JP2021128848A - Electrode active substance, power storage device, and method for manufacturing electrode active substance - Google Patents

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Abstract

To provide a novel electrode active substance which enables the further enhancement in charge/discharge characteristic, a power storage device and a method for manufacturing such an electrode active substance.SOLUTION: A power storage device comprises a positive electrode, a negative electrode, and an ion conductive medium for carrier ion conduction. An electrode active substance included in the negative electrode is a mixed salt structure which includes: an organic skeleton layer containing all of aromatic dicarboxylic acid anions of three kinds of structures of Ph, Bph and Naph; and an alkali metal element layer in which an alkali metal element is coordinated to oxygen included in carboxylic acid of the organic skeleton layer to form a skeleton. Supposing that Ph included in the mixed salt structure is Xp pt.mass, and Bph is Xb pt.mass, and Naph is Xn(Xp+Xb+Xn=1) pt.mass, they may be arranged to satisfy: 0.01≤Xp≤0.3; 0.01≤Xb≤0.34; and 0.36≤Xn≤0.98.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本明細書では、電極活物質、蓄電デバイス及び電極活物質の製造方法を開示する。 This specification discloses an electrode active material, a power storage device, and a method for producing the electrode active material.

従来、リチウムイオン二次電池などの蓄電デバイスとしては、芳香族環構造を有するジカルボン酸アニオンである芳香族化合物を含む有機骨格層と、カルボン酸アニオンに含まれる酸素にアルカリ金属元素が配位して骨格を形成するアルカリ金属元素層と、を有する層状構造体を負極活物質に用いたものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。負極活物質としての層状構造体は、導電性を有さないが、非水系電解液に溶けにくく、結晶構造を保つことにより充放電サイクル特性の安定性をより高めることができる。 Conventionally, as a power storage device such as a lithium ion secondary battery, an alkali metal element is coordinated with an organic skeleton layer containing an aromatic compound which is a dicarboxylic acid anion having an aromatic ring structure and oxygen contained in the carboxylic acid anion. A layered structure having an alkali metal element layer forming a skeleton is proposed as a negative electrode active material (see, for example, Patent Document 1). Although the layered structure as the negative electrode active material does not have conductivity, it is difficult to dissolve in a non-aqueous electrolyte solution, and by maintaining the crystal structure, the stability of charge / discharge cycle characteristics can be further enhanced.

特開2012−221754号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-221754

しかしながら、上述の特許文献1の蓄電デバイスでは、サイクル特性の安定性をより高めることができるものの、充放電における電池容量、放電電位及び分極などの充放電特性をより向上することが求められていた。 However, in the above-mentioned power storage device of Patent Document 1, although the stability of the cycle characteristics can be further improved, it has been required to further improve the charge / discharge characteristics such as the battery capacity, the discharge potential and the polarization in the charge / discharge. ..

本開示は、このような課題に鑑みなされたものであり、充放電特性をより向上することができる新規な電極活物質、蓄電デバイス及び電極活物質の製造方法を提供することを主目的とする。 The present disclosure has been made in view of such problems, and an object of the present disclosure is to provide a novel electrode active material, a power storage device, and a method for producing an electrode active material, which can further improve charge / discharge characteristics. ..

上述した目的を達成するために鋭意研究したところ、本発明者らは、芳香族ジカルボン酸金属塩を3種含む調製溶液を用いて所定の配合比の範囲で構造体を作製するものとすると、充放電特性をより向上することができる新規な電極活物質を作製することができることを見いだし、本開示を完成するに至った。 As a result of diligent research to achieve the above-mentioned object, it is assumed that the present inventors prepare a structure within a predetermined compounding ratio range using a preparation solution containing three kinds of aromatic dicarboxylic acid metal salts. It has been found that a novel electrode active material capable of further improving charge / discharge characteristics can be produced, and the present disclosure has been completed.

即ち、本明細書で開示する電極活物質は、
蓄電デバイス用の電極活物質であって、
式(1)〜(3)で表されるPh、Bph、Naphの3種の構造の芳香族ジカルボン酸アニオンを全て含む有機骨格層と、前記有機骨格層のカルボン酸に含まれる酸素にアルカリ金属元素が配位して骨格を形成するアルカリ金属元素層と、を備える混合塩構造体であり、
前記電極活物質と、式(4)〜(6)で表される単独の層状構造体とをCuKα線を用い2θが5°以上60°以下の範囲でXRDスペクトルを測定したときのピアソン相関係数を式(4)がRp、式(5)がRb、式(6)がRnとしたときに、0.38≦Rp≦0.49、0.37≦Rb≦0.56、0.75≦Rn≦0.90をいずれも満たし、アルカリ金属イオンを吸蔵、放出することで、電気エネルギーを貯蔵出力するものである。
That is, the electrode active material disclosed in the present specification is
An electrode active material for power storage devices
An organic skeleton layer containing all of the aromatic dicarboxylic acid anions having three types of structures represented by the formulas (1) to (3) and an alkali metal in the oxygen contained in the carboxylic acid of the organic skeleton layer. It is a mixed salt structure including an alkali metal element layer in which elements are coordinated to form a skeleton.
Pearson phase relationship between the electrode active material and a single layered structure represented by the formulas (4) to (6) when the XRD spectrum is measured in the range of 2θ of 5 ° or more and 60 ° or less using CuKα rays. When the numbers are Rp in the formula (4), Rb in the formula (5), and Rn in the formula (6), 0.38 ≦ Rp ≦ 0.49, 0.37 ≦ Rb ≦ 0.56, 0.75 By satisfying all of ≦ Rn ≦ 0.90 and occluding and releasing alkali metal ions, electric energy is stored and output.

Figure 2021128848
Figure 2021128848

あるいは、本明細書で開示する電極活物質は、
蓄電デバイス用の電極活物質であって、
式(1)〜(3)で表されるPh、Bph、Naphの3種の構造の芳香族ジカルボン酸アニオンを全て含む有機骨格層と、前記有機骨格層のカルボン酸に含まれる酸素にアルカリ金属元素が配位して骨格を形成するアルカリ金属元素層と、を備える混合塩構造体であり、
前記混合塩構造体に含まれる式(4)の質量部をXp、式(5)の質量部をXb、式(6)の質量部をXn(Xp+Xb+Xn=1)としたときに、0.01≦Xp≦0.3、0.01≦Xb≦0.34、0.36≦Xn≦0.98を満たすか、
あるいは数式(1)を満たし、アルカリ金属イオンを吸蔵、放出することで、電気エネルギーを貯蔵出力するものである。
Alternatively, the electrode active material disclosed herein is:
An electrode active material for power storage devices
An organic skeleton layer containing all of the aromatic dicarboxylic acid anions having three types of structures represented by the formulas (1) to (3) and an alkali metal in the oxygen contained in the carboxylic acid of the organic skeleton layer. It is a mixed salt structure including an alkali metal element layer in which elements are coordinated to form a skeleton.
0.01 when the mass part of the formula (4) contained in the mixed salt structure is Xp, the mass part of the formula (5) is Xb, and the mass part of the formula (6) is Xn (Xp + Xb + Xn = 1). Whether ≤Xp≤0.3, 0.01≤Xb≤0.34, 0.36≤Xn≤0.98 are satisfied.
Alternatively, electric energy is stored and output by satisfying the mathematical formula (1) and storing and releasing alkali metal ions.

Figure 2021128848
Figure 2021128848

本明細書で開示する蓄電デバイスは、
上述した電極活物質を含む負極と、
正極活物質を含む正極と、
正極と負極との間に介在し、キャリアイオンを伝導するイオン伝導媒体と、
を備えたものである。
The power storage device disclosed in this specification is
The negative electrode containing the above-mentioned electrode active material and the negative electrode
Positive electrode A positive electrode containing an active material and a positive electrode
An ion conduction medium that is interposed between the positive electrode and the negative electrode and conducts carrier ions,
It is equipped with.

本明細書で開示する電極活物質の製造方法は、
式(1)〜(3)で表されるPh、Bph、Naphの3種の構造の芳香族ジカルボン酸アニオンと、アルカリ金属カチオンとを溶解した調製溶液を用い、前記芳香族ジカルボン酸アニオンを含む有機骨格層と前記有機骨格層のカルボン酸アニオンに含まれる酸素にアルカリ金属元素が配位して骨格を形成するアルカリ金属元素層とを備える混合塩構造体を析出させる析出工程、を含み、
前記析出工程では、前記混合塩構造体の原料として式(4)の質量部をXp、式(5)の質量部をXb、式(6)の質量部をXn(Xp+Xb+Xn=1)としたときに、0.01≦Xp≦0.3、0.01≦Xb≦0.34、0.36≦Xn≦0.98を満たす範囲で配合するものである。
The method for producing the electrode active material disclosed in the present specification is as follows.
Using a prepared solution prepared by dissolving an aromatic dicarboxylic acid anion having three types of structures represented by the formulas (1) to (3) and an alkali metal cation, the aromatic dicarboxylic acid anion is contained. A precipitation step of precipitating a mixed salt structure including an organic skeleton layer and an alkali metal element layer in which an alkali metal element coordinates with oxygen contained in the carboxylic acid anion of the organic skeleton layer to form a skeleton is included.
In the precipitation step, when the mass part of the formula (4) is Xp, the mass part of the formula (5) is Xb, and the mass part of the formula (6) is Xn (Xp + Xb + Xn = 1) as the raw material of the mixed salt structure. , 0.01 ≦ Xp ≦ 0.3, 0.01 ≦ Xb ≦ 0.34, 0.36 ≦ Xn ≦ 0.98.

本開示では、充放電特性をより向上することができる新規の電極活物質、蓄電デバイス及び電極活物質の製造方法を提供することができる。この電極活物質、蓄電デバイス及び電極活物質の製造方法では、複数種の芳香族ジカルボン酸アニオンを適宜配合した調製溶液を用いることにより、新規な構造の混合塩構造体を調整することができる。また、特定の配合領域では、含まれる3種の芳香族ジカルボン酸アルカリ金属塩の相乗効果によって、それぞれ単独のものに比してより好適な容量、放電電位、及び分極などの充放電特性を示すものと推察される。 In the present disclosure, it is possible to provide a novel electrode active material, a power storage device, and a method for producing the electrode active material, which can further improve the charge / discharge characteristics. In this method for producing an electrode active material, a power storage device, and an electrode active material, a mixed salt structure having a novel structure can be prepared by using a prepared solution in which a plurality of types of aromatic dicarboxylic acid anions are appropriately mixed. Further, in a specific compounding region, due to the synergistic effect of the three kinds of aromatic dicarboxylic acid alkali metal salts contained therein, more suitable charge / discharge characteristics such as capacity, discharge potential, and polarization are exhibited as compared with those of each of them alone. It is presumed to be.

