JP2017091755A - ナトリウムイオン電池用正極活物質及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
さらに特許文献3にも、NaxMyPO4で表される遷移金属リン酸塩を含むナトリウム二次電池用正極活物質が開示されている。かかる遷移金属リン酸塩は、特定のBET比表面積を有しており、MがFe又はMnである具体例が示され、固液混合物から水を蒸発させることにより得た乾固品を水洗・乾燥する製造方法が記載されている。
NaFeaMnbMcPO4・・・(A)
(式(A)中、MはMg、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。a、b及びcは、0<a、0≦b<1、0<c≦0.2、2a+2b+(Mの価数)×c=2を満たし、かつa=1−b−(Mの価数)×c÷2を満たす数を示す。)
で表されるオリビン型リン酸鉄ナトリウム化合物を含有するナトリウムイオン電池用正極活物質を提供することにある。
また、本発明は、ナトリウム化合物、鉄化合物、金属(M)化合物(MはMg、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。)、及びリン酸化合物を窒素雰囲気下で混合して混合液を得る工程(I)、及び
得られた混合液を水熱反応に付した後、乾燥する工程(II)
を備える上記ナトリウムイオン電池用正極活物質の製造方法を提供することにある。
本発明のナトリウムイオン電池用正極活物質は、水熱反応により得られる次式(A):
NaFeaMnbMcPO4・・・(A)
(式(A)中、MはMg、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。a、b及びcは、0<a、0≦b<1、0<c≦0.2、2a+2b+(Mの価数)×c=2を満たし、かつa=1−b−(Mの価数)×c÷2を満たす数を示す。)
で表されるオリビン型リン酸鉄ナトリウム化合物を含有する。
かかる炭素の担持量は、ナトリウムイオン電池用正極活物質100質量%中、炭素原子換算量で、好ましくは0.1〜15質量%であり、より好ましくは0.2〜10質量%であり、さらに好ましくは0.3〜8質量%である。
得られた混合液を水熱反応に付した後、乾燥する工程(II)
を備える。
ナトリウム化合物としては、水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、硝酸ナトリウム、硫酸ナトリウム、塩化ナトリウム等が挙げられる。なかでも、反応性を高める観点から、水酸化ナトリウムが好ましい。
鉄化合物としては、2価の鉄化合物及びこれらの水和物等であればよく、例えば、ハロゲン化鉄等のハロゲン化物;硫酸鉄等の硫酸塩;シュウ酸鉄、酢酸鉄等の有機酸塩;並びにこれらの水和物等が挙げられる。なかでも、電池特性を高める観点から、硫酸鉄又はその水和物を用いるのが好ましい。
金属(M)化合物としては、金属(M)を含むハロゲン化物、硫酸塩、酢酸塩等が挙げられる。なかでも、電池特性を高める観点から、硫酸塩を用いるのが好ましい。
リン酸化合物としては、オルトリン酸(H3PO4、リン酸)、メタリン酸、ピロリン酸、三リン酸、四リン酸、リン酸アンモニウム、リン酸水素アンモニウム等が挙げられる。なかでもリン酸を用いるのが好ましく、70〜90質量%濃度の水溶液として用いるのが好ましい。
なお、スラリー水を撹拌する際、さらにスラリー水の沸点温度以下に冷却するのが好ましい。具体的には、80℃以下に冷却するのが好ましく、20〜60℃に冷却するのがより好ましい。
窒素雰囲気下とするには、窒素をパージすればよく、これによって混合液X1中の溶存酸素濃度が低減された状態で反応を進行させることができるため、次の工程で添加する鉄化合物や金属(M)化合物等の酸化を抑制することができる。かかる混合液X1中において、上記式(A)で表されるオリビン型リン酸鉄ナトリウム化合物の前駆体は、リン酸三ナトリウム(Na3PO4)であり、微細な分散粒子として存在する。
