JP2016157602A - Positive electrode active material for sodium secondary battery and production method therefor, and sodium ion secondary battery - Google Patents

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篤史 福永
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Koji Nitta
耕司 新田
将一郎 酒井
Shoichiro Sakai
将一郎 酒井
瑛子 今▲崎▼
Eiko Imazaki
瑛子 今▲崎▼
慎一 駒場
Shinichi Komaba
慎一 駒場
久保田 圭
Kei Kubota
圭 久保田
裕也 廣中
Hironari Hironaka
裕也 廣中
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high capacity sodium ion secondary battery capable of repeating charge and discharge stably.SOLUTION: A positive electrode active material for sodium secondary battery contains a sodium-containing multiple oxide having P2 type crystal structure, and represented by Na(LiM)O, where 0<x<1.0 and 0.12<a<0.5. The element M contains at least Mn and Ni, and in the powder X-ray diffraction of the sodium-containing multiple oxide using CuKα ray, no peak is observed in a range of 18°-25°.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、P2型の結晶構造を有するナトリウム含有複合酸化物を含むナトリウム二次電池用正極活物質およびその製造方法、並びにナトリウムイオン二次電池に関する。   The present invention relates to a positive electrode active material for a sodium secondary battery including a sodium-containing composite oxide having a P2 type crystal structure, a method for producing the same, and a sodium ion secondary battery.

リチウムイオン二次電池に代わり、資源量が豊富で安価なナトリウムを主要原料とするナトリウムイオン二次電池の開発が進められている。ナトリウムイオン二次電池用正極活物質としては、P2型の結晶構造を有するナトリウム含有複合酸化物が、電気化学的な安定性が高いことから有望である。   In place of lithium ion secondary batteries, development of sodium ion secondary batteries using abundant and inexpensive sodium as a main raw material is in progress. As a positive electrode active material for a sodium ion secondary battery, a sodium-containing composite oxide having a P2 type crystal structure is promising because of its high electrochemical stability.

例えば、特許文献1は、NaxTO2(Tは遷移金属)で示されるP2型のナトリウム含有複合酸化物において、Tの一部をLiに置換することを提案している。遷移金属サイトに組み込まれたLiは、結晶構造を安定化させ、サイクル特性を向上させるものと考えられている。 For example, Patent Document 1 proposes that a part of T is replaced with Li in a P2 type sodium-containing composite oxide represented by Na x TO 2 (T is a transition metal). Li incorporated in the transition metal site is believed to stabilize the crystal structure and improve cycle characteristics.

特開2014−160653号公報JP 2014-160653 A

NaxTO2で示されるP2型のナトリウム含有複合酸化物の結晶構造を安定化させる点からは、相当量の遷移金属をLiに置換することが望まれる。また、Tの一部をLiに置換することで、複合酸化物中のナトリウム含有量を増量することができ、容量を向上させ得ることも判明しつつある。しかし、Li量が多くなると、P2型のナトリウム含有遷移金属酸化物の合成が困難になる。例えば、正極活物質の純度が低下し、正極活物質の水分に対する安定性が低下する。その結果、正極の作製にも支障が生じる。 From the viewpoint of stabilizing the crystal structure of the P2-type sodium-containing composite oxide represented by Na x TO 2 , it is desirable to substitute a considerable amount of transition metal with Li. It has also been found that by replacing part of T with Li, the sodium content in the composite oxide can be increased and the capacity can be improved. However, when the amount of Li increases, it becomes difficult to synthesize a P2-type sodium-containing transition metal oxide. For example, the purity of the positive electrode active material decreases, and the stability of the positive electrode active material with respect to moisture decreases. As a result, the production of the positive electrode is hindered.

本発明の一局面は、P2型の結晶構造を有し、Nax[Lia1-a]O2、ただし0<x<1.0かつ0.12<a<0.5、で表されるナトリウム含有複合酸化物を含み、前記元素Mは、少なくともMnとNiとを含み、CuKα線を用いた前記ナトリウム含有複合酸化物の粉末X線回折像において2θ=18°〜25°の範囲にピークが観察されない、ナトリウム二次電池用正極活物質に関する。 One aspect of the present invention has a P2-type crystal structure and is represented by Na x [Li a M 1-a ] O 2 , where 0 <x <1.0 and 0.12 <a <0.5. The element M contains at least Mn and Ni, and ranges from 2θ = 18 ° to 25 ° in the powder X-ray diffraction image of the sodium-containing composite oxide using CuKα rays. The present invention relates to a positive electrode active material for a sodium secondary battery in which no peak is observed.

本発明の別の局面は、上記正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極と、ナトリウムイオン伝導性を有する非水電解質と、を具備する、ナトリウムイオン二次電池に関する。   Another aspect of the present invention relates to a sodium ion secondary battery comprising a positive electrode including the positive electrode active material, a negative electrode including a negative electrode active material, and a nonaqueous electrolyte having sodium ion conductivity.

本発明の更に別の局面は、ナトリウム塩と、リチウム塩と、元素Mを含む塩と、を含む原料を調製する工程と、前記原料を、酸化雰囲気または不活性ガス雰囲気中で、700℃より高く、かつ800℃より低い温度で焼成してナトリウム含有複合酸化物を生成させる工程と、を有し、前記リチウム塩に含まれるリチウムと前記元素Mを含む塩に含まれる元素Mとの合計に対する、前記ナトリウム塩に含まれるナトリウムのモル比xが、0<x<1.0を満たし、前記元素Mは、少なくともMnとNiとを含み、前記リチウム塩に含まれるリチウムと前記元素Mを含む塩に含まれる元素Mとの合計に対する、前記リチウム塩に含まれるリチウムのモル比aが、0.12<a<0.5を満たす、ナトリウム二次電池用正極活物質の製造方法に関する。   Still another aspect of the present invention includes a step of preparing a raw material containing a sodium salt, a lithium salt, and a salt containing the element M, and the raw material in an oxidizing atmosphere or an inert gas atmosphere at 700 ° C. And a step of firing at a temperature lower than 800 ° C. to form a sodium-containing composite oxide, and with respect to a total of lithium contained in the lithium salt and element M contained in the salt containing element M The molar ratio x of sodium contained in the sodium salt satisfies 0 <x <1.0, the element M contains at least Mn and Ni, and contains lithium and the element M contained in the lithium salt. The present invention relates to a method for producing a positive electrode active material for a sodium secondary battery, wherein a molar ratio a of lithium contained in the lithium salt with respect to a total of the element M contained in the salt satisfies 0.12 <a <0.5. .

本発明に係る正極活物質によれば、安定して充放電を繰り返すことができる高容量のナトリウムイオン二次電池を提供することができる。   The positive electrode active material according to the present invention can provide a high-capacity sodium ion secondary battery that can be stably charged and discharged.

本発明の一実施形態に係るナトリウムイオン二次電池の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the sodium ion secondary battery which concerns on one Embodiment of this invention. 原料の焼成温度と生成する複合酸化物のXRDパターンとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the calcination temperature of a raw material, and the XRD pattern of the composite oxide to produce | generate. 実施例に係る複合酸化物のSEM像である。It is a SEM image of complex oxide concerning an example. 実施例に係るナトリウムイオン二次電池の充放電曲線を示す図である。It is a figure which shows the charging / discharging curve of the sodium ion secondary battery which concerns on an Example. 実施例に係るナトリウムイオン二次電池の充放電サイクル数と放電容量との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the charging / discharging cycle number of the sodium ion secondary battery which concerns on an Example, and discharge capacity.

[発明の実施形態の説明]
最初に、本発明の実施形態の内容を列記して説明する。
本発明の一実施形態は、(1)P2型の結晶構造を有し、一般式:Nax[Lia1-a]O2(ただし、0<x<1.0、0.12<a<0.5)で表されるナトリウム含有複合酸化物を含み、元素Mは、少なくともMnとNiとを含み、CuKα線を用いた上記ナトリウム含有複合酸化物の粉末X線回折像において2θ=18°〜25°の範囲にピークが観察されない、ナトリウム二次電池用正極活物質に関する。上記正極活物質を備えるナトリウムイオン二次電池は、高容量を有し、充放電を繰り返しても容量の劣化が小さい。
[Description of Embodiment of the Invention]
First, the contents of the embodiment of the present invention will be listed and described.
One embodiment of the present invention has (1) a crystal structure of P2 type, and has a general formula: Na x [Li a M 1-a ] O 2 (where 0 <x <1.0, 0.12 < a <0.5), the element M contains at least Mn and Ni, and 2θ = in the powder X-ray diffraction image of the sodium-containing composite oxide using CuKα rays. The present invention relates to a positive electrode active material for a sodium secondary battery in which no peak is observed in the range of 18 ° to 25 °. The sodium ion secondary battery including the positive electrode active material has a high capacity, and the deterioration of the capacity is small even after repeated charge and discharge.