各芳香族ジカルボン酸ジリチウムの層状構造体の化合物構造の説明図。Explanatory drawing of the compound structure of the layered structure of each aromatic dicarboxylic acid dilithium. 各芳香族ジカルボン酸ジリチウム構造体の三成分組成図。Three-component composition diagram of each aromatic dicarboxylic acid dilithium structure. 各芳香族ジカルボン酸ジリチウム構造体の三成分組成図。Three-component composition diagram of each aromatic dicarboxylic acid dilithium structure. 蓄電デバイス20の一例を示す模式図。The schematic diagram which shows an example of the power storage device 20. 各実験例のXRDパターン。XRD pattern of each experimental example. アルコールの有無及び加熱温度の検討結果。Results of examination of the presence or absence of alcohol and the heating temperature. 実験例13の充放電測定結果。Charge / discharge measurement results of Experimental Example 13. 各実験例の測定結果を含む三成分組成分布図。Three-component composition distribution map including the measurement results of each experimental example. 三成分組成図における、各割合でPh、Naph、Bphを足し合わせたXRDスペクトルとX20のスペクトルとの類似度を表す関係図。FIG. 5 is a relationship diagram showing the degree of similarity between the XRD spectrum and the X20 spectrum, which are the sum of Ph, Naph, and Bph at each ratio in the three-component composition diagram.

(電極活物質)
本明細書で開示する電極活物質は、蓄電デバイス用の電極活物質である。電極活物質は、キャリアであるアルカリ金属イオンを吸蔵、放出することで電気エネルギーを貯蔵出力する。キャリアであるアルカリ金属イオンとしては、例えば、LiイオンやNaイオン、Kイオンなどのうち1以上が挙げられる。この電極活物質は、3種の芳香族ジカルボン酸アニオンを含む有機骨格層と、有機骨格層のカルボン酸に含まれる酸素にアルカリ金属元素が配位して骨格を形成するアルカリ金属元素層とを備える混合塩構造体である。この混合塩構造体では、アルカリ金属イオンを吸蔵、放出することで、電気エネルギーを貯蔵出力する。
(Electrode active material)
The electrode active material disclosed in the present specification is an electrode active material for a power storage device. The electrode active material stores and outputs electrical energy by occluding and releasing alkali metal ions, which are carriers. Examples of the alkali metal ion as a carrier include one or more of Li ion, Na ion, K ion and the like. This electrode active material comprises an organic skeleton layer containing three kinds of aromatic dicarboxylic acid anions and an alkali metal element layer in which an alkali metal element coordinates with oxygen contained in the carboxylic acid of the organic skeleton layer to form a skeleton. It is a mixed salt structure provided. In this mixed salt structure, electric energy is stored and output by occluding and releasing alkali metal ions.

この電極活物質は、式(1)〜(3)で表されるPh、Bph、Naphの3種の構造の芳香族ジカルボン酸アニオンを全て含む有機骨格層と、前記有機骨格層のカルボン酸に含まれる酸素にアルカリ金属元素が配位して骨格を形成するアルカリ金属元素層と、を備える混合塩構造体である。この芳香族ジカルボン酸アニオンは、テレフタル酸アニオン(式(1):Ph)、4,4’−ビフェニルジカルボン酸アニオン(式(2):Bph)、2,6−ナフタレンジカルボン酸アニオン(式(3):Naph)である。この混合塩構造体は、式(4)〜(6)で表される層状構造体の構造を含む。式(4)〜(6)において、Aはアルカリ金属である。これらの芳香族化合物は、この構造中に置換基、ヘテロ原子を有してもよい。具体的には、芳香族化合物の水素の代わりに、ハロゲン、鎖状又は環状のアルキル基、アリール基、アルケニル基、アルコキシ基、アリーロキシ基、スルホニル基、アミノ基、シアノ基、カルボニル基、アシル基、アミド基、水酸基を置換基として持っていてもよいし、芳香族化合物の炭素の代わりに、窒素、硫黄、酸素が導入された構造であってもよい。 This electrode active material is used for an organic skeleton layer containing all of aromatic dicarboxylic acid anions having three types of structures represented by the formulas (1) to (3), Ph, Bph, and Naph, and the carboxylic acid of the organic skeleton layer. It is a mixed salt structure including an alkali metal element layer in which an alkali metal element is coordinated with the contained oxygen to form a skeleton. The aromatic dicarboxylic acid anion includes a terephthalic acid anion (formula (1): Ph), a 4,4'-biphenyldicarboxylic acid anion (formula (2): Bph), and a 2,6-naphthalenedicarboxylic acid anion (formula (3)). ): Naph). This mixed salt structure includes the structure of the layered structure represented by the formulas (4) to (6). In formulas (4) to (6), A is an alkali metal. These aromatic compounds may have substituents and heteroatoms in this structure. Specifically, instead of the hydrogen of the aromatic compound, a halogen, a chain or cyclic alkyl group, an aryl group, an alkenyl group, an alkoxy group, an aryloxy group, a sulfonyl group, an amino group, a cyano group, a carbonyl group and an acyl group. , An amide group or a hydroxyl group may be used as a substituent, or a structure in which nitrogen, sulfur or oxygen is introduced instead of the carbon of the aromatic compound may be used.

Figure 2021128848
Figure 2021128848

アルカリ金属元素層に含まれるアルカリ金属は、例えば、リチウム、ナトリウム及びカリウムなどが挙げられ、このうちリチウムが好ましい。なお、蓄電デバイスのキャリアであり、充放電により電極活物質に吸蔵、放出される金属イオンは、アルカリ金属元素層に含まれるアルカリ金属元素と異なる種類のものとしてもよいし、同じ種類のものとしてもよく、例えば、Li,Na及びKなどのうちいずれか1以上とすることができる。また、アルカリ金属元素層に含まれるアルカリ金属元素は、混合塩構造体の骨格を形成することから、充放電に伴うイオン移動には関与しないもの、すなわち、充放電時に吸蔵放出されないものと推察される。エネルギー貯蔵メカニズムにおいては、混合塩構造体の有機骨格層はレドックス(e-)サイトとして機能する一方、アルカリ金属元素層はキャリアである金属イオンの吸蔵サイト(アルカリ金属イオン吸蔵サイト)として機能するものと考えられる。 Examples of the alkali metal contained in the alkali metal element layer include lithium, sodium and potassium, of which lithium is preferable. The metal ions that are carriers of the power storage device and are occluded and released in the electrode active material by charging and discharging may be of a different type from the alkali metal element contained in the alkali metal element layer, or may be of the same type. Also, for example, it can be any one or more of Li, Na, K and the like. Further, since the alkali metal element contained in the alkali metal element layer forms the skeleton of the mixed salt structure, it is presumed that the alkali metal element is not involved in the ion movement accompanying charge / discharge, that is, it is not occluded and released during charge / discharge. NS. Those While functioning as a site, the alkali metal element layer which functions as a storage site for metal ions functioning as carriers (alkali metal ion adsorption site) - in the energy storage mechanism, the organic skeleton layer of mixed salt structure redox (e) it is conceivable that.

ここで、単独の芳香族ジカルボン酸ジリチウムアルカリ金属塩からなる層状構造体の一例について説明する。図1は、各芳香族ジカルボン酸ジリチウムアルカリ金属塩の化合物構造の説明図であり、図1Aがテレフタル酸ジリチウム、図1Bが4,4’−ビフェニルジカルボン酸ジリチウム、図1Cが2,6−ナフタレンジカルボン酸ジリチウムである。図1には、各層状構造体の格子定数、a−c面およびb−c面からの結晶構造を示した。テレフタル酸ジリチウム、4,4’−ビフェニルジカルボン酸ジリチウム及び2,6−ナフタレンジカルボン酸ジリチウムにおいて、それぞれの結晶の格子定数は、a−c面から確認できる芳香族骨格の長さに相当するa軸が変化するのに対して、b−c面の格子定数はほとんど同じである。よって、2種類以上の芳香族ジカルボン酸とアルカリ金属とを溶解した調製溶液から層状構造体の合成を行うことで、a−b面から観察される各化合物の有機−無機の積層構造を形成し、b−c面において各有機骨格のπスタッキング相互作用によりパッキングされた有機層を形成しながら、カルボン酸ジリチウムのLiO4四面体から構成される無機層部分を共有した結晶を形成することができるものと推察される。 Here, an example of a layered structure composed of a single aromatic dicarboxylic acid dilithium alkali metal salt will be described. FIG. 1 is an explanatory diagram of the compound structure of each aromatic dicarboxylic acid dilithium alkali metal salt, FIG. 1A is dilithium terephthalate, FIG. 1B is dilithium 4,4'-biphenyldicarboxylic acid, and FIG. 1C is 2,6-. Dilithium naphthalenedicarboxylic acid. FIG. 1 shows the lattice constant of each layered structure and the crystal structure from the ac plane and the bc plane. In dilithium terephthalate, dilithium 4,4'-biphenyldicarboxylic acid and dilithium 2,6-naphthalenedicarboxylic acid, the lattice constant of each crystal is the a-axis corresponding to the length of the aromatic skeleton that can be confirmed from the a-c plane. Is changed, whereas the lattice constant of the bc plane is almost the same. Therefore, by synthesizing a layered structure from a prepared solution in which two or more kinds of aromatic dicarboxylic acids and an alkali metal are dissolved, an organic-inorganic laminated structure of each compound observed from the ab plane is formed. While forming an organic layer packed by the π stacking interaction of each organic skeleton on the bc plane, it is possible to form a crystal sharing an inorganic layer portion composed of a LiO 4 tetrahedron of dilithium carboxylate. It is presumed to be.

この電極活物質は、混合塩構造体に含まれる配合比において、Ph(式(4))の質量部をXp、Bph(式(5))の質量部をXb、Naph(式(6))の質量部をXnとしたときに、Xp+Xb+Xn=1を満たし、0.01≦Xp≦0.3、0.01≦Xb≦0.34、0.36≦Xn≦0.98を満たすものとしてもよい。図2は、各芳香族ジカルボン酸ジリチウム構造体の三成分組成図である。ここで規定した範囲は、図2の一点鎖線の範囲に相当する。配合比がこのいずれの範囲も満たすものでは、3種の芳香族ジカルボン酸塩の相乗効果によって、充放電特性をより向上することができる。このとき、混合塩構造体は、0.01≦Xp≦0.20、0.05≦Xb≦0.30、0.60≦Xn≦0.80を満たすことがより好ましい。この規定した範囲は、図2の点線の範囲に相当する。配合比がこのいずれも満たすものでは、更に充放電特性をより向上することができる。 In the compounding ratio contained in the mixed salt structure, the electrode active material has a mass portion of Ph (formula (4)) of Xp, a mass portion of Bph (formula (5)) of Xb, and Naph (formula (6)). When the mass part of is Xn, Xp + Xb + Xn = 1 is satisfied, and 0.01 ≦ Xp ≦ 0.3, 0.01 ≦ Xb ≦ 0.34, and 0.36 ≦ Xn ≦ 0.98 are satisfied. good. FIG. 2 is a three-component composition diagram of each aromatic dicarboxylic acid dilithium structure. The range specified here corresponds to the range of the alternate long and short dash line in FIG. When the compounding ratio satisfies any of these ranges, the charge / discharge characteristics can be further improved by the synergistic effect of the three kinds of aromatic dicarboxylic acid salts. At this time, it is more preferable that the mixed salt structure satisfies 0.01 ≦ Xp ≦ 0.20, 0.05 ≦ Xb ≦ 0.30, 0.60 ≦ Xn ≦ 0.80. This defined range corresponds to the range of the dotted line in FIG. When the compounding ratio satisfies all of these, the charge / discharge characteristics can be further improved.

