JP2017107713A - ナトリウムイオン二次電池および正極活物質粒子 - Google Patents
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Abstract
Description
前記正極は、正極活物質粒子、導電助剤、およびバインダを含み、
前記正極活物質粒子は、ナトリウムイオンを吸蔵および放出する酸化物粒子と、前記酸化物粒子を被覆する被覆層と、を備え、
前記酸化物粒子は、NiおよびMnを含む酸化物Aを含み、
前記被覆層は、セラミックスおよび炭素質材料からなる群より選択される少なくとも一種の材料Bを含み、
前記バインダは、フッ素樹脂を含む、ナトリウムイオン二次電池に関する。
前記酸化物粒子は、NiおよびMnを含む酸化物Aを含み、
前記被覆層は、セラミックスおよび炭素質材料からなる群より選択される少なくとも一種の材料Bを含む、ナトリウムイオン二次電池用の正極活物質粒子に関する。
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、負極、正極と負極との間に介在するセパレータ、およびナトリウムイオン伝導性を有する非水電解質を含むナトリウムイオン二次電池に関する。正極は、正極活物質粒子、導電助剤、およびバインダを含み、正極活物質粒子は、ナトリウムイオンを吸蔵および放出する酸化物粒子と、酸化物粒子を被覆する被覆層と、を備える。酸化物粒子は、NiおよびMnを含む酸化物Aを含み、被覆層は、セラミックスおよび炭素質材料からなる群より選択される少なくとも一種の材料Bを含み、バインダは、フッ素樹脂を含む。なお、酸化物粒子は、ナトリウムイオンを吸蔵および放出するものであり、正極活物質としての機能を有する。
本発明の実施形態に係るナトリウムイオン二次電池用の正極活物質粒子および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。
正極活物質粒子は、ナトリウムイオンを吸蔵および放出(もしくは挿入および脱離)する酸化物粒子と、酸化物粒子を被覆する被覆層とを備える。
酸化物粒子は、NiおよびMnを含む酸化物Aを含む。酸化物粒子において、少なくとも酸化物Aがナトリウムイオンを吸蔵および放出することが好ましい。このような酸化物Aとしては、ナトリウムが層間に出入りする層状構造を有するものが好ましいが、特に限定されない。高容量を確保する観点からは、酸化物粒子は、できるだけ多くの酸化物Aを含むことが好ましく、酸化物粒子の90質量%以上を酸化物Aが占めることが好ましい。
正極に使用される正極活物質粒子は、酸化物Aを一種含んでいてもよく、組成が異なる二種以上の酸化物Aを含んでもよい。
なお、平均粒子径D50とは、レーザー回折式粒度分布測定装置などを用いて求められる体積基準の粒度分布において、累積体積が50%となる粒子径(つまり、メジアン径)を意味する。
(正極)
正極は、上記の正極活物質粒子に加え、導電助剤、およびバインダを含む。以下に正極活物質粒子以外の構成要素について説明する。
正極に使用されるバインダは、フッ素樹脂を含む。フッ素樹脂としては、例えば、テトラフルオロエチレンに由来するモノマー単位、ヘキサフルオロプロピレンに由来するモノマー単位、フッ化ビニリデンに由来するモノマー単位(フッ化ビニリデン単位)、フッ化ビニルに由来するモノマー単位(フッ化ビニル単位)などのフッ素含有モノマー単位を含むフッ素含有ポリマーが挙げられる。フッ素樹脂は、これらのフッ素含有モノマー単位を一種含むものであってもよく、二種以上含むものであってもよい。また、フッ素樹脂は、フッ素含有モノマー単位以外の共重合性モノマー単位を含む共重合体であってもよい。
第2ポリマーとしては、ナトリウムイオン二次電池の正極に使用される公知のバインダから適宜選択でき、例えば、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/または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。
正極合剤には、必要に応じて公知の添加剤を添加してもよい。また、正極合剤のゲル化を抑制する観点から、正極合剤には、必要に応じて、有機酸や無機酸を添加してもよい
負極は、負極活物質を含む。負極は、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)とを含んでもよい。
負極集電体は、正極集電体について記載したような金属箔または金属多孔体であってもよい。負極集電体の厚みは、正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。
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。なお、合金は、上記の金属以外に、さらに他のアルカリ金属および/またはアルカリ土類金属などを含んでもよい。
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。
これらの材料のうち、上記化合物(ナトリウム含有チタン酸化物など)、および/または炭素質材料(ハードカーボンなど)などが好ましい。
導電助剤としては、正極の被覆層について例示した炭素質材料から適宜選択できる。負極活物質に対する導電助剤の量も、正極活物質粒子に対する導電助剤の量について例示した範囲から適宜選択できる。
分散媒としては、NMPなどの有機溶媒、および/または水などが例示できる。
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の範囲から選択できる。
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。
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、0.3mol/L〜10mol/Lの範囲から適宜選択できる。
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%である。
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を、70質量%〜100質量%としてもよい。
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。
(1)正極活物質粒子の作製
