JP2016100058A - Negative electrode active material for sodium ion battery, negative electrode for sodium ion battery, and sodium ion battery - Google Patents

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

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JP2016100058A JP2014233366A JP2014233366A JP2016100058A JP 2016100058 A JP2016100058 A JP 2016100058A JP 2014233366 A JP2014233366 A JP 2014233366A JP 2014233366 A JP2014233366 A JP 2014233366A JP 2016100058 A JP2016100058 A JP 2016100058A
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慎一 駒場
Shinichi Komaba
慎一 駒場
久保田 圭
Kei Kubota
圭 久保田
浩司 宮本
Koji Miyamoto
浩司 宮本
隆 原田
Takashi Harada
隆 原田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide negative electrode active material capable of manufacturing a sodium ion battery having high safety property and satisfactory battery performance.SOLUTION: A sodium ion battery having high safety property and satisfactory battery performance by using transition metal oxide having a layered crystal structure consisting of a transition metal layer including tetravalent Ti, and mixing simple orthorhombic lattice and body center orthorhombic lattice.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、4価のTiを含む遷移金属層からなる層状の結晶構造を有し、単純斜方格子と体心斜方格子の混合した遷移金属酸化物を利用したナトリウムイオン電池用負極活物質、ナトリウムイオン電池用負極、及びナトリウムイオン電池に関する。   The present invention has a layered crystal structure composed of a transition metal layer containing tetravalent Ti, and uses a transition metal oxide in which a simple orthorhombic lattice and a body-centered orthorhombic lattice are mixed. , A sodium ion battery negative electrode, and a sodium ion battery.

リチウム二次電池は高エネルギー密度の二次電池であり、携帯電話やノートパソコン等の小型電源として既に実用化されている。また、リチウム二次電池は電気自動車、ハイブリッド自動車等の小型電源として既に実用化されている。また、リチウム二次電池は電気自動車、ハイブリッド自動車等の自動車用電源や分散型電力貯蔵用電源等の大型電源として使用可能であることから、その需要は増大しつつある。
しかしながら、リチウム二次電池にはリチウム等の稀少金属元素が使用されているため、リチウム二次電池の需要が増大した場合に、上記稀少金属元素の供給不安定が懸念される。
Lithium secondary batteries are high energy density secondary batteries that have already been put into practical use as small power sources for mobile phones, notebook computers and the like. Lithium secondary batteries have already been put into practical use as compact power sources for electric vehicles, hybrid vehicles, and the like. In addition, since lithium secondary batteries can be used as large-scale power sources such as power sources for automobiles such as electric vehicles and hybrid vehicles, and distributed power storage power sources, the demand is increasing.
However, since a rare metal element such as lithium is used in the lithium secondary battery, there is a concern about unstable supply of the rare metal element when the demand for the lithium secondary battery increases.

そこで、最近ではリチウムよりも豊富に存在するナトリウムを使ったナトリウム電池への注目が集まっており、ナトリウム電池に使用する正極活物質や負極活物質等の材料の研究も進められている。
例えば、特許文献1には、ジグザグ層状構造を持ったNaTiをナトリウムイオン電池の負極材料として利用する例が記載されている。
また、特許文献2には、Ruddlesden−Popper構造を有するYTiをナトリウムイオン電池用の活物質として利用することが記載されており、金属Naの析出を抑制できることが記載されている。
また、非特許文献1には、O3型構造のNaTiO型(0.7<x<1)をナトリウムイオン電池用活物質として利用することが記載されている。
さらに、非特許文献2には、空間群Pmmmに属するレピドクロサイト型のチタネートをナトリウムイオン電池の負極として利用することが記載されている。
Therefore, recently, attention has been focused on sodium batteries using sodium, which is more abundant than lithium, and research on materials such as a positive electrode active material and a negative electrode active material used in sodium batteries is also underway.
For example, Patent Document 1 describes an example in which Na 2 Ti 3 O 7 having a zigzag layered structure is used as a negative electrode material for a sodium ion battery.
Patent Document 2 describes that Y 2 Ti 2 O 5 S 2 having a Ruddleden-Popper structure is used as an active material for a sodium ion battery, and describes that precipitation of metal Na can be suppressed. ing.
Further, Non-Patent Document 1, it is described that utilize Na x TiO 2 type O3 type structure (0.7 <x <1) as an active material for a sodium ion battery.
Furthermore, Non-Patent Document 2 describes that a lepidocrotite-type titanate belonging to the space group Pmmm is used as a negative electrode of a sodium ion battery.

国際公開第2013/004957号International Publication No. 2013/004957 特開2013−062121号公報JP 2013-062121 A

J.Inclusion Phenomena,1,45−51(1983)J. et al. Inclusion Phenomena, 1, 45-51 (1983) Chem. Mater.,26,2502−2512(2014)Chem. Mater. , 26, 2502-2512 (2014)

ナトリウムイオン電池の代表的な負極活物質として、ハードカーボン等の炭素材料が知られている。ハードカーボン等の炭素材料はサイクル特性の向上が期待できるが、炭素材料では金属Naが析出し易く、安全性に改善の余地がある。一方で、例えば特許文献1に記載されているようなNaTi等の複合金属酸化物を負極活物質として利用することもできるが、これらの材料では、初回の充放電によって生じる不可逆容量が大きく、
二次電池としての十分な性能が得られないのが現状である。
即ち、本発明は、高い安全性と良好な電池性能を備えるナトリウムイオン電池を製造することができる負極活物質を提供することを課題とする。
Carbon materials such as hard carbon are known as typical negative electrode active materials for sodium ion batteries. The carbon material such as hard carbon can be expected to improve the cycle characteristics. However, in the carbon material, metal Na is likely to precipitate, and there is room for improvement in safety. On the other hand, for example, composite metal oxides such as Na 2 Ti 3 O 7 described in Patent Document 1 can be used as the negative electrode active material, but these materials are irreversible caused by the first charge / discharge. Large capacity,
At present, sufficient performance as a secondary battery cannot be obtained.
That is, this invention makes it a subject to provide the negative electrode active material which can manufacture a sodium ion battery provided with high safety | security and favorable battery performance.

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、4価のTiを含む遷移金属層からなる層状の結晶構造を有する遷移金属酸化物を含有し、単純斜方格子と体心斜方格子の混合相を有する負極活物質が、ナトリウムイオン電池の負極活物質に非常に好適な材料であり、これを用いることによって高い安全性と良好な電池性能を備えるナトリウムイオン電池を製造することができることを見出し、本発明を完成させた。
即ち、本発明は以下の通りである。
As a result of intensive studies to solve the above problems, the inventors of the present invention contain a transition metal oxide having a layered crystal structure composed of a transition metal layer containing tetravalent Ti, A negative electrode active material having a mixed phase of a body-centered rhombic lattice is a very suitable material for the negative electrode active material of a sodium ion battery, and by using this, a sodium ion battery having high safety and good battery performance can be obtained. The present invention has been completed by finding that it can be produced.
That is, the present invention is as follows.

(1)組成式が下記式(I)で表され、4価のTiを含む遷移金属層からなる層状の結晶構造を有する遷移金属酸化物を含有し、単純斜方格子と体心斜方格子の混合相を有するナトリウムイオン電池用負極活物質。
Ti2−y ・・・(I)
(式(I)中、0<x<1であり、AはH、Li、Na、K、Rb及びCsから選ばれる少なくとも1種の元素であり、Mは空孔、Li、Mg、Mn、Fe、Co、Ni、Cu及びZnから選ばれる少なくとも1種であって、遷移金属層を構成するTiを置換しうるものであり、0<y<2である。)
(2)粉末X線回折による回折線において、単純斜方格子に帰属される010回折線の強度が、体心斜方格子に帰属される020回折線の強度の半分以下であることを特徴とする(1)に記載の遷移金属酸化物を含有するナトリウムイオン電池用負極活物質。
(3)(1)又は(2)に記載のナトリウムイオン電池用負極活物質を含むことを特徴とするナトリウムイオン電池用負極。
(4)(3)に記載のナトリウムイオン電池用負極を備えることを特徴とするナトリウムイオン電池。
(1) A simple orthorhombic lattice and a body-centered orthorhombic lattice comprising a transition metal oxide having a compositional formula represented by the following formula (I) and having a layered crystal structure composed of a transition metal layer containing tetravalent Ti A negative electrode active material for a sodium ion battery having a mixed phase of
A x Ti 2-y M y O 4 ··· (I)
(In formula (I), 0 <x <1, A is at least one element selected from H, Li, Na, K, Rb and Cs, and M is a vacancy, Li, Mg, Mn, (At least one selected from Fe, Co, Ni, Cu and Zn, which can replace Ti constituting the transition metal layer, and 0 <y <2.)
(2) In the diffraction line by powder X-ray diffraction, the intensity of the 010 diffraction line attributed to the simple orthorhombic lattice is less than half of the intensity of the 020 diffraction line attributed to the body-centered orthorhombic lattice. The negative electrode active material for sodium ion batteries containing the transition metal oxide as described in (1).
(3) A negative electrode for a sodium ion battery, comprising the negative electrode active material for a sodium ion battery according to (1) or (2).
(4) A sodium ion battery comprising the negative electrode for sodium ion battery according to (3).

