JP2017143046A - Active material and fluoride ion battery - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a novel active material which can be used for a fluoride ion battery.SOLUTION: In the present invention, the above problem is solved by providing an active material which is to be used for a fluoride ion battery, and comprises crystal phases including an M element (M represents at least one of La, Ce, Pr, Nd, Sm, Ca, Sr and Ba), a F element, a Bi element, and a S element. According to X-ray diffraction measurement with Cu Kα rays, the crystal phases have peaks at particular positions.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、フッ化物イオン電池に使用可能な新規の活物質に関する。   The present invention relates to a novel active material that can be used in a fluoride ion battery.

高電圧かつ高エネルギー密度な電池として、例えばLiイオン電池が知られている。Liイオン電池は、Liイオンをキャリアとして用いるカチオンベースの電池である。一方、アニオンベースの電池として、フッ化物イオンをキャリアとして用いるフッ化物イオン電池が知られている。   As a battery having a high voltage and a high energy density, for example, a Li ion battery is known. Li-ion batteries are cation-based batteries that use Li ions as carriers. On the other hand, a fluoride ion battery using fluoride ions as a carrier is known as an anion-based battery.

例えば、特許文献1には、芳香族カチオンとアニオンとを有する芳香族性材料を溶媒として用いたフッ化物イオン電池用電解液が開示されている。また、活物質としてCu等の金属活物質が例示されている。この技術は、電池の大容量化が可能なフッ化物イオン電池用電解液を提供することを課題としている。なお、フッ化物イオン電池に関する技術ではないものの、超伝導体として、非特許文献1にはSrFBiSが開示され、非特許文献2にはSr0.5Ce0.5FBiSが開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses an electrolyte solution for a fluoride ion battery using an aromatic material having an aromatic cation and an anion as a solvent. Moreover, metal active materials, such as Cu, are illustrated as an active material. An object of this technique is to provide an electrolyte for a fluoride ion battery capable of increasing the capacity of the battery. Although not related to fluoride ion batteries, Non-Patent Document 1 discloses SrFBiS 2 and Non-Patent Document 2 discloses Sr 0.5 Ce 0.5 FBiS 2 as superconductors. .

特開2015−191797号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2015-191797

Hechang Lei et al., “New Layered Fluorosulfide SrFBiS2”, Inorg. Chem., 2013, 52(18), 10685-10689Hechang Lei et al., “New Layered Fluorosulfide SrFBiS2”, Inorg. Chem., 2013, 52 (18), 10685-10689 Lin Li et al., “Coexistence of superconductivity and ferromagnetism in Sr0.5Ce0.5FBiS2”, Phys. Rev. B91 (2015) 014508Lin Li et al., “Coexistence of superconductivity and ferromagnetism in Sr0.5Ce0.5FBiS2”, Phys. Rev. B91 (2015) 014508

現在、フッ化物イオン電池に使用可能な活物質として知られている材料は少ない。本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、フッ化物イオン電池に使用可能な新規の活物質を提供することを主目的とする。   Currently, there are few materials known as active materials that can be used in fluoride ion batteries. This invention is made | formed in view of the said situation, and it aims at providing the novel active material which can be used for a fluoride ion battery.

上記課題を達成するために、本発明においては、フッ化物イオン電池に用いられる活物質であって、M元素(Mは、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Ca、SrおよびBaの少なくとも一つである)と、F元素と、Bi元素と、S元素とを含有する結晶相を有し、上記結晶相が、CuKα線を用いたX線回折測定において、2θ=25.7°±0.5°、31.2°±0.5°、41.5°±0.5°の位置にピークを有することを特徴とする活物質を提供する。   In order to achieve the above object, according to the present invention, an active material used in a fluoride ion battery is an M element (M is at least one of La, Ce, Pr, Nd, Sm, Ca, Sr, and Ba). In the X-ray diffraction measurement using a CuKα ray, the above crystal phase is 2θ = 25.7 ° ± 0. Provided is an active material having a peak at positions of 5 °, 31.2 ° ± 0.5 °, 41.5 ° ± 0.5 °.

本発明によれば、特定の結晶相を有するため、フッ化物イオン電池に使用可能な活物質とすることができる。   According to this invention, since it has a specific crystal phase, it can be set as the active material which can be used for a fluoride ion battery.

上記発明においては、上記結晶相が、空間群P4/nmmの結晶構造を有することが好ましい。   In the said invention, it is preferable that the said crystal phase has a crystal structure of space group P4 / nmm.

また、本発明においては、正極活物質を含有する正極活物質層と、負極活物質を含有する負極活物質層と、上記正極活物質層および上記負極活物質層の間に形成された電解質層と、を有するフッ化物イオン電池であって、上記正極活物質または上記負極活物質が、上述した活物質であることを特徴とするフッ化物イオン電池を提供する。   In the present invention, a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material, a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material, and an electrolyte layer formed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer And the positive electrode active material or the negative electrode active material is the active material described above.

