JP2018098172A - Secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、二次電池に関する。本開示は、特に、アルカリ土類金属二次電池に関する。 The present disclosure relates to a secondary battery. The present disclosure particularly relates to alkaline earth metal secondary batteries.
近年、アルカリ土類金属二次電池の実用化が期待されている。例えば、マグネシウム二次電池は、従来のリチウムイオン電池に比べて、高い理論容量密度を有する。 In recent years, practical use of alkaline earth metal secondary batteries is expected. For example, a magnesium secondary battery has a higher theoretical capacity density than a conventional lithium ion battery.
特許文献1は、一般式:MgMSiO4(ただし、Mは、Fe、Cr、Mn、Co、及びNiのうち少なくとも1種である)で表されるマグネシウム化合物を正極活物質として有するマグネシウム二次電池を開示している。
本開示は、アルカリ土類金属二次電池において、電解液の分解を抑制できる技術を提供する。 The present disclosure provides a technique capable of suppressing decomposition of an electrolytic solution in an alkaline earth metal secondary battery.
本開示の一態様に係る二次電池は、第1の電極と、第2の電極と、前記第1の電極を覆い、アルカリ土類金属を含有する第1の固体電解質と、前記第1の電極及び前記第2の電極の間の空間に充填され、非水溶媒と前記非水溶媒に溶解した前記アルカリ土類金属の塩とを含有する電解液と、を備える。 A secondary battery according to one embodiment of the present disclosure includes a first electrode, a second electrode, a first solid electrolyte that covers the first electrode and contains an alkaline earth metal, and the first electrode. An electrolytic solution that fills a space between the electrode and the second electrode and contains a nonaqueous solvent and the alkaline earth metal salt dissolved in the nonaqueous solvent.
本開示の一態様によれば、アルカリ土類金属二次電池において、電解液の分解が抑制されうる。 According to one embodiment of the present disclosure, in an alkaline earth metal secondary battery, decomposition of the electrolytic solution can be suppressed.
(本開示の基礎となった知見)
マグネシウム二次電池のエネルギー密度を向上させる技術の1つとして、種々の正極材料が報告されている。例えば、特許文献1は、正極材料として、MgMSiO4(ただし、Mは、Fe、Cr、Mn、Co、及びNiのうち少なくとも1種である)で表されるマグネシウム化合物を開示している。
(Knowledge that became the basis of this disclosure)
Various positive electrode materials have been reported as one technique for improving the energy density of a magnesium secondary battery. For example,
マグネシウムの標準電極電位は、−2.36Vである。この値は、リチウムの標準電極電位−3.05Vよりも貴である。そのため、マグネシウム二次電池の電解液には、従来のリチウムイオン二次電池の電解液に比べて、より高い耐酸化性が要求される。例えば、マグネシウム基準における4.00Vの充電電位は、リチウム基準における4.69Vの充電電位に相当する。この充電電位は、従来のリチウムイオン二次電池であれば電解液が酸化分解されるほどの高い電位である。したがって、マグネシウム基準における正極の充電電位が4Vを超える場合には、従来のリチウムイオン二次電池で想定されうる範囲を超えるような、より高い耐酸化性が要求される。しかしながら、マグネシウム二次電池において、そのような要求を満たす電解液は少ない。特に、充電時に正極の電位が4Vを越えるような場合に、そのような要求を満たす電解液は報告されていない。 The standard electrode potential of magnesium is -2.36V. This value is more noble than the standard electrode potential of lithium -3.05V. Therefore, higher oxidation resistance is required for the electrolyte solution of the magnesium secondary battery than the electrolyte solution of the conventional lithium ion secondary battery. For example, a charge potential of 4.00 V on a magnesium basis corresponds to a charge potential of 4.69 V on a lithium basis. In the case of a conventional lithium ion secondary battery, this charging potential is high enough that the electrolytic solution is oxidatively decomposed. Therefore, when the charge potential of the positive electrode on a magnesium basis exceeds 4 V, higher oxidation resistance is required that exceeds the range that can be assumed for a conventional lithium ion secondary battery. However, there are few electrolyte solutions that satisfy such requirements in magnesium secondary batteries. In particular, when the potential of the positive electrode exceeds 4 V during charging, no electrolytic solution that satisfies such a requirement has been reported.
本発明者らは、正極と電解液の間、及び/又は、負極と電解液の間における電子の授受によって電解液が分解することに着目し、電子の授受を抑制する手段を検討した。これまで、本発明者らは、過去に報告がなされていなかった、マグネシウムイオンのイオン伝導性を有する固体電解質薄膜の開発に成功している(例えば、特願2016−161513、特願2017−139362、特願2017−139363)。今回、本発明者らは、これらの固体電解質薄膜が、マグネシウムイオンの移動を許容しながら、電子の移動をブロックできる性質を有することを見出し、以下に説明される二次電池に想到した。 The inventors focused on the fact that the electrolytic solution is decomposed by the exchange of electrons between the positive electrode and the electrolytic solution and / or between the negative electrode and the electrolytic solution, and studied means for suppressing the exchange of electrons. Until now, the present inventors have succeeded in developing a solid electrolyte thin film having ion conductivity of magnesium ions, which has not been reported in the past (for example, Japanese Patent Application Nos. 2006-161513 and 2017-139362). Japanese Patent Application No. 2017-139363). The present inventors have found that these solid electrolyte thin films have the property of blocking the movement of electrons while allowing the movement of magnesium ions, and have come up with the secondary battery described below.
なお、以上の説明は、本開示に係る二次電池を、マグネシウム二次電池に限定するものではない。他のアルカリ土類金属(例えば、Ca、Sr、又はBa)の標準電極電位も、リチウムの標準電極電位よりもやや貴であるため、本開示は、アルカリ土類金属二次電池に適用されうる。例えば、以下に例示される種々の材料において、マグネシウムを他のアルカリ土類金属に適宜置き換えることができる。また、アルミニウムの標準電極電位も、リチウムイオンの標準電極電位よりも貴であるため、本開示は、アルミニウム二次電池にも適用されうる。 In addition, the above description does not limit the secondary battery which concerns on this indication to a magnesium secondary battery. Since the standard electrode potential of other alkaline earth metals (for example, Ca, Sr, or Ba) is also slightly more noble than the standard electrode potential of lithium, the present disclosure can be applied to alkaline earth metal secondary batteries. . For example, in various materials exemplified below, magnesium can be appropriately replaced with another alkaline earth metal. In addition, since the standard electrode potential of aluminum is more noble than the standard electrode potential of lithium ions, the present disclosure can be applied to an aluminum secondary battery.
(図面及び用語の定義)
本開示は、特定の実施形態に関して図面を参照して説明するが、本開示はこれに限定されず、請求項によってのみ限定される。図面は、概略的かつ非限定的なものに過ぎない。図面において、いくつかの構成要素のサイズ及び形状は、説明目的のために誇張されることや、縮尺どおり描写されていないことがある。寸法及び相対寸法は、本開示の実際の具体化に必ずしも対応しない。
(Definition of drawings and terms)
The present disclosure will be described with respect to particular embodiments and with reference to the drawings but the disclosure is not limited thereto but only by the claims. The drawings are only schematic and non-limiting. In the drawings, the size and shape of some of the components may be exaggerated for illustrative purposes and not drawn to scale. The dimensions and relative dimensions do not necessarily correspond to the actual implementation of the present disclosure.