本発明によれば、安全性に優れ、初回の不可逆容量が極めて小さいナトリウムイオン電池を製造することができる。また、Tiが4価であるため、空気中でも比較的安定で、取扱いや保管が容易となり、生産性にも優れるナトリウムイオン電池を製造することができる。   According to the present invention, it is possible to manufacture a sodium ion battery that is excellent in safety and has a very small initial irreversible capacity. Further, since Ti is tetravalent, a sodium ion battery that is relatively stable even in air, can be easily handled and stored, and is excellent in productivity can be manufactured.

実施例1で作製した化合物2のXRD測定結果である。2 is an XRD measurement result of Compound 2 prepared in Example 1. 実施例1で作製した化合物3のXRD測定結果である。3 is an XRD measurement result of Compound 3 prepared in Example 1. 実施例1で作製した電極のXRD測定結果である。It is an XRD measurement result of the electrode produced in Example 1. 実施例2で作製した電極のXRD測定結果である。It is a XRD measurement result of the electrode produced in Example 2. 実施例3で作製した電極のXRD測定結果である。It is a XRD measurement result of the electrode produced in Example 3. 実施例4で作製した電極のXRD測定結果である。It is an XRD measurement result of the electrode produced in Example 4. 比較例1で作製した電極のXRD測定結果である。It is an XRD measurement result of the electrode produced in Comparative Example 1.

以下、本発明の実施形態について説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. In addition, this invention is not limited to the following embodiment.

<負極活物質>
本発明の負極活物質は、4価のTiを含む遷移金属層からなる層状の結晶構造を有する遷移金属酸化物を含有し、単純斜方格子と体心斜方格子の混合相を有することを特徴とす
る。
ナトリウムイオン電池における負極活物質として、NaとTiを含んだ複合金属酸化物を利用することができることが報告されているが、これらの金属酸化物では初回の充放電によって生じる不可逆容量が非常に大きく、二次電池としての十分な性能が得られないのが現状であった。本発明者らは、4価のTiを含む遷移金属層からなる層状の結晶構造を有する遷移金属酸化物を含有し、単純斜方格子と体心斜方格子の混合相を有する負極活物質をナトリウムイオン電池の負極活物質として利用することにより、不可逆容量を著しく抑えることができることを見出した。これは安定な層状構造を有するため、充放電に伴う構造変化が小さく、活物質の割れ等に伴う過剰な副反応を低減させているためであると推定している。また、かかる遷移金属酸化物は、炭素材料に比べて高電位で作動させることができるため、金属Naが析出しにくい利点もある。さらにTiが4価であるため、空気中でも比較的安定で、取扱いや保管が容易となり、結果電池の生産性を改善することができる。即ち、本発明の4価のTiを含む遷移金属層からなる層状の結晶構造を有する遷移金属酸化物を含有し、単純斜方格子と体心斜方格子の混合相を有する負極活物質は、ナトリウムイオン電池用の負極活物質に非常に好適な材料なのである。
なお、「層状の結晶構造を有する」及び「結晶構造が4価のTiを含む遷移金属層を有する」とは、遷移金属原子や酸素原子(カウンターアニオン)がそれぞれ平面状に配列して結晶構造を形成しており、その遷移金属層が少なくとも4価のTi原子を含むことを意味する。
また、単純斜方格子、体心斜方格子とは、14種類あるブラベー格子の1種である。単純斜方格子の具体的な空間群としては、P222、P222、P222、P22、P2、Pmm2、Pmc2、Pcc2、Pma2、Pca2、Pnc2、Pmn2、Pba2、Pna2、Pnn2、Pmmm、Pnnn、Pccm、Pban、Pmma、Pnna、Pmna、Pcca、Pbam、Pccn、Pbcm、Pnnm、Pmmn、Pbcn、Pbca、Pnmaが挙げられる。体心斜方格子の具体的な空間群としては、C222、C222、Cmm2、Cmc2、Ccc2、Cmcm、Cmca、Cmmm、Cccm、Cmma、Cccaが挙げられる。
なお、本発明の負極活物質が、単純斜方格子と体心斜方格子の混合相を有するか否かについては、XRD測定により確認することができる。具体的には実施例に記載の方法で確認することができる。
<Negative electrode active material>
The negative electrode active material of the present invention contains a transition metal oxide having a layered crystal structure composed of a transition metal layer containing tetravalent Ti, and has a mixed phase of a simple orthorhombic lattice and a body-centered orthorhombic lattice. Features.
It has been reported that a composite metal oxide containing Na and Ti can be used as a negative electrode active material in a sodium ion battery, but the irreversible capacity generated by the first charge / discharge is very large in these metal oxides. At present, sufficient performance as a secondary battery cannot be obtained. The present inventors have prepared a negative electrode active material containing a transition metal oxide having a layered crystal structure composed of a transition metal layer containing tetravalent Ti and having a mixed phase of a simple rhomboid and a body-centered rhombic lattice. It has been found that the irreversible capacity can be remarkably suppressed by using it as a negative electrode active material of a sodium ion battery. It is presumed that this is because the structure has a stable layered structure, so that the structural change accompanying charging / discharging is small, and excessive side reactions accompanying cracking of the active material are reduced. Moreover, since such a transition metal oxide can be operated at a higher potential than a carbon material, there is an advantage that metal Na is not easily deposited. Further, since Ti is tetravalent, it is relatively stable even in the air, and handling and storage become easy, and as a result, the productivity of the battery can be improved. That is, the negative electrode active material containing a transition metal oxide having a layered crystal structure composed of a transition metal layer containing tetravalent Ti of the present invention and having a mixed phase of a simple orthorhombic lattice and a body-centered orthorhombic lattice, This is a very suitable material for the negative electrode active material for sodium ion batteries.
Note that “having a layered crystal structure” and “having a transition metal layer containing tetravalent Ti” means that the transition metal atoms and oxygen atoms (counter anions) are arranged in a planar shape, respectively. This means that the transition metal layer contains at least tetravalent Ti atoms.
The simple orthorhombic lattice and the body-centered orthorhombic lattice are one type of 14 types of Bravey lattices. Specific space groups of the simple orthorhombic lattice include P222, P222 1 , P2 1 22, P2 1 2 1 2, P2 1 2 1 2 1 , Pmm2, Pmc2 1 , Pcc2, Pma2, Pca2 1 , Pnc2, Pmn2 1 , Pba2, Pna2 1 , Pnn2, Pmmm, Pnnn, Pccm, Pban, Pmma, Pnna, Pmna, Pcca, Pbam, Pccn, Pbcm, Pnnm, Pmmn, Pbcn, Pbca, Pnma. Specific space groups of the body-centered rhombic lattice include C222 1 , C222, Cmm2, Cmc2 1 , Ccc2, Cmcm, Cmca, Cmmm, Cccm, Cmma, and Ccca.
Note that whether or not the negative electrode active material of the present invention has a mixed phase of a simple orthorhombic lattice and a body-centered orthorhombic lattice can be confirmed by XRD measurement. Specifically, it can confirm by the method as described in an Example.

本発明の負極活物質は、4価のTiを含む遷移金属層からなる層状の結晶構造を有する遷移金属酸化物を含有し、単純斜方格子と体心斜方格子の混合相を有し、該遷移金属酸化物は下記式(I)で表せる。
Ti2−y ・・・(I)
(式(I)中、0<x<1であり、AはH、Li、Na、K、Rb及びCsから選ばれる少なくとも1種の元素であり、Mは空孔、Li、Mg、Mn、Fe、Co、Ni、Cu及びZnから選ばれる少なくとも1種であって、遷移金属層を構成するTiを置換しうるものであり、0<y<2である。)
式(I)で表される金属酸化物であれば、YやNd等のレアメタルを使用しないため、電池のコストを抑えることができる。
式(I)中のx、yは、上記条件を満たすものであれば具体的数値は特に限定されないが、xは好ましくは0.3以上(0.3≦x)、より好ましくは0.5以上(0.5≦x)である。yは好ましくは1.0以下(y≦1.0)、より好ましくは0.5以下(y≦0.5)である。
式(I)中のx、yが上記範囲内であれば、良好な電池性能を有するナトリウムイオン電池を製造することができる。
また、Mとしては、空孔、Li、Mg、Mn、Fe、Co、Ni、Cu及びZnから選ばれる少なくとも1種であり、空孔、Li、Mg、Cu、Znから選ばれる1種以上が好ましい。
さらに、AとしてはH、Li、Na、K、Rb及びCsから選ばれる少なくとも1種の元素であり、H、Na、Kから選ばれる1種以上の元素であることが好ましい。
なお、Mは「遷移金属層を構成するTiを置換しうるものである」が、これは平面上に配列したTi層の一部がMに置き換えられた場合であっても、層状の結晶構造を安定的に維持することができる金属酸化物であることを意味する。即ち、例えば一部のTiをMに置き換えた場合に、結晶構造が不安定となり、層状の結晶構造が壊れてしまうような元素はMとなり得ないことを意味する。
The negative electrode active material of the present invention contains a transition metal oxide having a layered crystal structure composed of a transition metal layer containing tetravalent Ti, and has a mixed phase of a simple rhombic lattice and a body-centered rhombic lattice, The transition metal oxide can be represented by the following formula (I).
A x Ti 2-y M y O 4 ··· (I)
(In formula (I), 0 <x <1, A is at least one element selected from H, Li, Na, K, Rb and Cs, and M is a vacancy, Li, Mg, Mn, (At least one selected from Fe, Co, Ni, Cu and Zn, which can replace Ti constituting the transition metal layer, and 0 <y <2.)
If it is a metal oxide represented by Formula (I), since rare metals, such as Y and Nd, are not used, the cost of a battery can be held down.
The specific numerical values of x and y in the formula (I) are not particularly limited as long as the above conditions are satisfied, but x is preferably 0.3 or more (0.3 ≦ x), more preferably 0.5. This is the case (0.5 ≦ x). y is preferably 1.0 or less (y ≦ 1.0), more preferably 0.5 or less (y ≦ 0.5).
When x and y in the formula (I) are within the above ranges, a sodium ion battery having good battery performance can be produced.
M is at least one selected from vacancies, Li, Mg, Mn, Fe, Co, Ni, Cu and Zn, and at least one selected from vacancies, Li, Mg, Cu and Zn. preferable.
Furthermore, A is at least one element selected from H, Li, Na, K, Rb, and Cs, and preferably one or more elements selected from H, Na, and K.
Note that M is “which can replace Ti constituting the transition metal layer”, but this is because even when a part of the Ti layer arranged on the plane is replaced by M, the layered crystal structure Is a metal oxide that can be stably maintained. That is, for example, when a part of Ti is replaced with M, an element whose crystal structure becomes unstable and the layered crystal structure is broken cannot be M.

