JP2018133325A - Positive electrode and secondary cell - Google Patents

Positive electrode and secondary cell Download PDF

Info

Publication number
JP2018133325A
JP2018133325A JP2017147043A JP2017147043A JP2018133325A JP 2018133325 A JP2018133325 A JP 2018133325A JP 2017147043 A JP2017147043 A JP 2017147043A JP 2017147043 A JP2017147043 A JP 2017147043A JP 2018133325 A JP2018133325 A JP 2018133325A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
ldh
positive electrode
discharge
charge
hydroxide
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2017147043A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP6977989B2 (en
Inventor
範之 園山
Noriyuki Sonoyama
範之 園山
直美 橋本
Naomi Hashimoto
直美 橋本
直美 齊藤
Naomi Saito
直美 齊藤
鬼頭 賢信
Masanobu Kito
賢信 鬼頭
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NGK Insulators Ltd
Nagoya Institute of Technology NUC
Original Assignee
NGK Insulators Ltd
Nagoya Institute of Technology NUC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NGK Insulators Ltd, Nagoya Institute of Technology NUC filed Critical NGK Insulators Ltd
Publication of JP2018133325A publication Critical patent/JP2018133325A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6977989B2 publication Critical patent/JP6977989B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Landscapes

  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
  • Cell Separators (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a positive electrode for secondary cell, capable of expecting an increased capacity and achieving high stability during charging and discharging.SOLUTION: The positive electrode for secondary cell, containing layering double hydroxide (LDH) as a positive electrode active material, can maintain a LDH crystal structure even under the last stage of discharge after repeating a charging and discharging cycle including over-charging and discharging 30 cycles.SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

本発明は、正極及びそれを備えた二次電池に関するものである。   The present invention relates to a positive electrode and a secondary battery including the positive electrode.

ニッケル亜鉛二次電池は古くから開発及び検討がなされてきたものの、実用化への障壁が大きいことが知られている。これは、充電時に負極を構成する亜鉛がデンドライトという樹枝状結晶を生成し、このデンドライトがセパレータを突き破って正極と短絡を引き起こすという問題があるためである。一方で、ニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池が既に商品化されている。しかしながら、ニッケル亜鉛二次電池は、ニッケルカドミウム二次電池と比べて約5倍、ニッケル水素二次電池と比べて2.5倍、リチウムイオン電池と比べて1.3倍という極めて高い理論容量密度を有し、かつ、原料価格も低いとの長所を有している。したがって、ニッケル亜鉛二次電池において、亜鉛デンドライトによる短絡を防止する技術が強く望まれている。   Although nickel-zinc secondary batteries have been developed and studied for a long time, it is known that there are significant barriers to practical use. This is because the zinc constituting the negative electrode produces dendritic crystals called dendrite during charging, and this dendrite breaks through the separator and causes a short circuit with the positive electrode. On the other hand, nickel cadmium batteries and nickel metal hydride batteries have already been commercialized. However, the nickel-zinc secondary battery has an extremely high theoretical capacity density of about 5 times that of the nickel-cadmium secondary battery, 2.5 times that of the nickel-hydrogen secondary battery, and 1.3 times that of the lithium-ion battery. And the raw material price is low. Therefore, a technique for preventing a short circuit due to zinc dendrite in a nickel zinc secondary battery is strongly desired.

そのような問題ないし要望に対処すべく、水酸化物イオン(OH)伝導性を有する層状複水酸化物(LDH)セパレータが提案されている。例えば、特許文献1(国際公開第2013/118561号)には、ニッケル亜鉛二次電池において、亜鉛デンドライトによる短絡の防止を目的として、LDHセパレータを正極及び負極間に設けることが開示されている。また、特許文献2(国際公開第2016/076047号)には、多孔質基材と複合化されたLDHセパレータを備えたセパレータ構造体が開示されており、LDHセパレータがガス不透過性及び/又は水不透過性を有する程の高い緻密性を有することが開示されている。 In order to cope with such problems and demands, a layered double hydroxide (LDH) separator having hydroxide ion (OH ) conductivity has been proposed. For example, Patent Document 1 (International Publication No. 2013/118561) discloses that in a nickel zinc secondary battery, an LDH separator is provided between a positive electrode and a negative electrode for the purpose of preventing a short circuit due to zinc dendrite. Patent Document 2 (International Publication No. 2016/076047) discloses a separator structure including an LDH separator combined with a porous substrate, and the LDH separator is gas-impermeable and / or It is disclosed to have high density enough to have water impermeability.

一方、特許文献3(特開昭61−285661号公報)には、アルカリ蓄電池において、非充電状態で一般式[M2+ (1−x)Fe3+ (OH)X+[(x/n)Xn−,yHO]X−(式中、xは0.05〜0.4であり、M2+は酸化性及び還元性の陽イオンを表し、Xn−は少なくとも錯体複水酸化物の陽イオンを充電保証する任意の陰イオンを表す)の複水酸化物である陽蓄電池電極を用いることが開示されている。 On the other hand, Patent Document 3 (Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 61-285661) discloses a general formula [M 2+ (1-x) Fe 3+ x (OH) 2 ] X + [(x / n) in an uncharged state in an alkaline storage battery. ) X n− , yH 2 O] X− (wherein x is 0.05 to 0.4, M 2+ represents an oxidizing and reducing cation, and X n− is at least a complex double hydroxide. It is disclosed to use a positive storage battery electrode that is a double hydroxide of any anion that guarantees the charge of the product cations.

国際公開第2013/118561号International Publication No. 2013/118561 国際公開第2016/076047号International Publication No. 2016/076047 特開昭61−285661号公報JP-A 61-285661

ニッケル亜鉛電池の正極は、一般的に、水酸化ニッケル及び/又はオキシ水酸化ニッケルを含む。例えば、ニッケル亜鉛電池を放電末状態で構成する場合には正極に水酸化ニッケルを含有させる一方、満充電状態で構成する場合には正極にオキシ水酸化ニッケルを含有させる。典型的な正極活物質である水酸化ニッケルは、強アルカリ下でも安定な構造を有するβ−Ni(OH)(理論容量289mAh/g、密度4.1g/cm)であり、これは充放電反応によりβ−Ni(OH)⇔β−NiOOH(平均価数3、密度4.7g/cm)と可逆的に変化する。ところで、かかる正極を備えたニッケル亜鉛電池を過充電するとγ−NiOOH(平均価数3.6〜3.7、密度3.79g/cm)という化合物が正極に生成する。このγ−NiOOHはβ型と比較して、反応電子数が多く、容量増加が期待できる。具体的には、γ−NiOOHは一電子酸化しかできない現行材料の水酸化ニッケル(β型)の容量を1.5倍に改善することが期待できる。しかし、放電に伴う還元により生成するα−Ni(OH)が不安定であり、容易にβ−Ni(OH)に戻り、その際に体積収縮が起きることで、電極を劣化させる問題がある。そこで、γ−NiOOHの呈する上記利点を持ちながら、上記問題を回避可能な正極活物質が望まれる。 The positive electrode of a nickel zinc battery generally contains nickel hydroxide and / or nickel oxyhydroxide. For example, when a nickel-zinc battery is configured in a discharged state, nickel hydroxide is included in the positive electrode, whereas in a fully charged state, nickel oxyhydroxide is included in the positive electrode. Nickel hydroxide, which is a typical positive electrode active material, is β-Ni (OH) 2 (theoretical capacity 289 mAh / g, density 4.1 g / cm 3 ) having a stable structure even under strong alkali. It changes reversibly to β-Ni (OH) 2 ⇔β-NiOOH (average valence 3, density 4.7 g / cm 3 ) by the discharge reaction. By the way, when the nickel zinc battery provided with such a positive electrode is overcharged, a compound of γ-NiOOH (average valence 3.6 to 3.7, density 3.79 g / cm 3 ) is generated on the positive electrode. This γ-NiOOH has a larger number of reaction electrons than the β type, and an increase in capacity can be expected. Specifically, γ-NiOOH can be expected to improve the capacity of nickel hydroxide (β-type), a current material that can only perform one-electron oxidation, by a factor of 1.5. However, α-Ni (OH) 2 generated by reduction accompanying discharge is unstable and easily returns to β-Ni (OH) 2 , and volume shrinkage occurs at that time, which causes a problem of deteriorating the electrode. is there. Therefore, there is a demand for a positive electrode active material that can avoid the above problems while having the above-described advantages of γ-NiOOH.

本発明者らは、今般、ある種の層状複水酸化物(LDH)が充放電に伴い可逆的に層間距離が変化することができ、それ故二次電池用の正極活物質として採用できることを知見した。そして、かかるLDHを正極活物質として含む正極(以下、LDH正極ともいう)を採用することで、容量の増加が見込め、充放電に伴う安定性も高い、二次電池を提供できるとの知見も得た。   The present inventors have recently found that certain layered double hydroxides (LDH) can reversibly change the interlayer distance with charge and discharge, and therefore can be employed as a positive electrode active material for secondary batteries. I found out. Further, by adopting a positive electrode (hereinafter also referred to as an LDH positive electrode) containing such LDH as a positive electrode active material, it is expected that an increase in capacity can be expected and a secondary battery having high stability associated with charge / discharge can be provided. Obtained.

したがって、本発明の目的は、容量の増加が見込め、充放電に伴う安定性も高い、二次電池用の正極を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a positive electrode for a secondary battery that is expected to increase in capacity and has high stability accompanying charge / discharge.

本発明の一態様によれば、層状複水酸化物(LDH)を正極活物質として含む正極であって、過充電及び放電を含む充放電サイクルを30サイクル繰り返した後の放電末状態においてもLDH結晶構造を維持可能な、正極が提供される。   According to one aspect of the present invention, there is provided a positive electrode including a layered double hydroxide (LDH) as a positive electrode active material, and LDH even in a final discharge state after 30 charge / discharge cycles including overcharge and discharge are repeated. A positive electrode capable of maintaining a crystal structure is provided.

本発明の他の一態様によれば、前記正極と、負極と、アルカリ電解液及び/又は水酸化物イオン伝導性固体電解質とを備えた、二次電池が提供される。   According to another aspect of the present invention, there is provided a secondary battery comprising the positive electrode, the negative electrode, and an alkaline electrolyte and / or hydroxide ion conductive solid electrolyte.

本発明による正極を用いたニッケル亜鉛二次電池を概念的に示す図である。It is a figure which shows notionally the nickel zinc secondary battery using the positive electrode by this invention. 本発明による正極を用いたLDH二次電池を概念的に示す図である。It is a figure which shows notionally the LDH secondary battery using the positive electrode by this invention. 例A1において測定されたNi−V−LDH正極(Ni:V=4:1)の充放電特性を示す図である。It is a figure which shows the charging / discharging characteristic of the Ni-V-LDH positive electrode (Ni: V = 4: 1) measured in Example A1. 例A2において測定されたNi−Fe−LDH正極(Ni:Fe=4:1)の充放電特性を示す図である。It is a figure which shows the charging / discharging characteristic of the Ni-Fe-LDH positive electrode (Ni: Fe = 4: 1) measured in Example A2. 例A1において測定されたNi−V−LDH(Ni:V=4:1)の、充放電前(as pre)、充放電サイクル10回後の満充電状態(after 10 cycle Cha)、及び充放電サイクル30回後の放電末状態(after 30 cycle Dis)におけるXRDプロファイルを示す。Ni-V-LDH (Ni: V = 4: 1) measured in Example A1, before charge / discharge (as pre), full charge state after 10 charge / discharge cycles (after 10 cycle Cha), and charge / discharge The XRD profile in the end-of-discharge state (after 30 cycle Dis) after 30 cycles is shown. 例A3(比較)において測定された、β−Ni(OH)の、充放電前(as pre)、充放電サイクル10回後の満充電状態(after 10 cycle Cha)、及び充放電サイクル10回後の放電末状態(after 10 cycle Dis)におけるXRDプロファイルを示す。Measured in Example A3 (comparative), β-Ni (OH) 2 before charge / discharge (as pre), full charge state after 10 charge / discharge cycles (after 10 cycle Cha), and 10 charge / discharge cycles The XRD profile in the latter end-of-discharge state (after 10 cycle Dis) is shown. 例A1において測定された、Ni−V−LDH(Ni:V=4:1)の、反応前、充電後、及び放電後のEXAFSのフーリエ変換図を示す。The Fourier transform diagram of EXAFS of Ni-V-LDH (Ni: V = 4: 1) measured in Example A1 before reaction, after charge, and after discharge is shown. 例A2において測定された、Ni−Fe−LDH(Ni:Fe=4:1)の、反応前、充電後、及び放電後のEXAFSのフーリエ変換図を示す。The Fourier transform diagram of EXAFS before reaction, after charge, and after discharge of Ni-Fe-LDH (Ni: Fe = 4: 1) measured in Example A2 is shown. 例A3(比較)において測定された、Ni(OH)の反応前、充電後、及び放電後のEXAFSのフーリエ変換図を示す。The Fourier transform diagram of EXAFS measured in Example A3 (comparative) before the reaction of Ni (OH) 2 , after charging, and after discharging is shown. 例B1で作製されたNi−Fe−LDH粉末を40000倍で撮影したSEM像である。It is a SEM image which image | photographed 40000 times the Ni-Fe-LDH powder produced in Example B1. 例B1で作製されたNi−Fe−LDH粉末を正極に用いたニッケル亜鉛二次電池について測定された充放電曲線である。It is a charging / discharging curve measured about the nickel zinc secondary battery which used the Ni-Fe-LDH powder produced in Example B1 for the positive electrode. 例B4で作製されたNi−V−LDH粉末を40000倍で撮影したSEM像である。It is a SEM image which image | photographed 40000 times the Ni-V-LDH powder produced in Example B4. 例B4で作製されたNi−V−LDH粉末を正極に用いたニッケル亜鉛二次電池について測定された充放電曲線である。It is the charging / discharging curve measured about the nickel zinc secondary battery which used the Ni-V-LDH powder produced in Example B4 for the positive electrode.

