JP2018518030A - Na−イオン電池用正極複合材料の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
− 層状のフルオロリン酸塩Na2TPO4F(TはFe、Mn、Co及びNiから選択される二価の元素を表し、TはMg又はZnによって部分的に置換されてもよい);
− フルオロ硫酸塩NaT´SO4F(T´はFe、Mn、Co及びNiから選択される少なくとも1種の元素を表し、T´の1部は、必要に応じてMgによって置換され、硫酸基の一部は、必要に応じて等配電子及び等電荷基PO3F2-によって置換される。);
− 多硫化物Na2Sn (1≦n≦6)、並びに、ジメルカプトチアジアゾール及びジメルカプトオキサゾールのナトリウム塩;
− ジチオカルバメートNa[CS2NR´R″](R´及びR″の各基は、メチル基、エチル基もしくはプロピル基を表すか、または、R´及びR″は環(例えば、ピロリジンまたはモルホリン)を形成する。);
− Na2Fe2(SO4)3;
− NaFePO4、Na3V2(PO4)3、Na3V2(PO4)2F3;
− Na0.67Fe0.5Mn0.5O2、Na0.67MnO2、Na0.74CoO2、Na0.67Co0.67Mn0.33O2、Na0.67Ni0.25Mn0.75O2及びNa0.67Ni1/3Mn2/3O2から選択されるP2タイプ層状結晶性Na相;及び
− NaNi1/3Mn1/3Co1/3O2
本発明における意味の範囲内において、用語「非加熱で」は、前記方法が外部熱源を用いずに実施されることを意味する。
前記結合剤は、好ましくは高い(例えば数百MPaの)弾性係数を有し、正極を動作させる温度条件及び電圧条件下で安定なポリマーである。前記結合剤は正極材料の集電体に対する粘着力を維持し、イオン接触を維持し、電解質との安定な界面の形成を容易にする。
前記結合剤は、ポリ(ビニリデンフルオリド)(PVDF)又はポリ(テトラフルオロエチレン)などのフルオロポリマー;セルロース繊維;澱粉、カルボキシメチルセルロース(CMC);ジアセチルセルロースヒドロキシエチルセルロース又はヒドロキシプロピルセルロースなどのセルロース誘導体;;スチレン・ブタジエンゴム(SBR)及びこれらの混合物から選択することができる。
前記導電剤の量は、前記正極材料の重量に対して0〜40w%、好ましくは5〜15w%の範囲で可変である。
− 少なくとも1つの正極と、
− 少なくとも1つの負極と、
を有し、
− 該正極と該負極は、少なくとも1種のナトリウム塩を含む電解質によって分離されており、
− 該正極は本発明の第3の目的で定義されたものである、電池である。
本発明の好ましい実施形態において、前記負極活物質は炭素材料である。
前記溶媒中の液体溶媒の比率は約2容量%(可塑化された溶媒の場合)〜約98容量%(ゲル化された溶媒の場合)の範囲で可変である。
ボールミル工程によるNa3P/Na2Fe2(SO4)3複合材料の調製
本例では、Na3P/Na2Fe2(SO4)3正極複合材料を調製した。
まず、Yamada Aによる開示(Nature Communications、2014(5)、4538)に記載の方法に従い、Na2SO4とFeSO4との固相反応によりNa2Fe2(SO4)3を調製した。
理論量の金属ナトリウムの塊(1.38g、シグマ社)と赤リン(0.62g、アルファ社、325メッシュ)とを、それぞれ重量7g、直径12mmの硬鋼製のボール7個を備え内部にアルゴンを充填したグローブボックス中にて、Spex(登録商標)8000Mボールミル(30cm3)の硬鋼製のボールミルジャーに充填した。ボールミル工程を2〜10時間実施してこれら固体成分を粉砕し、Na3P粒子を得た。
上記ステップ1)により得たNa2Fe2(SO4)30.8gと上記ステップ2により得たNa3P0.05gとを、それぞれ重量7g、直径12mmの硬鋼製のボール4個を備え内部にアルゴンを充填したグローブボックス中にて、Spex(登録商標)8000Mボールミル(30cm3)の硬鋼製のボールミルジャーに充填した。ボールミル工程を0.3時間実施してこれら材料を粉砕し、Na3P/Na2Fe2(SO4)3複合材料の粒子を得た。
正極材料としてNa3P/Na2Fe2(SO4)3複合材料を含むフルセルの調製
本実施例では正極活物質として実施例1により調製したNa3P/Na2Fe2(SO4)3複合材料を用いて、負極としてカーボンナノファイバーを含み液体電解質として1MのNaClO4のエチレンカーボネート(EC)/ジメチルカーボネートDMC)(容積比1:1)溶液を含むナトリウムイオン電池を組み立てた。