本開示において、用語「第1の」及び「第2の」は、時間的又は空間的な順番を記述するためではなく、類似の構成要素を区別するために使用されている。したがって、「第1の」及び「第2の」は、適宜交換可能である。 In this disclosure, the terms “first” and “second” are used to distinguish similar components, not to describe temporal or spatial order. Therefore, “first” and “second” can be exchanged as appropriate.
本開示において、用語「上(top)」、「下(bottom)」等は、説明目的で使用しており、必ずしも相対的な位置を記述していない。これらの用語は、適切な状況下で交換可能であり、種々の実施形態は、ここで説明または図示した以外の他の向きで動作可能である。 In this disclosure, the terms “top”, “bottom”, etc. are used for illustrative purposes and do not necessarily describe relative positions. These terms are interchangeable under appropriate circumstances, and the various embodiments can operate in other orientations than those described or illustrated herein.
本開示において、用語「Yの上に配置されたX(X disposed on Y)」は、XがYと接した位置にあることを意味しており、XとYとの相対的な位置関係を特定の向きに限定するものではない。 In the present disclosure, the term “X disposed on Y” means that X is in a position in contact with Y, and the relative positional relationship between X and Y is expressed as follows. It is not limited to a specific orientation.
本開示において説明される構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。 Among the constituent elements described in the present disclosure, constituent elements that are not described in the independent claims indicating the highest concept are described as optional constituent elements.
(第1の実施形態)
[1.二次電池の構成]
図1は、第1の実施形態に係る二次電池100の構成を示す模式的な断面図である。
(First embodiment)
[1. Configuration of secondary battery]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the
二次電池100は、正極10と、負極20と、電解液30と、固体電解質層40とを備える。負極20は正極10に離間して対向している。固体電解質層40は、正極10を覆っている。電解液30は、正極10と負極20の間の空間に充填されている。二次電池100は、アルカリ土類金属イオンが正極10と負極20の間を移動することによって、充放電する。
The
二次電池100は、例えば、固体電解質層40と負極20とを隔てるセパレータ(図示せず)をさらに備えてもよい。この場合、電解液30は、セパレータの内部に含浸されていてもよい。
The
二次電池100の形状は、図1に示される例に限定されず、例えば、シート型、コイン型、ボタン型、積層型、円筒型、偏平型、又は角型であってもよい。
The shape of the
[2.正極]
正極10は、正極集電体11と正極活物質層12とを含む。正極活物質層12は、正極集電体11の上に配置され、複数の正極活物質粒子13を含む。言い換えると、複数の正極活物質粒子13が、正極集電体11の上に配置されている。正極活物質層12の上面は、複数の正極活物質粒子13によって画定される凹凸面である。
[2. Positive electrode]
The
正極集電体11は、例えば、金属シート又は金属フィルムである。正極集電体11は、多孔質であってもよく、無孔であってもよい。金属材料の例として、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、チタン、及びチタン合金が挙げられる。正極集電体11の表面にカーボンなどの炭素材料が塗布されてもよい。あるいは、正極集電体11は、透明導電膜であってもよい。透明導電膜の例としては、インジウム・スズ酸化物(ITO)、インジウム・亜鉛酸化物(IZO)、フッ素ドープ酸化スズ(FTO)、アンチモンドープ酸化スズ(ATO)、酸化インジウム(In2O3)、酸化スズ(SnO2)、及び、Alを含有する亜鉛酸化物が挙げられる。
The positive electrode
正極活物質粒子13は、例えば、アルカリ土類金属と遷移金属とを含有する金属酸化物、アルカリ土類金属と遷移金属とを含有する金属硫化物、アルカリ土類金属と遷移金属を含有するポリアニオン塩化合物、及び、アルカリ土類金属と遷移金属を含有するフッ素化ポリアニオン塩化合物から選択される少なくとも1種を含み、アルカリ土類金属は、例えば、Mg、Ca、Sr及びBaから選択される少なくとも1種であり、遷移金属は、例えば、Mn、Co、Cr、V、Ni及びFeから選択される。これらの材料は、アルカリ土類金属イオンを吸蔵及び放出しうる。
The positive electrode
二次電池100がマグネシウム二次電池の場合、正極活物質粒子13の材料の例としては、MgM2O4(ただし、Mは、Mn、Co、Cr、Ni及びFeから選択される少なくとも1種である)、MgMO2(ただし、Mは、Mn、Co、Cr、Ni及びAlから選択される少なくとも1種である)、MgMSiO4(ただし、Mは、Mn、Co、Ni及びFeから選択される少なくとも1種である)、及びMgxMyAOzFw(ただし、Mは、遷移金属、Sn、Sb又はInであり、Aは、P、Si又はSであり、0<x≦2、0.5≦y≦1.5、zは3又は4、0.5≦w≦1.5)が挙げられる。
When the
二次電池100がカルシウム二次電池の場合、正極活物質粒子13の材料の例としては、CaM2O4及びCaMO2(ただし、Mは、Mn、Co、Ni及びAlから選択される少なくとも1種である)が挙げられる。
When the
なお、正極活物質粒子13は、上記の材料に限定されず、例えば、アルカリ土類金属を含有していなくてもよい。例えば、正極活物質粒子13は、フッ化黒鉛、金属酸化物、又は金属ハロゲン化物であってもよい。金属酸化物及び金属ハロゲン化物は、例えば、スカンジウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、及び亜鉛から選択される少なくとも1種を含有してもよい。例えば、正極活物質粒子13は、Mo6S8のような硫化物であってもよく、Mo9Se11のようなカルコゲナイド化合物であってもよい。
The positive electrode
正極活物質粒子13は、例えば、アルカリ土類金属に対する電極電位が+4Vよりも大きくなるような材料であってもよい。この場合、二次電池100は、後述するように電解液30の酸化分解を抑止しながら、4V超の容量を実現することができる。このような材料の例として、二次電池100がマグネシウム二次電池の場合には、MgNiSiO4、及びMgCoSiO4が挙げられる。
The positive electrode
正極活物質層12は、上記の材料に加えて、必要に応じて、導電材及び/又は結着材が添加されていてもよい。
In addition to the above materials, the positive electrode
導電材の例として、炭素材料、金属、及び導電性高分子が挙げられる。炭素材料の例としては、天然黒鉛(例えば塊状黒鉛、鱗片状黒鉛)や人造黒鉛などの黒鉛、アセチレンブラック、カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンウィスカ、ニードルコークス、及び、炭素繊維が挙げられる。金属の例としては、銅、ニッケル、アルミニウム、銀、及び金が挙げられる。これらの材料は単独で用いられてもよいし、複数種が混合されて用いられてもよい。 Examples of the conductive material include a carbon material, a metal, and a conductive polymer. Examples of the carbon material include graphite such as natural graphite (eg, lump graphite, flake graphite) and artificial graphite, acetylene black, carbon black, ketjen black, carbon whisker, needle coke, and carbon fiber. Examples of metals include copper, nickel, aluminum, silver, and gold. These materials may be used alone, or a plurality of types may be mixed and used.
結着材の例としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、エチレンプロピレンジエンモノマー(EPDM)ゴム、スルホン化EPDMゴム、並びに、天然ブチルゴム(NBR)が挙げられる。これらの材料は単独で用いられてもよいし、複数種が混合されて用いられてもよい。結着材は、例えば、セルロース系やスチレンブタジエンゴム(SBR)の水分散体であってもよい。 Examples of the binder include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), fluorine-containing resins such as fluorine rubber, thermoplastic resins such as polypropylene and polyethylene, ethylene propylene diene monomer (EPDM) rubber, sulfone. EPDM rubber, and natural butyl rubber (NBR). These materials may be used alone, or a plurality of types may be mixed and used. The binder may be, for example, an aqueous dispersion of cellulose or styrene butadiene rubber (SBR).