正極
本発明による正極は、層状複水酸化物(LDH)を正極活物質として含む。そして、この正極は、過充電及び放電を含む充放電サイクルを30サイクル繰り返した後の放電末状態においてもLDH結晶構造を維持可能なものとして特性付けられる。このように、層状複水酸化物(LDH)は充放電に伴い可逆的に層間距離が変化することができ、それ故二次電池用の正極活物質として採用することができる。そして、かかる特性を呈するLDH正極を採用することで、容量の増加が見込め、充放電に伴う安定性も高い、二次電池用の正極を提供することができる。特に、上記充放電サイクルは過充電を含むものであり、かかる過充電を繰り返し行ってもLDH結晶構造を維持できることは驚くべき知見であり、充放電に対する極めて高い安定性が期待できるといえる。
Positive Electrode The positive electrode according to the present invention contains layered double hydroxide (LDH) as a positive electrode active material. The positive electrode is characterized as being capable of maintaining the LDH crystal structure even in the final discharge state after 30 charge / discharge cycles including overcharge and discharge have been repeated. Thus, the layered double hydroxide (LDH) can reversibly change the interlayer distance with charge and discharge, and can therefore be employed as a positive electrode active material for a secondary battery. By adopting an LDH positive electrode exhibiting such characteristics, it is possible to provide a positive electrode for a secondary battery that is expected to increase in capacity and has high stability associated with charge / discharge. In particular, the charge / discharge cycle includes overcharge, and it is a surprising finding that even when such overcharge is repeated, the LDH crystal structure can be maintained, and it can be said that extremely high stability against charge / discharge can be expected.

典型的には、30サイクル繰り返される上記充放電サイクルは、作用電極としての正極と、対向電極としての白金電極と、参照電極としてのHg/HgO電極と、電解液としての6MのKOH水溶液とを備えた電気化学セルにおいて、電流密度50mA/g、放電カットオフ電圧0.2V、及び充電カットオフ電圧0.7Vの条件で行われる。また、充放電サイクルにおいて、過充電が、正極活物質が1電子反応した場合の容量の2倍まで行われ、かつ、放電が過充電と同じ電流密度で行われるのが好ましい。   Typically, the above charge / discharge cycle repeated 30 cycles comprises a positive electrode as a working electrode, a platinum electrode as a counter electrode, a Hg / HgO electrode as a reference electrode, and a 6M KOH aqueous solution as an electrolyte. In the provided electrochemical cell, it is performed under the conditions of a current density of 50 mA / g, a discharge cutoff voltage of 0.2 V, and a charge cutoff voltage of 0.7 V. Further, in the charge / discharge cycle, it is preferable that overcharge is performed up to twice the capacity when the positive electrode active material undergoes one electron reaction, and the discharge is performed at the same current density as the overcharge.

正極に含まれるLDHの結晶構造は、X線回折における、LDHに由来する(003)ピーク及び(006)ピークの検出により同定することができる。そして、LDHに由来する(003)ピーク及び(006)ピークが、それぞれ、30サイクル後の放電末状態において、充放電サイクル前のピーク位置に対して2θ=±1°以内の位置に検出されるのが好ましい。   The crystal structure of LDH contained in the positive electrode can be identified by detecting (003) peak and (006) peak derived from LDH in X-ray diffraction. Then, the (003) peak and the (006) peak derived from LDH are detected at positions within 2θ = ± 1 ° with respect to the peak position before the charge / discharge cycle in the final state of discharge after 30 cycles. Is preferred.

本発明による正極は、層状複水酸化物(LDH)を正極活物質として含む。LDHは主に2価及び3価(時には4価)のイオンが層状水酸化物を形成し、その間に電荷バランスを取るために層間に炭酸イオンなどのアニオンが挿入された化合物として知られている。ここで、2価及び3価(時には4価)のイオンは幅広い候補から選択することができるため、マンガン、鉄等の安価な金属を利用することができる。このLDHはα−Ni(OH)と似た構造を有し、充放電に伴い可逆的に層間距離を変化させることができる。前述のとおり、β−Ni(OH)からγ−NiOOHまでの充電は、β−Ni(OH)からβ−NiOOHまでの充電より容量を1.5倍に改善することが期待できるが、放電に伴う還元によって生成するα−Ni(OH)が不安定であり、容易にβ−Ni(OH)に戻り、その際に体積収縮がおこることで電極が劣化する問題がある。そこで、γ−NiOOHの呈する上記利点を持ちながら、上記問題を回避可能な正極活物質が望まれる。この点、本発明の正極によれば、これらの要求を好都合に満たすことが期待できる。 The positive electrode according to the present invention includes layered double hydroxide (LDH) as a positive electrode active material. LDH is known as a compound in which mainly divalent and trivalent (sometimes tetravalent) ions form a layered hydroxide, and an anion such as carbonate ion is inserted between the layers to balance the charge between them. . Here, since divalent and trivalent (sometimes tetravalent) ions can be selected from a wide range of candidates, inexpensive metals such as manganese and iron can be used. This LDH has a structure similar to α-Ni (OH) 2 and can reversibly change the interlayer distance with charge / discharge. As described above, charging from β-Ni (OH) 2 to γ-NiOOH can be expected to improve the capacity by 1.5 times compared to charging from β-Ni (OH) 2 to β-NiOOH. There is a problem that α-Ni (OH) 2 generated by reduction accompanying discharge is unstable and easily returns to β-Ni (OH) 2 , and the electrode deteriorates due to volume shrinkage. Therefore, there is a demand for a positive electrode active material that can avoid the above problems while having the above-described advantages of γ-NiOOH. In this regard, according to the positive electrode of the present invention, it can be expected to satisfy these requirements conveniently.

正極は、正極活物質としてLDHを含む。すなわち、本発明の正極においてはLDH自体が正極の充放電反応に関与する。正極に含まれるLDHは、Ni、Fe及びMnから選択される少なくとも1種を構成元素として含有するのが好ましい。すなわち、一般的に知られているように、LDHは、複数の水酸化物基本層と、これら複数の水酸化物基本層間に介在する中間層とから構成される。水酸化物基本層は主として金属元素(典型的には金属イオン)とOH基で構成される。LDHの中間層は、陰イオン及びHOで構成される。陰イオンは1価以上の陰イオン、好ましくは1価又は2価のイオンである。好ましくは、LDH中の陰イオンはOH及び/又はCO 2−を含む。したがって、正極に含まれるLDHは、水酸化物基本層を構成する金属元素の一部としてNi、Fe及びMnから選択される少なくとも1種を含むのが好ましい。中でも、少なくともNiを含むNi系LDHが特に好ましい。 The positive electrode includes LDH as a positive electrode active material. That is, in the positive electrode of the present invention, LDH itself is involved in the charge / discharge reaction of the positive electrode. The LDH contained in the positive electrode preferably contains at least one selected from Ni, Fe and Mn as a constituent element. That is, as is generally known, LDH is composed of a plurality of hydroxide base layers and an intermediate layer interposed between the plurality of hydroxide base layers. The hydroxide base layer is mainly composed of metal elements (typically metal ions) and OH groups. The intermediate layer of LDH is composed of anions and H 2 O. The anion is a monovalent or higher anion, preferably a monovalent or divalent ion. Preferably, the anion in LDH comprises OH and / or CO 3 2− . Therefore, the LDH contained in the positive electrode preferably contains at least one selected from Ni, Fe and Mn as a part of the metal element constituting the hydroxide base layer. Among these, Ni-based LDH containing at least Ni is particularly preferable.

より好ましくは、正極に含まれるLDHは、Ni及びVの組合せ、Ni及びFeの組合せ、又はNi及びMnの組合せを構成元素として含有する。すなわち、正極に含まれるLDHは、水酸化物基本層を構成する金属元素としてNi及びV、又はNi及びFe、又はNi及びMnを含むのが好ましい。別の表現をすると、正極に含まれるLDHの好ましい例としては、Ni−V−LDH、Ni−Fe−LDH、及びNi−Mn−LDHが挙げられる。特に好ましくはNi−V−LDH又はNi−Fe−LDHである。Ni−V−LDHの場合、V/(Ni+V)のモル比は0.15〜0.50であるのが好ましく、より好ましくは0.20〜0.40であり、さらに好ましくは0.20〜0.35である。一方、Ni−Fe−LDHの場合、Fe/(Ni+Fe)のモル比は0.15〜0.50であるのが好ましく、より好ましくは0.20〜0.40であり、さらに好ましくは0.20〜0.35である。これらの範囲内であると、正極に使用した場合に充放電容量を更に向上することができる。   More preferably, the LDH contained in the positive electrode contains a combination of Ni and V, a combination of Ni and Fe, or a combination of Ni and Mn as constituent elements. That is, the LDH contained in the positive electrode preferably contains Ni and V, or Ni and Fe, or Ni and Mn as a metal element constituting the hydroxide base layer. In other words, preferred examples of LDH contained in the positive electrode include Ni-V-LDH, Ni-Fe-LDH, and Ni-Mn-LDH. Particularly preferred is Ni-V-LDH or Ni-Fe-LDH. In the case of Ni-V-LDH, the molar ratio of V / (Ni + V) is preferably 0.15 to 0.50, more preferably 0.20 to 0.40, still more preferably 0.20. 0.35. On the other hand, in the case of Ni—Fe—LDH, the Fe / (Ni + Fe) molar ratio is preferably 0.15 to 0.50, more preferably 0.20 to 0.40, and still more preferably 0.8. 20-0.35. Within these ranges, the charge / discharge capacity can be further improved when used for the positive electrode.

二次電池
前述したように、本発明のLDH正極を採用することで、容量の増加が見込め、充放電に伴う安定性も高い、二次電池を提供できる。すなわち、本発明の好ましい態様によれば、正極と、負極と、アルカリ電解液及び/又は水酸化物イオン伝導性固体電解質とを備えた、二次電池が提供される。負極は、アルカリ電解液及び/又は水酸化物イオン伝導性固体電解質を介してLDH正極との間で充放電反応を行うことができるものであれば特に限定されず、亜鉛負極、LDH負極、その他の各種負極等、様々な負極を採用することができる。好ましい負極の例としては、亜鉛負極とLDH負極が挙げられる。亜鉛負極を採用することでニッケル亜鉛電池を構成することができる。また、LDH負極を採用することでLDH電池を構成することができる。以下、これらの二次電池の各々について具体的に説明する。アルカリ電解液は水酸化カリウム水溶液等のアルカリ金属水酸化物水溶液でありうる。また、水酸化物イオン伝導性固体電解質はMg−Al−LDH等のLDHでありうる。
Secondary Battery As described above, by employing the LDH positive electrode of the present invention, it is possible to provide a secondary battery that is expected to increase in capacity and has high stability associated with charging and discharging. That is, according to a preferred aspect of the present invention, there is provided a secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode, and an alkaline electrolyte and / or hydroxide ion conductive solid electrolyte. The negative electrode is not particularly limited as long as it can perform a charge / discharge reaction with the LDH positive electrode via an alkaline electrolyte and / or a hydroxide ion conductive solid electrolyte. Various negative electrodes such as various negative electrodes can be employed. Examples of preferred negative electrodes include zinc negative electrodes and LDH negative electrodes. A nickel zinc battery can be constructed by employing a zinc negative electrode. In addition, an LDH battery can be configured by employing an LDH negative electrode. Hereinafter, each of these secondary batteries will be described in detail. The alkaline electrolyte may be an aqueous alkali metal hydroxide solution such as an aqueous potassium hydroxide solution. The hydroxide ion conductive solid electrolyte may be LDH such as Mg-Al-LDH.

(1)ニッケル亜鉛電池
図1に本発明のLDH正極を用いたニッケル亜鉛電池が概念的に示される。図1に示されるように、ニッケル亜鉛電池10は、正極12と、負極14と、電解液16と、所望により層状複水酸化物(LDH)セパレータ28とを備える。正極12は、上述した本発明によるLDH正極である。負極14は、亜鉛及び/又は酸化亜鉛を含む。電解液16は、アルカリ金属水酸化物水溶液を含む。LDHセパレータ28は、正極12と負極14とを水酸化物イオン伝導可能に隔離する。かかる構成によれば、LDHをニッケル亜鉛電池の正極に用いることで、ニッケル亜鉛電池の容量を改善することができる。
(1) Nickel Zinc Battery FIG. 1 conceptually shows a nickel zinc battery using the LDH positive electrode of the present invention. As shown in FIG. 1, the nickel zinc battery 10 includes a positive electrode 12, a negative electrode 14, an electrolytic solution 16, and, optionally, a layered double hydroxide (LDH) separator 28. The positive electrode 12 is the LDH positive electrode according to the present invention described above. The negative electrode 14 contains zinc and / or zinc oxide. The electrolyte solution 16 includes an alkali metal hydroxide aqueous solution. The LDH separator 28 separates the positive electrode 12 and the negative electrode 14 so that hydroxide ions can be conducted. According to such a configuration, the capacity of the nickel zinc battery can be improved by using LDH for the positive electrode of the nickel zinc battery.