本発明の負極活物質の好ましい態様としては、単純斜方格子と体心斜方格子の混合相を有し、粉末X線回折による回折線において、単純斜方格子に帰属される010回折線の強度が、体心斜方格子に帰属される020回折線の強度の半分以下であることを特徴とする。単純斜方格子に帰属される010回折線の強度は、体心斜方格子に帰属される020回折線の強度の1/4以下であることがより好ましく、1/8以下であることがさらに好ましい。単純斜方格子に帰属される010回折線の強度が、体心斜方格子に帰属される020回折線の強度より小さいほど、負極活物質中に占める体心斜方格子の割合が増加し、電気化学的特性が良くなるため好ましい。   A preferred embodiment of the negative electrode active material of the present invention has a mixed phase of a simple orthorhombic lattice and a body-centered orthorhombic lattice, and in a diffraction line by powder X-ray diffraction, a 010 diffraction line belonging to the simple orthorhombic lattice The intensity is less than half of the intensity of the 020 diffraction line attributed to the body-centered rhombic lattice. The intensity of the 010 diffraction line attributed to the simple orthorhombic lattice is more preferably ¼ or less of the intensity of the 020 diffraction line attributed to the body-centered orthorhombic lattice, and further preferably / or less. preferable. As the intensity of the 010 diffraction line attributed to the simple orthorhombic lattice is smaller than the intensity of the 020 diffraction line attributed to the body-centered orthorhombic lattice, the proportion of the body-centered orthorhombic lattice in the negative electrode active material increases. This is preferable because electrochemical characteristics are improved.

(平均一次粒子径)
本発明の負極活物質の平均一次粒子径は、特に限定されないが、下限としては、通常0.1μm以上、好ましくは0.2μm以上、また、上限としては、通常20μm以下、好ましくは10μm以下である。平均一次粒子径が、上記上限を超えると比表面積が低下したりするために、レート特性や出力特性等の電池特性が低下する可能性が高くなる場合がある。上記下限を下回ると結晶が未発達であるために充放電の可逆性が劣る等の問題を生ずる場合がある。
なお、本発明における平均一次粒子径は、走査型電子顕微鏡(SEM)で観察した平均径であり、30,000倍のSEM画像を用いて、10〜30個程度の負極活物質の一次粒子径の平均値として求めることができる。
(Average primary particle size)
The average primary particle diameter of the negative electrode active material of the present invention is not particularly limited, but the lower limit is usually 0.1 μm or more, preferably 0.2 μm or more, and the upper limit is usually 20 μm or less, preferably 10 μm or less. is there. If the average primary particle diameter exceeds the above upper limit, the specific surface area may decrease, so that there is a high possibility that battery characteristics such as rate characteristics and output characteristics will decrease. If the lower limit is not reached, there are cases where the crystal is underdeveloped and the reversibility of charge / discharge is poor.
In addition, the average primary particle diameter in this invention is an average diameter observed with the scanning electron microscope (SEM), and the primary particle diameter of about 10-30 negative electrode active materials using a SEM image of 30,000 times. It can be calculated as an average value.

(メジアン径(二次粒子))
本発明の負極活物質の二次粒子のメジアン径(50%積算径(D50))は、特に限定されないが、通常2μm以上、好ましくは2.5μm以上、より好ましくは4μm以上で、通常50μm以下、好ましくは30μm以下、より好ましくは20μm以下である。メジアン径がこの下限を下回ると、負極活物質層形成時の塗布性に問題を生ずる場合があり、上限を超えると電池性能の低下を来す場合がある。
(Median diameter (secondary particles))
The median diameter (50% cumulative diameter (D 50 )) of the secondary particles of the negative electrode active material of the present invention is not particularly limited, but is usually 2 μm or more, preferably 2.5 μm or more, more preferably 4 μm or more, and usually 50 μm. Below, it is preferably 30 μm or less, more preferably 20 μm or less. If the median diameter is less than this lower limit, there may be a problem in applicability at the time of forming the negative electrode active material layer, and if it exceeds the upper limit, battery performance may be deteriorated.

(BET比表面積)
本発明の負極活物質のBET比表面積は、特に限定されないが、通常0.1m/g以上、好ましくは0.2m/g以上、より好ましくは0.3m/g以上で、通常10m/g以下、好ましくは5m/g以下、より好ましくは3m/g以下、更に好ましくは2m/g以下、最も好ましくは1m/g以下である。BET比表面積がこの範囲よりも小さいと電池性能が低下しやすく、大きいと嵩密度が上がりにくくなり、負極活物質層形成時の塗布性に問題が発生しやすくなるという可能性がある。
(BET specific surface area)
The BET specific surface area of the negative electrode active material of the present invention is not particularly limited, but is usually 0.1 m 2 / g or more, preferably 0.2 m 2 / g or more, more preferably 0.3 m 2 / g or more, usually 10 m. 2 / g or less, preferably 5 m 2 / g or less, more preferably 3 m 2 / g or less, still more preferably 2 m 2 / g or less, and most preferably 1 m 2 / g or less. If the BET specific surface area is smaller than this range, the battery performance is likely to be lowered, and if it is larger, the bulk density is difficult to increase, and there is a possibility that a problem is likely to occur in the coating property at the time of forming the negative electrode active material layer.

(タップ密度)
本発明の負極活物質のタップ密度は、特に限定されないが、通常0.8g/cc以上、好ましくは1g/cc以上、より好ましくは1.4g/cc以上、さらに好ましくは1.5g/cc以上で、通常3.0g/cc以下、好ましくは2.8g/cc以下、より好ましくは2.7g/cc以下である。タップ密度がこの上限を上回ることは、粉体充填性や電極密度向上にとって好ましい一方、比表面積が低くなり過ぎる可能性があり、電池性能が低下する可能性がある。タップ密度がこの下限を下回ると粉体充填性や負極調製に悪影
響を及ぼす可能性がある。
なお、本発明におけるタップ密度は、負極活物質として用いられる遷移金属酸化物の粉体5〜10gを10mlのメスシリンダーに入れ、ストローク20mmで200回タップした時の粉体充填密度として求める。
(Tap density)
The tap density of the negative electrode active material of the present invention is not particularly limited, but is usually 0.8 g / cc or more, preferably 1 g / cc or more, more preferably 1.4 g / cc or more, and further preferably 1.5 g / cc or more. In general, it is 3.0 g / cc or less, preferably 2.8 g / cc or less, more preferably 2.7 g / cc or less. While it is preferable for the tap density to exceed this upper limit for improving powder filling properties and electrode density, the specific surface area may be too low, and battery performance may be reduced. If the tap density is below this lower limit, there is a possibility that the powder filling property and the negative electrode preparation may be adversely affected.
The tap density in the present invention is determined as the powder packing density when 5 to 10 g of the transition metal oxide powder used as the negative electrode active material is placed in a 10 ml graduated cylinder and tapped 200 times with a stroke of 20 mm.

