JP2017010802A - Sodium ion secondary battery - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress expansion of a negative electrode and ensure a high cycle characteristic in a sodium ion secondary battery using negative electrode active material containing tin.SOLUTION: A sodium ion secondary battery includes a positive electrode, a negative electrode, a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and nonaqueous electrolyte having sodium ion conductivity. The negative electrode includes a negative electrode current collector and a negative electrode mixture layer carried on the negative electrode current collector. The negative electrode mixture layer includes a negative electrode active material, a conductive auxiliary agent, and a binder. The negative electrode active material includes metal particles containing tin and hard carbon. The negative electrode mixture layer has voids, and under a discharge state, the rate Rof the volume of the metal particles to the volume of the voids satisfies 0.05≤R<0.24. The occupational rate of the metal particles in the total amount of the metal particles and the hard carbon ranges from 15 mass% to 60 mass%.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、スズを負極活物質として用いたナトリウムイオン二次電池に関する。   The present invention relates to a sodium ion secondary battery using tin as a negative electrode active material.

近年、太陽光または風力などの自然エネルギーを電気エネルギーに変換する技術が注目を集めている。また、多くの電気エネルギーを蓄えることができる蓄電デバイスとして、リチウムイオン二次電池、リチウムイオンキャパシタなどの需要が拡大している。しかし、これらの蓄電デバイスの市場の拡大に伴い、リチウム資源の価格も上昇しつつある。   In recent years, technology that converts natural energy such as sunlight or wind power into electric energy has attracted attention. In addition, demand for lithium-ion secondary batteries, lithium-ion capacitors, and the like as power storage devices that can store a large amount of electrical energy is increasing. However, with the expansion of the market for these electricity storage devices, the price of lithium resources is also increasing.

リチウム資源に比べると、ナトリウム資源は安価である。そこで、ナトリウムイオンを用いたナトリウムイオン電池が検討されている(例えば、特許文献1)。ナトリウムイオン電池は、正極、負極、およびナトリウムイオン伝導性の非水電解質を含む。正極および負極の活物質としては、例えば、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)する材料が使用されている。特許文献1では、負極活物質として、ハードカーボンが使用されている。また、ケイ素やスズなどのナトリウムと合金化する負極活物質(合金系負極活物質)も検討されている。   Compared to lithium resources, sodium resources are cheaper. Therefore, sodium ion batteries using sodium ions have been studied (for example, Patent Document 1). The sodium ion battery includes a positive electrode, a negative electrode, and a sodium ion conductive nonaqueous electrolyte. As the active material for the positive electrode and the negative electrode, for example, a material that occludes and releases (or inserts and desorbs) sodium ions is used. In Patent Document 1, hard carbon is used as the negative electrode active material. Further, negative electrode active materials (alloy-based negative electrode active materials) that are alloyed with sodium such as silicon and tin are also being studied.

特開2013−48077号公報JP 2013-48077 A

合金系負極活物質は多くのナトリウムイオンを吸蔵できるため、高容量化の観点から有利である。しかし、合金系負極活物質、中でもスズは、ナトリウムイオン吸蔵時の膨張が非常に大きいため、充放電を繰り返すと負極の劣化が顕著になる。そのため、十分なサイクル寿命を確保することができない。
本発明の目的は、スズを含む負極活物質を用いたナトリウムイオン二次電池において、負極の膨張を抑制して、高いサイクル特性を確保することである。
Since the alloy-based negative electrode active material can occlude many sodium ions, it is advantageous from the viewpoint of increasing the capacity. However, an alloy-based negative electrode active material, especially tin, has a very large expansion during occlusion of sodium ions, and therefore, when the charge and discharge are repeated, the deterioration of the negative electrode becomes significant. Therefore, a sufficient cycle life cannot be ensured.
An object of the present invention is to suppress expansion of a negative electrode and ensure high cycle characteristics in a sodium ion secondary battery using a negative electrode active material containing tin.

本発明の一局面は、正極と、負極と、前記正極および前記負極の間に介在するセパレータと、ナトリウムイオン伝導性を有する非水電解質とを含み、
前記負極は、負極集電体と、前記負極集電体に担持された負極合剤層とを含み、
前記負極合剤層は、負極活物質と、導電助剤と、バインダとを含み、
前記負極活物質は、スズを含む金属粒子と、ハードカーボンとを含み、
前記負極合剤層は、空隙を有しており、
放電状態において、前記金属粒子の体積の前記空隙の体積に対する比Rp/vは、0.05≦Rp/v<0.24であり、前記金属粒子と前記ハードカーボンとの総量に占める前記金属粒子の割合は、15質量%〜60質量%である、ナトリウムイオン二次電池に関する。
One aspect of the present invention includes a positive electrode, a negative electrode, a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and a nonaqueous electrolyte having sodium ion conductivity.
The negative electrode includes a negative electrode current collector and a negative electrode mixture layer carried on the negative electrode current collector,
The negative electrode mixture layer includes a negative electrode active material, a conductive additive, and a binder,
The negative electrode active material includes metal particles containing tin and hard carbon,
The negative electrode mixture layer has voids,
In the discharged state, the ratio R p / v of the volume of the metal particles to the volume of the voids is 0.05 ≦ R p / v <0.24, and the ratio of the metal particles and the hard carbon to the total amount is The ratio of the metal particles relates to a sodium ion secondary battery that is 15% by mass to 60% by mass.

本発明の上記局面によれば、スズを含む負極活物質を用いたナトリウムイオン二次電池において、充電時の負極の膨張を抑制でき、充放電サイクル時の負極の劣化を抑制することができる。よって、高いサイクル特性を確保することができる。   According to the above aspect of the present invention, in a sodium ion secondary battery using a negative electrode active material containing tin, expansion of the negative electrode during charging can be suppressed, and deterioration of the negative electrode during charge / discharge cycles can be suppressed. Therefore, high cycle characteristics can be ensured.

本発明の一実施形態に係るナトリウムイオン二次電池を概略的に示す縦断面図である。1 is a longitudinal sectional view schematically showing a sodium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention.

[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、正極と、負極と、正極および負極の間に介在するセパレータと、ナトリウムイオン伝導性を有する非水電解質とを含むナトリウムイオン二次電池に関する。負極は、負極集電体と、負極集電体に担持された負極合剤層とを含み、負極合剤層は、負極活物質と、導電助剤と、バインダとを含む。負極活物質は、スズを含む金属粒子と、ハードカーボンとを含み、負極合剤層は、空隙を有している。放電状態において、金属粒子の体積の空隙の体積に対する比Rp/vは、0.05≦Rp/v<0.24であり、金属粒子とハードカーボンとの総量に占める金属粒子の割合は、15質量%〜60質量%である。
[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 relates to a sodium ion secondary battery including a positive electrode, a negative electrode, a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and a nonaqueous electrolyte having sodium ion conductivity. The negative electrode includes a negative electrode current collector and a negative electrode mixture layer carried on the negative electrode current collector, and the negative electrode mixture layer includes a negative electrode active material, a conductive additive, and a binder. The negative electrode active material includes metal particles containing tin and hard carbon, and the negative electrode mixture layer has voids. In the discharge state, the ratio R p / v of the volume of the metal particles to the volume of the gap is 0.05 ≦ R p / v <0.24, and the ratio of the metal particles to the total amount of the metal particles and the hard carbon is 15 mass% to 60 mass%.

スズやスズ合金は、多くのナトリウムイオンを可逆的に吸蔵および放出することができるため、ナトリウムイオン二次電池の負極活物質として用いることで高容量化が期待される。しかし、スズやスズ合金を負極活物質として用いると、充放電時の膨張収縮に伴う体積変化が極めて大きいため、負極が劣化して十分なサイクル寿命を確保することができない。   Since tin and tin alloys can reversibly store and release many sodium ions, high capacity is expected by using them as negative electrode active materials for sodium ion secondary batteries. However, when tin or a tin alloy is used as the negative electrode active material, the volume change accompanying expansion / contraction during charging / discharging is extremely large, so that the negative electrode deteriorates and a sufficient cycle life cannot be ensured.

本実施形態では、スズを含む金属粒子を含む負極活物質を用いるにも拘わらず、比Rp/vを上記の範囲とすることで、充電時に金属粒子が大きく膨張しても、負極の膨張が抑制される。よって、充放電を繰り返しても、負極の劣化が抑制されるため、優れたサイクル特性を得ることができる。また、金属粒子を多く含む負極活物質を用いることで、電池を高容量化することもできる。 In the present embodiment, although the negative electrode active material containing metal particles containing tin is used, by setting the ratio R p / v within the above range, even if the metal particles expand greatly during charging, the negative electrode expands. Is suppressed. Therefore, even if charging / discharging is repeated, deterioration of the negative electrode is suppressed, so that excellent cycle characteristics can be obtained. Further, the use of a negative electrode active material containing a large amount of metal particles can increase the capacity of the battery.

なお、「放電状態」の負極とは、不可逆容量分のナトリウムイオンだけを含む状態の負極(つまり、完全放電状態の負極)、例えば、ナトリウムイオン二次電池において初回から10回までの充放電を行った後の放電状態の負極である。   In addition, the negative electrode in the “discharge state” is a negative electrode in a state containing only irreversible capacity sodium ions (that is, a negative electrode in a fully discharged state), for example, a charge / discharge from the first to ten times in a sodium ion secondary battery. It is the negative electrode of the discharge state after performing.

負極合剤層の空隙率は、放電状態において、25体積%〜55体積%であることが好ましい。また、満充電状態における負極合剤層の空隙率は、0体積%〜25体積%であることが好ましい。放電状態および/または満充電状態の空隙率がそれぞれこのような範囲である場合、高容量を確保しながらも、充電時の負極の膨張を抑制し易い。   The porosity of the negative electrode mixture layer is preferably 25% by volume to 55% by volume in the discharged state. Moreover, it is preferable that the porosity of the negative mix layer in a full charge state is 0 volume%-25 volume%. When the void ratio in the discharged state and / or the fully charged state is in such a range, it is easy to suppress the expansion of the negative electrode during charging while securing a high capacity.

なお、「満充電状態」の負極とは、ナトリウムイオン二次電池において、負極の電位が実質的に降下しなくなるまで充電した状態を言う。例えば、負極の電位が、金属ナトリウムに対して0.1V以下であるものを満充電状態の負極としてもよい。満充電状態の負極は、負極合剤層に含まれる実質的に全てのSnがNa15Sn合金に変化した状態と考えることができる。 Note that the negative electrode in the “fully charged state” refers to a state where the sodium ion secondary battery is charged until the potential of the negative electrode does not substantially drop. For example, a negative electrode in which the potential of the negative electrode is 0.1 V or less relative to metal sodium may be used as a fully charged negative electrode. The fully charged negative electrode can be considered as a state in which substantially all Sn contained in the negative electrode mixture layer has been changed to the Na 15 Sn 4 alloy.

