リチウムイオン電池に替わり、Naイオンにより充放電を行うナトリウムイオン電池が研究・開発されている。ナトリウムイオン電池の特徴としては、Liイオンと比べてNaイオンのイオン半径が大きい点が挙げられる。したがって、活物質として例えば複合酸化物を用いる場合には、リチウムの場合には化合物として不安定な、層状構造を有するマンガン複合酸化物(NaMnO)を比較的容易に合成できるという利点がある。一方、リン酸塩の場合は、LiFePOなどで知られるオリビン型構造より、斜方晶のマリサイト型構造のほうが安定となるが、マリサイト構造ではNaイオンのパスがほとんど無く、電気化学的には不活性であることが一般に知られており、活物質としてはほとんど検討が進んでいない。 In recent years, therefore, sodium ion batteries that charge and discharge with Na ions have been researched and developed in place of lithium ion batteries. A feature of the sodium ion battery is that the ion radius of Na ions is larger than that of Li ions. Therefore, for example, when a composite oxide is used as the active material, in the case of lithium, there is an advantage that a manganese composite oxide (NaMnO 2 ) having a layered structure that is unstable as a compound can be synthesized relatively easily. On the other hand, in the case of phosphate, the orthorhombic marisite structure is more stable than the olivine structure known from LiFePO 4 or the like, but the marisite structure has almost no Na ion path and is electrochemical. It is generally known that it is inactive, and the active material has hardly been studied.

ナトリウムのリン酸塩については、例えば、特許文献1では、ナトリウムおよびFeもしくはMnを含むリン酸塩を正極の活物質として提案している。また、特許文献2においては、オリビン型リン酸ナトリウムを正極の活物質として用いることが提案されている。   Regarding sodium phosphate, for example, Patent Document 1 proposes a phosphate containing sodium and Fe or Mn as an active material of the positive electrode. In Patent Document 2, it has been proposed to use olivine-type sodium phosphate as the active material of the positive electrode.

特許2010−018472号公報Japanese Patent No. 2010-018472 特開2011−034963号公報JP 2011-034963 A

Kyu Tae Lee, L.F.Nazar,et al, Chem.mater.2011.23.3593-3600Kyu Tae Lee, L.F.Nazar, et al, Chem.mater. 2011.23.3593-3600

しかしながら、化学式NaMPO(ただし、Mは遷移金属元素)などのリン酸塩系の活物質は、導電率が低いことが知られている。特に、特許文献1に記載されている斜方晶
のマリサイト型構造を有するものは、イオン伝導率が低く、非特許文献1や特許文献2で記載されているように、通常は電気化学的にほとんど不活性である。これは結晶構造に起因する構造的な課題であり、特許文献1のようにBETの比表面積をあげたとしても、二次電池の電極に用いる活物質として充分な容量を得ることは難しい。
However, phosphate-based active materials such as the chemical formula NaMPO 4 (where M is a transition metal element) are known to have low electrical conductivity. In particular, those having an orthorhombic marisite structure described in Patent Document 1 have low ionic conductivity, and are usually electrochemical as described in Non-Patent Document 1 and Patent Document 2. Almost inactive. This is a structural problem caused by the crystal structure, and even if the specific surface area of BET is increased as in Patent Document 1, it is difficult to obtain a sufficient capacity as an active material used for the electrode of the secondary battery.

そのため、特許文献2では、オリビン型構造を有するNa系リン酸塩を活物質として提案している。しかしながら、Na系リン酸塩は、通常、熱力学的に安定なマリサイト型構造をとり易いため、オリビン型構造を有するNa系リン酸塩を作製する場合は、一旦、オリビン型構造が熱力学的に安定となるLi系リン酸塩を作製した後、Naイオンを含む溶液に浸したり、Naシートを接触させて加熱するなどして、Li系リン酸塩のLiをNaに置換することで、オリビン型構造を有するNa系リン酸塩を得ることができる。しかしながら、このような作製方法では多くの工程や時間、コストがかかる上、オリビン型構造を有するNa系リン酸塩は元々熱力学的に不安定な結晶構造であるため、充放電により構造が変化し、電池性能が低下する可能性が高い。   Therefore, Patent Document 2 proposes an Na-based phosphate having an olivine structure as an active material. However, since Na-based phosphates usually tend to have a thermodynamically stable marisite structure, when preparing Na-based phosphates having an olivine structure, the olivine structure is once thermodynamic. A Li-based phosphate that is stable, and then immersed in a solution containing Na ions or heated by contacting a Na sheet to replace Li in the Li-based phosphate with Na Na-phosphate having an olivine type structure can be obtained. However, such a manufacturing method requires many steps, time, and costs, and the Na-based phosphate having an olivine structure is originally a thermodynamically unstable crystal structure. However, there is a high possibility that the battery performance will deteriorate.

またリチウムイオン電池などアルカリイオン電池では、エチレンカーボネートやジメチルカーボネートなどを溶媒とする非水系電解液が用いられているが、これらの溶媒は可燃性であり、低温の引火点を有するため安全性に問題がある。一方、水系電解液を用いる電池としては、鉛電池やニッケル水素電池が一般に知られているが、これらは酸性やアルカリ性の電解液を用いており、また、鉛電池は人体に極めて有害な鉛を用いているため、やはり安全性に問題がある。   Moreover, in alkaline ion batteries such as lithium ion batteries, non-aqueous electrolytes using ethylene carbonate or dimethyl carbonate as a solvent are used, but these solvents are flammable and have a low-temperature flash point for safety. There's a problem. On the other hand, lead batteries and nickel metal hydride batteries are generally known as batteries using aqueous electrolytes, but these use acidic or alkaline electrolytes, and lead batteries contain lead that is extremely harmful to the human body. Since it is used, there is still a problem with safety.