(負極活物質の製造方法)
本発明の負極活物質は、特定の組成を有し、4価のTiを含む遷移金属層からなる層状の結晶構造を有する遷移金属酸化物を含有し、単純斜方格子と体心斜方格子の混合相を有するものであれば、その製造方法は特に限定されない。
例えばK源となる原料と、Li源となる原料と、Ti源となる原料を目的とする組成比となるように混合し、これを空気雰囲気中で焼成後(焼成処理)、KをNaでイオン交換(イオン交換処理)、乾燥する(乾燥処理)ことによって製造することができ、その他Ti、Li、Na、K等の組成比を適宜調節することによって、4価のTiを含む遷移金属層からなる層状の結晶構造を有する遷移金属酸化物を含有し、単純斜方格子と体心斜方格子の混合相を有する負極活物質として用いられる遷移金属酸化物を製造することができる。また得られた化合物を大気開放あるいは水洗浄処理する工程を追加することができる。
以下、かかる製造方法について、より具体的に説明するが、これらの方法に限定されないことは言うまでもない。
(Method for producing negative electrode active material)
The negative electrode active material of the present invention contains a transition metal oxide having a specific composition and a layered crystal structure composed of a transition metal layer containing tetravalent Ti, and includes a simple orthorhombic lattice and a body-centered orthorhombic lattice. If it has a mixed phase of, the manufacturing method will not be specifically limited.
For example, a raw material to be a K source, a raw material to be a Li source, and a raw material to be a Ti source are mixed so as to have a target composition ratio, and this is fired in an air atmosphere (baking treatment), and then K + It can be produced by ion exchange (ion exchange treatment) and drying (dry treatment) with + , and other transitions containing tetravalent Ti by appropriately adjusting the composition ratio of Ti, Li, Na, K, etc. A transition metal oxide containing a transition metal oxide having a layered crystal structure composed of a metal layer and having a mixed phase of a simple orthorhombic lattice and a body-centered orthorhombic lattice can be produced. In addition, it is possible to add a step of subjecting the obtained compound to atmospheric release or water washing treatment.
Hereinafter, the manufacturing method will be described more specifically, but it is needless to say that the manufacturing method is not limited to these methods.

本発明の負極活物質を製造するために用いる原料の種類は、特に限定されないが、例えば導入したい金属元素を含有する酸化物、水酸化物、オキシ水酸化物、炭酸水素塩、炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩、ハロゲン化物、シュウ酸塩等の有機酸塩、アルコキサイド等の金属含有化合物が挙げられる。
例えば、Ti源となるTi含有化合物としては、アナターゼ型TiO、ルチル型TiO、Ti(OC等が挙げられるが、取り扱い性と反応性の観点でアナターゼ型TiOが好ましい。
Li源となるLi含有化合物としては、LiCO、LiOHが好ましい。
K源となるK含有化合物としては、KCO、KOH、KHCO等が挙げられるが、取扱い性の観点でKCOが好ましい。
The kind of raw material used for producing the negative electrode active material of the present invention is not particularly limited. For example, an oxide, hydroxide, oxyhydroxide, bicarbonate, carbonate, nitrate containing a metal element to be introduced , Sulfates, halides, organic acid salts such as oxalates, and metal-containing compounds such as alkoxides.
For example, examples of the Ti-containing compound serving as the Ti source include anatase TiO 2 , rutile TiO 2 , and Ti (OC 2 H 5 ) 4. Anatase TiO 2 is preferable from the viewpoints of handling and reactivity. .
As the Li-containing compound serving as the Li source, Li 2 CO 3 and LiOH are preferable.
Examples of the K-containing compound serving as the K source include K 2 CO 3 , KOH, KHCO 3 and the like, and K 2 CO 3 is preferable from the viewpoint of handleability.

本発明の負極活物質を目的の組成・結晶構造に調整するためには、Ti含有化合物と導入したい金属元素を含有する化合物を目的の比率になるように秤量した上で、混合すればよい。
例えば、K0.9Li0.3Ti1.7を製造する場合、KCO、LiCO、TiOをモル比が0.45:0.15:1.7になるように秤量した上で混合することが挙げられる。
なお、Ti含有化合物等の混合には、ボールミル、V型混合機、攪拌機、ダイノーミル等の、工業的に通常用いられている装置を用いることができる。この時の混合は、乾式混合、湿式混合のいずれでもよい。また、晶析法によって、所定の組成の金属含有化合物の混合物を得てもよい。さらに、共沈法によって、所定の組成の複合金属炭酸塩又は水酸化物を得た上でカリウム化合物との混合物を得てもよい。
具体的な混合条件は特に限定されないが、例えば湿式ボールミルを用いた場合、通常回転数は10〜1000rpm、混合時間は1〜24時間である。
In order to adjust the negative electrode active material of the present invention to a target composition / crystal structure, a Ti-containing compound and a compound containing a metal element to be introduced are weighed so as to have a target ratio and then mixed.
For example, when producing K 0.9 Li 0.3 Ti 1.7 O 4 , the molar ratio of K 2 CO 3 , Li 2 CO 3 and TiO 2 is 0.45: 0.15: 1.7. And mixing after weighing.
In addition, for mixing Ti-containing compounds and the like, industrially usual apparatuses such as a ball mill, a V-type mixer, a stirrer, and a dyno mill can be used. The mixing at this time may be either dry mixing or wet mixing. Moreover, you may obtain the mixture of the metal containing compound of a predetermined composition by the crystallization method. Furthermore, you may obtain the mixture with a potassium compound, after obtaining the composite metal carbonate or hydroxide of a predetermined composition by a coprecipitation method.
Specific mixing conditions are not particularly limited. For example, when a wet ball mill is used, the rotation speed is usually 10 to 1000 rpm, and the mixing time is 1 to 24 hours.

(焼成処理)
本発明の負極活物質として用いられる遷移金属酸化物を製造するための焼成条件は、遷移金属酸化物の組成等に応じて適宜設定されるべきであるが、通常焼成温度は700〜1000℃、焼成時間は2〜24時間である。焼成温度が750℃以上であれば、過度な積層欠陥の生成を抑制するという理由で好ましく、焼成温度が950℃以下であれば、一次
粒子サイズを低減するという理由で好ましい。また、焼成時間が6時間以上であれば単一粒子の均一な化学組成を得るという理由で好ましく、焼成時間が24時間以下であれば製造コストの観点から好ましい。
(Baking process)
The firing conditions for producing the transition metal oxide used as the negative electrode active material of the present invention should be appropriately set according to the composition of the transition metal oxide, etc., but the usual firing temperature is 700 to 1000 ° C., The firing time is 2 to 24 hours. A firing temperature of 750 ° C. or higher is preferable for suppressing generation of excessive stacking faults, and a firing temperature of 950 ° C. or lower is preferable for reducing primary particle size. Further, if the firing time is 6 hours or more, it is preferable for obtaining a uniform chemical composition of single particles, and if the firing time is 24 hours or less, it is preferable from the viewpoint of production cost.

焼成時の雰囲気としては、例えば、窒素、アルゴン等の不活性雰囲気:空気、酸素、酸素含有窒素、酸素含有アルゴン等の酸化性雰囲気:及び水素を0.1〜10体積%含有する水素含有窒素、水素を0.1〜10体積%含有する水素含有アルゴン等の還元性雰囲気のいずれでもよい。強い還元性の雰囲気で焼成するために、適量の炭素を金属含有化合物の混合物に含有させて焼成してもよい。Tiを4価の状態で得るために焼成時の雰囲気としては、空気等の酸化性雰囲気が好ましい。還元性雰囲気で焼成した場合は続いて空気雰囲気での焼成、あるいは大気開放を行うことが好ましい。   Examples of the atmosphere during firing include an inert atmosphere such as nitrogen and argon: an oxidizing atmosphere such as air, oxygen, oxygen-containing nitrogen, and oxygen-containing argon: and hydrogen-containing nitrogen containing 0.1 to 10% by volume of hydrogen. Any reducing atmosphere such as hydrogen-containing argon containing 0.1 to 10% by volume of hydrogen may be used. In order to fire in a strong reducing atmosphere, an appropriate amount of carbon may be contained in a mixture of metal-containing compounds and fired. In order to obtain Ti in a tetravalent state, the atmosphere during firing is preferably an oxidizing atmosphere such as air. When firing in a reducing atmosphere, it is preferable to subsequently perform firing in an air atmosphere or release to the atmosphere.

原料の金属含有化合物として、高温で分解及び/又は酸化しうる化合物、例えば水酸化物、炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩、ハロゲン化物、シュウ酸塩を使用した場合、上記の焼成を行う前に、200〜500℃の温度範囲で金属含有化合物の仮焼を行って、酸化物にしたり、結晶水を除去したりしてもよい。仮焼を行う雰囲気は、不活性ガス雰囲気、酸化性雰囲気又は還元性雰囲気のいずれでもよい。また、仮焼後の仮焼物を粉砕して用いてもよい。   When a compound that can be decomposed and / or oxidized at a high temperature, such as a hydroxide, carbonate, nitrate, sulfate, halide, or oxalate, is used as a raw material metal-containing compound, before performing the above firing, The metal-containing compound may be calcined in the temperature range of 200 to 500 ° C. to obtain an oxide or crystal water may be removed. The atmosphere in which the calcination is performed may be an inert gas atmosphere, an oxidizing atmosphere, or a reducing atmosphere. Moreover, you may grind | pulverize and use the calcined material after calcining.

(イオン交換処理)
イオン交換処理とは、前記の焼成後の遷移金属酸化物中の遷移金属層間に存在するアルカリ金属イオンをNaに交換する工程のことである。具体的には、例えば、前記の焼成後に得られた遷移金属酸化物をNaCl水溶液中に投入、保持することにより行い、最後に水洗を施して、イオン交換した粉末を得る。
なお、イオン交換を促進するために、NaCl水溶液を加温してもよい。通常、水溶液の温度は60℃〜100℃である。60℃より温度が低いとイオン交換を促進する効果が小さく、100℃より高いと水分の蒸発が顕著となるため、好ましくない。
(Ion exchange treatment)
The ion exchange treatment is a step of exchanging alkali metal ions present between the transition metal layers in the transition metal oxide after calcination with Na + . Specifically, for example, the transition metal oxide obtained after the firing is placed in an aqueous NaCl solution and held, and finally washed with water to obtain ion-exchanged powder.
In order to promote ion exchange, the NaCl aqueous solution may be heated. Usually, the temperature of aqueous solution is 60 to 100 degreeC. If the temperature is lower than 60 ° C., the effect of promoting ion exchange is small, and if it is higher than 100 ° C., the evaporation of moisture becomes remarkable, which is not preferable.