負極合剤層の空隙率は、下記式で定義することができる。
空隙率(%)=(1−d/d)×100
(式中、dは負極合剤層の見かけ密度であり、dは負極合剤層の真密度である。)
見かけ密度dは、負極における負極合剤層の体積および質量から算出できる。真密度dは、負極合剤層の構成成分の比重や密度、および質量比から算出することができる。
The porosity of the negative electrode mixture layer can be defined by the following formula.
Porosity (%) = (1−d / d 0 ) × 100
(In the formula, d is the apparent density of the negative electrode mixture layer, and d 0 is the true density of the negative electrode mixture layer.)
The apparent density d can be calculated from the volume and mass of the negative electrode mixture layer in the negative electrode. The true density d 0 can be calculated from the specific gravity and density of the constituent components of the negative electrode mixture layer and the mass ratio.

比Rp/vは、0.10≦Rp/v<0.24であることが好ましい。この場合、高容量を確保し易い。 The ratio R p / v is preferably 0.10 ≦ R p / v <0.24. In this case, it is easy to ensure a high capacity.

金属粒子は、スズを含む金属の一次粒子が凝集した凝集粒子を含んでいてもよい。そして、負極合剤層は、放電状態で、厚み方向の断面の任意に選択された面積が2500μmの領域において、凝集粒子のうち粒子径が10μm以上の凝集粒子の個数が2個以下であることが好ましい。つまり、負極合剤層におけるスズを含む金属粒子の分散性が高く、サイズが大きな凝集粒子の割合が少ない。これにより、負極の膨張をさらに効果的に抑制することができる。 The metal particles may include aggregated particles obtained by aggregating primary particles of metal including tin. The negative electrode mixture layer is in a discharged state, and the number of aggregated particles having a particle diameter of 10 μm or more is 2 or less in the region of an arbitrarily selected area of 2500 μm 2 in the cross section in the thickness direction. It is preferable. That is, the dispersibility of the metal particles containing tin in the negative electrode mixture layer is high, and the proportion of aggregated particles having a large size is small. Thereby, expansion of the negative electrode can be further effectively suppressed.

なお、粒子径が10μm以上の凝集粒子の個数は、負極合剤層の厚み方向の断面の走査型電子顕微鏡(SEM)画像において求めることができる。凝集粒子の個数は、面積が2500μmである任意の領域を複数(例えば、10箇所)選択し、各領域について個数を求め、平均化した平均値であってもよい。なお、SEM画像における凝集粒子の面積と同じ面積を有する相当円の直径を凝集粒子の粒子径とするものとする。 In addition, the number of aggregated particles having a particle diameter of 10 μm or more can be obtained from a scanning electron microscope (SEM) image of a cross section in the thickness direction of the negative electrode mixture layer. The number of aggregated particles may be an average value obtained by selecting a plurality of arbitrary regions (for example, 10 locations) having an area of 2500 μm 2 , obtaining the number of each region, and averaging them. In addition, the diameter of the equivalent circle having the same area as the area of the aggregated particles in the SEM image is assumed to be the particle diameter of the aggregated particles.

導電助剤の量は、負極活物質100質量部に対して5質量部〜45質量部であることが好ましい。導電助剤の量がこのような範囲である場合、負極が膨張しても、導電パスが切断されるのを抑制することができる。よって、負極の抵抗の増加が抑制されることで、サイクル特性の低下がさらに抑制される。   It is preferable that the quantity of a conductive support agent is 5 mass parts-45 mass parts with respect to 100 mass parts of negative electrode active materials. When the amount of the conductive auxiliary is in such a range, even if the negative electrode expands, the conductive path can be prevented from being cut. Therefore, a decrease in cycle characteristics is further suppressed by suppressing an increase in resistance of the negative electrode.

金属粒子の平均粒子径は、放電状態において、100nm〜500nmであることが好ましい。平均粒子径がこのような範囲であることで、充電時の負極の膨張をさらに抑制することができる。   The average particle diameter of the metal particles is preferably 100 nm to 500 nm in the discharged state. When the average particle size is in such a range, expansion of the negative electrode during charging can be further suppressed.

金属粒子の平均粒子径は、負極合剤層の厚み方向の断面のSEM画像において求めることができる。具体的には、SEM画像において、任意の複数(例えば、50個)の金属粒子を選択し、各金属粒子の粒子径を測定し、平均化することにより平均粒子径を求めることができる。なお、SEM画像における金属粒子の面積と同じ面積を有する相当円の直径を、金属粒子の粒子径とするものとする。   The average particle diameter of the metal particles can be obtained from an SEM image of a cross section in the thickness direction of the negative electrode mixture layer. Specifically, in the SEM image, an arbitrary plurality (for example, 50) of metal particles can be selected, and the particle diameter of each metal particle can be measured and averaged to obtain the average particle diameter. In addition, let the diameter of the equivalent circle which has the same area as the area of the metal particle in a SEM image be a particle diameter of a metal particle.

放電状態における負極の厚みがTのとき、満充電状態の負極の厚みは、1.25T以下であることが好ましい。この場合、充放電に伴う負極の膨張収縮が小さいため、充放電を繰り返しても負極の劣化をさらに抑制することができる。
負極の厚みは、負極の厚み方向の断面におけるSEM画像から求めることができる。また、負極の厚みは、SEM画像において、任意の複数の箇所について負極の厚みを計測し、平均化した平均値であってもよい。
When the thickness of the negative electrode in the discharged state is T, the thickness of the negative electrode in the fully charged state is preferably 1.25 T or less. In this case, since the expansion and contraction of the negative electrode accompanying charging / discharging is small, deterioration of the negative electrode can be further suppressed even if charging / discharging is repeated.
The thickness of the negative electrode can be obtained from an SEM image in a cross section in the thickness direction of the negative electrode. The thickness of the negative electrode may be an average value obtained by measuring the thickness of the negative electrode at an arbitrary plurality of locations in the SEM image and averaging the measured values.

導電助剤は、カーボンブラックおよびカーボンナノファイバからなる群より選択される少なくとも一種であることが好ましい。このような導電助剤を用いた場合、負極の導電性を高め易く、充電時に負極が膨張しても抵抗の増加を抑制し易い。   The conductive additive is preferably at least one selected from the group consisting of carbon black and carbon nanofibers. When such a conductive additive is used, it is easy to increase the conductivity of the negative electrode, and it is easy to suppress an increase in resistance even if the negative electrode expands during charging.

[発明の実施形態の詳細]
本発明の実施形態に係るナトリウムイオン二次電池の具体例を、適宜図面を参照しつつ以下に説明する。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]
Specific examples of the sodium ion secondary battery according to the embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings as appropriate. 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. .

(負極)
負極は、負極集電体と、負極集電体に担持された負極合剤層とを含む。
負極集電体は、例えば、金属箔を用いることができる。金属箔の厚みは、例えば10μm〜50μmである。
(Negative electrode)
The negative electrode includes a negative electrode current collector and a negative electrode mixture layer carried on the negative electrode current collector.
As the negative electrode current collector, for example, a metal foil can be used. The thickness of the metal foil is, for example, 10 μm to 50 μm.

負極集電体の材質としては、特に制限されないが、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、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、ニッケル、ニッケル合金、および/またはステンレス鋼などが好ましい。   The material of the negative electrode current collector is not particularly limited, but is not alloyed with sodium and is stable at the negative electrode potential, so aluminum, aluminum alloy, copper, copper alloy, nickel, nickel alloy, and / or stainless steel Etc. are preferable.

負極合剤層に含まれる負極活物質は、スズを含む金属粒子と、ハードカーボンとを含む。
(金属粒子)
金属粒子を構成する金属としては、例えば、スズ単体またはスズ合金が挙げられる。スズ合金としては、スズとスズ以外の元素(第2元素)との合金が挙げられる。第2元素としては、チタン、亜鉛、インジウム、鉛、ビスマスなどの金属元素の他、ケイ素、リンなどの非金属元素も例示できる。スズ合金は、第2元素を一種含んでいてもよく、二種以上含んでいてもよい。金属粒子は一種を用いてもよく、種類が異なる二種以上の金属粒子を用いてもよい。
The negative electrode active material contained in the negative electrode mixture layer contains metal particles containing tin and hard carbon.
(Metal particles)
As a metal which comprises a metal particle, a tin simple substance or a tin alloy is mentioned, for example. Examples of tin alloys include alloys of tin and elements other than tin (second element). Examples of the second element include metal elements such as titanium, zinc, indium, lead, and bismuth, and nonmetal elements such as silicon and phosphorus. The tin alloy may contain one kind of the second element, or may contain two or more kinds. One kind of metal particles may be used, or two or more kinds of metal particles having different kinds may be used.

金属粒子におけるスズの含有量は、例えば、80質量%〜100質量%であり、90質量%〜100質量%であってもよい。スズの含有量がこのような範囲である場合、高容量を確保し易い反面、充放電時の膨張収縮が大きくなり易い。本実施形態では、このようなスズを多く含む金属粒子を用いる場合であっても、比Rp/vを上記の範囲とすることで、負極の膨張収縮を低減することができる。なお、金属粒子には、スズやスズ合金を形成する元素(具体的には、スズおよび第2元素)以外に不純物が含まれていてもよいが、金属粒子における不純物の含有量は、1質量%以下であることが好ましい。なお、ここで言うところの金属粒子におけるスズや不純物の含有量は仕込み時のものである。 The tin content in the metal particles is, for example, 80% by mass to 100% by mass, and may be 90% by mass to 100% by mass. When the tin content is in such a range, it is easy to ensure a high capacity, but expansion and contraction during charge / discharge tends to increase. In the present embodiment, even when such metal particles containing a large amount of tin are used, the expansion and contraction of the negative electrode can be reduced by setting the ratio R p / v in the above range. The metal particles may contain impurities in addition to the elements that form tin and tin alloys (specifically, tin and the second element), but the content of impurities in the metal particles is 1 mass. % Or less is preferable. Note that the contents of tin and impurities in the metal particles referred to here are those at the time of preparation.

金属粒子は、負極合剤層に、一次粒子の状態で含まれていてもよく、一次粒子が凝集した凝集粒子(または二次粒子)の状態で含まれていてもよい。本実施形態では、負極合剤層が凝集粒子を含む場合でも、凝集粒子の膨張収縮による負極の膨張収縮を抑制することができるが、大きなサイズの凝集粒子の割合は少ない方が好ましい。例えば、負極合剤層は、放電状態で、厚み方向の断面の任意に選択された面積が2500μmの領域において、粒子径が10μm以上の凝集粒子の個数が2個以下であることが好ましく、1個以下または0個であってもよい。粒子径が10μm以上の凝集粒子の個数がこのような範囲である場合、充電時における負極の膨張を抑制する効果がさらに高まる。 The metal particles may be included in the negative electrode mixture layer in the form of primary particles, or may be included in the state of aggregated particles (or secondary particles) in which the primary particles are aggregated. In the present embodiment, even when the negative electrode mixture layer includes aggregated particles, expansion and contraction of the negative electrode due to expansion and contraction of the aggregated particles can be suppressed, but it is preferable that the ratio of large size aggregated particles is small. For example, the negative electrode mixture layer is preferably in a discharged state, and the number of agglomerated particles having a particle diameter of 10 μm or more is 2 or less in an arbitrarily selected area of 2500 μm 2 in the cross section in the thickness direction. It may be 1 or less or 0. When the number of aggregated particles having a particle size of 10 μm or more is in such a range, the effect of suppressing the expansion of the negative electrode during charging is further enhanced.