正極活物質粒子13、導電材、及び、結着材を分散させる溶剤の例としては、N−メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、アクリル酸メチル、ジエチレントリアミン、N,N−ジメチルアミノプロピルアミン、エチレンオキシド、及びテトラヒドロフランが挙げられる。例えば、分散剤に増粘剤を加えてもよい。増粘剤の例としては、カルボキシメチルセルロース、及び、メチルセルロースが挙げられる。
Examples of the solvent for dispersing the positive electrode
正極10は、例えば、次のように形成される。まず、正極活物質粒子13と導電材と結着材とが混合される。次に、この混合物に適当な溶剤が加えられ、これによりペースト状の正極合材が得られる。次に、この正極合材が正極集電体11の表面に塗布され、乾燥される。これにより、正極10が得られる。なお、乾燥された正極合材は、電極密度を高めるために、正極集電体11とともに圧延されてもよい。
The
正極10は、薄膜状であってもよい。正極10の膜厚は、例えば、500ナノメートル以上、20マイクロメートル以下であってもよい。
The
[3.負極]
負極20は、負極集電体21と負極活物質層22とを含む。負極活物質層22は、負極集電体21の上に配置され、複数の負極活物質粒子23を含む。言い換えると、複数の負極活物質粒子23が、負極集電体21の上に配置されている。負極活物質層22の下面は、複数の負極活物質粒子23によって画定される凹凸面である。
[3. Negative electrode]
The
負極集電体21は、例えば、金属シート又は金属フィルムである。負極集電体21は、多孔質であってもよく、無孔であってもよい。金属材料の例として、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、チタン、及びチタン合金が挙げられる。負極集電体21の表面にカーボンなどの炭素材料が塗布されてもよい。
The negative electrode
負極活物質粒子23の例としては、金属、炭素、金属酸化物、炭素層間化合物、及び硫化物が挙げられる。負極活物質粒子23は、例えば、アルカリ土類金属、または、アルカリ土類金属を含有する合金を含有する。あるいは、負極活物質粒子23は、アルカリ土類金属イオンを吸蔵及び放出しうる材料であってもよい。
Examples of the negative electrode
二次電池100がマグネシウム二次電池の場合、負極活物質粒子23の材料の例としては、マグネシウム、スズ、ビスマス、アンチモン、及びマグネシウム合金が挙げられる。マグネシウム合金は、例えば、マグネシウムと、スズ、ビスマス、チタン、マンガン、鉛、アンチモン、アルミニウム、シリコン、ガリウム、及び亜鉛から選択される少なくとも1種とを含有する。
When the
二次電池100がカルシウム二次電池の場合、負極活物質粒子23の材料の例としては、カルシウム、及びカルシウム合金が挙げられる。
When the
なお、負極活物質層22は、上記の材料に加えて、必要に応じて、導電材及び/又は結着材が添加されていてもよい。負極活物質層22における導電材、結着材、溶剤および増粘剤は、正極活物質層12について説明した材料を適宜利用することができる。
In addition to the above materials, the negative electrode
負極20は、上述の正極10の形成方法と同様の方法によって形成されうる。
The
負極20は、薄膜状であってもよい。負極20の膜厚は、例えば、500ナノメートル以上、20マイクロメートル以下であってもよい。
The
[4.固体電解質層]
固体電解質層40は、正極活物質層12上に配置された1つの層であり、複数の正極活物質粒子13を一括して覆っている。固体電解質層40は、複数の正極活物質粒子13によって画定される凹凸面に沿って形成されている。
[4. Solid electrolyte layer]
The
固体電解質層40は、アルカリ土類金属を含有し、電場に応じてアルカリ土類金属イオンを移動させうる。一方で、固体電解質層40は、正極活物質粒子13と電解液30との間の電子の移動をブロックする。
The
固体電解質層40は、無機固体電解質で構成される。固体電解質層40は、アルカリ土類金属に加えて、酸素及び窒素の少なくとも一方とリン及びケイ素の少なくとも一方とから構成されるポリアニオンを含有してもよい。
The
二次電池100がマグネシウム二次電池の場合、固体電解質層40の材料の例としては、窒化リン酸マグネシウム、MgxSiOyNz(ただし、1<x<2、3<y<5、0≦z<1)、MgxMySiOz(ただし、MはTi、Zr、Hf、Ca、Sr及びBaからなる群から選択される少なくとも1種であり、0<x<2、0<y<2、3<z<6)、Mg2-1.5xAlxSiO4(ただし、0.1≦x≦1)、Mg2-1.5x-0.5yAlx-yZnySiO4(ただし、0.5≦x≦1、0.5≦y≦0.9、x−y≧0、x+y≦1)、MgZr4(PO4)6、MgMPO4(ただし、Mは、Zr、Nb及びHfから選択される少なくとも1種である)、Mg1-xAxM(M’O4)3(ただし、Aは、Ca、Sr、Ba及びRaから選択される少なくとも1種であり、Mは、Ze及びHfから選択される少なくとも1種であり、M’は、W及びMoから選択される少なくとも1種であり、0≦x<1)、及びMg(BH4)(NH2)が挙げられる。
When the
固体電解質層40は、例えば、窒化リン酸マグネシウム、または、MgxMySiOz(ただし、MはTi、Zr、Hf、Ca、Sr及びBaからなる群から選択される少なくとも1種であり、0<x<2、0<y<2、3<z<6)を含有してもよい。これらの材料は、比較的高い伝導度を示すため、充放電反応を律速することなく、電解液30の分解を抑制することができる。さらに伝導度を高めるため、固体電解質層40は、例えば、窒化リン酸マグネシウム、または、MgxCaySiOz(0<x<2、0<y<2、3<z<6)を含有してもよい。あるいは、活性化エネルギーの低さの観点から、固体電解質層40は、例えば、MgxMySiOz(ただし、MはZrまたはCa、0<x<2、0<y<2、3<z<6)を含有してもよい。
The
なお、各材料の詳細な説明として、本開示に対して、特願2016−161513、特願2017−139362、および特願2017−139363を参照によって組み込む。 As a detailed description of each material, Japanese Patent Application No. 16-161513, Japanese Patent Application No. 2017-139362, and Japanese Patent Application No. 2017-139363 are incorporated by reference into the present disclosure.
