JP2016063171A - 層状化合物を含む電極材料 - Google Patents
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Abstract
Description
(1) 以下の式(I):
Mn+1XnLm (I)
(式中、Mは、Ti、V、又はCrであり;Xは、C又はNであり;Lは、O、OH、ハロゲン、又はそれらの組み合わせであって;nは1〜3の整数であり;mは2〜6の整数又は少数である。)
で表される組成を有する層状化合物を含む、電極材料;
(2)nが1である、上記(1)に記載の電極材料;
(3)mが2である、上記(1)又は(2)に記載の電極材料;
(4)前記層状化合物が、以下の式(II):
Ti2C(OH)x(F)y (II)
(式中、x+yが、2である)
で表される組成を有する、上記(1)に記載の電極材料;
(5)前記層状化合物が、以下の式(III):
Mn+1AXn (III)
(式中、Mは、Ti、V、又はCrであり;Xは、C又はNであり;Aは、Al、Si、P、S、Ga、Ge、Asよりなる群から選択され;nは1〜3の整数である。)
で表される化合物をフッ化水素酸で処理することによって得られたものである、上記(1)に記載の電極材料;及び
(6)式(II)の前記層状化合物が、Ti2AlC をフッ化水素酸で処理することによって得られたものである、上記(4)に記載の電極材料;
を提供するものである。
(7)上記(1)〜(6)のいずれか1に記載の電極材料を含み、前記層状化合物を電極活物質とすることを特徴とする、蓄電デバイス用電極;
(8)上記(7)に記載の電極を正極又は負極として備える、蓄電デバイス;
(9)電解液が非水電解液である、上記(8)に記載の蓄電デバイス;
(10)前記非水電解液がナトリウム塩を含む、上記(1)に記載の蓄電デバイス;及び
(11)電気化学キャパシタである、上記(8)〜(10)のいずれか1に記載の蓄電デバイス
を提供するものである。
(1)活物質
本発明に係る電極材料は、活物質として、いわゆるMXene相と呼ばれる遷移金属カーバイド或いはナイトライドの層状化合物であって、具体的には、以下の式(I):
Mn+1XnLm (I)
で表される組成を有する層状化合物を含むことを特徴としている。
Ti2C(OH)x(F)y (II)
ここで、x+yの和は、上記mに対応するものであり、したがって2〜6の整数又は少数であるが、好ましくはx+yは2である。ここで、各x及びyは、必ずしも整数である必要はなく、層状構造中における存在比率に応じて少数となる場合もあることは当業者には明らかであろう。
Mn+1AXn (III)
で表される化合物をフッ化水素酸で処理することによって得ることができる。ここで、M、X、及びnは、上記式(I)について説明したものと同様である。式中、Aは、13〜15族の元素であり、好ましくは、Al、Si、P、S、Ga、Ge、Asよりなる群から選択される。例えば、上記式(II)で表される組成を有する層状化合物は、Ti2AlCをフッ化水素酸で処理することによって得ることができる。
本発明の蓄電デバイス用電極は、活物質として上記層状化合物を含有するものであり、当該層状化合物のみを含有するものであっても良く、また、これに加えて、電極のレート特性の向上等のために、公知の導電性材料および結着材の少なくとも一方を含有するものであっても良い。これらを電極集電体に担持させて電極を製造することができる。例えば、活物質、バインダー等を含有するスラリーを調製し、これを集電体上に塗布し、乾燥させることにより製造することができる。本発明の電極は、本発明の活物質を負極活物質として用い、負極とすることが好ましく、特に非水溶媒系のナトリウムイオンキャパシタの負極とすることが好ましい。本発明の電極において、電極活物質は、単独で又は2種以上を混合して使用することができる。
ポリピロール、ポリアクリロニトリル等の導電性ポリマーが挙げられる。電極として使用する際の導電性の高さの観点で、アセチレンブラックが好適である。