負極合剤層において、金属粒子の平均粒子径は、放電状態において、例えば、100nm〜800nmであり、100nm〜500nmまたは100nm〜300nmであることが好ましく、100nm〜250nmであることがさらに好ましい。平均粒子径がこのような範囲である場合、充放電時に部分的に大きく膨張収縮する部分が少ないため、サイクル特性を高める上で有利である。   In the negative electrode mixture layer, the average particle diameter of the metal particles in the discharged state is, for example, 100 nm to 800 nm, preferably 100 nm to 500 nm, or 100 nm to 300 nm, and more preferably 100 nm to 250 nm. When the average particle diameter is in such a range, there are few portions that are partially expanded and contracted during charging and discharging, which is advantageous in improving cycle characteristics.

放電状態において、金属粒子とハードカーボンとの総量に占める金属粒子の割合は、15質量%〜60質量%である。このような割合では、金属粒子の高い容量を有効利用でき、電池を高容量化できる。負極活物質の膨張収縮による体積変化は大きくなるが、比Rp/vを調節することで負極の膨張収縮が抑制されるため、優れたサイクル特性が得られる。高容量化の観点からは、放電状態における金属粒子の割合は、20質量%〜60質量%であることが好ましく、30質量%〜60質量%または35質量%〜55質量%であることがさらに好ましい。 In the discharged state, the ratio of the metal particles to the total amount of the metal particles and the hard carbon is 15% by mass to 60% by mass. In such a ratio, the high capacity of the metal particles can be effectively used, and the capacity of the battery can be increased. Although the volume change due to the expansion and contraction of the negative electrode active material becomes large, since the expansion and contraction of the negative electrode is suppressed by adjusting the ratio R p / v , excellent cycle characteristics can be obtained. From the viewpoint of increasing the capacity, the proportion of metal particles in the discharged state is preferably 20% by mass to 60% by mass, and more preferably 30% by mass to 60% by mass or 35% by mass to 55% by mass. preferable.

放電状態において、金属粒子の体積の負極合剤層の空隙の体積に対する比Rp/vは、0.05以上であり、容量を高める観点からは、0.10以上または0.12以上であることが好ましい。比Rp/vは、0.24未満であり、サイクル特性をさらに向上する観点からは、0.23以下または0.22以下であることが好ましい。これらの下限値と上限値とは任意に組み合わせることができる。比Rp/vは、例えば、0.05≦Rp/v≦0.23、0.10≦Rp/v<0.24、0.12≦Rp/v≦0.23、または0.10≦Rp/v≦0.23であってもよい。 In the discharged state, the ratio R p / v of the volume of the metal particles to the volume of the voids of the negative electrode mixture layer is 0.05 or more, and is 0.10 or more or 0.12 or more from the viewpoint of increasing the capacity. It is preferable. The ratio R p / v is less than 0.24, and is preferably 0.23 or less or 0.22 or less from the viewpoint of further improving the cycle characteristics. These lower limit values and upper limit values can be arbitrarily combined. The ratio R p / v, for example, 0.05 ≦ R p / v ≦ 0.23,0.10 ≦ R p / v <0.24,0.12 ≦ R p / v ≦ 0.23 , or 0, .10 ≦ R p / v ≦ 0.23.

比Rp/vが0.05未満である場合、スズを含む金属粒子を用いることによる高容量化の効果を十分に得ることができない。比Rp/vが0.24以上では、金属粒子の膨張収縮に伴う体積変化が大きくなり、充放電の繰り返しにより負極が劣化してサイクル特性が低下する。
比Rp/vは、負極を形成する際の圧縮の程度、負極合剤層の密度、構成成分の割合などを変更することにより調節することができる。
When the ratio R p / v is less than 0.05, the effect of increasing the capacity by using metal particles containing tin cannot be sufficiently obtained. When the ratio R p / v is 0.24 or more, the volume change accompanying the expansion and contraction of the metal particles becomes large, and the negative electrode is deteriorated due to repeated charge and discharge, resulting in deterioration of cycle characteristics.
The ratio R p / v can be adjusted by changing the degree of compression at the time of forming the negative electrode, the density of the negative electrode mixture layer, the ratio of the constituent components, and the like.

(ハードカーボン)
ハードカーボンは、炭素網面が三次元的にずれた状態で重なりあった乱層構造を有する炭素質材料である。ハードカーボンは、高温(例えば、3000℃)での加熱処理によっても、乱層構造から黒鉛構造への転換が起こらず、黒鉛結晶子の発達が見られない。そのため、ハードカーボンは、難黒鉛化性炭素(non−graphitizable carbon)とも称される。
(Hard carbon)
Hard carbon is a carbonaceous material having a turbostratic structure in which carbon network surfaces are overlapped in a three-dimensionally shifted state. Hard carbon does not change from a turbulent structure to a graphite structure even by heat treatment at a high temperature (for example, 3000 ° C.), and the development of graphite crystallites is not observed. Therefore, hard carbon is also referred to as non-graphitizable carbon.

ハードカーボンのX線回折スペクトルで測定される(002)面の平均面間隔d002は、例えば、0.37nm〜0.42nmである。ハードカーボンの平均比重は、例えば、1.4g/cm〜1.7g/cmである。 The average interplanar spacing d 002 of the (002) plane measured by the hard carbon X-ray diffraction spectrum is, for example, 0.37 nm to 0.42 nm. The average specific gravity of the hard carbon is, for example, 1.4g / cm 3 ~1.7g / cm 3 .

ハードカーボンの平均粒子径D50は、例えば、3μm〜20μmであり、好ましくは5μm〜15μmである。ハードカーボンの平均粒子径がこのような範囲である場合、負極合剤層にある程度の空隙を残しながらも高充填し易いため、高容量とサイクル特性とのバランスを取り易い。
平均粒子径D50とは、体積基準の粒度分布における累積が50%となる粒子径(つまり、メジアン径)を意味する。
The average particle diameter D 50 of the hard carbon, for example, a 3Myuemu~20myuemu, preferably 5Myuemu~15myuemu. When the average particle size of the hard carbon is within such a range, it is easy to achieve high filling while leaving a certain amount of voids in the negative electrode mixture layer, and thus it is easy to balance high capacity and cycle characteristics.
The average particle diameter D 50 is accumulated in the particle size distribution on a volume basis means a particle diameter at 50% (that is, median diameter).

負極活物質は、必要に応じて、スズを含む金属粒子(第1活物質)およびハードカーボン(第2活物質)に加え、これら以外の活物質(第3活物質)を含んでもよい。第3活物質としては、金属化合物(チタン酸リチウム、チタン酸ナトリウムなど)、ケイ素、ケイ素化合物(酸化物など)、ソフトカーボンなどが挙げられる。金属粒子およびハードカーボンの効果を十分に発揮させる観点からは、負極活物質に占める第3活物質の量は、5質量%以下であることが好ましい。   The negative electrode active material may contain an active material (third active material) other than these in addition to the metal particles containing tin (first active material) and hard carbon (second active material) as necessary. Examples of the third active material include metal compounds (such as lithium titanate and sodium titanate), silicon, silicon compounds (such as oxides), and soft carbon. From the viewpoint of sufficiently exerting the effects of the metal particles and the hard carbon, the amount of the third active material in the negative electrode active material is preferably 5% by mass or less.

(導電助剤)
導電助剤としては、特に制限されないが、例えば、カーボンブラック(アセチレンブラック、ケッチェンブラックなど)、黒鉛、炭素繊維(気相法炭素繊維などのカーボンナノファイバなど)、および/またはカーボンナノチューブなどが挙げられる。導電性を高める観点から、導電助剤は、負極活物質粒子の表面に被覆されていてもよい。導電助剤は、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。負極の抵抗の増加を抑制し易い観点からは、導電助剤としては、カーボンブラック、および/またはカーボンナノファイバが好ましい。サイクル特性をさらに高める観点からは、気相法炭素繊維などのカーボンナノファイバを用いることが有利である。
(Conductive aid)
The conductive auxiliary agent is not particularly limited, and examples thereof include carbon black (acetylene black, ketjen black, etc.), graphite, carbon fiber (carbon nanofiber such as vapor grown carbon fiber, etc.), and / or carbon nanotube. Can be mentioned. From the viewpoint of increasing conductivity, the conductive auxiliary agent may be coated on the surface of the negative electrode active material particles. A conductive support agent may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type. From the viewpoint of easily suppressing an increase in resistance of the negative electrode, carbon black and / or carbon nanofibers are preferable as the conductive additive. From the viewpoint of further improving the cycle characteristics, it is advantageous to use carbon nanofibers such as vapor grown carbon fibers.

導電助剤の量は、負極活物質100質量部に対して、5質量部〜45質量部であることが好ましい。この場合、負極の抵抗の増加を抑制し易い。充電時の負極の膨張に伴って負極合剤層における導電パスが切断されることをより効果的に抑制する観点からは、導電助剤の量は、負極活物質100質量部に対して、10質量部〜45質量部であることが好ましく、高容量が得られ易い観点からは、10質量部〜40質量部であることが好ましい。   It is preferable that the quantity of a conductive support agent is 5 mass parts-45 mass parts with respect to 100 mass parts of negative electrode active materials. In this case, it is easy to suppress an increase in resistance of the negative electrode. From the viewpoint of more effectively suppressing the conductive path in the negative electrode mixture layer from being cut off as the negative electrode expands during charging, the amount of the conductive auxiliary is 10 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the negative electrode active material. It is preferable that it is mass part-45 mass parts, and it is preferable that it is 10 mass parts-40 mass parts from a viewpoint from which a high capacity | capacitance is easy to be obtained.

導電助剤が粒子状である場合、平均粒子径D50は、例えば、20nm〜70nm であり、30nm〜50nmであることが好ましい。また、導電助剤が繊維状である場合、平均アスペクト比(繊維長/繊維径)は、例えば、30〜300であり、50〜200であることが好ましい。平均粒子径や平均アスペクト比がこのような範囲である場合、充電時に負極合剤層が膨張しても、導電パスが切断され難い。 When the conductive auxiliary agent is in the form of particles, the average particle diameter D50 is, for example, 20 nm to 70 nm, and preferably 30 nm to 50 nm. Moreover, when a conductive support agent is fibrous form, an average aspect-ratio (fiber length / fiber diameter) is 30-300, for example, and it is preferable that it is 50-200. When the average particle diameter and the average aspect ratio are in such ranges, even if the negative electrode mixture layer expands during charging, the conductive path is hardly cut.

