JP2021520601A - Microwave-assisted sol-gel process for preparing in-situ carbon-coated electrode materials and their products - Google Patents
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Abstract
本発明は一般式[A3M2(PO4)3]及び[A3M2(PO4)2F3](「A」はLi、Na及びKから選ばれるアルカリイオン、「M」はFe、Ni、Co、V、Mn、Ti及びCrから選ばれる遷移金属)を有するアルカリイオン遷移金属リン酸塩及びアルカリイオン遷移金属フルオロリン酸塩から選択されたin-situ炭素被覆電極材料を調製するためのマイクロ波アシストゾル−ゲルプロセスに関する。この合成に関わる工程は、溶媒として脱イオン水を使用する、ナトリウム前駆体、バナジウム前駆体及びリン前駆体を含む均質水溶液の調製から始まる。フルオロリン酸塩調製の場合にはフッ素前駆体が使用される。大気圧下80〜170℃の温度で周囲圧力下でのゲル化のために開放容器中で均質水溶液をマイクロ波に曝した後、空気中100〜120℃で乾燥させ、形成されたゲルを粉砕し2段階熱処理にかけて、相純粋リン酸/フルオロリン酸ナトリウムバナジウムを得る。【選択図】なしIn the present invention, the general formulas [A3M2 (PO4) 3] and [A3M2 (PO4) 2F3] (“A” is an alkali ion selected from Li, Na and K, “M” is Fe, Ni, Co, V, Mn, A microwave-assisted sol-gel process for preparing in-situ carbon-coated electrode materials selected from alkaline ion transition metal phosphates and alkaline ion transition metal fluorophosphates with transition metals selected from Ti and Cr). Regarding. The steps involved in this synthesis begin with the preparation of a homogeneous aqueous solution containing sodium, vanadium and phosphorus precursors using deionized water as the solvent. Fluorine precursors are used in the case of fluorophosphate preparation. After exposing a homogeneous aqueous solution to microwaves in an open container for gelation under ambient pressure at a temperature of 80-170 ° C. under atmospheric pressure, the gel is dried in air at 100-120 ° C. and the formed gel is crushed. A two-step heat treatment is performed to obtain phase pure phosphoric acid / sodium fluorophosphate vanadium. [Selection diagram] None
Description
本発明は、アルカリイオン遷移金属リン酸塩の電極材料を調製する方法及びその生成物に関し、特に、マイクロ波アシストゾル−ゲルプロセスによりin-situ(現場で)炭素被覆されたリン酸ナトリウムバナジウム及びフルオロリン酸ナトリウムバナジウム並びにそれらの誘導体を調製する方法に関する。それらの高い比容量及び高い比キャパシタンスの二重特性のために、それらは「スーパーカバッテリー(supercabattery)」用の電極材料として使用できる。それらは、ナトリウムイオンバッテリー及びナトリウムイオンキャパシター用の電極材料として使用することもできる。 The present invention relates to methods and products thereof for preparing electrode materials for alkaline ion transition metal phosphates, in particular vanadium phosphate and sodium phosphate carbon coated in-situ (in the field) by a microwave assisted sol-gel process. It relates to sodium vanadium fluorophosphate and methods for preparing derivatives thereof. Due to their high specific capacity and high specific capacitance dual properties, they can be used as electrode materials for "supercabattery". They can also be used as electrode materials for sodium ion batteries and sodium ion capacitors.
比エネルギー及び出力密度の点で、バッテリーはエネルギー貯蔵装置として最も好ましい選択肢である。リチウムイオンバッテリー(LIB)は、全ての他の市販のバッテリーシステムの中でも最高の比エネルギーを有する。LIBは、携帯用電子機器及び電気/ハイブリッド電気自動車などの様々な用途で、1990年にソニー(Sony)により成功裏に商品化された[M. S. Whittingham,“Lithium Batteries and Cathode Materials”, Chem. Rev. (2004) 104, 4271-4302]。 In terms of specific energy and output density, batteries are the most preferred choice as an energy storage device. Lithium-ion batteries (LIBs) have the highest specific energy of all other commercially available battery systems. LIB was successfully commercialized by Sony in 1990 for a variety of applications such as portable electronics and electric / hybrid electric vehicles [MS Whittingham, "Lithium Batteries and Cathode Materials", Chem. Rev. (2004) 104, 4271-4302].