上記一般式は0.79<xを満たすことが好ましい。これにより、ナトリウム含有複合酸化物中のナトリウム含有量が大きくなるため、高容量を得やすくなる。   The above general formula preferably satisfies 0.79 <x. Thereby, since sodium content in sodium content complex oxide becomes large, it becomes easy to obtain high capacity.

上記一般式は0.13<a<0.5を満たすことが好ましい。これにより、ナトリウム含有複合酸化物中のナトリウム含有量を大きくすることが更に容易となる。   The above general formula preferably satisfies 0.13 <a <0.5. Thereby, it becomes easier to increase the sodium content in the sodium-containing composite oxide.

元素Mは、NiyzMn1-y-z(ただし、0.1≦y<0.33、0≦z<0.1)で表されることが好ましい。元素Aは、NiおよびMn以外の元素である。これにより、ナトリウム含有複合酸化物の結晶構造をより安定化させやすくなるとともに高容量で安価な正極活物質を得ることができる。 The element M is preferably represented by Ni y A z Mn 1-yz (where 0.1 ≦ y <0.33, 0 ≦ z <0.1). Element A is an element other than Ni and Mn. Thereby, the crystal structure of the sodium-containing composite oxide can be more easily stabilized, and a high-capacity and inexpensive positive electrode active material can be obtained.

本発明の一実施形態に係るナトリウムイオン二次電池は、上記正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極と、ナトリウムイオン伝導性を有する非水電解質と、を具備する。上記正極活物質を備える正極を用いることで、安定して充放電を繰り返すことができる高容量のナトリウムイオン二次電池を提供することができる。   The sodium ion secondary battery which concerns on one Embodiment of this invention comprises the positive electrode containing the said positive electrode active material, the negative electrode containing a negative electrode active material, and the nonaqueous electrolyte which has sodium ion conductivity. By using a positive electrode including the positive electrode active material, a high-capacity sodium ion secondary battery that can stably charge and discharge can be provided.

本発明の一実施形態に係るナトリウム二次電池用正極活物質の製造方法は、(i)ナトリウム塩と、リチウム塩と、元素Mを含む塩と、を含む原料を調製する工程と、(ii)原料を、酸化雰囲気または不活性ガス雰囲気中で、700℃より高く、かつ800℃より低い温度で焼成してナトリウム含有複合酸化物を生成させる工程と、を有する。ただし、リチウム塩に含まれるリチウムと元素Mを含む塩に含まれる元素Mとの合計に対する、ナトリウム塩に含まれるナトリウムのモル比xは、0<x<1.0を満たす。また、元素Mは、少なくともMnとNiとを含む。更に、リチウム塩に含まれるリチウムと元素Mを含む塩に含まれる元素Mとの合計に対する、リチウム塩に含まれるリチウムのモル比aは、0.12<a<0.5を満たす。上記製造方法によれば、CuKα線を用いた粉末X線回折像において2θ=18°〜25°の範囲にピークが観察されないナトリウム含有複合酸化物を得ることができる。   A method for producing a positive electrode active material for a sodium secondary battery according to an embodiment of the present invention includes: (i) a step of preparing a raw material containing a sodium salt, a lithium salt, and a salt containing the element M; ) Firing the raw material at a temperature higher than 700 ° C. and lower than 800 ° C. in an oxidizing atmosphere or an inert gas atmosphere to form a sodium-containing composite oxide. However, the molar ratio x of sodium contained in the sodium salt with respect to the sum of the lithium contained in the lithium salt and the element M contained in the salt containing the element M satisfies 0 <x <1.0. The element M includes at least Mn and Ni. Furthermore, the molar ratio “a” of lithium contained in the lithium salt with respect to the sum of lithium contained in the lithium salt and element M contained in the salt containing element M satisfies 0.12 <a <0.5. According to the above production method, it is possible to obtain a sodium-containing composite oxide in which no peak is observed in the range of 2θ = 18 ° to 25 ° in a powder X-ray diffraction image using CuKα rays.

元素Mを含む塩に含まれるニッケルとマンガンとのモル比をy:1−y−zで表すとき、0.1≦y<0.33かつ0≦z<0.1を満たすことが好ましい。これにより、ナトリウム含有複合酸化物の結晶構造をより安定化させやすくなるとともに高容量で安価な正極活物質を得ることができる。   When the molar ratio of nickel and manganese contained in the salt containing the element M is represented by y: 1-yz, it is preferable that 0.1 ≦ y <0.33 and 0 ≦ z <0.1 are satisfied. Thereby, the crystal structure of the sodium-containing composite oxide can be more easily stabilized, and a high-capacity and inexpensive positive electrode active material can be obtained.

[発明の実施形態の詳細]
次に、本発明の実施形態について更に具体的に説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
[Details of the embodiment of the invention]
Next, the embodiment of the present invention will be described more specifically. In addition, this invention is not limited to these illustrations, is shown by the attached claim, and is intended that all the changes within the meaning and range equivalent to the claim are included. .

<正極活物質>
正極活物質は、P2型の結晶構造を有し、一般式:Nax[Lia1-a]O2(ただし、0<x<1.0、0.12<a<0.5)で表されるナトリウム含有複合酸化物を含む。すなわち、ナトリウム含有複合酸化物は、P2型の結晶構造を有するNaxMO2の元素Mの一部をLiで置換した構造を有する。元素Mは、Liより高い価数を有し、少なくともMnとNiとを含む。例えば2価のNiが1価のLiで置換されると正電荷が不足する。このような不足はナトリウム含有量を増量することにより補償される。
<Positive electrode active material>
The positive electrode active material has a P2 type crystal structure, and has a general formula: Na x [Li a M 1-a ] O 2 (where 0 <x <1.0, 0.12 <a <0.5) A sodium-containing composite oxide represented by That is, the sodium-containing composite oxide has a structure in which a part of the element M of Na x MO 2 having a P2 type crystal structure is substituted with Li. The element M has a higher valence than Li and contains at least Mn and Ni. For example, when divalent Ni is substituted with monovalent Li, the positive charge is insufficient. Such deficiencies are compensated by increasing the sodium content.

Liで置換される元素Mの量が多くなると、単相のP2型の結晶構造を有する複合酸化物の合成は次第に困難になる。よって、ナトリウム含有複合酸化物中に、所望の結晶構造を有さない第三成分が混入しやすくなる。上記一般式が0.12<a<0.5を満たす場合、Liで置換される元素Mの量は12モル%を超えることから、通常は第三成分が混入する。その場合、CuKα線を用いたナトリウム含有複合酸化物の粉末X線回折像において、2θ=18°〜25°の範囲にピークが観察される。   As the amount of the element M substituted with Li increases, it becomes increasingly difficult to synthesize a composite oxide having a single-phase P2-type crystal structure. Therefore, the third component having no desired crystal structure is likely to be mixed in the sodium-containing composite oxide. When the above general formula satisfies 0.12 <a <0.5, the amount of the element M substituted with Li exceeds 12 mol%, and thus the third component is usually mixed. In that case, a peak is observed in the range of 2θ = 18 ° to 25 ° in the powder X-ray diffraction image of the sodium-containing composite oxide using CuKα rays.

一方、ナトリウム含有複合酸化物の製造条件を厳密に制御することにより、上記一般式が0.12<a<0.5を満たす場合でも、第三成分の混入を避けることができる。これにより、CuKα線を用いた粉末X線回折像において2θ=18°〜25°の範囲にピークが観察されないナトリウム含有複合酸化物を得ることが可能となる。   On the other hand, by strictly controlling the production conditions of the sodium-containing composite oxide, even when the above general formula satisfies 0.12 <a <0.5, the mixing of the third component can be avoided. This makes it possible to obtain a sodium-containing composite oxide in which no peak is observed in the range of 2θ = 18 ° to 25 ° in a powder X-ray diffraction image using CuKα rays.