(バインダ)
バインダとしては、特に制限されないが、例えば、ポリフッ化ビニリデンなどのフッ素樹脂、ポリオレフィン樹脂、スチレンブタジエンゴムなどのゴム状重合体、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミドなどのポリイミド樹脂、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール、およびセルロースエーテル(カルボキシメチルセルロースおよびその塩など)などが挙げられる。バインダ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。
(Binder)
The binder is not particularly limited, and examples thereof include fluorine resins such as polyvinylidene fluoride, polyolefin resins, rubbery polymers such as styrene butadiene rubber, polyamide resins, polyimide resins such as polyamideimide, polyvinylpyrrolidone, polyvinyl alcohol, and cellulose. Ether (carboxymethylcellulose and its salt etc.) etc. are mentioned. A binder may be used individually by 1 type and may be used in combination of 2 or more type.

バインダの量は、特に制限されないが、高い結着性および容量を確保し易い観点から、負極活物質100質量部に対して、例えば、1質量部〜20質量部であり、5質量部〜15質量部であることが好ましい。   The amount of the binder is not particularly limited, but is, for example, 1 part by mass to 20 parts by mass and 5 parts by mass to 15 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material from the viewpoint of easily ensuring high binding properties and capacity. It is preferable that it is a mass part.

負極は、例えば、負極集電体に負極合剤を塗布または充填し、必要に応じて、厚み方向に圧縮(または圧延)することにより形成できる。適当な段階で乾燥処理を行ってもよい。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。
負極合剤は、通常、分散媒を含むスラリー(またはペースト)の形態で使用される。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、および/または水などが用いられる。
The negative electrode can be formed, for example, by coating or filling a negative electrode current collector with a negative electrode mixture and compressing (or rolling) it in the thickness direction as necessary. A drying treatment may be performed at an appropriate stage. The negative electrode active material may be pre-doped with sodium ions as necessary.
The negative electrode mixture is usually used in the form of a slurry (or paste) containing a dispersion medium. As the dispersion medium, for example, an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) and / or water is used.

負極合剤スラリーは、負極合剤の構成成分を分散媒中に分散させることにより調製される。構成成分、特に、スズを含む金属粒子を微分散させると、充放電による負極の膨張収縮を低減する効果が高まる。負極合剤を調製する際には、公知のミキサー、ニーダー、ディスパー、ミルなどを利用することができる。   The negative electrode mixture slurry is prepared by dispersing the components of the negative electrode mixture in a dispersion medium. When the component, particularly metal particles containing tin, are finely dispersed, the effect of reducing expansion and contraction of the negative electrode due to charge and discharge is enhanced. In preparing the negative electrode mixture, a known mixer, kneader, disper, mill or the like can be used.

金属粒子の分散性を高める観点からは、遠心力を利用して構成成分を攪拌する装置を利用することが好ましい。例えば、薄膜旋回型高速ミキサーなどを用い、遠心力を利用して構成成分と分散媒との混合物の薄膜を形成し、高速旋回することにより薄膜中の成分を微分散させることが好ましい。遠心力を利用して構成成分を分散させると、負極合剤中に含まれる、粒子径10μm以上といった大きな凝集粒子の割合を低減し易いため有利である。混合物の薄膜を高速旋回する場合、攪拌装置の回転速度は、例えば、10m/s〜50m/sであり、20m/s〜40m/sであることが好ましい。攪拌時間は、例えば、10秒〜60秒としてもよく、15秒〜45秒であってもよい。回転速度および/または攪拌時間がこのような範囲である場合、成分を微分散させる上でより有利である。   From the viewpoint of enhancing the dispersibility of the metal particles, it is preferable to use an apparatus that stirs the constituent components using centrifugal force. For example, it is preferable to form a thin film of a mixture of a component and a dispersion medium using centrifugal force using a thin film swirl type high-speed mixer and finely disperse the components in the thin film by swirling at high speed. It is advantageous to disperse the constituents using centrifugal force because it is easy to reduce the proportion of large agglomerated particles contained in the negative electrode mixture, such as a particle diameter of 10 μm or more. When the thin film of the mixture is swirled at a high speed, the rotation speed of the stirring device is, for example, 10 m / s to 50 m / s, and preferably 20 m / s to 40 m / s. The stirring time may be, for example, 10 seconds to 60 seconds, or 15 seconds to 45 seconds. When the rotational speed and / or the stirring time is within such a range, it is more advantageous to finely disperse the components.

負極合剤スラリー(またはペースト)の固形分濃度は、例えば、30質量%〜70質量%であり、分散性を高める観点からは、例えば、35質量%〜65質量%とすることが好ましく、40質量%〜55質量%とすることがさらに好ましい。   The solid content concentration of the negative electrode mixture slurry (or paste) is, for example, 30% by mass to 70% by mass, and is preferably 35% by mass to 65% by mass from the viewpoint of improving dispersibility, for example. It is more preferable to set it as mass%-55 mass%.

負極を作製する際の圧縮の程度は、負極合剤層の密度、負極合剤層の放電状態における空隙率などが所望の範囲となるように調節することが好ましい。圧縮の程度は、比Rp/vに影響するため、比Rp/vが上述の範囲となるように圧縮の際の圧力および/または圧縮する回数などを調節してもよい。 The degree of compression when producing the negative electrode is preferably adjusted so that the density of the negative electrode mixture layer, the porosity of the negative electrode mixture layer in the discharge state, and the like are within a desired range. The degree of compression, because it affects the ratio R p / v, the ratio R p / v may be adjusted and the number of times that the pressure and / or compression during the compression to be in the range described above.

負極合剤層の空隙率は、放電状態において、例えば、25体積%〜55体積%であり、27体積%〜50体積%であることが好ましく、30体積%〜46体積%または32体積%〜46体積%であることがさらに好ましい。放電状態の空隙率がこのような範囲である場合、充電時の負極の膨張を抑制する効果がさらに高まることに加え、高容量を確保し易い。   The porosity of the negative electrode mixture layer is, for example, 25% by volume to 55% by volume, preferably 27% by volume to 50% by volume, and 30% by volume to 46% by volume or 32% by volume in the discharged state. More preferably, it is 46 volume%. When the porosity in the discharged state is in such a range, in addition to further enhancing the effect of suppressing the expansion of the negative electrode during charging, it is easy to ensure a high capacity.

満充電状態における負極合剤層の空隙率は、例えば、0体積%〜25体積%であり、1体積%〜22体積%であることが好ましく、2体積%〜21体積%であることがさらに好ましい。満充電状態の空隙率がこのような範囲である場合、充電による負極の膨張をさらに効果的に抑制することができるとともに、高容量を確保し易い。   The porosity of the negative electrode mixture layer in the fully charged state is, for example, 0 volume% to 25 volume%, preferably 1 volume% to 22 volume%, and more preferably 2 volume% to 21 volume%. preferable. When the fully charged porosity is in such a range, expansion of the negative electrode due to charging can be further effectively suppressed, and high capacity can be easily ensured.

本実施形態では、充電時の負極の膨張を抑制することができるため、充放電に伴う負極の劣化を抑制することができる。放電状態における負極の厚みがTのとき、満充電状態の負極の厚みは、例えば、1.26T以下であり、1.25T以下(具体的には、T〜1.25T)であることが好ましく、T〜1.20TまたはT〜1.15Tであることがさらに好ましい。満充電状態の負極の厚みがこのような範囲である場合、充放電に伴う負極の劣化がさらに抑制されるため、優れたサイクル特性が得られ易い。   In this embodiment, since the expansion of the negative electrode during charging can be suppressed, deterioration of the negative electrode associated with charge / discharge can be suppressed. When the thickness of the negative electrode in the discharged state is T, the thickness of the negative electrode in the fully charged state is, for example, 1.26 T or less, and preferably 1.25 T or less (specifically, T to 1.25 T). , T to 1.20T or T to 1.15T. When the thickness of the fully charged negative electrode is in such a range, deterioration of the negative electrode due to charge / discharge is further suppressed, and thus excellent cycle characteristics are easily obtained.

(正極)
正極は、正極活物質を含んでおり、正極集電体と、正極集電体に担持された正極活物質(または正極合剤)とを含んでもよい。
正極集電体は、例えば、負極集電体について記載したような金属箔、金属多孔体などが使用できる。正極集電体の材質としては、特に制限されないが、正極電位での安定性の観点から、アルミニウム、および/またはアルミニウム合金などが好ましい。正極集電体の厚みは、負極集電体の場合について記載した範囲から適宜選択できる。
(Positive electrode)
The positive electrode includes a positive electrode active material, and may include a positive electrode current collector and a positive electrode active material (or a positive electrode mixture) supported on the positive electrode current collector.
As the positive electrode current collector, for example, a metal foil, a metal porous body, or the like as described for the negative electrode current collector can be used. The material of the positive electrode current collector is not particularly limited, but aluminum and / or an aluminum alloy are preferable from the viewpoint of stability at the positive electrode potential. The thickness of the positive electrode current collector can be appropriately selected from the range described for the case of the negative electrode current collector.

正極活物質としては、ナトリウムイオンを可逆的に吸蔵および放出する材料が挙げられる。このような材料としては、アルカリ金属(ナトリウム、カリウムなど)と遷移金属(Cr、Mn、Fe、Co、Niなどの周期表の第4周期の遷移金属など)とを含む化合物が挙げられる。このような化合物では、アルカリ金属および遷移金属の少なくともいずれか一方の一部が、Alなどの典型金属元素で置換されていてもよい。   Examples of the positive electrode active material include materials that reversibly occlude and release sodium ions. Examples of such a material include a compound containing an alkali metal (sodium, potassium, etc.) and a transition metal (transition metal of the fourth period of the periodic table such as Cr, Mn, Fe, Co, Ni). In such a compound, a part of at least one of an alkali metal and a transition metal may be substituted with a typical metal element such as Al.

正極活物質は、ナトリウム含有遷移金属化合物などの遷移金属化合物を含むことが好ましい。遷移金属化合物としては、溶融塩電池の正極活物質として使用できる公知のもの、例えば、硫化物(TiS、FeSなどの遷移金属硫化物;NaTiSなどのナトリウム含有遷移金属硫化物など)、酸化物[亜クロム酸ナトリウム(NaCrO)、NaNi0.5Mn0.5、鉄マンガン酸ナトリウム(Na2/3Fe1/3Mn2/3など)などのナトリウム含有遷移金属酸化物など]、ナトリウム遷移金属酸素酸塩、および/またはナトリウム含有遷移金属ハロゲン化物(NaFeFなど)などが挙げられる。これらのうち、亜クロム酸ナトリウム、鉄マンガン酸ナトリウムなどが好ましい。亜クロム酸ナトリウムのCrまたはNaの一部を他元素で置換してもよく、鉄マンガン酸ナトリウムのFe、MnまたはNaの一部を他元素で置換してもよい。
正極活物質は、一種を単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて使用してもよい。
The positive electrode active material preferably contains a transition metal compound such as a sodium-containing transition metal compound. As the transition metal compound, known compounds that can be used as the positive electrode active material of the molten salt battery, for example, sulfides (transition metal sulfides such as TiS 2 and FeS 2 ; sodium-containing transition metal sulfides such as NaTiS 2 ), Oxides [sodium-containing transition metals such as sodium chromite (NaCrO 2 ), NaNi 0.5 Mn 0.5 O 2 , sodium iron manganate (Na 2/3 Fe 1/3 Mn 2/3 O 2 etc.) Oxides, etc.], sodium transition metal oxyacid salts, and / or sodium-containing transition metal halides (such as Na 3 FeF 6 ) and the like. Of these, sodium chromite and sodium ferromanganate are preferred. A part of Cr or Na in sodium chromite may be substituted with other elements, and a part of Fe, Mn or Na in sodium ferromanganate may be substituted with other elements.
A positive electrode active material may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type.