二次電池100がその他のアルカリ土類金属二次電池である場合、固体電解質層40の材料の例としては、AM(M’O4)3(ただし、Aは、Ca、Sr、Ba及びRaから選択される少なくとも1種であり、Mは、Ze及びHfから選択される少なくとも1種であり、M’は、W及びMoから選択される少なくとも1種である)が挙げられる。
When the
固体電解質層40は、例えば、物理堆積法又は化学堆積法によって形成されうる。物理堆積法の例としては、スパッタリング法、真空蒸着法、イオンプレーティング法、及びパルスレーザ堆積(PLD)法が挙げられる。化学堆積法の例としては、原子層堆積法(ALD)、化学気相蒸着(CVD)法、液相成膜法、ゾル‐ゲル法、金属有機化合物分解(MOD)法、スプレイ熱分解(SPD)法、ドクターブレイド法、スピンコート法、及び、印刷技術が挙げられる。CVD法の例としては、プラズマCVD法、熱CVD法、及びレーザCVD法が挙げられる。液相成膜法は、例えば湿式メッキであり、湿式メッキの例としては、電解メッキ、浸漬メッキ、及び無電解メッキが挙げられる。印刷技術の例としては、インクジェット法及びスクリーンプリンティングが挙げられる。
The
固体電解質層40は、例えば、アニールレスで形成されうる。そのため、製造方法を簡素化でき、製造コストを低減でき、歩留まりを向上できる。
The
固体電解質層40は、結晶体であってもよく、非晶質体であってもよい。固体電解質層40の膜厚は、例えば、200ナノメートル以下であってもよい。固体電解質層40が非晶質の超薄膜である場合、その膜厚は、例えば、1ナノメートル以上、かつ、3ナノメートル以下であってもよい。加えて、固体電解質層40が非晶質体である場合、固体電解質層40を正極活物質層12の凹凸面に沿って形成しやすくなる。
The
[5.電解液]
電解液30は、正極10と負極20の間の空間に充填されている。電解液30は、さらに、複数の正極活物質粒子13の間の間隙を充填していてもよく、複数の負極活物質粒子23の間の間隙を充填していてもよい。
[5. Electrolyte]
The
電解液30は、非水溶媒中にアルカリ土類金属塩が溶解した液体であり、電場に応じてアルカリ土類金属イオンを移動させうる。
The
非水溶媒の材料の例としては、環状エーテル、鎖状エーテル、環状炭酸エステル、鎖状炭酸エステル、環状カルボン酸エステル、鎖状カルボン酸エステル、ピロ炭酸エステル、リン酸エステル、ホウ酸エステル、硫酸エステル、亜硫酸エステル、環状スルホン、鎖状スルホン、ニトリル、及びスルトンが挙げられる。 Examples of non-aqueous solvent materials include cyclic ethers, chain ethers, cyclic carbonates, chain carbonates, cyclic carboxylic esters, chain carboxylic esters, pyrocarbonates, phosphate esters, borate esters, sulfuric acid Examples include esters, sulfites, cyclic sulfones, chain sulfones, nitriles, and sultone.
環状エーテルの例としては、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、プロピレンオキシド、1,2−ブチレンオキシド、1,4−ジオキサン、1,3,5−トリオキサン、フラン、2−メチルフラン、1,8−シネオール、クラウンエーテル、及びこれらの誘導体が挙げられる。鎖状エーテルの例としては、1,2−ジメトキシエタン、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ジブチルエーテル、ジヘキシルエーテル、エチルビニルエーテル、ブチルビニルエーテル、メチルフェニルエーテル、エチルフェニルエーテル、ブチルフェニルエーテル、ペンチルフェニルエーテル、メトキシトルエン、ベンジルエチルエーテル、ジフェニルエーテル、ジベンジルエーテル、o−ジメトキシベンゼン、1,2−ジエトキシエタン、1,2−ジブトキシエタン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル、1,1−ジメトキシメタン、1,1−ジエトキシエタン、トリエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチル、及びこれらの誘導体が挙げられる。 Examples of cyclic ethers include 1,3-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, propylene oxide, 1,2-butylene oxide, 1,4-dioxane, 1,3, Examples include 5-trioxane, furan, 2-methylfuran, 1,8-cineol, crown ether, and derivatives thereof. Examples of chain ethers include 1,2-dimethoxyethane, diethyl ether, dipropyl ether, diisopropyl ether, dibutyl ether, dihexyl ether, ethyl vinyl ether, butyl vinyl ether, methyl phenyl ether, ethyl phenyl ether, butyl phenyl ether, pentyl Phenyl ether, methoxytoluene, benzyl ethyl ether, diphenyl ether, dibenzyl ether, o-dimethoxybenzene, 1,2-diethoxyethane, 1,2-dibutoxyethane, diethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol diethyl ether, diethylene glycol dibutyl ether, 1, 1-dimethoxymethane, 1,1-diethoxyethane, triethylene glycol dimethyl ether, tetrae Glycol dimethyl, and derivatives thereof.
環状炭酸エステルの例としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネート、4,5−ジフルオロエチレンカーボネート、4,4,4−トリフルオロエチレンカーボネート、フルオロメチルエチレンカーボネート、トリフルオロメチルエチレンカーボネート、4−フルオロプロピレンカーボネート、5−フルオロプロピレンカーボネート、及びこれらの誘導体が挙げられる。鎖状炭酸エステルの例としては、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、メチルイソプロピルカーボネート、及びこれらの誘導体が挙げられる。 Examples of cyclic carbonates include ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate, fluoroethylene carbonate, 4,5-difluoroethylene carbonate, 4,4,4-trifluoroethylene carbonate, fluoromethylethylene carbonate, trifluoro Examples include methylethylene carbonate, 4-fluoropropylene carbonate, 5-fluoropropylene carbonate, and derivatives thereof. Examples of the chain carbonate include dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, diethyl carbonate, methyl propyl carbonate, ethyl propyl carbonate, methyl isopropyl carbonate, and derivatives thereof.
環状カルボン酸エステルの例としては、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、γ−カプロラクトン、ε−カプロラクトン、α−アセトラクトン、及びこれらの誘導体が挙げられる。鎖状カルボン酸エステルの例としては、メチルアセテート、エチルアセテート、プロピルアセテート、ブチルアセテート、メチルプロピオネート、エチルプロピオネート、プロピルプロピオネート、ブチルプロピオネート、及びこれらの誘導体が挙げられる。 Examples of the cyclic carboxylic acid ester include γ-butyrolactone, γ-valerolactone, γ-caprolactone, ε-caprolactone, α-acetolactone, and derivatives thereof. Examples of the chain carboxylic acid ester include methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, butyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, propyl propionate, butyl propionate, and derivatives thereof.
ピロ炭酸エステルの例としては、ジエチルピロカーボネート、ジメチルピロカーボネート、ジ-tert-ブチルジカーボネート、及びこれらの誘導体が挙げられる。リン酸エステルの例としては、トリメチルホスフェート、トリエチルホスフェート、ヘキサメチルホスフォルアミド、及びこれらの誘導体が挙げられる。ホウ酸エステルの例としては、トリメチルボレート、トリエチルボレート、及びこれらの誘導体が挙げられる。硫酸エステルの例としては、トリメチルサルフェート、トリエチルサルフェート、及びこれらの誘導体が挙げられる。亜硫酸エステルの例としては、エチレンサルファイト及びその誘導体が挙げられる。 Examples of pyrocarbonates include diethyl pyrocarbonate, dimethyl pyrocarbonate, di-tert-butyl dicarbonate, and derivatives thereof. Examples of phosphate esters include trimethyl phosphate, triethyl phosphate, hexamethylphosphamide, and derivatives thereof. Examples of boric acid esters include trimethyl borate, triethyl borate, and derivatives thereof. Examples of the sulfate ester include trimethyl sulfate, triethyl sulfate, and derivatives thereof. Examples of sulfites include ethylene sulfite and its derivatives.
環状スルホンの例としては、スルホラン及びその誘導体が挙げられる。鎖状スルホンの例としては、アルキルスルホン及びその誘導体が挙げられる。ニトリルの例としては、アセトニトリル、バレロニトリル、プロピオニトリル、トリメチルアセトニトリル、シクロペンタンカルボニトリル、アジポニトリル、ピメロニトリル及びその誘導体が挙げられる。スルトンの例としては、1,3−プロパンスルトン及びその誘導体が挙げられる。 Examples of cyclic sulfones include sulfolane and its derivatives. Examples of chain sulfone include alkyl sulfone and derivatives thereof. Examples of nitriles include acetonitrile, valeronitrile, propionitrile, trimethylacetonitrile, cyclopentanecarbonitrile, adiponitrile, pimelonitrile and derivatives thereof. Examples of sultone include 1,3-propane sultone and its derivatives.
