JP2014179336A - マグネシウム二次電池用電極及びこれを備えたマグネシウム二次電池 - Google Patents

マグネシウム二次電池用電極及びこれを備えたマグネシウム二次電池 Download PDF

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Abstract

【課題】リチウムより安価ではあるが、加工性の悪いマグネシウムを用いて、安価であり、電池のエネルギー密度を高めた薄膜構造のマグネシウム二次電池用電極及びこれを備えたマグネシウム二次電池の提供。
【解決手段】集電体と、前記集電体の表面に形成されたマグネシウムメッキ層とを含むマグネシウム二次電池用電極。マグネシウム二次電池は、前記集電体の表面に電気化学的メッキにより形成された1〜20μmの厚さのマグネシウムメッキ層とを含む電極を負極として、正極と、前記負極と、前記正極と前記負極との間に介されたセパレータと、及びマグネシウム塩を溶解させた電解液を備えてなる。
【選択図】図1

Description

本出願は、2010年9月17日出願の韓国特許出願第10‐2010‐0091828号に基づく優先権を主張し、該当出願の明細書および図面に開示された内容は、すべて本出願に援用される。
また、本出願は、2011年9月16日出願の韓国特許出願第10‐2011‐0093448号に基づく優先権を主張し、該当出願の明細書および図面に開示された内容は、すべて本出願に援用される。
本発明は、マグネシウム二次電池用電極及びこれを備えたマグネシウム二次電池に関する。より詳しくは、安価で且つ容易に薄膜構造として製造することができるマグネシウム二次電池用電極及びこれを備えたマグネシウム二次電池に関する。
近年、エネルギー貯蔵技術に対する関心が高まりつつある。携帯電話、カムコーダー及びノートPC、さらには電気自動車のエネルギーまで使用分野が拡がるとともに、このような電子機器の電源として使用される電池の高エネルギー密度化に対する要求が高くなっている。
このような要求に応えられる電池として1990年代の初めに開発されたリチウム二次電池が広く使われている。リチウム二次電池は、リチウムイオンを吸蔵及び放出できる炭素材などの負極、リチウム含有酸化物などからなる正極、及び混合有機溶媒にリチウム塩が適量溶解された非水電解液が電池ケース内に備えられることで製造される。
しかし、リチウム二次電池は電解液の副反応及びリチウムの高い反応性によって安全性に問題があり、またリチウム元素は資源的に豊富ではないので高価である。特に、リチウム二次電池のこのような安全性及びコスト問題は、最近中大型電池に対する需要が増大するにつれてさらに考慮しなければならない事項になっており、リチウム二次電池を中大型電池として使うにあたって障害となっている。
このような問題を解決するために、リチウム二次電池の代案として、マグネシウムを電極活物質として使うマグネシウム二次電池が最近提案された。マグネシウム二次電池は、電極、具体的には負極としてマグネシウム板を使ってマグネシウムイオンが正極活物質に挿入‐脱離されながら電子を移動させて充放電が可能な二次電池であって、マグネシウムはリチウムに類似した理論容量密度を持っているが、環境にやさしく、リチウムよりも安価であり、電池の安全性面でもリチウムより優れていることから、リチウム二次電池に代替可能な電池として注目を浴びている。
しかし、負極として使われるマグネシウム板の価格はリチウムよりは安価であるが、他の金属に比べては低い価格とは言えない。また、電池のエネルギー密度を高めるために負極の厚さを薄くするためには、マグネシウム板の薄板化がなされなければならないが、マグネシウムはアルミニウムなどの他の金属に比べて成形性が低いことから薄板の製造には高度の技術が必要であり、それによる工程コストが上昇する問題があって、マグネシウム二次電池の商用化に問題点として残っている。
したがって、本発明が解決しようとする課題は、安価でありながらも電池のエネルギー密度を高めることができる薄膜構造のマグネシウム二次電池用電極及びこれを備えたマグネシウム二次電池を提供することである。