本発明によれば、上述した活物質を用いることで、サイクル特性が良好なフッ化物イオン電池とすることができる。   According to this invention, it can be set as the fluoride ion battery with favorable cycling characteristics by using the active material mentioned above.

本発明においては、フッ化物イオン電池に使用可能な新規の活物質を提供することができるという効果を奏する。   In this invention, there exists an effect that the novel active material which can be used for a fluoride ion battery can be provided.

本発明のフッ化物イオン電池の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the fluoride ion battery of this invention. 実施例で得られた活物質に対するXRD測定の結果である。It is a result of the XRD measurement with respect to the active material obtained in the Example. 実施例で得られた活物質を用いて作製した電池に対するCV測定の結果である。It is a result of the CV measurement with respect to the battery produced using the active material obtained in the Example. 実施例で得られた活物質を用いて作製した電池に対する充放電試験の結果である。It is the result of the charging / discharging test with respect to the battery produced using the active material obtained in the Example.

以下、本発明の活物質およびフッ化物イオン電池について、詳細に説明する。   Hereinafter, the active material and fluoride ion battery of the present invention will be described in detail.

A.活物質
本発明の活物質は、フッ化物イオン電池に用いられる活物質であって、M元素(Mは、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Ca、SrおよびBaの少なくとも一つである)と、F元素と、Bi元素と、S元素とを含有する結晶相を有し、上記結晶相が、CuKα線を用いたX線回折測定において、2θ=25.7°±0.5°、31.2°±0.5°、41.5°±0.5°の位置にピークを有することを特徴とする。
A. Active Material The active material of the present invention is an active material used for a fluoride ion battery, and is an M element (M is at least one of La, Ce, Pr, Nd, Sm, Ca, Sr, and Ba) A crystal phase containing an F element, a Bi element, and an S element, and the crystal phase is 2θ = 25.7 ° ± 0.5 ° in an X-ray diffraction measurement using CuKα ray, It has a peak at a position of 31.2 ° ± 0.5 °, 41.5 ° ± 0.5 °.

本発明によれば、特定の結晶相を有するため、フッ化物イオン電池に使用可能な活物質とすることができる。この結晶相を有する材料は、超伝導体として公知であるものの、フッ化物イオン電池の活物質として有用であることは従来全く知られていない。   According to this invention, since it has a specific crystal phase, it can be set as the active material which can be used for a fluoride ion battery. Although this material having a crystal phase is known as a superconductor, it has not been known at all to be useful as an active material of a fluoride ion battery.

また、従来知られているフッ化物イオン電池用活物質の多くは金属活物質であり、金属のフッ化脱フッ化反応により活物質としての機能が発現する。
MeF+xe ⇔ Me+xF(Meは1種類以上の金属元素から構成される)
金属のフッ化脱フッ化反応は、大きな結晶構造の変化を伴う反応であるため、抵抗が高くなりやすい。また、結晶構造変化時の膨張収縮が大きいため、サイクル特性が低くなりやすい。
In addition, many of the conventionally known active materials for fluoride ion batteries are metal active materials, and their functions as active materials are manifested by the fluorination defluorination reaction of metals.
MeF x + xe ⇔ Me + xF (Me is composed of one or more metal elements)
Since the metal fluorination / defluorination reaction involves a large change in crystal structure, resistance tends to increase. Further, since the expansion and contraction when the crystal structure changes is large, the cycle characteristics tend to be low.

これに対して、本発明の活物質は、層状フルオロサルファイドであり、フッ化脱フッ化反応ではなく、挿入脱離反応(インターカレート反応)により活物質としての機能が発現すると推測される。具体的には、後述する実施例に記載するように、高いクーロン効率が得られていることから、結晶構造にフッ化物イオンが挿入脱離していると推測される。このようなインターカレート型の活物質は、従来のフッ化物イオン電池用活物質(フッ化脱フッ化型の活物質)とは異なる新規の概念に基づく材料である。インターカレート反応は、結晶構造の変化が少ない反応であるため、抵抗が高くなりにくいという利点がある。また、結晶構造変化時の膨張収縮が小さいため、サイクル特性が高いという利点がある。   On the other hand, the active material of the present invention is a layered fluorosulfide, and it is presumed that the function as the active material is expressed not by the fluorinated defluorination reaction but by the insertion / elimination reaction (intercalation reaction). Specifically, as described in Examples described later, since high Coulomb efficiency is obtained, it is presumed that fluoride ions are inserted into and desorbed from the crystal structure. Such an intercalating type active material is a material based on a novel concept different from a conventional active material for a fluoride ion battery (fluorinated defluoridation type active material). Since the intercalation reaction is a reaction with little change in crystal structure, there is an advantage that resistance is not easily increased. Further, since the expansion and contraction when the crystal structure changes is small, there is an advantage that the cycle characteristics are high.