本発明は、上記の課題を鑑みてなされたもので、水系電解液での使用が可能で充放電の繰り返しによる放電容量の劣化が小さく、サイクル特性に優れた活物質、およびそれと水系電解液を用いた二次電池を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and an active material that can be used in an aqueous electrolyte, has little deterioration in discharge capacity due to repeated charge and discharge, and has excellent cycle characteristics, and an aqueous electrolyte. It aims at providing the used secondary battery.

本発明の活物質は、ナトリウムと、遷移金属元素から選ばれる少なくとも1種の元素とを含むリン酸塩であって、マリサイト型の結晶構造を有することを特徴とする。   The active material of the present invention is a phosphate containing sodium and at least one element selected from transition metal elements, and has a marisite crystal structure.

本発明の二次電池は、正極と、負極と、水系電解液とを備え、前記正極が、上述の活物質を含むことを特徴とする。   The secondary battery of the present invention includes a positive electrode, a negative electrode, and an aqueous electrolyte, and the positive electrode includes the active material described above.

本発明によれば、水系電解液での使用が可能で、充放電の繰り返しによる放電容量の劣化が小さく、サイクル特性に優れた活物質およびそれと水系電解液を用いた二次電池を提供できる。   According to the present invention, it is possible to provide an active material that can be used in an aqueous electrolyte, has little deterioration in discharge capacity due to repeated charge and discharge, and has excellent cycle characteristics, and a secondary battery using the active material and the aqueous electrolyte.

本発明の一実施形態である二次電池の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the secondary battery which is one Embodiment of this invention. 二次電池の外観を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the external appearance of a secondary battery.

本発明の一実施形態である二次電池について、図1に基づいて説明する。本実施形態の二次電池は、正極1と負極3との間に電解質層2を有し、これらは発電要素4を構成している。また、正極1および負極3の電解質層2に面する側とは反対側の面には、それぞれ正極側集電層5Pおよび負極側集電層5Nが設けられている。図1に示した発電要素4を、図2に示すような電池ケースに収納することにより二次電池が形成される。電池ケースの形態はラミネートタイプや円筒型、コイン型など多種多様であるが、いずれの形態であっても良い。図2に示す6Pおよび6Nは、それぞれ外部回路と正極1および負極3とを
電気的に接続する正極端子および負極端子であり、7は自動車用鉛蓄電池などに使用される箱型タイプのケースである。8は過充電時に電気分解にて発生する水素や酸素を放出するための安全弁である。電解質層2としては、セパレータに水系電解液を含浸させたものを用いる。
A secondary battery according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The secondary battery of this embodiment has an electrolyte layer 2 between the positive electrode 1 and the negative electrode 3, and these constitute a power generation element 4. Further, on the surface opposite to the side facing the electrolyte layer 2 of the positive electrode 1 and the negative electrode 3, a positive electrode side current collecting layer 5P and a negative electrode side current collecting layer 5N are provided, respectively. A secondary battery is formed by housing the power generation element 4 shown in FIG. 1 in a battery case as shown in FIG. There are various types of battery cases such as a laminate type, a cylindrical type, and a coin type, but any form may be used. 6P and 6N shown in FIG. 2 are a positive electrode terminal and a negative electrode terminal for electrically connecting the external circuit, the positive electrode 1 and the negative electrode 3, respectively, and 7 is a box type case used for a lead storage battery for automobiles and the like. is there. 8 is a safety valve for releasing hydrogen and oxygen generated by electrolysis during overcharge. As the electrolyte layer 2, a separator impregnated with an aqueous electrolyte is used.

正極1には、ナトリウムと、遷移金属元素から選ばれる少なくとも1種の元素とを含むリン酸塩(以下、Na系リン酸塩ともいう)であって、マリサイト型の結晶構造を有する活物質を用いる。リン酸塩は酸素原子を中心にリン原子を各頂点とする四面体構造をとるため、酸素原子とリン原子との結合が強く、酸素を放出しにくいことから安全性の高い材料であるとともに、Na系リン酸塩においては、マリサイト型構造が熱力学的に安定であることから、安定した電池性能が得られる。なお、マリサイト型の結晶構造を有する材料は電子伝導性が低いため、通常では活物質として使用するのが困難だが、イオン伝導率の高い水系電解液を用いた場合には、活物質として充放電を行うことができる。   The positive electrode 1 is a phosphate containing sodium and at least one element selected from transition metal elements (hereinafter also referred to as Na-based phosphate), and an active material having a marisite crystal structure Is used. Phosphate is a highly safe material because it has a tetrahedral structure centered on oxygen atoms, with phosphorus atoms at the vertices, so the bonds between oxygen atoms and phosphorus atoms are strong and it is difficult to release oxygen. In the Na-based phosphate, since the marisite structure is thermodynamically stable, stable battery performance can be obtained. It should be noted that a material having a marisite crystal structure has a low electronic conductivity, so that it is usually difficult to use it as an active material. However, when an aqueous electrolyte having high ionic conductivity is used, the material is filled as an active material. Discharge can be performed.

Na系リン酸塩に含まれる遷移金属元素は、少なくともマンガンを含むことが好ましい。水系電解液を用いた二次電池の場合、最も注意すべき点は水の電気分解である。ネルンストの式から、pHが7の場合、酸素が発生する電位は、標準水素電極に対して+0.82Vとなる。これはNaの酸化還元電位であるNa/Na+の電位差に換算すると3.5Vとなり、過電圧分を考慮しても3.9V程度である。すなわち、水系電解液を用いたナトリウムイオン二次電池に用いる活物質は、3.9V以下の電位で充電を行える活物質である必要がある。   The transition metal element contained in the Na-based phosphate preferably contains at least manganese. In the case of a secondary battery using an aqueous electrolyte, the most important point is the electrolysis of water. From the Nernst equation, when the pH is 7, the potential at which oxygen is generated is +0.82 V with respect to the standard hydrogen electrode. This is 3.5V when converted to a potential difference of Na / Na + which is an oxidation-reduction potential of Na, and is about 3.9V even when overvoltage is taken into consideration. That is, the active material used for the sodium ion secondary battery using the aqueous electrolyte solution needs to be an active material that can be charged at a potential of 3.9 V or less.

