JP2018060625A - Electrode material including oxide ion functioning as movable ion - Google Patents

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Masashi Okubo
將史 大久保
山田 淳夫
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淳夫 山田
庸裕 田中
Yasuhiro Tanaka
庸裕 田中
三郎 細川
Saburo Hosokawa
三郎 細川
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a secondary battery in which an entirely new electrode reaction mechanism that is not based on a sodium ion insertion/elimination reaction is used, in order to achieve a power storage device low in cost, high in energy and high in output.SOLUTION: An electrode material for a secondary battery contains an oxide having a composition represented by formula (I). The oxide preferably has an α-PbOtype structure, and M and X preferably represent Fe and Nb, respectively. MXO(I) (where, M represents V, Cr, Mn, Fe, or Co; and X represents Nb, Mo, Ru, Rh, or Pd).SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、酸化物イオンを可動イオンとする二次電池に用いられる電極材料に関する。また、当該電極材料を含む二次電池用電極、及び当該電極を有する二次電池に関する。   The present invention relates to an electrode material used for a secondary battery using oxide ions as movable ions. The present invention also relates to a secondary battery electrode including the electrode material and a secondary battery including the electrode.

電気自動車への搭載や再生可能エネルギーの出力平準化用途といった大型蓄電デバイスへの強い需要を背景とし、高価な希少元素を使用しない低コスト大型二次電池の開発が期待されている。しかし、現在開発されているリチウムイオン電池は、希少なリチウムの使用を必須とするために低コスト化や大型化が難しいという問題がある。   Against the backdrop of strong demand for large power storage devices such as electric vehicles and renewable energy output leveling, the development of low-cost large-scale secondary batteries that do not use expensive rare elements is expected. However, the currently developed lithium ion battery requires the use of rare lithium, and thus has a problem that it is difficult to reduce the cost and size.

一方、かかるリチウムイオン電池の代替技術としてナトリウムイオン電池の開発が行われている(例えば、特許文献1)。ナトリウムイオン電池は、リチウムの替わりにナトリウムを用いることから低コスト化が見込まれるものの、一方で、大きく重いナトリウムイオンが充放電の際に電極材料に挿入・脱離される機構であるため、その構造変化に伴う電極特性の劣化が生じやすく、また、重量当たりのエネルギー密度を向上させることも難しいという課題があるのが現状である。   On the other hand, a sodium ion battery has been developed as an alternative technology to such a lithium ion battery (for example, Patent Document 1). Although sodium ion batteries are expected to reduce costs because sodium is used instead of lithium, on the other hand, the structure is large and heavy sodium ions are inserted and removed from the electrode material during charge and discharge. At present, there is a problem that the electrode characteristics are easily deteriorated due to the change, and it is difficult to improve the energy density per weight.

したがって、ナトリウムイオンの挿入・脱離反応に立脚せず、ナトリウムイオン電池に利用できる、全く新しい電極反応機構の構築が求められている。   Therefore, there is a demand for the construction of a completely new electrode reaction mechanism that can be used in sodium ion batteries without being based on sodium ion insertion and desorption reactions.

特開2009−266821号公報JP 2009-266821 A

そこで、本発明は、低コスト、高エネルギー、高出力の蓄電デバイスを実現するため、ナトリウムイオンの挿入・脱離反応に立脚しない全く新しい電極反応機構を用いた二次電池を提供することを課題とするものである。特に、希少金属を使用しない低コスト電極活物質を開発し、かかる二次電池に用いられる電極用材料を提供することを課題とするものである。   Therefore, the present invention has an object to provide a secondary battery using a completely new electrode reaction mechanism that is not based on the insertion / desorption reaction of sodium ions in order to realize a low-cost, high-energy, high-power storage device. It is what. In particular, an object of the present invention is to develop a low-cost electrode active material that does not use a rare metal and to provide an electrode material used for such a secondary battery.

本発明者らは、上記課題を解決するべく鋭意検討を行った結果、α-PbO2型構造を有する金属酸化物が、酸化物イオンの脱離挿入反応による電極活物質として機能することを新たに見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of diligent studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have newly found that a metal oxide having an α-PbO 2 type structure functions as an electrode active material by an oxide ion desorption insertion reaction. The present invention has been completed.

すなわち、本発明は、一態様において、
<1>以下の式(I):
MXO (I)
(式中、Mは、V、Cr、Mn、Fe、又はCoであり;Xは、Nb、Mo、Ru、Rh、又はPdである。)で表される組成を有する酸化物を含む、電極材料;
<2>前記酸化物がα-PbO2型構造を有する、上記<1>に記載の電極材料;
<3>Mが、Feである、上記<1>又は<2>に記載の電極材料;及び
<4>Xが、Nbである、上記<1>〜<3>のいずれか1に記載の電極材料;
を提供するものである。
That is, the present invention in one aspect,
<1> The following formula (I):
MXO 4 (I)
(Wherein M is V, Cr, Mn, Fe, or Co; X is Nb, Mo, Ru, Rh, or Pd), and an electrode including an oxide having a composition represented by: material;
<2> The electrode material according to <1>, wherein the oxide has an α-PbO 2 type structure;
<3> The electrode material according to <1> or <2> above, wherein M is Fe; and <4> X is Nb, according to any one of the above <1> to <3>. Electrode material;
Is to provide.