前記課題を解決するために、本発明のマグネシウム二次電池用電極は、集電体と、前記集電体の表面に形成されたマグネシウムメッキ層とを含む。
本発明において、前記電極は、負極であり得る。
本発明において、前記マグネシウムメッキ層は、1μmないし20μmの厚さを持つことができるが、これに限定されるのではない。
本発明による前記マグネシウムメッキ層は、電気化学的メッキによって形成できる。
本発明において、前記集電体は、銅、アルミニウム、SUS(steal use stainless)、ニッケルまたは炭素系物質から製造できる。
また前記課題を解決するために、本発明のマグネシウム二次電池用電極の製造方法は、(S1)マグネシウム塩が溶解された溶液に、作用電極(working electrode)、相対電極(counter electrode)及び基準電極(reference electrode)を浸漬するステップと、(S2)前記電極に電圧を印加するステップと、(S3)前記作用電極である集電体上にマグネシウムメッキ層が形成された電極を得るステップとを含む。
前記マグネシウム塩は、RMgX(Rは、炭素数1ないし10である直鎖型や分枝型のアルキル基、炭素数1ないし10である直鎖型や分枝型のアリール基、または炭素数1ないし10である直鎖型や分枝型のアミン基であり、望ましくは、メチル基、エチル基、ブチル基、フェニル基、またはアニリン基であり、Xは、ハロゲンであり、望ましくは、塩素またはブロム)、MgX(Xは、ハロゲンであり、望ましくは、塩素またはブロム)、RMg(Rは、アルキル基、ジアルキルボロン基、ジアリールボロン基、アルキルカルボニル基(例えば、メチルカルボニル基(‐COCH))またはアルキルスルホニル基(例えば、トリフルオロメチルスルホニル基(‐SOCF))、MgClOなどをそれぞれ単独でまたは2種以上混合して使える。
本発明のマグネシウム二次電池用電極は、エネルギー密度が高いマグネシウム二次電池の製造に有用に使われ得る。
本発明のマグネシウム二次電池用電極は、既存のマグネシウム二次電池用電極として使われるマグネシウムホイルやマグネシウムリボンに比べて製造工程が簡単でありながらも入手しやすい銅ホイルやアルミニウムホイルを集電体として使用することで、製造コストを低減できる。
また、マグネシウムメッキ層の厚さを自由に調節できることから、必要に応じた電極の製造が可能である。特に、薄膜の電極を製造できるので、エネルギー密度の高いマグネシウム二次電池を製造できる。
本明細書に添付される下記の図面は本発明の望ましい実施例を例示するものであって、発明の詳細な説明とともに本発明の技術思想をさらに理解させる役割を果たすものであるため、本発明はそのような図面に記載された事項にのみ限定されて解釈されてはいけない。
本発明の実施例に従って製造されたマグネシウム二次電池用電極の写真である。 本発明の実施例に従って製造されたマグネシウム二次電池用電極のXRD測定グラフである。横軸は“2シータスケール”である。 本発明の実施例に従って製造されたマグネシウム二次電池用電極を使用した3電極電池のサイクリック・ボルタンメトリー(cyclic voltammetry)グラフである。 実施例3及び比較例1に従って製造されたコインセルの充放電試験結果グラフである。
以下、本発明を図面を参照しながら詳しく説明する。本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはいけず、発明者は自らの発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義することができるという原則に則して、本発明の技術的思想に符合する意味と概念とに解釈されなければならない。
本発明のマグネシウム二次電池用電極は、集電体と、前記集電体の表面に形成されたマグネシウムメッキ層とを備える。本発明による電極は、負極であり得る。
本発明による前記集電体としては、電気伝導性のある導体であれば制限なく使用することができ、望ましくは、電気伝導性及び成形性に優れていながらも安価である銅やアルミニウムを、ホイルやリボン形状にして使用することができる。