化学式NaMPO(ただし、Mは遷移金属元素)で表されるNa系リン酸塩において、充電電圧を3.9V以下とするためには、その構成元素である遷移金属元素Mとして、MnやFeを用いればよい。特にMnをMとして用いた場合は、充電電位が水の電気分解電圧に近く、高電圧が得られるため好ましい。なお、たとえば、CoやNiなどをMとして用いた場合は、充電可能な電位が4.2V以上となり、水の電気分解電位に対して高すぎる、すなわち、水が電気分解しない電圧範囲では充電できないため、水系電解液を用いたナトリウムイオン電池に用いる活物質としては使用できない。 In the Na-based phosphate represented by the chemical formula NaMPO 4 (where M is a transition metal element), in order to set the charging voltage to 3.9 V or less, the transition metal element M that is a constituent element thereof is Mn or Fe. May be used. In particular, when Mn is used as M, the charging potential is close to the electrolysis voltage of water and a high voltage is obtained, which is preferable. For example, when Co, Ni, or the like is used as M, the chargeable potential is 4.2 V or more, which is too high with respect to the water electrolysis potential, that is, cannot be charged in a voltage range where water does not electrolyze. Therefore, it cannot be used as an active material used for a sodium ion battery using an aqueous electrolyte.

本実施形態においては、Na系リン酸塩の表面、あるいは表面近傍に、電子伝導性を有する物質を有していることが好ましい。マリサイト型の結晶構造を有する材料は電子伝導性が低いため、通常では活物質として使用するのが困難だが、イオン伝導率の高い水系電解液を用いることで、活物質として充分な充放電の機能を発揮する。更にマリサイト構造を有するNa系リン酸塩の表面に電子伝導性を有する物質が存在することにより、活物質であるNa系リン酸塩の電子伝導性を補い、水系電解質を用いた二次電池の正極活物質として好適に用いることができる。このような電子伝導性を有する物質としては、たとえば導電性のカーボンや金属、金属化合物などが挙げられる。   In this embodiment, it is preferable to have a substance having electron conductivity on the surface of Na-based phosphate or in the vicinity of the surface. A material having a marisite crystal structure has low electronic conductivity, so it is usually difficult to use it as an active material. However, by using an aqueous electrolyte with high ionic conductivity, sufficient charge and discharge as an active material can be achieved. Demonstrate the function. Further, the presence of a substance having electron conductivity on the surface of Na-based phosphate having a marisite structure supplements the electron conductivity of Na-based phosphate as an active material, and a secondary battery using an aqueous electrolyte. It can be suitably used as a positive electrode active material. Examples of such a material having electronic conductivity include conductive carbon, metal, and metal compound.

これらは、たとえば、CVDやスパッタ、蒸着などの方法でNa系リン酸塩の表面に設けることができるが、特にFeとPとを含む金属化合物は、Feを含むリン酸塩の場合、構成元素を元にして、添加剤の追加や工程数の増加を伴わずに容易に形成することができるため好ましい。また、FeとPとを含む金属化合物のうち、FePやFePは、電気化学的に安定であるとともに、十分な伝導性を有することから、特に好ましい。 These can be provided on the surface of the Na-based phosphate by, for example, CVD, sputtering, vapor deposition, or the like. In particular, when the metal compound containing Fe and P is a phosphate containing Fe, it is a constituent element. Based on the above, it is preferable because it can be easily formed without adding an additive or increasing the number of steps. Of metal compounds containing Fe and P, Fe 2 P and Fe 3 P are particularly preferable because they are electrochemically stable and have sufficient conductivity.

Na系リン酸塩に含まれるFeの含有率は、遷移金属元素Mの合計量に対して、1〜20原子%の範囲とすることが好ましい。Na系リン酸塩におけるFeの含有率をこのような範囲とすることにより、マリサイト型構造を有するNa系リン酸塩を活物質として用いる上で必要な導電性を発現するに足るFeとPとの金属化合物を、Na系リン酸塩の表面や表面近傍に形成することができ、かつFeの導入による低電位化の影響を小さく抑える
ことができる。
The content of Fe contained in the Na-based phosphate is preferably in the range of 1 to 20 atomic% with respect to the total amount of the transition metal element M. Fe and P sufficient to express the conductivity necessary for using Na-based phosphate having a marisite structure as an active material by setting the Fe content in the Na-based phosphate in such a range. The metal compound can be formed on the surface of the Na-based phosphate or in the vicinity of the surface, and the effect of lowering the potential due to the introduction of Fe can be reduced.

また、マリサイト型構造を有するNa系リン酸塩の表面に、カーボンを含む被覆層を形成しても良く、この被覆層は、FeとPとの金属化合物の上にさらに設けられたものであってもよい。これにより、さらに導電性を高めることができる。なお、被覆層は、電気化学的に安定なカーボンを主体とするものであることが好ましい。なお、カーボンを含む被覆層は、Na系リン酸塩の表面全てを覆っている必要はなく、たとえば表面の1%以上を覆っていればよい。リン酸塩の表面の1%以上を覆っていることで、リン酸塩を活物質として正極を形成した時に、充放電の際に活物質間において充分な導電性が得られる。   In addition, a coating layer containing carbon may be formed on the surface of the Na-based phosphate having a marisite structure, and this coating layer is further provided on a metal compound of Fe and P. There may be. Thereby, electroconductivity can be improved further. The coating layer is preferably composed mainly of electrochemically stable carbon. In addition, the coating layer containing carbon does not need to cover the entire surface of the Na-based phosphate, and may cover, for example, 1% or more of the surface. By covering 1% or more of the surface of the phosphate, sufficient conductivity can be obtained between the active materials during charge and discharge when the positive electrode is formed using the phosphate as the active material.