ポリアクリロニトリルを前駆体として用いた電界紡糸によりKim JKの開示(Advanced Energy Materials、2014、4、1301448)に係る方法に従いCNFを製造した。
CNFを負極、Na3P/Na2Fe2(SO4)3複合材料を正極として用い、コイン型電池においてナトリウムイオン電池の電気化学的性能を評価した。対電極としてナトリウム箔を用い、液体電解質として1MのNaClO4のEC/DMC溶液(容積比1:1)を、セパレータとしてガラス繊維(ワットマン(登録商標)、GF/D)を用いた。電池に対し、VMPシステム(バイオロジック S.A.社、クレ、フランス)を用いてテストを実施した。
各電池を封止し、電流減少量0.2Cに相当する印加速度で電流を印加した。Na2Fe2(SO4)3の重量に基づき各電池の容量を算出した。
各ナトリウムイオン電池につきサイクル性能を調べた。各電池のテスト結果を添付の図1に示す(図中、電圧(単位:V)は容量(単位:mAh/g)の関数である)。
ボールミル工程によるNa3P/Na3V2(PO4)3複合材料の調製
本実施例では、Na3P/Na3V2(PO4)3正極複合材料を調製した。
まず、J Yamakiらの報告(Journal of the Electrochemical Society、2010、157(4)、A536−A543)に記載の方法に従い、固相反応によりNa3V2(PO4)3を調製した。
Na3V2(PO4)31.5gとNa3P(実施例1のステップ2の方法により調製したもの)0.2gとを、それぞれ重量7g、直径12mmの硬鋼製の硬鋼製のボール6個を備え内部にアルゴンを充填したグローブボックス中にて、硬鋼製のボールミルジャー(容積30cm3、Spex(登録商標)8000M)に充填した。ボールミル工程を0.5時間実施し、Na3P/Na3V2(PO4)3複合材料を得た。
このようにして得たNa3P/Na3V2(PO4)3複合材料の電気化学的性能につき、実施例2において用いたものと同一のナトリウム電池を用いて、Na3P/Na3V2(PO4)3を作用電極に用いナトリウム金属を対電極に用いてテストを行った。第1サイクルの充放電曲線を添付の図2に示す(図中、電圧(V)は容量(単位:mAh/g)の関数である)。1.6V付近における一つ目のプラトーから抽出したナトリウムは、SEI形成におけるナトリウム損失の補償に用いることができる。
ボールミル工程によるNa3P/Na3V2(PO4)2F3複合材料の調製
本実施例では、Na3P/Na3V2(PO4)2F3(NVPF)(以下、「Na3P/NVPF」と略す)正極複合材料を調製した。
まず、Croguennec Lらによる報告(Chemistry of Materials、2014、26、4238)に記載の方法に従い、NaFとVPO4との固相反応によりNVPFを調製した。
NVPF0.8gとNa3P(実施例1のステップ2の方法により調製したもの)0.07gとを、それぞれ重量7g、直径12mmの硬鋼製のボール4個を備え内部にアルゴンを充填したグローブボックス中にて、硬鋼製のボールミルジャー(容積30cm3、Spex(登録商標)8000M)に充填した。ボールミル工程を0.5時間実施し、Na3P/NVPF複合材料を得た。
このようにして得たNa3P/NVPF複合材料の電気化学的性能について、実施例2において用いたものと同一のナトリウム電池を用いて、Na3P/NVPFを作用電極に用いナトリウム金属を対電極に用いてテストを行った。第1サイクルの充放電曲線を添付の図3に示す(図中、電圧(V)は容量(単位:mAh/g)の関数である)。これらの結果は、Na3Pの寄与による第1サイクルの付加的荷電容量が、フルセルにおいてSEI層を形成により消費されるナトリウムを補償するために用いられることができることを示している。
正極材料としてNa3P/Na3V2(PO4)2F3複合材料を含むフルセルの調製
本実施例では正極活物質として実施例4により調製したNa3P/NVPF複合材料を用いて、負極としてハードカーボンを含み液体電解質として1MのNaClO4のEC/DMC(容積比1:1)溶液を含むナトリウムイオン電池を組み立てた。
J.R.Dahnらの開示(Journal of the Electrochemical Society、2000、147、1271)に係る方法に従い、グルコースの熱分解によりハードカーボンを製造した。