前記イオン交換は、硝酸ナトリウムなどの溶融塩中で行ってもよい。溶融塩を用いる場合には、通常100℃より高い溶融塩の融点以上まで温度を上げる必要があり、水溶液中よりイオン交換を促進されることから、イオン交換処理の時間を短くすることができる。ただし、通常、溶融塩中でのイオン交換処理では、必要なNa量に対してかなり過剰な溶融塩を使用する必要があることから、目的に応じて適したイオン交換処理方法を適用するのが好ましい。 The ion exchange may be performed in a molten salt such as sodium nitrate. When using a molten salt, it is necessary to raise the temperature to the melting point of the molten salt, which is usually higher than 100 ° C., and since ion exchange is promoted from the aqueous solution, the time for ion exchange treatment can be shortened. However, since it is usually necessary to use a considerably excessive molten salt with respect to the required amount of Na + in the ion exchange treatment in the molten salt, an ion exchange treatment method suitable for the purpose is applied. Is preferred.

(乾燥処理)
乾燥処理とは、前記イオン交換処理で得られた粉末を乾燥する工程のことである。具体的には、例えば、50〜300℃程度の温度で1〜24時間程度保持することで負極活物質を得る。乾燥時の雰囲気としては、真空下であっても不活性雰囲気や大気雰囲気等であっても構わない。乾燥に用いる装置としては、特に制限はないが、熱風式の箱型乾燥機、トンネル乾燥機、回転乾燥機、噴霧乾燥機や、伝導式のドラム乾燥機や赤外線乾燥機等が挙げられる。
(Drying process)
The drying process is a process of drying the powder obtained by the ion exchange process. Specifically, for example, the negative electrode active material is obtained by holding at a temperature of about 50 to 300 ° C. for about 1 to 24 hours. The atmosphere during drying may be a vacuum or an inert atmosphere or an air atmosphere. The apparatus used for drying is not particularly limited, and examples thereof include a hot air type box dryer, a tunnel dryer, a rotary dryer, a spray dryer, a conductive drum dryer and an infrared dryer.

また、上記のようにして得られる負極活物質として用いられる遷移金属酸化物に、必要に応じボールミルやジェットミル等を用いた粉砕、分級等を行って、粒度を調節することが好ましいことがある。また、焼成を2回以上行ってもよい。また、該遷移金属酸化物の粒子表面をW、Mo、Zr、Si、Y、B等を含有する無機物質で被覆する等の表面処理を行ってもよい。また、該遷移金属酸化物は、その結晶構造がトンネル構造でないものが好ましい。   Further, it may be preferable to adjust the particle size by subjecting the transition metal oxide used as the negative electrode active material obtained as described above to pulverization, classification, or the like using a ball mill or a jet mill as necessary. . Moreover, you may perform baking twice or more. Further, a surface treatment such as coating the particle surface of the transition metal oxide with an inorganic substance containing W, Mo, Zr, Si, Y, B or the like may be performed. The transition metal oxide preferably has a crystal structure that is not a tunnel structure.

<ナトリウムイオン電池用負極活物質・ナトリウムイオン電池用負極>
本発明の負極活物質は、ナトリウムイオン電池用負極として特に好適な材料である。
なお、本発明の負極は、本発明の負極活物質を含むものであればその他について特に限定されないが、通常、負極活物質、導電剤、結着剤等を含む負極活物質層を集電体表面に形成したものである。
<Anode active material for sodium ion battery / Anode for sodium ion battery>
The negative electrode active material of the present invention is a material particularly suitable as a negative electrode for sodium ion batteries.
The negative electrode of the present invention is not particularly limited as long as it contains the negative electrode active material of the present invention. Usually, a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material, a conductive agent, a binder and the like is used as a current collector. It is formed on the surface.

本発明の負極活物質は、前述の負極活物質を含むものであれば、本発明の効果を阻害しない範囲で、その他の公知の負極活物質を含むものであってもよい。例えばナトリウムイオンを吸蔵・脱離することのできる天然黒鉛、人造黒鉛、コークス類、ハードカーボン、カーボンブラック、熱分解炭素類、炭素繊維、有機高分子化合物焼成体等の炭素材料が挙げられる。炭素材料の形状としては、例えば天然黒鉛のような薄片状、メソカーボンマイクロビーズのような球状、黒鉛化炭素繊維のような繊維状、又は微粉末の凝集体等のいずれでもよい。ここで炭素材料は、導電剤としての役割を果たす場合もある。   As long as the negative electrode active material of the present invention includes the above-described negative electrode active material, the negative electrode active material may include other known negative electrode active materials as long as the effects of the present invention are not impaired. Examples thereof include carbon materials such as natural graphite, artificial graphite, coke, hard carbon, carbon black, pyrolytic carbon, carbon fiber, and organic polymer compound fired body that can occlude and desorb sodium ions. The shape of the carbon material may be any of a flake shape such as natural graphite, a spherical shape such as mesocarbon microbeads, a fibrous shape such as graphitized carbon fiber, or an aggregate of fine powder. Here, the carbon material may play a role as a conductive agent.

負極活物質層中の負極活物質の含有量は特に限定されないが、80〜95質量%であることが好ましい。   Although content of the negative electrode active material in a negative electrode active material layer is not specifically limited, It is preferable that it is 80-95 mass%.

結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン(以下、PVDFということがある。)ポリテトラフルオロエチレン(以下、PTFEということがある。)、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン・フッ化ビニリデン系共重合体、六フッ化プロピレン・フッ化ビニリデン系共重合体、四フッ化エチレン・パーフルオロビニルエーテル系共重合体等が挙げられる。これらをそれぞれ単独で用いてもよいし、二種以上を混合して用いてもよい。結着剤のその他の例示としては、例えば、デンプン、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、カルボキシメチルヒドロキシエチルセルロース、ニトロセルロース、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリアクリロニトリル等の多糖類及びその誘導体が挙げられる。また、使用可能な結着剤として、無機の微粒子、例えばコロイダルシリカ等を挙げることもできる。負極活物質層中の結着剤の含有量は特に限定されないが、5〜10質量%であることが好ましい。   Examples of the binder include polyvinylidene fluoride (hereinafter sometimes referred to as PVDF), polytetrafluoroethylene (hereinafter sometimes referred to as PTFE), tetrafluoroethylene, hexafluoropropylene, and vinylidene fluoride copolymer. Examples thereof include a copolymer, a hexafluoropropylene / vinylidene fluoride copolymer, and a tetrafluoroethylene / perfluorovinyl ether copolymer. These may be used alone or in combination of two or more. Other examples of the binder include, for example, starch, methylcellulose, carboxymethylcellulose, hydroxymethylcellulose, hydroxyethylcellulose, hydroxypropylcellulose, carboxymethylhydroxyethylcellulose, nitrocellulose, polyacrylic acid, sodium polyacrylate, polyacrylonitrile and the like. Examples include polysaccharides and derivatives thereof. Examples of usable binders include inorganic fine particles such as colloidal silica. Although content of the binder in a negative electrode active material layer is not specifically limited, It is preferable that it is 5-10 mass%.

集電体としては、ニッケル、アルミニウム、銅、ステンレス(SUS)等の導電性の材料を用いた箔、メッシュ、エキスパンドグリッド(エキスパンドメタル)、パンチドメタル等が挙げられる。メッシュの目開き、線径、メッシュ数等は特に限定されず、従来公知のものを使用できる。集電体の一般的な厚さは5〜30μmである。ただし、この範囲を外れる厚さの集電体を用いてもよい。   Examples of the current collector include foil, mesh, expanded grid (expanded metal), punched metal, and the like using a conductive material such as nickel, aluminum, copper, and stainless steel (SUS). The mesh opening, wire diameter, number of meshes, etc. are not particularly limited, and conventionally known ones can be used. The general thickness of the current collector is 5 to 30 μm. However, a current collector having a thickness outside this range may be used.

集電体の大きさは、電池の使用用途に応じて決定される。大型の電池に用いられる大型の電極を作製するのであれば、面積の大きな集電体が用いられる。小型の電極を作製するのであれば、面積の小さな集電体が用いられる。   The size of the current collector is determined according to the intended use of the battery. If a large electrode used for a large battery is manufactured, a current collector having a large area is used. If a small electrode is produced, a current collector with a small area is used.