別の態様において、本発明は、
<5>上記<1>〜<4>のいずれか1に記載の電極材料を含み、前記酸化物を電極活物質とすることを特徴とする、二次電池用電極;
<6>上記<5>に記載の電極を正極又は負極として含む二次電池;及び
<7>ナトリウムイオン電池である、上記<6>に記載の二次電池
を提供するものである。
In another aspect, the invention provides:
<5> An electrode for a secondary battery comprising the electrode material according to any one of <1> to <4>, wherein the oxide is an electrode active material;
<6> A secondary battery comprising the electrode according to <5> as a positive electrode or a negative electrode; and <7> a secondary battery according to <6>, wherein the secondary battery is a sodium ion battery.

本発明によれば、ナトリウムイオンの挿入・脱離反応に立脚しない、酸化物イオンの挿入・脱離という全く新しい電極反応機構を利用する電極を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the electrode using the completely new electrode reaction mechanism of insertion and desorption of an oxide ion which is not based on the insertion and desorption reaction of sodium ion can be provided.

これにより、リチウム等希少金属を使用することなく、かつ、従来のナトリウムイオン電池における低エネルギー密度やサイクル劣化の問題を解決し、低コスト、高エネルギー、高出力の蓄電デバイスを実現することができる。 As a result, it is possible to achieve a low-cost, high-energy, high-output power storage device without using rare metals such as lithium and solving the problems of low energy density and cycle deterioration in conventional sodium ion batteries. .

図1は、本発明の電極材料における活物質であるFeNbOの粉末X線回折パターンを示すグラフである。FIG. 1 is a graph showing a powder X-ray diffraction pattern of FeNbO 4 which is an active material in the electrode material of the present invention. 図2は、本発明の電極材料における活物質であるFeNbOの走査型電子顕微鏡画像(SEM像)である。FIG. 2 is a scanning electron microscope image (SEM image) of FeNbO 4 which is an active material in the electrode material of the present invention. 図3は、本発明のFeNbOを活物質とする電極で得られた(a)充放電曲線を示すグラフ、及び(b)サイクル特性を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing (a) a charge / discharge curve obtained with an electrode using FeNbO 4 of the present invention as an active material, and (b) a graph showing cycle characteristics. 図4は、充放電中のFeNbOのメスバウアースペクトルを示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing a Mossbauer spectrum of FeNbO 4 during charge and discharge. 図5は、充放電中のFeNbOのX線回折パターンを示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of FeNbO 4 during charge and discharge. 図6は、FeNbOのO1sXPSスペクトルを示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the O1sXPS spectrum of FeNbO 4 .

以下、本発明の実施形態について説明する。本発明の範囲はこれらの説明に拘束されることはなく、以下の例示以外についても、本発明の趣旨を損なわない範囲で適宜変更し実施することができる。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. The scope of the present invention is not limited to these descriptions, and other than the following examples, the scope of the present invention can be appropriately changed and implemented without departing from the spirit of the present invention.

1.電極材料
(1)活物質
本発明に係る電極材料は、活物質として、α-PbO2型構造を有する遷移金属酸化物であって、具体的には、以下の式(I):
MXO (I)
で表される組成を有する酸化物を含むことを特徴としている。
1. Electrode Material (1) Active Material The electrode material according to the present invention is a transition metal oxide having an α-PbO 2 type structure as an active material. Specifically, the following formula (I):
MXO 4 (I)
It is characterized by including the oxide which has the composition represented by these.

式中、Mは、第4周期の遷移金属から選択される元素であり、具体的には、V、Cr、Mn、Fe、又はCoである。安価で入手が容易であり、また環境への負荷が少ないこと等から、Mは、好ましくはFe(鉄)である。Xは、第5周期の遷移金属から選択される元素であり、具体的には、Nb、Mo、Ru、Rh、又はPdであり、好ましくはNbである。最も典型的な例では、MがFeであり、XがNbであり、この場合、式(I)の酸化物は、FeNbOである。 In the formula, M is an element selected from transition metals in the fourth period, specifically, V, Cr, Mn, Fe, or Co. M is preferably Fe (iron) because it is inexpensive, easily available, and has a low environmental burden. X is an element selected from transition metals in the fifth period, specifically Nb, Mo, Ru, Rh, or Pd, and preferably Nb. In the most typical example, M is Fe and X is Nb, in which case the oxide of formula (I) is FeNbO 4 .

上記式(I)で表される組成を有する酸化物は、いわゆる「α-PbO2型構造」と呼ばれる3次元構造を有する。かかるα-PbO2型構造では、遷移金属であるM及びXは、酸化物イオンに6配位されている。一方、配位した酸化物イオンは、MO八面体又はXO八面体との稜共有に供されると同時に、別のMO八面体又はXO八面体と頂点共有にも供されて3次元構造を形成している。 The oxide having the composition represented by the above formula (I) has a three-dimensional structure called “α-PbO 2 type structure”. In such an α-PbO 2 type structure, transition metals M and X are 6-coordinated to oxide ions. Meanwhile, coordinating oxide ions simultaneously is subjected to edge-sharing between MO 6 octahedra or XO 6 octahedra, is subjected to another MO 6 octahedra or XO 6 octahedra and vertices share 3 A dimensional structure is formed.