LDHは粒子状の形態を有するのが好ましい。粒子状であることで表面積が増大して大電流放電に対応可能となる。粒子状の形態のLDHは0.05〜3μmの平均一次粒径を有するのが好ましく、より好ましくは0.1〜3μm、さらに好ましくは0.1〜1μm、特に好ましくは0.1〜0.6μm、最も好ましくは0.1〜0.4μmである。LDHは一般的に導電性に乏しいため、膜状の微構造よりも、粒子状の形態(特に上記のように一次粒径の小さいもの)の方が反応性が高いものと考えられる。本明細書において、一次粒径は、LDH一次粒子(板状粒子)の径の最長距離であり、走査型電子顕微鏡(SEM)により一次粒子観察可能な倍率(例えば40000倍)で観察し、SEMのソフトウェアの測長機能を用いて測定できるものである。また、平均一次粒径は、1視野あたり10個の一次粒子について一次粒径を測定するものとし、2視野分(すなわち合計20個の一次粒子)の一次粒径の平均値を算出することにより決定するのが望ましい。   LDH preferably has a particulate form. By being in the form of particles, the surface area is increased and it is possible to cope with a large current discharge. The particulate form of LDH preferably has an average primary particle size of 0.05 to 3 μm, more preferably 0.1 to 3 μm, still more preferably 0.1 to 1 μm, and particularly preferably 0.1 to 0.3 μm. It is 6 μm, most preferably 0.1 to 0.4 μm. Since LDH is generally poor in conductivity, it is considered that the particulate form (particularly, the one having a small primary particle size as described above) is more reactive than the film-like microstructure. In this specification, the primary particle diameter is the longest distance of the diameter of LDH primary particles (plate-like particles), and is observed with a scanning electron microscope (SEM) at a magnification at which primary particles can be observed (for example, 40000 times). It can be measured using the length measurement function of the software. In addition, the average primary particle size is determined by measuring the primary particle size of 10 primary particles per field of view, and by calculating the average value of the primary particle sizes for two fields of view (that is, a total of 20 primary particles). It is desirable to decide.

LDH粉末の製造方法は特に限定されないが、上述したような粒径の小さいLDHを作製できる点で、共沈法または水熱法を採用するのが好ましい。例えば、Ni−M−LDH粉末(MはV、Fe等の遷移金属である)は以下の手順により好ましく製造することができる。
1)エチレングリコール、アンモニア水及び炭酸ナトリウムを混合した溶液に、Niと遷移金属Mを所望の割合で含む金属イオン水溶液を加え攪拌する。
2)原料水溶液をオートクレーブに入れ、150〜200℃で3〜24時間水熱合成により結晶成長させ、LDH沈殿物を得る。
3)LDH沈殿物を含む溶液を吸引濾過してLDH沈殿物を回収し、水で洗浄し、エタノールでさらに洗浄後、真空中80℃で乾燥させてNi−M−LDH粉末を得る。
The method for producing the LDH powder is not particularly limited, but it is preferable to employ a coprecipitation method or a hydrothermal method in that LDH having a small particle diameter as described above can be produced. For example, Ni-M-LDH powder (M is a transition metal such as V or Fe) can be preferably produced by the following procedure.
1) A metal ion aqueous solution containing Ni and transition metal M in a desired ratio is added to a solution obtained by mixing ethylene glycol, aqueous ammonia and sodium carbonate, and stirred.
2) The raw material aqueous solution is put into an autoclave and crystal is grown by hydrothermal synthesis at 150 to 200 ° C. for 3 to 24 hours to obtain an LDH precipitate.
3) The solution containing the LDH precipitate is filtered by suction to collect the LDH precipitate, washed with water, further washed with ethanol, and then dried in vacuum at 80 ° C. to obtain Ni-M-LDH powder.

負極14は、亜鉛及び/又は酸化亜鉛を含む。亜鉛は、負極に適した電気化学的活性を有するものであれば、亜鉛金属、亜鉛化合物及び亜鉛合金のいずれの形態で含まれていてもよい。負極材料の好ましい例としては、酸化亜鉛、亜鉛金属、亜鉛酸カルシウム等が挙げられるが、亜鉛金属及び酸化亜鉛の混合物がより好ましい。負極14はゲル状に構成してもよいし、電解液16と混合して負極合材としてもよい。負極材料の形状は特に限定されないが、粉末状とすることが好ましく、それにより表面積が増大して大電流放電に対応可能となる。   The negative electrode 14 contains zinc and / or zinc oxide. Zinc may be contained in any form of zinc metal, zinc compound and zinc alloy as long as it has an electrochemical activity suitable for the negative electrode. Preferable examples of the negative electrode material include zinc oxide, zinc metal, calcium zincate and the like, and a mixture of zinc metal and zinc oxide is more preferable. The negative electrode 14 may be configured in a gel form, or may be mixed with the electrolytic solution 16 to form a negative electrode mixture. The shape of the negative electrode material is not particularly limited, but it is preferably a powder form, which increases the surface area and can cope with a large current discharge.

電解液16は、アルカリ金属水酸化物水溶液を含む。すなわち、アルカリ金属水酸化物を含む水溶液が電解液16(例えば正極電解液16a及び負極電解液16b)として用いられる。アルカリ金属水酸化物の例としては、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム、水酸化アンモニウム等が挙げられるが、水酸化カリウムがより好ましい。   The electrolyte solution 16 includes an alkali metal hydroxide aqueous solution. That is, an aqueous solution containing an alkali metal hydroxide is used as the electrolyte solution 16 (for example, the positive electrode electrolyte solution 16a and the negative electrode electrolyte solution 16b). Examples of the alkali metal hydroxide include potassium hydroxide, sodium hydroxide, lithium hydroxide, ammonium hydroxide and the like, and potassium hydroxide is more preferable.

電解液16は、正極12が浸漬される正極電解液16aと、負極14が浸漬される負極電解液16bとに分離されていてもよい。負極電解液16bには、亜鉛及び/又は酸化亜鉛の自己溶解を抑制するために、酸化亜鉛、水酸化亜鉛等の亜鉛化合物を添加するのが好ましい。電解液16(例えば正極電解液16a及び負極電解液16b)は正極12及び/又は負極14と混合させて正極合材及び/又は負極合材の形態で存在させてもよい。また、電解液の漏洩を防止するために電解液をゲル化してもよい。   The electrolyte solution 16 may be separated into a positive electrode electrolyte solution 16a in which the positive electrode 12 is immersed and a negative electrode electrolyte solution 16b in which the negative electrode 14 is immersed. In order to suppress the self-dissolution of zinc and / or zinc oxide, a zinc compound such as zinc oxide or zinc hydroxide is preferably added to the negative electrode electrolyte solution 16b. The electrolyte solution 16 (for example, the positive electrode electrolyte solution 16a and the negative electrode electrolyte solution 16b) may be mixed with the positive electrode 12 and / or the negative electrode 14 to be present in the form of a positive electrode mixture and / or a negative electrode mixture. Further, the electrolytic solution may be gelled in order to prevent leakage of the electrolytic solution.

電解液16が正極電解液16aと負極電解液16bとに分離される場合、正極12及び正極電解液16aが、負極14及び負極電解液16bと、層状複水酸化物(LDH)セパレータ28によって水酸化物イオン伝導可能に隔離されるのが好ましい。また、電解液16が正極電解液16aと負極電解液16bとに完全には分離されない場合(すなわち正極室と負極室で共通の電解液16が液絡している場合)であっても、正極12は負極14とLDHセパレータ28によって水酸化物イオン伝導可能に隔離されるのが好ましい。いずれにしても、LDHセパレータ28は、前述したように、亜鉛二次電池の分野において水酸化物イオン伝導性を有する緻密セパレータとして知られているものであり、亜鉛デンドライトによる正負極間の短絡を効果的に防止できるものであるが、以下にその好適態様を説明する。   When the electrolyte solution 16 is separated into the positive electrode electrolyte solution 16a and the negative electrode electrolyte solution 16b, the positive electrode 12 and the positive electrode electrolyte solution 16a are separated by the negative electrode 14, the negative electrode electrolyte solution 16b, and the layered double hydroxide (LDH) separator 28. It is preferable that the oxide ions are isolated so as to be conductive. Even when the electrolytic solution 16 is not completely separated into the positive electrode electrolytic solution 16a and the negative electrode electrolytic solution 16b (that is, when the common electrolytic solution 16 is in liquid junction in the positive electrode chamber and the negative electrode chamber), the positive electrode 12 is preferably isolated by the negative electrode 14 and the LDH separator 28 so that hydroxide ions can be conducted. In any case, as described above, the LDH separator 28 is known as a dense separator having hydroxide ion conductivity in the field of zinc secondary batteries. Although it can prevent effectively, the suitable aspect is demonstrated below.

LDHセパレータ28は層状複水酸化物(LDH)を含むセラミックスセパレータであり、正極12と負極14とを水酸化物イオン伝導可能に隔離する。好ましいLDHセパレータ28はガス不透過性及び/又は水不透過性を有する。換言すれば、LDHセパレータ28はガス不透過性及び/又は水不透過性を有するほどに緻密化されているのが好ましい。なお、本明細書において「ガス不透過性を有する」とは、特許文献2(国際公開第2016/076047号)に記載されるように、水中で測定対象物(すなわちLDHセパレータ28及び/又は多孔質基材30)の一面側にヘリウムガスを0.5atmの差圧で接触させても他面側からヘリウムガスに起因する泡の発生がみられないことを意味する。また、本明細書において「水不透過性を有する」とは、特許文献2(国際公開第2016/076047号)に記載されるように、測定対象物(例えばLDH膜及び/又は多孔質基材)の一面側に接触した水が他面側に透過しないことを意味する。すなわち、LDHセパレータ28がガス不透過性及び/又は水不透過性を有するということは、LDHセパレータ28が気体又は水を通さない程の高度な緻密性を有することを意味し、透水性を有する多孔性フィルムやその他の多孔質材料ではないことを意味する。こうすることで、LDHセパレータ28は、その水酸化物イオン伝導性に起因して水酸化物イオンのみを選択的に通すものとなり、電池用セパレータとしての機能を呈することができる。このため、充電時に負極14から生成して進展する亜鉛デンドライトによるセパレータの貫通を物理的に阻止して正負極間の短絡を防止するのに極めて効果的な構成となっている。もっとも、図1に示されるようにLDHセパレータ28が多孔質基材30と複合化されてよいのはいうまでもない。いずれにしても、LDHセパレータ28は水酸化物イオン伝導性を有するため、正極電解液16aと負極電解液16bとの間で必要な水酸化物イオンの効率的な移動を可能として正極12及び負極14における充放電反応を実現することができる。   The LDH separator 28 is a ceramic separator containing layered double hydroxide (LDH), and separates the positive electrode 12 and the negative electrode 14 so that hydroxide ions can be conducted. A preferred LDH separator 28 is gas impermeable and / or water impermeable. In other words, the LDH separator 28 is preferably so dense that it has gas impermeability and / or water impermeability. In this specification, “having gas impermeability” means that an object to be measured (that is, LDH separator 28 and / or porous material) in water as described in Patent Document 2 (International Publication No. 2016/076047). This means that even if helium gas is brought into contact with one surface side of the base material 30) with a differential pressure of 0.5 atm, no bubbles are generated due to helium gas from the other surface side. Further, in this specification, “having water impermeability” means a measurement object (for example, an LDH film and / or a porous substrate) as described in Patent Document 2 (International Publication No. 2016/076047). ) Means that water that contacts one side does not permeate the other side. That is, the fact that the LDH separator 28 has gas impermeability and / or water impermeability means that the LDH separator 28 has a high degree of denseness that does not allow gas or water to pass through, and has water permeability. It means not a porous film or other porous material. By doing so, the LDH separator 28 can selectively pass only hydroxide ions due to its hydroxide ion conductivity, and can exhibit a function as a battery separator. For this reason, it has a very effective configuration for physically preventing penetration of the separator by the zinc dendrite that is generated and propagated from the negative electrode 14 during charging to prevent a short circuit between the positive and negative electrodes. Needless to say, the LDH separator 28 may be combined with the porous substrate 30 as shown in FIG. In any case, since the LDH separator 28 has hydroxide ion conductivity, the required hydroxide ions can be efficiently transferred between the positive electrode electrolyte solution 16a and the negative electrode electrolyte solution 16b. 14 can be realized.