負極を製造する方法としては、先ず、負極活物質として用いられる遷移金属化合物と導電剤と結着剤と有機溶媒とを混合させて負極活物質スラリーを調製する。ここで使用可能な有機溶剤としては、N,N−ジメチルアミノプロピリアミン、ジエチルトリアミン等のアミン系;エチレンオキシド、テトラヒドロフラン等のエーテル系;メチルエチルケトン等のケトン系;酢酸メチル等のエステル系、ジメチルアセトアミド、N-メチル−2−ピロリドン等の非プロトン性極性溶媒等が挙げられる。
また、実施例に記載したように、本発明の負極活物質は水を溶媒に使用したスラリー中でも電極作製を行うことが可能である。
As a method for producing a negative electrode, first, a transition metal compound used as a negative electrode active material, a conductive agent, a binder, and an organic solvent are mixed to prepare a negative electrode active material slurry. Examples of organic solvents that can be used here include amines such as N, N-dimethylaminopropylamine and diethyltriamine; ethers such as ethylene oxide and tetrahydrofuran; ketones such as methyl ethyl ketone; esters such as methyl acetate; dimethylacetamide And aprotic polar solvents such as N-methyl-2-pyrrolidone.
In addition, as described in the Examples, the negative electrode active material of the present invention can be used for electrode preparation even in a slurry using water as a solvent.

次いで、上記負極活物質スラリーを負極集電体上に塗工し、乾燥後プレスする等して固
着する。ここで、負極活物質スラリーを負極集電体上に塗工する方法としては、例えばスリットダイ塗工法、スクリーン塗工法、カーテン塗工法、ナイフ塗工法、グラビア塗工法、静電スプレー法等を挙げることができる。
Next, the negative electrode active material slurry is coated on the negative electrode current collector, and dried and pressed to fix the slurry. Here, examples of the method of coating the negative electrode active material slurry on the negative electrode current collector include a slit die coating method, a screen coating method, a curtain coating method, a knife coating method, a gravure coating method, and an electrostatic spray method. be able to.

なお、負極活物質層を負極集電体上に形成する方法としては、上記の方法以外に、負極活物質として用いられる遷移金属酸化物、導電剤、結着剤の混合物を負極集電体上に設置し、加圧成型する方法でもよい。   As a method for forming the negative electrode active material layer on the negative electrode current collector, in addition to the above method, a mixture of a transition metal oxide, a conductive agent, and a binder used as the negative electrode active material is formed on the negative electrode current collector. It is also possible to use a method of installing in a pressure molding.

<ナトリウムイオン電池>
本発明の負極を備えたナトリウムイオン電池も本発明の一態様(以下、「本発明のナトリウムイオン電池」と略す場合がある。)である。なお、本発明のナトリウムイオン電池は、上述の負極を備えるものであればその他は限定されないが、通常負極のほか、ナトリウムイオンを吸蔵及び脱離することができる正極と、電解質とを備える。
<Sodium ion battery>
The sodium ion battery provided with the negative electrode of the present invention is also an embodiment of the present invention (hereinafter may be abbreviated as “sodium ion battery of the present invention”). The sodium ion battery of the present invention is not particularly limited as long as it includes the above-described negative electrode, but generally includes a positive electrode capable of inserting and extracting sodium ions and an electrolyte in addition to the negative electrode.

[正極]
正極は集電体と、その集電体の表面に形成された正極活物質層を含み、正極活物質層は、正極活物質、導電剤、結着剤を有する。
[Positive electrode]
The positive electrode includes a current collector and a positive electrode active material layer formed on the surface of the current collector. The positive electrode active material layer includes a positive electrode active material, a conductive agent, and a binder.

正極活物質の種類は、ナトリウムイオン電池に使用できるものであれば特に限定されないが、具体的には層状活物質、スピネル型活物質、オキソ酸塩活物質等を挙げることができる。例えば、NaFeO、NaNiO、NaCoO、NaMnO、NaVO、Na(NiMn1−X)O(0<X<1)、Na(FeMn1−X)O(0<X<1)、NaVPOF、NaFePOF、Na(PO等を挙げることができる。 Although the kind of positive electrode active material will not be specifically limited if it can be used for a sodium ion battery, Specifically, a layered active material, a spinel type active material, an oxo acid salt active material etc. can be mentioned. For example, NaFeO 2, NaNiO 2, NaCoO 2, NaMnO 2, NaVO 2, Na (Ni X Mn 1-X) O 2 (0 <X <1), Na (Fe X Mn 1-X) O 2 (0 < X <1), NaVPO 4 F, Na 2 FePO 4 F, Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 and the like.

正極活物質層中の正極活物質の含有量は特に限定されないが、80〜95質量%であることが好ましい。   Although content of the positive electrode active material in a positive electrode active material layer is not specifically limited, It is preferable that it is 80-95 mass%.

正極における導電剤、結着剤等の種類、並びに正極活物質層を集電体上に形成する方法は、負極を製造する際に使用するもの及び方法と同様のものを採用することができる。   As the conductive agent, the binder, and the like in the positive electrode, and the method for forming the positive electrode active material layer on the current collector, the same ones and methods used when manufacturing the negative electrode can be employed.

[電解質]
電解質は特に限定されず、一般的な電解液、固体電解質のいずれも使用可能である。電解液としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、イソプロピルメチルカーボネート、ビニレンカーボネート、4−トリフルオロメチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、1,2−ジ(メトキシカルボニルオキシ)エタン等のカーボネート類;1,2−ジメトキシエタン、1,3−ジメトキシプロパン、ペンタフルオロプロピルメチルエーテル、2,2,3,3−テトラフルオロプロピルジフルオロメチルエーテル、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン等のエーテル類;ギ酸メチル、酢酸メチル、γ−ブチロラクトン等のエステル類;アセトニトリル、ブチロニトリル等のニトリル類;N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド等のアミド類;3−メチル−2−オキサゾリドン等のカーバメート類;スルホラン、ジメチルスルホキシド、1,3−プロパンサルトン等の含硫黄化合物;又は上記の有機溶媒にさらにフッ素置換基を導入したものを用いることができる。通常は有機溶媒として、これらのうちの二種以上を混合して用いる。
[Electrolytes]
The electrolyte is not particularly limited, and either a general electrolytic solution or a solid electrolyte can be used. Examples of the electrolyte include propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, isopropyl methyl carbonate, vinylene carbonate, 4-trifluoromethyl-1,3-dioxolan-2-one, 1,2-di ( Carbonates such as methoxycarbonyloxy) ethane; 1,2-dimethoxyethane, 1,3-dimethoxypropane, pentafluoropropyl methyl ether, 2,2,3,3-tetrafluoropropyl difluoromethyl ether, tetrahydrofuran, 2-methyl Ethers such as tetrahydrofuran; esters such as methyl formate, methyl acetate and γ-butyrolactone; nitriles such as acetonitrile and butyronitrile; N, N-dimethylformamide, N, N Amides such as dimethylacetamide; carbamates such as 3-methyl-2-oxazolidone; sulfur-containing compounds such as sulfolane, dimethyl sulfoxide and 1,3-propane sultone; or a fluorine substituent further introduced into the above organic solvent Things can be used. Usually, two or more of these are mixed and used as the organic solvent.

上記電解液の中でも、実質的に飽和環状カーボネート(ただし、エチレンカーボネートの単独使用を除く)、又は飽和環状カーボネートと鎖状カーボネートとの混合溶媒からなる非水溶媒を採用することが好ましい。特に、これらの非水溶媒の中からいずれかを採用
し、負極活物質層にハードカーボンを含むと、ナトリウムイオン二次電池は優れた充放電効率及び充放電特性を持つ。必要に応じてリチウムイオン電池に用いられている既知の添加剤を用いてもよい。特に、フルオロエチレンカーボネート(FEC)は添加剤として好ましい。
Among the above electrolytic solutions, it is preferable to employ a non-aqueous solvent consisting essentially of a saturated cyclic carbonate (excluding the sole use of ethylene carbonate) or a mixed solvent of a saturated cyclic carbonate and a chain carbonate. In particular, when any one of these non-aqueous solvents is employed and hard carbon is included in the negative electrode active material layer, the sodium ion secondary battery has excellent charge / discharge efficiency and charge / discharge characteristics. You may use the known additive currently used for the lithium ion battery as needed. In particular, fluoroethylene carbonate (FEC) is preferred as an additive.

ここで、「実質的に」とは、飽和環状カーボネートのみからなる非水溶媒(ただし、エチレンカーボネートの単独使用を除く)、飽和環状カーボネートと鎖状カーボネートとの混合溶媒からなる非水溶媒の他、充放電特性等のナトリウムイオン二次電池の性能に影響を与えない範囲で、他の溶媒を本発明に用いる上記非水溶媒に含んだ溶媒も含むことを指す。   Here, “substantially” means a non-aqueous solvent composed only of a saturated cyclic carbonate (excluding the single use of ethylene carbonate), a non-aqueous solvent composed of a mixed solvent of a saturated cyclic carbonate and a chain carbonate. In the range which does not affect the performance of the sodium ion secondary battery such as the charge / discharge characteristics, it means that the solvent includes the solvent contained in the non-aqueous solvent used in the present invention.

飽和環状カーボネートの中でもプロピレンカーボネートの使用が好ましい。また、混合溶媒の中でもエチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合溶媒、又はエチレンカーボネートとプロピレンカーボネートとの混合溶媒の使用が好ましい。   Among the saturated cyclic carbonates, use of propylene carbonate is preferable. Of the mixed solvents, it is preferable to use a mixed solvent of ethylene carbonate and diethyl carbonate or a mixed solvent of ethylene carbonate and propylene carbonate.