インターカレート反応が生じる理由は、完全に明らかではないが、上記結晶相の結晶構造に含まれるF元素の層が機能している可能性がある。すなわち、上記結晶相は、その結晶構造内に、F元素の層を有する層状構造を有するが、このF元素の層では、Fが連なっており、Fイオンの拡散パスが存在するため、インターカレート反応が生じると推測される。   The reason why the intercalation reaction occurs is not completely clear, but the F element layer included in the crystal structure of the crystal phase may function. That is, the crystal phase has a layered structure having a layer of F element in the crystal structure. In the layer of F element, F is continuous, and there is a diffusion path of F ions. It is speculated that the reaction will occur.

本発明の活物質は、M元素(Mは、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Ca、SrおよびBaの少なくとも一つである)と、F元素と、Bi元素と、S元素とを含有する結晶相を有する。   The active material of the present invention contains an M element (M is at least one of La, Ce, Pr, Nd, Sm, Ca, Sr, and Ba), an F element, a Bi element, and an S element. Has a crystalline phase.

M元素の中で、Ca、SrおよびBaは、アルカリ土類金属である。同様に、M元素の中で、La、Ce、Pr、Nd、Smは、ランタノイドである。これらの元素は、いずれもイオン半径が近いため、上記結晶相を形成できる。本発明においては、M元素として、少なくともSrを含有することが好ましい。この場合、M元素はSrおよび他の元素の組み合わせであっても良く、M元素はSrのみであっても良い。特に前者の場合は、Srの一部が、他の元素で置換されていると捉えることもできる。他の元素は、上記アルカリ金属元素であっても良く、上記ランタノイドであっても良い。M元素全体におけるSrの割合は、例えば、30mol%以上であり、50mol%以上であっても良い。   Among the M elements, Ca, Sr and Ba are alkaline earth metals. Similarly, among M elements, La, Ce, Pr, Nd, and Sm are lanthanoids. Since these elements all have an ionic radius, they can form the crystal phase. In the present invention, it is preferable to contain at least Sr as the M element. In this case, the M element may be a combination of Sr and other elements, and the M element may be only Sr. In particular, in the former case, it can be considered that a part of Sr is replaced with another element. The other element may be the alkali metal element or the lanthanoid. The ratio of Sr in the entire M element is, for example, 30 mol% or more, and may be 50 mol% or more.

上記結晶相は、M元素、F元素、Bi元素およびS元素のみから構成されていても良く、さらに他の元素を含有していても良い。他の元素としては、例えば、Se元素、O元素等を挙げることができる。また、M元素、F元素、Bi元素およびS元素は、それぞれ、一部が他の元素で置換されていても良い。具体的には、S元素の一部がSe元素で置換されていても良く、F元素の一部がO元素で置換されていても良い。他の元素による置換量は、例えば、50mol%未満であることが好ましい。   The crystal phase may be composed of only M element, F element, Bi element and S element, and may further contain other elements. Examples of other elements include Se element and O element. In addition, each of the M element, the F element, the Bi element, and the S element may be partially substituted with another element. Specifically, a part of the S element may be substituted with the Se element, and a part of the F element may be substituted with the O element. The amount of substitution with other elements is preferably less than 50 mol%, for example.

上記結晶相は、CuKα線を用いたX線回折測定において、2θ=25.7°±0.5°、31.2°±0.5°、41.5°±0.5°、44.6°±0.5°、52.5°±0.5°、64.8°±0.5°、73.5°±0.5°の位置にピークを有することが好ましい。なお、これらのピーク位置の幅は、±0.3°であっても良く、±0.1°であっても良い。また、上記結晶相は、空間群P4/nmmの結晶構造を有することが好ましい。   In the X-ray diffraction measurement using CuKα ray, the crystal phase was 2θ = 25.7 ° ± 0.5 °, 31.2 ° ± 0.5 °, 41.5 ° ± 0.5 °, 44. It is preferable to have a peak at a position of 6 ° ± 0.5 °, 52.5 ° ± 0.5 °, 64.8 ° ± 0.5 °, 73.5 ° ± 0.5 °. The width of these peak positions may be ± 0.3 ° or ± 0.1 °. The crystal phase preferably has a crystal structure of space group P4 / nmm.