本願発明では、α-PbO2型構造の上記式(I)の酸化物について、ナトリウムイオンの挿入脱離反応ではなく、酸化物イオンの挿入脱離反応により電極活物質として機能させることを見出したことを特徴とするものである。 In the present invention, it has been found that the oxide of the above formula (I) having the α-PbO 2 type structure functions as an electrode active material not by insertion / release reaction of sodium ions but by insertion / release reaction of oxide ions. It is characterized by this.

酸化物イオンの挿入脱離反応の具体的な電極反応は、以下のように表すことができる。
2xNa+2xe+MXO ⇔ (Na2O)(MXO4―x
式中、xは、0<x<4の範囲である。
The specific electrode reaction of the oxide ion insertion / desorption reaction can be expressed as follows.
2 × Na + + 2xe + MXO 4 ⇔ (Na 2 O) x (MXO 4−x )
In the formula, x is in the range of 0 <x <4.

本発明の電極材料に含まれる式(I)の酸化物は、クエン酸を含むメタノールへM、およびXを溶解して室温で30分撹拌、更にエチレングリコールを加え80℃で5時間撹拌し、その後、350℃で3時間、500℃で5時間焼成することで得ることができる。かかる焼成行程は、当該技術分野において公知の手段を用いて行うことができる。   The oxide of formula (I) contained in the electrode material of the present invention is prepared by dissolving M and X in methanol containing citric acid and stirring at room temperature for 30 minutes, adding ethylene glycol and stirring at 80 ° C. for 5 hours, Then, it can obtain by baking at 350 degreeC for 3 hours and 500 degreeC for 5 hours. Such a firing step can be performed using means known in the art.

(2)その他の電極材料
本発明の電極材料は、活物質として上記式(I)の酸化物を含有するものであり、当該酸化物のみを含有するものであっても良く、また、これに加えて、電極のレート特性の向上等のために、公知の導電性材料および結着材の少なくとも一方を含有するものであっても良い。これらを電極集電体に担持させて電極を製造することができる。例えば、活物質、バインダー等を含有するスラリーを調製し、これを集電体上に塗布し、乾燥させることにより製造することができる。電極に用いられる電極活物質は、単独で又は2種以上を混合して使用することができる。
(2) Other electrode materials The electrode material of the present invention contains an oxide of the above formula (I) as an active material, and may contain only the oxide. In addition, in order to improve the rate characteristics of the electrode, etc., it may contain at least one of a known conductive material and binder. These can be carried on an electrode current collector to produce an electrode. For example, it can be produced by preparing a slurry containing an active material, a binder, etc., applying the slurry on a current collector, and drying it. The electrode active material used for an electrode can be used individually or in mixture of 2 or more types.

導電性材料としては、例えば、炭素材料、金属繊維等の導電性繊維、銅、銀、ニッケル、アルミニウム等の金属粉末、有機導電性材料を使用することができる。炭素材料として、黒鉛、ソフトカーボン、ハードカーボン、カーボンブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、グラファイト、活性炭、カーボンナノチューブ、カーボンファイバー等を使用することができる。また、芳香環を含む合成樹脂、石油ピッチ等を焼成して得られたメソポーラスカーボンを使用することもできる。有機導電性材料としては、ポリフェニレン誘導体、
ポリピロール、ポリアクリロニトリル等の導電性ポリマーが挙げられる。電極として使用する際の導電性の高さの観点で、アセチレンブラックが好適である。
Examples of the conductive material that can be used include carbon materials, conductive fibers such as metal fibers, metal powders such as copper, silver, nickel, and aluminum, and organic conductive materials. As the carbon material, graphite, soft carbon, hard carbon, carbon black, ketjen black, acetylene black, graphite, activated carbon, carbon nanotube, carbon fiber and the like can be used. In addition, mesoporous carbon obtained by firing a synthetic resin containing an aromatic ring, petroleum pitch, or the like can also be used. Examples of organic conductive materials include polyphenylene derivatives,
Examples thereof include conductive polymers such as polypyrrole and polyacrylonitrile. Acetylene black is preferred from the viewpoint of high conductivity when used as an electrode.

導電性材料を含有させる場合、これを活物質とともに粉砕・混合することによって電極を調製することができる。かかる粉砕・混合は、特に限定されるものではないが、振動ミル、ジェットミル、ボールミル等の粉砕機を用いて行うことが可能である。粉末状の活物質を用いて電極を形成する方法としては、ドクターブレード法や圧着プレスによる成型方法等を用いることができる。   When the conductive material is contained, the electrode can be prepared by pulverizing and mixing it together with the active material. Such pulverization / mixing is not particularly limited, but can be performed using a pulverizer such as a vibration mill, a jet mill, or a ball mill. As a method for forming an electrode using a powdery active material, a doctor blade method, a molding method using a pressure press, or the like can be used.