NaTi0.2Ni0.5Mn0.3O2粒子(酸化物粒子、平均粒子径D50:9μm)を、ジルコニア(材料B、平均粒子径D50:100nm)とともに、メカニカルアロイングすることにより、酸化物粒子の表面にジルコニアの被覆層を形成した。酸化物粒子と、材料Bとの質量比は、100:7とした。得られた粒子(正極活物質粒子)の平均粒子径D50は、9μmであり、BET比表面積は0.5m2/gであった。
(2)正極の作製
上記(1)で得られた正極活物質粒子と、ファーネスブラック(導電助剤)と、PVDF(バインダ)のNMP溶液とを混合することにより、正極合剤ペーストを調製した。このとき、正極活物質粒子と、導電助剤と、バインダとの質量比を、95:3:2とした。正極合剤ペーストを、厚さ20μmのアルミニウム箔の片面に塗布し、乾燥させ、圧縮して、厚さ80μmの正極を作製した。正極は、直径12mmのコイン型に打ち抜き、さらに乾燥させた。
金属ナトリウムディスク(アルドリッチ社製、厚さ200μm)をアルミニウム集電体に圧着して、総厚220μmの負極を作製した。負極は、直径12mmのコイン型に打ち抜いた。
実施例1の(1)において、酸化物粒子と、材料Bとの質量比を、100:5に変更したこと以外は実施例1と同様にして正極活物質粒子を作製した。正極活物質粒子の平均粒子径D50は、9μmであった。得られた正極活物質粒子を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、正極合剤ペーストを調製し、電池を作製し、評価を行った。
実施例1の(1)において、酸化物粒子と、材料Bとの質量比を、100:3に変更したこと以外は実施例1と同様にして正極活物質粒子を作製した。正極活物質粒子の平均粒子径D50は、9μmであった。得られた正極活物質粒子を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、正極合剤ペーストを調製し、電池を作製し、評価を行った。
実施例1の(1)において使用したものと同じジルコニアの被覆層を有さない酸化物粒子を正極活物質粒子として用いた。これ以外は、実施例1と同様にして、正極合剤ペーストを調製し、電池を作製し、評価を行った。
(a)正極合剤のゲル化
実施例および比較例と同様の手順で正極合剤ペーストを調製し、スパチュラでかき混ぜて、ゲル化の程度を確認した。実施例1〜3については、調製から1日経過した後でも正極合剤ペーストがゲル化していないのに対し、比較例1では調製から10分後には正極合剤ペーストがゲル化して塗布できなくなった。
実施例および比較例で用いた正極活物質粒子2質量部を、水100質量部に分散させて得られる水分散液のpHをpHメータにより測定した。その結果、各例について、pHは、8.9(実施例1)、9.0(実施例2)、9.6(実施例3)、11.4(比較例1)となった。
ナトリウムイオン二次電池を、60℃になるまで加熱し、(i)および(ii)の条件を充放電の1サイクルとして、充放電を所定サイクル繰り返した。各サイクルでの放電容量を求めた。初回の放電容量を100%としたときの各サイクルでの放電容量の比率(容量維持率)(%)を求めた。また、各サイクルの充放電曲線から、充電時のプラトー電圧と、放電時のプラトー電圧とを求め、両者の差をIRドロップ(V)として算出し、その推移を調べた。実施例3と比較例1については、初回放電時と、15サイクルの放電時とで、容量(mAh/g)に対する電圧(V)の変化を求めた。
(i)0.1Cの電流値で、上限電圧(充電終止電圧)4.4Vまで充電
(ii)0.1Cの電流値で、下限電圧(放電終止電圧)2.4Vまで放電
(iii)0.01Cの電流値で、上限電圧(充電終止電圧)4.4Vまで充電
(iv)0.01Cの電流値で、下限電圧(放電終止電圧)2.4Vまで放電
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
Claims (8)
- 正極、負極、前記正極と前記負極との間に介在するセパレータ、およびナトリウムイオン伝導性を有する非水電解質を含み、
前記正極は、正極活物質粒子、導電助剤、およびバインダを含み、
前記正極活物質粒子は、ナトリウムイオンを吸蔵および放出する酸化物粒子と、前記酸化物粒子を被覆する被覆層と、を備え、
前記酸化物粒子は、NiおよびMnを含む酸化物Aを含み、
前記被覆層は、セラミックスおよび炭素質材料からなる群より選択される少なくとも一種の材料Bを含み、
前記バインダは、フッ素樹脂を含む、ナトリウムイオン二次電池。 - 前記材料Bの量は、前記酸化物粒子100質量部に対して、1質量部〜10質量部である、請求項1に記載のナトリウムイオン二次電池。
- 前記バインダの量は、前記正極活物質粒子100質量部に対して、0.5質量部〜5質量部である、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。
- 前記酸化物Aは、式(1):NaxMeO2(元素Meは、Ni、Mn、およびTiを少なくとも含む遷移金属元素であり、xは前記元素Meに対するNaの比率であり、完全放電状態におけるxは、2/3〜1である。)で表されるナトリウム含有遷移金属酸化物である、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。
- 前記ナトリウム含有遷移金属酸化物において、完全放電状態におけるxは0.9〜1であり、前記元素Meに占めるNiの比率は0.45以上であり、前記元素Meに占めるTiの比率は0.15以上である、請求項4に記載のナトリウムイオン二次電池。
- 前記セラミックスは、ジルコニアおよびアルミナ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5のいずれか1項に記載のナトリウムイオン二次電池。
- ナトリウムイオンを吸蔵および放出する酸化物粒子と、前記酸化物粒子を被覆する被覆層とを備え、
前記酸化物粒子は、NiおよびMnを含む酸化物Aを含み、
前記被覆層は、セラミックスおよび炭素質材料からなる群より選択される少なくとも一種の材料Bを含む、ナトリウムイオン二次電池用の正極活物質粒子。 - 水100質量部に対して、2質量部の前記正極活物質粒子を分散させて得られる水分散液のpHは、10以下である、請求項7に記載のナトリウムイオン二次電池用の正極活物質粒子。
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