溶媒として、上記の物質のうち1種類だけが用いられてもよいし、2種類以上が組み合わされて用いられてもよい。 As the solvent, only one type of the above substances may be used, or two or more types may be used in combination.
二次電池100がマグネシウム二次電池である場合、マグネシウム塩の例としては、MgBr2、MgI2、MgCl2、Mg(AsF6)2、Mg(ClO4)2、Mg(PF6)2、Mg(BF4)2、Mg(CF3SO3)2、Mg[N(CF3SO2)2]2、Mg(SbF6)2、Mg(SiF6)2、Mg[C(CF3SO2)3]2、Mg[N(FSO2)2]2、Mg[N(C2F5SO2)2]2、MgB10Cl10、MgB12Cl12、Mg[B(C6F5)4]2、Mg[B(C6H5)4]2、Mg[N(SO2CF2CF3)2]2、Mg[BF3C2F5]2、及びMg[PF3(CF2CF3)3]2が挙げられる。マグネシウム塩として、上記の物質のうち1種類だけが用いられてもよいし、2種類以上が組み合わされて用いられてもよい。
When the
二次電池100がカルシウム二次電池である場合、カルシウム塩の例としては、過塩素酸カルシウムが挙げられる。
When the
電解液30は、例えば、外装(図示せず)内で互いに対向する正極10と負極20の間の空間に充填され、正極10、固体電解質層40、及び負極20に含浸する。
For example, the
[6.効果]
固体電解質層を有さない従来の二次電池の場合、上述のように、正極と電解液の接触面において電子が授受されて、電解液が分解する虞がある。一方、二次電池100は、正極10を覆う固体電解質層40を有するため、正極10と電解液30の間のアルカリ土類金属イオンの移動を許容しながら、正極10と電解液30の電子の移動を抑止することができる。そのため、二次電池100の電気的特性を維持しながら、電解液30の分解を抑止することができる。その結果、二次電池100が安定化され、長寿命化されうる。
[6. effect]
In the case of a conventional secondary battery that does not have a solid electrolyte layer, as described above, electrons may be transferred at the contact surface between the positive electrode and the electrolytic solution, and the electrolytic solution may be decomposed. On the other hand, since the
なお、固体電解質層40は、正極10と電解液30の接触を完全に防いでいなくてもよく、例えば、固体電解質層40がない構成に比べて、正極10と電解液30の接触面積を低減していればよい。
The
特に、二次電池100の充電時に正極10の充電電位が4Vを超えるような場合、電解液30の分解を抑止する作用は、より有意にはたらく。例えば、設計者は、充電電位が4Vを超える領域では使用できないと考えられていた電解液の材料を、二次電池100には使用することができる。例えば、設計者は、従来のリチウムイオン二次電池で使用されていた非水溶媒を、高容量のアルカリ土類金属二次電池の非水溶媒として採用することができる。したがって、二次電池100の材料選択の自由度が増す。
In particular, when the charging potential of the
二次電池100において、電解液30と固体電解質層40とが電解質として機能しうる。設計者は、例えば、負極20と固体電解質層40の間の距離と、固体電解質層40の膜厚とを調整することで、電解液30を電解質の主成分として機能させることができる。これにより、例えば、電解質が全て固体である二次電池(すなわち全固体二次電池)に比べて、優れた電気的特性を有する電解質を有する二次電池が実現されうる。
In the
二次電池100において、固体電解質層40は、複数の正極活物質粒子13を一括して覆うようにして、正極活物質層12を覆う。そのため、固体電解質層40は、例えば後述の固体電解質被膜40cに比べて、製造方法が容易である。さらに、例えば正極活物質層12が導電材を含む場合には、固体電解質層40は、複数の正極活物質粒子13に加えて、導電材も覆うことができる。そのため、固体電解質層40は、導電材と電解液30との間の反応も抑制することができる。
In the
二次電池100がマグネシウム二次電池である場合、さらに、次のような新規の効果を奏する。
In the case where the
マグネシウム二次電池において正極と電解液が接触すると、それらの接触面においてマグネシウム化合物(例えばマグネシウム酸化物)が析出する虞がある。この析出物は不動態膜であり、正極と電解液との間のマグネシウムイオンの移動を阻害する。したがって、マグネシウム二次電池は、析出した不動態膜によって、充放電動作ができなくなる虞がある。 When the positive electrode and the electrolytic solution are in contact with each other in the magnesium secondary battery, a magnesium compound (for example, magnesium oxide) may be deposited on the contact surface. This deposit is a passive film and inhibits the migration of magnesium ions between the positive electrode and the electrolyte. Therefore, the magnesium secondary battery may not be able to be charged / discharged due to the deposited passive film.
なお、リチウムイオン二次電池においても、リチウム化合物が析出することが知られている。しかし、この析出物はイオン伝導性を有するため、リチウムイオンの移動を阻害しない。したがって、不動態膜の問題は、リチウムイオン二次電池では生じない、マグネシウム二次電池に特有の問題である。 In addition, it is known that a lithium compound precipitates also in a lithium ion secondary battery. However, since this precipitate has ionic conductivity, it does not inhibit the movement of lithium ions. Therefore, the problem of the passive film is a problem peculiar to the magnesium secondary battery that does not occur in the lithium ion secondary battery.