電解質として、電解液を採用した場合に使用可能な電解質塩は、特に限定されず、ナトリウム二次電池に一般的に用いられる電解質塩を使用できる。   As an electrolyte, an electrolyte salt that can be used when an electrolytic solution is employed is not particularly limited, and an electrolyte salt that is generally used for sodium secondary batteries can be used.

ナトリウム二次電池に一般的に用いられる電解質塩としては、例えば、NaClO、NaPF、NaBF、CFSONa、NaAsF,NaB(C,CHSONa、NaN(SOCF、NaN(SO、NaC(SOCF、NaN(SOCF等を挙げることができる。また、電解質塩として、前記Na塩の他、Li塩を用いてもよい。なお、上記電解質のうち1種を用いてもよく、あるいは2種以上を組み合わせて用いてもよい。 Examples of the electrolyte salt generally used in sodium secondary batteries include NaClO 4 , NaPF 6 , NaBF 4 , CF 3 SO 3 Na, NaAsF 6 , NaB (C 6 H 5 ) 4 , CH 3 SO 3 Na, Examples thereof include NaN (SO 2 CF 3 ) 2 , NaN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 , NaC (SO 2 CF 3 ) 3 , NaN (SO 3 CF 3 ) 2 and the like. Moreover, you may use Li salt other than the said Na salt as electrolyte salt. In addition, 1 type may be used among the said electrolytes, and may be used in combination of 2 or more type.

また、電解液中の電解質塩の濃度は特に限定されないが、上記電解質塩の濃度は3〜0.1mol/Lであることが好ましく、1.5〜0.5mol/Lであることがより好ましい。   The concentration of the electrolyte salt in the electrolytic solution is not particularly limited, but the concentration of the electrolyte salt is preferably 3 to 0.1 mol / L, and more preferably 1.5 to 0.5 mol / L. .

固体電解質としては、例えばポリエチレンオキサイド系の高分子化合物、ポリオルガノシロキサン鎖及びポリオキシアルキレン鎖の少なくとも一種を含む高分子化合物等の有機系固体電解質を用いることができる。また、高分子化合物に非水電解質溶液を保持させた、いわゆるゲルタイプのものを用いることもできる。また、NaS−SiS、NaS−GeS、NaTi(PO、NaFe(PO、Na(SO、Fe(SO(PO)、Fe(MoO等の無機系固体電解質を用いてもよい。 As the solid electrolyte, for example, an organic solid electrolyte such as a polyethylene oxide polymer compound, a polymer compound containing at least one of a polyorganosiloxane chain and a polyoxyalkylene chain can be used. Moreover, what is called a gel type which hold | maintained the nonaqueous electrolyte solution in the high molecular compound can also be used. Further, Na 2 S-SiS 2, Na 2 S-GeS 2, NaTi 2 (PO 4) 3, NaFe 2 (PO 4) 3, Na 2 (SO 4) 3, Fe 2 (SO 4) 2 (PO 4 ), Fe 2 (MoO 4 ) 3 or other inorganic solid electrolytes may be used.

[ナトリウム二次電池の構造]
本発明のナトリウム二次電池の構造としては特に限定されず、形態・構造で区別した場合には、積層型(扁平型)電池、捲回型(円筒型)電池等、従来公知のいずれの形態・構造にも適用しうるものである。また、ナトリウムイオン二次電池内の電気的な接続形態(電池構造)で見た場合、(内部並列接続タイプ)電池及び双極型(内部直列接続タイプ)電池のいずれにも適用しうるものである。
[Structure of sodium secondary battery]
The structure of the sodium secondary battery of the present invention is not particularly limited, and when distinguished by form and structure, any conventionally known form such as a stacked (flat) battery, a wound (cylindrical) battery, etc.・ Applicable to structures. Further, when viewed in terms of electrical connection form (battery structure) in the sodium ion secondary battery, it can be applied to both (internal parallel connection type) batteries and bipolar (internal series connection type) batteries. .

以下、本発明について実施例を挙げて詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施例に何ら限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples. In addition, this invention is not limited to the Example shown below at all.

(実施例1)
原料としてKCO、LiCO、TiO(アナターゼ)を、モル比0.45:
0.15:1.7となるように秤量した後、湿式ボールミルを用いて600rpm、3時間混合した。得られた混合物をペレット成型した後、空気雰囲気下900℃で12時間焼成を行うことでレピドクロサイト型構造のK0.9Li0.3Ti1.7(化合物1)を合成した。
化合物1を5mol/LのNaCl水溶液に加え、60℃に設定したホットスターラー上で3日間、撹拌を行い、化合物1のKをNaにイオン交換した。濾過後、室温乾燥した粉末(化合物2)について、粉末X線回折法による測定を行った。線源にはCuKαを用い、走査軸をθ/2θとして行った。XRD解析の結果、空間群Pmmmに帰属される層状構造を有することが確認された。化合物2のXRD測定結果を図1に示す。
化合物2を200℃の真空乾燥機で1日乾燥させた後の粉末(化合物3)のXRD解析の結果、空間群Cmcmに帰属される層状構造を有することが確認された。化合物3のXRD測定結果を図2に示す。
Example 1
K 2 CO 3 , Li 2 CO 3 , TiO 2 (anatase) as raw materials at a molar ratio of 0.45:
After weighing to 0.15: 1.7, it was mixed at 600 rpm for 3 hours using a wet ball mill. After pellet-molding the obtained mixture, K 0.9 Li 0.3 Ti 1.7 O 4 (compound 1) having a lipidocrosite structure was synthesized by firing at 900 ° C. for 12 hours in an air atmosphere. .
Was added Compound 1 to NaCl aqueous solution 5 mol / L, 3 days on a hot stirrer set at 60 ° C., stirring is carried out for, for the K + Compound 1 was ion-exchanged to Na +. After filtration, the powder dried at room temperature (Compound 2) was measured by a powder X-ray diffraction method. CuKα was used as the radiation source, and the scanning axis was θ / 2θ. As a result of XRD analysis, it was confirmed to have a layered structure belonging to the space group Pmmm. The XRD measurement result of Compound 2 is shown in FIG.
As a result of XRD analysis of the powder (Compound 3) after drying Compound 2 for 1 day with a 200 ° C. vacuum dryer, it was confirmed that it had a layered structure belonging to the space group Cmcm. The XRD measurement result of Compound 3 is shown in FIG.

化合物3を用い、化合物3:CMC(カルボシキメチルセルロース):AB(アセチレンブラック)=80:5:10(質量比)となるように混合し、純水を用いてスラリー化、集電体であるAlに塗布することで電極を作製した。200℃で乾燥した電極のXRD測定結果を図3に示す。無印の回折線は空間群Cmcmに、下矢印の回折線は空間群Pmmmに帰属され、体心斜方格子と単純斜方格子の混合相を有する負極活物質を含有する電極であることが確認された。また、Pmmmに帰属される010回折線はほとんど観察されず、Cmcmに帰属される020回折線の強度の半分以下であることも確認された。電解液に1M NaPF/PC(プロピレンカーボネート)を用い、対極にNa金属を使用した電池を作製した。
作製した電池について、電流密度10mA/gで0.1V−2Vの電圧範囲で充放電試験を実施した。
初回の放電容量、クーロン効率および15サイクル(cyc)後の放電容量はそれぞれ117.6mAh/g、72.1%、113.5mAh/gであった。
A compound 3 is used, and compound 3: CMC (carboxymethyl cellulose): AB (acetylene black) = 80: 5: 10 (mass ratio) is mixed and slurried using pure water to obtain a current collector. The electrode was produced by applying to Al. The XRD measurement result of the electrode dried at 200 ° C. is shown in FIG. The unmarked diffraction line belongs to the space group Cmcm, and the diffraction line indicated by the down arrow belongs to the space group Pmmm, confirming that the electrode contains a negative electrode active material having a mixed phase of a body-centered rhombic lattice and a simple rhombic lattice. It was done. Moreover, the 010 diffraction line attributed to Pmmm was hardly observed, and it was also confirmed that it was less than half the intensity of the 020 diffraction line attributed to Cmcm. A battery using 1M NaPF 6 / PC (propylene carbonate) as the electrolytic solution and Na metal as the counter electrode was produced.
About the produced battery, the charge / discharge test was implemented in the voltage range of 0.1V-2V with the current density of 10 mA / g.
The initial discharge capacity, the Coulomb efficiency, and the discharge capacity after 15 cycles (cyc) were 117.6 mAh / g, 72.1%, and 113.5 mAh / g, respectively.

(実施例2)
電極作製後の乾燥温度を120℃とした以外は実施例1と同様な手法で電池を作製した。120℃で乾燥した電極のXRD測定結果を図4に示す。無印の回折線は空間群Cmcmに、下矢印の回折線は空間群Pmmmに帰属され、体心斜方格子と単純斜方格子の混合相を有する負極活物質を含有する電極であることが確認された。また、Pmmmに帰属される010回折線は観察されるが、Cmcmに帰属される020回折線の強度の半分以下であることも確認された。充放電試験の結果、初回の放電容量、クーロン効率および15サイクル後の放電容量はそれぞれ109.6mAh/g、60.7%、104.9mAh/gであった。
(Example 2)
A battery was prepared in the same manner as in Example 1 except that the drying temperature after electrode preparation was 120 ° C. The XRD measurement result of the electrode dried at 120 ° C. is shown in FIG. The unmarked diffraction line belongs to the space group Cmcm, and the diffraction line indicated by the down arrow belongs to the space group Pmmm, confirming that the electrode contains a negative electrode active material having a mixed phase of a body-centered rhombic lattice and a simple rhombic lattice. It was done. Moreover, although the 010 diffraction line attributed to Pmmm was observed, it was also confirmed that it was less than half the intensity of the 020 diffraction line attributed to Cmcm. As a result of the charge / discharge test, the initial discharge capacity, the Coulomb efficiency, and the discharge capacity after 15 cycles were 109.6 mAh / g, 60.7%, and 104.9 mAh / g, respectively.