本発明の蓄電デバイスは、上記層状化合物を活物質として含む電極を正極又は負極として、好ましくは負極として備えてなるものである。かかる蓄電デバイスとしては、例えば、非水電解質二次電池、電気二重層キャパシタ、ナトリウムイオンキャパシタ等を挙げることができる。本発明においては、本発明の電極を負極として備えてなるナトリウムイオンキャパシタ、特に非水電解液を用いるナトリウムイオンキャパシタであることが好ましい。
本発明の蓄電デバイスにおいて、電解液は、当該技術分野において公知のものを用いることができるが、好ましくは、非水ナトリウムイオン電解液である。
電解質となるナトリウム塩としては、例えば、NaClO4、NaPF6、NaBF4、NaNO3、NaOH、NaCl、NaCF3SO3、NaN(SO2CF3)2、Na2SO4及びNa2S等が挙げられる。これらのナトリウム塩は、各々単独で用いることもできるが、2種以上を組み合わせて使用することもできる。
本発明の蓄電デバイスにおいて用いられるセパレータとしては、正極層と負極層とを電気的に分離する機能を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えばポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエステル、セルロース、ポリアミド等の樹脂からなる多孔質シートや、不織布、ガラス繊維不織布等の不織布等の多孔質絶縁材料等を挙げることができる。
蓄電デバイスの構造としては、例えば、板状の正極と負極とがセパレータを介して各々3層以上積層された電極が外装フィルム内に封入された積層型セル、帯状の正極と負極とがセパレータを介して捲回された電極が角型又は円筒型の容器に収納された捲回型セル等を挙げることができる。
以下の手順に従って、Ti2C(OH)x(F)yの層状化合物を開発した。前駆体となるTi2AlCの合成は、TiC/Al/Tiを1/1/1で混合したペレットを1350℃、アルゴン下で加熱することで得た。Ti2C(OH)x(F)yは、得られたTi2AlCをフッ化水素酸中で撹拌して層間のAlをエッチングすることで得た。
得られたTi2C(OH)x(F)yを用いて、アセチレンブラック10wt%、ポリフッ化ビニリデン5wt%と混合することで、電気化学キャパシタ用電極を作成した。電解液には、1MのNaPF6/エチレンカーボネート−ジエチルカーボネート(体積比1:1)の電解液を用いた。負極/参照極には、反応電圧を正確に記録するためにナトリウム金属を用いた。
Claims (11)
- 以下の式(I):
Mn+1XnLm (I)
(式中、Mは、Ti、V、又はCrであり;Xは、C又はNであり;Lは、O、OH、ハロゲン、又はそれらの組み合わせであって;nは1〜3の整数であり;mは2〜6の整数又は少数である。)
で表される組成を有する層状化合物を含む、電極材料。 - nが1である、請求項1に記載の電極材料。
- mが2である、請求項1又は2に記載の電極材料。
- 前記層状化合物が、以下の式(II):
Ti2C(OH)x(F)y (II)
(式中、x+yが、2である)
で表される組成を有する、請求項1に記載の電極材料。 - 前記層状化合物が、以下の式(III):
Mn+1AXn (III)
(式中、Mは、Ti、V、又はCrであり;Xは、C又はNであり;Aは、Al、Si、P、S、Ga、Ge、Asよりなる群から選択され;nは1〜3の整数である。)
で表される化合物をフッ化水素酸で処理することによって得られたものである、請求項1に記載の電極材料。 - 式(II)の前記層状化合物が、Ti2AlC をフッ化水素酸で処理することによって得られたものである、請求項4に記載の電極材料。
- 請求項1〜6のいずれか1に記載の電極材料を含み、前記層状化合物を電極活物質とすることを特徴とする、蓄電デバイス用電極。
- 請求項7に記載の電極を正極又は負極として備える、蓄電デバイス。
- 電解液が非水電解液である、請求項8に記載の蓄電デバイス。
- 前記非水電解液がナトリウム塩を含む、請求項9に記載の蓄電デバイス。
- 電気化学キャパシタである、請求項8〜10のいずれか1に記載の蓄電デバイス。
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