したがって、二次電池100がマグネシウム二次電池である場合、固体電解質層40は、正極10を覆うことによって正極10上の不動態膜の発生を抑制し、これにより、二次電池100の安定した充放電動作を保障しうる。
Therefore, when the
[7.種々の変形例]
[7−1.変形例1]
図2は、第1の実施形態に係る二次電池の変形例1として、二次電池100aの構成を示す模式的な断面図である。
[7. Various modifications]
[7-1. Modification 1]
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a
二次電池100aは、正極10と、負極20と、電解液30と、固体電解質層40と、固体電解質層50とを備える。固体電解質層50は、負極20を覆っている。二次電池100aのうち、固体電解質層50を除く各構成は、二次電池100の対応する構成と同様であるため、その説明が省略される。
The
固体電解質層50は、負極活物質層22上に配置された1つの層であり、複数の負極活物質粒子23を一括して覆っている。固体電解質層50は、複数の負極活物質粒子23によって画定される凹凸面に沿って形成されている。
The
固体電解質層50の材料は、例えば、上記[4.固体電解質層]で列挙された種々の材料の中から選択されうる。固体電解質層50の形成方法は、例えば、上記[4.固体電解質層]で列挙された種々の形成方法の中から選択されうる。
The material of the
固体電解質層50は、結晶体であってもよく、非晶質体であってもよい。固体電解質層40の膜厚は、例えば、20マイクロメートル以下であってもよい。固体電解質層40の膜厚は、例えば、さらに、5ナノメートル以上、かつ、200ナノメートル以下であってもよい。固体電解質層40が非晶質の超薄膜である場合、その膜厚は、例えば、1ナノメートル以上、3ナノメートル以下であってもよい。加えて、固体電解質層50が非晶質体である場合、固体電解質層50を負極活物質層22の凹凸面に沿って形成しやすくなる。
The
二次電池100aは、上記[6.効果]で説明された種々の効果に加えて、固体電解質層50に起因する効果を奏する。固体電解質層50に起因する効果は、上記[6.効果]の説明において、「固体電解質層40」及び「正極10」をそれぞれ「固体電解質層50」及び「負極20」に適宜置き換えることにより、理解されうる。端的に言えば、固体電解質層50は、負極20と電解液30の接触を抑止することにより、電解液30の還元分解を抑止することができる。また、二次電池100aがマグネシウム二次電池である場合、固体電解質層50は、負極20上の不動態膜の発生を抑制することができる。
The
[7−2.変形例2]
図3は、第1の実施形態に係る二次電池の変形例2として、二次電池100bの構成を示す模式的な断面図である。
[7-2. Modification 2]
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a
二次電池100bは、正極10と、負極20と、電解液30と、固体電解質層50とを備える。すなわち、二次電池100bは、二次電池100aから固体電解質層40を取り除いた構成を有する。二次電池100bの各構成は、二次電池100の対応する構成と同様であるため、その説明が省略される。
The
二次電池100bは、上記[7−1.変形例1]で説明された固体電解質層50に起因する効果と同様の効果を奏する。
The
[7−3.変形例3]
図4は、第1の実施形態に係る二次電池の変形例3として、二次電池100cの構成を示す模式的な断面図である。
[7-3. Modification 3]
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view illustrating a configuration of a
二次電池100cは、正極10と、負極20aと、電解液30と、固体電解質層40とを備える。負極20aは、負極集電体21と負極活物質層22aとを含む。二次電池100cのうち、負極活物質層22aを除く各構成は、二次電池100の対応する構成と同様であるため、その説明が省略される。
The
負極活物質層22aは、負極集電体21の上に配置された平板状の層である。負極活物質層22aの材料は、例えば、上記[3.負極]で列挙された種々の材料の中から選択されうる。負極活物質層22aは、例えば、物理堆積法又は化学堆積法によって形成されうる。負極活物質層22aは、例えば、金属層または合金層であってもよい。
The negative electrode
二次電池100cは、上記[6.効果]で説明された種々の効果と同様の効果を奏する。
The
[7−4.変形例4]
図5は、第1の実施形態に係る二次電池の変形例4として、二次電池100dの構成を示す模式的な断面図である。
[7-4. Modification 4]
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a
二次電池100dは、正極10と、負極20aと、電解液30と、固体電解質層40と、固体電解質層50aとを備える。二次電池100dのうち、固体電解質層50aを除く各構成は、二次電池100cの対応する構成と同様であるため、その説明が省略される。
The
固体電解質層50aは、負極活物質層22aの上に配置された平板状の層である。固体電解質層50aの材料及び形成方法は、上記[4.固体電解質層]で説明されたとおりである。
The
二次電池100dは、上記[7−1.変形例1]で説明された種々の効果と同様の効果を奏する。
The
[7−5.変形例5]
図6は、第1の実施形態に係る二次電池の変形例5として、二次電池100eの構成を示す模式的な断面図である。
[7-5. Modification 5]
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a
二次電池100eは、正極10と、負極20aと、電解液30と、固体電解質層50aとを備える。すなわち、二次電池100eは、二次電池100dから固体電解質層40を取り除いた構成を有する。二次電池100eの各構成は、二次電池100dの対応する構成と同様であるため、その説明が省略される。
The
二次電池100eは、上記[7−1.変形例1]で説明された固体電解質層50に起因する効果と同様の効果を奏する。
The
[8.実験]
以下に説明される実験により、固体電解質が表面に形成された電極が、電解液の分解を抑制できることを確認した。
[8. Experiment]
The experiment described below confirmed that the electrode on which the solid electrolyte was formed can suppress decomposition of the electrolytic solution.
[8−1.サンプルの作製]
[8−1−1.サンプル1]
サンプル1として、固体電解質膜が表面に形成された作用極と、対極と、参照極とが設けられたセルを用意した。
[8-1. Sample preparation]
[8-1-1. Sample 1]
As
作用極及び固体電解質膜を、以下のように作製した。まず、パルスレーザ堆積(PLD)法によって、Pt/Ti/SiO2基板上に厚さ200nmのV2O5膜を形成した。成膜条件については、基板温度は350度であり、レーザ強度は100mJ、繰り返し周波数は20Hz、酸素分圧は18Paであった。その後、Mg2SiO4とZrSiO4をターゲットとして用いて、高周波マグネトロンスパッタリングによって、V2O5膜上に厚さ2.5nmの固体電解質膜を形成した。基板温度は室温とした。スパッタリングガスは、アルゴンガスに5%の酸素ガスを混合したアルゴン酸素混合ガスであり、ガス圧は0.67Paであった。Mg2SiO4とZrSiO4のスパッタリングパワーは、それぞれ、50W(RF)と200W(RF)であった。形成された固体電解質の組成はMg0.67Zr1.25SiO5.22であった。 A working electrode and a solid electrolyte membrane were produced as follows. First, a 200 nm thick V 2 O 5 film was formed on a Pt / Ti / SiO 2 substrate by a pulse laser deposition (PLD) method. Regarding the film forming conditions, the substrate temperature was 350 degrees, the laser intensity was 100 mJ, the repetition frequency was 20 Hz, and the oxygen partial pressure was 18 Pa. Thereafter, a solid electrolyte film having a thickness of 2.5 nm was formed on the V 2 O 5 film by high-frequency magnetron sputtering using Mg 2 SiO 4 and ZrSiO 4 as targets. The substrate temperature was room temperature. The sputtering gas was an argon-oxygen mixed gas in which 5% oxygen gas was mixed with argon gas, and the gas pressure was 0.67 Pa. The sputtering powers of Mg 2 SiO 4 and ZrSiO 4 were 50 W (RF) and 200 W (RF), respectively. The composition of the formed solid electrolyte was Mg 0.67 Zr 1.25 SiO 5.22 .
対極として、厚さ0.25mm、幅3mm、長さ30mmのMg箔(ニラコ社製)を用いた。 As the counter electrode, Mg foil (manufactured by Niraco) having a thickness of 0.25 mm, a width of 3 mm, and a length of 30 mm was used.
参照極として、Ag/AgClダブルジャンクション参照極(イーシーフロンティア社製、型番RE−10A)を用いた。参照極の内部溶液として、アセトニトリルに0.01mol/Lの銀ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(Ag(TFSI))が溶解された電解液(キシダ化学社製)を用いた。 As the reference electrode, an Ag / AgCl double junction reference electrode (manufactured by EC Frontier, model number RE-10A) was used. As an internal solution of the reference electrode, an electrolytic solution (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) in which 0.01 mol / L of silver bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (Ag (TFSI)) was dissolved in acetonitrile was used.
セルとして、マイクロ分析セル(イーシーフロンティア社製、型番VB7)を用いた。セルを満たす電解液として、トリエチレングリコールジメチルエーテルに0.5mol/Lのマグネシウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(Mg(TFSI)2)が溶解された電解液(キシダ化学社製)を用いた。 As the cell, a micro analysis cell (manufactured by EC Frontier, model number VB7) was used. As an electrolytic solution filling the cell, an electrolytic solution (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) in which 0.5 mol / L magnesium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (Mg (TFSI) 2 ) was dissolved in triethylene glycol dimethyl ether was used.