上記ナトリウム含有複合酸化物は、水と反応しにくく、大気中および水溶液中でも変質しにくい。例えば、上記ナトリウム含有複合酸化物の1gを20cm3の水と混合して25℃で5分間以上撹拌して得られる分散液中の水のpHは12以下である。CuKα線を用いた粉末X線回折像において2θ=18°〜25°の範囲にピークが観察されないことと、複合酸化物の上記分散液中の水のpHが12以下であることとは、技術的に同様のことを意味している。すなわち、必ずしもCuKα線を用いたナトリウム含有複合酸化物の粉末X線回折像を測定する必要はなく、複合酸化物の上記分散液中の水のpHを測定することにより、本発明の条件を満たすか否かを判断することもできる。 The sodium-containing composite oxide does not easily react with water and does not easily change in the air or an aqueous solution. For example, 1 g of the sodium-containing composite oxide is mixed with 20 cm 3 of water, and the pH of water in the dispersion obtained by stirring at 25 ° C. for 5 minutes or more is 12 or less. The fact that no peak is observed in the range of 2θ = 18 ° to 25 ° in the powder X-ray diffraction image using CuKα ray and that the pH of water in the dispersion of the composite oxide is 12 or less is a technique. It means the same thing. That is, it is not always necessary to measure the powder X-ray diffraction image of the sodium-containing composite oxide using CuKα rays, and the conditions of the present invention are satisfied by measuring the pH of water in the dispersion of the composite oxide. It can also be determined.

上記分散液のpHは、11.5以下が好ましく、11.0以下がより好ましく、10.5以下が更に好ましい。pHは通常7.0以上である。水には25℃における比抵抗値が1〜10MΩ・cmの純水を用いればよい。   The pH of the dispersion is preferably 11.5 or less, more preferably 11.0 or less, and still more preferably 10.5 or less. The pH is usually 7.0 or higher. As the water, pure water having a specific resistance value at 25 ° C. of 1 to 10 MΩ · cm may be used.

ここで、P2型結晶構造について更に説明する。代表的なP2型結晶構造は、その対称性から空間群P63/mmcに帰属される。基本的なP2型結晶は層状構造であるが、P2型の母構造にP3型および/またはO3型の積層欠陥が含まれる場合もある。複合酸化物がP2型結晶構造を有するか否かは、X線回折により確認することができる。例えばNa2/3[Ni1/3Mn2/3]O2は典型的なP2型結晶構造を有する。 Here, the P2-type crystal structure will be further described. A typical P2-type crystal structure belongs to the space group P63 / mmc because of its symmetry. The basic P2 type crystal has a layered structure, but the P2 type mother structure may include P3 type and / or O3 type stacking faults. Whether or not the composite oxide has a P2-type crystal structure can be confirmed by X-ray diffraction. For example, Na 2/3 [Ni 1/3 Mn 2/3 ] O 2 has a typical P2 type crystal structure.

本発明に係るナトリウム含有複合酸化物は、上記組成を有し、かつP2型の結晶構造を有すればよく、X線回折におけるピーク位置の詳細は特に限定されない。ただし、X線源にCuKα線を用いた粉末X線回折測定において、2θ=18°〜25°の範囲にはピークが観察されない。18°から25°の範囲にピークが観察されない場合には、P2型の結晶構造以外の第三成分がナトリウム含有複合酸化物にほとんど含まれていないと判断することができる。ただし、ピークとは、客観的にその存在を確認できる実質的なピークであり、ノイズと判断することができるピークは含まれないものとする。   The sodium-containing composite oxide according to the present invention has only the above composition and has a P2 type crystal structure, and details of the peak position in X-ray diffraction are not particularly limited. However, in the powder X-ray diffraction measurement using CuKα ray as the X-ray source, no peak is observed in the range of 2θ = 18 ° to 25 °. When no peak is observed in the range of 18 ° to 25 °, it can be determined that the third component other than the P2 type crystal structure is hardly contained in the sodium-containing composite oxide. However, the peak is a substantial peak whose presence can be confirmed objectively, and a peak that can be determined as noise is not included.

上記一般式は0<x<1.0を満たせばよいが、x値はP2型結晶構造が維持されるように選択される。例えば0.79<xを満たすことが好ましく、0.80<x<0.95を満たすことが更に好ましく、0.84<x<0.90を満たすことが特に好ましい。なお、x値が1以上になると、O3型結晶構造が安定となるため、P2型結晶構造が形成されにくくなる。   The above general formula only needs to satisfy 0 <x <1.0, but the x value is selected so that the P2-type crystal structure is maintained. For example, it preferably satisfies 0.79 <x, more preferably satisfies 0.80 <x <0.95, and particularly preferably satisfies 0.84 <x <0.90. When the x value is 1 or more, the O3 type crystal structure becomes stable, and it becomes difficult to form the P2 type crystal structure.

なお、上記範囲は、原料の焼成により生成するナトリウム含有複合酸化物の組成におけるx値の範囲である。x値は、ナトリウムイオン二次電池の充放電により増減する。x値は充電時に減少し、放電時に増加する。充電時のx値の下限は0.1≦xであることが好ましく、0.2≦xであることがより好ましい。放電時のx値の上限はx<1.0であることが好ましく、x≦0.9であることがより好ましい。   In addition, the said range is a range of x value in the composition of the sodium containing complex oxide produced | generated by baking of a raw material. The x value increases or decreases due to charging / discharging of the sodium ion secondary battery. The x value decreases during charging and increases during discharging. The lower limit of the x value during charging is preferably 0.1 ≦ x, and more preferably 0.2 ≦ x. The upper limit of the x value during discharge is preferably x <1.0, and more preferably x ≦ 0.9.

また、上記一般式は0.12<a<0.5を満たせばよいが、a値はP2型結晶構造が維持され、かつ第三成分の生成が抑制されるように選択される。例えば0.13<a<0.5を満たすことが好ましく、0.14<a<0.3を満たすことが更に好ましく、0.15<a<0.2を満たすことが特に好ましい。なお、a値が0.12以下である場合、ナトリウム含有複合酸化物の製造条件を厳密に制御する必要はない。例えば、比較的高温で原料を焼成した場合でも、第三成分を実質的に含まないP2型結晶構造のナトリウム含有複合酸化物を生成させることが可能である。   The above general formula only needs to satisfy 0.12 <a <0.5, but the value a is selected so that the P2-type crystal structure is maintained and the generation of the third component is suppressed. For example, 0.13 <a <0.5 is preferably satisfied, 0.14 <a <0.3 is more preferable, and 0.15 <a <0.2 is particularly preferable. When the a value is 0.12 or less, it is not necessary to strictly control the production conditions of the sodium-containing composite oxide. For example, even when the raw material is fired at a relatively high temperature, it is possible to produce a sodium-containing composite oxide having a P2 crystal structure substantially free of the third component.

元素Mは、少なくともニッケルとマンガンを含むが、より具体的には、元素MがNiyzMn1-y-z(ただし、0.1≦y<0.33、0≦z<0.1)で表されることが好ましい。ただし、元素Aは、NiおよびMn以外の元素である。元素Aとしては、Mg、Al、Co、Tiなどが挙げられる。y値は0.1≦y<0.33を満たせばよいが、Liで置換される元素Mの量を確保する観点から、0.1<y<0.30が好ましく、0.15<y<0.25がより好ましく、0.16≦y≦0.23が更に好ましい。 The element M includes at least nickel and manganese. More specifically, the element M is Ni y A z Mn 1-yz (where 0.1 ≦ y <0.33, 0 ≦ z <0.1). It is preferable to be represented by However, the element A is an element other than Ni and Mn. Examples of the element A include Mg, Al, Co, Ti, and the like. The y value may satisfy 0.1 ≦ y <0.33, but from the viewpoint of securing the amount of the element M to be substituted with Li, 0.1 <y <0.30 is preferable, and 0.15 <y <0.25 is more preferable, and 0.16 ≦ y ≦ 0.23 is still more preferable.

(平均一次粒子径)
ナトリウム含有複合酸化物の平均一次粒子径は、特に限定されないが、例えば0.1μm以上であり、0.2μm以上が好ましく、0.3μm以上がより好ましい。この範囲であれば、P2型結晶が十分に成長しているといえる。また、平均一次粒子径は、例えば5μm以下であり、3μm以下が好ましく、2μm以下がより好ましい。この範囲であれば、複合酸化物の反応面積を十分に確保でき、出力特性に優れた正極活物質を得ることができる。平均一次粒子径は、複合酸化物の走査型電子顕微鏡(SEM)像において10〜30個の一次粒子を任意に選択し、選択した一次粒子の最大径の平均値として求めればよい。
(Average primary particle size)
The average primary particle size of the sodium-containing composite oxide is not particularly limited, but is, for example, 0.1 μm or more, preferably 0.2 μm or more, and more preferably 0.3 μm or more. If it is this range, it can be said that the P2 type crystal has fully grown. Moreover, an average primary particle diameter is 5 micrometers or less, for example, 3 micrometers or less are preferable and 2 micrometers or less are more preferable. If it is this range, the reaction area of complex oxide can be ensured enough and the positive electrode active material excellent in the output characteristic can be obtained. The average primary particle diameter may be obtained as an average value of the maximum diameters of the selected primary particles by arbitrarily selecting 10 to 30 primary particles in the scanning electron microscope (SEM) image of the composite oxide.