また、好ましい態様では、導電性材料を含有する場合、当該導電性材料によって活物質を被覆することもできる。かかる被覆を行う方法としては、導電性材料または導電性材料の前駆体を含む液体中に活物質の粉体を浸し、その後熱処理することで当該活物質の粉体表面に導電性材料を析出させる手法が挙げられる。或いは、導電性材料または導電性材料の前駆体を含む気相中に、活物質の粉体を流動させる、必要に応じてその後熱処理を行う手法を用いることも可能である。活物質を導電性材料で被覆することによって、大きな電流を加えた際の容量の低下を抑制し、高負荷特性化において有益である。   Moreover, in a preferable aspect, when an electroconductive material is contained, an active material can also be coat | covered with the said electroconductive material. As a method for performing such coating, the active material powder is immersed in a liquid containing a conductive material or a precursor of the conductive material, and then subjected to heat treatment to deposit the conductive material on the surface of the active material powder. A method is mentioned. Alternatively, it is also possible to use a technique in which a powder of an active material is flowed into a gas phase containing a conductive material or a precursor of a conductive material, and then heat treatment is performed as necessary. By covering the active material with a conductive material, a decrease in capacity when a large current is applied is suppressed, which is beneficial in high load characteristics.

当該被覆に使用可能な導電性材料としては、カーボン、グラファイト、気相成長カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、リン化鉄、導電性酸化物、導電性ポリマー(ポリピロール、ポリアクリロニトリル等)などを用いることができるが、これらに限定されるものではない。   As the conductive material that can be used for the coating, carbon, graphite, vapor-grown carbon fiber, carbon nanotube, iron phosphide, conductive oxide, conductive polymer (polypyrrole, polyacrylonitrile, etc.) and the like can be used. However, it is not limited to these.

結着剤(バインダー)としては、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)、エチレンテトラフルオロエチレン(ETFE)等のフッ素系樹脂;スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、アクリロニトリル−ブタジエンゴム(NBR)等のゴム系結着剤;或いは、ポリエチレン、ポリプロピレンなどを好ましく用いることができる。   Examples of the binder (binder) include fluorine resins such as polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), and ethylenetetrafluoroethylene (ETFE); styrene-butadiene rubber (SBR), acrylonitrile-butadiene. Rubber-based binders such as rubber (NBR); or polyethylene, polypropylene and the like can be preferably used.

電極集電体としては、Al、Ni、Cu、ステンレスなどを用いることができる。電極集電体に電極合剤を担持させる方法としては、加圧成型する方法、または有機溶媒などを用いてペースト化し、電極集電体上に塗工し、乾燥後プレスするなどして固着する方法が挙げられる。ペースト化する場合、電極活物質、導電性材料、結着剤、有機溶媒からなるスラリーを作製する。   As the electrode current collector, Al, Ni, Cu, stainless steel, or the like can be used. As a method of supporting the electrode mixture on the electrode current collector, it is fixed by press molding or pasting using an organic solvent, coating on the electrode current collector, drying and pressing. A method is mentioned. In the case of forming a paste, a slurry composed of an electrode active material, a conductive material, a binder, and an organic solvent is prepared.

本発明の電極材料によって得られる電極は、正極又は負極のいずれとしても用いることができるが、好ましくは正極である。その場合、二次電池の負極としては、当該技術分野において公知の電極構成を用いることができる。   The electrode obtained from the electrode material of the present invention can be used as either a positive electrode or a negative electrode, but is preferably a positive electrode. In that case, a well-known electrode structure in the said technical field can be used as a negative electrode of a secondary battery.

例えば、二次電池がナトリウムイオン電池の場合には、負極としては、電気化学的にナトリウムイオンを吸蔵・放出できる負極活物質を含む電極を用いることができる。このような負極活物質としては、公知のナトリウムイオン二次電池用負極活物質を用いることができ、例えば、ハードカーボン、ソフトカーボン、カーボンブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、活性炭、カーボンナノチューブ、カーボンファイバー、非晶質炭素等の炭素質材料が挙げられる。また、ナトリウムイオン金属、又はナトリウムイオン元素を含む合金、金属酸化物、金属窒化物等を用いることもできる。導電性材料や結着剤等のその他の成分は上述のとおりである。   For example, when the secondary battery is a sodium ion battery, an electrode containing a negative electrode active material capable of electrochemically occluding and releasing sodium ions can be used as the negative electrode. As such a negative electrode active material, known negative electrode active materials for sodium ion secondary batteries can be used. For example, hard carbon, soft carbon, carbon black, ketjen black, acetylene black, activated carbon, carbon nanotube, carbon Examples thereof include carbonaceous materials such as fibers and amorphous carbon. Alternatively, a sodium ion metal or an alloy containing a sodium ion element, a metal oxide, a metal nitride, or the like can be used. Other components such as the conductive material and the binder are as described above.

本発明の電極材料によって得られる電極を負極として用いる場合にも、正極は当該技術分野において公知のものを用いることができる。   Even when the electrode obtained from the electrode material of the present invention is used as a negative electrode, a positive electrode known in the art can be used.

2.二次電池
本発明の電極材料によって得られる電極を含む二次電池は、上記式(I)の酸化物を活物質として含む電極を正極又は負極として、好ましくは正極として備えてなるものである。二次電池は、正極、負極、電解液、セパレータその他の構成物で構成される。
2. Secondary battery A secondary battery including an electrode obtained by the electrode material of the present invention is provided with an electrode containing the oxide of the above formula (I) as an active material as a positive electrode or a negative electrode, preferably as a positive electrode. The secondary battery includes a positive electrode, a negative electrode, an electrolytic solution, a separator, and other components.