また、窒素をパージする際、反応を良好に進行させる観点から、リン酸化合物を混合した後の混合物X1を撹拌するのが好ましい。このときの撹拌速度は、好ましくは200〜700rpmであり、より好ましくは250〜600rpmである。
このようにして工程(I)を経ることにより、上記式(A)で表されるオリビン型リン酸鉄ナトリウム化合物の前駆体としてのリン酸三ナトリウム(Na3PO4)と、鉄化合物及び金属(M)化合物等とが、混合物のまま存在する混合液X2がスラリー水として得られる。
さらに、上記式(A)で表されるオリビン型リン酸鉄ナトリウム化合物(一次粒子)の表面上で炭素を緻密かつ均一に分散させ、これを有効に担持させる観点から、圧縮力及びせん断力を付加しながら混合して複合体(二次粒子)とするのがさらに好ましい。圧縮力及びせん断力を付加しながら混合する処理は、インペラを備える密閉容器で行うのが好ましい。かかるインペラの周速度は、得られる正極活物質の導電性を有効に高めて電池の放電容量の向上を図る観点から、好ましくは25〜40m/sであり、より好ましくは27〜40m/sである。また、混合時間は、好ましくは5〜90分であり、より好ましくは10〜80分である。
なお、インペラの周速度とは、回転式攪拌翼(インペラ)の最外端部の速度を意味し、下記式(X)により表すことができ、また圧縮力及びせん断力を付加しながら混合する処理を行う時間は、インペラの周速度が遅いほど長くなるように、インペラの周速度によっても変動し得る。
インペラの周速度(m/s)=
インペラの半径(m)×2×π×回転数(rpm)÷60・・・(X)
例えば、上記混合する処理を、周速度25〜40m/sで回転するインペラを備える密閉容器内で6〜90分間行う場合、容器に投入する複合体(二次粒子)の量は、有効容器(インペラを備える密閉容器のうち、複合体を収容可能な部位に相当する容器)1cm3当たり、好ましくは0.1〜0.7gであり、より好ましくは0.15〜0.4gである。
NaOH 5.60g(140mmol)および水 90gを混合してスラリー水を得た。次いで、得られたスラリー水を40℃に保持しながら撹拌速度400rpmにて撹拌し、ここに85%のリン酸水溶液5.77g(50mmol)を混合して混合液X1を得た。次に、得られた混合液X1に対し、窒素をパージして(0.2MPa)溶存酸素濃度0.5mg/Lに調整された前駆体を含有する混合液X1を得た。この混合液X1にFeSO4・7H2O 13.62g(49mmol)、MgSO4・7H2O 0.25g(1mmol)を添加して混合液X2を得た。
ここで、混合液X2中、Fe及びMgの合計1モルに対し、Naは2.8モルであり、リンは1モルであった。
得られた混合物をろ過し、エバポレーターを用いて溶媒を留去した後、還元雰囲気下、700℃で1時間焼成して、ナトリウムイオン電池用正極活物質(NaFe0.98Mg0.02PO4)を得た。
MgSO4・7H2Oの代わりに、Zr(SO4)2・4H2Oを0.18g(0.5mmol)添加した以外、実施例1と同様にして、ナトリウムイオン電池用正極活物質(NaFe0.98Zr0.01PO4)を得た。
MgSO4・7H2Oの代わりに、H2MoO4を0.054g(0.33mmol)添加した以外、実施例1と同様にして、ナトリウムイオン電池用正極活物質(NaFe0.98Mo0.007PO4)を得た。
FeSO4・7H2O 13.62gの代わりに、FeSO4・7H2O 3.89g(14mmol)ならびにMnSO4・5H2O 8.44g(35mmol)添加した以外、実施例1と同様にして、ナトリウムイオン電池用正極活物質(NaFe0.28Mn0.7Mg0.02PO4)を得た。
MgSO4・7H2Oの代わりに、Zr(SO4)2・4H2Oを0.18g(0.5mmol)添加した以外、実施例4と同様にして、ナトリウムイオン電池用正極活物質(NaFe0.28Mn0.7Zr0.01PO4)を得た。
MgSO4・7H2Oの代わりに、H2MoO4を0.054g(0.33mmol)添加した以外、実施例4と同様にして、ナトリウムイオン電池用正極活物質(NaFe0.28Mn0.7Mo0.007PO4)を得た。