上記ナトリウム含有複合酸化物を含む正極を作製し、負極(対極)に金属ナトリウムを用いて電池を組み立てた場合、その開回路電圧(OCV)は、例えば1.5V以上である。正極は、金属ナトリウムの酸化還元電位に対して、1.5V〜4.6Vの範囲で充放電することができる。ただし、充放電サイクルを安定して繰り返す観点から、充電時の上限電圧は4.6V未満とすることが好ましく、4.5V以下がより好ましく、4.4V以下が更に好ましい。また、放電時の下限電圧は、1.7V以上が好ましく、1.8V以上がより好ましく、1.9V以上が更に好ましい。   When a positive electrode including the sodium-containing composite oxide is prepared and a battery is assembled using metallic sodium for the negative electrode (counter electrode), the open circuit voltage (OCV) is, for example, 1.5 V or more. The positive electrode can be charged / discharged in the range of 1.5 V to 4.6 V with respect to the redox potential of metallic sodium. However, from the viewpoint of stably repeating the charge / discharge cycle, the upper limit voltage during charging is preferably less than 4.6V, more preferably 4.5V or less, and even more preferably 4.4V or less. Moreover, 1.7V or more is preferable, as for the lower limit voltage at the time of discharge, 1.8V or more is more preferable, and 1.9V or more is still more preferable.

(ナトリウム含有複合酸化物の製造方法)
次に、上記ナトリウム含有複合酸化物の製造方法として、原料を調製する工程(i)と、原料を焼成する工程(ii)と、を有する方法について説明する。ただし、ナトリウム含有複合酸化物の製造方法は、以下に限定されない。
(Method for producing sodium-containing composite oxide)
Next, as a method for producing the sodium-containing composite oxide, a method having a step (i) of preparing a raw material and a step (ii) of firing the raw material will be described. However, the manufacturing method of a sodium containing complex oxide is not limited to the following.

工程(i)
まず、ナトリウム塩と、リチウム塩と、元素Mを含む塩と、を含む原料を調製する。ナトリウム塩、リチウム塩および元素Mを含む塩としては、例えば酸化物、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、有機酸塩(例えばシュウ酸塩)などを用いることができる。
Process (i)
First, a raw material containing a sodium salt, a lithium salt, and a salt containing the element M is prepared. Examples of the salt containing sodium salt, lithium salt and element M include oxides, hydroxides, oxyhydroxides, bicarbonates, carbonates, nitrates, sulfates, halides, organic acid salts (for example, oxalates) ) Etc. can be used.

具体的には、ナトリウム塩としては、Na2CO3、NaHCO3、Na2Oなどを用いることができる。これらのうちでは、Na2CO3の取り扱いが最も容易である。 Specifically, Na 2 CO 3 , NaHCO 3 , Na 2 O and the like can be used as the sodium salt. Of these, Na 2 CO 3 is the easiest to handle.

リチウム塩としては、LiOH、Li2CO3、Li2Oなどを用いることができる。これらのうちでは、Li2CO3の取り扱いが最も容易である。 As the lithium salt, LiOH, Li 2 CO 3 , Li 2 O, or the like can be used. Of these, Li 2 CO 3 is the easiest to handle.

元素Mを含む塩としては、ニッケルとマンガンを含む複塩を用いてもよいが、下記に示すようなニッケル塩とマンガン塩とを併用してもよい。ニッケル塩としては、NiCO3、Ni(OH)2、NiOOH、NiO、NiNO3、Ni2SO4などを用いることができる。これらのうちでは、Ni(OH)2、NiOOHおよびNiOの取り扱いが容易である。マンガン塩としては、MnO2、Mn23、Mn34などを用いることができる。なお、ニッケルとマンガンを含む複塩は、例えば、晶析法または共沈法により、酸化物もしくは水酸化物として調製することができる。 As the salt containing the element M, a double salt containing nickel and manganese may be used, but a nickel salt and a manganese salt as shown below may be used in combination. As the nickel salt, NiCO 3 , Ni (OH) 2 , NiOOH, NiO, NiNO 3 , Ni 2 SO 4 or the like can be used. Of these, Ni (OH) 2 , NiOOH and NiO are easy to handle. As the manganese salt, MnO 2 , Mn 2 O 3 , Mn 3 O 4 or the like can be used. The double salt containing nickel and manganese can be prepared as an oxide or hydroxide by, for example, a crystallization method or a coprecipitation method.

原料には、リチウム塩に含まれるリチウムと元素Mを含む塩に含まれる元素Mとの合計に対する、ナトリウム塩に含まれるナトリウムのモル比xが、0<x<1となるように、ナトリウム塩と元素Mを含む塩を含ませる。x値は所望のナトリウム含有複合酸化物の組成に応じて、例えば0.84<x<0.90を満たすように選択される。同様に、リチウム塩に含まれるリチウムと元素Mを含む塩に含まれる元素Mとの合計に対する、リチウム塩に含まれるリチウムのモル比aが0.12<a<0.5を満たすように、原料にリチウム塩と元素Mを含む塩を含ませる。a値は所望のナトリウム含有複合酸化物の組成に応じて、例えば0.15<a<0.2を満たすように選択される。   The raw material is a sodium salt such that the molar ratio x of sodium contained in the sodium salt to the total of the lithium contained in the lithium salt and the element M contained in the salt containing the element M is 0 <x <1. And a salt containing element M. The x value is selected so as to satisfy, for example, 0.84 <x <0.90 depending on the composition of the desired sodium-containing composite oxide. Similarly, the molar ratio a of lithium contained in the lithium salt to the sum of the lithium contained in the lithium salt and the element M contained in the salt containing the element M satisfies 0.12 <a <0.5. A salt containing a lithium salt and an element M is included in the raw material. The a value is selected so as to satisfy, for example, 0.15 <a <0.2, depending on the composition of the desired sodium-containing composite oxide.

また、所望のナトリウム含有複合酸化物において、元素MがNiyzMn1-y-z(ただし、0.1≦y<0.33、0≦z<0.1)で表される場合、元素Mを含む塩に、所定の割合で元素Aを含む塩を含ませればよい。具体的には、ニッケルとマンガンとのモル比が、y:1−y−zを満たすように元素Mを含む塩を用いればよい。 In the desired sodium-containing composite oxide, when the element M is represented by Ni y A z Mn 1-yz (where 0.1 ≦ y <0.33, 0 ≦ z <0.1), the element What is necessary is just to include the salt containing the element A in a predetermined ratio in the salt containing M. Specifically, a salt containing the element M may be used so that the molar ratio of nickel to manganese satisfies y: 1-yz.

原料、すなわち、ナトリウム塩、リチウム塩および元素Mを含む塩を含む混合物は、ボールミル、V型混合機、攪拌機などの混合装置を用いて、乾式または湿式で混合すればよい。   A mixture containing raw materials, that is, a salt containing a sodium salt, a lithium salt, and an element M may be mixed dry or wet using a mixing device such as a ball mill, a V-type mixer, or a stirrer.

工程(ii)
次に、原料を、酸化雰囲気または不活性ガス雰囲気中で、700℃より高く、かつ800℃より低い温度で焼成し、ナトリウム含有複合酸化物を生成させる。焼成温度が700℃以下では、P2型結晶構造が十分に成長せず、原料成分を含んだナトリウム含有複合酸化物が生成してしまう。また、焼成温度が800℃以上では、P2型結晶構造は得られるものの、所望の結晶構造とは異なる第三成分を含んだナトリウム含有複合酸化物が生成してしまう。正極活物質として用いられる複合酸化物の焼成温度は800℃以上が一般的であり、900℃付近で焼成されることが多い点を考慮すると、上記ナトリウム含有複合酸化物を得るための上記焼成温度は比較的低温であるといえる。
Step (ii)
Next, the raw material is fired at a temperature higher than 700 ° C. and lower than 800 ° C. in an oxidizing atmosphere or an inert gas atmosphere to generate a sodium-containing composite oxide. When the firing temperature is 700 ° C. or lower, the P2-type crystal structure does not grow sufficiently, and a sodium-containing composite oxide containing raw material components is generated. When the firing temperature is 800 ° C. or higher, a P2-type crystal structure is obtained, but a sodium-containing composite oxide containing a third component different from the desired crystal structure is generated. In view of the fact that the firing temperature of the composite oxide used as the positive electrode active material is generally 800 ° C. or higher and is often fired near 900 ° C., the firing temperature for obtaining the sodium-containing composite oxide is described above. Can be said to be relatively cold.