(1)電解液
本発明の電極材料によって得られる電極を含む二次電池において、電解液は、公知のものを用いることができる。例えば、ナトリウムイオン電池の場合には、電解液は、ナトリウム塩又はリチウム塩を電解質とするものであれば特に限定されない。例えば、当該電解質となるナトリウム塩としては、例えば、NaClO、NaPF、NaBF、NaNO、NaOH、NaCl、NaCF3SO3、NaN(SO2CF32、NaSO及びNaS等が挙げられる。これらのナトリウム塩は、各々単独で用いることもできるが、2種以上を組み合わせて使用することもできる。
(1) Electrolytic Solution In the secondary battery including the electrode obtained by the electrode material of the present invention, a known electrolytic solution can be used. For example, in the case of a sodium ion battery, the electrolytic solution is not particularly limited as long as it uses a sodium salt or a lithium salt as an electrolyte. For example, examples of the sodium salt used as the electrolyte include NaClO 4 , NaPF 6 , NaBF 4 , NaNO 3 , NaOH, NaCl, NaCF 3 SO 3 , NaN (SO 2 CF 3 ) 2 , Na 2 SO 4 and Na 2. S etc. are mentioned. These sodium salts can be used alone or in combination of two or more.

電解液における溶媒としては、例えばプロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、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、4−トリフルオロメチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、1,2−ジ(メトキシカルボニルオキシ)エタンなどのカーボネート類;1,2−ジメトキシエタン、1,3−ジメトキシプロパン、ペンタフルオロプロピルメチルエーテル、2,2,3,3−テトラフルオロプロピルジフルオロメチルエーテル、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフランなどのエーテル類;ギ酸メチル、酢酸メチル、γ−ブチロラクトンなどのエステル類;アセトニトリル、ブチロニトリルなどのニトリル類;N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミドなどのアミド類;3−メチル−2−オキサゾリドンなどのカーバメート類;スルホラン、ジメチルスルホキシド、1,3−プロパンサルトンなどの含硫黄化合物、あるいは上記の有機溶媒にさらにフッ素置換基を導入したものを用いることができる。これらのうち1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。ただし、これらに限定されるものではない。   Examples of the solvent in the electrolytic solution include propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate, 4-trifluoromethyl-1,3-dioxolane-2- ON, carbonates such as 1,2-di (methoxycarbonyloxy) ethane; 1,2-dimethoxyethane, 1,3-dimethoxypropane, pentafluoropropyl methyl ether, 2,2,3,3-tetrafluoropropyldifluoro Ethers such as methyl ether, tetrahydrofuran and 2-methyltetrahydrofuran; esters such as methyl formate, methyl acetate and γ-butyrolactone; nitriles such as acetonitrile and butyronitrile; N, N-dimethylformamide Amides such as N, N-dimethylacetamide; carbamates such as 3-methyl-2-oxazolidone; sulfur-containing compounds such as sulfolane, dimethyl sulfoxide, 1,3-propane sultone, or the above organic solvents, and further fluorine substitution A group into which a group is introduced can be used. Among these, one type may be used alone, or two or more types may be used in combination. However, it is not limited to these.

また、前記電解液の代わりに、固体電解質を用いることもできる。固体電解質としては、例えばポリエチレンオキサイド系の高分子化合物、ポリオルガノシロキサン鎖もしくはポリオキシアルキレン鎖の少なくとも1種以上を含む高分子化合物などの高分子電解質が挙げられる。また、上記電解液にポリマーを添加してゲル化させた非水ゲル電解質の形態で用いることもできる。本発明のナトリウムイオン二次電池において、固体電解質を用いる場合には、固体電解質が後述のセパレータの役割を果たす場合もあり、その場合には、セパレータを必要としないこともある。   Moreover, a solid electrolyte can be used instead of the electrolytic solution. Examples of the solid electrolyte include polymer electrolytes such as polyethylene oxide polymer compounds, polymer compounds containing at least one polyorganosiloxane chain or polyoxyalkylene chain. Moreover, it can also be used with the form of the non-aqueous gel electrolyte which added and polymerized the said electrolyte solution. In the sodium ion secondary battery of the present invention, when a solid electrolyte is used, the solid electrolyte may serve as a separator described later, and in that case, the separator may not be required.

また、電解液には、その機能の向上等の目的で、必要に応じて他の成分を含むこともできる。他の成分としては、例えば、従来公知の過充電防止剤、脱水剤、脱酸剤、高温保存後の容量維持特性およびサイクル特性を改善するための特性改善助剤が挙げられる。   Further, the electrolytic solution may contain other components as necessary for the purpose of improving the function thereof. Examples of the other components include conventionally known overcharge inhibitors, dehydrating agents, deoxidizing agents, capacity maintenance characteristics after high-temperature storage, and property improvement aids for improving cycle characteristics.

