JP2017004770A - マグネシウム二次電池用正極活物質、マグネシウム二次電池用正極、及びマグネシウム二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
また、非特許文献2には、岩塩型構造を有するMgNiO2の合成方法が開示されている。
<1> 下記式(1)の組成式で表され、空間群Fm−3mの岩塩型結晶構造を有するマグネシウム複合酸化物からなるマグネシウム二次電池用正極活物質。
MgxM1yM2zO2・・・(1)
(式(1)中、M1は、Ni、Co、又はMnであり、M2は、M1とは異なり、且つ、Ni、Co、Mn、Ti、V、Cr、Fe、Cu、Nb、W、Mo、及びRuからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素であり、0<x≦1であり、0<y<2であり、0<z<1であり、1.5≦x+y+z≦2.0である。)
本明細書において「層」との語は、平面図として観察したときに、全面に形成されている形状の構成に加え、一部に形成されている形状の構成も包含される。また、本明細書において「〜」を用いて示された数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値をそれぞれ最小値及び最大値として含む範囲を示す。
本実施形態のマグネシウム二次電池用正極活物質(以下、単に「正極活物質」という。)は、下記式(1)の組成式で表され、空間群Fm−3mの岩塩型結晶構造を有するマグネシウム複合酸化物からなるものである。この正極活物質を用いてマグネシウム二次電池を構成することにより、良好な充放電特性を示すマグネシウム二次電池を得ることができる。
MgxM1yM2zO2・・・(1)
元素M2の種類数は特に制限されない。合成プロセスの観点から、元素M2の種類数は、1種〜3種であることが好ましく、1種又は2種であることがより好ましい。
ある実施態様では、上記式(1)中の元素M1は、Niであり、元素M2は、Coである。
沈殿剤としては、炭酸ナトリウム、水酸化ナトリウム等が挙げられる。沈殿剤は、1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
次に、沈殿物を洗浄して乾燥することにより、前駆体を得る。
その後、前駆体を550℃〜950℃で12時間〜48時間焼成することにより、上記式(1)で表されるマグネシウム複合酸化物を得ることができる。
本実施形態のマグネシウム二次電池用正極(以下、単に「正極」という。)は、前述した正極活物質を含むものである。正極は、正極活物質を含有する正極合剤をフィルム化し、正極集電体上に圧着することにより製造することができる。或いは、正極合剤に有機溶媒を添加したペーストを正極集電体上に塗布し、乾燥して正極合剤層を形成し、更に必要に応じて圧延することにより製造することができる。
結着剤としては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリイミド、ポリ酢酸ビニル、ニトロセルロース、スチレンブタジエンゴム、アクリロニトリルゴム等が挙げられる。結着剤は、1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
導電助剤としては、カーボンブラック、黒鉛、炭素繊維、金属繊維等が挙げられる。カーボンブラックとしては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック等が挙げられる。導電助剤は、1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
本実施形態のマグネシウム二次電池は、前述した正極と、負極と、非水電解液とを有するものである。正極と負極との間にはセパレータが介在している。正極については前述したとおりであるため、以下では、正極以外の構成について詳細に説明する。
負極は、マグネシウムイオンを吸蔵及び放出可能な負極活物質を含む。
負極活物質としては、金属マグネシウム及びマグネシウム合金が挙げられる。マグネシウム合金としては、Mg−Al合金、Mg−Zn合金、Mg−Mn合金、Mg−Ni合金、Mg−Sb合金、Mg−Sn合金、Mg−In合金等が挙げられる。