カーボンを含む被覆層の平均厚さは、1〜100nmの範囲であることが好ましい。100nmよりも厚くなると、活物質と電解質との間のイオン伝導が困難となってイオン抵抗が増大し、1nmよりも薄い場合は活物質間において充分な導電性が得られない場合がある。   The average thickness of the coating layer containing carbon is preferably in the range of 1 to 100 nm. When the thickness is greater than 100 nm, ion conduction between the active material and the electrolyte becomes difficult, and the ionic resistance increases. When the thickness is less than 1 nm, sufficient conductivity may not be obtained between the active materials.

なお、活物質が表面に電子伝導性を有する物質を有することは、ナイキストプロットなどのインピーダンス測定法により確認できる。また、電子伝導性を有する物質の種類は、EDS(エネルギー分散X線分光法)により確認できる。カーボン被覆層については、透過型電子顕微鏡(TEM)およびエネルギー分散型X線分光(EDS)により確認できる。また、カーボン被覆層の厚さは透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて確認すればよく、たとえばTEMでリン酸塩の断面写真を撮影し、カーボン被覆層をEDSにより判別してその厚さを5箇所測定し、その平均をカーボン被覆層の厚さの平均とすればよい。   In addition, it can confirm that an active material has the substance which has electronic conductivity on the surface by impedance measuring methods, such as a Nyquist plot. In addition, the type of substance having electron conductivity can be confirmed by EDS (energy dispersive X-ray spectroscopy). The carbon coating layer can be confirmed by a transmission electron microscope (TEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS). Further, the thickness of the carbon coating layer may be confirmed using a transmission electron microscope (TEM). For example, a cross-sectional photograph of a phosphate is taken with a TEM, and the thickness of the carbon coating layer is determined by EDS. Five locations are measured, and the average may be the average thickness of the carbon coating layer.

活物質中の組成は、ICP発光分光分析などにより確認できる。また、活物質の結晶構造は、活物質のX線回折(XRD)測定を行い、得られたX線プロファイルから結晶相を同定することにより確認できる。   The composition in the active material can be confirmed by ICP emission spectral analysis or the like. The crystal structure of the active material can be confirmed by performing X-ray diffraction (XRD) measurement of the active material and identifying the crystal phase from the obtained X-ray profile.

このような活物質の作製法の一例として、Na、MnおよびFeを含むリン酸塩の固相法による合成について説明する。Na源としては、たとえば炭酸ナトリウムや炭酸水素ナトリウム、水酸化ナトリウムなどを用いることができる。Mn源としては、三二酸化マンガン(III)、二酸化マンガン(IV)炭酸マンガン(II)などを、Fe源としては酸化第二鉄(III)、酸化第一鉄(II)、四三酸化鉄(II、III)などを用いることができる。P源としては、リン酸水素二アンモニウムやリン酸二水素アンモニウム、その他リン酸塩を用いることができる。これらの素原料粉末を所定量配合して、アルコールなどの溶媒中で混合し、溶媒を乾燥した後、非酸化雰囲気で600〜1100℃、好ましくは700〜1000℃の温度範囲で熱処理することで、Na、MnおよびFeを含むリン酸塩(以下、単にリン酸塩ともいう)を合成することができる。なお、固相法以外に水熱法、ゾルゲル法など、周知の合成法のいずれを用いてもよい。得られたリン酸塩は、必要に応じボールミルやビーズミル等の手法により粉砕するなどして粒度調整を行ってもよい。粒度調整を行う場合、リン酸塩の粉末の平均粒径を例えば0.5〜1.0μmとすることにより、高出力に対応することができ、好ましい。粉末の平均粒径は、たとえば回折散乱法による粒度分布測定などにより確認できる。   As an example of a method for producing such an active material, synthesis of a phosphate containing Na, Mn, and Fe by a solid phase method will be described. As the Na source, for example, sodium carbonate, sodium hydrogen carbonate, sodium hydroxide and the like can be used. As the Mn source, manganese trioxide (III), manganese dioxide (IV), manganese carbonate (II) and the like are used. As the Fe source, ferric oxide (III), ferrous oxide (II), and iron trioxide ( II, III) and the like can be used. As the P source, diammonium hydrogen phosphate, ammonium dihydrogen phosphate, and other phosphates can be used. A predetermined amount of these raw material powders are mixed, mixed in a solvent such as alcohol, dried, and then heat-treated in a non-oxidizing atmosphere at a temperature of 600 to 1100 ° C, preferably 700 to 1000 ° C. , Na, Mn, and Fe-containing phosphate (hereinafter, also simply referred to as phosphate) can be synthesized. In addition to the solid phase method, any known synthesis method such as a hydrothermal method or a sol-gel method may be used. The obtained phosphate may be subjected to particle size adjustment by pulverization by a technique such as a ball mill or a bead mill, if necessary. When adjusting the particle size, the average particle size of the phosphate powder is preferably set to 0.5 to 1.0 μm, for example, which can cope with high output and is preferable. The average particle size of the powder can be confirmed by, for example, particle size distribution measurement by a diffraction scattering method.

Na系リン酸塩の表面、あるいは表面近傍にFeとPとを含む金属化合物を形成するには、得られたリン酸塩を、非酸化雰囲気で熱処理すればよい。また、上述のリン酸塩の合成時に、熱処理を非酸化雰囲気中で行ってもよく、この場合より容易にFeとPとを含む金属化合物を形成することができる。   In order to form a metal compound containing Fe and P on or near the surface of the Na-based phosphate, the obtained phosphate may be heat-treated in a non-oxidizing atmosphere. Further, heat treatment may be performed in a non-oxidizing atmosphere during the synthesis of the above-described phosphate, and a metal compound containing Fe and P can be formed more easily than in this case.