焼成温度は、750℃およびこの付近であることが最も望ましいが、720℃〜780℃であればよく、730℃〜770℃であることが好ましい。なお、焼成温度とは、昇温過程および降温過程を除く期間(以下、本焼成期間)の平均的な温度である。よって、例えば、本焼成期間中に瞬間的に、もしくは短時間だけ700℃未満になったり、800℃を超えたりすることは許容される。ただし、本焼成期間の80%程度は、焼成雰囲気の温度が720℃〜780℃(好ましくは730℃〜770℃)に維持されることが好ましい。   The firing temperature is most desirably 750 ° C. and the vicinity thereof, but it may be 720 ° C. to 780 ° C., and preferably 730 ° C. to 770 ° C. The firing temperature is an average temperature during a period excluding the temperature raising process and the temperature lowering process (hereinafter, the main firing period). Therefore, for example, it is allowed to fall below 700 ° C. or exceed 800 ° C. instantaneously or for a short time during the main baking period. However, about 80% of the main firing period, the temperature of the firing atmosphere is preferably maintained at 720 to 780 ° C. (preferably 730 to 770 ° C.).

本焼成期間は、5時間以上であることが望ましく、8時間〜15時間がより好ましく、10時間〜12時間が更に好ましい。これにより、より安定的にP2型結晶構造を成長させることができる。   The main firing period is desirably 5 hours or longer, more preferably 8 hours to 15 hours, and still more preferably 10 hours to 12 hours. Thereby, a P2 type crystal structure can be grown more stably.

原料を酸化雰囲気で焼成する場合、大気圧下、空気中で焼成すればよい。また、空気より酸素濃度の高い雰囲気で原料を焼成してもよい。原料を不活性ガス雰囲気で焼成する場合には、十分な酸素源を含む原料を用いることが望ましい。不活性ガス雰囲気としては、窒素、アルゴン、ヘリウムなどを含む不活性雰囲気が挙げられる。酸化雰囲気および不活性ガス雰囲気の圧力は、特に限定されないが、例えば0.9×105Pa〜1.1×105Paであればよい。 When the raw material is fired in an oxidizing atmosphere, it may be fired in air at atmospheric pressure. Alternatively, the raw material may be fired in an atmosphere having a higher oxygen concentration than air. When the raw material is fired in an inert gas atmosphere, it is desirable to use a raw material containing a sufficient oxygen source. Examples of the inert gas atmosphere include an inert atmosphere containing nitrogen, argon, helium and the like. The pressure of the oxidizing atmosphere and inert gas atmosphere is not particularly restricted as long as it is for example 0.9 × 10 5 Pa~1.1 × 10 5 Pa.

上記焼成を行う前に、上記と同様の雰囲気中で、200〜500℃の温度範囲で原料の仮焼成を行ってもよい。仮焼成により、原料に含まれる揮発成分(例えば水分)を緩やかに除去することができる。これにより、その後の本焼成期間での結晶成長が進行しやすくなる。   Before performing the firing, the raw material may be temporarily fired in a temperature range of 200 to 500 ° C. in the same atmosphere as described above. By calcination, volatile components (for example, moisture) contained in the raw material can be removed gently. This facilitates crystal growth in the subsequent main firing period.

<ナトリウムイオン二次電池>
次に、ナトリウムイオン二次電池について説明する。ナトリウムイオン二次電池は、上記正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極と、ナトリウムイオン伝導性を有する非水電解質と、を具備する。図1は、一実施形態に係るナトリウムイオン二次電池100を概略的に示す縦断面図である。ナトリウムイオン二次電池は、積層型の電極群、電解質(図示せず)およびこれらを収容する角型の電池ケース10を具備する。電池ケース10は、例えばアルミニウム製であり、上部が開口した有底の容器本体12と、上部開口を塞ぐ蓋体13とで構成されている。
<Sodium ion secondary battery>
Next, a sodium ion secondary battery will be described. The sodium ion secondary battery includes a positive electrode including the positive electrode active material, a negative electrode including a negative electrode active material, and a nonaqueous electrolyte having sodium ion conductivity. FIG. 1 is a longitudinal sectional view schematically showing a sodium ion secondary battery 100 according to an embodiment. The sodium ion secondary battery includes a stacked electrode group, an electrolyte (not shown), and a rectangular battery case 10 that houses them. The battery case 10 is made of, for example, aluminum, and includes a bottomed container main body 12 having an upper opening and a lid 13 that closes the upper opening.

蓋体13の中央には、電池ケース10の内圧が上昇したときに内部で発生したガスを放出するための安全弁16が設けられている。安全弁16を中央にして、蓋体13の一方側寄りには、蓋体13を貫通する外部負極端子14が設けられ、蓋体13の他方側寄りの位置には、蓋体13を貫通する外部正極端子が設けられる。   In the center of the lid 13, a safety valve 16 is provided for releasing gas generated inside when the internal pressure of the battery case 10 rises. An external negative electrode terminal 14 that penetrates the lid body 13 is provided near one side of the lid body 13 with the safety valve 16 at the center, and an external side that penetrates the lid body 13 is located at the other side of the lid body 13. A positive terminal is provided.

積層型の電極群は、いずれもシート状の複数の正極2と複数の負極3およびこれらの間に介在する複数のセパレータ1により構成されている。各正極2の一端部には、正極リード片2aが形成されている。複数の正極2の正極リード片2aは束ねられ、電池ケース10の蓋体13に設けられた外部正極端子に接続されている。同様に、各負極3の一端部には、負極リード片3aが形成されている。複数の負極3の負極リード片3aは束ねられ、電池ケース10の蓋体13に設けられた外部負極端子14に接続される。   Each of the stacked electrode groups is composed of a plurality of sheet-like positive electrodes 2, a plurality of negative electrodes 3, and a plurality of separators 1 interposed therebetween. A positive electrode lead piece 2 a is formed at one end of each positive electrode 2. The positive electrode lead pieces 2 a of the plurality of positive electrodes 2 are bundled and connected to an external positive electrode terminal provided on the lid 13 of the battery case 10. Similarly, a negative electrode lead piece 3 a is formed at one end of each negative electrode 3. The negative electrode lead pieces 3 a of the plurality of negative electrodes 3 are bundled and connected to an external negative electrode terminal 14 provided on the lid 13 of the battery case 10.

外部正極端子および外部負極端子14は、いずれも柱状であり、少なくとも外部に露出する部分が螺子溝を有する。各端子の螺子溝にはナット7が嵌められ、ナット7を回転することにより蓋体13に対してナット7が固定される。各端子の電池ケース10内部に収容される部分には、鍔部8が設けられており、ナット7の回転により、鍔部8が、蓋体13の内面に、O−リング状のガスケット9を介して固定される。   Both the external positive terminal and the external negative terminal 14 are columnar, and at least a portion exposed to the outside has a screw groove. A nut 7 is fitted in the screw groove of each terminal, and the nut 7 is fixed to the lid 13 by rotating the nut 7. A flange 8 is provided in a portion of each terminal accommodated in the battery case 10, and by rotation of the nut 7, the flange 8 attaches an O-ring-shaped gasket 9 to the inner surface of the lid 13. Fixed through.

(正極)
正極は、例えば正極集電体と、正極集電体に担持された上記正極活物質(または正極合剤)とを含む。正極集電体は、金属箔でもよく、金属多孔体でもよい。正極集電体の材質としては、正極電位での安定性の観点から、アルミニウム、アルミニウム合金などが好ましい。
(Positive electrode)
The positive electrode includes, for example, a positive electrode current collector and the positive electrode active material (or positive electrode mixture) supported on the positive electrode current collector. The positive electrode current collector may be a metal foil or a metal porous body. As the material of the positive electrode current collector, aluminum, an aluminum alloy, or the like is preferable from the viewpoint of stability at the positive electrode potential.

正極活物質としては、上記ナトリウム含有複合酸化物を単独で用いてもよく、他のナトリウムイオンを吸蔵および放出(または挿入および脱離)する材料と併用してもよい。併用される材料は、特に限定されないが、例えば、亜クロム酸ナトリウム(NaCrO2)、ニッケルマンガン酸ナトリウム(NaNi0.5Mn0.52、Na2/3Ti1/6Ni1/3Mn1/22など)、鉄コバルト酸ナトリウム(NaFe0.5Co0.52など)、鉄マンガン酸ナトリウム(Na2/3Fe1/3Mn2/32など)などが挙げられる。 As the positive electrode active material, the above-mentioned sodium-containing composite oxide may be used alone, or may be used in combination with a material that occludes and releases (or inserts and desorbs) other sodium ions. The material used in combination is not particularly limited. For example, sodium chromite (NaCrO 2 ), sodium nickel manganate (NaNi 0.5 Mn 0.5 O 2 , Na 2/3 Ti 1/6 Ni 1/3 Mn 1/2 O 2 ), sodium iron cobaltate (NaFe 0.5 Co 0.5 O 2 etc.), sodium manganate (Na 2/3 Fe 1/3 Mn 2/3 O 2 etc.) and the like.