LDHセパレータ28は層状複水酸化物(LDH)を含み、好ましくはLDHで構成される。前述したように、LDHは、複数の水酸化物基本層と、これら複数の水酸化物基本層間に介在する中間層とから構成される。水酸化物基本層は主として金属元素(典型的には金属イオン)とOH基で構成される。LDHの中間層は、陰イオン及びHOで構成される。陰イオンは1価以上の陰イオン、好ましくは1価又は2価のイオンである。好ましくは、LDH中の陰イオンはOH及び/又はCO 2−を含む。また、LDHはその固有の性質に起因して優れたイオン伝導性を有する。一般的に、LDHは、M2+ 1−x3+ (OH)n− x/n・mHO(式中、M2+は2価の陽イオンであり、M3+は3価の陽イオンであり、An−はn価の陰イオンであり、nは1以上の整数であり、xは0.1〜0.4であり、mは0以上である)の基本組成式で代表されるものとして知られている。上記基本組成式において、M2+は任意の2価の陽イオンでありうるが、好ましい例としてはMg2+、Ca2+及びZn2+が挙げられ、より好ましくはMg2+である。M3+は任意の3価の陽イオンでありうるが、好ましい例としてはAl3+又はCr3+が挙げられ、より好ましくはAl3+である。An−は任意の陰イオンでありうるが、好ましい例としてはOH及びCO 2−が挙げられる。したがって、上記基本組成式において、M2+がMg2+を含み、M3+がAl3+を含み、An−がOH及び/又はCO 2−を含むのが好ましい。nは1以上の整数であるが、好ましくは1又は2である。xは0.1〜0.4であるが、好ましくは0.2〜0.35である。mは水のモル数を意味する任意の数であり、0以上、典型的には0を超える又は1以上の実数である。もっとも、上記基本組成式は、一般にLDHに関して代表的に例示される「基本組成」の式にすぎず、構成イオンを適宜置き換え可能なものである。例えば、上記基本組成式においてM3+の一部または全部を4価またはそれ以上の価数の陽イオンで置き換えてもよく、その場合は、上記一般式における陰イオンAn−の係数x/nは適宜変更されてよい。 The LDH separator 28 includes a layered double hydroxide (LDH), and is preferably composed of LDH. As described above, the LDH includes a plurality of hydroxide base layers and an intermediate layer interposed between the plurality of hydroxide base layers. The hydroxide base layer is mainly composed of metal elements (typically metal ions) and OH groups. The intermediate layer of LDH is composed of anions and H 2 O. The anion is a monovalent or higher anion, preferably a monovalent or divalent ion. Preferably, the anion in LDH comprises OH and / or CO 3 2− . LDH has excellent ionic conductivity due to its inherent properties. In general, LDH is M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 A n− x / n · mH 2 O (where M 2+ is a divalent cation and M 3+ is a trivalent cation). is a cation, a n-is the n-valent anion, n is an integer of 1 or more, x is 0.1 to 0.4, m is the base composition formula is 0 or more) It is known as a representative. In the above basic composition formula, M 2+ may be any divalent cation, and preferred examples include Mg 2+ , Ca 2+ and Zn 2+ , and more preferably Mg 2+ . M 3+ may be any trivalent cation, but preferred examples include Al 3+ or Cr 3+ , and more preferred is Al 3+ . A n- may be any anion, preferred examples OH - and CO 3 2- and the like. Accordingly, in the above basic formula, M 2+ comprises Mg 2+, M 3+ comprises Al 3+, A n-is OH - and / or CO preferably contains 3 2-. n is an integer of 1 or more, preferably 1 or 2. x is 0.1 to 0.4, preferably 0.2 to 0.35. m is an arbitrary number which means the number of moles of water, and is a real number of 0 or more, typically more than 0 or 1 or more. However, the above basic composition formula is merely a formula of “basic composition” that is typically exemplified with respect to LDH in general, and the constituent ions can be appropriately replaced. For example, it may be replaced with some or all of the M 3+ tetravalent or higher valency cations in the basic formula, in which case, the anion A coefficient of n-x / n in the general formula May be changed as appropriate.

LDHセパレータ28は、板状、膜状又は層状のいずれの形態であってもよく、膜状又は層状の形態である場合、膜状又は層状のLDHセパレータ28が多孔質基材30と複合化されている、例えば多孔質基材30上又はその中に形成されたものであるのが好ましい。板状の形態であると十分な堅さを確保して亜鉛デンドライトの貫通をより効果的に阻止することができる。一方、板状よりも厚さが薄い膜状又は層状の形態であると亜鉛デンドライトの貫通を阻止するための必要最低限の堅さを確保しながらセパレータの抵抗を有意に低減できるとの利点がある。板状のLDHセパレータ28の好ましい厚さは、0.01〜0.5mmであり、より好ましくは0.02〜0.2mm、さらに好ましくは0.05〜0.1mmである。また、LDHセパレータ28の水酸化物イオン伝導度は高ければ高い方が望ましいが、典型的には10−4〜10−1S/mの伝導度を有する。一方、膜状又は層状の形態の場合には、厚さが100μm以下であるのが好ましく、より好ましくは75μm以下、さらに好ましくは50μm以下、特に好ましくは25μm以下、最も好ましくは5μm以下である。このように薄いことでLDHセパレータ28の低抵抗化を実現できる。厚さの下限値は用途に応じて異なるため特に限定されないが、セパレータ膜ないし層として望まれるある程度の堅さを確保するためには厚さ1μm以上であるのが好ましく、より好ましくは2μm以上である。 The LDH separator 28 may be in a plate shape, a film shape, or a layer shape. When the LDH separator 28 is in a film shape or a layer shape, the film or layer LDH separator 28 is combined with the porous substrate 30. For example, it is preferably formed on or in the porous substrate 30. When the plate-like form is used, sufficient hardness can be secured and penetration of zinc dendrites can be more effectively prevented. On the other hand, if the film or layer form is thinner than the plate, there is an advantage that the resistance of the separator can be significantly reduced while ensuring the minimum necessary hardness to prevent the penetration of zinc dendrite. is there. The preferable thickness of the plate-like LDH separator 28 is 0.01 to 0.5 mm, more preferably 0.02 to 0.2 mm, and still more preferably 0.05 to 0.1 mm. Further, the higher the hydroxide ion conductivity of the LDH separator 28, the higher, but it is typically 10 −4 to 10 −1 S / m. On the other hand, in the case of a film-like or layered form, the thickness is preferably 100 μm or less, more preferably 75 μm or less, still more preferably 50 μm or less, particularly preferably 25 μm or less, and most preferably 5 μm or less. Thus, the resistance of the LDH separator 28 can be reduced. The lower limit of the thickness is not particularly limited because it varies depending on the application, but in order to ensure a certain degree of rigidity desired as a separator film or layer, the thickness is preferably 1 μm or more, more preferably 2 μm or more. is there.

LDHセパレータ28は多孔質基材30と複合化されているのが好ましい。例えば、LDHセパレータ28の片面又は両面に多孔質基材30を設けてもよい。LDHセパレータ28の片面に多孔質基材30が設けられる場合、多孔質基材30はLDHセパレータ28の負極14側の面に設けてもよいし、LDHセパレータ28の正極12側の面に設けてもよい。多孔質基材30は透水性を有し、それ故電解液16(例えば正極電解液16a及び負極電解液16b)がLDHセパレータ28に到達可能であることはいうまでもないが、多孔質基材30があることでLDHセパレータ28上により安定に水酸化物イオンを保持することも可能となる。また、多孔質基材30により強度を付与できるため、LDHセパレータ28を薄くして低抵抗化を図ることもできる。また、多孔質基材30上又はその中にLDHの緻密膜ないし緻密層を形成することもできる。LDHセパレータ28の片面に多孔質基材を設ける場合には、多孔質基材を用意して、この多孔質基材にLDHを成膜する手法が考えられる。一方、LDHセパレータ28の両面に多孔質基材を設ける場合には、2枚の多孔質基材の間にLDHの原料粉末を挟んで緻密化を行うことが考えられる。なお、図1において多孔質基材30はLDHセパレータ28の片面の全面にわたって設けられているが、LDHセパレータ28の片面の一部(例えば充放電反応に関与する領域)にのみ設ける構成としてもよい。例えば、多孔質基材30上又はその中にLDHを膜状又は層状に形成した場合、その製法に由来して、LDHセパレータ28の片面の全面にわたって多孔質基材30が設けられた構成になるのが典型的である。一方、LDH体を(基材を必要としない)自立した板状に形成した場合には、LDHセパレータ28の片面の一部(例えば充放電反応に関与する領域)にのみ多孔質基材30を後付けしてもよいし、片面の全面にわたって多孔質基材30を後付けしてもよい。   The LDH separator 28 is preferably combined with the porous substrate 30. For example, the porous substrate 30 may be provided on one side or both sides of the LDH separator 28. When the porous substrate 30 is provided on one side of the LDH separator 28, the porous substrate 30 may be provided on the surface of the LDH separator 28 on the negative electrode 14 side or on the surface of the LDH separator 28 on the positive electrode 12 side. Also good. It goes without saying that the porous substrate 30 has water permeability, and therefore the electrolyte solution 16 (for example, the positive electrode electrolyte solution 16a and the negative electrode electrolyte solution 16b) can reach the LDH separator 28. The presence of 30 makes it possible to hold hydroxide ions on the LDH separator 28 more stably. In addition, since the strength can be imparted by the porous substrate 30, the LDH separator 28 can be thinned to reduce the resistance. In addition, a dense film or dense layer of LDH can be formed on or in the porous substrate 30. When providing a porous substrate on one side of the LDH separator 28, a method of preparing a porous substrate and forming an LDH film on the porous substrate can be considered. On the other hand, when providing a porous base material on both surfaces of the LDH separator 28, it is conceivable to perform densification by sandwiching an LDH raw material powder between two porous base materials. In FIG. 1, the porous substrate 30 is provided over the entire surface of one side of the LDH separator 28, but may be provided only on a part of one side of the LDH separator 28 (for example, a region involved in charge / discharge reaction). . For example, when LDH is formed in the form of a film or a layer on or in the porous substrate 30, the porous substrate 30 is provided over the entire surface of one side of the LDH separator 28 due to the manufacturing method. It is typical. On the other hand, when the LDH body is formed in a self-supporting plate shape (which does not require a base material), the porous base material 30 is formed only on a part of one side of the LDH separator 28 (for example, a region involved in the charge / discharge reaction). It may be retrofitted, or the porous substrate 30 may be retrofitted over the entire surface of one side.

LDHセパレータ28の一方の側に多孔質基材30が設けられる場合、LDHセパレータ28は多孔質基材30の正極12側及び負極14側のいずれに設けられてもよい。もっとも、LDHセパレータ28は多孔質基材30の負極14側に設けられるのが好ましい。こうすることで、LDHセパレータ28の多孔質基材30からの剥離をより効果的に抑制することができる。すなわち、負極14に由来して亜鉛デンドライトが成長してLDHセパレータ28に到達した場合に、亜鉛デンドライトの成長に伴い発生しうる応力が、LDHセパレータ28を多孔質基材30に押し付ける方向に働くことになり、その結果、LDHセパレータ28が多孔質基材30から剥離しにくくなる。   When the porous substrate 30 is provided on one side of the LDH separator 28, the LDH separator 28 may be provided on either the positive electrode 12 side or the negative electrode 14 side of the porous substrate 30. However, the LDH separator 28 is preferably provided on the negative electrode 14 side of the porous substrate 30. By carrying out like this, peeling from the porous base material 30 of the LDH separator 28 can be suppressed more effectively. That is, when zinc dendrite grows from the negative electrode 14 and reaches the LDH separator 28, stress that can be generated as the zinc dendrite grows acts in a direction to press the LDH separator 28 against the porous substrate 30. As a result, the LDH separator 28 becomes difficult to peel off from the porous substrate 30.

多孔質基材30は、セラミックス材料、金属材料、及び高分子材料からなる群から選択される少なくとも1種で構成されるのが好ましく、より好ましくはセラミックス材料及び/又は高分子材料、さらに好ましくは高分子材料である。多孔質基材は、セラミックス材料で構成されるのがより好ましい。この場合、セラミックス材料の好ましい例としては、アルミナ、ジルコニア、チタニア、マグネシア、スピネル、カルシア、コージライト、ゼオライト、ムライト、フェライト、酸化亜鉛、炭化ケイ素、及びそれらの任意の組合せが挙げられ、より好ましくは、アルミナ、ジルコニア、チタニア、及びそれらの任意の組合せであり、特に好ましくはアルミナ及びジルコニアであり、最も好ましくはアルミナである。これらの多孔質セラミックスを用いると緻密性に優れたLDHセパレータ28を形成しやすい。金属材料の好ましい例としては、アルミニウム及び亜鉛が挙げられる。高分子材料の好ましい例としては、ポリスチレン、ポリエーテルサルフォン、ポリプロピレン、エポキシ樹脂、ポリフェニレンサルファイド、親水化したフッ素樹脂(四フッ素化樹脂:PTFE等)、及びそれらの任意の組合せが挙げられる。上述した各種の好ましい材料から電池の電解液に対する耐性として耐アルカリ性に優れたものを適宜選択するのが更に好ましい。   The porous substrate 30 is preferably composed of at least one selected from the group consisting of a ceramic material, a metal material, and a polymer material, more preferably a ceramic material and / or a polymer material, still more preferably. It is a polymer material. More preferably, the porous substrate is made of a ceramic material. In this case, preferable examples of the ceramic material include alumina, zirconia, titania, magnesia, spinel, calcia, cordierite, zeolite, mullite, ferrite, zinc oxide, silicon carbide, and any combination thereof, and more preferable. Is alumina, zirconia, titania, and any combination thereof, particularly preferably alumina and zirconia, most preferably alumina. When these porous ceramics are used, it is easy to form the LDH separator 28 having excellent denseness. Preferable examples of the metal material include aluminum and zinc. Preferable examples of the polymer material include polystyrene, polyether sulfone, polypropylene, epoxy resin, polyphenylene sulfide, hydrofluorinated fluororesin (tetrafluorinated resin: PTFE, etc.), and any combination thereof. It is more preferable to appropriately select a material excellent in alkali resistance as the resistance to the battery electrolyte from the various preferable materials described above.

好ましくは、LDHセパレータ28が、複数のLDH板状粒子の集合体で構成され、複数のLDH板状粒子がそれらの板面が多孔質基材30の表面(多孔構造に起因する微細凹凸を無視できる程度に巨視的に観察した場合における多孔質基材の主面)と垂直に又は斜めに交差するような向きに配向している。なお、LDHセパレータ28は多孔質基材30の孔内に少なくとも部分的に組み込まれていてもよく、その場合、多孔質基材30の孔内にもLDH板状粒子は存在しうる。   Preferably, the LDH separator 28 is composed of an aggregate of a plurality of LDH plate-like particles, and the plurality of LDH plate-like particles have their plate surfaces on the surface of the porous substrate 30 (ignoring fine irregularities caused by the porous structure). The orientation is such that it intersects perpendicularly or diagonally with the main surface of the porous substrate when observed macroscopically as much as possible. Note that the LDH separator 28 may be at least partially incorporated in the pores of the porous substrate 30, and in that case, LDH plate-like particles may also exist in the pores of the porous substrate 30.

LDHセパレータ28、例えば多孔質基材30と複合化されたLDHセパレータ28の製造方法は特に限定されず、既に知られるLDHセパレータの製造方法(例えば特許文献1及び2)を参照することにより作製することができる。また、特許文献2に開示されるように、LDHセパレータ28及び/又は多孔質基材30の外周が樹脂製の外枠で覆われていてもよい。   The manufacturing method of the LDH separator 28, for example, the LDH separator 28 combined with the porous substrate 30, is not particularly limited, and is manufactured by referring to a known manufacturing method of the LDH separator (for example, Patent Documents 1 and 2). be able to. Further, as disclosed in Patent Document 2, the outer periphery of the LDH separator 28 and / or the porous substrate 30 may be covered with a resin outer frame.