カーボン被覆層は、得られたリン酸塩の粉末と、PVAやフェノール樹脂などの炭素源とを、ボールミルなどの周知の方法で混合し、非酸化雰囲気中で500〜900℃の温度
で焼成することで形成できる。
The carbon coating layer is obtained by mixing the obtained phosphate powder and a carbon source such as PVA or a phenol resin by a known method such as a ball mill and firing at a temperature of 500 to 900 ° C. in a non-oxidizing atmosphere. Can be formed.

次に得られたリン酸塩を用いて電極を作製する。たとえば、活物質としてこのリン酸塩を80質量%、導電助剤としてアセチレンブラックを15質量%およびバインダーとしてポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を5質量%に、さらに溶媒として水を添加してスラリーを作製する。作製したスラリーを、ドクターブレード法やロールプレスなどの周知の成形法により、例えばTi箔上に塗布し溶剤を乾燥することで、Na、Mn、およびFeを含むリン酸塩である活物質と導電助剤と結着剤(バインダー)を含む電極を作製できる。   Next, an electrode is produced using the obtained phosphate. For example, 80% by mass of this phosphate as an active material, 15% by mass of acetylene black as a conductive assistant, 5% by mass of polytetrafluoroethylene (PTFE) as a binder, and water as a solvent are added to form a slurry. Make it. The prepared slurry is applied on a Ti foil, for example, by a known molding method such as a doctor blade method or a roll press, and the solvent is dried, so that the active material that is a phosphate containing Na, Mn, and Fe is electrically conductive. An electrode containing an auxiliary agent and a binder (binder) can be produced.

バインダーは、ポリテトラフルオロエチレン以外にも、たとえばポリフッ化ビニリデン、フッ素系ゴム、スチレンブタジエンゴム、ポリイミド樹脂(PI)、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂など、用途によって適したものを選んで使用できる。また、導電助剤も、アセチレンブラックの代わりにケッチェンブラックやカーボンナノチューブ、黒鉛、ハードカーボン、金属(Ni、金、白金など)の粉末、無機導電性酸化物(酸化インジウムスズ(ITO)ガラス、酸化スズなど)など、使用電圧範囲において化学的に安定で導電性を示すものであればその材料はいずれでも良い。   In addition to polytetrafluoroethylene, the binder can be selected and used depending on the application, such as polyvinylidene fluoride, fluorine-based rubber, styrene butadiene rubber, polyimide resin (PI), polyamide resin, and polyamideimide resin. Also, the conductive auxiliary agent is ketjen black, carbon nanotube, graphite, hard carbon, metal (Ni, gold, platinum, etc.) powder instead of acetylene black, inorganic conductive oxide (indium tin oxide (ITO) glass, Any material may be used as long as it is chemically stable and exhibits conductivity in the operating voltage range, such as tin oxide.

また、得られた複合酸化物の粉末を用いて、押し出し成形やロールコンパクション法などの成形法によって圧粉体を作製し、電極を形成してもよい。また、導電助材やバインダーを含まないで焼成することで得られる焼結体として形成しても良い。   Alternatively, an electrode may be formed using the obtained composite oxide powder by forming a green compact by a molding method such as extrusion molding or a roll compaction method. Moreover, you may form as a sintered compact obtained by baking without including a conductive support material and a binder.

電極中における活物質の粒子の平均粒径は、これを用いる二次電池の電圧範囲や温度などの使用条件に応じて、適正な範囲を選んで調整すればよいが、たとえば、5〜10μmであることが好ましい。活物質粒子の平均粒径が小さすぎると、高出力に対応できるが、電解液との接触面積が大きくなるため、使用条件によっては劣化が早く起こりやすい場合がある。また、テープ成形自体も困難になる。一方、大きすぎると、テープ成形において突起物が出来たり、電池の出力応答が低下する懸念がある。電極中における活物質の粒子の平均粒径は、たとえば電極の断面において、走査型電子顕微鏡(SEM)と波長分散型X線分析(WDS)により活物質の粒子を判別し、撮影した写真を画像解析して算出するなどして求めることができる。   The average particle size of the active material particles in the electrode may be adjusted by selecting an appropriate range according to the use conditions such as the voltage range and temperature of the secondary battery using the active material. Preferably there is. If the average particle size of the active material particles is too small, it can cope with high output, but the contact area with the electrolytic solution becomes large, so that deterioration may easily occur depending on use conditions. Also, the tape molding itself becomes difficult. On the other hand, if it is too large, there is a concern that protrusions may be formed in the tape molding or the output response of the battery will be reduced. The average particle diameter of the active material particles in the electrode is determined by, for example, distinguishing the active material particles in the cross section of the electrode using a scanning electron microscope (SEM) and wavelength dispersive X-ray analysis (WDS), and taking a photograph. It can be obtained by analyzing and calculating.

負極3に用いる活物質は、活性炭やNaTi(PO、LiTi(PO、Tiなどを用いることができる。特に、NaTi(POおよびLiTi(POのいずれかを用いることで高いエネルギー密度が得られる。 As the active material used for the negative electrode 3, activated carbon, NaTi 2 (PO 4 ) 3 , LiTi 2 (PO 4 ) 3 , Ti 2 P 2 O 7, or the like can be used. In particular, a high energy density can be obtained by using either NaTi 2 (PO 4 ) 3 or LiTi 2 (PO 4 ) 3 .

電解質層2としては、セパレータに水系電解液を含浸させたものを用いる。水系電解液を含浸させるセパレータには、イオンを通し、かつ正負極のショートを防止することが求められる。具体的には、ポリオレフィン繊維性の不織布やポリオレフィン製の微多孔膜、ガラスフィルター、セラミックの多孔質材料などを用いることができる。ここで、ポリオレフィンとしてはポリエチレン、ポリプロピレンを挙げることができ、一般的にリチウムイオン電池などの二次電池に用いられるセパレータが適用可能である。   As the electrolyte layer 2, a separator impregnated with an aqueous electrolyte is used. The separator impregnated with the aqueous electrolyte solution is required to pass ions and prevent a short circuit between the positive and negative electrodes. Specifically, a polyolefin fibrous nonwoven fabric, a polyolefin microporous film, a glass filter, a ceramic porous material, or the like can be used. Here, examples of the polyolefin include polyethylene and polypropylene, and a separator generally used for a secondary battery such as a lithium ion battery is applicable.