正極合剤は、正極活物質に加え、さらに導電助剤および/またはバインダを含むことができる。正極は、正極集電体に正極合剤を塗布または充填し、乾燥し、必要に応じて、乾燥物を厚み方向に圧延することにより得られる。正極合剤は、通常、分散媒を含むスラリーの形態で使用される。   In addition to the positive electrode active material, the positive electrode mixture can further contain a conductive additive and / or a binder. The positive electrode is obtained by applying or filling a positive electrode mixture to a positive electrode current collector, drying, and rolling the dried product in the thickness direction as necessary. The positive electrode mixture is usually used in the form of a slurry containing a dispersion medium.

導電助剤としては、例えば、カーボンブラック、黒鉛、および/または炭素繊維などが挙げられる。バインダとしては、例えば、フッ素樹脂、ポリオレフィン樹脂、ゴム状重合体、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂(ポリアミドイミドなど)、および/またはセルロースエーテルなどが挙げられる。分散媒としては、例えば、N−メチル−2−ピロリドン(NMP:N−methyl−2−pyrrolidone)などの有機溶媒の他、水などが用いられる。   Examples of the conductive assistant include carbon black, graphite, and / or carbon fiber. Examples of the binder include a fluorine resin, a polyolefin resin, a rubber-like polymer, a polyamide resin, a polyimide resin (such as polyamideimide), and / or a cellulose ether. As the dispersion medium, for example, water is used in addition to an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP).

(負極)
負極は、例えば負極集電体と、負極集電体に担持された負極活物質(または負極合剤)とを含む。負極集電体は、正極集電体と同様に、金属箔または金属多孔体であってもよい。負極集電体の材質としては、ナトリウムと合金化せず、負極電位で安定であることから、銅、銅合金、ニッケル、ニッケル合金、ステンレス鋼などが好ましい。
(Negative electrode)
The negative electrode includes, for example, a negative electrode current collector and a negative electrode active material (or a negative electrode mixture) supported on the negative electrode current collector. Similar to the positive electrode current collector, the negative electrode current collector may be a metal foil or a metal porous body. The material of the negative electrode current collector is preferably copper, copper alloy, nickel, nickel alloy, stainless steel, or the like because it is not alloyed with sodium and is stable at the negative electrode potential.

負極活物質としては、例えば、ナトリウムイオンを可逆的に吸蔵および放出(もしくは挿入および脱離)する材料、ナトリウムと合金化する材料などが挙げられる。いずれの材料も、ファラデー反応により容量を発現する材料である。このような負極活物質としては、ナトリウム、チタン、亜鉛、インジウム、スズ、ケイ素などの金属またはその合金、もしくはその化合物;および炭素質材料などが例示できる。   Examples of the negative electrode active material include a material that reversibly occludes and releases (or inserts and desorbs) sodium ions, and a material that is alloyed with sodium. Any of these materials is a material that develops capacity by a Faraday reaction. Examples of such a negative electrode active material include metals such as sodium, titanium, zinc, indium, tin, and silicon, or alloys thereof, or compounds thereof; and carbonaceous materials.

金属化合物としては、チタン酸リチウム(Li2Ti37および/またはLi4Ti512など)などのリチウム含有チタン酸化物、およびチタン酸ナトリウム(Na2Ti37および/またはNa4Ti512など)などのナトリウム含有チタン酸化物が例示できる。 炭素質材料としては、易黒鉛化性炭素(ソフトカーボン)、および/または難黒鉛化性炭素(ハードカーボン)などが例示できる。負極活物質は、一種を単独でまたは二種以上を組み合わせて使用できる。 Examples of the metal compound include lithium-containing titanium oxides such as lithium titanate (such as Li 2 Ti 3 O 7 and / or Li 4 Ti 5 O 12 ), and sodium titanate (Na 2 Ti 3 O 7 and / or Na 4). Examples thereof include sodium-containing titanium oxides such as Ti 5 O 12 . Examples of the carbonaceous material include graphitizable carbon (soft carbon) and / or non-graphitizable carbon (hard carbon). A negative electrode active material can be used individually by 1 type or in combination of 2 or more types.

負極は、例えば、正極の場合に準じて、負極集電体に、負極活物質を含む負極合剤を塗布または充填し、乾燥し、乾燥物を厚み方向に圧延することにより形成できる。負極活物質には、必要に応じて、ナトリウムイオンをプレドープしてもよい。   The negative electrode can be formed by, for example, applying or filling a negative electrode mixture containing a negative electrode active material to a negative electrode current collector, drying it, and rolling the dried product in the thickness direction in accordance with the case of the positive electrode. The negative electrode active material may be pre-doped with sodium ions as necessary.

負極合剤は、負極活物質に加え、さらに導電助剤および/またはバインダを含むことができる。負極合剤は、通常、分散媒を含むスラリーの形態で使用される。導電助剤、バインダ、および分散媒としては、それぞれ、正極について例示したものから適宜選択できる。   The negative electrode mixture can further contain a conductive additive and / or a binder in addition to the negative electrode active material. The negative electrode mixture is usually used in the form of a slurry containing a dispersion medium. As a conductive support agent, a binder, and a dispersion medium, it can respectively select from what was illustrated about the positive electrode suitably.

(セパレータ)
セパレータとしては、例えば、樹脂製の微多孔膜、不織布などが使用できる。セパレータの材質は、例えば、ポリオレフィン樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂などが例示できる。
(Separator)
As the separator, for example, a resin microporous film, a nonwoven fabric, or the like can be used. Examples of the material of the separator include polyolefin resin, polyphenylene sulfide resin, polyamide resin, and polyimide resin.

[非水電解質]
非水電解質は、ナトリウムイオン伝導性を有する限り特に限定されない。例えば、有機溶媒にナトリウムイオンとアニオンとの塩(ナトリウム塩)を溶解させた有機電解質の他、ナトリウムイオンおよびアニオンを含むイオン液体などが用いられる。非水電解質におけるナトリウム塩の濃度は、例えば0.3〜3mol/リットルであればよい。
[Nonaqueous electrolyte]
The nonaqueous electrolyte is not particularly limited as long as it has sodium ion conductivity. For example, in addition to an organic electrolyte in which a salt (sodium salt) of sodium ions and anions is dissolved in an organic solvent, an ionic liquid containing sodium ions and anions is used. The concentration of the sodium salt in the nonaqueous electrolyte may be, for example, 0.3 to 3 mol / liter.

ナトリウム塩を構成するアニオン(第1アニオン)の種類は特に限定されず、例えば、ヘキサフルオロリン酸イオン(PF6 -)、テトラフルオロホウ酸イオン(BF4 -)、過塩素酸イオン(ClO4 -)、リチウムビス(オキサラト)ボレートイオン(B(C242 -)、トリフルオロメタンスルホン酸イオン(CF3SO3 -)、ビススルホニルアミドアニオンなどが挙げられる。ナトリウム塩は、一種を単独で用いてもよく、第1アニオンの種類が異なるナトリウム塩を二種以上組み合わせて用いてもよい。 The kind of the anion (first anion) constituting the sodium salt is not particularly limited. For example, hexafluorophosphate ion (PF 6 ), tetrafluoroborate ion (BF 4 ), perchlorate ion (ClO 4). -), lithium bis (oxalato) borate ion (B (C 2 O 4) 2 -), trifluoromethanesulfonate ion (CF 3 SO 3 -), etc. bissulfonylamide anions. A sodium salt may be used individually by 1 type, and may use it in combination of 2 or more types of sodium salts from which the kind of 1st anion differs.

非水電解質にイオン液体を用いる場合、非水電解質中のイオン液体の含有量は、80質量%以上であることが好ましく、90質量%以上であることがより好ましい。非水電解質は、イオン液体に加え、有機溶媒や添加剤を少量含んでもよい。なお、「イオン液体」とは、溶融状態の塩(溶融塩)である。   When an ionic liquid is used for the nonaqueous electrolyte, the content of the ionic liquid in the nonaqueous electrolyte is preferably 80% by mass or more, and more preferably 90% by mass or more. The non-aqueous electrolyte may contain a small amount of an organic solvent or an additive in addition to the ionic liquid. The “ionic liquid” is a molten salt (molten salt).

非水電解質に有機電解質を用いる場合、非水電解質中における有機溶媒とナトリウム塩との合計量は、非水電解質の80質量%以上であることが好ましく、90質量%以上であることがより好ましい。非水電解質は、有機電解質に加え、イオン液体や添加剤を少量含んでもよい。   When an organic electrolyte is used for the nonaqueous electrolyte, the total amount of the organic solvent and the sodium salt in the nonaqueous electrolyte is preferably 80% by mass or more of the nonaqueous electrolyte, and more preferably 90% by mass or more. . The non-aqueous electrolyte may contain a small amount of an ionic liquid or an additive in addition to the organic electrolyte.