[8−1−2.サンプル2]
サンプル2は、固体電解質膜の厚さを1nmとした点を除き、サンプル1と同様であった。
[8-1-2. Sample 2]
[8−1−3.サンプル3]
サンプル3は、固体電解質膜を形成しなかった点を除き、サンプル1と同様であった。
[8-1-3. Sample 3]
[8−1−4.サンプル4]
サンプル4は、V2O5膜および固体電解質膜を形成しなかった点を除き、サンプル1と同様であった。
[8-1-4. Sample 4]
[8−2.CV測定]
サンプル1〜4を、露点が−80℃未満、酸素濃度が1ppm未満のグローブボックス内に配置し、電気化学アナライザ(ビー・エー・エス社製、型番ALS660E)を用いて、電位走査速度0.1mV/secで、サイクリックボルタンメトリー(CV)測定を行った。
[8-2. CV measurement]
図10は、サンプル1〜4におけるCV測定の結果を示している。横軸は参照極を基準とした作用極の電位を示し、縦軸は作用極に流れた電流を示す。図10に示されるように、サンプル3、4の電解液は3.3V付近で酸化分解されたのに対して、サンプル1、2の電解液は3.7V付近においても酸化分解されなかった。これは、サンプル1、2において作用極に設けられた固体電解質が電解液の酸化分解を抑制したことを示している。さらに、サンプル1では4.0Vを超えても電解液が酸化分解されなかった。
FIG. 10 shows the results of CV measurement in
図10において、サンプル3のグラフは、2.8V付近でアノード電流のピークを示すのに対し、サンプル1、2のグラフは、それぞれ、3.0、3.1V付近でピークを示した。これらの結果から、ピークのシフト量は、固体電解質膜の抵抗に起因するものであると考えられる。
In FIG. 10, the graph of
したがって、アノード電流のピークのシフト量を低減するために、本実施形態にかかる二次電池は、固体電解質膜の厚さが小さくなるように、かつ/または、固体電解質膜の伝導度が高くなるように設計されてもよい。例えば、固体電解質の厚さが、10nm以下、さらには、3nm以下となるように設計されてもよい。あるいは、例えば、固体電解質の材料として、伝導度が比較的高い材料が選択されてもよい。これにより、電極反応を律速することなく、電解液の分解を抑制することができる。 Therefore, in order to reduce the shift amount of the peak of the anode current, the secondary battery according to the present embodiment has a reduced solid electrolyte membrane thickness and / or increased solid electrolyte membrane conductivity. It may be designed as follows. For example, the thickness of the solid electrolyte may be designed to be 10 nm or less, and further 3 nm or less. Alternatively, for example, a material having a relatively high conductivity may be selected as the solid electrolyte material. Thereby, decomposition | disassembly of electrolyte solution can be suppressed, without limiting an electrode reaction.
(第2の実施形態)
[1.二次電池の構成]
図7は、第2の実施形態に係る二次電池200の構成を示す模式的な断面図である。
(Second Embodiment)
[1. Configuration of secondary battery]
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the
二次電池200は、正極10c及び固体電解質被膜40cを除き、第1の実施形態で説明された二次電池100と同様の構成を有する。
The
正極10cは、正極集電体11と正極活物質層12cとを含む。正極活物質層12cは、正極集電体11の上に配置され、複数の正極活物質粒子13を含む。複数の正極活物質粒子13のそれぞれの表面は、固体電解質被膜40cによって覆われている。言い換えると、正極10cは、複数の固体電解質被膜40cで構成される固体電解質によって覆われている。
The
[2.正極及び固体電解質被膜]
二次電池200は、固体電解質の形状と、固体電解質及び正極の形成方法とを除き、第1の実施形態で説明されたものと同様であるため、その説明が省略される。具体的には、固体電解質被膜40cの材料は、例えば、第1の実施形態の[4.固体電解質層]で列挙された種々の材料の中から選択されうる。
[2. Positive electrode and solid electrolyte coating]
Since the
固体電解質被膜40cは、結晶体であってもよく、非晶質体であってもよい。後者の場合、固体電解質被膜40cが、正極活物質粒子13の形状に沿って形成されやすくなり、被覆性が向上する。固体電解質被膜40cの膜厚は、例えば、1ナノメートル以上、かつ、200ナノメートル以下であってもよい。
The
正極10c及び固体電解質被膜40cは、例えば、次のように形成される。
The
まず、正極活物質粒子13の表面を固体電解質で被覆することにより、固体電解質被膜40cを形成する。その後、被覆された正極活物質粒子13と導電材と結着材と混合する。次に、この混合物に適当な溶剤が加えられ、これによりペースト状の正極合材が得られる。次に、この正極合材が正極集電体11の表面に塗布され、乾燥される。これにより、正極10cが得られる。
First, the surface of the positive electrode
固体電解質被膜40cは、例えば、正極活物質粒子13を動かしながら、上記の物理堆積法又は化学堆積法によって固体電解質材料を堆積させることによって形成されてもよい。あるいは、固体電解質被膜40cは、例えば、ゾル-ゲル法または上記の液相成膜法によって形成されてもよい。
The
[3.効果]
二次電池200は、第1の実施形態で説明された種々の効果と同様の効果を奏する。具体的には、第1の実施形態の[6.効果]の説明において、「固体電解質層40」を「固体電解質被膜40c」に適宜置き換えることにより、理解されうる。
[3. effect]
The
二次電池200では、複数の正極活物質粒子13のそれぞれが固体電解質被膜40cで覆われている。そのため、複数の正極活物質粒子13の間の間隙に、正極活物質粒子13の表面が露出しない、あるいは、露出しにくい。したがって、例えば電解液30がこれらの間隙を充填している場合であっても、電解液30の酸化分解をより効果的に抑止することができ、かつ/又は、正極10c上の不動態膜の発生を効果的に抑制することができる。
In the
[4.種々の変形例]
[4−1.変形例1]
図8は、第2の実施形態に係る二次電池の変形例1として、二次電池200aの構成を示す模式的な断面図である。
[4. Various modifications]
[4-1. Modification 1]
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a
二次電池200aは、負極20c及び固体電解質被膜50cを除き、二次電池200と同様の構成を有する。
The
負極20cは、負極集電体21と、負極活物質層22cとを備える。負極活物質層22cは、負極集電体21の上に配置され、複数の負極活物質粒子23を含む。複数の負極活物質粒子23のそれぞれの表面は、固体電解質被膜50cによって覆われている。言い換えると、負極20cは、複数の固体電解質被膜50cで構成される固体電解質によって覆われている。
The
固体電解質被膜50cの材料は、例えば、第1の実施形態の[4.固体電解質層]で列挙された種々の材料の中から選択されうる。固体電解質被膜50cは、結晶体であってもよく、非晶質体であってもよい。後者の場合、固体電解質被膜50cが、負極活物質粒子23の形状に沿って形成されやすくなり、被覆性が向上する。固体電解質被膜50cの膜厚は、例えば、1ナノメートル以上、かつ、200ナノメートル以下であってもよい。
The material of the
負極20c及び固体電解質被膜50cの形成方法は、例えば、上記[2.正極及び固体電解質被膜]で説明された方法と同様であってもよい。
The method for forming the
二次電池200aは、上記[3.効果]で説明された種々の効果に加えて、固体電解質被膜50cに起因する効果を奏する。固体電解質被膜50cに起因する効果は、第1の実施形態の[6.効果]の説明において、「固体電解質層40」及び「正極10」をそれぞれ「固体電解質被膜50c」及び「負極20c」に適宜置き換えることにより、理解されうる。
The
二次電池200aでは、複数の負極活物質粒子23のそれぞれが固体電解質被膜50cで覆われている。そのため、電解液30が複数の負極活物質粒子23の間の間隙を充填している場合であっても、電解液30の還元分解をより効果的に抑止することができ、かつ/又は、負極20c上の不動態膜の発生を効果的に抑制することができる。
In the
[4−2.変形例2]
図9は、第2の実施形態に係る二次電池の変形例2として、二次電池200bの構成を示す模式的な断面図である。
[4-2. Modification 2]
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a
二次電池200bは、二次電池200aから固体電解質被膜40cを取り除いた構成を有する。二次電池200bの各構成は、二次電池200aの対応する構成と同様であるため、その説明が省略される。
The
二次電池200bは、上記[4−1.変形例1]で説明された固体電解質被膜50cに起因する効果と同様の効果を奏する。
The
[4−3.その他の変形例]
上記で説明された二次電池200、200a、及び200bは、第1の実施形態で説明された二次電池100、100a、100b、100c、100d、及び100eのいずれか1つと組み合わされてもよい。
[4-3. Other variations]
The
例えば、二次電池200の負極20が、第1の実施形態の[7−3.変形例3]で説明された負極20aに置き換えられてもよく、さらに、第1の実施形態の[7−4.変形例4]で説明された固体電解質層50aが追加されてもよい。
For example, the
本開示の二次電池は、例えば、ウェアラブル機器、ポータブル機器、ハイブリッド車、または電気自動車に用いられうる。 The secondary battery of the present disclosure can be used for, for example, a wearable device, a portable device, a hybrid vehicle, or an electric vehicle.