また、この電極活物質は、混合塩構造体に含まれる配合比において、Ph(式(4))の質量部をXp、Bph(式(5))の質量部をXb、Naph(式(6))の質量部をXn(Xp+Xb+Xn=1)としたときに、数式(1)を満たすものとしてもよい。図3は、各芳香族ジカルボン酸ジリチウム構造体の三成分組成図である。数式(1)で規定した範囲は、図3の一点鎖線の範囲に相当する。配合比がこの数式(1)を満たすものでは、3種の芳香族ジカルボン酸塩の相乗効果によって、充放電特性をより向上することができる。また、このとき、混合塩構造体は、数式(2)を満たすことが好ましい。数式(2)で規定した範囲は、図3の点線の範囲に相当する。配合比が数式(2)を満たすものでは、更に充放電特性をより向上することができる。更に、混合塩構造体は、数式(3)〜(5)を満たすことがより好ましい。数式(3)〜(5)で規定した範囲は、図3の実線で網掛けした範囲に相当する。配合比が数式(3)〜(5)を満たすものでは、最も充放電特性をより向上することができる。 Further, in the compounding ratio contained in the mixed salt structure, the electrode active material has a mass portion of Ph (formula (4)) of Xp, a mass portion of Bph (formula (5)) of Xb, and Naph (formula (6)). )) When the mass part of) is Xn (Xp + Xb + Xn = 1), the equation (1) may be satisfied. FIG. 3 is a three-component composition diagram of each aromatic dicarboxylic acid dilithium structure. The range defined by the mathematical formula (1) corresponds to the range of the alternate long and short dash line in FIG. When the compounding ratio satisfies this formula (1), the charge / discharge characteristics can be further improved by the synergistic effect of the three kinds of aromatic dicarboxylic acid salts. Further, at this time, it is preferable that the mixed salt structure satisfies the mathematical formula (2). The range defined by the mathematical formula (2) corresponds to the range of the dotted line in FIG. When the compounding ratio satisfies the formula (2), the charge / discharge characteristics can be further improved. Further, it is more preferable that the mixed salt structure satisfies the formulas (3) to (5). The range defined by the formulas (3) to (5) corresponds to the range shaded by the solid line in FIG. When the compounding ratio satisfies the formulas (3) to (5), the charge / discharge characteristics can be improved most.

Figure 2021128848
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Figure 2021128848
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Figure 2021128848
Figure 2021128848

この電極活物質は、この混合塩構造体と、式(4)〜(6)で表される単独の層状構造体とをCuKα線を用い2θが5°以上60°以下の範囲でXRDスペクトルを測定したときのピアソン相関係数を式(4)がRp、式(5)がRb、式(6)がRnとしたときに、0.38≦Rp≦0.49、0.37≦Rb≦0.56、0.75≦Rn≦0.90をいずれも満たすものとしてもよい。ピアソン相関係数がこのいずれも満たすものでは、3種の芳香族ジカルボン酸塩の相乗効果によって、充放電特性をより向上することができる。ここで、ピアソン相関係数について説明する。ピアソン相関係数は、2つの活物質の間の相似性を表す係数であり、XRDスペクトルから求めることができる。このピアソン相関係数は、2θが5〜60°の範囲全てのスペクトル値を用いて求めるものとする。活物質Xと活物質YのXRDスペクトルを、それぞれ、xi,yiとしたとき、ピアソン相関係数R(X,Y)は、式(6)によって定義される。R(X,Y)は、−1から1の間の値をとり、XとYのXRDスペクトル間の類似性を表す指標として用いることができる。両者に完全な正の相関がある場合にはR=1、完全な負の相関がある場合にはR=−1、相関が無いときはR=0となる。XRDスペクトルのピアソン相関係数と活物質の電池特性とには両者に相関がある。Ph、Naph及びBphを任意割合で配合した活物質のXRDスペクトルに対して、Ph単体のXRDスペクトルを対比したピアソン相関係数をRpとし、Naph単体のXRDスペクトルを対比したピアソン相関係数をRnとし、Bph単体のXRDスペクトルを対比したピアソン相関係数をRbとして、Ph、Naph、Bphの単体の層状構造体と、混合塩構造体との間のピアソン相関係数を指標として用いることができる。 This electrode active material uses CuKα rays to obtain an XRD spectrum of this mixed salt structure and a single layered structure represented by the formulas (4) to (6) in a range of 2θ of 5 ° or more and 60 ° or less. When the Pearson correlation coefficient at the time of measurement is Rp in equation (4), Rb in equation (5), and Rn in equation (6), 0.38 ≦ Rp ≦ 0.49, 0.37 ≦ Rb ≦ Both 0.56 and 0.75 ≦ Rn ≦ 0.90 may be satisfied. When the Pearson correlation coefficient satisfies all of these, the charge / discharge characteristics can be further improved by the synergistic effect of the three kinds of aromatic dicarboxylic acid salts. Here, the Pearson correlation coefficient will be described. The Pearson correlation coefficient is a coefficient representing the similarity between two active materials and can be obtained from the XRD spectrum. This Pearson correlation coefficient shall be obtained using all the spectral values in the range where 2θ is 5 to 60 °. When the XRD spectra of the active material X and the active material Y are xi and yi, respectively, the Pearson correlation coefficient R (X, Y) is defined by the equation (6). R (X, Y) takes a value between -1 and 1, and can be used as an index showing the similarity between the XRD spectra of X and Y. If there is a perfect positive correlation between the two, then R = 1, if there is a perfect negative correlation, then R = -1, and if there is no correlation, then R = 0. There is a correlation between the Pearson correlation coefficient of the XRD spectrum and the battery characteristics of the active material. The Pearson correlation coefficient that compares the XRD spectrum of Ph alone with respect to the XRD spectrum of the active material in which Ph, Naph, and Bph are mixed in an arbitrary ratio is Rp, and the Pearson correlation coefficient that compares the XRD spectrum of Naph alone is Rn. The Pearson correlation coefficient comparing the XRD spectrum of Bph alone can be used as Rb, and the Pearson correlation coefficient between the single layered structure of Ph, Naph, and Bph and the mixed salt structure can be used as an index. ..

Figure 2021128848
Figure 2021128848

(電極活物質の製造方法)
本開示の電極活物質の製造方法は、上述した蓄電デバイス用の電極活物質の製造方法である。この製造方法は、溶液調製工程と、析出工程とを含むものとしてもよい。なお、調製溶液を別途調製するものとして、溶液調製工程を省略してもよい。
(Manufacturing method of electrode active material)
The method for producing an electrode active material of the present disclosure is the above-mentioned method for producing an electrode active material for a power storage device. This production method may include a solution preparation step and a precipitation step. The solution preparation step may be omitted as the preparation solution is prepared separately.

溶液調製工程では、3種の芳香族ジカルボン酸(Ph、Bph、Naph)と、アルカリ金属カチオンとを溶解した調製溶液を調製する。この調製溶液の溶媒は、特に限定されないが、水系溶媒としてもよいし、有機系溶媒としてもよいが、水であることが好ましい。有機溶媒としては、例えばメタノールやエタノールなどのアルコールなどが挙げられる。アルコールは、溶媒に含まれなくても混合塩構造体の構造に影響は与えないと考えられる。このため、この工程では、溶媒としてアルコールを用いなくてもよい。この工程では、芳香族ジカルボン酸アニオンの全体の濃度が0.1mol/L以上、より好ましくは0.2mol/L以上である調製溶液を調製することが好ましい。また、この工程では、芳香族ジカルボン酸アニオンの濃度が5mol/L以下である調製溶液を調製することが好ましい。このような濃度範囲では、次工程の析出工程をより行いやすい。この工程では、リチウム、ナトリウム及びカリウムのうち1以上のアルカリ金属カチオンを含む調製溶液を調製することが好ましい。この工程では、例えば、芳香族ジカルボン酸アニオンのモル数A(mol)に対するアルカリ金属カチオンのモル数B(mol)であるモル比B/Aが2.0を超える調製溶液を得ることが好ましく、B/Aが2.2以上である調製溶液を得ることがより好ましい。このように、アルカリ金属カチオンを過剰とすることにより、蓄電デバイス用電極の抵抗をより低減することができ、好ましい。このモル比B/Aは、2.5以上であるものとしてもよい。また、このモル比B/Aは、3.0以下であるものとしてもよい。 In the solution preparation step, a preparation solution in which three kinds of aromatic dicarboxylic acids (Ph, Bph, Naph) and an alkali metal cation are dissolved is prepared. The solvent of this preparation solution is not particularly limited, but may be an aqueous solvent or an organic solvent, but water is preferable. Examples of the organic solvent include alcohols such as methanol and ethanol. Alcohol is not considered to affect the structure of the mixed salt structure even if it is not contained in the solvent. Therefore, it is not necessary to use alcohol as a solvent in this step. In this step, it is preferable to prepare a preparation solution in which the total concentration of the aromatic dicarboxylic acid anion is 0.1 mol / L or more, more preferably 0.2 mol / L or more. Further, in this step, it is preferable to prepare a preparation solution in which the concentration of the aromatic dicarboxylic acid anion is 5 mol / L or less. In such a concentration range, it is easier to carry out the precipitation step of the next step. In this step, it is preferable to prepare a preparation solution containing one or more alkali metal cations among lithium, sodium and potassium. In this step, for example, it is preferable to obtain a prepared solution having a molar ratio B / A of more than 2.0, which is the number of moles B (mol) of the alkali metal cation with respect to the number A (mol) of the aromatic dicarboxylic acid anion. It is more preferable to obtain a preparation solution having a B / A of 2.2 or more. By making the alkali metal cation excessive in this way, the resistance of the electrode for the power storage device can be further reduced, which is preferable. This molar ratio B / A may be 2.5 or more. Further, the molar ratio B / A may be 3.0 or less.

また、この工程では、上述の電極活物質で示した配合比でPh、Naph、Bphとを配合するものとしてもよい。例えば、Phの質量部をXp、Bphの質量部をXb、Naphの質量部をXnとしたときに、Xp+Xb+Xn=1を満たし、0.01≦Xp≦0.3、0.01≦Xb≦0.34、0.36≦Xn≦0.98を満たすものとしてもよい。また、原料の配合比は、0.01≦Xp≦0.20、0.05≦Xb≦0.30、0.60≦Xn≦0.80の範囲を満たすことがより好ましい。あるいは、上述した数式(1)を持たすものとしてもよいし、数式(2)を満たすものとしてもよいし、数式(3)〜(5)のいずれも満たすものとしてもよい。 Further, in this step, Ph, Naph, and Bph may be blended in the blending ratio shown in the above-mentioned electrode active material. For example, when the mass part of Ph is Xp, the mass part of Bph is Xb, and the mass part of Naph is Xn, Xp + Xb + Xn = 1 is satisfied, and 0.01 ≦ Xp ≦ 0.3 and 0.01 ≦ Xb ≦ 0. It may satisfy .34 and 0.36 ≦ Xn ≦ 0.98. Further, the blending ratio of the raw materials more preferably satisfies the ranges of 0.01 ≦ Xp ≦ 0.20, 0.05 ≦ Xb ≦ 0.30, and 0.60 ≦ Xn ≦ 0.80. Alternatively, it may have the above-mentioned mathematical formula (1), may satisfy the mathematical formula (2), or may satisfy any of the mathematical formulas (3) to (5).