水系電解液としては、1〜2mol/Lの硫酸ナトリウム水溶液を用いることができる
。pH調整することで、水の電気分解電位を変えることが出来るため、充電電位を変えることも可能である。電解質としては硫酸ナトリウム以外に硝酸ナトリウムなども使うことが出来、水に溶解するナトリウム塩であればいずれのものでも良い。水溶液を電解液に用いた水系二次電池の正極に用いることで、高い安全性と充放電の繰り返しによる放電容量の劣化が小さく、サイクル特性に優れた二次電池を提供できる。
As the aqueous electrolyte, a 1-2 mol / L sodium sulfate aqueous solution can be used. Since the electrolysis potential of water can be changed by adjusting the pH, the charging potential can also be changed. As the electrolyte, sodium nitrate can be used in addition to sodium sulfate, and any sodium salt that dissolves in water may be used. By using the aqueous solution for the positive electrode of the water-based secondary battery using the electrolytic solution, it is possible to provide a secondary battery with high safety and little deterioration in discharge capacity due to repeated charge and discharge and excellent cycle characteristics.

正極側集電層5Pには、正極の電位において溶解や酸素が発生しない耐食性を有する材料を用いればよい。このような材料としては、たとえば、ニッケル、チタン、ステンレス、金、白金、グラファイトシートなどを用いることができる。その中でもチタン、ニッケルは容易に入手でき、コストも比較的入手しやすい価格であることから好ましい。特にチタンは高い電位においても耐食性に優れる点から好ましい。   A material having corrosion resistance that does not generate dissolution or oxygen at the potential of the positive electrode may be used for the positive current collecting layer 5P. As such a material, for example, nickel, titanium, stainless steel, gold, platinum, graphite sheet or the like can be used. Among these, titanium and nickel are preferable because they are easily available and the cost is relatively easily available. In particular, titanium is preferable because it is excellent in corrosion resistance even at a high potential.

負極側集電層5Nには、負極の電位において、Naとの合金化などの副反応が発生しない材料を用いればよい。このような材料としては、たとえば、ニッケル、チタン、ステンレス等を含む金属材料や合金、黒鉛、ハードカーボン、ガラス状炭素等の炭素質材料などを用いることができる。特に、導電性が高く比較的安価な点から、チタンまたはニッケルを用いることが好ましい。   A material that does not cause side reactions such as alloying with Na at the potential of the negative electrode may be used for the negative current collecting layer 5N. As such a material, for example, a metal material including nickel, titanium, stainless steel, an alloy, a carbonaceous material such as graphite, hard carbon, glassy carbon, or the like can be used. In particular, it is preferable to use titanium or nickel from the viewpoint of high conductivity and relatively low cost.

正極側集電層5Pおよび負極側集電層5Nは、これらの金属材料からなる金属箔やメッシュを用いてもよいし、金属材料、炭素質材料またはITOガラスや酸化すずなどの無機導電性酸化物材料などをフィラーとした導電性インクなどを電極材料表面に塗布し、乾燥させたものを用いてもよい。   The positive electrode side current collecting layer 5P and the negative electrode side current collecting layer 5N may use a metal foil or mesh made of these metal materials, or an inorganic conductive oxide such as a metal material, a carbonaceous material, ITO glass or tin oxide. A conductive ink or the like using a material material as a filler may be applied to the electrode material surface and dried.

なお、金属箔またはメッシュを用いる場合、その厚みは5〜40μmとすることが好ましい。また、金属箔を使用する場合は、電極材料との接着力向上のために、金属箔の表面を粗面化処理したものを用いてもよい。この場合、金属箔の表面粗さは、算術平均粗さ(Ra)にして0.5〜2μmであることが好ましい。金属箔の表面粗さは、触針式、光干渉式等の表面粗さ計や、レーザー顕微鏡、原子間力顕微鏡(AFM)等を用いて測定する。一般的に使用される触針式表面粗さ計を用いる場合は、JIS B0601に基づいて、たとえば、触針先端径を2μm、測定長を4.8mm、カットオフ値を0.8mmという条件で測定すればよい。   In addition, when using metal foil or a mesh, it is preferable that the thickness shall be 5-40 micrometers. Moreover, when using metal foil, you may use what roughened the surface of metal foil in order to improve the adhesive force with electrode material. In this case, the surface roughness of the metal foil is preferably 0.5 to 2 μm in terms of arithmetic average roughness (Ra). The surface roughness of the metal foil is measured using a surface roughness meter such as a stylus type or a light interference type, a laser microscope, an atomic force microscope (AFM), or the like. When using a stylus-type surface roughness meter that is generally used, based on JIS B0601, for example, on the condition that the stylus tip diameter is 2 μm, the measurement length is 4.8 mm, and the cutoff value is 0.8 mm Just measure.

以上、本実施形態の二次電池について説明したが、本発明は本実施形態に限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲で種々変更したものにも適用することができる。   The secondary battery of the present embodiment has been described above, but the present invention is not limited to the present embodiment, and can be applied to various modifications without departing from the present invention.

以下、本発明の二次電池について、実施例に基づき詳細に説明する。まず、正極活物質となるNa系リン酸塩を合成した。素原料として、炭酸水素ナトリウム粉末(関東化学製)、三二酸化マンガン(III)粉末(高純度化学製)、酸化鉄(III)粉末(関東化学製)およびリン酸水素2アンモニウム(太平化学産業製)を用いた。   Hereinafter, the secondary battery of this invention is demonstrated in detail based on an Example. First, Na-based phosphate as a positive electrode active material was synthesized. As raw materials, sodium hydrogen carbonate powder (manufactured by Kanto Chemical), manganese trioxide (III) powder (manufactured by high purity chemical), iron (III) oxide powder (manufactured by Kanto Chemical), and diammonium hydrogen phosphate (manufactured by Taihei Chemical Sangyo) ) Was used.