10,10c 正極
11 正極集電体
12,12c 正極活物質層
13 正極活物質粒子
20,20a,20c 負極
21 負極集電体
22,22a,22c 負極活物質層
23 負極活物質粒子
30 電解液
40,50,50a 固体電解質層
40c,50c 固体電解質被膜
100,100a,100b,100c,100d,100e 二次電池
200,200a,200b 二次電池
DESCRIPTION OF
Claims (19)
第2の電極と、
前記第1の電極を覆い、アルカリ土類金属を含有する第1の固体電解質と、
前記第1の電極及び前記第2の電極の間の空間に充填され、非水溶媒と前記非水溶媒に溶解した前記アルカリ土類金属の塩とを含有する電解液と、を備える、
二次電池。 A first electrode;
A second electrode;
A first solid electrolyte covering the first electrode and containing an alkaline earth metal;
An electrolyte solution filled in a space between the first electrode and the second electrode and containing a non-aqueous solvent and the alkaline earth metal salt dissolved in the non-aqueous solvent,
Secondary battery.
請求項1に記載の二次電池。 The alkaline earth metal is magnesium;
The secondary battery according to claim 1.
請求項1または2に記載の二次電池。 The first solid electrolyte further contains a polyanion composed of at least one of oxygen and nitrogen and at least one of phosphorus and silicon.
The secondary battery according to claim 1 or 2.
請求項1から3のいずれか一項に記載の二次電池。 The first solid electrolyte, magnesium phosphonitrilic acid or,, Mg x M y SiO z ( however, M is at least one selected Ti, Zr, Hf, Ca, from the group consisting of Sr and Ba, 0 <x <2, 0 <y <2, 3 <z <6),
The secondary battery as described in any one of Claim 1 to 3.
請求項4に記載の二次電池。 The first solid electrolyte contains Mg x Zr y SiO z (where 0 <x <2, 0 <y <2, 3 <z <6).
The secondary battery according to claim 4.
請求項1から5のいずれか一項に記載の二次電池。 The first solid electrolyte is amorphous;
The secondary battery as described in any one of Claim 1 to 5.
請求項1から6のいずれか一項に記載の二次電池。 The first electrode is a positive electrode and the second electrode is a negative electrode;
The secondary battery as described in any one of Claim 1 to 6.
正極集電体と、
前記正極集電体の上に配置され、かつ、複数の正極活物質粒子を含む正極活物質層とを含み、
前記第1の固体電解質は、前記正極活物質層の上に配置され、かつ、前記複数の正極活物質粒子を一括して覆う1つの層である、
請求項7に記載の二次電池。 The positive electrode is
A positive electrode current collector;
A positive electrode active material layer disposed on the positive electrode current collector and including a plurality of positive electrode active material particles;
The first solid electrolyte is a single layer disposed on the positive electrode active material layer and collectively covering the plurality of positive electrode active material particles.
The secondary battery according to claim 7.
前記第1の固体電解質は、前記凹凸面に沿って形成されている、
請求項8に記載の二次電池。 The positive electrode active material layer has an uneven surface defined by the plurality of positive electrode active material particles,
The first solid electrolyte is formed along the uneven surface,
The secondary battery according to claim 8.
正極集電体と、
前記正極集電体の上に配置され、かつ、複数の正極活物質粒子を含む正極活物質層とを含み、
前記第1の固体電解質は、前記複数の正極活物質粒子を個別に覆う複数の被膜を含む、
請求項7に記載の二次電池。 The positive electrode is
A positive electrode current collector;
A positive electrode active material layer disposed on the positive electrode current collector and including a plurality of positive electrode active material particles;
The first solid electrolyte includes a plurality of coatings individually covering the plurality of positive electrode active material particles.
The secondary battery according to claim 7.
請求項7から10のいずれか一項に記載の二次電池。 A second solid electrolyte covering the negative electrode and containing the alkaline earth metal;
The secondary battery as described in any one of Claims 7 to 10.
請求項1から5のいずれか一項に記載の二次電池。 The first electrode is a negative electrode and the second electrode is a positive electrode;
The secondary battery as described in any one of Claim 1 to 5.
負極集電体と、
前記負極集電体の上に配置され、かつ、複数の負極活物質粒子を含む負極活物質層とを含み、
前記第1の固体電解質は、前記負極活物質層の上に配置され、かつ、前記複数の負極活物質粒子を一括して覆う1つの層である、
請求項12に記載の二次電池。 The negative electrode is
A negative electrode current collector;
A negative electrode active material layer disposed on the negative electrode current collector and including a plurality of negative electrode active material particles,
The first solid electrolyte is a single layer that is disposed on the negative electrode active material layer and collectively covers the plurality of negative electrode active material particles.
The secondary battery according to claim 12.
前記第1の固体電解質は、前記凹凸面に沿って形成されている、
請求項13に記載の二次電池。 The negative electrode active material layer has an uneven surface defined by the plurality of negative electrode active material particles,
The first solid electrolyte is formed along the uneven surface,
The secondary battery according to claim 13.
負極集電体と、
前記負極集電体の上に配置され、かつ、複数の負極活物質粒子を含む負極活物質層とを含み、
前記第1の固体電解質は、前記複数の負極活物質粒子を個別に覆う複数の被膜を含む、
請求項12に記載の二次電池。 The negative electrode is
A negative electrode current collector;
A negative electrode active material layer disposed on the negative electrode current collector and including a plurality of negative electrode active material particles,
The first solid electrolyte includes a plurality of films individually covering the plurality of negative electrode active material particles.
The secondary battery according to claim 12.
負極集電体と、
前記負極集電体の上に配置された金属層または合金層とを含む、
請求項12に記載の二次電池。 The negative electrode is
A negative electrode current collector;
Including a metal layer or an alloy layer disposed on the negative electrode current collector,
The secondary battery according to claim 12.
請求項16に記載の二次電池。 The standard electrode potential of the metal layer or the alloy layer is noble from -3V,
The secondary battery according to claim 16.
請求項7から17のいずれか一項に記載の二次電池。 The electrode potential of the positive electrode relative to the alkaline earth metal is greater than + 4V;
The secondary battery according to any one of claims 7 to 17.
請求項1から18のいずれか一項に記載の二次電池。 The first solid electrolyte blocks movement of electrons between the first electrode and the electrolytic solution, and allows alkaline earth metal ions to move between the first electrode and the electrolytic solution. To
The secondary battery according to any one of claims 1 to 18.
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