過充電防止剤としては、例えば、ビフェニル、アルキルビフェニル、ターフェニル、ターフェニルの部分水素化体、シクロヘキシルベンゼン、t−ブチルベンゼン、t−アミルベンゼン、ジフェニルエーテル、ジベンゾフラン等の芳香族化合物;2−フルオロビフェニル、o−シクロヘキシルフルオロベンゼン、p−シクロヘキシルフルオロベンゼン等の前記芳香族化合物の部分フッ素化物;2,4−ジフルオロアニソール、2,5−ジフルオロアニソールおよび2,6−ジフルオロアニオール等の含フッ素アニソール化合物が挙げられる。過充電防止剤は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。   Examples of the overcharge inhibitor include aromatic compounds such as biphenyl, alkylbiphenyl, terphenyl, partially hydrogenated terphenyl, cyclohexylbenzene, t-butylbenzene, t-amylbenzene, diphenyl ether, and dibenzofuran; 2-fluoro Partially fluorinated products of the above aromatic compounds such as biphenyl, o-cyclohexylfluorobenzene, p-cyclohexylfluorobenzene; fluorinated anisole such as 2,4-difluoroanisole, 2,5-difluoroanisole and 2,6-difluoroaniol Compounds. An overcharge inhibitor may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together.

電解液が過充電防止剤を含有する場合、電解液中の過充電防止剤の含有量は、0.01〜5質量%であることが好ましい。電解液に過充電防止剤を0.1質量%以上含有させることにより、過充電による二次電池の破裂・発火を抑制することがさらに容易になり、二次電池をより安定に使用できる。   When electrolyte solution contains an overcharge inhibitor, it is preferable that content of the overcharge inhibitor in electrolyte solution is 0.01-5 mass%. By containing 0.1% by mass or more of the overcharge inhibitor in the electrolytic solution, it becomes easier to suppress the rupture / ignition of the secondary battery due to overcharge, and the secondary battery can be used more stably.

脱水剤としては、例えば、モレキュラーシーブス、芒硝、硫酸マグネシウム、水素化カルシウム、水素化ナトリウム、水素化カリウム、水素化リチウムアルミニウム等が挙げられる。本発明の電解液に用いる溶媒は、前記脱水剤で脱水を行った後に精留を行ったものを使用することもできる。また、精留を行わずに前記脱水剤による脱水のみを行った溶媒を使用してもよい。   Examples of the dehydrating agent include molecular sieves, mirabilite, magnesium sulfate, calcium hydride, sodium hydride, potassium hydride, lithium aluminum hydride and the like. As the solvent used in the electrolytic solution of the present invention, a solvent obtained by performing rectification after dehydrating with the above dehydrating agent may be used. Moreover, you may use the solvent which performed only the dehydration by the said dehydrating agent, without performing rectification.

高温保存後の容量維持特性やサイクル特性を改善するための特性改善助剤としては、例えば、無水コハク酸、無水グルタル酸、無水マレイン酸、無水シトラコン酸、無水グルタコン酸、無水イタコン酸、無水ジグリコール酸、シクロヘキサンジカルボン酸無水物、シクロペンタンテトラカルボン酸二無水物、フェニルコハク酸無水物等のカルボン酸無水物;エチレンサルファイト、1,3−プロパンスルトン、1,4−ブタンスルトン、メタンスルホン酸メチル、ブスルファン、スルホラン、スルホレン、ジメチルスルホン、ジフェニルスルホン、メチルフェニルスルホン、ジブチルジスルフィド、ジシクロヘキシルジスルフィド、テトラメチルチウラムモノスルフィド、N,N−ジメチルメタンスルホンアミド、N,N−ジエチルメタンスルホンアミド等の含硫黄化合物;1−メチル−2−ピロリジノン、1−メチル−2−ピペリドン、3−メチル−2−オキサゾリジノン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、N−メチルスクシイミド等の含窒素化合物;ヘプタン、オクタン、シクロヘプタン等の炭化水素化合物;フルオロ炭酸エチレン(FEC)、フルオロベンゼン、ジフルオロベンゼン、ヘキサフルオロベンゼン、ベンゾトリフルオライド等の含フッ素芳香族化合物が挙げられる。これら特性改善助剤は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。電解液が特性改善助剤を含有する場合、電解液中の特性改善助剤の含有量は、0.01〜5質量%であることが好ましい。   Examples of the characteristic improvement aid for improving capacity maintenance characteristics and cycle characteristics after high-temperature storage include succinic anhydride, glutaric anhydride, maleic anhydride, citraconic anhydride, glutaconic anhydride, itaconic anhydride, dihydrate Carboxylic anhydride such as glycolic acid, cyclohexanedicarboxylic anhydride, cyclopentanetetracarboxylic dianhydride, phenylsuccinic anhydride; ethylene sulfite, 1,3-propane sultone, 1,4-butane sultone, methanesulfonic acid Methyl, busulfan, sulfolane, sulfolene, dimethylsulfone, diphenylsulfone, methylphenylsulfone, dibutyldisulfide, dicyclohexyldisulfide, tetramethylthiuram monosulfide, N, N-dimethylmethanesulfonamide, N, N-diethylmethanes Sulfur-containing compounds such as honamide; 1-methyl-2-pyrrolidinone, 1-methyl-2-piperidone, 3-methyl-2-oxazolidinone, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, N-methylsuccinimide, etc. Nitrogen compounds; hydrocarbon compounds such as heptane, octane, cycloheptane; fluorine-containing aromatic compounds such as fluorocarbonic acid ethylene (FEC), fluorobenzene, difluorobenzene, hexafluorobenzene, and benzotrifluoride. These characteristic improvement aids may be used alone or in combination of two or more. When the electrolytic solution contains a property improving aid, the content of the property improving aid in the electrolytic solution is preferably 0.01 to 5% by mass.