正極は、負極の場合に準じて、例えば、正極集電体に、正極活物質を含む正極合剤を塗布または充填し、必要に応じて、厚み方向に圧縮(または圧延)することにより形成できる。適当な段階で乾燥処理を行ってもよい。   The positive electrode can be formed, for example, by applying or filling a positive electrode mixture containing a positive electrode active material to a positive electrode current collector and compressing (or rolling) in the thickness direction as necessary, according to the case of the negative electrode. . A drying treatment may be performed at an appropriate stage.

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。バインダおよび導電助剤としては、それぞれ、負極について例示したものから適宜選択できる。正極合剤は、通常、分散媒を含むスラリー(またはペースト)の形態で使用される。分散媒としては、負極について例示したものから適宜選択できる。   In addition to the positive electrode active material, the positive electrode mixture can further contain a conductive additive and / or a binder. As a binder and a conductive support agent, it can respectively select suitably from what was illustrated about the negative electrode. The positive electrode mixture is usually used in the form of a slurry (or paste) containing a dispersion medium. As a dispersion medium, it can select suitably from what was illustrated about the negative electrode.

導電助剤の量は、正極活物質100質量部に対して、例えば、1質量部〜25質量部の範囲から適宜選択でき、5質量部〜20質量部であってもよい。
バインダの量は、特に制限されないが、高い結着性および容量を確保し易い観点から、正極活物質100質量部に対して、例えば、0.5質量部〜15質量部程度の範囲から選択でき、好ましくは1質量部〜12質量部であってもよい。
The amount of the conductive additive can be appropriately selected from the range of 1 to 25 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the positive electrode active material, and may be 5 to 20 parts by mass.
The amount of the binder is not particularly limited, but can be selected from a range of, for example, about 0.5 parts by mass to 15 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the positive electrode active material from the viewpoint of easily ensuring high binding properties and capacity. The amount may be preferably 1 to 12 parts by mass.

(セパレータ)
セパレータは、正極と負極との間に介在させる。セパレータとしては、例えば、樹脂製の微多孔膜、および/または不織布などが使用できる。セパレータの材質は、電池の使用温度を考慮して選択できる。微多孔膜または不織布を形成する繊維に含まれる樹脂としては、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、および/またはポリイミド樹脂などが例示できる。不織布を形成する繊維は、ガラス繊維などの無機繊維であってもよい。セパレータは、セラミックス粒子などの無機フィラーを含んでもよい。無機フィラーは、セパレータにコーティングされた状態であってもよい。
セパレータの厚みは、特に限定されないが、例えば、10μm〜300μm程度の範囲から選択できる。
(Separator)
The separator is interposed between the positive electrode and the negative electrode. As the separator, for example, a resin microporous film and / or a nonwoven fabric can be used. The material of the separator can be selected in consideration of the operating temperature of the battery. Examples of the resin contained in the fibers forming the microporous film or the nonwoven fabric include polyolefin resin, polyphenylene sulfide resin, polyamide resin, and / or polyimide resin. The fibers forming the nonwoven fabric may be inorganic fibers such as glass fibers. The separator may include an inorganic filler such as ceramic particles. The inorganic filler may be coated on the separator.
Although the thickness of a separator is not specifically limited, For example, it can select from the range of about 10 micrometers-300 micrometers.

(電解質)
電解質としては、ナトリウムイオンを含む非水電解質が使用される。非水電解質としては、例えば、非水溶媒(または有機溶媒)にナトリウムイオンとアニオンとの塩(ナトリウム塩)を溶解させた電解質(有機電解質)、およびナトリウムイオンとアニオンとを含むイオン液体(溶融塩電解質)などが用いられる。
(Electrolytes)
As the electrolyte, a nonaqueous electrolyte containing sodium ions is used. Nonaqueous electrolytes include, for example, an electrolyte (organic electrolyte) in which a salt (sodium salt) of sodium ions and anions is dissolved in a nonaqueous solvent (or organic solvent), and an ionic liquid (molten) containing sodium ions and anions Salt electrolyte).

低温特性などの観点からは、非水溶媒(有機溶媒)を含む電解質を用いることが好ましい。電解質の分解をできるだけ抑制する観点からは、イオン液体を含む電解質を用いることが好ましく、イオン液体および非水溶媒を含む電解質を用いてもよい。
電解質におけるナトリウム塩またはナトリウムイオンの濃度は、例えば、0.3〜10mol/Lの範囲から適宜選択できる。
From the viewpoint of low temperature characteristics and the like, it is preferable to use an electrolyte containing a non-aqueous solvent (organic solvent). From the viewpoint of suppressing the decomposition of the electrolyte as much as possible, an electrolyte containing an ionic liquid is preferably used, and an electrolyte containing an ionic liquid and a nonaqueous solvent may be used.
The concentration of sodium salt or sodium ion in the electrolyte can be appropriately selected from the range of 0.3 to 10 mol / L, for example.

(有機電解質)
有機電解質は、非水溶媒(有機溶媒)およびナトリウム塩に加え、イオン液体および/または添加剤などを含むことができるが、高い低温特性を確保し易い観点からは、電解質中の非水溶媒およびナトリウム塩の含有量の合計は、例えば、60質量%〜100質量%であってもよい。
(Organic electrolyte)
The organic electrolyte can contain an ionic liquid and / or an additive in addition to a non-aqueous solvent (organic solvent) and a sodium salt. From the viewpoint of easily ensuring high low-temperature characteristics, the non-aqueous solvent in the electrolyte and 60 mass%-100 mass% may be sufficient as the sum total of content of a sodium salt, for example.

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、テトラフルオロホウ酸イオン、過塩素酸イオン、ビス(オキサラト)ボレートイオン(B(C )、トリス(オキサラト)ホスフェートイオン(P(C )、トリフルオロメタンスルホン酸イオン(CFSO )、および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, tetrafluoroborate ion, perchlorate ion, bis (oxalato) borate ion (B (C 2 O 4) 2 -), tris (oxalato) phosphate ions (P (C 2 O 4) 3 -), trifluoromethanesulfonate ion (CF 3 SO 3 -), and the like 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.

上記のビススルホニルアミドアニオンとしては、例えば、ビス(フルオロスルホニル)アミドアニオン(FSA:bis(fluorosulfonyl)amide anion))、ビス(トリフルオロメチルスルホニル)アミドアニオン(TFSA:bis(trifluoromethylsulfonyl)amide anion)、(フルオロスルホニル)(パーフルオロアルキルスルホニル)アミドアニオン[(FSO)(CFSO)Nなど]、ビス(パーフルオロアルキルスルホニル)アミドアニオン[N(SOCF 、N(SO など]などが挙げられる。これらのうち、特に、FSAおよび/またはTFSAが好ましい。 Examples of the bissulfonylamide anion include bis (fluorosulfonyl) amide anion (FSA: bis (fluorosulfonyl) amide anion), bis (trifluoromethylsulfonyl) amide anion (TFSA: bis (trifluoromethylsulfonyl) amide anion), (Fluorosulfonyl) (perfluoroalkylsulfonyl) amide anion [(FSO 2 ) (CF 3 SO 2 ) N etc.], bis (perfluoroalkylsulfonyl) amide anion [N (SO 2 CF 3 ) 2 , N ( SO 2 C 2 F 5 ) 2 — and the like]. Of these, FSA and / or TFSA are particularly preferable.

非水溶媒は、特に限定されず、ナトリウムイオン二次電池に使用される公知の非水溶媒が使用できる。非水溶媒は、イオン伝導度の観点から、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、および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、およびエチルメチルカーボネートなどの鎖状カーボネート;ならびに、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。非水溶媒は、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。   The non-aqueous solvent is not particularly limited, and a known non-aqueous solvent used for a sodium ion secondary battery can be used. Non-aqueous solvents include, 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; and γ-butyrolactone. The cyclic carbonate of the above can be preferably used. A non-aqueous solvent may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type.

(溶融塩電解質)
電解質としてイオン液体を用いる場合、電解質は、カチオンとアニオンとを含むイオン液体に加え、非水溶媒および/または添加剤などを含むことができる。ただし、電解質の分解を抑制し易い観点からは、電解質中のイオン液体の含有量は、80質量%以上(例えば、80質量%〜100質量%)であることが好ましく、90質量%〜100質量%であってもよい。
(Molten salt electrolyte)
When an ionic liquid is used as the electrolyte, the electrolyte can include a nonaqueous solvent and / or an additive in addition to the ionic liquid containing a cation and an anion. However, from the viewpoint of easily suppressing the decomposition of the electrolyte, the content of the ionic liquid in the electrolyte is preferably 80% by mass or more (for example, 80% by mass to 100% by mass), and 90% by mass to 100% by mass. %.

イオン液体は、ナトリウムイオン(第2カチオン)に加え、ナトリウムイオン以外のカチオン(第3カチオン)を含むことができる。第3カチオンとしては、有機カチオン、およびナトリウムイオン以外の無機カチオンなどが例示できる。イオン液体は、第3カチオンを、一種含んでもよく、二種以上組み合わせて含んでもよい。   The ionic liquid can contain cations (third cation) other than sodium ions in addition to sodium ions (second cation). Examples of the third cation include organic cations and inorganic cations other than sodium ions. The ionic liquid may contain one kind of third cation or may contain two or more kinds in combination.

無機カチオンとしては、例えば、ナトリウムイオン以外のアルカリ金属イオン(カリウムイオンなど)、および/またはアルカリ土類金属イオン(マグネシウムイオン、カルシウムイオンなど)、アンモニウムイオンなどが挙げられる。   Examples of the inorganic cation include alkali metal ions (potassium ions, etc.) other than sodium ions, and / or alkaline earth metal ions (magnesium ions, calcium ions, etc.), ammonium ions, and the like.