(実施例3)
化合物1をモル比でNa:K=30:1となるように、NaNOと混合し、320℃で4時間保持することによりイオン交換を行った以外は実施例1と同様な手法で電極を作製した。200℃で乾燥した電極のXRD測定結果を図5に示す。無印の回折線は空間群Cmcmに、下矢印の回折線は空間群Pmmmに帰属され、体心斜方格子と単純斜方格子の混合相を有する負極活物質を含有する電極であることが確認された。また、Pmmmに帰属される010回折線はほとんど観察されず、Cmcmに帰属される020回折線の強度の半分以下であることも確認された。充放電試験の結果、初回の放電容量、クーロン効率および15サイクル後の放電容量はそれぞれ97.8mAh/g、71.0%、97.8mAh/gであった。
(Example 3)
The electrode was prepared in the same manner as in Example 1 except that the compound 1 was mixed with NaNO 3 so that the molar ratio was Na: K = 30: 1 and kept at 320 ° C. for 4 hours to perform ion exchange. Produced. The XRD measurement result of the electrode dried at 200 ° C. is shown in FIG. The unmarked diffraction line belongs to the space group Cmcm, and the diffraction line indicated by the down arrow belongs to the space group Pmmm, confirming that the electrode contains a negative electrode active material having a mixed phase of a body-centered rhombic lattice and a simple rhombic lattice. It was done. Moreover, the 010 diffraction line attributed to Pmmm was hardly observed, and it was also confirmed that it was less than half the intensity of the 020 diffraction line attributed to Cmcm. As a result of the charge / discharge test, the initial discharge capacity, the Coulomb efficiency, and the discharge capacity after 15 cycles were 97.8 mAh / g, 71.0%, and 97.8 mAh / g, respectively.

(実施例4)
電極の乾燥温度を150℃とした以外は実施例3と同様な手法で電極を作製した。15
0℃で乾燥した電極のXRD測定結果を図6に示す。
無印の回折線は空間群Cmcmに、下矢印の回折線は空間群Pmmmに帰属され、体心斜方格子と単純斜方格子の混合相を有する負極活物質を含有する電極であることが確認された。また、Pmmmに帰属される010回折線は観察されるが、Cmcmに帰属される020回折線の強度の半分以下であることも確認された。充放電試験の結果、初回の放電容量、クーロン効率および15サイクル後の放電容量はそれぞれ95.1mAh/g、68.3%、95.2mAh/gであった。
Example 4
An electrode was produced in the same manner as in Example 3 except that the electrode drying temperature was 150 ° C. 15
The XRD measurement result of the electrode dried at 0 ° C. is shown in FIG.
The unmarked diffraction line belongs to the space group Cmcm, and the diffraction line indicated by the down arrow belongs to the space group Pmmm, confirming that the electrode contains a negative electrode active material having a mixed phase of a body-centered rhombic lattice and a simple rhombic lattice. It was done. Moreover, although the 010 diffraction line attributed to Pmmm was observed, it was also confirmed that it was less than half the intensity of the 020 diffraction line attributed to Cmcm. As a result of the charge / discharge test, the initial discharge capacity, the Coulomb efficiency, and the discharge capacity after 15 cycles were 95.1 mAh / g, 68.3%, and 95.2 mAh / g, respectively.

(比較例1)
電極作製後の乾燥条件を、80℃で乾燥した後、大気中、常温で5時間放置後、さらに25℃の真空乾燥機中で12時間保管した以外は実施例1と同様な手法で電極を作製した。図7に比較例1の電極のXRD測定結果を示す。XRD測定結果から、空間群Pmmmに帰属される単純斜方格子単相を有する負極活物質を含有する電極であることが確認された。充放電試験の結果、初回の放電容量、クーロン効率および15サイクル後の放電容量はそれぞれ93.2mAh/g、44.8%、96.6mAh/gであった。
(Comparative Example 1)
The electrode was prepared in the same manner as in Example 1 except that the electrode was dried at 80 ° C., allowed to stand at room temperature for 5 hours, and stored in a vacuum dryer at 25 ° C. for 12 hours. Produced. FIG. 7 shows the XRD measurement results of the electrode of Comparative Example 1. From the XRD measurement results, it was confirmed that the electrode contained a negative electrode active material having a simple orthorhombic lattice single phase belonging to the space group Pmmm. As a result of the charge / discharge test, the initial discharge capacity, the Coulomb efficiency, and the discharge capacity after 15 cycles were 93.2 mAh / g, 44.8%, and 96.6 mAh / g, respectively.

Figure 2016100058
Figure 2016100058

本発明の負極活物質を用いた負極を備えたナトリウムイオン電池の用途は特に限定されず、公知の各種の用途に用いることが可能である。具体例としては、ノートパソコン、ペン入力パソコン、モバイルパソコン、電子ブックプレーヤー、携帯電話、携帯ファックス、携帯コピー、携帯プリンター、ヘッドフォンステレオ、ビデオムービー、液晶テレビ、ハンディークリーナー、ポータブルCD、ミニディスク、トランシーバー、電子手帳、電卓、メモリーカード、携帯テープレコーダー、ラジオ、バックアップ電源、定置型電源、モーター、照明器具、玩具、ゲーム機器、時計、ストロボ、カメラ、ペースメーカー、電動工具、自転車・バイク用動力源、自動車用動力源、軌道車両動力源、人工衛星用動力源等を挙げることができる。   The use of the sodium ion battery provided with the negative electrode using the negative electrode active material of the present invention is not particularly limited, and can be used for various known uses. Specific examples include notebook computers, pen input computers, mobile computers, electronic book players, mobile phones, mobile faxes, mobile copy, mobile printers, headphone stereos, video movies, LCD TVs, handy cleaners, portable CDs, minidiscs, and transceivers. , Electronic notebook, calculator, memory card, portable tape recorder, radio, backup power supply, stationary power supply, motor, lighting equipment, toys, game equipment, clock, strobe, camera, pacemaker, power tool, power source for bicycles and motorcycles, Examples thereof include an automobile power source, an orbital vehicle power source, and a satellite power source.

Claims (4)

組成式が下記式(I)で表され、4価のTiを含む遷移金属層からなる層状の結晶構造を有する遷移金属酸化物を含有し、単純斜方格子と体心斜方格子の混合相を有するナトリウムイオン電池用負極活物質。
Ti2−y ・・・(I)
(式(I)中、0<x<1であり、AはH、Li、Na、K、Rb及びCsから選ばれる少なくとも1種の元素であり、Mは空孔、Li、Mg、Mn、Fe、Co、Ni、Cu及びZnから選ばれる少なくとも1種であって、遷移金属層を構成するTiを置換しうるものであり、0<y<2である。)
A mixed phase of a simple orthorhombic lattice and a body-centered orthorhombic lattice, comprising a transition metal oxide having a compositional formula represented by the following formula (I) and having a layered crystal structure comprising a transition metal layer containing tetravalent Ti A negative electrode active material for sodium ion batteries.
A x Ti 2-y M y O 4 ··· (I)
(In formula (I), 0 <x <1, A is at least one element selected from H, Li, Na, K, Rb and Cs, and M is a vacancy, Li, Mg, Mn, (At least one selected from Fe, Co, Ni, Cu and Zn, which can replace Ti constituting the transition metal layer, and 0 <y <2.)
粉末X線回折による回折線において、単純斜方格子に帰属される010回折線の強度が、体心斜方格子に帰属される020回折線の強度の半分以下であることを特徴とする請求項1に記載のナトリウムイオン電池用負極活物質。   The intensity of a 010 diffraction line attributed to a simple orthorhombic lattice in a diffraction line by powder X-ray diffraction is less than half of the intensity of a 020 diffraction line attributed to a body-centered orthorhombic lattice. The negative electrode active material for sodium ion batteries according to 1. 請求項1又は2に記載のナトリウムイオン電池用負極活物質を含むことを特徴とするナトリウムイオン電池用負極。   A sodium ion battery negative electrode comprising the sodium ion battery negative electrode active material according to claim 1. 請求項3に記載のナトリウムイオン電池用負極を備えることを特徴とするナトリウムイオン電池。   A sodium ion battery comprising the negative electrode for a sodium ion battery according to claim 3.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2017119171A1 (en) * 2016-01-06 2017-07-13 ソニー株式会社 Nonaqueous secondary battery, and positive electrode active material for nonaqueous secondary batteries and method for producing same
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WO2022118640A1 (en) * 2020-12-04 2022-06-09 大塚化学株式会社 Titanic acid-based solid electrolyte material
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