析出工程では、上記溶液調製工程で調製した調製溶液を用い、3種の芳香族ジカルボン酸アニオンを含む有機骨格層と、有機骨格層のカルボン酸アニオンに含まれる酸素にアルカリ金属元素が配位して骨格を形成するアルカリ金属元素層とを備える混合塩構造体を析出させる。この工程では、調製溶液を撹拌したのち溶媒を取り除く溶液混合法により混合塩構造体を析出させてもよい。また、調製溶液を噴霧乾燥装置を用いて噴霧乾燥する噴霧乾燥法により、混合塩構造体を析出させてもよい。この方法では、より短時間に混合塩構造体を析出させることができ、好ましい。噴霧乾燥は、スプレードライヤーにより行うものとしてもよい。噴霧乾燥条件は、例えば、装置の規模や作製する電極活物質の量によって適宜調整すればよい。この工程において、乾燥温度は、例えば、室温以上、例えば、40℃以上に加熱するものとすればよいが、溶媒の沸点以上が好ましく、100℃以上330℃以下の範囲とすることが好ましい。100℃以上では、溶媒を十分に除去することができ、330℃以下では、消費エネルギーをより低減でき好ましい。乾燥温度は、150℃以上がより好ましく、180℃以上がより好ましく、200℃以上としてもよい。 In the precipitation step, the prepared solution prepared in the above solution preparation step is used, and the alkali metal element is coordinated with the organic skeleton layer containing three kinds of aromatic dicarboxylic acid anions and the oxygen contained in the carboxylic acid anion of the organic skeleton layer. A mixed salt structure including an alkali metal element layer forming a skeleton is precipitated. In this step, the mixed salt structure may be precipitated by a solution mixing method in which the prepared solution is stirred and then the solvent is removed. Further, the mixed salt structure may be precipitated by a spray drying method in which the prepared solution is spray-dried using a spray-drying device. This method is preferable because the mixed salt structure can be precipitated in a shorter time. The spray drying may be performed by a spray dryer. The spray drying conditions may be appropriately adjusted depending on, for example, the scale of the apparatus and the amount of the electrode active material to be produced. In this step, the drying temperature may be, for example, heated to room temperature or higher, for example, 40 ° C. or higher, preferably the boiling point of the solvent or higher, and preferably 100 ° C. or higher and 330 ° C. or lower. At 100 ° C. or higher, the solvent can be sufficiently removed, and at 330 ° C. or lower, energy consumption can be further reduced, which is preferable. The drying temperature is more preferably 150 ° C. or higher, more preferably 180 ° C. or higher, and may be 200 ° C. or higher.

(蓄電デバイス)
本明細書で開示する蓄電デバイスは、上述した電極活物質を含む負極と、正極活物質を含む正極と、正極と負極との間に介在しキャリアイオンを伝導するイオン伝導媒体と、を備えている。この蓄電デバイスは、例えば、電気二重層キャパシタやハイブリッドキャパシタ、疑似電気二重層キャパシタ、リチウムイオン二次電池などとしてもよい。正極は、キャリアイオンを吸蔵放出する正極活物質を含むものとしてもよい。負極は、キャリアであるアルカリ金属イオンを吸蔵放出する上述した電極活物質を含むものとしてもよい。また、イオン伝導媒体は、キャリアイオン(カチオン及びアニオンのいずれか)を伝導するものである。ここでは、負極のキャリアをリチウムイオンとする蓄電デバイスを主として説明する。
(Power storage device)
The power storage device disclosed in the present specification includes a negative electrode containing the above-mentioned electrode active material, a positive electrode containing the positive electrode active material, and an ion conduction medium that is interposed between the positive electrode and the negative electrode and conducts carrier ions. There is. This power storage device may be, for example, an electric double layer capacitor, a hybrid capacitor, a pseudo electric double layer capacitor, a lithium ion secondary battery, or the like. The positive electrode may contain a positive electrode active material that occludes and releases carrier ions. The negative electrode may contain the above-mentioned electrode active material that occludes and releases alkali metal ions as carriers. Further, the ion conduction medium conducts carrier ions (either cations or anions). Here, a power storage device in which the carrier of the negative electrode is lithium ion will be mainly described.

負極は、上述した電極活物質を含むものである。上述した電極活物質は、その電位がリチウム金属基準で1.0〜1.5V程度であるため、負極活物質とすることが好ましい。負極は、上述した電極活物質と導電材と結着材とを混合し、適当な溶剤を加えてペースト状の負極合材としたものを、集電体の表面に塗布乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成してもよい。この負極において、上記電極活物質は、できるだけ多く含まれることが好ましく、例えば、負極合材中に60質量%以上95質量%以下の範囲で含まれるものとしてもよい。導電材は、例えば、天然黒鉛(鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛)や人造黒鉛などの黒鉛、アセチレンブラック、カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンウィスカ、ニードルコークス、炭素繊維、金属(銅、ニッケル、アルミニウム、銀、金など)などの1種又は2種以上を混合したものを用いることができる。これらの中で、導電材としては、電子伝導性及び塗工性の観点より、カーボンブラック及びアセチレンブラックが好ましい。結着材は、活物質粒子及び導電材粒子を繋ぎ止める役割を果たすものであり、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、或いはポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、エチレンプロピレンジエンモノマー(EPDM)ゴム、スルホン化EPDMゴム、天然ブチルゴム(NBR)等を単独で、あるいは2種以上の混合物として用いることができる。また、水系バインダーであるセルロース系やスチレンブタジエンゴム(SBR)の水分散体等を用いることもできる。塗布方法としては、例えば、アプリケータロールなどのローラコーティング、スクリーンコーティング、ドクターブレイド方式、スピンコーティング、バーコータなどが挙げられ、これらのいずれかを用いて任意の厚さ・形状とすることができる。集電体としては、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼、ニッケル、鉄、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラスなどを用いることができる。集電体の形状については、箔状、フィルム状、シート状、ネット状、パンチ又はエキスパンドされたもの、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の形成体などが挙げられる。集電体の厚さは、例えば1〜500μmのものが用いられる。 The negative electrode contains the above-mentioned electrode active material. Since the potential of the above-mentioned electrode active material is about 1.0 to 1.5 V based on the lithium metal, it is preferable to use the negative electrode active material. For the negative electrode, the above-mentioned electrode active material, conductive material, and binder are mixed, and an appropriate solvent is added to form a paste-like negative electrode mixture, which is applied and dried on the surface of the current collector, and if necessary. It may be formed by compression in order to increase the electrode density. In this negative electrode, it is preferable that the electrode active material is contained as much as possible, and for example, it may be contained in the negative electrode mixture in the range of 60% by mass or more and 95% by mass or less. Conductive materials include, for example, graphite such as natural graphite (scaly graphite, scaly graphite) and artificial graphite, acetylene black, carbon black, Ketjen black, carbon whisker, needle coke, carbon fiber, metal (copper, nickel, aluminum, etc.). One type or a mixture of two or more types such as silver, gold, etc. can be used. Among these, carbon black and acetylene black are preferable as the conductive material from the viewpoint of electron conductivity and coatability. The binder plays a role of binding the active material particles and the conductive material particles, and is, for example, a fluororesin such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), fluororubber, or polypropylene. Thermoplastic resins such as polyethylene, ethylene propylene diene monomer (EPDM) rubber, sulfonated EPDM rubber, natural butyl rubber (NBR) and the like can be used alone or as a mixture of two or more. Further, an aqueous dispersion of cellulose-based binder or styrene-butadiene rubber (SBR), which is an aqueous binder, can also be used. Examples of the coating method include roller coating such as applicator roll, screen coating, doctor blade method, spin coating, bar coater and the like, and any of these can be used to obtain an arbitrary thickness and shape. As the current collector, aluminum, titanium, stainless steel, nickel, iron, calcined carbon, conductive polymer, conductive glass and the like can be used. Examples of the shape of the current collector include foil, film, sheet, net, punched or expanded, lath, porous body, foam, and fiber group forming body. As the thickness of the current collector, for example, one having a thickness of 1 to 500 μm is used.

正極は、キャパシタやリチウムイオンキャパシタなどに用いられている公知の正極を用いてもよい。正極は、例えば、正極活物質として炭素材料を含むものとしてもよい。炭素材料としては、特に限定されるものではないが、例えば、活性炭類、コークス類、ガラス状炭素類、黒鉛類、難黒鉛化性炭素類、熱分解炭素類、炭素繊維類、カーボンナノチューブ類、ポリアセン類などが挙げられる。このうち、高比表面積を示す活性炭類が好ましい。炭素材料としての活性炭は、比表面積が1000m2/g以上であることが好ましく、1500m2/g以上であることがより好ましい。比表面積が1000m2/g以上では、放電容量をより高めることができる。この活性炭の比表面積は、作製の容易性から3000m2/g以下であることが好ましく、2000m2/g以下であることがより好ましい。なお、正極では、イオン伝導媒体に含まれるアニオン及びカチオンの少なくとも一方を吸着、脱離して蓄電するものと考えられるが、さらに、イオン伝導媒体に含まれるアニオン及びカチオンの少なくとも一方を挿入、脱離して蓄電するものとしてもよい。 As the positive electrode, a known positive electrode used for a capacitor, a lithium ion capacitor, or the like may be used. The positive electrode may contain, for example, a carbon material as the positive electrode active material. The carbon material is not particularly limited, but for example, activated carbons, cokes, glassy carbons, graphites, non-graphitizable carbons, pyrolytic carbons, carbon fibers, carbon nanotubes, etc. Examples include polyacenes. Of these, activated carbons showing a high specific surface area are preferable. Activated carbon as a carbon material preferably has a specific surface area of 1000 m 2 / g or more, and more preferably 1500 m 2 / g or more. When the specific surface area is 1000 m 2 / g or more, the discharge capacity can be further increased. The specific surface area of this activated carbon is preferably 3000 m 2 / g or less, and more preferably 2000 m 2 / g or less, from the viewpoint of ease of production. It is considered that at the positive electrode, at least one of the anion and the cation contained in the ion conduction medium is adsorbed and desorbed to store electricity, but further, at least one of the anion and the cation contained in the ion conduction medium is inserted and desorbed. It may be used to store electricity.