本発明の活物質は、上記結晶相を主体として含有することが好ましい。具体的には、上記結晶相の割合が、活物質に含まれる全ての結晶相に対して、50mol%以上であることが好ましく、70mol%以上であることがより好ましく、90mol%以上であることがさらに好ましい。   The active material of the present invention preferably contains the above crystal phase as a main component. Specifically, the proportion of the crystal phase is preferably 50 mol% or more, more preferably 70 mol% or more, and 90 mol% or more with respect to all the crystal phases contained in the active material. Is more preferable.

本発明の活物質の組成は、上記結晶相が得られる組成であれば特に限定されない。ここで、活物質の組成をMBiと表現する。なお、Xは、M、F、Bi、S以外の元素とする。 The composition of the active material of the present invention is not particularly limited as long as the composition can obtain the above crystal phase. Here, the composition of the active material is expressed as M a F b Bi c S d X e. X is an element other than M, F, Bi, and S.

a〜cは、それぞれ、例えば0.5以上であり、0.7以上であっても良く、0.9以上であっても良い。また、a〜cは、それぞれ、例えば1.5以下であり、1.3以下であっても良く、1.1以下であっても良い。   Each of a to c is, for example, 0.5 or more, 0.7 or more, or 0.9 or more. Further, each of a to c is, for example, 1.5 or less, 1.3 or less, or 1.1 or less.

dは、例えば1以上であり、1.5以上であっても良く、1.7以上であっても良い。また、dは、例えば3以下であり、2.8以下であっても良く、2.5以下であっても良い。   For example, d is 1 or more, may be 1.5 or more, and may be 1.7 or more. Moreover, d is 3 or less, for example, may be 2.8 or less, and may be 2.5 or less.

eは、0であっても良く、0より大きくても良い。また、eは、例えば2.5以下であり、2以下であっても良く、1.5以下であっても良い。   e may be 0 or may be greater than 0. E is, for example, 2.5 or less, 2 or less, or 1.5 or less.

本発明の活物質の形状は、特に限定されないが、例えば粒子状を挙げることができる。活物質の平均粒径(D50)は、例えば、0.1μm〜50μmの範囲内であり、1μm〜20μmの範囲内であることが好ましい。活物質の平均粒径(D50)は、例えば、レーザー回折散乱法による粒度分布測定の結果から求めることができる。 Although the shape of the active material of this invention is not specifically limited, For example, a particulate form can be mentioned. The average particle diameter (D 50 ) of the active material is, for example, in the range of 0.1 μm to 50 μm, and preferably in the range of 1 μm to 20 μm. The average particle diameter (D 50 ) of the active material can be obtained from the result of particle size distribution measurement by a laser diffraction scattering method, for example.

本発明の活物質を製造する方法は、目的とする活物質を得ることができる方法であれば特に限定されないが、例えば、固相反応法を挙げることができる。固相反応法では、M元素、F元素、Bi元素、S元素を含有する原料組成物に対して、熱処理を行うことで、固相反応を生じさせ、活物質を合成する。   The method for producing the active material of the present invention is not particularly limited as long as it can obtain the target active material, and examples thereof include a solid phase reaction method. In the solid phase reaction method, a raw material composition containing an M element, an F element, a Bi element, and an S element is subjected to a heat treatment to cause a solid phase reaction and synthesize an active material.

B.フッ化物イオン電池
図1は、本発明のフッ化物イオン電池の一例を示す概略断面図である。図1に示されるフッ化物イオン電池10は、正極活物質を含有する正極活物質層1と、負極活物質を含有する負極活物質層2と、正極活物質層1および負極活物質層2の間に形成された電解質層3と、正極活物質層1の集電を行う正極集電体4と、負極活物質層2の集電を行う負極集電体5と、これらの部材を収納する電池ケース6とを有する。本発明においては、正極活物質または負極活物質として、上述した活物質を用いることを特徴とする。
B. Fluoride ion battery FIG. 1 is a schematic sectional view showing an example of a fluoride ion battery of the present invention. A fluoride ion battery 10 shown in FIG. 1 includes a positive electrode active material layer 1 containing a positive electrode active material, a negative electrode active material layer 2 containing a negative electrode active material, a positive electrode active material layer 1 and a negative electrode active material layer 2. The electrolyte layer 3 formed therebetween, the positive electrode current collector 4 that collects current from the positive electrode active material layer 1, the negative electrode current collector 5 that collects current from the negative electrode active material layer 2, and these members are accommodated. And a battery case 6. In the present invention, the active material described above is used as the positive electrode active material or the negative electrode active material.

本発明によれば、上述した活物質を用いることで、サイクル特性が良好なフッ化物イオン電池とすることができる。
以下、本発明のフッ化物イオン電池について、構成ごとに説明する。
According to this invention, it can be set as the fluoride ion battery with favorable cycling characteristics by using the active material mentioned above.
Hereinafter, the fluoride ion battery of the present invention will be described for each configuration.