(2)LDH二次電池
図2に本発明のLDH正極を用いたLDH二次電池が概念的に示される。図2に示されるように、二次電池20は、正極22と、負極24と、電解液及び/又は固体電解質26とを備える。正極22は本発明のLDH正極であり、好ましくは、正極活物質として、Ni、Fe及びMnからなる群から選択される少なくとも1種を構成元素として含有する層状複水酸化物(LDH)を含む。負極24は、負極活物質として、Cu、Al及びZnからなる群から選択される少なくとも1種を構成元素として含有する層状複水酸化物(LDH)を含む。電解液及び/又は固体電解質26(以下、両者をまとめて電解質26ということがある)は、アルカリ電解液及び/又は水酸化物イオン伝導性固体電解質である。このように、本発明のLDH正極22を採用することで、充放電に伴い可逆的にLDHの層間距離を変化させることができる。また、Cu、Al等の所定の構成元素を含有する層状複水酸化物(LDH)を二次電池20用の負極活物質として採用することで、充放電に伴い可逆的に層間距離が変化させることができる。したがって、LDH正極とLDH負極を採用することで、容量の増加が見込め、充放電に伴う安定性も高く、しかも亜鉛デンドライトによる短絡の問題を生じない、二次電池を提供することができる。
(2) LDH Secondary Battery FIG. 2 conceptually shows an LDH secondary battery using the LDH positive electrode of the present invention. As shown in FIG. 2, the secondary battery 20 includes a positive electrode 22, a negative electrode 24, and an electrolyte solution and / or a solid electrolyte 26. The positive electrode 22 is the LDH positive electrode of the present invention, and preferably includes, as a positive electrode active material, a layered double hydroxide (LDH) containing at least one selected from the group consisting of Ni, Fe and Mn as a constituent element. . The negative electrode 24 includes a layered double hydroxide (LDH) containing at least one selected from the group consisting of Cu, Al, and Zn as a constituent element as a negative electrode active material. The electrolytic solution and / or the solid electrolyte 26 (hereinafter, both may be collectively referred to as the electrolyte 26) are an alkaline electrolytic solution and / or a hydroxide ion conductive solid electrolyte. Thus, by employing the LDH positive electrode 22 of the present invention, the interlayer distance of the LDH can be reversibly changed with charge / discharge. Further, by employing a layered double hydroxide (LDH) containing a predetermined constituent element such as Cu or Al as a negative electrode active material for the secondary battery 20, the interlayer distance is reversibly changed with charge and discharge. be able to. Therefore, by adopting the LDH positive electrode and the LDH negative electrode, it is possible to provide a secondary battery that is expected to increase in capacity, has high stability accompanying charge / discharge, and does not cause a short circuit due to zinc dendrite.

負極14は、負極活物質としてLDHを含む。すなわち、本発明の二次電池20においてはLDH自体が負極14の充放電反応に関与する。負極14に含まれるLDHは、Cu、Al及びZnから選択される少なくとも1種を構成元素として含有するものである。繰り返しになるが、一般的に知られているように、LDHは、複数の水酸化物基本層と、これら複数の水酸化物基本層間に介在する中間層とから構成される。水酸化物基本層は主として金属元素(典型的には金属イオン)とOH基で構成される。LDHの中間層は、陰イオン及びHOで構成される。陰イオンは1価以上の陰イオン、好ましくは1価又は2価のイオンである。好ましくは、LDH中の陰イオンはOH及び/又はCO 2−を含む。したがって、負極24に含まれるLDHは、水酸化物基本層を構成する金属元素の一部として、Cu、Al及びZnから選択される少なくとも1種を含むものである。中でも、Alを含むAl系LDHが好ましい。 The negative electrode 14 includes LDH as a negative electrode active material. That is, in the secondary battery 20 of the present invention, LDH itself participates in the charge / discharge reaction of the negative electrode 14. LDH contained in the negative electrode 14 contains at least one selected from Cu, Al, and Zn as a constituent element. Again, as is generally known, LDH is composed of a plurality of hydroxide base layers and an intermediate layer interposed between the plurality of hydroxide base layers. The hydroxide base layer is mainly composed of metal elements (typically metal ions) and OH groups. The intermediate layer of LDH is composed of anions and H 2 O. The anion is a monovalent or higher anion, preferably a monovalent or divalent ion. Preferably, the anion in LDH comprises OH and / or CO 3 2− . Therefore, the LDH contained in the negative electrode 24 contains at least one selected from Cu, Al, and Zn as a part of the metal element constituting the hydroxide base layer. Among these, Al-based LDH containing Al is preferable.

より好ましくは、負極24に含まれるLDHは、Cu及びAlの組合せ、又はZn及びAlの組合せを構成元素として含有する。すなわち、正極22に含まれるLDHは、水酸化物基本層を構成する金属元素としてCu及びAl、又はZn及びAlを含むのが好ましい。別の表現をすると、負極24に含まれるLDHの好ましい例としては、Cu−Al−LDH及びZn−Al−LDHが挙げられる。   More preferably, the LDH included in the negative electrode 24 contains a combination of Cu and Al or a combination of Zn and Al as constituent elements. That is, the LDH contained in the positive electrode 22 preferably contains Cu and Al, or Zn and Al as the metal elements constituting the hydroxide base layer. In other words, preferable examples of LDH contained in the negative electrode 24 include Cu—Al—LDH and Zn—Al—LDH.

電解質26は、アルカリ電解液及び/又は水酸化物イオン伝導性固体電解質である。すなわち、本発明の二次電池20は液系電池として構成されてもよいし、全固体電池として構成されてもよく、あるいは両方の要素を併せ持った電池として構成されてもよい。典型的なアルカリ電解液はアルカリ金属水酸化物水溶液である。アルカリ金属水酸化物の例としては、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム、水酸化アンモニウム等が挙げられるが、水酸化カリウムがより好ましい。一方、水酸化物イオン伝導性固体電解質は、正極22と負極24を水酸化物イオン伝導可能に、かつ、電子伝導を許容しないように隔離する、膜状、層状又は板状の部材としての形態(すなわちセパレータの形態)を有するのが好ましい。この固体電解質は緻密なものであってもよいし、多孔質であってもよく、電子伝導性物質を含まないかぎり構造は限定されない。例えば、水酸化物イオン伝導性固体電解質粒子を薄層状に堆積させて加圧した程度の圧粉体層であってもよいし、加熱や水熱処理等の手法で一体化させたものであってもよい。特に、本発明の二次電池20は電解液を用いなくて済むため、圧粉体層を用いても特段の不具合(例えば電解液浸透による劣化や崩れ等)は生じない。また、膜状に成形した水酸化物イオン伝導性固体電解質をセパレータとして配置してもよい。水酸化物イオン伝導性固体電解質は、水酸化物イオン伝導性を有する固体電解質であれば特に限定されないが、無機固体電解質が好ましい。水酸化物イオン伝導性無機固体電解質の例としては、層状複水酸化物(LDH)、層状ペロブスカイト酸化物等が挙げられる。最も好ましくは安価で且つ高い水酸化物イオン伝導性を呈する点から、LDHである。特に、前述したように、ニッケル亜鉛二次電池や空気亜鉛二次電池の分野において、LDHセパレータが知られており(特許文献1及び2を参照)、このLDHセパレータを本発明の二次電池20にも好ましく使用することができる。このLDHセパレータは、特許文献1及び2に開示されるように多孔質基材と複合化されたものであってもよいが、その場合には多孔質基材中の厚さ方向の全域にわたって孔内にLDHが充填されていることが望まれる。こうすることでLDHセパレータと接する正極22及び負極24と水酸化物イオンのスムーズな授受が可能となる。したがって、多孔質基材中にLDHで孔が充填されない部分が存在している場合には、そのような部分を切削、研磨等により除去してセパレータとして用いることが望まれる。   The electrolyte 26 is an alkaline electrolyte and / or a hydroxide ion conductive solid electrolyte. That is, the secondary battery 20 of the present invention may be configured as a liquid battery, may be configured as an all-solid battery, or may be configured as a battery having both elements. A typical alkaline electrolyte is an aqueous alkali metal hydroxide solution. Examples of the alkali metal hydroxide include potassium hydroxide, sodium hydroxide, lithium hydroxide, ammonium hydroxide and the like, and potassium hydroxide is more preferable. On the other hand, the hydroxide ion conductive solid electrolyte is in the form of a film-like, layered, or plate-like member that isolates the positive electrode 22 and the negative electrode 24 so as to allow hydroxide ion conduction and not allow electronic conduction. (Ie, in the form of a separator). The solid electrolyte may be dense or porous, and the structure is not limited as long as it does not contain an electron conductive substance. For example, it may be a green compact layer in which hydroxide ion conductive solid electrolyte particles are deposited in a thin layer and pressed, or integrated by a technique such as heating or hydrothermal treatment. Also good. In particular, since the secondary battery 20 of the present invention does not require the use of an electrolytic solution, no particular problem (for example, deterioration or collapse due to penetration of the electrolytic solution) occurs even when the green compact layer is used. Alternatively, a hydroxide ion conductive solid electrolyte formed into a film may be disposed as a separator. The hydroxide ion conductive solid electrolyte is not particularly limited as long as it is a solid electrolyte having hydroxide ion conductivity, but an inorganic solid electrolyte is preferable. Examples of the hydroxide ion conductive inorganic solid electrolyte include layered double hydroxide (LDH), layered perovskite oxide, and the like. LDH is most preferable because it is inexpensive and exhibits high hydroxide ion conductivity. In particular, as described above, LDH separators are known in the fields of nickel zinc secondary batteries and air zinc secondary batteries (see Patent Documents 1 and 2), and this LDH separator is used as the secondary battery 20 of the present invention. Also preferably used. This LDH separator may be a composite with a porous substrate as disclosed in Patent Documents 1 and 2, but in that case, pores are formed over the entire region in the thickness direction of the porous substrate. It is desirable that the inside be filled with LDH. By doing so, it is possible to smoothly exchange hydroxide ions with the positive electrode 22 and the negative electrode 24 in contact with the LDH separator. Therefore, when there is a portion in the porous base material where the pores are not filled with LDH, it is desired that such a portion be removed by cutting, polishing or the like to be used as a separator.

本発明の好ましい態様によれば、二次電池20がアルカリ電解液を含む。すなわち、二次電池20は液系電池として構成することができる。好ましいアルカリ電解液は上述のとおりアルカリ金属水酸化物水溶液であり、より好ましくは水酸化カリウム水溶液である。二次電池20は、正極22と負極24とを水酸化物イオン伝導可能に隔離するセパレータをさらに備えるのが好ましい。セパレータとしては電解液ないし水酸化物イオンの通過を許容する不織布等の公知のセパレータ材料を用いればよい。液系電池である場合の二次電池20の利点としては、(i)亜鉛負極で問題となるような亜鉛溶解析出や形状劣化が起こらないこと、(ii)正極及び負極の体積変化が少ないこと、及び(iii)亜鉛デンドライトによる短絡が生じないことが挙げられる。また、上記(i)及び(ii)の利点は良好なサイクル特性につながる。   According to a preferred embodiment of the present invention, the secondary battery 20 includes an alkaline electrolyte. That is, the secondary battery 20 can be configured as a liquid battery. A preferable alkaline electrolyte is an aqueous alkali metal hydroxide solution as described above, and more preferably an aqueous potassium hydroxide solution. The secondary battery 20 preferably further includes a separator that separates the positive electrode 22 and the negative electrode 24 so that hydroxide ions can be conducted. As the separator, a known separator material such as a nonwoven fabric that allows passage of an electrolytic solution or hydroxide ions may be used. Advantages of the secondary battery 20 in the case of a liquid battery include (i) that zinc dissolution precipitation and shape deterioration that are problematic in the zinc negative electrode do not occur, and (ii) that the volume change of the positive electrode and the negative electrode is small. And (iii) a short circuit due to zinc dendrite does not occur. The advantages (i) and (ii) above lead to good cycle characteristics.

本発明の別の好ましい態様によれば、二次電池20が、水酸化物イオン伝導性固体電解質を含み、それにより全固体二次電池をなす。この態様における好ましい水酸化物イオン伝導性固体電解質は、Mg及びAlを構成要素として含有する層状複水酸化物(Mg−Al−LDH)である。繰り返しになるが、一般的に知られているように、LDHは、複数の水酸化物基本層と、これら複数の水酸化物基本層間に介在する中間層とから構成される。水酸化物基本層は主として金属元素(典型的には金属イオン)とOH基で構成される。LDHの中間層は、陰イオン及びHOで構成される。陰イオンは1価以上の陰イオン、好ましくは1価又は2価のイオンである。好ましくは、LDH中の陰イオンはOH及び/又はCO 2−を含む。したがって、Mg−Al−LDHは、水酸化物基本層を構成する金属元素としてMg及びAlを含むものである。特に好ましくは、水酸化物イオン伝導性固体電解質がMg−Al−LDHの圧粉体である。全固体電池である場合の二次電池20の利点としては、(i)エネルギー密度を高くできること、(ii)液漏れが発生しないこと、(iii)液系電池の劣化をもたらすガス発生が起こらず、水系電池よりも更に安全なこことが挙げられる。 According to another preferred embodiment of the present invention, the secondary battery 20 includes a hydroxide ion conductive solid electrolyte, thereby forming an all-solid secondary battery. A preferred hydroxide ion conductive solid electrolyte in this embodiment is a layered double hydroxide (Mg—Al—LDH) containing Mg and Al as constituent elements. Again, as is generally known, LDH is composed of a plurality of hydroxide base layers and an intermediate layer interposed between the plurality of hydroxide base layers. The hydroxide base layer is mainly composed of metal elements (typically metal ions) and OH groups. The intermediate layer of LDH is composed of anions and H 2 O. The anion is a monovalent or higher anion, preferably a monovalent or divalent ion. Preferably, the anion in LDH comprises OH and / or CO 3 2− . Therefore, Mg-Al-LDH contains Mg and Al as the metal elements constituting the hydroxide base layer. Particularly preferably, the hydroxide ion conductive solid electrolyte is a green compact of Mg—Al—LDH. Advantages of the secondary battery 20 when it is an all-solid-state battery include (i) high energy density, (ii) no liquid leakage, and (iii) no gas generation that causes deterioration of the liquid battery. It is safer than water batteries.