有機カチオンとしては、脂肪族アミン、脂環族アミンまたは芳香族アミンに由来するカチオン(例えば、第4級アンモニウムカチオンなど)の他、窒素含有へテロ環を有するカチオン(つまり、環状アミンに由来するカチオン)などの窒素含有オニウムカチオン、イオウ含有オニウムカチオン、リン含有オニウムカチオンなどが例示できる。
有機カチオンのうち、特に、第4級アンモニウムカチオンの他、窒素含有ヘテロ環骨格として、ピロリジン、ピリジン、またはイミダゾール骨格を有するカチオンが好ましい。
Organic cations include cations derived from aliphatic amines, alicyclic amines or aromatic amines (for example, quaternary ammonium cations), as well as cations having nitrogen-containing heterocycles (that is, derived from cyclic amines). Examples thereof include nitrogen-containing onium cations such as cations), sulfur-containing onium cations, and phosphorus-containing onium cations.
Among organic cations, in particular, a cation having a pyrrolidine, pyridine, or imidazole skeleton as a nitrogen-containing heterocyclic skeleton in addition to a quaternary ammonium cation is preferable.

有機カチオンの具体例としては、テトラエチルアンモニウムカチオン(TEA:tetraethylammonium cation)、メチルトリエチルアンモニウムカチオン(TEMA:methyltriethylammonium cation)などのテトラアルキルアンモニウムカチオン;1−メチル−1−プロピルピロリジニウムカチオン(MPPY:1−methyl−1−propylpyrrolidinium cation)、1−ブチル−1−メチルピロリジニウムカチオン(MBPY:1−butyl−1−methylpyrrolidinium cation);1−エチル−3−メチルイミダゾリウムカチオン(EMI: 1−ethyl−3−methylimidazolium cation)、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムカチオン(BMI:1−buthyl−3−methylimidazolium cation)などが挙げられる。 Specific examples of the organic cation include tetraethylammonium cation (TEA + : tetraethylammonium cation), methyltriethylammonium cation (TEMA + : methyltriethylammonium cation) and the like; 1-methyl-1-propylpyrrolidinium cation (MPPY) + : 1-methyl-1-propylpyrrolidinium cation, 1-butyl-1-methylpyrrolidinium cation (MBPY + : 1-butyl-1-methylpyrrolidinium cation); 1-ethyl-3-methylimidazolium cation (EMI + : 1-ethyl-3-methylimidazolium c 1-butyl-3-methylimidazolium cation (BMI + : 1-butyl-3-methylimidazolium cation) and the like.

アニオンとしては、ビススルホニルアミドアニオンを用いることが好ましい。ビススルホニルアミドアニオンとしては、有機電解質について例示したものから適宜選択できる。ビススルホニルアミドアニオンのうち、特に、FSAおよび/またはTFSAが好ましい。   As the anion, a bissulfonylamide anion is preferably used. The bissulfonylamide anion can be appropriately selected from those exemplified for the organic electrolyte. Of the bissulfonylamide anions, FSA and / or TFSA are particularly preferable.

ナトリウムイオン二次電池は、例えば、(a)正極と、負極と、正極および負極の間に介在するセパレータとで電極群を形成する工程、ならびに(b)電極群および電解質を電池ケース内に収容する工程を経ることにより製造できる。   A sodium ion secondary battery includes, for example, (a) a step of forming an electrode group with a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode; and (b) an electrode group and an electrolyte are accommodated in a battery case. It can manufacture by passing through the process to do.

図1は、本発明の一実施形態に係るナトリウムイオン二次電池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アルミニウム製の電池ケース10を具備する。電池ケース10は、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。   FIG. 1 is a longitudinal sectional view schematically showing a sodium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention. The sodium ion secondary battery includes a stacked electrode group, an electrolyte (not shown), and a rectangular aluminum battery case 10 that houses them. The battery case 10 includes a bottomed container 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を貫通する外部正極端子が設けられ、蓋体13の他方側寄りの位置には、蓋体13を貫通する外部負極端子14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 positive electrode terminal that penetrates the lid body 13 is provided near the one side of the lid body 13 with the safety valve 16 at the center, and an external negative electrode that penetrates the lid body 13 at a position near the other side of the lid body 13. A terminal 14 is provided.

積層型の電極群は、いずれも矩形のシート状である、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。図1では、セパレータ1は、正極2を包囲するように袋状に形成されているが、セパレータの形態は特に限定されない。複数の正極2と複数の負極3は、電極群内で積層方向に交互に配置される。   The stacked electrode group is composed of a plurality of positive electrodes 2, a plurality of negative electrodes 3, and a plurality of separators 1 interposed between them, each having a rectangular sheet shape. In FIG. 1, the separator 1 is formed in a bag shape so as to surround the positive electrode 2, but the form of the separator is not particularly limited. The plurality of positive electrodes 2 and the plurality of negative electrodes 3 are alternately arranged in the stacking direction within the electrode group.

各正極2の一端部には、正極リード片2aを形成してもよい。複数の正極2の正極リード片2aを束ねるとともに、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することにより、複数の正極2が並列に接続される。同様に、各負極3の一端部には、負極リード片3aを形成してもよい。複数の負極3の負極リード片3aを束ねるとともに、電池ケース10の蓋体13に設けられた外部負極端子14に接続することにより、複数の負極3が並列に接続される。正極リード片2aの束と負極リード片3aの束は、互いの接触を避けるように、電極群の一端面の左右に、間隔を空けて配置することが望ましい。   A positive electrode lead piece 2 a may be formed at one end of each positive electrode 2. The plurality of positive electrodes 2 are connected in parallel by bundling the positive electrode lead pieces 2 a of the plurality of positive electrodes 2 and connecting them to an external positive terminal provided on the lid 13 of the battery case 10. Similarly, a negative electrode lead piece 3 a may be formed at one end of each negative electrode 3. The plurality of negative electrodes 3 are connected in parallel by bundling the negative electrode lead pieces 3 a of the plurality of negative electrodes 3 and connecting them to the external negative terminal 14 provided on the lid 13 of the battery case 10. The bundle of the positive electrode lead pieces 2a and the bundle of the negative electrode lead pieces 3a are desirably arranged on the left and right sides of one end face of the electrode group with an interval so as to avoid mutual contact.

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.

電極群は、積層タイプに限らず、正極と負極とをセパレータを介して捲回することにより形成したものであってもよい。負極に金属ナトリウムが析出するのを防止する観点から、正極よりも負極の寸法を大きくしてもよい。   The electrode group is not limited to the laminated type, and may be formed by winding a positive electrode and a negative electrode through a separator. From the viewpoint of preventing metallic sodium from being deposited on the negative electrode, the size of the negative electrode may be made larger than that of the positive electrode.

以下、本発明を実施例および比較例に基づいて具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated concretely based on an Example and a comparative example, this invention is not limited to a following example.

実施例1
(1)負極の作製
薄膜旋回型ミキサーを用いて、負極活物質としてのスズ粉末(平均粒子径D50:120nm)およびハードカーボン(平均粒子径D50:9μm)と、導電助剤としてのアセチレンブラック(平均粒子径D50:48nm)と、バインダとしてのポリアミドイミドと、NMPとを、回転速度30m/sにて、30秒間高速旋回することにより、負極合剤ペーストを調製した。このとき、スズ粉末とハードカーボンとアセチレンブラックとポリアミドイミドとの質量比は、35:47:10:8とした。負極合剤ペーストの固形分濃度は45質量%であった。スズ粉末およびハードカーボンの総量に占めるスズ粉末の割合は、42.7質量%であり、負極活物質100質量部に対するアセチレンブラックの量は、12.2質量部であった。
得られた負極合剤ペーストを、負極集電体としてのアルミニウム箔に塗布し、乾燥し、圧縮して、さらに真空乾燥後、打ち抜くことで、円盤状の負極(直径12mm、厚み65μm)を作製した。
Example 1
(1) Production of negative electrode Using a thin-film swirling mixer, tin powder (average particle diameter D 50 : 120 nm) and hard carbon (average particle diameter D 50 : 9 μm) as a negative electrode active material, and acetylene as a conductive additive A negative electrode mixture paste was prepared by rotating black (average particle diameter D 50 : 48 nm), polyamideimide as a binder, and NMP at a rotational speed of 30 m / s for 30 seconds. At this time, the mass ratio of tin powder, hard carbon, acetylene black, and polyamideimide was 35: 47: 10: 8. The solid content concentration of the negative electrode mixture paste was 45% by mass. The ratio of the tin powder to the total amount of the tin powder and the hard carbon was 42.7% by mass, and the amount of acetylene black relative to 100 parts by mass of the negative electrode active material was 12.2 parts by mass.
The obtained negative electrode mixture paste is applied to an aluminum foil as a negative electrode current collector, dried, compressed, vacuum dried, and then punched to produce a disc-shaped negative electrode (diameter 12 mm, thickness 65 μm). did.

(2)ハーフセルの作製
コイン型電池の容器の内底部に(1)で得られた負極を配置し、負極上にセパレータを配置した。次いで、金属ナトリウム電極(対極)を、負極と対向するように、セパレータを介在させた状態で配置した。電池容器内に非水電解質を注液し、周縁に絶縁性ガスケットを備えた蓋体を、電池容器の開口部に嵌め込むことで、コイン型のハーフセル(電池a1)を作製した。ハーフセルを、40℃の温度で、時間率0.1Cレートの電流値で、0.005Vになるまで充電し、0.05Cレートの電流値で0.7Vまで放電した。この充電と放電のサイクルを5回繰り返すことにより予備充放電を完了させた。
なお、セパレータとしては、ポリオレフィン製の微多孔膜(厚さ50μm)を用いた。非水電解質としては、NaFSAと、MPPYFSAとを、4:6のモル比で混合したものを用いた。
(2) Production of Half Cell The negative electrode obtained in (1) was placed on the inner bottom of a coin-type battery container, and a separator was placed on the negative electrode. Next, a metal sodium electrode (counter electrode) was disposed with a separator interposed so as to face the negative electrode. A coin-type half cell (battery a1) was produced by injecting a nonaqueous electrolyte into the battery container and fitting a lid provided with an insulating gasket on the periphery into the opening of the battery container. The half cell was charged at a temperature value of 40 ° C. at a current value of 0.1C hour rate to 0.005V and discharged to 0.7V at a current value of 0.05C rate. Precharging / discharging was completed by repeating this charging and discharging cycle five times.
As the separator, a polyolefin microporous film (thickness 50 μm) was used. As the non-aqueous electrolyte, a mixture of NaFSA and MPPYFSA at a molar ratio of 4: 6 was used.