本発明によるマグネシウムメッキ層は、集電体の表面に通常のメッキ方法によって形成されたマグネシウムコーティング層である。メッキ方法によってマグネシウムを集電体にコーティングすれば、マグネシウムを小さくは分子レベルで集電体表面に付着できることから、均一なコーティング層が得られるだけでなく、従来のマグネシウム板としては具現し難かった、厚さが数ミクロンレベルである薄い薄膜構造のメッキ層を形成できる。例えば、本発明によるマグネシウムメッキ層は、厚さが1μmないし20μm、望ましくは1μmないし15μm、より望ましくは1μmないし10μmであり得るが、これに限定されるのではない。
マグネシウムを集電体にメッキする方法としては、均一な薄膜構造でメッキ層を形成できるメッキ方法であれば特に制限はない。例えば、湿式メッキ法及び乾式メッキ法が両方とも適用でき、湿式メッキ法としては電気化学的メッキ法、無電解メッキ法などが適用でき、乾式メッキ法としては真空蒸着法、スパッタリング法などが適用できるが、これに限定されるのではない。
以下、本発明のマグネシウム二次電池用電極の製造方法の一具現例を詳しく説明する。
説明しようとする製造方法は電気化学的メッキ法に基づいた製造方法であるが、前述のように、本発明に適用できるメッキ法は多様であり、下記説明する方法は例示に過ぎず、これに本発明の範囲が限定されるのではない。
まず、マグネシウム塩が溶解された溶液に、作用電極、相対電極及び基準電極を浸漬する。
メッキ過程において、前記マグネシウム塩から分離されたマグネシウムイオンが集電体上にマグネシウム金属に還元される。使用可能なマグネシウム塩としては、RMgX(Rは、炭素数1ないし10である直鎖型や分枝型のアルキル基、炭素数1ないし10である直鎖型や分枝型のアリール基、または炭素数1ないし10である直鎖型や分枝型のアミン基であり、望ましくは、メチル基、エチル基、ブチル基、フェニル基、またはアニリン基であり、Xは、ハロゲンであり、望ましくは、塩素またはブロム)、MgX(Xは、ハロゲンであり、望ましくは、塩素またはブロム)、RMg(Rは、アルキル基、ジアルキルボロン基、ジアリールボロン基、アルキルカルボニル基(例えば、メチルカルボニル基(‐COCH))またはアルキルスルホニル基(例えば、トリフルオロメチルスルホニル基(‐SOCF))、MgClOなどをそれぞれ単独でまたは2種以上混合して使うことができ、添加剤としては、アルキルアルミニウムを混合して使うことができる。
前記マグネシウム塩を適切な溶媒に溶解させるが、このとき適した溶媒としては、前記化合物を溶解させることができる溶媒であれば制限はないが、例えばテトラヒドロフラン(THF)のような有機溶媒が挙げられる。
マグネシウム塩溶液が用意されれば、前記溶液に、作用電極、相対電極及び基準電極を浸漬させる。このとき、本発明による集電体が作用電極として使われることが望ましい。
前述のように、集電体としては、銅、アルミニウム、SUS、ニッケルまたは炭素系物質(例えば、カーボン紙、カーボンファイバー、カーボンシートなど)から製造されたホイルやリボンが使われ得る。基準電極としてはマグネシウムから製造された電極が使われ、相対電極としては白金電極が使われ得る。
次に、前記電極に電圧を印加する。
電極に電圧を印加すれば、電気化学反応が進み、溶液中に溶解されたマグネシウム塩からのマグネシウムイオンが集電体上にマグネシウム金属に還元されてメッキ層を形成する。
マグネシウム塩の濃度やメッキ時間などを調節することで、集電体上にコーティングされるマグネシウムメッキ層の厚さを自由に調節できる。
次いで、集電体上に所望の厚さでマグネシウムメッキ層が形成されれば、メッキ工程を終了して集電体上にマグネシウムメッキ層が形成された電極を得る。
このように製造された電極は、マグネシウム二次電池に有用に使われ得る。
前記電極は、負極であり得る。
マグネシウム二次電池は、前記のように製造された電極、セパレータ及び電解液を備え、具体的には、正極、前記のように製造された負極、前記正極と負極との間に介されたセパレータ及び電解液を備え得る。