本発明の更に別の好ましい態様によれば、二次電池20が、アルカリ電解液及び水酸化物イオン伝導性固体電解質の両方を含む。すなわち、二次電池20は液系電池と全固体電池の両方の要素を併せ持った電池としてもよい。この態様における好ましい水酸化物イオン伝導性固体電解質は、Mg及びAlを構成要素として含有する層状複水酸化物(Mg−Al−LDH)であり、Mg−Al−LDHについては上述したとおりである。具体的には、水酸化物イオン伝導性固体電解質がMg−Al−LDHの圧粉体であり、この圧粉体にアルカリ電解液が含浸されているのが好ましい。液系電池及び全固体電池の要素を併せ持った電池である場合の二次電池20の利点としては、(i)エネルギー密度を高くできること、(ii)液漏れが発生しにくいこと、(iii)液系電池の劣化をもたらすガス発生が起こりにくく、水系電池よりも更に安全なこと、(iv)全固体電池よりも界面抵抗が低いことが挙げられる。   According to still another preferred embodiment of the present invention, the secondary battery 20 includes both an alkaline electrolyte and a hydroxide ion conductive solid electrolyte. That is, the secondary battery 20 may be a battery having both elements of a liquid battery and an all-solid battery. A preferred hydroxide ion conductive solid electrolyte in this embodiment is a layered double hydroxide (Mg—Al—LDH) containing Mg and Al as constituents, and Mg—Al—LDH is as described above. . Specifically, it is preferable that the hydroxide ion conductive solid electrolyte is a green compact of Mg—Al—LDH, and the green compact is impregnated with an alkaline electrolyte. Advantages of the secondary battery 20 in the case of a battery having both a liquid battery and an all-solid-state battery include (i) that the energy density can be increased, (ii) that liquid leakage is less likely to occur, and (iii) liquid Gas generation that causes deterioration of the system battery is unlikely to occur, and it is safer than the aqueous battery, and (iv) the interface resistance is lower than that of the all-solid-state battery.

本発明を以下の例によってさらに具体的に説明する。   The present invention is more specifically described by the following examples.

例A1
(1)正極の作製及びXRD解析
正極活物質としてのNi−V−LDH(モル比Ni:V=4:1)、アセチレンブラック、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、及びフッ素系バインダー(KFL−#9130、株式会社クラハ製)を、7:3:35:4の重量比で混合した。得られた混合物をカーボンペーパー(トレカTGP−H−120、東レ株式会社製)に塗布した後、80℃で真空乾燥して溶媒を飛散させてLDH正極とした。初期状態の正極の結晶構造をXRD解析してXRDプロファイルを得た。このXRD解析は、XRD装置(Ultima IV、株式会社リガク製)を用いて、電圧40kV、電流40mA、測定範囲(2θ):5−90°の条件で、正極活物質のLDH結晶相を確認した。
Example A1
(1) Preparation of positive electrode and XRD analysis Ni-V-LDH (molar ratio Ni: V = 4: 1), acetylene black, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), and fluorine-based binder ( KFL- # 9130 manufactured by Kuraha Co., Ltd.) was mixed at a weight ratio of 7: 3: 35: 4. After apply | coating the obtained mixture to carbon paper (Torayca TGP-H-120, Toray Industries, Inc.), it vacuum-dried at 80 degreeC and the solvent was scattered and it was set as the LDH positive electrode. An XRD profile was obtained by XRD analysis of the crystal structure of the positive electrode in the initial state. This XRD analysis confirmed the LDH crystal phase of the positive electrode active material under the conditions of a voltage of 40 kV, a current of 40 mA, and a measurement range (2θ): 5-90 ° using an XRD apparatus (Ultima IV, manufactured by Rigaku Corporation). .

(2)電気化学セルの作製
得られたLDH正極(作用電極)、白金電極(対向電極)、及びHg/HgO電極(参照電極)をビーカーに組み込み、電解液として6MのKOH水溶液を注入して、電気化学セル(ビーカーセル)を作製した。
(2) Production of electrochemical cell The obtained LDH positive electrode (working electrode), platinum electrode (counter electrode), and Hg / HgO electrode (reference electrode) were incorporated into a beaker, and a 6M KOH aqueous solution was injected as an electrolyte. An electrochemical cell (beaker cell) was prepared.

(3)充放電試験
得られた電気化学セルに対して、活物質が1電子反応した場合の容量の2倍(厳密にはLDH中のNiが1電子反応した場合の容量に対して2.2倍(500mAh/g)の容量まで、電流密度50mA/gで過充電し、同じ電流密度で0.2Vまで放電した。これを1サイクルとして、この充放電試験を10サイクル又は30サイクル繰り返した。これらの充放電サイクルは放電カットオフ電圧0.2V、及び充電カットオフ電圧0.7Vで行った。ビーカーセルから正極を取り出し、上記(1)と同様にしてXRD解析を行い、10サイクル目の充電末状態と30サイクル後の放電末状態におけるXRDプロファイルをそれぞれ得た。LDH由来の結晶相ピークである(003)ピークと(006)ピーク(それぞれ2θ=11°と22°付近に検出される)が30サイクル放電末でも残っているかどうかを確認した。そして、(003)ピークと(006)ピークが残っている場合には初期状態における対応のピーク位置から2θ=±1°以内の位置までピークが戻っているか否かを確認した。
(3) Charge / Discharge Test With respect to the obtained electrochemical cell, the capacity when the active material undergoes one electron reaction is double (strictly, the capacity when Ni in LDH undergoes one electron reaction is 2. The battery was overcharged at a current density of 50 mA / g up to twice the capacity (500 mAh / g), and discharged to 0.2 V at the same current density, and this charge / discharge test was repeated 10 or 30 cycles. These charge / discharge cycles were performed at a discharge cut-off voltage of 0.2 V and a charge cut-off voltage of 0.7 V. The positive electrode was taken out from the beaker cell, and XRD analysis was performed in the same manner as in the above (1). XRD profiles in the end-of-charge state and in the end-of-discharge state after 30 cycles were obtained, respectively, (003) peak and (006) peak (each 2 (detected at around θ = 11 ° and 22 °) was confirmed at the end of 30-cycle discharge, and when (003) peak and (006) peak remained, It was confirmed whether or not the peak returned to a position within 2θ = ± 1 ° from the peak position.

例A2
Ni−V−LDHの代わりに、Ni−Fe−LDH(モル比Ni:Fe=4:1)を用いたこと以外は例A1と同様にして電気化学セルの作製及び充放電試験を行った。
Example A2
An electrochemical cell was prepared and a charge / discharge test was conducted in the same manner as in Example A1, except that Ni-Fe-LDH (molar ratio Ni: Fe = 4: 1) was used instead of Ni-V-LDH.

例A3(比較)
Ni−V−LDHの代わりにNi(OH)を用いたこと以外は例A1と同様にして電気化学セルの作製及び充放電試験を行った。なお、充放電試験における、活物質が1電子反応した場合の容量の2倍の容量までの過充電は、厳密には理論容量289mAh/gの1.7倍(実際には500mAh/g)まで行った。
Example A3 (comparison)
An electrochemical cell was prepared and a charge / discharge test was conducted in the same manner as in Example A1 except that Ni (OH) 2 was used instead of Ni-V-LDH. In the charge / discharge test, the overcharge up to twice the capacity when the active material reacts with one electron is strictly up to 1.7 times the theoretical capacity of 289 mAh / g (actually 500 mAh / g). went.

結果
例A1〜A3における充放電試験の結果は以下のとおりであった。
Results The results of the charge / discharge test in Examples A1 to A3 were as follows.

(1)充放電特性の測定
例A1及びA2において電気化学セルに充放電試験を行ったところ、水酸化ニッケルを超える容量が得られた。図3にNi−V−LDH(例A1)の充放電特性を、図4にNi−Fe−LDH(例A2)の充放電特性を示す。X線吸収微細構造解析(XAFS)を用いて充電したNi−V−LDH正極及びNi−Fe−LDH正極のNiの価数変化を調べたところ、充電により2価から3.5価へ変化していることが確認された。
(1) Measurement of charging / discharging characteristics When the electrochemical cell was subjected to a charging / discharging test in Examples A1 and A2, a capacity exceeding nickel hydroxide was obtained. FIG. 3 shows the charge / discharge characteristics of Ni-V-LDH (Example A1), and FIG. 4 shows the charge / discharge characteristics of Ni-Fe-LDH (Example A2). When the valence change of Ni in the Ni-V-LDH positive electrode and Ni-Fe-LDH positive electrode charged by using X-ray absorption fine structure analysis (XAFS) was examined, it changed from divalent to 3.5 valence by charging. It was confirmed that

(2)充放電に伴う構造変化のXRD解析
例A1においては、Ni−V−LDH正極(Ni:V=4:1)における充放電反応の詳細な機構を調べるために、ex−situ XRD解析を行った。図5に、Ni−V−LDHの、充放電前(as pre)、充放電サイクル10回後の満充電状態(after 10 cycle Cha)、及び充放電サイクル30回後の放電末状態(after 30 cycle Dis)におけるXRDプロファイルを示す。図5から分かるように、Ni−V−LDHの(003)面及び(006)面に起因するピークは充電により高角側にシフトしており、これは充電により層間距離が狭まったことを意味する。また、充放電サイクル30回後の放電において、(003)面及び(006)面に起因するピークは充放電前と同じ位置に戻っている、すなわち元の構造に戻っている。このことから、Ni−V−LDHが充放電サイクルにおいて非常に高い可逆性を呈することが分かる。すなわち、例A1では、LDH由来の結晶相ピークである(003)ピークと(006)ピークが30サイクル後の放電末状態でも残っており、それらのピーク位置は初期状態における対応のピーク位置から2θ=±1°以内の範囲であることが確認された。
(2) XRD analysis of structural change accompanying charging / discharging In Example A1, in order to investigate the detailed mechanism of the charging / discharging reaction in the Ni-V-LDH positive electrode (Ni: V = 4: 1), ex-situ XRD analysis Went. FIG. 5 shows the state of Ni-V-LDH before charge / discharge (as pre), the full charge state after 10 charge / discharge cycles (after 10 cycle Cha), and the end-of-discharge state after 30 charge / discharge cycles (after 30). (cycle Dis) shows an XRD profile. As can be seen from FIG. 5, the peaks caused by the (003) plane and the (006) plane of Ni-V-LDH are shifted to the high angle side by charging, which means that the interlayer distance is narrowed by charging. . Further, in the discharge after 30 charge / discharge cycles, the peaks resulting from the (003) plane and the (006) plane have returned to the same positions as before the charge / discharge, that is, returned to the original structure. This indicates that Ni-V-LDH exhibits very high reversibility in the charge / discharge cycle. That is, in Example A1, the (003) peak and (006) peak, which are crystal phase peaks derived from LDH, remain even after the end of the discharge after 30 cycles, and these peak positions are 2θ from the corresponding peak positions in the initial state. = It was confirmed that the range was within ± 1 °.

一方、例A3(比較)のβ−Ni(OH)についても同様の測定を行ったところ、図6に示されるXRDプロファイルが得られた。その結果、図6に示されるように、β−Ni(OH)の一部が過充電によりγ−NiOOHへと大きく構造変化し(γ−NiOOHの(001)面及び(002)面に起因するピークを参照)、放電しても元の構造に戻らず、構造が崩れることが分かった。また、繰り返しの充放電により結晶がアモルファス化することが分かった。なお、α−Ni(OH)の相は観測されなかった。これに対し、例A1のNi−V−LDH正極は、β−Ni(OH)とは対照的に、放電後も構造を維持することから、強アルカリ下でも安定な正極材料であるといえる。 On the other hand, when the same measurement was performed for β-Ni (OH) 2 of Example A3 (comparative), the XRD profile shown in FIG. 6 was obtained. As a result, as shown in FIG. 6, a part of β-Ni (OH) 2 undergoes a large structural change to γ-NiOOH due to overcharge (due to the (001) plane and (002) plane of γ-NiOOH. It was found that the structure did not return to the original structure even when discharged, and the structure collapsed. Moreover, it turned out that a crystal | crystallization becomes amorphous by repeated charging / discharging. Note that an α-Ni (OH) 2 phase was not observed. On the other hand, the Ni-V-LDH positive electrode of Example A1 maintains a structure even after discharge, in contrast to β-Ni (OH) 2, and thus can be said to be a stable positive electrode material even under strong alkali. .