また、負極活物質としては、マグネシウムと合金化するアルミニウム、亜鉛、リチウム、シリコン、スズ等の材料を用いることもできる。また、負極活物質としては、マグネシウムイオンを電気化学的に吸蔵及び放出可能な黒鉛、非晶質炭素等の炭素材料を用いることもできる。
セパレータは、正極と負極との間に介在するように設けられ、正極と負極とを絶縁する。セパレータとしては、特に制限されず、公知のセパレータを使用することができる。セパレータの材料としては、ガラス、セラミックス、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレン等が挙げられる。セパレータの形状としては多孔質体等が挙げられる。
非水電解液は、非水溶媒と、溶質である支持塩とを含む。非水溶媒及び支持塩としては、特に制限されず、それぞれ公知の材料を使用することができる。
非水溶媒としては、アセトニトリル、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、ビニレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、γ−ブチロラクトン、スルホラン、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、3−メチル−1,3−ジオキソラン、プロピオン酸メチル、酪酸メチル、イオン液体等が挙げられる。
支持塩としては、Mg(N(SO2CF3)2)2、Mg(SO3CF3)2、Mg(ClO4)2、MgBr2、Mg(BF4)2、Mg(PF6)2等が挙げられる。
マグネシウム二次電池の形状は特に制限されず、コイン型、円筒型、積層型等のいずれであってもよい。また、マグネシウム二次電池内の電気的な接続形態(電極構造)は、非双極型(内部並列接続型)であっても双極型(内部直列接続型)であってもよい。
炭酸ナトリウム1.48gを二次蒸留水200mLに溶解し、水溶液を80℃に加熱した。1.0mol/L硝酸マグネシウム水溶液8.00mLと、1.0mol/L硝酸ニッケル水溶液6.40mLと、1.0mol/L硝酸コバルト水溶液1.60mLとに蒸留水を加えて100mLにメスアップした溶液を上記の水溶液に添加し、80℃で30分間撹拌した。撹拌後、沈殿物を吸引濾過し、80℃の水で洗浄した後、大気中、100℃で24時間乾燥させることにより、前駆体を得た。得られた前駆体を自動乳鉢で24時間混合した後、大気中、750℃で24時間焼成することにより、マグネシウム複合酸化物を得た。焼成時の昇温速度は5℃/分とした。
炭酸ナトリウム1.48gを二次蒸留水200mLに溶解し、水溶液を80℃に加熱した。1.0mol/L硝酸マグネシウム水溶液16.00mLと、1.0mol/L硝酸ニッケル水溶液6.40mLと、1.0mol/L硝酸コバルト水溶液1.60mLとに蒸留水を加えて100mLにメスアップした溶液を上記の水溶液に添加し、80℃で30分間撹拌した。撹拌後、沈殿物を吸引濾過し、80℃の水で洗浄した後、大気中、100℃で24時間乾燥させることにより、前駆体を得た。得られた前駆体を自動乳鉢で24時間混合した後、大気中、750℃で24時間焼成することにより、マグネシウム複合酸化物を得た。焼成時の昇温速度は5℃/分とした。
炭酸ナトリウム1.48gを二次蒸留水200mLに溶解し、水溶液を80℃に加熱した。1.0mol/L硝酸マグネシウム水溶液と1.0mol/L硝酸ニッケル水溶液と1.0mol/L硝酸コバルト水溶液とを所定比で混合した後に蒸留水を加えて100mLにメスアップした溶液を上記の水溶液に添加し、80℃で30分間撹拌した。撹拌後、沈殿物を吸引濾過し、80℃の水で洗浄した後、大気中、100℃で24時間乾燥させることにより、前駆体を得た。得られた前駆体を自動乳鉢で24時間混合した後、大気中、750℃で24時間焼成することにより、マグネシウム複合酸化物を得た。焼成時の昇温速度は5℃/分とした。
炭酸ナトリウム1.48gを二次蒸留水200mLに溶解し、水溶液を70℃に加熱した。1.0mol/L硝酸マグネシウム水溶液8.00mLと、1.0mol/L硝酸ニッケル水溶液8.00mLとに蒸留水を加えて100mLにメスアップした溶液を上記の水溶液に添加し、70℃で30分間撹拌した。撹拌後、沈殿物を吸引濾過し、大気中、100℃で24時間乾燥させることにより、前駆体を得た。得られた前駆体を自動乳鉢で24時間混合した後、大気中、950℃で24時間焼成することにより、マグネシウム複合酸化物を得た。焼成時の昇温速度は5℃/分とした。