本発明によるマグネシウム二次電池の正極は、当分野で通常使われる製造方法に従って製造できる。例えば、正極活物質に、結着剤と溶媒、必要に応じて、導電材と分散剤を混合及び撹拌してスラリーを製造した後、これを集電体に塗布し圧縮することで、正極を製造できる。
正極活物質としては、マグネシウムイオンが挿入‐脱離可能な遷移金属化合物またはマグネシウム複合金属酸化物が使われ得る。遷移金属化合物としては、例えば、スカンジウム、ルテニウム、チタン、バナジウム、モリブデン、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛などの酸化物、硫化物またはハロゲン化物が使われ得、より具体的には、TiS、ZrS、RuO、Co、Mo、Vなどが使われ得るが、これに限定されるのではない。また、マグネシウム複合金属酸化物としては、例えば、Mg(M1−x)O(0≦x≦0.5、Mは、Ni、Co、Mn、Cr、V、Fe、CuまたはTiであり、Aは、Al、B、Si、Cr、V、C、Na、KまたはMg)で表されるマグネシウム系化合物が使われ得る。
結着剤としては、ビニリデンフルオライド‐ヘキサフルオロプロピレン共重合体(PVDF‐co‐HFP)、ポリビニリデンフルオライド(polyvinylidenefluoride)、ポリアクリロニトリル(polyacrylonitrile)、ポリメチルメタクリレート(polymethylmethacrylate)など、多様な種類のバインダー高分子が使われ得る。
導電材としては、通常導電性炭素が使われ、例えば黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック(Ketjen Black)、デンカブラック(Denka black)、スーパーP、炭素ナノチューブなど多様な導電性炭素材が使われ得る。
正極と負極とが用意されれば、正極と負極との間にセパレータを介し電解液を備えることで、マグネシウム二次電池が製造できる。
本発明で使われる電解液は、電池の安定した作動のために、マグネシウム対比1V以上で電気化学的に安定した電解液であることが求められる。
このような面で電解液に使われる電解質としてはマグネシウム塩が使われ得、例えば強い還元剤であるグリニャール試薬(Grignard reagent)から製造されたグリニャール試薬系合成物を使うことができ、より具体的には、RMgX(Rは、炭素数1ないし10である直鎖型や分枝型のアルキル基、炭素数1ないし10である直鎖型や分枝型のアリール基、または炭素数1ないし10である直鎖型や分枝型のアミン基であり、望ましくは、メチル基、エチル基、ブチル基、フェニル基、またはアニリン基であり、Xは、ハロゲンであり、望ましくは、塩素またはブロム)、MgX(Xは、ハロゲンであり、望ましくは、塩素またはブロム)、RMg(Rは、アルキル基、ジアルキルボロン基、ジアリールボロン基、アルキルカルボニル基(例えば、メチルカルボニル基(‐COCH))またはアルキルスルホニル基(例えば、トリフルオロメチルスルホニル基(‐SOCF))、MgClOなどをそれぞれ単独でまたは2種以上混合して使うことができるが、これに限定されるのではない。
また電解液に使われる溶媒としては、高い酸化電位を有し前記電解質を溶解させることができる溶媒を使うことが望ましく、例えば、プロピレンカーボネート(propylene carbonate、PC)、エチレンカーボネート(ethylene carbonate、EC)、ジエチルカーボネート(diethyl carbonate、DEC)、ジメチルカーボネート(dimethyl carbonate、DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、メチルプロピルカーボネート、ジプロピルカーボネート、ジメチルスルホキシド、アセトニトリル、ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、ビニレンカーボネート、スルホラン、γ‐ブチロラクトン、プロピレンサルファイト及びテトラヒドロフラン(THF)からなる群より選択される何れか一つまたはこれらの中で2種以上の混合物である有機溶媒が代表的に使われ得るが、これに限定されるのではない。