1.正極活物質層
本発明における正極活物質層は、少なくとも正極活物質を含有する層である。また、正極活物質層は、正極活物質の他に、導電化材および結着材の少なくとも一方をさらに含有していても良い。
1. Positive electrode active material layer The positive electrode active material layer in the present invention is a layer containing at least a positive electrode active material. The positive electrode active material layer may further contain at least one of a conductive material and a binder in addition to the positive electrode active material.

本発明においては、上述した活物質を正極活物質として用いることができる。一方、上述した活物質を負極活物質として用いる場合、正極活物質には、より高い電位を有する任意の活物質を用いることができる。   In the present invention, the active material described above can be used as the positive electrode active material. On the other hand, when the active material described above is used as the negative electrode active material, any active material having a higher potential can be used as the positive electrode active material.

導電化材としては、所望の電子伝導性を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えば炭素材料を挙げることができる。炭素材料としては、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック、グラフェン、フラーレン、カーボンナノチューブ等を挙げることができる。一方、結着材としては、化学的、電気的に安定なものであれば特に限定されるものではないが、例えばポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素系結着材を挙げることができる。   The conductive material is not particularly limited as long as it has desired electronic conductivity, and examples thereof include a carbon material. Examples of the carbon material include carbon black such as acetylene black, ketjen black, furnace black, and thermal black, graphene, fullerene, and carbon nanotube. On the other hand, the binder is not particularly limited as long as it is chemically and electrically stable. For example, a fluorine-based binder such as polyvinylidene fluoride (PVDF) or polytetrafluoroethylene (PTFE). Materials can be mentioned.

また、正極活物質層における正極活物質の含有量は、容量の観点からはより多いことが好ましく、例えば30重量%以上であり、50重量%以上であることが好ましく、70重量%以上であることがより好ましい。また、正極活物質層の厚さは、電池の構成によって大きく異なるものであり、特に限定されるものではない。   Further, the content of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer is preferably larger from the viewpoint of capacity, for example, 30% by weight or more, preferably 50% by weight or more, and 70% by weight or more. It is more preferable. Further, the thickness of the positive electrode active material layer varies greatly depending on the configuration of the battery, and is not particularly limited.

2.負極活物質層
本発明における負極活物質層は、少なくとも負極活物質を含有する層である。また、負極活物質層は、負極活物質の他に、導電化材および結着材の少なくとも一方をさらに含有していても良い。
2. Negative electrode active material layer The negative electrode active material layer in the present invention is a layer containing at least a negative electrode active material. The negative electrode active material layer may further contain at least one of a conductive material and a binder in addition to the negative electrode active material.

本発明においては、上述した活物質を負極活物質として用いることができる。一方、上述した活物質を正極活物質として用いる場合、負極活物質には、より低い電位を有する任意の活物質を用いることができる。   In the present invention, the above-described active material can be used as the negative electrode active material. On the other hand, when the active material described above is used as the positive electrode active material, any active material having a lower potential can be used as the negative electrode active material.

導電化材および結着材については、上述した「1.正極活物質層」に記載した材料と同様の材料を用いることができる。また、負極活物質層における負極活物質の含有量は、容量の観点からはより多いことが好ましく、例えば30重量%以上であり、50重量%以上であることが好ましく、70重量%以上であることがより好ましい。また、負極活物質層の厚さは、電池の構成によって大きく異なるものであり、特に限定されるものではない。   As the conductive material and the binder, the same materials as those described in “1. Positive electrode active material layer” described above can be used. Further, the content of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer is preferably higher from the viewpoint of capacity, for example, 30% by weight or more, preferably 50% by weight or more, and 70% by weight or more. It is more preferable. In addition, the thickness of the negative electrode active material layer varies greatly depending on the configuration of the battery, and is not particularly limited.

3.電解質層
本発明における電解質層は、正極活物質層および負極活物質層の間に形成される層である。電解質層を構成する電解質は、液体電解質(電解液)であっても良く、固体電解質であっても良い。
3. Electrolyte layer The electrolyte layer in this invention is a layer formed between a positive electrode active material layer and a negative electrode active material layer. The electrolyte constituting the electrolyte layer may be a liquid electrolyte (electrolytic solution) or a solid electrolyte.