(2)セパレータ
本発明の二次電池において用いられるセパレータとしては、正極層と負極層とを電気的に分離する機能を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えばポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエステル、セルロース、ポリアミド等の樹脂からなる多孔質シートや、不織布、ガラス繊維不織布等の不織布等の多孔質絶縁材料等を挙げることができる。
(2) Separator The separator used in the secondary battery of the present invention is not particularly limited as long as it has a function of electrically separating the positive electrode layer and the negative electrode layer. For example, polyethylene (PE) Examples thereof include a porous sheet made of a resin such as polypropylene (PP), polyester, cellulose, and polyamide, and a porous insulating material such as a nonwoven fabric such as a nonwoven fabric and a glass fiber nonwoven fabric.

(3)形状等
本発明の二次電池の形状は、正極、負極、及び電解液を収納することができれば特に限定されるものではないが、例えば、円筒型、コイン型、平板型、ラミネート型等を挙げることができる。また、電池を収納するケースは、大気開放型の電池ケースであっても良く、密閉型の電池ケースであっても良い。
(3) Shape, etc. The shape of the secondary battery of the present invention is not particularly limited as long as it can accommodate a positive electrode, a negative electrode, and an electrolytic solution. For example, a cylindrical type, a coin type, a flat plate type, a laminate type Etc. Further, the case for storing the battery may be an open-air battery case or a sealed battery case.

なお、本発明の二次電池は、二次電池としての用途に好適ではあるが、一次電池として用いることを除外するものではない。   In addition, although the secondary battery of this invention is suitable for the use as a secondary battery, using as a primary battery is not excluded.

以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらによって限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited by these.

1.酸化物の合成
クエン酸を含むメタノールへFe、およびNbを溶解して室温で30分撹拌、更にエチレングリコールを加え80℃で5時間撹拌し、その後、350℃で3時間、500℃で5時間焼成することで、α-PbO2型FeNbOを得た。
1. Synthesis of oxides Fe and Nb were dissolved in methanol containing citric acid and stirred at room temperature for 30 minutes. Further, ethylene glycol was added and stirred at 80 ° C for 5 hours, then 350 ° C for 3 hours and 500 ° C for 5 hours. By firing, α-PbO 2 type FeNbO 4 was obtained.

得られた酸化物の粉末X線回折パターンを測定した結果を図1に示す。その結果、α-PbO2型FeNbOの結晶構造からシミュレートされる回折パターンと一致し、α-PbO2型FeNbOが合成されたことが確認された。また、ブロードな回折ピークから、結晶子サイズが小さなナノ粒子であることが示唆された。また、走査型電子顕微鏡像(SEM像)を測定したところ、微小な凝集体であることが確認され、粉末X線回折のブロードな回折ピークの結果と整合するものであった(図2)。 The result of having measured the powder X-ray-diffraction pattern of the obtained oxide is shown in FIG. As a result, alpha-PbO from the crystal structure of type 2 FeNbO 4 coincides with the diffraction pattern simulated, alpha-PbO 2 type FeNbO 4 that was synthesized was confirmed. Moreover, it was suggested from the broad diffraction peak that it is a nanoparticle with a small crystallite size. Further, when a scanning electron microscope image (SEM image) was measured, it was confirmed to be a fine aggregate, which was consistent with the result of a broad diffraction peak of powder X-ray diffraction (FIG. 2).

2.電気化学特性の評価
得られたFeNbOを用いて、アセチレンブラック10wt%、ポリフッ化ビニリデン5wt%と混合することで、ナトリウムイオン電池用電極を作成した。電解液には、1MのNaPF/エチレンカーボネート−ジエチルカーボネート(体積比1:1)の電解液を用いた。負極/参照極には、反応電圧を正確に記録するためにナトリウム金属を用いた。
2. Evaluation of electrochemical characteristics The obtained FeNbO 4 was mixed with acetylene black 10 wt% and polyvinylidene fluoride 5 wt% to prepare a sodium ion battery electrode. As the electrolytic solution, an electrolytic solution of 1M NaPF 6 / ethylene carbonate-diethyl carbonate (volume ratio of 1: 1) was used. For the negative electrode / reference electrode, sodium metal was used to accurately record the reaction voltage.

まず、10mA/g(活物質)の定電流での充放電試験を行ったところ、初回の還元電流印加時には低電位での電解液の分解、界面層(安定表面被膜)の形成が見られた(図3a)。その後は、FeNbOに対して0.6eに相当する充放電容量を示し、可逆的な電極として機能することを確認した。 First, when a charge / discharge test was conducted at a constant current of 10 mA / g (active material), decomposition of the electrolyte solution at a low potential and formation of an interface layer (stable surface coating) were observed when the first reduction current was applied. (Figure 3a). Thereafter, 0.6E respect FeNbO 4 - shows the charge-discharge capacity corresponding to, was confirmed to function as reversible electrodes.