これらの素原料を、組成式NaMn1−xFe(PO)で表したときにxとyが表1に示す値となるように配合し、イソプロピルアルコール(IPA)を溶媒としてスラリー化し、ZrOボールを用いてボールミルにて20時間混合した。混合後のスラリーを乾燥した後、表1に示す温度において、非酸化雰囲気にて10時間の熱処理を行い、Na系リン酸塩を合成した。合成したNa系リン酸塩は、CuKα線を用いてX線回折(XRD)測定を行い、その回折パターンの解析によりNa系リン酸塩に含まれる結晶相を確認した。また、ICP発光分光分析により、Na系リン酸塩の組成を確認し、検出された遷移金属元素の合計量に対するFeの含有量を算出した。合成したNa系リン酸塩に含まれる結晶相、およびFe含有量を表1に示す。 These raw materials, composition formula NaMn 1-x Fe x (PO 4) x and y are blended so that the value shown in Table 1 when expressed in y, slurried with isopropyl alcohol (IPA) as a solvent And ZrO 2 balls were mixed in a ball mill for 20 hours. After drying the mixed slurry, heat treatment was performed for 10 hours in a non-oxidizing atmosphere at the temperatures shown in Table 1 to synthesize Na-based phosphate. The synthesized Na phosphate was subjected to X-ray diffraction (XRD) measurement using CuKα rays, and the crystal phase contained in the Na phosphate was confirmed by analyzing the diffraction pattern. Further, the composition of the Na-based phosphate was confirmed by ICP emission spectroscopic analysis, and the Fe content relative to the total amount of transition metal elements detected was calculated. Table 1 shows the crystal phase and Fe content contained in the synthesized Na-based phosphate.

さらに、カーボン被覆層を形成する試料については、以下のような処理を施した。まず、作製したNa系リン酸塩100質量%に対して、10質量%のポリビニルアルコール(PVA)を添加し、加熱しながら混合した。なお、ポリビニルアルコールは20質量%の水溶液として用いた。得られたNa系リン酸塩とポリビニルアルコールの混合物を、非酸化雰囲気中において800℃で10分間の条件で熱処理した。このようにして得られた試
料については、透過型電子顕微鏡(TEM)およびエネルギー分散型X線分光(EDS)を用いてカーボン被覆層が形成されていることを確認した。なお、このとき同時に、全ての試料について、FeとPの金属化合物が表面または表面近傍に存在するか否かを確認した。結果を表1に示す。
Furthermore, the following process was performed about the sample which forms a carbon coating layer. First, 10 mass% polyvinyl alcohol (PVA) was added with respect to 100 mass% of produced Na-type phosphate, and it mixed, heating. Polyvinyl alcohol was used as a 20% by mass aqueous solution. The obtained mixture of Na-based phosphate and polyvinyl alcohol was heat-treated at 800 ° C. for 10 minutes in a non-oxidizing atmosphere. About the sample obtained in this way, it was confirmed that the carbon coating layer was formed using the transmission electron microscope (TEM) and the energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS). At the same time, it was confirmed whether or not the metal compound of Fe and P was present on or near the surface of all the samples. The results are shown in Table 1.

次に、作製したこれらのNa系リン酸塩を活物質として正極を作製した。正極活物質として、合成したNa系リン酸塩の粉末を80質量%、導電助剤としてアセチレンブラックを15質量%、およびバインダーとしてポリテトラフルオロエチレン5質量%を乳鉢で十分混合した。なお、ポリテトラフルオロエチレンは、あらかじめ水に60質量%の固形分濃度で分散したものを用いた。得られた混合物は、ロールプレスにより厚さが300μmのシート状に成形し、さらに直径2cmの円板状に切断して正極を作製した。   Next, a positive electrode was produced using these produced Na-based phosphates as an active material. As a positive electrode active material, 80% by mass of the synthesized Na-based phosphate powder, 15% by mass of acetylene black as a conductive auxiliary agent, and 5% by mass of polytetrafluoroethylene as a binder were sufficiently mixed in a mortar. The polytetrafluoroethylene used was previously dispersed in water at a solid content concentration of 60% by mass. The obtained mixture was formed into a sheet having a thickness of 300 μm by a roll press, and further cut into a disk having a diameter of 2 cm to produce a positive electrode.

負極活物質には表2に示すようなものを用いた。負極活物質を80質量%、導電助材としてアセチレンブラックを15質量%、およびバインダーとしてポリテトラフルオロエチレン5質量%を、乳鉢で混合し、メッシュパスした後、プレス成形により直径2cm、厚さ3mm(活性炭)および300μm(他の負極活物質)の円板状の負極を作製した。ポリテトラフルオロエチレンは、正極と同様なものを用いた。   The negative electrode active material shown in Table 2 was used. 80% by mass of the negative electrode active material, 15% by mass of acetylene black as a conductive additive, and 5% by mass of polytetrafluoroethylene as a binder were mixed in a mortar, passed through a mesh, and then subjected to press molding to have a diameter of 2 cm and a thickness of 3 mm. Disk-shaped negative electrodes of (activated carbon) and 300 μm (other negative electrode active materials) were prepared. The polytetrafluoroethylene used was the same as that for the positive electrode.