本発明における電解液は、例えば、フッ化物塩および有機溶媒を含有する。フッ化物塩としては、無機フッ化物塩、有機フッ化物塩、イオン液体等を挙げることができる。無機フッ化物塩の一例としては、例えば、XF(Xは、Li、Na、K、RbまたはCsである)を挙げることができる。有機フッ化物塩のカチオンの一例としては、テトラメチルアンモニウムカチオン等のアルキルアンモニウムカチオンを挙げることができる。電解液におけるフッ化物塩の濃度は、例えば0.1mol%〜40mol%の範囲内であり、1mol%〜10mol%の範囲内であることが好ましい。   The electrolytic solution in the present invention contains, for example, a fluoride salt and an organic solvent. Examples of fluoride salts include inorganic fluoride salts, organic fluoride salts, and ionic liquids. As an example of the inorganic fluoride salt, for example, XF (X is Li, Na, K, Rb or Cs) can be exemplified. As an example of the cation of the organic fluoride salt, an alkylammonium cation such as a tetramethylammonium cation can be given. The concentration of the fluoride salt in the electrolytic solution is, for example, in the range of 0.1 mol% to 40 mol%, and preferably in the range of 1 mol% to 10 mol%.

電解液の有機溶媒は、通常、フッ化物塩を溶解する溶媒である。有機溶媒としては、例えば、トリエチレングリコールジメチルエーテル(G3)、テトラエチレングリコールジメチルエーテル(G4)等のグライム、エチレンカーボネート(EC)、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、ジフルオロエチレンカーボネート(DFEC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)等の環状カーボネート、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)等の鎖状カーボネート挙げることができる。また、有機溶媒として、イオン液体を用いても良い。   The organic solvent of the electrolytic solution is usually a solvent that dissolves the fluoride salt. Examples of the organic solvent include glyme such as triethylene glycol dimethyl ether (G3) and tetraethylene glycol dimethyl ether (G4), ethylene carbonate (EC), fluoroethylene carbonate (FEC), difluoroethylene carbonate (DFEC), and propylene carbonate (PC). ), Cyclic carbonates such as butylene carbonate (BC), and chain carbonates such as dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), and ethyl methyl carbonate (EMC). An ionic liquid may be used as the organic solvent.

一方、上記固体電解質としては、La、Ce等のランタノイド元素のフッ化物、Li、Na、K、Rb、Cs等のアルカリ元素のフッ化物、Ca、Sr、Ba等のアルカリ土類元素のフッ化物等を挙げることができる。具体的には、LaおよびBaのフッ化物(例えば、La0.9Ba0.12.9)、PbおよびSnのフッ化物等を挙げることができる。 On the other hand, examples of the solid electrolyte include fluorides of lanthanoid elements such as La and Ce, fluorides of alkali elements such as Li, Na, K, Rb, and Cs, and fluorides of alkaline earth elements such as Ca, Sr, and Ba Etc. Specific examples include fluorides of La and Ba (for example, La 0.9 Ba 0.1 F 2.9 ), fluorides of Pb and Sn, and the like.

また、本発明における電解質層の厚さは、電池の構成によって大きく異なるものであり、特に限定されるものではない。   In addition, the thickness of the electrolyte layer in the present invention varies greatly depending on the configuration of the battery, and is not particularly limited.

4.その他の構成
本発明のフッ化物イオン電池は、上述した負極活物質層、正極活物質層および電解質層を少なくとも有するものである。さらに通常は、正極活物質層の集電を行う正極集電体、および、負極活物質層の集電を行う負極集電体を有する。集電体の形状としては、例えば、箔状、メッシュ状、多孔質状等を挙げることができる。また、本発明のフッ化物イオン電池は、正極活物質層および負極活物質層の間に、セパレータを有していても良い。より安全性の高い電池を得ることができるからである。
4). Other Configurations The fluoride ion battery of the present invention has at least the negative electrode active material layer, the positive electrode active material layer, and the electrolyte layer described above. Furthermore, it usually has a positive electrode current collector for collecting current of the positive electrode active material layer and a negative electrode current collector for collecting current of the negative electrode active material layer. Examples of the shape of the current collector include a foil shape, a mesh shape, and a porous shape. Moreover, the fluoride ion battery of the present invention may have a separator between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer. This is because a battery with higher safety can be obtained.

5.フッ化物イオン電池
本発明のフッ化物イオン電池は、一次電池であっても良く、二次電池であっても良いが、中でも、二次電池であることが好ましい。繰り返し充放電でき、例えば車載用電池として有用だからである。なお、一次電池には、二次電池の一次電池的使用(充電後、一度の放電だけを目的とした使用)も含まれる。また、本発明のフッ化物イオン電池の形状としては、例えば、コイン型、ラミネート型、円筒型および角型等を挙げることができる。
5. Fluoride ion battery The fluoride ion battery of the present invention may be a primary battery or a secondary battery, and among these, a secondary battery is preferable. This is because it can be repeatedly charged and discharged and is useful, for example, as an in-vehicle battery. Note that the primary battery includes primary battery use (use for the purpose of discharging only once after charging). In addition, examples of the shape of the fluoride ion battery of the present invention include a coin type, a laminate type, a cylindrical type, and a square type.

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。   The present invention is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an exemplification, and the present invention has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention, and any device that exhibits the same function and effect is the present invention. It is included in the technical scope of the invention.