2)ナトリウムイオン電池の組立
コイン型電池においてハードカーボンをアノード、Na3P/NVPF複合材料(実施例4のステップ2の方法により調製したもの)をカソードとして用い、ナトリウムイオン電池の電気化学的性能を評価した。対電極としてナトリウム箔を用い、液体電解質として1MのNaClO4のEC/DMC溶液(容積比1:1)を、セパレータとしてガラス繊維(ワットマン(登録商標)、GF/D)を用いた。電池に対し、VMPシステム(バイオロジックサイエンスインストゥルメンツ社、クレ、フランス)を用いてテストを実施した。
比較のため、実施例4により調製したNa3P/NVPF複合材料に代えて、同量のNVPFのみを正極活物質として用い、本発明部分的を形成しない比較用ナトリウムイオン電池を調製した。
各電池を封止し、電流減少量0.2Cに相当する印加速度で電流を印加した。NVPFの重量に基づき各電池の容量を算出した。
各ナトリウムイオン電池につきサイクル性能を調べた。各電池のテスト結果を添付の図4に示す(図中、電圧(単位:V)は容量の関数である(単位:mAh/g))。これらの結果は、正極活物質としてNVPFのみを含む電池(本発明の部分を形成しない電池)では第1サイクルにおける不可逆容量が大きいことを示しており、具体的には、第1サイクルにおけるクーロン効率が約70%であった。大部分の容量損失はナトリウムが消費される炭素電極におけるSEIの形成に起因する。一方、本発明に係る電池、すなわちNa3P/NVPF複合材料を含む電池では、上記テストの結果、容量が89mAh/gから115mAh/gに増加し、このことは該複合材料の使用によりナトリウムイオン電池の不可逆容量の問題が解決可能となったことを示している。
ボールミル工程によるNa3P/Na0.67Fe0.5Mn0.5O2複合材料の調製
1)Na 0.67 Fe 0.5 Mn 0.5 O 2 の調製
まず、S Komabaらによる報告(Nature Materials、2012、11、512)に記載の方法に従い、固相反応によりNa0.67Fe0.5Mn0.5O2(以下、「Na0.67FMO」と略す。)を調製した。
2種類のNa3P/Na0.67FMO複合材料(Na3P/Na0.67FMO−1複合材料及びNa3P/Na0.67FMO−2複合材料)を製造した:
i)Na3P/Na0.67FMO−1複合材料の調製:Na0.67FMO0.8gとNa3P(実施例1のステップ2の方法により調製したもの)0.09gとを、それぞれ重量7g、直径12mmの硬鋼製のボール4個を備え内部にアルゴンを充填したグローブボックス中にて、硬鋼製のボールミルジャー(容積30cm3、Spex(登録商標)8000M)に充填した。ボールミル工程を0.5時間実施し、Na3P/Na0.67FMO−1複合材料を得た。
ii)Na3P/Na0.67FMO−2複合材料の調製:Na3Pの含有量を更に増やした。Na0.67FMO0.8gとNa3P(実施例1のステップ2の方法により調製したもの)0.18gとを、Na3P/Na0.67FMO−1複合材料の調製のためのボールミル工程と同様に硬鋼製のボールミルジャーに充填した。
正極材料としてNa3P/Na0.67Fe0.5Mn0.5O2複合材料を含むフルセルの調製
本実施例では正極活物質として実施例6により調製したNa3P/Na0.67FMO複合材料(Na3P/Na0.67FMO−1複合材料及びNa3P/Na0.67FMO−2複合材料)を用いて、負極としてハードカーボンを含み液体電解質として1MのNaClO4のEC/DMC(容積比1:1)溶液を含むナトリウムイオン電池を組み立てた。
実施例5と同様の方法によりハードカーボンを製造した。
2)ナトリウムイオン電池の組立
コイン型電池においてハードカーボンをアノード、各Na3P/Na0.67FMO複合材料をカソードとして用い、各ナトリウムイオン電池の電気化学的性能を評価した。対電極としてナトリウム箔を用い、液体電解質として1MのNaClO4のEC/DMC溶液(容積比1:1)を、セパレータとしてガラス繊維(ワットマン(登録商標)、GF/D)を用いた。各電池に対し、VMPシステム(バイオロジックサイエンスインストゥルメンツ社、クレ、フランス)を用いてテストを実施した。
各電池を封止し、電流減少量0.2Cに相当する印加速度で電流を印加した。Na0.67FMOの重量に基づき各電池の容量を算出した。
各ナトリウムイオン電池につきサイクル性能を調べた。各電池のテスト結果を添付の図5に示す(図中、電圧(単位:V)は容量(単位:mAh/g)の関数である)。