セパレータとしては、従来セパレータとして使用した通常の無機セパレータや有機セパレータを使用できる。無機セパレータとしてはガラスフィルターなどを使用でき、有機セパレータとしては多孔性高分子フィルムを使用できる。多孔性高分子フィルムは、例えばエチレン単独重合体、プロピレン単独重合体、エチレン/ブテン共重合体、エチレン/ヘキセン共重合体、及びエチレン/メタクリレート共重合体などのようなポリオレフィン系高分子で製造した多孔性高分子フィルムが単独でまたはこれらを積層して使用し得る。
本発明で使われる電池ケースとしては、当分野で通常使われるものが採択でき、電池の用途による外形は制限されないが、例えば、缶を使用した円筒型、角型、ポーチ型、またはコイン型などであり得る。
以下、本発明を具体的に説明するために実施例を挙げて詳しく説明する。しかし、本発明による実施例は多くの他の形態に変形され得、本発明の範囲が後述する実施例に限定されると解釈されてはならない。本発明の実施例は当業界で平均的な知識を持つ者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。
実施例1:電極の製造
テトラヒドロフラン(THF)に溶解させた2M 塩化ブチルマグネシウム(2M BuMgCl in THF)溶液に、20μm厚さの銅ホイル(2cm×2cm)を作用電極とし、白金線(Pt wire)を相対電極とし、マグネシウムホイルを基準電極として浸漬した。その後、5mAで1時間に亘ってメッキ反応を行わせて銅ホイル上にマグネシウムメッキ層を形成することで、本発明による電極を製造した。製造された電極の写真を図1に示した。
図1を参照すれば、銅集電体にメッキ層が均一に形成されたことが確認できる。
実験例1:XRDの測定
実施例1に従って製造された電極のXRD測定グラフを図2に示した。
図2を参照すれば、マグネシウムと銅のピークをそれぞれ確認することができ、これから銅集電体にマグネシウムコーティング層が形成されたことが分かる。
また、メッキされたマグネシウムの量は約0.0022gであり、メッキ層の厚さは約3μmであった。
実施例2:3電極電池の製造
実施例1に従って製造された電極を負極(相対電極)として使って3電極マグネシウム電池を製造した。正極(作用電極)としてはMo、基準電極としてはマグネシウムホイルを使い、電解液としてはテトラヒドロフランに溶解させた0.25MのMg(AlClBuEt)溶液を使った。
実験例2:サイクリック・ボルタンメトリー
前記製造された電池のサイクリック・ボルタンメトリーを室温で測定(scan rate:100μV/s)し、その結果を図3に示した。
図3を参照すれば、グラフにマグネシウムイオンの挿入‐脱離ピークが示されているが、本発明の電極がマグネシウム二次電池用電極(例えば、負極)として有用に使われ得ることが確認できる。
実施例3:2電極コインセルの製造
テトラヒドロフラン(THF)に溶解させた2M 塩化ブチルマグネシウム(2M BuMgCl in THF)溶液に、20μm厚さの銅ホイル(2cm×2cm)を作用電極とし、白金線を相対電極とし、マグネシウムホイルを基準電極として浸漬した。その後、1mAで10時間に亘ってメッキ反応を行わせて銅ホイル上にマグネシウムメッキ層を形成することで、本発明による電極を製造した。
また、正極活物質としてMo、導電材としてデンカブラック、バインダーとしてKF1100を80:10:10の比率でNMPに添加し混合して正極スラリーを製造した後、10μm厚さのSUSホイルに塗布し乾燥して正極を製造した。
前記製造された電極を負極とし、前記負極と前記製造された正極との間にセパレータとしてガラスフィルターを使い、電解液としてはテトラヒドロフランに溶解させた0.25MのMg(AlClBuEt)溶液を使ってコインセルを製造した。
比較例1
負極として50μm厚さの薄膜マグネシウムホイルを使ったことを除いては、実施例3と同一の方法でコインセルを製造した。
実験例3:充放電試験