FeSO4・7H2Oを13.90g(50mmol)とし、MgSO4・7H2Oを添加しなかった以外、実施例1と同様にして、ナトリウムイオン電池用正極活物質(NaFePO4)を得た。
FeSO4・7H2Oを4.17g(15mmol)とし、MgSO4・7H2Oを添加しなかった以外、実施例4と同様にして、ナトリウムイオン電池用正極活物質(NaFe0.3Mn0.7PO4)を得た。
実施例1〜6及び比較例1〜2で得られたナトリウムイオン電池用正極活物質を用い、ナトリウムイオン二次電池の正極を作製した。具体的には、得られたナトリウムイオン電池用正極活物質、ケッチェンブラック(導電剤)、ポリフッ化ビニリデン(粘結剤)を重量比75:20:5の配合割合で混合し、これにN−メチル−2−ピロリドンを加えて充分混練し、正極スラリーを調製した。正極スラリーを厚さ20μmのアルミニウム箔からなる集電体に塗工機を用いて塗布し、80℃で12時間の真空乾燥を行った。その後、φ14mmの円盤状に打ち抜いてハンドプレスを用いて16MPaで2分間プレスし、正極とした。
製造したナトリウム二次電池を用いて充放電試験を行い、放電容量を求めた。このときの充電条件は電流0.1CA(17mAh/g)、電圧4.2Vの定電流定電圧充電とし、放電条件は電流0.1CA(17mAh/g)、終止電圧2.0Vの定電流放電とした。温度は全て30℃とした。
結果を表1に示す。
Claims (11)
- 水熱反応により得られる次式(A):
NaFeaMnbMcPO4・・・(A)
(式(A)中、MはMg、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。a、b及びcは、0<a、0≦b<1、0<c≦0.2、2a+2b+(Mの価数)×c=2を満たし、かつa=1−b−(Mの価数)×c÷2を満たす数を示す。)
で表されるオリビン型リン酸鉄ナトリウム化合物
を含有するナトリウムイオン電池用正極活物質。 - オリビン型リン酸鉄ナトリウム化合物に、炭素が担持してなる請求項1に記載のナトリウムイオン電池用正極活物質。
- 請求項1又は2に記載のナトリウムイオン電池用正極活物質を含むナトリウムイオン電池。
- ナトリウム化合物、鉄化合物、金属(M)化合物(MはMg、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。)、及びリン酸化合物を窒素雰囲気下で混合して混合液を得る工程(I)、及び
得られた混合液を水熱反応に付した後、乾燥する工程(II)
を備える請求項1〜3のいずれか1項に記載のナトリウムイオン電池用正極活物質の製造方法。 - 工程(I)で得られた混合液中の溶存酸素濃度が、0.5mg/L以下である、請求項4に記載のナトリウムイオン電池用正極活物質の製造方法。
- 工程(I)で得られる混合液において、Fe及びMを含む金属原子の合計1モルに対し、Naが1.0〜3.3モルである、請求項4又は5に記載のナトリウムイオン電池用正極活物質の製造方法。
- 工程(I)が、さらに亜硫酸ナトリウムを添加する工程を含む、請求項4〜6のいずれか1項に記載のナトリウムイオン電池用正極活物質の製造方法。
- 工程(II)の圧力が、0.3〜1.5MPaである、請求項4〜7のいずれか1項に記載のナトリウムイオン電池用正極活物質の製造方法。
- 工程(I)で得られる混合液において、Fe及びMを含む金属原子の合計1モルに対し、リンが1.0〜1.1モルである、請求項4〜8のいずれか1項に記載のナトリウムイオン電池用正極活物質の製造方法。
- 工程(I)が、さらに混合液X1又は混合液X2に水溶性炭素材料を添加する工程(I−1)を含む、請求項4〜9のいずれか1項に記載のナトリウムイオン電池用正極活物質の製造方法。
- 工程(II)が、乾燥する処理を経た後、さらに水溶性炭素材料及び水を添加して噴霧乾燥する工程(II−1)、或いはカーボンブラックを添加する工程(II−2)を含む、請求項4〜10のいずれか1項に記載のナトリウムイオン電池用正極活物質の製造方法。
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