Claims (17)
- 電気化学的ベクターとしてナトリウムイオンを用いる電池用の正極複合材料の製造方法であって、
Na3Pの粉体を、ナトリウムイオンを可逆的に挿入可能な少なくとも1種の正極活物質の粉体と混合する少なくとも1つの工程を有し、
該混合工程が、乾燥雰囲気下、非加熱で実施される、方法。 - 前記正極活物質が以下から選択される、請求項1に記載の方法。
− 層状のフルオロリン酸塩Na2TPO4F(TはFe、Mn、Co及びNiから選択される二価の元素を表し、TはMg又はZnによって部分的に置換されてもよい);
− フルオロ硫酸塩NaT´SO4F(T´はFe、Mn、Co及びNiから選択される少なくとも1種の元素を表し、T´の1部は、必要に応じてMgによって置換され、硫酸基の一部は、必要に応じて等配電子及び等電荷基PO3F2-によって置換される。);
− 多硫化物Na2Sn (1≦n≦6)、並びに、ジメルカプトチアジアゾール及びジメルカプトオキサゾールのナトリウム塩;
− ジチオカルバメートNa[CS2NR´R″](R´及びR″の各基は、メチル基、エチル基もしくはプロピル基を表すか、または、R´及びR″は環を形成する。);
− Na2Fe2(SO4)3;
− NaFePO4、Na3V2(PO4)3、Na3V2(PO4)2F3;
− Na0.67Fe0.5Mn0.5O2、Na0.67MnO2、Na0.74CoO2、Na0.67Co0.67Mn0.33O2、Na0.67Ni0.25Mn0.75O2及びNa0.67Ni1/3Mn2/3O2から選択されるP2タイプ層状結晶性Na相;及び
− NaNi1/3Mn1/3Co1/3O2 - Naベースの正極活物質が、Na2Fe2(SO4)3、NaFePO4、Na3V2(PO4)3、Na3V2(PO4)2F3、Na0.67Fe0.5Mn0.5O2、Na0.67MnO2、Na0.74CoO2、Na0.67Co0.67Mn0.31O2、Na0.67Ni1/3Mn2/3O2及びNaNi1/3Mn1/3Co1/3O2からなる群から選択される、請求項1又は2に記載の方法。
- Na3Pの量が正極活物質の重量に対して2〜40重量%である請求項1〜3のいずれかに記載の方法。
- 前記混合工程が、粉末状の導電剤の存在下で行われ得る、請求項1〜4のいずれかに記載の方法。
- 前記混合工程が、ボールミル工程である、請求項1〜5のいずれかに記載の方法。
- 前記ボールミル工程が不活性ガス下で実施される請求項6に記載の方法。
- 前記ボールミル工程が25〜80℃の温度範囲で行われる請求項6又は7に記載の方法。
- 前記ボールミル工程が、ミリングボールをWmb/ Wsの重量比で10〜60の範囲で含む硬鋼製のボールミルジャー中で実施される(Wmbはミリングボールの重量で、Wsは前記ジャー中に含まれる粉末材料の全重量)、請求項6〜8のいずれかに記載の方法。
- 前記ボールミル工程が、1分当たり200〜1000回転の値範囲にセットされた回転速度でのボールの遠心運動により操作するボールミラー中で実施される、請求項6〜9のいずれかに記載の方法。
- 前記ボールミル工程の効果的な継続時間が0.1〜5時間である、請求項6〜10のいずれかに記載の方法。
- Naイオン電池用の正極活物質としての請求項1〜11のいずれかに記載の方法により得られた正極複合材料の使用であって、該正極複合材料が、請求項1〜4のいずれかに定義された少なくとも1種のNaベースの正極活物質及びNa3Pを含む、使用。
- 電極材料と集電体と構成されたNaイオン電池用の正極であって、該電極材料は請求項1〜11のいずれかに記載の方法により得られた正極複合材料を含み、該正極複合材料は請求項1〜4のいずれかに定義された少なくとも1種のNaベースの正極活物質及びNa3Pを含む正極。
- 前記正極複合材料の量が、電極材料の全量に対して60〜100w%である、請求項13に記載の正極。
- 電気化学的ベクターとしてナトリウムイオンを用いる電池であって、
− 少なくとも1つの正極と、
− 少なくとも1つの負極と、
を有し、
− 該正極と該負極は、少なくとも1種のナトリウム塩を含む電解質によって分離されており、
− 該正極は請求項13または14で定義されたものである、
電池。 - 負極の活物質が炭素材料である、請求項15に記載の電池。
- 負極の炭素材料がカーボンナノファイバー又は炭素フェルト構成される請求項16に記載の電池。
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