前記製造された実施例3及び比較例1の各コインセルを0.1C‐レートで0.3V〜1.8Vで充放電を施して、電圧プロファイルと容量とを測定し、その結果を図4に示した。
図4を参照すれば、実施例3の0.1C充放電の波形からマグネシウムが挿入されることを確認することができ、容量も約80mAh/gであるので、従来負極として使われるマグネシウム薄膜ホイルを使った比較例1と同等なレベルであることが確認できる。

Claims (13)

  1. 集電体と、
    前記集電体の表面に形成されたマグネシウムメッキ層とを備えてなることを特徴とする、マグネシウム二次電池用電極。
  2. 前記電極が、負極であることを特徴とする、請求項1に記載のマグネシウム二次電池用電極。
  3. 前記マグネシウムメッキ層が、1μmないし20μmの厚さを持つことを特徴とする、請求項1に記載のマグネシウム二次電池用電極。
  4. 前記マグネシウムメッキ層が、電気化学的メッキによって形成されたことを特徴とする、請求項1に記載のマグネシウム二次電池用電極。
  5. 前記集電体が、銅、アルミニウム、SUS、ニッケルまたは炭素系物質を含むことを特徴とする、請求項1に記載のマグネシウム二次電池用電極。
  6. マグネシウム塩が溶解された溶液に、作用電極、相対電極及び基準電極を浸漬するステップと、
    前記電極に電圧を印加するステップと、
    前記作用電極である集電体上にマグネシウムメッキ層が形成された電極を得るステップとを含んでなる、マグネシウム二次電池用電極の製造方法。
  7. 前記作用電極が、電池の集電体であることを特徴とする、請求項6に記載のマグネシウム二次電池用電極の製造方法。
  8. 前記マグネシウム塩が、RMgX(Rは、炭素数1ないし10である直鎖型や分枝型のアルキル基、炭素数1ないし10である直鎖型や分枝型のアリール基、または炭素数1ないし10である直鎖型や分枝型のアミン基であり、Xは、ハロゲンである)、MgX(Xは、ハロゲンである)、RMg(Rは、アルキル基、ジアルキルボロン基、ジアリールボロン基、アルキルカルボニル基またはアルキルスルホニル基である)、及びMgClOからなる群より選択される何れか一つまたはこれらの中で2種以上の混合物を含むことを特徴とする、請求項6に記載のマグネシウム二次電池用電極の製造方法。
  9. マグネシウム二次電池であって、
    正極と、負極と、前記正極と前記負極との間に介されたセパレータと、及び電解液を備えてなるものであり、
    前記負極が請求項1〜5の何れか一項に記載の電極であることを特徴とする、マグネシウム二次電池。
  10. 前記正極が、スカンジウム、ルテニウム、チタン、バナジウム、モリブデン、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅及び亜鉛からなる群より選択される金属の酸化物、硫化物またはハロゲン化物、及びマグネシウム複合金属酸化物からなる群より選択される何れか一種またはこれらの中で2種以上の混合物である正極活物質を備えることを特徴とする、請求項9に記載のマグネシウム二次電池。
  11. 前記電解液が、マグネシウム対比1V以上で電気化学的に安定したことを特徴とする、請求項9に記載のマグネシウム二次電池。
  12. 前記電解液が、グリニャール試薬系合成物を含む電解質を備えることを特徴とする、請求項9に記載のマグネシウム二次電池。
  13. 前記電解液が、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、ジプロピルカーボネート、ジメチルスルホキシド、アセトニトリル、ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、ビニレンカーボネート、スルホラン、γ‐ブチロラクトン、プロピレンサルファイト及びテトラヒドロフランからなる群より選択される何れか一種またはこれらの中で二種以上の混合物である有機溶媒を備えることを特徴とする、請求項9に記載のマグネシウム二次電池。
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