また、80回の充放電サイクルを繰り返しても充放電容量は減少せず、安定な電極反応であることが確認された(図3)。ここで得られた充放電容量は、酸化物イオンの挿入・脱離による電極反応であると考えられる。   Moreover, even if it repeated 80 times charging / discharging cycles, charging / discharging capacity | capacitance did not reduce and it was confirmed that it is a stable electrode reaction (FIG. 3). The charge / discharge capacity obtained here is considered to be an electrode reaction due to insertion / desorption of oxide ions.

次に、電極反応機構を明らかにするために、充放電時の電子状態変化を57Feメスバウアー分光法による測定を行った(図4)。その結果、充放電に伴って、60%のFeが、Fe3+/Fe2+のの酸化還元反応を示すことが確認された。すなわち、図3aで得られた0.6eに相当する可逆な充放電容量は、FeNbO中におけるFeの酸化還元が担っていることが分かった。 Next, in order to clarify the electrode reaction mechanism, the change in the electronic state during charge / discharge was measured by 57 Fe Mossbauer spectroscopy (FIG. 4). As a result, it was confirmed that 60% of Fe exhibited a redox reaction of Fe 3+ / Fe 2+ with charge / discharge. That is, it was found that the reversible charge / discharge capacity corresponding to 0.6e obtained in FIG. 3a is responsible for the oxidation and reduction of Fe in FeNbO 4 .

さらに、充放電中のX線回折パターンを測定し、その構造変化を検証した。得られた結果を図5に示す。その結果、充放電に伴って回折ピークがシフトし、固溶状態で電極反応が進行していることが確認された。その際の格子体積変化は、6%程度であった。   Furthermore, the X-ray diffraction pattern during charge / discharge was measured to verify the structural change. The obtained results are shown in FIG. As a result, it was confirmed that the diffraction peak shifted with charge / discharge, and the electrode reaction proceeded in a solid solution state. The lattice volume change at that time was about 6%.

充放電に伴いNaOの生成・消滅を確認するため、O1sXPSスペクトルを測定した。その結果、得られた電極反応が、ナトリウムイオン挿入によるものではなく、酸化物イオンの挿入・脱離によるものであることが確認された。1Vまで還元電流を印加した場合、NaOに対応する528eVのピークが明瞭に確認され、また、4.0Vまで酸化したところ、NaOのピーク強度は低下した。この結果は、酸化物イオンが可動イオンとして機能し、
2xNa+2xe+FeNbO ⇔ (NaO)(FeNbO4―x
の反応が生じていることを示すものである。
In order to confirm the generation and disappearance of Na 2 O along with charge and discharge, an O1sXPS spectrum was measured. As a result, it was confirmed that the obtained electrode reaction was not due to insertion of sodium ions, but due to insertion / extraction of oxide ions. When a reduction current was applied to 1 V, a peak of 528 eV corresponding to Na 2 O was clearly confirmed, and when it was oxidized to 4.0 V, the peak intensity of Na 2 O was lowered. This result shows that oxide ions function as mobile ions,
2 × Na + + 2xe + FeNbO 4 ⇔ (Na 2 O) x (FeNbO 4−x )
It is shown that the reaction is occurring.

以上の実施例は、α-PbO2型構造を有する式(I)の酸化物を活物質として用いることで、ナトリウムイオンの挿入脱離に立脚せずに、酸化物イオンの挿入脱離という全く新しい電極反応によって安定な可逆容量が得られ、ナトリウムイオン電池を達成できることを実証するものである。 In the above examples, the oxide of formula (I) having an α-PbO 2 type structure is used as an active material, so that the insertion and desorption of oxide ions can be completely performed without being based on the insertion and desorption of sodium ions. This demonstrates that a new electrode reaction can provide a stable reversible capacity and achieve a sodium ion battery.

Claims (7)

以下の式(I):
MXO (I)
(式中、Mは、V、Cr、Mn、Fe、又はCoであり;Xは、Nb、Mo、Ru、Rh、又はPdである。)で表される組成を有する酸化物を含む、電極材料。
The following formula (I):
MXO 4 (I)
(Wherein M is V, Cr, Mn, Fe, or Co; X is Nb, Mo, Ru, Rh, or Pd), and an electrode including an oxide having a composition represented by: material.
前記酸化物がα-PbO2型構造を有する、請求項1に記載の電極材料。 The electrode material according to claim 1, wherein the oxide has an α-PbO 2 type structure. Mが、Feである、請求項1又は2に記載の電極材料。 The electrode material according to claim 1, wherein M is Fe. Xが、Nbである、請求項1〜3のいずれか1に記載の電極材料。 The electrode material according to claim 1, wherein X is Nb. 請求項1〜4のいずれか1に記載の電極材料を含み、前記酸化物を電極活物質とすることを特徴とする、二次電池用電極。 An electrode for a secondary battery comprising the electrode material according to claim 1, wherein the oxide is an electrode active material. 請求項5に記載の電極を正極又は負極として含む二次電池。 A secondary battery comprising the electrode according to claim 5 as a positive electrode or a negative electrode. ナトリウムイオン電池である、請求項6に記載の二次電池。 The secondary battery according to claim 6 which is a sodium ion battery.
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