以下に実施例を示して本発明をさらに具体的に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.

[実施例]
(活物質の合成)
SrFを2.1659g、Ceを3.2454g、Biを7.2067g、Sを1.3823g秤量し、これらをメノウ乳鉢に投入し、粉砕混合し、混合物を得た。なお、混合物の組成は、SrF:Ce:Bi:S=0.50:0.25:1:2のモル比に該当する。得られた混合物をペレット化し、石英管に真空封入した。石英管を電気炉に設置し、800℃で焼成を行った。焼成条件は、2時間40分間で800℃まで昇温し、800℃で10時間保持する条件とした。その後、自然冷却し、得られた試料を、メノウ乳鉢を用いて粉砕混合した。なお、焼成前の試料は赤茶色であり、焼成後の試料表面は灰色であり、粉砕混合後の試料は黒色であった。
[Example]
(Synthesis of active material)
2.659 g of SrF 2 , 3.2454 g of Ce 2 S 3 , 7.2067 g of Bi, and 1.3823 g of S were weighed and put into an agate mortar and pulverized and mixed to obtain a mixture. The composition of the mixture corresponds to a molar ratio of SrF 2 : Ce 2 S 3 : Bi: S = 0.50: 0.25: 1: 2. The resulting mixture was pelletized and vacuum sealed in a quartz tube. The quartz tube was placed in an electric furnace and fired at 800 ° C. The firing conditions were such that the temperature was raised to 800 ° C. in 2 hours and 40 minutes and held at 800 ° C. for 10 hours. Then, it cooled naturally and the obtained sample was grind | pulverized and mixed using the agate mortar. In addition, the sample before baking was reddish brown, the sample surface after baking was gray, and the sample after grinding | pulverization mixing was black.

粉砕混合後の試料を、再度ペレット化し、石英管に真空封入した。石英管を電気炉に設置し、800℃で焼成を行った。焼成条件は、2時間40分間で800℃まで昇温し、800℃で10時間保持する条件とした。その後、自然冷却し、得られた試料を、メノウ乳鉢を用いて粉砕混合した。これにより、活物質(Sr0.5Ce0.5FBiS、黒色)を得た。 The sample after pulverization and mixing was pelletized again and vacuum-sealed in a quartz tube. The quartz tube was placed in an electric furnace and fired at 800 ° C. The firing conditions were such that the temperature was raised to 800 ° C. in 2 hours and 40 minutes and held at 800 ° C. for 10 hours. Then, it cooled naturally and the obtained sample was grind | pulverized and mixed using the agate mortar. Thus, the active material (Sr 0.5 Ce 0.5 FBiS 2, black) was obtained.

[評価]
(XRD測定)
実施例で得られた活物質を用いて、X線回折測定(CuKα線使用)を行った。その結果を図2に示す。図2に示すように、2θ=25.7°、31.2°、41.5°、44.6°、52.5°、64.8°、73.5°の各近傍に特徴的なピークが確認された。なお、これらのピーク位置は、非特許文献2のFig. 1に記載されたSr0.5Ce0.5FBiSのピーク位置と同じであった。
[Evaluation]
(XRD measurement)
X-ray diffraction measurement (using CuKα rays) was performed using the active material obtained in the examples. The result is shown in FIG. As shown in FIG. 2, it is characteristic in the vicinity of 2θ = 25.7 °, 31.2 °, 41.5 °, 44.6 °, 52.5 °, 64.8 °, and 73.5 °. A peak was confirmed. These peak positions were the same as those of Sr 0.5 Ce 0.5 FBiS 2 described in FIG.

(CV測定および充放電試験)
実施例で得られた活物質を用いてペレット電池を作製し、サイクリックボルタンメトリ(CV)測定および充放電試験を行った。まず、実施例で得られた活物質と、フッ化物イオン伝導性材料であるLa0.9Ba0.12.9と、電子伝導性材料であるVGCFとを混合し、ペレット成型することで、電極ペレットを得た。得られた電極ペレット(作用極)と、La0.9Ba0.12.9を用いた固体電解質層と、Pb箔(対極)とを備えたペレット電池をプレスにより作製した。150℃に加熱したセルの中で、CV測定および充放電試験を実施した。CV測定の条件は、電位掃引範囲:−1.5V〜2V、掃引速度:1.0mV/secとした。一方、充放電試験の条件は、−1.5V〜2.5V(vs. Pb/PbF)、5μA/cmの定電流充放電(放電スタート)とした。
(CV measurement and charge / discharge test)
A pellet battery was prepared using the active material obtained in the examples, and cyclic voltammetry (CV) measurement and charge / discharge test were performed. First, the active material obtained in the example, La 0.9 Ba 0.1 F 2.9 which is a fluoride ion conductive material, and VGCF which is an electron conductive material are mixed and pelletized. Thus, an electrode pellet was obtained. A pellet battery including the obtained electrode pellet (working electrode), a solid electrolyte layer using La 0.9 Ba 0.1 F 2.9 , and a Pb foil (counter electrode) was produced by pressing. CV measurement and a charge / discharge test were performed in a cell heated to 150 ° C. The conditions for CV measurement were a potential sweep range: -1.5 V to 2 V, and a sweep speed: 1.0 mV / sec. On the other hand, the conditions of the charge / discharge test were -1.5 V to 2.5 V (vs. Pb / PbF 2 ), constant current charge / discharge (discharge start) of 5 μA / cm 2 .