(3)評価
上記(2)で得られた予備充放電後のコイン型のハーフセルまたはこのハーフセルから取り出した負極(つまり放電状態の負極)を用いて、下記の評価を行った。
(a)負極合剤層の密度、空隙率、および比Rp/v、ならびに負極の理論容量
放電状態の負極の直径と負極合剤層の厚みを測定し、これらを用いて負極合剤層の見かけの体積(cm)を求めた。そして、負極合剤層の質量(g)を見かけの体積で除することにより、放電状態における負極合剤層の密度(見かけ密度)を求めたところ、1.50g/cmであった。
(3) Evaluation The following evaluation was performed using the coin-type half cell obtained in the above (2) or the negative electrode taken out from the half cell (that is, the negative electrode in a discharged state).
(A) Density, porosity, and ratio R p / v of the negative electrode mixture layer, and the theoretical capacity of the negative electrode The diameter of the negative electrode in the discharged state and the thickness of the negative electrode mixture layer are measured, and these are used to form the negative electrode mixture layer The apparent volume (cm 3 ) of was determined. And when the density (apparent density) of the negative electrode mixture layer in the discharge state was determined by dividing the mass (g) of the negative electrode mixture layer by the apparent volume, it was 1.50 g / cm 3 .

負極合剤層の構成成分の比重や密度および質量比から、放電状態における負極合剤層の真密度を求めた。真密度と見かけ密度とから既述の式を用いて、放電状態における負極合剤層の空隙率を求めたところ、32体積%であった。
満充電状態における負極合剤層の空隙率は、放電状態における空隙率の場合に準じて既述のようにして求めた。ただし、見かけ密度は放電状態と同じであるものとし、真密度は負極におけるSnの全てがNa15Sn合金に変換されているものとして、Na15Sn合金の密度2.4g/cmを用いて計算した。
From the specific gravity, density and mass ratio of the constituent components of the negative electrode mixture layer, the true density of the negative electrode mixture layer in the discharged state was determined. The porosity of the negative electrode mixture layer in the discharged state was determined from the true density and the apparent density using the above-described formula, and found to be 32% by volume.
The porosity of the negative electrode mixture layer in the fully charged state was determined as described above according to the case of the porosity in the discharged state. However, the apparent density was assumed to be the same as the discharge state, the true density is as if all of the Sn in the anode is converted into Na 15 Sn 4 alloy, the density of 2.4 g / cm 3 of Na 15 Sn 4 alloy Used to calculate.

負極合剤層の構成成分の比重や密度および質量比から、放電状態の負極合剤層に含まれるスズ粉末の総体積を求めた。負極合剤層の真密度と見かけ密度から負極合剤層における空隙の体積を求めた。スズ粉末の総体積を負極合剤層の空隙の体積で除することにより、比Rp/vを求めたところ、0.22であった。
スズの理論容量を500mAh/g、ハードカーボンの理論容量を250mAh/gとして、負極中のスズ粉末およびハードカーボンの質量比から、負極の理論容量を求めた。その結果、負極の理論容量は、357mAh/gであった。
From the specific gravity, density, and mass ratio of the constituent components of the negative electrode mixture layer, the total volume of tin powder contained in the discharged negative electrode mixture layer was determined. From the true density and the apparent density of the negative electrode mixture layer, the volume of voids in the negative electrode mixture layer was determined. The ratio R p / v was determined by dividing the total volume of the tin powder by the volume of the voids in the negative electrode mixture layer, and was 0.22.
The theoretical capacity of the negative electrode was determined from the mass ratio of tin powder and hard carbon in the negative electrode, with the theoretical capacity of tin being 500 mAh / g and the theoretical capacity of hard carbon being 250 mAh / g. As a result, the theoretical capacity of the negative electrode was 357 mAh / g.

(b)凝集粒子の個数および金属粒子の平均粒子径
放電状態の負極の負極合剤層部分の厚み方向の断面のSEM画像において、面積が2500μmの領域を任意に選択し、この領域における粒子径が10μm以上の凝集粒子の個数を数えた。合計10箇所の領域について同様の作業を行い、平均値を算出した。
上記の断面のSEM画像において、任意に選択した50個の金属粒子の粒子径を計測し、平均化することにより平均粒子径を求めた。
(B) Number of aggregated particles and average particle diameter of metal particles In the SEM image of the cross section in the thickness direction of the negative electrode mixture layer portion of the negative electrode in the discharged state, a region having an area of 2500 μm 2 is arbitrarily selected, and the particles in this region The number of aggregated particles having a diameter of 10 μm or more was counted. The same operation was performed for a total of 10 regions, and an average value was calculated.
In the SEM image of the above-mentioned cross section, the average particle size was obtained by measuring and averaging the particle size of 50 arbitrarily selected metal particles.

(c)負極の厚み比
予備充放電後のハーフセルを、40℃の温度で、時間率0.05Cレートの電流値で0.005Vになるまで充電することにより、ナトリウムイオンを負極活物質中に吸蔵させた。この状態(初回充電時)のハーフセルの厚み方向の断面のSEM写真を撮影し、負極(つまり、満充電状態の負極)の厚みを計測した。この厚みを、予備充放電後(つまり放電状態)の負極の厚みで除することにより、負極の厚み比(つまり、放電状態の負極の厚みに対する満充電状態の負極の厚みの比)を求めた。
(C) Thickness ratio of negative electrode By charging the half cell after pre-charging / discharging at a temperature of 40 ° C. until the current value at a time rate of 0.05 C is 0.005 V, sodium ions are contained in the negative electrode active material. Occluded. An SEM photograph of a cross section in the thickness direction of the half cell in this state (during initial charging) was taken, and the thickness of the negative electrode (that is, the negative electrode in a fully charged state) was measured. The thickness ratio of the negative electrode (that is, the ratio of the thickness of the negative electrode in the fully charged state to the thickness of the negative electrode in the discharged state) was determined by dividing this thickness by the thickness of the negative electrode after pre-charging and discharging (that is, in the discharged state). .

(d)初回容量
予備充放電後のハーフセルを、40℃の温度で、時間率0.1Cレートの電流値で、0.005Vになるまで充電を行い、0.05Cレートの電流値で0.7Vまでの放電を行い、このとき(初回放電時)の放電容量を測定した。放電容量は、負極活物質の単位質量当たりのハーフセルの容量(mAh/g)および負極の見かけ体積当たりのハーフセルの容量(Ah/L)で求めた。
(D) Initial capacity The half-cell after the pre-charging / discharging is charged at a temperature value of 40 ° C. at a current value of a rate of 0.1 C at a current rate of 0.005 V, and a current value of 0.05 C rate is set to 0.00. Discharge up to 7V was performed, and the discharge capacity at this time (at the first discharge) was measured. The discharge capacity was determined by the half cell capacity (mAh / g) per unit mass of the negative electrode active material and the half cell capacity (Ah / L) per apparent volume of the negative electrode.

(e)サイクル特性
上記(d)の充放電を50回繰り返した際の放電容量を、初回放電時の放電容量の場合と同様にして求めた。そして、初回充電時の充電容量を100%としたときの比率(容量維持率)(%)を算出し、サイクル特性の指標とした。
(E) Cycle characteristics The discharge capacity when the charge / discharge of (d) above was repeated 50 times was determined in the same manner as in the case of the discharge capacity at the first discharge. Then, the ratio (capacity maintenance ratio) (%) when the charge capacity at the first charge was 100% was calculated and used as an index of cycle characteristics.

(4)ナトリウムイオン二次電池の作製
NaCrO(正極活物質)100質量部、アセチレンブラック(導電助剤)11.8質量部およびポリフッ化ビニリデン(バインダ)5.9質量部を、NMPとともに混合して、正極合剤ペーストを調製した。得られた正極合剤ペーストを、正極集電体としてのアルミニウム箔の片面に塗布し、乾燥後に圧縮し、150℃で真空乾燥後に打ち抜くことで、円盤状の正極(直径12mm、厚み85μm)を作製した。
(4) Preparation of sodium ion secondary battery 100 parts by mass of NaCrO 2 (positive electrode active material), 11.8 parts by mass of acetylene black (conducting aid) and 5.9 parts by mass of polyvinylidene fluoride (binder) are mixed together with NMP. Thus, a positive electrode mixture paste was prepared. The obtained positive electrode mixture paste was applied to one surface of an aluminum foil as a positive electrode current collector, compressed after drying, and punched out after vacuum drying at 150 ° C., thereby forming a disk-shaped positive electrode (diameter 12 mm, thickness 85 μm). Produced.

得られた正極を金属ナトリウム極に代えて用いる以外は、上記(2)と同様にして、コイン型のナトリウムイオン二次電池を作製した。ナトリウムイオン二次電池を40℃の温度で、時間率0.1Cレートの電流値で、電圧が3.4Vになるまで定電流充電し、3.4Vで定電圧充電を行い、時間率0.05Cレートの電流値で、電圧が1.8Vになるまで放電を行った。この充放電サイクルを5回繰り返して予備充放電を行い、さらに充放電サイクルを複数回行い、ナトリウムイオン二次電池が繰り返し充放電できることを確認した。   A coin-type sodium ion secondary battery was produced in the same manner as in the above (2) except that the obtained positive electrode was used instead of the metal sodium electrode. The sodium ion secondary battery was charged at a constant current at a temperature of 40 ° C. at a current value of a rate of 0.1 C until the voltage reached 3.4 V, charged at a constant voltage of 3.4 V, and a time rate of 0. Discharging was carried out at a current value of 05C rate until the voltage reached 1.8V. This charging / discharging cycle was repeated 5 times to perform preliminary charging / discharging, and the charging / discharging cycle was further performed several times to confirm that the sodium ion secondary battery could be repeatedly charged / discharged.

実施例2
負極合剤層の密度が1.20g/cmとなるように、圧縮の程度を調整した以外は、実施例1と同様にして、負極およびハーフセルを作製し、評価を行った。
Example 2
A negative electrode and a half cell were prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the degree of compression was adjusted so that the density of the negative electrode mixture layer was 1.20 g / cm 3 .

実施例3
スズ粉末とハードカーボンとアセチレンブラックとポリアミドイミドとの質量比を、15:67:10:8に変更するとともに、負極合剤層の密度が1.25g/cmとなるように、圧縮の程度を調整した以外は、実施例1と同様にして、負極およびハーフセルを作製し、評価を行った。
Example 3
While changing the mass ratio of tin powder, hard carbon, acetylene black, and polyamideimide to 15: 67: 10: 8, the degree of compression so that the density of the negative electrode mixture layer is 1.25 g / cm 3 A negative electrode and a half cell were produced and evaluated in the same manner as in Example 1 except that was adjusted.

実施例4
スズ粉末とハードカーボンとアセチレンブラックとポリアミドイミドとの質量比を、35:32:25:8に変更するとともに、負極合剤層の密度が1.30g/cmとなるように、圧縮の程度を調整した以外は、実施例1と同様にして、負極およびハーフセルを作製し、評価を行った。
Example 4
The degree of compression so that the mass ratio of tin powder, hard carbon, acetylene black, and polyamideimide is changed to 35: 32: 25: 8, and the density of the negative electrode mixture layer is 1.30 g / cm 3. A negative electrode and a half cell were produced and evaluated in the same manner as in Example 1 except that was adjusted.

実施例5
負極合剤ペーストの固形分濃度を70質量%に変更した以外は、実施例1と同様にして、負極およびハーフセルを作製し、評価を行った。
Example 5
A negative electrode and a half cell were produced and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the solid content concentration of the negative electrode mixture paste was changed to 70% by mass.