作製した正極および負極には、Tiメッシュを圧着して集電層とした。作製した正極および負極を用い、電池評価セル内部に正極、セパレータ、負極をこの順に配置して組立て、電解液を注入した。セパレータとしては、ポリプロピレン/ポリエチレン製多孔質膜を用い、電解液は、純水に硫酸ナトリウムを1mol/L溶解した水系電解液とした。また、参照電極にはAg/AgCl電極を用いた。   A Ti mesh was pressure-bonded to the produced positive and negative electrodes to form a current collecting layer. Using the produced positive electrode and negative electrode, a positive electrode, a separator, and a negative electrode were arranged in this order inside the battery evaluation cell and assembled, and an electrolytic solution was injected. A polypropylene / polyethylene porous membrane was used as the separator, and the electrolyte was an aqueous electrolyte in which 1 mol / L of sodium sulfate was dissolved in pure water. An Ag / AgCl electrode was used as the reference electrode.

作製したセルの充放電試験は、以下のような条件で行った。   The charge / discharge test of the manufactured cell was performed under the following conditions.

充放電電圧範囲:上限1.45V、下限−0.5V(対Ag/AgCl)
充放電電流値 :1.0mA/cm(定電流充放電)
測定温度 :30℃
表2に、正極活物質の質量あたりの初期放電容量、および放電−充電1回を1サイクルとした50サイクルの充放電試験後の放電容量維持率を示す。
Charging / discharging voltage range: upper limit 1.45V, lower limit -0.5V (vs. Ag / AgCl)
Charge / discharge current value: 1.0 mA / cm 2 (constant current charge / discharge)
Measurement temperature: 30 ° C
Table 2 shows the initial discharge capacity per mass of the positive electrode active material and the discharge capacity retention rate after a 50-cycle charge / discharge test with one discharge-charge cycle.

Figure 2014149943
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Figure 2014149943
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試料No.1〜11は、Naと遷移金属元素を含むマリサイト型のリン酸塩を正極活物質とし、水系電解液を用いて発電要素を構成していることから、二次電池として充分に機能し、かつ優れたサイクル特性を有するものであった。特に、FePおよびカーボン被覆層を有する試料No.1〜4、8〜11は、いずれも100mAh/g以上の高い初期放電容量を示した。なお、試料No.2においては、X線回折(XRD)測定ではFeP結晶相の回折ピークを確認できなかったが、透過型電子顕微鏡(TEM)では活物質表面においてFeとPの金属化合物の存在を確認できた。 Sample No. 1 to 11 are composed of a marisite phosphate containing Na and a transition metal element as a positive electrode active material, and constitute a power generation element using an aqueous electrolyte, and thus sufficiently function as a secondary battery. And it had excellent cycle characteristics. In particular, Sample No. having Fe 3 P and a carbon coating layer. 1 to 4 and 8 to 11 all showed a high initial discharge capacity of 100 mAh / g or more. Sample No. 2, the diffraction peak of the Fe 3 P crystal phase could not be confirmed by X-ray diffraction (XRD) measurement, but the presence of Fe and P metal compounds on the active material surface could be confirmed by a transmission electron microscope (TEM). It was.

1・・・・正極
2・・・・電解質層
3・・・・負極
4・・・・発電要素
5N・・・負極側集電層
5P・・・正極側集電層
6N・・・負極端子
6P・・・正極端子
7・・・・樹脂ケース
8・・・・安全弁
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 .... Positive electrode 2 .... Electrolyte layer 3 .... Negative electrode 4 .... Electric power generation element 5N ... Negative electrode side current collecting layer 5P ... Positive electrode side current collecting layer 6N ... Negative electrode terminal 6P ... Positive terminal 7 ... Resin case 8 ... Safety valve

Claims (10)

ナトリウムと、遷移金属元素から選ばれる少なくとも1種の元素とを含むリン酸塩であって、マリサイト型の結晶構造を有することを特徴とする活物質。   An active material characterized in that it is a phosphate containing sodium and at least one element selected from transition metal elements, and has a marisite crystal structure. 前記リン酸塩が、マンガンを含むことを特徴とする請求項1に記載の活物質。   The active material according to claim 1, wherein the phosphate contains manganese. 前記リン酸塩の表面および表面近傍の少なくともいずれかに、FeとPとを含む金属化合物を有することを特徴とする請求項1または2に記載の活物質。   3. The active material according to claim 1, wherein the active material has a metal compound containing Fe and P on at least one of the surface of the phosphate and the vicinity of the surface. 4. 前記FeとPとを含む金属化合物が、FePおよびFePのうち少なくともいずれかであることを特徴とする請求項3に記載の活物質。 The active material according to claim 3, wherein the metal compound containing Fe and P is at least one of Fe 2 P and Fe 3 P. 前記リン酸塩が、さらに鉄を含むことを特徴とする請求項2乃至4に記載の活物質。   The active material according to claim 2, wherein the phosphate further contains iron. 前記鉄の含有率が、前記リン酸塩に含まれる前記遷移金属元素の合計量に対して、1〜20原子%の範囲にあることを特徴とする請求項5に記載の活物質。   The active material according to claim 5, wherein the iron content is in the range of 1 to 20 atomic% with respect to the total amount of the transition metal elements contained in the phosphate. 前記リン酸塩の表面の少なくとも一部に、カーボンを含む被覆層を備えることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の活物質。   The active material according to claim 1, further comprising a coating layer containing carbon on at least a part of the surface of the phosphate. 前記被覆層の厚みの平均が、1〜100nmの範囲であることを特徴とする請求項7に記載の活物質。   The active material according to claim 7, wherein an average thickness of the coating layer is in a range of 1 to 100 nm. 正極と、負極と、水系電解液とを備え、前記正極が、請求項1乃至8のいずれかに記載の活物質を含むことを特徴とする二次電池。   A secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode, and an aqueous electrolyte, wherein the positive electrode includes the active material according to claim 1. 前記負極が、活物質としてNaTi(POおよびLiTi(POの少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項9に記載の二次電池。 The secondary battery according to claim 9, wherein the negative electrode includes at least one of NaTi 2 (PO 4 ) 3 and LiTi 2 (PO 4 ) 3 as an active material.
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