あるいは、正極は、一般的なリチウムイオン二次電池に用いられる正極としてもよい。この場合、正極活物質としては、遷移金属元素を含む硫化物や、リチウムと遷移金属元素とを含む酸化物などを用いることができる。具体的には、TiS2、TiS3、MoS3、FeS2などの遷移金属硫化物、基本組成式をLi(1-x)MnO2(0≦x≦1など、以下同じ)やLi(1-x)Mn24などとするリチウムマンガン複合酸化物、基本組成式をLi(1-x)CoO2などとするリチウムコバルト複合酸化物、基本組成式をLi(1-x)NiO2などとするリチウムニッケル複合酸化物、基本組成式をLi(1-x)NiaCobMnc2(a+b+c=1)やLi(1-x)NiaCobMnc4(a+b+c=2)などとするリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物、基本組成式をLiV23などとするリチウムバナジウム複合酸化物、基本組成式をV25などとする遷移金属酸化物などを用いることができる。また、正極活物質は、リン酸鉄リチウムなどとしてもよい。これらのうち、リチウムの遷移金属複合酸化物、例えば、LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiV23などが好ましい。なお、「基本組成式」とは、他の元素を含んでもよい趣旨である。 Alternatively, the positive electrode may be a positive electrode used in a general lithium ion secondary battery. In this case, as the positive electrode active material, a sulfide containing a transition metal element, an oxide containing lithium and a transition metal element, or the like can be used. Specifically, transition metal sulfides such as TiS 2 , TiS 3 , MoS 3 , and FeS 2, and the basic composition formula is Li (1-x) MnO 2 (0≤x≤1, etc., the same applies hereinafter) and Li (1). -x) Lithium-manganese composite oxide with Mn 2 O 4, etc., Lithium cobalt composite oxide with basic composition formula as Li (1-x) CoO 2, etc., basic composition formula as Li (1-x) NiO 2, etc. Li (1-x) Ni a Co b Mn c O 2 (a + b + c = 1) and Li (1-x) Ni a Co b Mn c O 4 (a + b + c = 2) ) Etc., a lithium nickel cobalt manganese composite oxide having a basic composition formula of LiV 2 O 3 or the like, a transition metal oxide having a basic composition formula of V 2 O 5 or the like can be used. .. Further, the positive electrode active material may be lithium iron phosphate or the like. Of these, lithium transition metal composite oxides, such as LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , and LiV 2 O 3 , are preferred. The "basic composition formula" means that other elements may be contained.

正極は、例えば上述した正極活物質と導電材と結着材とを混合し、適当な溶剤を加えてペースト状の正極合材としたものを、集電体の表面に塗布乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成してもよい。正極に用いる導電材、結着材、溶剤、集電体は、例えば、負極で例示したものなどを適宜用いることができる。 For the positive electrode, for example, the above-mentioned positive electrode active material, the conductive material, and the binder are mixed, and an appropriate solvent is added to form a paste-like positive electrode mixture, which is applied to the surface of the current collector, dried, and required. Therefore, it may be formed by compression in order to increase the electrode density. As the conductive material, the binder, the solvent, and the current collector used for the positive electrode, for example, those exemplified for the negative electrode can be appropriately used.

この蓄電デバイスにおいて、イオン伝導媒体は、例えば、支持塩と有機溶媒とを含む非水系電解液としてもよい。支持塩としては、例えば、キャリアをリチウムイオンとした場合、公知のリチウム塩を含むものとしてもよい。このリチウム塩としては、例えば、LiPF6,LiBF4、LiClO4,LiAsF6,Li(CF3SO22N,LiN(C25SO22などが挙げられ、このうちLiPF6やLiBF4などが好ましい。この支持塩は、非水電解液中の濃度が0.1mol/L以上5mol/L以下であることが好ましく、0.5mol/L以上2mol/L以下であることがより好ましい。支持塩を溶解する濃度が0.1mol/L以上では、十分な電流密度を得ることができ、5mol/L以下では、電解液をより安定させることができる。また、この非水電解液には、リン系、ハロゲン系などの難燃剤を添加してもよい。有機溶媒としては、例えば、非プロトン性の有機溶媒を用いることができる。このような有機溶媒としては、例えば環状カーボネート、鎖状カーボネート、環状エステル、環状エーテル、鎖状エーテル等が挙げられる。環状カーボネートとしては、例えばエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート等がある。鎖状カーボネートとしては、例えばジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート等がある。環状エステルカーボネートとしては、例えばガンマブチロラクトン、ガンマバレロラクトン等がある。環状エーテルとしては、例えばテトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン等がある。鎖状エーテルとしては、例えばジメトキシエタン、エチレングリコールジメチルエーテル等がある。これらは単独で用いてもよいし、複数を混合して用いてもよい。また、非水系電解液としては、そのほかにアセトニトリル、プロピルニトリルなどのニトリル系溶媒やイオン液体、ゲル電解質などを用いてもよい。 In this power storage device, the ion conduction medium may be, for example, a non-aqueous electrolyte solution containing a supporting salt and an organic solvent. As the supporting salt, for example, when the carrier is lithium ion, a known lithium salt may be contained. As the lithium salt, for example, LiPF 6, LiBF 4, LiClO 4, LiAsF 6, Li (CF 3 SO 2) 2 N, LiN (C 2 F 5 SO 2) 2 and the like, Ya Among LiPF 6 LiBF 4 and the like are preferable. The concentration of this supporting salt in the non-aqueous electrolyte solution is preferably 0.1 mol / L or more and 5 mol / L or less, and more preferably 0.5 mol / L or more and 2 mol / L or less. When the concentration at which the supporting salt is dissolved is 0.1 mol / L or more, a sufficient current density can be obtained, and when it is 5 mol / L or less, the electrolytic solution can be made more stable. Further, a flame retardant such as phosphorus or halogen may be added to this non-aqueous electrolytic solution. As the organic solvent, for example, an aprotic organic solvent can be used. Examples of such an organic solvent include cyclic carbonates, chain carbonates, cyclic esters, cyclic ethers, chain ethers and the like. Examples of the cyclic carbonate include ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate and the like. Examples of the chain carbonate include dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate and the like. Examples of the cyclic ester carbonate include gamma-butyrolactone and gamma-valerolactone. Examples of the cyclic ether include tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran and the like. Examples of the chain ether include dimethoxyethane and ethylene glycol dimethyl ether. These may be used alone or in combination of two or more. In addition, as the non-aqueous electrolyte solution, a nitrile solvent such as acetonitrile or propylnitrile, an ionic liquid, a gel electrolyte, or the like may be used.

この蓄電デバイスは、正極と負極との間にセパレータを備えていてもよい。セパレータとしては、蓄電デバイスの使用範囲に耐えうる組成であれば特に限定されるものではないが、例えば、ポリプロピレン製不織布やポリフェニレンスルフィド製不織布などの高分子不織布、ポリエチレンやポリプロピレンなどのオレフィン系樹脂の微多孔フィルムが挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、複合して用いてもよい。 This power storage device may include a separator between the positive electrode and the negative electrode. The separator is not particularly limited as long as it has a composition that can withstand the range of use of the power storage device, and is, for example, a polymer non-woven fabric such as a polypropylene non-woven fabric or a polyphenylene sulfide non-woven fabric, or an olefin resin such as polyethylene or polypropylene. Examples include microporous films. These may be used alone or in combination.

この蓄電デバイスの形状は、特に限定されないが、例えばコイン型、ボタン型、シート型、積層型、円筒型、偏平型、角型などが挙げられる。また、電気自動車等に用いる大型のものなどに適用してもよい。図4は、蓄電デバイス20の一例を示す模式図である。この蓄電デバイス20は、カップ形状の電池ケース21と、正極活物質を有しこの電池ケース21の下部に設けられた正極22と、負極活物質を有し正極22に対してセパレータ24を介して対向する位置に設けられた負極23と、絶縁材により形成されたガスケット25と、電池ケース21の開口部に配設されガスケット25を介して電池ケース21を密封する封口板26と、を備えている。この蓄電デバイス20は、正極22と負極23との間の空間にイオン伝導媒体27が満たされている。また、この負極23は、3種の芳香族ジカルボン酸アニオン(Ph、Bph、Naph)を構造体として含む混合塩構造体を負極活物質として有する。 The shape of the power storage device is not particularly limited, and examples thereof include a coin type, a button type, a sheet type, a laminated type, a cylindrical type, a flat type, and a square type. Further, it may be applied to a large-sized vehicle used for an electric vehicle or the like. FIG. 4 is a schematic view showing an example of the power storage device 20. The power storage device 20 has a cup-shaped battery case 21, a positive electrode 22 having a positive electrode active material and provided at the lower part of the battery case 21, and a negative electrode active material with respect to the positive electrode 22 via a separator 24. A negative electrode 23 provided at a facing position, a gasket 25 formed of an insulating material, and a sealing plate 26 disposed in the opening of the battery case 21 and sealing the battery case 21 via the gasket 25 are provided. There is. In the power storage device 20, the space between the positive electrode 22 and the negative electrode 23 is filled with the ion conductive medium 27. Further, the negative electrode 23 has a mixed salt structure containing three kinds of aromatic dicarboxylic acid anions (Ph, Bph, Naph) as the negative electrode active material.

以上詳述した電極活物質、蓄電デバイス及び電極活物質の製造方法では、充放電特性をより向上することができる。この電極活物質、蓄電デバイス及び電極活物質の製造方法では、複数種の芳香族ジカルボン酸アニオンを適宜配合した調製溶液を用いることにより、新規な構造の混合塩構造体を調整することができる。また、特定の配合領域では、含まれる3種の芳香族ジカルボン酸アルカリ金属塩の相乗効果によって、それぞれ単独のものに比してより好適な容量、放電電位、及び分極などの充放電特性を示すものと推察される。 The charge / discharge characteristics can be further improved by the electrode active material, the power storage device, and the method for producing the electrode active material described in detail above. In this method for producing an electrode active material, a power storage device, and an electrode active material, a mixed salt structure having a novel structure can be prepared by using a prepared solution in which a plurality of types of aromatic dicarboxylic acid anions are appropriately mixed. Further, in a specific compounding region, due to the synergistic effect of the three kinds of aromatic dicarboxylic acid alkali metal salts contained therein, more suitable charge / discharge characteristics such as capacity, discharge potential, and polarization are exhibited as compared with those of each of them alone. It is presumed to be.

なお、本開示は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。 It goes without saying that the present disclosure is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented in various embodiments as long as it belongs to the technical scope of the present disclosure.

以下には、電極活物質及び蓄電デバイスを具体的に実施した例を実験例として説明する。なお、実験例25,26,45〜48が本開示の実施例に相当し、それ以外が比較例に相当する。 Hereinafter, an example in which the electrode active material and the power storage device are specifically implemented will be described as experimental examples. Experimental examples 25, 26, 45 to 48 correspond to the examples of the present disclosure, and the others correspond to comparative examples.