有機溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネートなどの環状カーボネート;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などの鎖状カーボネート;γ−ブチロラクトンなどの環状炭酸エステルなどを好ましく用いることができる。有機溶媒は、一種を単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。   As the organic solvent, for example, cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, and butylene carbonate; chain carbonates such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate; cyclic carbonates such as γ-butyrolactone can be preferably used. . An organic solvent may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type.

イオン液体は、ナトリウムイオン(第1カチオン)に加え、さらに第2カチオンを含んでいてもよい。このような第2カチオンとしては、有機カチオンが好ましい。第2カチオンは、一種を単独でまたは二種以上を組み合わせて使用できる。有機カチオンとしては、窒素含有オニウムカチオンが好ましい。   The ionic liquid may further contain a second cation in addition to the sodium ion (first cation). Such a second cation is preferably an organic cation. A 2nd cation can be used individually by 1 type or in combination of 2 or more types. As the organic cation, a nitrogen-containing onium cation is preferable.

以下、本発明を実施例に基づいて更に詳細に説明する。ただし、以下の実施例は、何ら本発明を限定するものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples. However, the following examples do not limit the present invention.

(実施例1)
<ナトリウム含有複合酸化物の合成>
Na2CO3、Li2CO3、Ni(OH)2およびMn23を、Na:Li:Ni:Mnのモル比が0.85:0.15:0.2:0.65となるように秤量し、600rpmのボールミルで12時間混合して原料を得た。得られた原料をペレットに成型した後、大気圧下、空気中で、750℃で12時間焼成し、実施例1の複合酸化物を得た。
Example 1
<Synthesis of sodium-containing composite oxide>
Na 2 CO 3 , Li 2 CO 3 , Ni (OH) 2 and Mn 2 O 3 have a Na: Li: Ni: Mn molar ratio of 0.85: 0.15: 0.2: 0.65. And weighed for 12 hours in a 600 rpm ball mill to obtain a raw material. The obtained raw material was molded into pellets and then calcined at 750 ° C. for 12 hours in air at atmospheric pressure to obtain a composite oxide of Example 1.

[評価1]
実施例1の複合酸化物の粉末X線回折測定を下記条件で行い、結晶構造の同定を行った。測定装置は、株式会社リガク製の粉末X線回折測定装置(MultiFlex)を用いた。
X線:CuKα
電圧−電流:40kV−20mA
測定角度範囲:2θ=10〜70°
ステップ:0.02°
スキャンスピード:6°/分
[Evaluation 1]
Powder X-ray diffraction measurement of the composite oxide of Example 1 was performed under the following conditions to identify the crystal structure. As the measuring device, a powder X-ray diffraction measuring device (MultiFlex) manufactured by Rigaku Corporation was used.
X-ray: CuKα
Voltage-current: 40kV-20mA
Measurement angle range: 2θ = 10 to 70 °
Step: 0.02 °
Scanning speed: 6 ° / min

粉末X線回折像(XRDパターン)およびリートベルト解析の結果、実施例1の複合酸化物がP2型結晶構造を有し、Na0.85[Li0.15Ni0.2Mn0.65]O2で表されることが判明した。 As a result of the powder X-ray diffraction image (XRD pattern) and Rietveld analysis, the composite oxide of Example 1 has a P2-type crystal structure and is represented by Na 0.85 [Li 0.15 Ni 0.2 Mn 0.65 ] O 2. found.

(比較例1〜4)
原料の焼成温度を、750℃から700℃(比較例1)、800℃(比較例2)、850℃(比較例3)または900℃(比較例4)に変更したこと以外、実施例1と同様に、複合酸化物を合成した。
(Comparative Examples 1-4)
Example 1 except that the firing temperature of the raw material was changed from 750 ° C. to 700 ° C. (Comparative Example 1), 800 ° C. (Comparative Example 2), 850 ° C. (Comparative Example 3) or 900 ° C. (Comparative Example 4). Similarly, a composite oxide was synthesized.

実施例1および比較例1〜4のXRDパターンを図2に示す。図2より、原料の焼成温度により、生成する複合酸化物のXRDパターンが大きく相違することが理解できる。具体的には、焼成温度が700℃(比較例1)では、P2型結晶構造の成長が不十分であり、P3型結晶のピークも観測される。また、焼成温度が800℃以上(比較例2〜4)では、2θ=18°〜25°の範囲に1つまたは2つ以上のピークが観測される。一方、焼成温度が750℃(実施例1)の場合、単相のP2型結晶構造が得られていることがわかる。   The XRD patterns of Example 1 and Comparative Examples 1 to 4 are shown in FIG. From FIG. 2, it can be understood that the XRD pattern of the composite oxide to be generated varies greatly depending on the firing temperature of the raw material. Specifically, when the firing temperature is 700 ° C. (Comparative Example 1), the growth of the P2 type crystal structure is insufficient, and the peak of the P3 type crystal is also observed. When the firing temperature is 800 ° C. or higher (Comparative Examples 2 to 4), one or two or more peaks are observed in the range of 2θ = 18 ° to 25 °. On the other hand, when the firing temperature is 750 ° C. (Example 1), it can be seen that a single-phase P2-type crystal structure is obtained.

次に、図3に実施例1の複合酸化物のSEM像を示す。図3より、平均一次粒子径が1〜2μmになるまで結晶が成長していることがわかる。   Next, FIG. 3 shows an SEM image of the composite oxide of Example 1. From FIG. 3, it can be seen that the crystals have grown until the average primary particle size becomes 1-2 μm.

[評価2]
実施例1および比較例1〜4の複合酸化物ついてpH測定を実施した。複合酸化物1gを20cm3の純水と混合して分散液を調製し、分散液を25℃で5分間撹拌し、その後、分散液中の水のpHを測定した。その結果、実施例1の複合酸化物を含む分散液中の水のpHは10.0であった。一方、比較例1〜4の複合酸化物を含む分散液中の水のpHはいずれも12を超えていた。
[Evaluation 2]
The pH was measured for the composite oxides of Example 1 and Comparative Examples 1 to 4. A dispersion was prepared by mixing 1 g of the composite oxide with 20 cm 3 of pure water, and the dispersion was stirred at 25 ° C. for 5 minutes, and then the pH of water in the dispersion was measured. As a result, the pH of water in the dispersion containing the composite oxide of Example 1 was 10.0. On the other hand, the pH of the water in the dispersion liquid containing the composite oxides of Comparative Examples 1 to 4 exceeded 12.

[評価3]
実施例1の複合酸化物と、導電材としてのアセチレンブラックと、結着剤としてのポリビフッ化ビニリデンとを、質量比80:10:10で含み、適量のN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を分散媒として含むスラリーを調製した。得られたスラリーを集電体となる厚さ20μmのアルミニウム箔の片面に塗布した。塗膜の厚さは40μmとした。塗膜を十分に乾燥させた後、アルミニウム箔とともに打ち抜いて、直径1.0cmのコイン形の正極を得た。
[Evaluation 3]
An appropriate amount of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) containing the composite oxide of Example 1, acetylene black as a conductive material, and polyvinylidene fluoride as a binder in a mass ratio of 80:10:10. Was prepared as a dispersion medium. The obtained slurry was applied to one side of a 20 μm thick aluminum foil serving as a current collector. The thickness of the coating film was 40 μm. After sufficiently drying the coating film, it was punched out together with an aluminum foil to obtain a coin-shaped positive electrode having a diameter of 1.0 cm.

上記正極と金属ナトリウムからなる負極を用いてコイン形のナトリウムイオン二次電池(以下、試験電池)を作製した。非水電解質には、1mol/LのNaClO4を含むプロピレンカーボネートとフルオロエチレンカーボネートとの体積比98:2の混合溶媒を用いた。セパレータにはガラスフィルタを使用した。 A coin-shaped sodium ion secondary battery (hereinafter referred to as a test battery) was prepared using the positive electrode and a negative electrode made of metallic sodium. As the non-aqueous electrolyte, a mixed solvent of propylene carbonate and fluoroethylene carbonate containing 1 mol / L NaClO 4 in a volume ratio of 98: 2 was used. A glass filter was used as the separator.