(マグネシウム二次電池の作製)
合成例2で得たマグネシウム複合酸化物(正極活物質)50質量部と、ポリテトラフルオロエチレン(結着剤)10質量部と、カーボンブラック(導電助剤;Timcal製、SuperC65)50質量部とを混合し、乾式で正極合剤フィルムを作製した。この正極合剤フィルムを15mmφのアルミニウムメッシュ(集電体、100メッシュ)に圧着し、110℃で乾燥させて正極を作製した。
また、金属マグネシウム板((株)ニラコ製、純度99.9質量%、厚さ0.10mm)を15mmφに打ち抜いて負極を作製した。
非水電解液は、支持塩であるMg(N(SO2CF3)2)2を、濃度が0.5mol/Lとなるようにアセトニトリル中に溶解して調製した。そして、非水電解液を正極及びセパレータに含浸させた。
作製したマグネシウム二次電池について、60℃の恒温槽内で充放電試験を行った。詳細には、電流密度5mA/gで放電を行い、電位が0V(vs.Mg/Mg2+)に達した時点で充電に切り替え、電流密度5mA/gで充電を続けた。
実施例1のマグネシウム二次電池の初回放充電曲線を図2に示す。図2から分かるように、実施例1のマグネシウム二次電池は、200mAh/gを超える初回放電容量を示した。
(マグネシウム二次電池の作製)
合成例2で得たマグネシウム複合酸化物の代わりに合成例3で得たマグネシウム複合酸化物を使用したほかは、実施例1と同様にしてマグネシウム二次電池を作製した。
作製したマグネシウム二次電池について、60℃の恒温槽内で充放電試験を行った。詳細には、電流密度5mA/gで放電を行い、電位が0V(vs.Mg/Mg2+)に達した時点で充電に切り替え、電位が3V(vs.Mg/Mg2+)に達するまで、電流密度5mA/gで充電を続けた。
実施例2のマグネシウム二次電池の初回放充電曲線を図3に示す。図3から分かるように、実施例2のマグネシウム二次電池は、160mAh/gを超える初回放電容量を示した。
(マグネシウム二次電池の作製)
合成例2で得たマグネシウム複合酸化物の代わりに比較合成例1で得たマグネシウム複合酸化物を使用したほかは、実施例1と同様にしてマグネシウム二次電池を作製した。
作製したマグネシウム二次電池について、60℃の恒温槽内で充放電試験を行った。詳細には、電流密度5mA/gで充電を行い、電位が3V(vs.Mg/Mg2+)に達した時点で放電に切り替え、電位が0V(vs.Mg/Mg2+)に達するまで、電流密度5mA/gで放電を続けた。
比較例1のマグネシウム二次電池の初回充放電曲線を図4に示す。図4から分かるように、比較例1のマグネシウム二次電池は、初回放電容量が70mAh/gに満たなかった。
Claims (6)
- 下記式(1)の組成式で表され、空間群Fm−3mの岩塩型結晶構造を有するマグネシウム複合酸化物からなるマグネシウム二次電池用正極活物質。
MgxM1yM2zO2・・・(1)
(式(1)中、M1は、Ni、Co、又はMnであり、M2は、M1とは異なり、且つ、Ni、Co、Mn、Ti、V、Cr、Fe、Cu、Nb、W、Mo、及びRuからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素であり、0<x≦1であり、0<y<2であり、0<z<1であり、1.5≦x+y+z≦2.0である。) - 前記式(1)中のM1が、Niである請求項1に記載のマグネシウム二次電池用正極活物質。
- 前記式(1)中のM2が、Ni、Co、Mn、Ti、V、Cr、Fe、及びCuからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素である請求項1又は請求項2に記載のマグネシウム二次電池用正極活物質。
- 前記式(1)中、0<x≦0.8であり、0.5≦y<2であり、0<z≦0.6であり、1.5≦x+y+z≦2.0である請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載のマグネシウム二次電池用正極活物質。
- 請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載のマグネシウム二次電池用正極活物質を含むマグネシウム二次電池用正極。
- 請求項5に記載のマグネシウム二次電池用正極と、負極と、非水電解液とを有するマグネシウム二次電池。
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