[実験例1]
(活物質の合成)
0.44mol/Lの水酸化リチウムをイオン交換水に溶かした水溶液に、0.2mol/Lのテレフタル酸、2,6−ナフタレンジカルボン酸、4,4’−ビフェニルジカルボン酸を混合したものを、それぞれ溶液A(Ph)、B(Naph)、C(Bph)とする。また、メタノールを溶液D(Meth)とする。溶液A,B,C,Dの総質量が5gとなるように原料比を調整して注液、混合し、その後、窒素ガス雰囲気の管状炉にて10℃/分で昇温後、220℃にて1時間加熱し得られたものを活物質とした。具体的には、100質量%のPh(実験例9,10)、100質量%のNaph(実験例11,12)、100質量%のBph(実験例13,14)の3種の基準材料、および、溶液A,B,C,Dを適当な割合で混合した23種(X1〜X23)を実験例1〜52とした。実験例1〜52の配合量は、表1、2に示す通りとした。
[Experimental Example 1]
(Synthesis of active material)
A mixture of 0.2 mol / L terephthalic acid, 2,6-naphthalenedicarboxylic acid, and 4,4'-biphenyldicarboxylic acid in an aqueous solution of 0.44 mol / L lithium hydroxide dissolved in ion-exchanged water was prepared. Let the solutions be A (Ph), B (Naph), and C (Bph), respectively. Further, methanol is used as a solution D (Meth). The raw material ratio is adjusted so that the total mass of the solutions A, B, C, and D is 5 g, the solution is injected and mixed, and then the temperature is raised at 10 ° C./min in a tubular furnace with a nitrogen gas atmosphere, and then 220 ° C. The material obtained by heating in 1 hour was used as an active material. Specifically, three kinds of reference materials, 100% by mass Ph (Experimental Examples 9 and 10), 100% by mass Naph (Experimental Examples 11 and 12), and 100% by mass Bph (Experimental Examples 13 and 14). And 23 kinds (X1 to X23) in which solutions A, B, C and D were mixed at an appropriate ratio were designated as Experimental Examples 1 to 52. The blending amounts of Experimental Examples 1 to 52 were as shown in Tables 1 and 2.

(X線回折測定)
実験例1〜52の混合塩構造体のX線回折測定を行った。測定は、放射線としてCuKα線(波長1.54051Å)を使用し、X線回折装置(リガク製UltimaIV)を用いて行った。また、測定は、X線の単色化にはグラファイトの単結晶モノクロメーターを用い、印加電圧を40kV、電流30mAに設定し、0.02°刻みで5°/分の走査速度、2θ=5°〜60°の角度範囲で行った。また、2θが5〜60°の範囲全てのスペクトル値を用いて、合成した活物質間のXRDスペクトルのピアソン相関係数を評価した。ここで、活物質Xと活物質YのXRDスペクトルを、それぞれ、xi,yiとしたとき、ピアソン相関係数R(X,Y)は、数式(6)によって定義される。R(X,Y)は、−1から1の間の値をとり、XとYのXRDスペクトル間の類似性を表す指標として用いることができる。両者に完全な正の相関がある場合にはR=1、完全な負の相関がある場合にはR=−1、相関が無いときはR=0となる。XRDスペクトルのピアソン相関係数と活物質の電池特性を解析した結果、両者に相関があることが明らかとなった。そこで、Ph、Naph及びBphを任意割合で配合した活物質のXRDスペクトルに対して、Ph単体のXRDスペクトルを対比したピアソン相関係数をRpとし、Naph単体のXRDスペクトルを対比したピアソン相関係数をRnとし、Bph単体のXRDスペクトルを対比したピアソン相関係数をRbとして、Ph、Naph、Bphと各活物質間のピアソン相関係数を指標として用いることとした。
(X-ray diffraction measurement)
X-ray diffraction measurement of the mixed salt structure of Experimental Examples 1 to 52 was performed. The measurement was carried out using CuKα rays (wavelength 1.54051 Å) as radiation and using an X-ray diffractometer (Ultima IV manufactured by Rigaku). For the measurement, a graphite single crystal monochromator was used to monochromate the X-rays, the applied voltage was set to 40 kV, the current was set to 30 mA, and the scanning speed was 5 ° / min in 0.02 ° increments, 2θ = 5 °. It was performed in an angle range of ~ 60 °. In addition, the Pearson correlation coefficient of the XRD spectrum between the synthesized active materials was evaluated using all the spectral values in the range of 2θ of 5 to 60 °. Here, when the XRD spectra of the active material X and the active material Y are xi and yi, respectively, the Pearson correlation coefficient R (X, Y) is defined by the mathematical formula (6). R (X, Y) takes a value between -1 and 1, and can be used as an index showing the similarity between the XRD spectra of X and Y. If there is a perfect positive correlation between the two, then R = 1, if there is a perfect negative correlation, then R = -1, and if there is no correlation, then R = 0. As a result of analyzing the Pearson correlation coefficient of the XRD spectrum and the battery characteristics of the active material, it became clear that there is a correlation between the two. Therefore, the Pearson correlation coefficient obtained by comparing the XRD spectrum of Ph alone with respect to the XRD spectrum of the active material in which Ph, Naph and Bph are mixed in an arbitrary ratio is set as Rp, and the Pearson correlation coefficient comparing the XRD spectrum of Naph alone is used. Is Rn, the Pearson correlation coefficient comparing the XRD spectrum of Bph alone is Rb, and the Pearson correlation coefficient between Ph, Naph, Bph and each active material is used as an index.

(XRDスペクトルの検討結果)
図5は、各実験例の活物質のXRDスペクトルである。表1、2には、サンプル名、原料の配合比(質量部)、活物質量A(g)、単位活物質量に対する電流密度I(mA/g)及びピアソン相関係数Rp、Rn、Rbをまとめた。例えば、X20は、単にPh、Naph、BphのXRDパターンを組成比で足し合したものとはなっておらず、3材料とは異なる合成物が形成されていると考えられた。例えば、原料としてNaphが多ければ、Rnは高くなり、Naphが少なければ、Rnは低くなるように、XRDスペクトルは原料の投入比に対して系統的に変化しており、構造が特性を決めている主要因となっていることがわかった。なお、Bph、Phも同様の傾向がみられた。
(Results of XRD spectrum examination)
FIG. 5 is an XRD spectrum of the active material of each experimental example. Tables 1 and 2 show the sample name, the mixing ratio (parts by mass) of the raw materials, the amount of active substance A (g), the current density I (mA / g) with respect to the amount of unit active material, and the Pearson correlation coefficients Rp, Rn, Rb. Was summarized. For example, X20 is not simply a combination of Ph, Naph, and Bph XRD patterns in composition ratio, and it is considered that a compound different from the three materials is formed. For example, the XRD spectrum is systematically changed with respect to the input ratio of the raw material so that Rn is high when Naph is high as a raw material and Rn is low when Naph is low, and the structure determines the characteristics. It turned out to be the main factor. The same tendency was observed for Bph and Ph.

メタノールの効果を確認するため、Ph:Naph:Bphの割合が同じ組み合わせであり、メタノール量のみ異なる材料での特性の比較を行った。図6は、アルコールの有無(図6A)及び加熱温度の検討結果(図6B)である。評価した材料組成では、X6(0質量%Meth)と、X9(20質量%Meth)、X11(0質量%Meth)と、X14(20質量%Meth)、X21(0質量%Meth)と、X23(20質量%Meth)がそのようなデータに該当する。メタノールの有無にかかわらずXRDスペクトルはほぼ同じとなることが明らかとなり(図6A参照)、メタノールの有無は構造の変化には影響しないということが確認できた。よって、特性の傾向を支配している主要因はPh:Naph:Bphの比で決まる結晶構造であるとの結論に至った。但し、これらの試料は、後述の充放電試験においては、全てにおいて20質量%Methの方が平均電位と分極が低い値を示しており、メタノールを入れると特性が向上するという傾向が見られた。また、活物質の合成は、180℃〜330℃の加熱条件で行ったが、図6Bに示すように、XRDスペクトルの変化は加熱条件には依存せず、どの加熱条件を用いても構造としてはほぼ同一のものが合成されているということが確認された。 In order to confirm the effect of methanol, the characteristics of materials having the same Ph: Naph: Bph ratio but different amounts of methanol were compared. FIG. 6 shows the results of examining the presence / absence of alcohol (FIG. 6A) and the heating temperature (FIG. 6B). In the evaluated material composition, X6 (0% by mass Meth), X9 (20% by mass Meth), X11 (0% by mass Meth), X14 (20% by mass Meth), X21 (0% by mass Meth), and X23. (20% by mass Meth) corresponds to such data. It was clarified that the XRD spectra were almost the same regardless of the presence or absence of methanol (see FIG. 6A), and it was confirmed that the presence or absence of methanol did not affect the structural change. Therefore, it was concluded that the main factor governing the tendency of the characteristics is the crystal structure determined by the ratio of Ph: Naph: Bph. However, in all of these samples, in the charge / discharge test described later, 20% by mass Meth showed lower average potential and polarization, and there was a tendency that the characteristics improved when methanol was added. .. The active material was synthesized under heating conditions of 180 ° C. to 330 ° C., but as shown in FIG. 6B, the change in the XRD spectrum does not depend on the heating conditions, and the structure can be used regardless of the heating conditions. It was confirmed that almost the same thing was synthesized.

Figure 2021128848
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Figure 2021128848
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(試験セルの作成、特性評価)
合成実験で得られた粉末を活物質として活物質量を0.6gに固定して、合材スラリーを作製し、それを用いて電極を作製した。上記活物質と、導電材としてのカーボンブラックと(東海カーボン製、TB5500)、結着材としてのポリビニルアルコールと(PVA;三菱ケミカル製T−330)、結着材としてのスチレンブタジエン共重合体と(SBR;JSR製TRD2001)を、モル比で85:15:3:4.5の割合とした。まず活物質、カーボンブラック、PVA結着材を乳鉢でよく混合し、0.9〜1.5gのイオン交換水を入れ、攪拌機にて撹拌した。その後、SBRを入れ、再度撹拌した。各プロセスで得られたスラリーを銅箔に塗布し、120℃、8時間真空乾燥を行った。作製した電極を直径16mmにカットし、トムセルに装着し、電池特性(容量、平均電位、分極)の評価を行った。対極には金属Li、電解液には1mol/LのLiPF6を非水系溶媒に溶解したものを用いた。非水系溶媒は、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)と、エチルメチルカーボネート(EMC)とを体積比で30:40:30の割合に混合したものを用いた。電解液の量は100〜200μLとした。
(Creation of test cell, characterization)
Using the powder obtained in the synthesis experiment as an active material, the amount of the active material was fixed at 0.6 g to prepare a mixture slurry, and an electrode was prepared using the mixture slurry. The active material, carbon black as a conductive material (Tokai Carbon, TB5500), polyvinyl alcohol as a binder (PVA; T-330, Mitsubishi Chemical), and a styrene-butadiene copolymer as a binder. (SBR; TRD 2001 manufactured by JSR) was set to a molar ratio of 85:15: 3: 4.5. First, the active material, carbon black, and PVA binder were mixed well in a mortar, 0.9 to 1.5 g of ion-exchanged water was added, and the mixture was stirred with a stirrer. Then, SBR was added and the mixture was stirred again. The slurry obtained in each process was applied to a copper foil and vacuum dried at 120 ° C. for 8 hours. The prepared electrode was cut to a diameter of 16 mm, attached to a tom cell, and the battery characteristics (capacity, average potential, polarization) were evaluated. Metallic Li was used as the counter electrode, and 1 mol / L LiPF 6 dissolved in a non-aqueous solvent was used as the electrolytic solution. As the non-aqueous solvent, a mixture of ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), and ethyl methyl carbonate (EMC) at a volume ratio of 30:40:30 was used. The amount of the electrolytic solution was 100 to 200 μL.