比較例1
スズ粉末とハードカーボンとアセチレンブラックとポリアミドイミドとの質量比を、55:27:10:8に変更した以外は、実施例1と同様にして、負極およびハーフセルを作製し、評価を行った。
Comparative Example 1
A negative electrode and a half cell were produced and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the mass ratio of tin powder, hard carbon, acetylene black, and polyamideimide was changed to 55: 27: 10: 8.

比較例2
負極合剤層の密度が1.65g/cmとなるように、圧縮の程度を調整した以外は、比較例1と同様にして、負極およびハーフセルを作製し、評価を行った。
Comparative Example 2
A negative electrode and a half cell were produced and evaluated in the same manner as in Comparative Example 1 except that the degree of compression was adjusted so that the density of the negative electrode mixture layer was 1.65 g / cm 3 .

比較例3
スズ粉末とハードカーボンとアセチレンブラックとポリアミドイミドとの質量比を、35:54:3:8に変更した以外は、実施例1と同様にして、負極およびハーフセルを作製し、評価を行った。
Comparative Example 3
A negative electrode and a half cell were produced and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the mass ratio of tin powder, hard carbon, acetylene black, and polyamideimide was changed to 35: 54: 3: 8.

比較例4
負極合剤ペーストの固形分濃度を70質量%に変更した以外は、比較例3と同様にして、負極およびハーフセルを作製し、評価を行った。
Comparative Example 4
A negative electrode and a half cell were produced and evaluated in the same manner as in Comparative Example 3 except that the solid content concentration of the negative electrode mixture paste was changed to 70% by mass.

実施例および比較例の結果を表1に示す。実施例1〜5はA1〜A5であり、比較例1〜4はB1〜B4である。なお、表1中では、スズ粉末をSn、ハードカーボンをHCで表した。Sn、HC、および導電助剤の量は、原料の仕込み量である。負極合剤層の密度とは、放電状態の負極における負極合剤層の見かけ密度である。空隙率は負極合剤層の空隙率である。凝集粒子の個数とは、放電状態の負極合剤において所定面積の領域に含まれる粒子径が10μm以上の凝集粒子の平均個数であり、Sn平均粒子径とは、放電状態の負極合剤層中の金属粒子の平均粒子径である。   The results of Examples and Comparative Examples are shown in Table 1. Examples 1 to 5 are A1 to A5, and Comparative Examples 1 to 4 are B1 to B4. In Table 1, tin powder is represented by Sn and hard carbon is represented by HC. The amount of Sn, HC, and conductive additive is the amount of raw material charged. The density of the negative electrode mixture layer is the apparent density of the negative electrode mixture layer in the discharged negative electrode. The porosity is the porosity of the negative electrode mixture layer. The number of agglomerated particles is the average number of agglomerated particles having a particle diameter of 10 μm or more contained in a predetermined area in the discharged negative electrode mixture, and the Sn average particle diameter is in the discharged negative electrode mixture layer. The average particle size of the metal particles.

Figure 2017010802
Figure 2017010802

表1に示されるように、実施例では、充放電を繰り返した後も80%〜99%と高い容量維持率が得られている。このことと、負極の厚み比が小さくなっていることから、実施例では、負極の劣化が抑制されていることが分かる。それに対し、比較例1〜4では、実施例に比べて、容量維持率が低く、サイクル特性に劣っている。比較例1、2および4では、負極の厚み比が大きいことから、充放電時の負極の膨張収縮により負極の劣化が顕著であったことが分かる。比較例3では、充放電時の膨張収縮により負極内の導電パスが減少し、抵抗が増加したことで、サイクル特性が低下したと考えられる。実施例5および比較例4の結果から、粒子径が10μm以上の凝集粒子が多くなると、対応する実施例1および比較例3と比べてサイクル特性が低下する傾向が見られる。よって、より高いサイクル特性を得る観点からは、粒子径が10μm以上の凝集粒子の個数は少ない方が好ましい。   As shown in Table 1, in the examples, a high capacity retention rate of 80% to 99% was obtained even after repeated charge and discharge. From this, and the thickness ratio of the negative electrode is small, it can be seen that in the examples, deterioration of the negative electrode is suppressed. On the other hand, in Comparative Examples 1 to 4, the capacity retention rate is low and the cycle characteristics are inferior compared to the examples. In Comparative Examples 1, 2, and 4, since the thickness ratio of the negative electrode is large, it can be seen that the deterioration of the negative electrode was significant due to the expansion and contraction of the negative electrode during charging and discharging. In Comparative Example 3, it is considered that the cycle characteristics deteriorated because the conductive path in the negative electrode decreased due to expansion and contraction during charge and discharge, and the resistance increased. From the results of Example 5 and Comparative Example 4, when the number of aggregated particles having a particle diameter of 10 μm or more increases, the cycle characteristics tend to be lower than those of the corresponding Example 1 and Comparative Example 3. Therefore, from the viewpoint of obtaining higher cycle characteristics, it is preferable that the number of aggregated particles having a particle diameter of 10 μm or more is smaller.

なお、満充電状態の負極合剤層の空隙率は、負極合剤層の体積を放電状態の負極合剤層の体積と同じであると仮定して算出した見かけ密度を元に計算している。そのため、B1およびB2でのようにマイナスの数値となる場合がある。B1およびB2では、充電により負極合剤層における空隙を理想的に埋めることができても、負極合剤層の厚みが増加するということを示している。実際には、空隙が理想的に埋まることはないため、満充電状態の空隙率がプラスの数値となる場合でも、充電時に負極合剤層の厚みは増加する。実施例では、このときの厚みの増加が比較例に比べて大きく抑制されている。   The porosity of the fully charged negative electrode mixture layer is calculated based on the apparent density calculated on the assumption that the volume of the negative electrode mixture layer is the same as the volume of the negative electrode mixture layer in the discharged state. . Therefore, it may be a negative numerical value as in B1 and B2. B1 and B2 indicate that the thickness of the negative electrode mixture layer increases even if the gap in the negative electrode mixture layer can be ideally filled by charging. Actually, since the voids are not ideally filled, the thickness of the negative electrode mixture layer increases during charging even when the fully charged void ratio is a positive value. In the example, the increase in thickness at this time is greatly suppressed as compared with the comparative example.

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、サイクル特性に優れており、高容量を得ることもできる。そのため、ナトリウムイオン二次電池は、例えば、家庭用または工業用の大型電力貯蔵装置や、電気自動車やハイブリッド自動車の電源として有用である。   The sodium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention is excellent in cycle characteristics and can have a high capacity. Therefore, the sodium ion secondary battery is useful, for example, as a power source for home or industrial large power storage devices, electric vehicles, and hybrid vehicles.

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: Hook 9: Gasket 10: Battery case 12: Container body 13: Lid 14: External negative electrode terminal 16: Safety valve

Claims (9)

正極と、負極と、前記正極および前記負極の間に介在するセパレータと、ナトリウムイオン伝導性を有する非水電解質とを含み、
前記負極は、負極集電体と、前記負極集電体に担持された負極合剤層とを含み、
前記負極合剤層は、負極活物質と、導電助剤と、バインダとを含み、
前記負極活物質は、スズを含む金属粒子と、ハードカーボンとを含み、
前記負極合剤層は、空隙を有しており、
放電状態において、前記金属粒子の体積の前記空隙の体積に対する比Rp/vは、0.05≦Rp/v<0.24であり、前記金属粒子と前記ハードカーボンとの総量に占める前記金属粒子の割合は、15質量%〜60質量%である、ナトリウムイオン二次電池。
A positive electrode, a negative electrode, a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and a non-aqueous electrolyte having sodium ion conductivity,
The negative electrode includes a negative electrode current collector and a negative electrode mixture layer carried on the negative electrode current collector,
The negative electrode mixture layer includes a negative electrode active material, a conductive additive, and a binder,
The negative electrode active material includes metal particles containing tin and hard carbon,
The negative electrode mixture layer has voids,
In the discharged state, the ratio R p / v of the volume of the metal particles to the volume of the voids is 0.05 ≦ R p / v <0.24, and occupies the total amount of the metal particles and the hard carbon. The ratio of metal particles is a sodium ion secondary battery which is 15 mass%-60 mass%.
前記負極合剤層の空隙率は、放電状態において、25体積%〜55体積%である、請求項1に記載のナトリウムイオン二次電池。   The sodium ion secondary battery according to claim 1, wherein a porosity of the negative electrode mixture layer is 25% by volume to 55% by volume in a discharged state. 前記負極合剤層の空隙率は、満充電状態において、0体積%〜25体積%である、請求項1または請求項2に記載のナトリウムイオン二次電池。   The sodium ion secondary battery according to claim 1 or 2, wherein a porosity of the negative electrode mixture layer is 0% by volume to 25% by volume in a fully charged state. 前記比Rp/vは、0.10≦Rp/v<0.24である、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載のナトリウムイオン二次電池。 4. The sodium ion secondary battery according to claim 1, wherein the ratio R p / v is 0.10 ≦ R p / v <0.24. 5. 前記金属粒子は、スズを含む金属の一次粒子が凝集した凝集粒子を含み、
前記負極合剤層は、放電状態で、厚み方向の断面の任意に選択された面積が2500μmの領域において、前記凝集粒子のうち粒子径が10μm以上の凝集粒子の個数が2個以下である、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載のナトリウムイオン二次電池。
The metal particles include aggregated particles in which primary particles of metal including tin are aggregated,
The negative electrode mixture layer is in a discharged state, and the number of aggregated particles having a particle diameter of 10 μm or more among the aggregated particles is 2 or less in an area of an arbitrarily selected area of 2500 μm 2 in the cross section in the thickness direction. The sodium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 4.
前記導電助剤の量は、前記負極活物質100質量部に対して5質量部〜45質量部である、請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載のナトリウムイオン二次電池。   The amount of the said conductive support agent is a sodium ion secondary battery of any one of Claims 1-5 which are 5 mass parts-45 mass parts with respect to 100 mass parts of said negative electrode active materials. 前記金属粒子の平均粒子径は、放電状態において、100nm〜500nmである、請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載のナトリウムイオン二次電池。   The average particle diameter of the said metal particle is a sodium ion secondary battery of any one of Claims 1-6 which are 100 nm-500 nm in a discharge state. 放電状態における前記負極の厚みがTのとき、満充電状態の前記負極の厚みは1.25T以下である、請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載のナトリウムイオン二次電池。   The sodium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 7, wherein when the thickness of the negative electrode in a discharged state is T, the thickness of the negative electrode in a fully charged state is 1.25 T or less. 前記導電助剤は、カーボンブラックおよびカーボンナノファイバからなる群より選択される少なくとも一種である、請求項1〜請求項8のいずれか1項に記載のナトリウムイオン二次電池。
The sodium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 8, wherein the conductive auxiliary agent is at least one selected from the group consisting of carbon black and carbon nanofibers.
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