(3)EXAFSスペクトルからの充放電中の構造変化の推定
例A1及びA2においては、Ni−V−LDH(Ni:V=4:1)又はNi−Fe−LDH(モル比Ni:Fe=4:1)における充放電反応の詳細な機構を調べるために、広域X線吸収微細構造(EXAFS)測定を行った。具体的には、科学技術交流財団あいちシンクロトロン光センターのBL11S2ラインで測定を行った。図7に、Ni−V−LDH(例A1)の、反応前、充電後、及び放電後のEXAFSのフーリエ変換図を、図8に、Ni−Fe−LDH(例A2)の、反応前、充電後、及び放電後のEXAFSのフーリエ変換図を示す。また、例A3(比較)として、図9に、Ni(OH)の反応前、充電後、及び放電後のEXAFSのフーリエ変換図を示す。EXAFSのフーリエ変換図のピークは、中心に存在するニッケルイオンから横軸の距離離れた位置に存在するイオンを示す。この点、図7及び8に示されるNi−V−LDH及びNi−Fe−LDHでは、第一配位圏に存在する酸素イオンと第二配位圏に存在する隣接ニッケルイオンまでの距離はいずれも縮んでおり、放電後には元の位置に戻っている。これに対し、図9に示されるNi(OH)では、充電により、隣接するニッケルイオンの位置が大きく変化しており、放電後も元の位置に戻っていないことが分かる。したがって、LDHは、Ni(OH)とは対照的に、充放電に伴い、層間及び面内ともに、伸縮及び膨張を可逆的に繰り返していることが判明した。
(3) Estimation of structural change during charge / discharge from EXAFS spectrum In Examples A1 and A2, Ni-V-LDH (Ni: V = 4: 1) or Ni-Fe-LDH (molar ratio Ni: Fe = 4) In order to investigate the detailed mechanism of the charge / discharge reaction in 1), wide-area X-ray absorption fine structure (EXAFS) measurement was performed. Specifically, measurements were made on the BL11S2 line of the Aichi Synchrotron Light Center, Science and Technology Exchange Foundation. FIG. 7 shows the Fourier transform diagram of EXAFS of Ni-V-LDH (Example A1) before the reaction, after charging and after discharging, and FIG. 8 shows the Ni-Fe-LDH (Example A2) before the reaction. The Fourier transform diagram of EXAFS after charge and after discharge is shown. Further, as Example A3 (comparison), FIG. 9 shows a Fourier transform diagram of EXAFS before the reaction of Ni (OH) 2 , after charging, and after discharging. The peak in the EXAFS Fourier transform diagram indicates ions present at a distance on the horizontal axis from the nickel ion present at the center. In this regard, in the Ni-V-LDH and Ni-Fe-LDH shown in FIGS. 7 and 8, the distance between the oxygen ions present in the first coordination sphere and the adjacent nickel ions present in the second coordination sphere Is also shrunk and returned to its original position after discharge. On the other hand, in Ni (OH) 2 shown in FIG. 9, it can be seen that the position of the adjacent nickel ions has changed greatly due to charging and has not returned to the original position after discharging. Therefore, it was found that LDH reversibly repeats expansion and contraction both in the interlayer and in the plane in accordance with charge / discharge, in contrast to Ni (OH) 2 .

(4)充放電に伴う反応機構の考察
水酸化ニッケルは充電に伴いプロトンが脱離し、放電に伴いプロトンが再結合するものであるが、構造変化から見るとLDHと水酸化ニッケルとは大きく異なるため、LDHの反応機構は水酸化ニッケルの主な機構であるプロトンの脱離/再結合とは異なるものと考えられる。特に、LDHの充放電中の体積変化は約9%で水酸化ニッケルの66%と大きく異なり、リチウムイオン電池の代表的な正極材料であるLiCoOの4%にむしろ近い。このことからLDHの充放電機構はプロトンの脱離/再結合では無く、リチウムイオン電池のようなイオンの挿入/脱離ではないかと考えられる。より具体的には、充電(酸化)に伴い電荷のバランスを取るために、層間にアニオンが挿入され、放電(還元)に伴い挿入されたアニオンが脱離していると思われる。この知見に基づいて、リチウムイオン電池型の二次電池を設計することができる。例えば、正極にはニッケル系のLDHを用い、負極には還元によりアニオンが脱離する材料(例えばCu−Al−LDH)を用いる。その電極反応は、
・正極: Ni−V−LDH + A
⇔ Ni−V−LDH・A+ e
・負極: 負極・A + e ⇔ 負極 + A
(Aはアニオンであり、Ni−V−LDH・Aはアニオンが挿入したNi−V−LDHである)
等が考えられる。典型的なAの例としてOHが挙げられる。負極には還元によりOHが脱離する材料としてLDH(例えばCu−Al−LDH)を用いることができる。そして、水酸化物イオン伝導性固体電解質として知られるLDHシート(例えばMg−Al−LDHシート)を固体電解質として用いれば、全固体LDH電池を構築することができる。全固体LDH電池は、容易に積層できるため高電圧化が可能であり、電解液やパッケージ材料の体積を省くことができるためエネルギー密度も上昇する。そのため、このタイプの電池は定置型や車搭載型のような、高エネルギー密度が必要な電池用途に最適なものと期待される。
(4) Consideration of reaction mechanism associated with charge / discharge Nickel hydroxide is one in which protons are desorbed with charge and protons recombine with discharge, but LDH and nickel hydroxide are greatly different from a structural change. Therefore, it is considered that the reaction mechanism of LDH is different from proton desorption / recombination, which is the main mechanism of nickel hydroxide. In particular, the volume change during charge and discharge of LDH is about 9%, which is greatly different from 66% of nickel hydroxide, and is rather close to 4% of LiCoO 2 which is a typical positive electrode material of a lithium ion battery. From this, it is considered that the charge / discharge mechanism of LDH is not proton desorption / recombination but ion insertion / desorption as in a lithium ion battery. More specifically, an anion is inserted between the layers in order to balance the charge accompanying charging (oxidation), and the anion inserted accompanying discharging (reduction) seems to be detached. Based on this knowledge, a lithium ion battery type secondary battery can be designed. For example, a nickel-based LDH is used for the positive electrode, and a material from which anions are eliminated by reduction (for example, Cu—Al—LDH) is used for the negative electrode. The electrode reaction is
- the positive electrode: Ni-V-LDH + A -
⇔ Ni-V-LDH · A + e
・ Negative electrode: Negative electrode ・ A + e 負極 Negative electrode + A
(A - is an anion, Ni-V-LDH · A is a Ni-V-LDH has an anion inserted)
Etc. are considered. It is mentioned - OH Examples of - typical A. For the negative electrode, LDH (for example, Cu—Al—LDH) can be used as a material from which OH is eliminated by reduction. If an LDH sheet (for example, Mg-Al-LDH sheet) known as a hydroxide ion conductive solid electrolyte is used as the solid electrolyte, an all-solid LDH battery can be constructed. An all-solid-state LDH battery can be easily stacked, so that the voltage can be increased, and the volume of the electrolyte and the package material can be omitted, so that the energy density is also increased. Therefore, this type of battery is expected to be optimal for battery applications that require high energy density, such as a stationary type and a vehicle-mounted type.

例B1
(1)Ni−Fe−LDH粉末の作製
Ni:Feのモル比が4:1のNi−Fe−LDH(NiFe(OH)20(CO)・mHO、但しmは0以上)を以下の手順で作製した。エチレングリコール20ml、アンモニア水15ml及び炭酸ナトリウム5mlを混合した。得られた混合液に、硝酸ニッケル(II)6水和物(Ni(NO・6HO、キシダ化学株式会社製、特級)と硝酸鉄(III)9水和物(Fe(NO・9HO、キシダ化学株式会社製、特級)をNi:Fe(モル比)=4:1の割合で含む金属イオン水溶液10mlを加えて攪拌した。得られた原料水溶液をオートクレーブに入れ、170℃で18時間水熱合成により結晶成長させ、LDH沈殿物を析出させた。こうして得られた沈殿物含有溶液を吸引濾過して沈殿物を回収した。回収したLDH沈殿物を水で洗浄し、さらにエタノールで洗浄した後、真空中80℃で乾燥させてNi−Fe−LDH粉末を得た。
Example B1
(1) Preparation of Ni—Fe—LDH powder Ni—Fe—LDH (Ni 8 Fe 2 (OH) 20 (CO 3 ) · mH 2 O with a molar ratio of Ni: Fe of 4: 1, where m is 0 or more ) Was prepared by the following procedure. 20 ml of ethylene glycol, 15 ml of aqueous ammonia and 5 ml of sodium carbonate were mixed. Nickel (II) nitrate hexahydrate (Ni (NO 3 ) 2 · 6H 2 O, manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd., special grade) and iron nitrate (III) 9 hydrate (Fe (NO 3) 3 · 9H 2 O, Kishida chemical Co., Ltd., special grade) and Ni: Fe (molar ratio) = 4: stirred with aqueous metal ion solution 10ml in a proportion of 1. The obtained aqueous raw material solution was put into an autoclave and crystal was grown by hydrothermal synthesis at 170 ° C. for 18 hours to precipitate an LDH precipitate. The precipitate-containing solution thus obtained was suction filtered to collect the precipitate. The collected LDH precipitate was washed with water, further washed with ethanol, and then dried at 80 ° C. in vacuum to obtain Ni—Fe—LDH powder.

(2)SEM観察及び粒径の測定
得られたNi−Fe−LDH粉末を走査型電子顕微鏡(SEM)(JEOL社製、JSM−6610LV)で観察した。図10にLDH粉末の、一次粒子観察に適した倍率(40000倍)で撮影されたSEM像を示す。図10に示されるように、Ni−Fe−LDH粉末の一次粒径は0.1〜0.6μmであった。また、Ni−Fe−LDH粉末の平均一次粒径は0.24μmであった。平均一次粒径の測定は、SEM像において板状粒子の径の最長距離を測長することにより行った。この測定に用いたSEM像の倍率は40000倍であり、1視野あたり10個の一次粒子について一次粒径を測定するものとし、2視野分(すなわち合計20個の一次粒子)の一次粒径の平均値を算出して平均一次粒径とした。測長にはSEMのソフトウェアの測長機能を用いた。
(2) SEM observation and measurement of particle diameter The obtained Ni-Fe-LDH powder was observed with a scanning electron microscope (SEM) (manufactured by JEOL, JSM-6610LV). FIG. 10 shows an SEM image of the LDH powder taken at a magnification suitable for primary particle observation (40000 times). As shown in FIG. 10, the primary particle size of the Ni—Fe—LDH powder was 0.1 to 0.6 μm. The average primary particle size of the Ni—Fe—LDH powder was 0.24 μm. The average primary particle size was measured by measuring the longest distance of the diameter of the plate-like particle in the SEM image. The magnification of the SEM image used for this measurement is 40000 times, and the primary particle size is measured for 10 primary particles per field of view. An average value was calculated to obtain an average primary particle size. The length measurement function of SEM software was used for length measurement.

(3)X線回折による評価
得られたNi−Fe−LDH粉末に対してX線回折測定を行った。具体的には、X線回折装置(株式会社リガク製、RINT TTR III)を用いて、電圧:50kV、電流値:300mA、測定範囲:10〜70°の測定条件で上記粉末のXRDプロファイルを得た。得られたXRDプロファイルから上記粉末がLDHであることが確認された。
(3) Evaluation by X-ray diffraction X-ray diffraction measurement was performed on the obtained Ni-Fe-LDH powder. Specifically, using an X-ray diffractometer (manufactured by Rigaku Corporation, RINT TTR III), an XRD profile of the powder is obtained under measurement conditions of voltage: 50 kV, current value: 300 mA, measurement range: 10 to 70 °. It was. From the obtained XRD profile, it was confirmed that the powder was LDH.

(4)ニッケル亜鉛二次電池の作製及び評価
(4a)電極作製
Ni−Fe−LDH粉末とアセチレンブラック(AB)を20:80の重量比で混合し、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を加えて混練した後、シート状に成形した。得られたシートを発泡ニッケルにプレスしてLDH電極を作製した。
(4) Production and evaluation of nickel zinc secondary battery (4a) Electrode production Ni-Fe-LDH powder and acetylene black (AB) are mixed at a weight ratio of 20:80, and polytetrafluoroethylene (PTFE) is added. After kneading, it was formed into a sheet. The obtained sheet was pressed into foamed nickel to produce an LDH electrode.

(4b)ニッケル亜鉛二次電池の作製
正極としてLDH電極、負極としてZn−ZnO電極(亜鉛金属と酸化亜鉛の混合物を含む)、電解液として6MのKOH水溶液に酸化亜鉛を飽和溶解させたものを用いてニッケル亜鉛二次電池を構成した。
(4b) Production of nickel zinc secondary battery LDH electrode as positive electrode, Zn-ZnO electrode (including a mixture of zinc metal and zinc oxide) as negative electrode, and 6M KOH aqueous solution as electrolyte solution with saturated dissolution of zinc oxide A nickel-zinc secondary battery was constructed.

(4c)充放電試験
得られたニッケル亜鉛二次電池に対して充放電試験を行った。充放電試験は東陽テクニカ株式会社製の580型Battery Test Systemを使用し、10時間率で充放電試験を行った。得られた充放電曲線を図11に示す。また、測定された放電容量を、Ni(OH)正極を用いた場合(後述する例B7)に対する相対値として、表1に示す。
(4c) Charging / discharging test The charging / discharging test was done with respect to the obtained nickel zinc secondary battery. The charge / discharge test was conducted using a 580-type Battery Test System manufactured by Toyo Technica Co., Ltd. at a 10-hour rate. The obtained charging / discharging curve is shown in FIG. Further, the measured discharge capacity is shown in Table 1 as a relative value with respect to the case where the Ni (OH) 2 positive electrode is used (example B7 described later).

例B2及びB3
表1に示されるNi:Feのモル比が3:1(例B2)又は2:1(例B3)になるようにNi−Fe−LDH組成を変えたこと以外は例B1と同様にして、ニッケル亜鉛二次電池の作製及び評価を行った。結果は表1に示されるとおりであった。なお、Ni−Fe−LDH粉末の平均一次粒径は0.1〜3μmの範囲内であった。
Examples B2 and B3
Except for changing the Ni-Fe-LDH composition so that the molar ratio of Ni: Fe shown in Table 1 is 3: 1 (Example B2) or 2: 1 (Example B3), the same as Example B1, A nickel zinc secondary battery was produced and evaluated. The results were as shown in Table 1. The average primary particle size of the Ni—Fe—LDH powder was in the range of 0.1 to 3 μm.