(充放電特性の評価)
C/10で2サイクル充放電を行ったのちに、C/5で2サイクル、C/3で2サイクル、C/2で2サイクル充放電した。電圧の下限値は500mV、上限値は1500mVとして、その間で充放電特性を評価した。混合塩構造体を活物質とする場合、PhおよびNaphの理論容量はそれぞれ279.4mAh/g、221.6mAh/gであるため、混合比(質量比)で理論容量を設定してC/10などの条件を決めた。各条件で充放電を2サイクル行い、容量、平均電位、分極を評価した。図7は、トムセルを用いて100質量%Bph(実験例13,14)から作製した活物質を用いて充放電特性を評価した結果である。図7において、C/H(H=2,3,5,10)は、「H時間でBphの理論容量である200.0mAh/gをフル充電するように電流を固定する」という条件にて測定した結果である。また、図7に示したように、各工程での2回目の充電容量C’2nd、電力容量W’2nd、放電容量C2nd、電力容量W2ndを用いて、容量はC2nd、平均電位Vaveは、Vave=(W2nd/C2nd+W’2nd/C’2nd)/2、分極Vpolは、Vpol=(W2nd/C2nd−W’2nd/C’2nd)/2によって評価した。今回は、個体差を確認するために各組成で2個の電極を作製し、総計で26組成の活物質を評価した。
(Evaluation of charge / discharge characteristics)
After charging and discharging for 2 cycles at C / 10, 2 cycles were charged and discharged at C / 5, 2 cycles at C / 3, and 2 cycles at C / 2. The lower limit of the voltage was 500 mV and the upper limit was 1500 mV, and the charge / discharge characteristics were evaluated between them. When the mixed salt structure is used as an active material, the theoretical volumes of Ph and Naph are 279.4 mAh / g and 221.6 mAh / g, respectively. Therefore, the theoretical volumes are set by the mixing ratio (mass ratio) and C / 10 I decided the conditions such as. Two cycles of charging and discharging were performed under each condition, and the capacitance, average potential, and polarization were evaluated. FIG. 7 shows the results of evaluation of charge / discharge characteristics using an active material prepared from 100% by mass Bph (Experimental Examples 13 and 14) using a tom cell. In FIG. 7, C / H (H = 2,3,5,10) is set under the condition that "the current is fixed so as to fully charge 200.0 mAh / g, which is the theoretical capacity of Bph in H time". This is the result of measurement. Further, as shown in FIG. 7, using the second charge capacity C'2nd, power capacity W'2nd, discharge capacity C2nd, and power capacity W2nd in each step, the capacity is C2nd and the average potential Vave is Vave. = (W2nd / C2nd + W'2nd / C'2nd) / 2, and the polarization Vpol was evaluated by Vpol = (W2nd / C2nd-W'2nd / C'2nd) / 2. This time, two electrodes were prepared for each composition in order to confirm individual differences, and a total of 26 active materials were evaluated.

(結果と考察)
各電極の容量C2nd、平均電圧Vave、各電極の分極Vpolの測定結果をまとめて表3、4に示した。表3、4に示すように、理論容量の多いPhは、実際に充放電する場合は容量が少なく、平均電圧や分極は高かった。一方、Naphは、原料の中では容量が最も多く、分極は少なかった。また、Bphは平均電位が低いという傾向が見られた。そして、特に、実験例の材料組成において、X16(Ph:Naph:Bph:Meth=0.7:3.6:0.4:0.3)、X17(Ph:Naph:Bph:Meth=0.7:3.1:1.2:0)及びX20(Ph:Naph:Bph:Meth=0.1:3.8:1.1:0)が2個の電極の平均値としてみたときに、表3、4の6項目でNaphよりもより良好な容量C2nd、平均電圧Vave、分極Vpolを示すことが明らかとなった。このような配合比においては、例えば、含まれる3種の芳香族ジカルボン酸アルカリ金属塩の相乗効果があるものと推察された。
(Results and discussion)
The measurement results of the capacitance C2nd of each electrode, the average voltage Vave, and the polarization Vpol of each electrode are summarized in Tables 3 and 4. As shown in Tables 3 and 4, Ph having a large theoretical capacity had a small capacity when actually charged and discharged, and had a high average voltage and polarization. On the other hand, Naph had the largest volume and less polarization among the raw materials. In addition, Bph tended to have a low average potential. And, in particular, in the material composition of the experimental example, X16 (Ph: Naph: Bph: Meth = 0.7: 3.6: 0.4: 0.3), X17 (Ph: Naph: Bph: Meth = 0.7: 3.1: 1.2: 0) and X20. When (Ph: Naph: Bph: Meth = 0.1: 3.8: 1.1: 0) is viewed as the average value of the two electrodes, the 6 items in Tables 3 and 4 show better capacitance C2nd and average voltage Vave than Naph. , It became clear that it shows a polarized Vpol. In such a compounding ratio, it was presumed that, for example, there was a synergistic effect of the three kinds of aromatic dicarboxylic acid alkali metal salts contained therein.

(材料組成と特性との相関)
各活物質生成時のPh、Naph及びBphの各水溶液の質量をそれぞれWp、Wn、Wb(g)とすると、Ph、Naph、Bphの原料比Xp、Xn、Xbを下記によって定義することができる。Xp=Wp/(Wp+Wn+Wb)、Xn=Wn/(Wp+Wn+Wb)、Xb=Wb/(Wp+Wn+Wb)。この比はMeth水溶液の有り/無しに依存せずに定義でき、Xp+Xn+Xb=1となる。図8は、各実験例の測定結果を含むPh、Naph、Bphの質量における原料比の三成分組成分布図を示した。各白丸○が評価した活物質の原料比であり、黒丸●で示された三角形の頂点に位置する活物質(X16、X17,X20)はNaph単体に比してより良好な容量、平均電位及び分極を示したものである。したがって、図中に示す一点鎖線や点線で示す配合比の範囲内では、原料を超える充放電特性が得られることが予想された。また、三角形実線内の領域に位置する原料比を有する活物質は特にNaphよりも良い特性を有すると想定された。X16、X17、X20の電極材料のPh、Naph、Bphの組成比を表5に示す。以上の結果から、Ph、Naph、Bphを含むもののうち、Ph、Naph、Bphの配合比Xp、Xn、Xbが、0.01≦Xp≦0.3、0.01≦Xb≦0.34、0.36≦Xn≦0.98の条件を同時に満たす活物質がより良好な充放電特性を示すものと推察された。更に、配合比Xp、Xn、Xbが、Xp≦−0.0575Xb+0.1538、Xp≧6.0Xb−1.3、Xp≧−0.9555Xb+0.2302の条件を同時に満たす活物質が最適な電極材料となるものと推察された。そしてまた、ピアソン相関係数Rp、Rb、Rnを考察すると、充放電特性をより良好にする最適なXRDスペクトルは、X16、X17、X20の電極材料が含まれる、0.38≦Rp≦0.49、0.37≦Rb≦0.56、0.75≦Rn≦0.90の条件をすべて満たすものであると推察された。
(Correlation between material composition and properties)
Assuming that the masses of the aqueous solutions of Ph, Naph and Bph at the time of producing each active material are Wp, Wn and Wb (g), respectively, the raw material ratios Xp, Xn and Xb of Ph, Naph and Bph can be defined by the following. .. Xp = Wp / (Wp + Wn + Wb), Xn = Wn / (Wp + Wn + Wb), Xb = Wb / (Wp + Wn + Wb). This ratio can be defined independently of the presence / absence of the Meth aqueous solution, and Xp + Xn + Xb = 1. FIG. 8 shows a three-component composition distribution diagram of raw material ratios in mass of Ph, Naph, and Bph including the measurement results of each experimental example. Each white circle ○ is the raw material ratio of the active material evaluated, and the active material (X16, X17, X20) located at the apex of the triangle indicated by the black circle ● has a better capacity, average potential, and average potential than Naph alone. It shows polarization. Therefore, it was expected that charge / discharge characteristics exceeding those of the raw materials could be obtained within the range of the blended ratio shown by the alternate long and short dash line or the dotted line shown in the figure. Further, it was assumed that the active material having the raw material ratio located in the region within the solid triangular line has particularly better characteristics than Naph. Table 5 shows the composition ratios of Ph, Naph, and Bph of the electrode materials of X16, X17, and X20. From the above results, among those containing Ph, Naph and Bph, the compounding ratios Xp, Xn and Xb of Ph, Naph and Bph are 0.01 ≦ Xp ≦ 0.3 and 0.01 ≦ Xb ≦ 0.34. It was presumed that the active material satisfying the conditions of 0.36 ≦ Xn ≦ 0.98 simultaneously exhibited better charge / discharge characteristics. Further, the optimum electrode material is an active material in which the compounding ratios Xp, Xn, and Xb simultaneously satisfy the conditions of Xp≤-0.0575Xb + 0.1538, Xp≥6.0Xb-1.3, and Xp≥-0.9555Xb + 0.2302. It was speculated that it would be. Further, considering the Pearson correlation coefficients Rp, Rb, and Rn, the optimum XRD spectrum for improving the charge / discharge characteristics includes the electrode materials of X16, X17, and X20, 0.38 ≦ Rp ≦ 0. It was presumed that all the conditions of 49, 0.37 ≦ Rb ≦ 0.56, 0.75 ≦ Rn ≦ 0.90 were satisfied.