得られたコイン形電池の充放電を、正極活物質重量あたりの電流密度13.4mA/gで、2.0V〜4.4Vの範囲で行った。図4に20サイクルまでのナトリウムイオン二次電池の充放電曲線を示す。また、図5に充放電サイクル数と放電容量との関係を示す。図4、5より、1サイクル目の充電時に特殊なプラトーが観測されるものの、全体としては良好なサイクル特性が得られていることが理解できる。   The obtained coin battery was charged and discharged at a current density of 13.4 mA / g per weight of the positive electrode active material in a range of 2.0 V to 4.4 V. FIG. 4 shows a charge / discharge curve of the sodium ion secondary battery up to 20 cycles. FIG. 5 shows the relationship between the number of charge / discharge cycles and the discharge capacity. 4 and 5, it can be understood that although a special plateau is observed at the time of charging in the first cycle, good cycle characteristics are obtained as a whole.

[評価4]
上記と同様に4つの試験電池を作製した。これらのうち、3セルを3.4V、3.9Vおよび4.4Vまで充電した。1セルは、4.2Vまで充電後、2.0Vまで放電させた。これら4つの状態の異なるセルの正極から複合酸化物を取り出し、粉末X線回折測定を行った。その結果、いずれの状態においても、P2型結晶構造が維持されていること、すなわち結晶構造が安定であることが判明した。
[Evaluation 4]
Four test batteries were prepared as described above. Of these, 3 cells were charged to 3.4V, 3.9V and 4.4V. One cell was charged to 4.2V and then discharged to 2.0V. The composite oxide was taken out from the positive electrodes of the cells in these four states and subjected to powder X-ray diffraction measurement. As a result, it was found that the P2-type crystal structure was maintained in any state, that is, the crystal structure was stable.

(実施例2)
Na2CO3、Li2CO3、Ni(OH)2およびMn23を、Na:Li:Ni:Mnのモル比が0.90:0.15:0.23:0.63となるように秤量し、混合して原料を得たこと以外、実施例1と同様に、実施例2の複合酸化物を得た。
(Example 2)
Na 2 CO 3 , Li 2 CO 3 , Ni (OH) 2 and Mn 2 O 3 have a Na: Li: Ni: Mn molar ratio of 0.90: 0.15: 0.23: 0.63. Thus, the composite oxide of Example 2 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the raw material was obtained by weighing.

(実施例3)
Na2CO3、Li2CO3、Ni(OH)2、Mn23およびCo23を、Na:Li:Ni:Mn:Coのモル比が0.85:0.15:0.16:0.61:0.08となるように秤量し、混合して原料を得たこと以外、実施例1と同様に、実施例3の複合酸化物を得た。
(Example 3)
Na 2 CO 3 , Li 2 CO 3 , Ni (OH) 2 , Mn 2 O 3 and Co 2 O 3 are mixed at a molar ratio of Na: Li: Ni: Mn: Co of 0.85: 0.15: 0. The composite oxide of Example 3 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the raw materials were obtained by weighing and mixing to 16: 0.61: 0.08.

[評価5]
実施例2、3の複合酸化物を用いたこと以外、上記と同様に、それぞれの試験電池を作製した。得られたコイン形電池の充放電を、正極活物質重量あたりの電流密度13.4mA/gで、2.0V〜4.4Vの範囲で行った。このとき得られた放電容量を実施例1の結果とともに表1に示す。
[Evaluation 5]
Each test battery was produced in the same manner as described above except that the composite oxides of Examples 2 and 3 were used. The obtained coin battery was charged and discharged at a current density of 13.4 mA / g per weight of the positive electrode active material in a range of 2.0 V to 4.4 V. The discharge capacity obtained at this time is shown in Table 1 together with the results of Example 1.

表1より、いずれの複合酸化物を用いた場合にも、高容量が得られることが判明した。   From Table 1, it was found that a high capacity can be obtained when any composite oxide is used.

本発明に係るナトリウムイオン二次電池は、高容量であり、かつサイクル特性に優れることから、様々な用途の電源として有用である。   The sodium ion secondary battery according to the present invention is useful as a power source for various applications because of its high capacity and excellent cycle characteristics.

1:セパレータ、2:正極、2a:正極リード片、3:負極、3a:負極リード片、7:ナット、8:鍔部、9:ガスケット、10:電池ケース、12:容器本体、13:蓋体、14:外部負極端子、16:安全弁   1: separator, 2: positive electrode, 2a: positive electrode lead piece, 3: negative electrode, 3a: negative electrode lead piece, 7: nut, 8: flange, 9: gasket, 10: battery case, 12: container body, 13: lid Body, 14: external negative terminal, 16: safety valve

Claims (8)

P2型の結晶構造を有し、Nax[Lia1-a]O2、ただし0<x<1.0かつ0.12<a<0.5、で表されるナトリウム含有複合酸化物を含み、
前記元素Mは、少なくともMnとNiとを含み、
CuKα線を用いた前記ナトリウム含有複合酸化物の粉末X線回折像において2θ=18°〜25°の範囲にピークが観察されない、ナトリウム二次電池用正極活物質。
Sodium-containing composite oxide having a P2 type crystal structure and represented by Na x [Li a M 1-a ] O 2 , where 0 <x <1.0 and 0.12 <a <0.5 Including
The element M includes at least Mn and Ni,
A positive electrode active material for a sodium secondary battery, wherein no peak is observed in the range of 2θ = 18 ° to 25 ° in a powder X-ray diffraction image of the sodium-containing composite oxide using CuKα rays.
0.79<xである、請求項1に記載のナトリウム二次電池用正極活物質。   The positive electrode active material for sodium secondary batteries according to claim 1, wherein 0.79 <x. 0.13<a<0.5である、請求項1または2に記載のナトリウム二次電池用正極活物質。   The positive electrode active material for sodium secondary batteries according to claim 1 or 2, wherein 0.13 <a <0.5. 前記元素Mが、NiyzMn1-y-z、ただし、0.1≦y<0.33かつ0≦z<0.1で表され、前記元素AはNiおよびMn以外の元素である、請求項1〜3のいずれか1項に記載のナトリウム二次電池用正極活物質。 The element M is Ni y A z Mn 1-yz , provided that 0.1 ≦ y <0.33 and 0 ≦ z <0.1, and the element A is an element other than Ni and Mn. The positive electrode active material for sodium secondary batteries of any one of Claims 1-3. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の正極活物質を含む正極と、
負極活物質を含む負極と、
ナトリウムイオン伝導性を有する非水電解質と、を具備する、ナトリウムイオン二次電池。
A positive electrode comprising the positive electrode active material according to claim 1;
A negative electrode containing a negative electrode active material;
A sodium ion secondary battery comprising: a nonaqueous electrolyte having sodium ion conductivity.
ナトリウム塩と、リチウム塩と、元素Mを含む塩と、を含む原料を調製する工程と、
前記原料を、酸化雰囲気または不活性ガス雰囲気中で、700℃より高く、かつ800℃より低い温度で焼成してナトリウム含有複合酸化物を生成させる工程と、を有し、
前記リチウム塩に含まれるリチウムと前記元素Mを含む塩に含まれる元素Mとの合計に対する、前記ナトリウム塩に含まれるナトリウムのモル比xが、0<x<1.0を満たし、
前記元素Mは、少なくともMnとNiとを含み、
前記リチウム塩に含まれるリチウムと前記元素Mを含む塩に含まれる元素Mとの合計に対する、前記リチウム塩に含まれるリチウムのモル比aが、0.12<a<0.5を満たす、ナトリウム二次電池用正極活物質の製造方法。
Preparing a raw material containing a sodium salt, a lithium salt, and a salt containing element M;
Firing the raw material in an oxidizing atmosphere or an inert gas atmosphere at a temperature higher than 700 ° C. and lower than 800 ° C. to produce a sodium-containing composite oxide,
The molar ratio x of sodium contained in the sodium salt to the sum of the lithium contained in the lithium salt and the element M contained in the salt containing the element M satisfies 0 <x <1.0,
The element M includes at least Mn and Ni,
Sodium in which a molar ratio a of lithium contained in the lithium salt with respect to the sum of lithium contained in the lithium salt and element M contained in the salt containing the element M satisfies 0.12 <a <0.5 A method for producing a positive electrode active material for a secondary battery.
前記元素Mを含む塩に含まれるニッケルとマンガンとのモル比が、y:1−y−z、ただし0.1≦y<0.33かつ0≦z<0.1である、請求項6に記載のナトリウム二次電池用正極活物質の製造方法。   The molar ratio between nickel and manganese contained in the salt containing the element M is y: 1-yz, where 0.1 ≦ y <0.33 and 0 ≦ z <0.1. The manufacturing method of the positive electrode active material for sodium secondary batteries as described in 2 .. 0.79<xである、請求項6または7に記載のナトリウム二次電池用正極活物質の製造方法。   The manufacturing method of the positive electrode active material for sodium secondary batteries of Claim 6 or 7 which is 0.79 <x.
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