その結果を図3および図4に示す。図3に示すように、実施例で得られた活物質は酸化還元の挙動を示すことが確認された。また、図4に示すように、充放電により容量発現することが確認できた。このように、実施例で得られた活物質は、可逆的にフッ化物イオンと反応した。特に、図4に示す充放電曲線から、高いクーロン効率が得られていることが分かる。そのため、良好なサイクル特性を有する電池が得られることが示唆された。なお、高いクーロン効率が得られていることから、実施例で得られた活物質では、フッ化脱フッ化反応ではなく、インターカレート反応が生じていると推測される。フッ化脱フッ化反応では、結晶構造が大きく変化するが、インターカレート反応では、結晶構造の変化が抑制され、高いクーロン効率が得られる。また、インターカレート反応が生じていると示唆されることから、充放電が可能となる性質(活物質としての性質)は、Sr0.5Ce0.5FBiSの結晶構造に起因すると推測される。 The results are shown in FIGS. As shown in FIG. 3, it was confirmed that the active materials obtained in the examples exhibited redox behavior. Moreover, as shown in FIG. 4, it was confirmed that the capacity was developed by charging and discharging. Thus, the active material obtained in the example reacted reversibly with fluoride ions. In particular, it can be seen from the charge / discharge curve shown in FIG. 4 that high Coulomb efficiency is obtained. Therefore, it was suggested that a battery having good cycle characteristics can be obtained. In addition, since the high Coulomb efficiency is acquired, it is estimated that the active material obtained in the Example has caused an intercalation reaction, not a fluorination defluorination reaction. In the fluorinated defluorination reaction, the crystal structure changes greatly, but in the intercalation reaction, the change in the crystal structure is suppressed and high coulomb efficiency is obtained. In addition, since it is suggested that an intercalation reaction has occurred, it is assumed that the chargeable / dischargeable property (property as an active material) is caused by the crystal structure of Sr 0.5 Ce 0.5 FBiS 2. Is done.

1 … 正極活物質層
2 … 負極活物質層
3 … 電解質層
4 … 正極集電体
5 … 負極集電体
6 … 電池ケース
10 … フッ化物イオン電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Positive electrode active material layer 2 ... Negative electrode active material layer 3 ... Electrolyte layer 4 ... Positive electrode collector 5 ... Negative electrode collector 6 ... Battery case 10 ... Fluoride ion battery

Claims (3)

フッ化物イオン電池に用いられる活物質であって、
M元素(Mは、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Ca、SrおよびBaの少なくとも一つである)と、F元素と、Bi元素と、S元素とを含有する結晶相を有し、
前記結晶相が、CuKα線を用いたX線回折測定において、2θ=25.7°±0.5°、31.2°±0.5°、41.5°±0.5°の位置にピークを有することを特徴とする活物質。
An active material used in a fluoride ion battery,
A crystal phase containing an M element (M is at least one of La, Ce, Pr, Nd, Sm, Ca, Sr and Ba), an F element, a Bi element, and an S element;
In the X-ray diffraction measurement using CuKα rays, the crystal phase is located at 2θ = 25.7 ° ± 0.5 °, 31.2 ° ± 0.5 °, 41.5 ° ± 0.5 °. An active material characterized by having a peak.
前記結晶相が、空間群P4/nmmの結晶構造を有することを特徴とする請求項1に記載のフッ化物イオン電池用活物質。   The active material for a fluoride ion battery according to claim 1, wherein the crystal phase has a crystal structure of a space group P4 / nmm. 正極活物質を含有する正極活物質層と、負極活物質を含有する負極活物質層と、前記正極活物質層および前記負極活物質層の間に形成された電解質層と、を有するフッ化物イオン電池であって、
前記正極活物質または前記負極活物質が、請求項1または請求項2に記載の活物質であることを特徴とするフッ化物イオン電池。
Fluoride ions having a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material, a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material, and an electrolyte layer formed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer A battery,
The fluoride ion battery, wherein the positive electrode active material or the negative electrode active material is the active material according to claim 1 or 2.
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