Figure 2021128848
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Figure 2021128848
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Figure 2021128848
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(ピアソン相関係数に基づく未知試料の配合比の検討)
活物質の原料比は材料の特性を記述する重要な情報であると共に、材料を特定する有効な手段の一つである。そこで、XRDスペクトルの類似度としてピアソン相関係数を指標として活物質における芳香族ジカルボン酸塩の配合比を判別する方法を検討した。Ph、Naph、Bphの3つのXRDスペクトルを用いて原料比を類推する。一例として、Ph、Naph、Bphの3つのXRDを足し合わせたスペクトルとX20のスペクトル間のピアソン相関係数の等高線図を作成した。図9は、三成分組成図における、各割合でPh、Naph、Bphを足し合わせたXRDスペクトルとX20のスペクトルとの類似度を表す関係図である。相関係数が高いほど双方のスペクトルは似ており、X20はその近傍の原料比と推定される。図中の黒丸●はX20の実際の配合比であり、一番高い0.84の等高線上にあることがわかった。電池特性に対して、構造体(iMOF)の構造としてXRDスペクトルが重要であることから、例えば相関係数が0.84の等高線図の範囲であれば、電池特性はX20に近い物が得られるとも考えられる。同様に、図8で示した最適な原料比の範囲と図9で示した原料比の範囲が部分的に重なるようであれば、最適な原料比に近い電池特性が得られるといえる。したがって、配合比の範囲としては、混合塩層状構造体(iMOF)のXRDスペクトルを測定し、Ph、Naph、Bphの3つのXRDスペクトルを用いて図9に示す相関係数を評価して最大の等高線図を出し、最適な原料比の範囲と最大の等高線図が重なる場合は最適原料比とみなすようにして最適原料比範囲を決めることができる。但し、最大の等高線図とは、最大値に対して−0.2未満までとする。−0.2以上だと最大の等高線図が広くなり、組成範囲が限定できないためである。
(Examination of compounding ratio of unknown sample based on Pearson correlation coefficient)
The raw material ratio of the active material is important information that describes the characteristics of the material and is one of the effective means for identifying the material. Therefore, a method for determining the compounding ratio of the aromatic dicarboxylic acid salt in the active material was examined using the Pearson correlation coefficient as an index as the similarity of the XRD spectrum. The raw material ratio is inferred using three XRD spectra of Ph, Naph, and Bph. As an example, a contour diagram of the Pearson correlation coefficient between the spectrum obtained by adding the three XRDs Ph, Naph, and Bph and the spectrum of X20 was created. FIG. 9 is a relationship diagram showing the degree of similarity between the XRD spectrum and the X20 spectrum, which are the sum of Ph, Naph, and Bph at each ratio in the three-component composition diagram. The higher the correlation coefficient, the more similar the spectra are, and X20 is estimated to be the raw material ratio in the vicinity. The black circles ● in the figure are the actual compounding ratios of X20, and it was found that they are on the highest contour line of 0.84. Since the XRD spectrum is important as the structure of the structure (iMOF) with respect to the battery characteristics, for example, if the correlation coefficient is in the range of the contour diagram of 0.84, the battery characteristics are close to X20. You might also say that. Similarly, if the range of the optimum raw material ratio shown in FIG. 8 and the range of the raw material ratio shown in FIG. 9 partially overlap, it can be said that the battery characteristics close to the optimum raw material ratio can be obtained. Therefore, as the range of the compounding ratio, the XRD spectrum of the mixed salt layered structure (iMOF) is measured, and the correlation coefficient shown in FIG. 9 is evaluated using the three XRD spectra of Ph, Naph, and Bph to obtain the maximum. When the contour map is output and the range of the optimum raw material ratio and the maximum contour map overlap, the optimum raw material ratio range can be determined by regarding it as the optimum raw material ratio. However, the maximum contour map shall be less than -0.2 with respect to the maximum value. This is because if it is −0.2 or more, the maximum contour map becomes wide and the composition range cannot be limited.

なお、本開示は上述した実施例に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。 It should be noted that the present disclosure is not limited to the above-described examples, and it goes without saying that the present disclosure can be carried out in various aspects as long as it belongs to the technical scope of the present disclosure.

本開示は、電池産業に利用可能である。 The present disclosure is available to the battery industry.

20 蓄電デバイス、21 電池ケース、22 正極、23 負極、24 セパレータ、25 ガスケット、26 封口板、27 イオン伝導媒体。 20 power storage device, 21 battery case, 22 positive electrode, 23 negative electrode, 24 separator, 25 gasket, 26 sealing plate, 27 ion conducting medium.

Claims (10)

蓄電デバイス用の電極活物質であって、
式(1)〜(3)で表されるPh、Bph、Naphの3種の構造の芳香族ジカルボン酸アニオンを全て含む有機骨格層と、前記有機骨格層のカルボン酸に含まれる酸素にアルカリ金属元素が配位して骨格を形成するアルカリ金属元素層と、を備える混合塩構造体であり、
前記電極活物質と、式(4)〜(6)で表される単独の層状構造体とをCuKα線を用い2θが5°以上60°以下の範囲でXRDスペクトルを測定したときのピアソン相関係数を式(4)がRp、式(5)がRb、式(6)がRnとしたときに、0.38≦Rp≦0.49、0.37≦Rb≦0.56、0.75≦Rn≦0.90をいずれも満たし、アルカリ金属イオンを吸蔵、放出することで、電気エネルギーを貯蔵出力する、
電極活物質。
Figure 2021128848
An electrode active material for power storage devices
An organic skeleton layer containing all of the aromatic dicarboxylic acid anions having three types of structures represented by the formulas (1) to (3) and an alkali metal in the oxygen contained in the carboxylic acid of the organic skeleton layer. It is a mixed salt structure including an alkali metal element layer in which elements are coordinated to form a skeleton.
Pearson phase relationship between the electrode active material and a single layered structure represented by the formulas (4) to (6) when the XRD spectrum is measured in the range of 2θ of 5 ° or more and 60 ° or less using CuKα rays. When the numbers are Rp in the formula (4), Rb in the formula (5), and Rn in the formula (6), 0.38 ≦ Rp ≦ 0.49, 0.37 ≦ Rb ≦ 0.56, 0.75 By satisfying all of ≤Rn≤0.90 and storing and releasing alkali metal ions, electrical energy is stored and output.
Electrode active material.
Figure 2021128848
前記式(4)の質量部をXp、前記式(5)の質量部をXb、前記式(6)の質量部をXn(Xp+Xb+Xn=1)としたときに、0.01≦Xp≦0.3、0.01≦Xb≦0.34、0.36≦Xn≦0.98を満たすか、
あるいは数式(1)を満たす、請求項1に記載の電極活物質。
Figure 2021128848
When the mass part of the formula (4) is Xp, the mass part of the formula (5) is Xb, and the mass part of the formula (6) is Xn (Xp + Xb + Xn = 1), 0.01 ≦ Xp ≦ 0. 3. Whether 0.01 ≤ Xb ≤ 0.34, 0.36 ≤ Xn ≤ 0.98 is satisfied.
Alternatively, the electrode active material according to claim 1, which satisfies the formula (1).
Figure 2021128848
蓄電デバイス用の電極活物質であって、
式(1)〜(3)で表されるPh、Bph、Naphの3種の構造の芳香族ジカルボン酸アニオンを全て含む有機骨格層と、前記有機骨格層のカルボン酸に含まれる酸素にアルカリ金属元素が配位して骨格を形成するアルカリ金属元素層と、を備える混合塩構造体であり、
前記混合塩構造体に含まれる式(4)の質量部をXp、式(5)の質量部をXb、式(6)の質量部をXn(Xp+Xb+Xn=1)としたときに、0.01≦Xp≦0.3、0.01≦Xb≦0.34、0.36≦Xn≦0.98を満たすか、
あるいは数式(1)を満たし、アルカリ金属イオンを吸蔵、放出することで、電気エネルギーを貯蔵出力する、
電極活物質。
Figure 2021128848
Figure 2021128848
An electrode active material for power storage devices
An organic skeleton layer containing all of the aromatic dicarboxylic acid anions having three types of structures represented by the formulas (1) to (3) and an alkali metal in the oxygen contained in the carboxylic acid of the organic skeleton layer. It is a mixed salt structure including an alkali metal element layer in which elements are coordinated to form a skeleton.
0.01 when the mass part of the formula (4) contained in the mixed salt structure is Xp, the mass part of the formula (5) is Xb, and the mass part of the formula (6) is Xn (Xp + Xb + Xn = 1). Whether ≤Xp≤0.3, 0.01≤Xb≤0.34, 0.36≤Xn≤0.98 are satisfied.
Alternatively, by satisfying the mathematical formula (1) and storing and releasing alkali metal ions, electric energy is stored and output.
Electrode active material.
Figure 2021128848
Figure 2021128848
前記混合塩構造体は、0.01≦Xp≦0.20、0.05≦Xb≦0.30、0.60≦Xn≦0.80を満たす、請求項2又は3に記載の電極活物質。 The electrode active material according to claim 2 or 3, wherein the mixed salt structure satisfies 0.01 ≦ Xp ≦ 0.20, 0.05 ≦ Xb ≦ 0.30, 0.60 ≦ Xn ≦ 0.80. .. 前記混合塩構造体は、数式(2)を満たす、請求項2〜4のいずれか1項に記載の電極活物質。
Figure 2021128848
The electrode active material according to any one of claims 2 to 4, wherein the mixed salt structure satisfies the formula (2).
Figure 2021128848
前記混合塩構造体は、数式(3)〜(5)を満たす、請求項2〜5のいずれか1項に記載の電極活物質。
Figure 2021128848
The electrode active material according to any one of claims 2 to 5, wherein the mixed salt structure satisfies the formulas (3) to (5).
Figure 2021128848
請求項1〜6のいずれか1項に記載の電極活物質を含む負極と、
正極活物質を含む正極と、
正極と負極との間に介在し、キャリアイオンを伝導するイオン伝導媒体と、
を備えた蓄電デバイス。
A negative electrode containing the electrode active material according to any one of claims 1 to 6 and a negative electrode.
Positive electrode A positive electrode containing an active material and a positive electrode
An ion conduction medium that is interposed between the positive electrode and the negative electrode and conducts carrier ions,
Power storage device equipped with.
蓄電デバイス用の電極活物質の製造方法であって、
式(1)〜(3)で表されるPh、Bph、Naphの3種の構造の芳香族ジカルボン酸アニオンと、アルカリ金属カチオンとを溶解した調製溶液を用い、前記芳香族ジカルボン酸アニオンを含む有機骨格層と前記有機骨格層のカルボン酸アニオンに含まれる酸素にアルカリ金属元素が配位して骨格を形成するアルカリ金属元素層とを備える混合塩構造体を析出させる析出工程、を含み、
前記析出工程では、前記混合塩構造体の原料として式(4)の質量部をXp、式(5)の質量部をXb、式(6)の質量部をXn(Xp+Xb+Xn=1)としたときに、0.01≦Xp≦0.3、0.01≦Xb≦0.34、0.36≦Xn≦0.98を満たす範囲で配合する、電極活物質の製造方法。
Figure 2021128848
A method for manufacturing electrode active materials for power storage devices.
Using a prepared solution prepared by dissolving an aromatic dicarboxylic acid anion having three types of structures represented by the formulas (1) to (3) and an alkali metal cation, the aromatic dicarboxylic acid anion is contained. A precipitation step of precipitating a mixed salt structure including an organic skeleton layer and an alkali metal element layer in which an alkali metal element coordinates with oxygen contained in the carboxylic acid anion of the organic skeleton layer to form a skeleton is included.
In the precipitation step, when the mass part of the formula (4) is Xp, the mass part of the formula (5) is Xb, and the mass part of the formula (6) is Xn (Xp + Xb + Xn = 1) as the raw material of the mixed salt structure. A method for producing an electrode active material, which is blended in a range satisfying 0.01 ≦ Xp ≦ 0.3, 0.01 ≦ Xb ≦ 0.34, and 0.36 ≦ Xn ≦ 0.98.
Figure 2021128848
前記析出工程では、0.01≦Xp≦0.20、0.05≦Xb≦0.30、0.60≦Xn≦0.80を満たすよう前記原料を配合する、請求項8に記載の電極活物質の製造方法。 The electrode according to claim 8, wherein in the precipitation step, the raw materials are blended so as to satisfy 0.01 ≦ Xp ≦ 0.20, 0.05 ≦ Xb ≦ 0.30, and 0.60 ≦ Xn ≦ 0.80. Method of manufacturing active material. 前記析出工程では、前記原料を水で溶解し、アルコールを加えない、請求項8又は9に記載の電極活物質の製造方法。 The method for producing an electrode active material according to claim 8 or 9, wherein in the precipitation step, the raw material is dissolved in water and alcohol is not added.
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