例B4
(1)Ni−V−LDH粉末の作製
Ni:Vのモル比が4:1のNi−V−LDH(NiV−LDH(Ni(OH)20(CO)・mHO、但しmは0以上)を以下の手順で作製した。エチレングリコール20ml、アンモニア水15ml及び炭酸ナトリウム5mlを混合した。得られた混合液に、塩化ニッケル(II)6水和物(NiCl・6HO、キシダ化学株式会社製、特級)と塩化バナジウム(III)(VCl、キシダ化学株式会社製、特級)をNi:V(モル比)=4:1の割合で含む金属イオン水溶液10mlを加えて攪拌した。得られた原料水溶液をオートクレーブに入れ、170℃で18時間水熱合成により結晶成長させ、LDH沈殿物を析出させた。こうして得られた沈殿物含有溶液を吸引濾過して沈殿物を回収した。回収したLDH沈殿物を水で洗浄し、さらにエタノールで洗浄した後、真空中80℃で乾燥させてNi−V−LDH粉末を得た。
Example B4
(1) Ni-V-LDH powders prepared Ni: molar ratio of V is 4: 1 Ni-V-LDH (Ni 4 V-LDH (Ni 8 V 2 (OH) 20 (CO 3) · mH 2 O (Where m is 0 or more) was prepared by the following procedure: 20 ml of ethylene glycol, 15 ml of aqueous ammonia and 5 ml of sodium carbonate were mixed, and the resulting mixture was mixed with nickel (II) chloride hexahydrate (NiCl 2. 6H 2 O, manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd., special grade) and vanadium chloride (III) (VCl 3 , manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd., special grade) at a ratio of Ni: V (molar ratio) = 4: 1 The resulting aqueous raw material solution was placed in an autoclave, and crystal growth was carried out by hydrothermal synthesis at 170 ° C. for 18 hours to precipitate LDH precipitates. Argument filtered the precipitate was collected. The collected LDH precipitate was washed with water and further washed with ethanol to give Ni-V-LDH powder dried at 80 ° C. in vacuo.

(2)SEM観察及び粒径の測定
得られたNi−V−LDH粉末を例B1と同様にしてSEM観察した。図12にLDH粉末の、一次粒子観察に適した倍率(40000倍)で撮影されたSEM像を示す。図12に示されるように、Ni−V−LDH粉末の一次粒径は0.05〜0.5μmであった。また、Ni−V−LDH粉末の平均一次粒径は0.15μmであった。
(2) SEM observation and measurement of particle diameter The obtained Ni-V-LDH powder was observed by SEM in the same manner as in Example B1. FIG. 12 shows an SEM image of the LDH powder taken at a magnification suitable for primary particle observation (40000 times). As shown in FIG. 12, the primary particle size of the Ni-V-LDH powder was 0.05 to 0.5 μm. The average primary particle size of the Ni-V-LDH powder was 0.15 μm.

(3)X線回折による評価
得られたNi−V−LDH粉末に対して例B1と同様にしてX線回折測定を行い、上記粉末のXRDプロファイルを得た。得られたXRDプロファイルから上記粉末がLDHであることが確認された。
(3) Evaluation by X-ray diffraction X-ray diffraction measurement was performed on the obtained Ni-V-LDH powder in the same manner as in Example B1 to obtain an XRD profile of the powder. From the obtained XRD profile, it was confirmed that the powder was LDH.

(4)ニッケル亜鉛二次電池の作製及び評価
得られたNi−V−LDH粉末を用いたこと以外は例B1と同様にして、ニッケル亜鉛二次電池の作製及び評価を行った。得られた充放電曲線を図13に示す。また、測定された放電容量を、Ni(OH)正極を用いた場合(後述する例B7)に対する相対値として、表1に示す。
(4) Production and Evaluation of Nickel Zinc Secondary Battery A nickel zinc secondary battery was produced and evaluated in the same manner as in Example B1, except that the obtained Ni-V-LDH powder was used. The obtained charge / discharge curve is shown in FIG. Further, the measured discharge capacity is shown in Table 1 as a relative value with respect to the case where the Ni (OH) 2 positive electrode is used (example B7 described later).

例B5及びB6
表1に示されるNi:Vのモル比が3:1(例B5)又は2:1(例B6)になるようにNi−V−LDH組成を変えたこと以外は例4と同様にして、ニッケル亜鉛二次電池の作製及び評価を行った。結果は表1に示されるとおりであった。なお、Ni−V−LDH粉末の平均一次粒径は0.05〜3μmの範囲内であった。
Examples B5 and B6
Except that the Ni-V-LDH composition was changed so that the molar ratio of Ni: V shown in Table 1 was 3: 1 (Example B5) or 2: 1 (Example B6), A nickel zinc secondary battery was produced and evaluated. The results were as shown in Table 1. The average primary particle size of the Ni-V-LDH powder was in the range of 0.05 to 3 μm.

例B7
Ni−Fe−LDH粉末の代わりにNi(OH)粉末を用いたこと以外は、例1と同様にして、ニッケル亜鉛二次電池の作製及び評価を行った。結果は表1に示されるとおりであった。
Example B7
A nickel zinc secondary battery was produced and evaluated in the same manner as in Example 1 except that Ni (OH) 2 powder was used instead of Ni-Fe-LDH powder. The results were as shown in Table 1.


Claims (10)

層状複水酸化物(LDH)を正極活物質として含む正極であって、過充電及び放電を含む充放電サイクルを30サイクル繰り返した後の放電末状態においてもLDH結晶構造を維持可能な、正極。   A positive electrode comprising a layered double hydroxide (LDH) as a positive electrode active material, wherein the positive electrode can maintain an LDH crystal structure even in a final discharge state after 30 charge / discharge cycles including overcharge and discharge. 前記充放電サイクルが、作用電極としての前記正極と、対向電極としての白金電極と、参照電極としてのHg/HgO電極と、電解液としての6MのKOH水溶液とを備えた電気化学セルにおいて、電流密度50mA/g、放電カットオフ電圧0.2V、及び充電カットオフ電圧0.7Vの条件で行われる、請求項1に記載の正極。   In an electrochemical cell in which the charge / discharge cycle comprises the positive electrode as a working electrode, a platinum electrode as a counter electrode, a Hg / HgO electrode as a reference electrode, and a 6M KOH aqueous solution as an electrolyte, The positive electrode according to claim 1, which is performed under conditions of a density of 50 mA / g, a discharge cutoff voltage of 0.2 V, and a charge cutoff voltage of 0.7 V. 前記過充電が、正極活物質が1電子反応した場合の容量の2倍まで行われ、かつ、前記放電が前記過充電と同じ電流密度で行われる、請求項1又は2に記載の正極。   The positive electrode according to claim 1 or 2, wherein the overcharge is performed up to twice the capacity when the positive electrode active material has undergone one-electron reaction, and the discharge is performed at the same current density as the overcharge. 前記LDH結晶構造が、X線回折における、LDHに由来する(003)ピーク及び(006)ピークの検出により同定される、請求項1〜3のいずれか一項に記載の正極。   The positive electrode according to any one of claims 1 to 3, wherein the LDH crystal structure is identified by detecting (003) peak and (006) peak derived from LDH in X-ray diffraction. 前記LDHに由来する(003)ピーク及び(006)ピークが、それぞれ、前記30サイクル後の放電末状態において、前記充放電サイクル前のピーク位置に対して2θ=±1°以内の位置に検出される、請求項4に記載の正極。   The (003) peak and the (006) peak derived from the LDH are detected at positions within 2θ = ± 1 ° with respect to the peak position before the charge / discharge cycle, respectively, in the final discharge state after the 30 cycles. The positive electrode according to claim 4. 前記LDHが、Ni、Fe及びMnからなる群から選択される少なくとも1種を構成元素として含有する、請求項1〜5のいずれか一項に記載の正極。   The positive electrode according to any one of claims 1 to 5, wherein the LDH contains at least one selected from the group consisting of Ni, Fe and Mn as a constituent element. 前記LDHが、Ni及びVの組合せ、Ni及びFeの組合せ、又はNi及びMnの組合せを構成元素として含有する、請求項6に記載の正極。   The positive electrode according to claim 6, wherein the LDH contains a combination of Ni and V, a combination of Ni and Fe, or a combination of Ni and Mn as constituent elements. 前記LDHがNi及びVの組合せを構成元素として含有し、V/(Ni+V)のモル比が0.15〜0.50である、請求項7に記載の正極。   The positive electrode according to claim 7, wherein the LDH contains a combination of Ni and V as constituent elements, and a molar ratio of V / (Ni + V) is 0.15 to 0.50. 前記LDHがNi及びFeの組合せを構成元素として含有し、Fe/(Ni+Fe)のモル比が0.15〜0.50である、請求項7に記載の正極。   The positive electrode according to claim 7, wherein the LDH contains a combination of Ni and Fe as constituent elements, and a molar ratio of Fe / (Ni + Fe) is 0.15 to 0.50. 請求項1〜9のいずれか一項に記載の正極と、負極と、アルカリ電解液及び/又は水酸化物イオン伝導性固体電解質とを備えた、二次電池。


A secondary battery comprising the positive electrode according to any one of claims 1 to 9, a negative electrode, and an alkaline electrolyte and / or a hydroxide ion conductive solid electrolyte.


JP2017147043A 2017-02-17 2017-07-28 Positive electrode and secondary battery Active JP6977989B2 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017028026 2017-02-17
JP2017028026 2017-02-17

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2018133325A true JP2018133325A (en) 2018-08-23
JP6977989B2 JP6977989B2 (en) 2021-12-08

Family

ID=63247578

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2017147043A Active JP6977989B2 (en) 2017-02-17 2017-07-28 Positive electrode and secondary battery
JP2017147035A Active JP6977988B2 (en) 2017-02-17 2017-07-28 Secondary battery

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2017147035A Active JP6977988B2 (en) 2017-02-17 2017-07-28 Secondary battery

Country Status (1)

Country Link
JP (2) JP6977989B2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110760879A (en) * 2019-11-05 2020-02-07 陕西科技大学 NiV-LDH/NF hydrogen production electrode with optimized electronic structure and preparation method and application thereof

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021049609A1 (en) 2019-09-12 2021-03-18 学校法人同志社 Metal negative electrode, method for manufacturing metal negative electrode, and secondary cell comprising metal negative electrode
CN115151512B (en) * 2020-03-02 2024-02-06 日本碍子株式会社 Layered double hydroxide, method for producing same, and air electrode and metal-air secondary battery using same
CN111676488B (en) * 2020-06-12 2021-10-22 深圳大学 Electrocatalysis electrode and preparation method and application thereof
JP7484686B2 (en) 2020-12-08 2024-05-16 トヨタ自動車株式会社 Negative electrode active material and battery
CN112467069A (en) * 2020-12-11 2021-03-09 燕山大学 Battery negative electrode material and preparation method and application thereof
WO2023063260A1 (en) 2021-10-12 2023-04-20 学校法人同志社 Anode structure for secondary battery and secondary battery provided with same

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110760879A (en) * 2019-11-05 2020-02-07 陕西科技大学 NiV-LDH/NF hydrogen production electrode with optimized electronic structure and preparation method and application thereof

Also Published As

Publication number Publication date
JP6977989B2 (en) 2021-12-08
JP6977988B2 (en) 2021-12-08
JP2018133324A (en) 2018-08-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6977989B2 (en) Positive electrode and secondary battery
KR101635294B1 (en) Lithium ion secondary battery
JP6536918B2 (en) Positive electrode active material, method of manufacturing the same, and lithium secondary battery including the same
KR101577180B1 (en) Positive electrode active material with improved energy density
KR101396765B1 (en) Positive electrode active material for lithium secondary battery, and use thereof
JP5299719B2 (en) Lithium secondary battery
KR101488576B1 (en) Method for evaluating positive electrode active material
JP5904373B2 (en) Nonaqueous electrolyte secondary battery
CN111864195B (en) Positive active material for rechargeable lithium battery, method of preparing the same, and rechargeable lithium battery including the same
JP6086241B2 (en) Nonaqueous electrolyte secondary battery
JPWO2016132932A1 (en) Catalyst for oxygen reduction reaction and air electrode for metal-air secondary battery
CN110890525A (en) Positive active material for lithium secondary battery and lithium secondary battery including the same
JP2019102129A (en) Positive electrode material and lithium secondary battery using the same
JP6769338B2 (en) How to use non-aqueous electrolyte storage element, electrical equipment and non-aqueous electrolyte storage element
JP6865601B2 (en) Positive electrode active material for sodium ion secondary battery and its manufacturing method, and sodium ion secondary battery
CN112242509B (en) Nonaqueous electrolyte secondary battery
JP6978006B2 (en) Nickel-zinc battery
JP5920631B2 (en) Nonaqueous electrolyte secondary battery
JP2020047387A (en) Negative electrode for lithium ion secondary battery
KR102580334B1 (en) Positive active material precursor, preparing method thereof and positive active material for rechargeable lithium battery
RU2755515C1 (en) Active material of the positive electrode and the battery containing the active material of the positive electrode
JP2018046012A (en) Negative electrode active material, negative electrode, and nonaqueous electrolyte power storage device
US11962005B2 (en) Positive electrode active material and secondary battery provided with positive electrode active material
WO2018150919A1 (en) Manganese secondary battery
JP7275094B2 (en) Materials for preparing positive electrode active materials and their uses

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20200309

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20210426

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20210622

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20211018

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20211102

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6977989

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150