しかしながら、リチウム資源は急速に枯渇しており、およそあと数年分残っていると予想されている。さらに、リチウムのコストのために、LIBは大規模グリッドストレージ用途に向かないものとなっている。ナトリウムの低いコスト、同水準の比エネルギー及び豊富さ(海水中の主な元素のうちの1つである)のために、ナトリウムイオンバッテリー(SIB)はLIBの適切な代替品となっている。さらに、例えば電解質を介する電極材料間のナトリウムイオンの可逆的シャトリングなどのLIBと類似の作用原理はその資質を増す[J. Y. Hwang, S.T. Myung, Y.K. Sun,“Sodium-ion batteries: present and future”, Chem. Soc. Rev. (2017) 46, 3529-3614; C. Delmas,“Sodium and Sodium-Ion Batteries: 50 Years of research”, Adv. Energy Mater. (2018) 1703137]。 However, lithium resources are rapidly depleting and are expected to remain for about a few more years. Moreover, the cost of lithium makes LIB unsuitable for large grid storage applications. Due to the low cost of sodium, the same level of specific energy and abundance (one of the major elements in seawater), sodium ion batteries (SIBs) have become suitable alternatives to LIBs. In addition, LIB-like principles of action, such as the reversible shuttling of sodium ions between electrode materials via electrolytes, add to their qualities [JY Hwang, ST Myung, YK Sun, “Sodium-ion batteries: present and future”. , Chem. Soc. Rev. (2017) 46, 3529-3614; C. Delmas, “Sodium and Sodium-Ion Batteries: 50 Years of research”, Adv. Energy Mater. (2018) 1703137].
ナトリウム含有電極材料は、それらのリチウム対応物と比べてより安定であり、そのため、ナトリウム含有電極材料は様々な用途に好適である。リチウムとナトリウムの両方で同じであるインターカレーション化学は、類似のタイプの化合物をSIBに使用することを可能にする。これらの2つの系の間の差異は、ナトリウムイオンがリチウムイオンと比べてより大きく、相安定性、輸送特性及び固体電解質相間(SEI)形成に影響を及ぼすことであろう[B. Dunn, H. Kamath, J. M. Tarascon,“Electrical Energy Storage for the Grid: A battery of choices”, Science (2011) 334, 928-935]。 Sodium-containing electrode materials are more stable than their lithium-compatible products, and therefore sodium-containing electrode materials are suitable for a variety of applications. Intercalation chemistry, which is the same for both lithium and sodium, allows similar types of compounds to be used in SIBs. The difference between these two systems would be that sodium ions are larger than lithium ions and affect phase stability, transport properties and solid electrolyte phase-to-phase (SEI) formation [B. Dunn, H. Kamath, JM Tarascon, “Electrical Energy Storage for the Grid: A battery of choices”, Science (2011) 334, 928-935].
様々なカソード材料、例えば層状ナトリウム遷移金属酸化物NaxMO2(M=Co、Mn、Fe及びNiなど)(0.44<x≦1)、オリビンNaMPO4(M=Fe、Mn、Ni及びCo)、スピネルNaMn2O4及びNASICON型(Na超イオン伝導体)Na3V2(PO4)3が研究され、SIB用の電極材料として現在使用されている。酸化物材料は、高充電状態(SoC)で充電中に酸素発生を放出しやすく、深刻な容量低下をもたらす。さらに、酸化物材料の不十分な熱安定性は、高温でのそれらの使用を妨げる[N. Yabuuchi, K. Kubota, M. Dahbi, S. Komaba,“Research Development on Sodium-Ion Batteries”, Chem. Rev. (2014) 114, 11636-11682]。 Various cathode materials such as layered sodium transition metal oxide Na x MO 2 (M = Co, Mn, Fe and Ni, etc.) (0.44 <x ≦ 1), Olivin Nampo 4 (M = Fe, Mn, Ni and Co), spinel Namn 2 O 4 and NASICON type (Na superion conductor) Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 have been studied and are currently used as electrode materials for SIB. Oxide materials tend to release oxygen evolution during charging in a highly charged state (System), resulting in a serious capacity loss. In addition, the inadequate thermal stability of oxide materials hinders their use at high temperatures [N. Yabuuchi, K. Kubota, M. Dahbi, S. Komaba, “Research Development on Sodium-Ion Batteries”, Chem. . Rev. (2014) 114, 11636-11682].
リン酸塩系材料は構造的及び熱的に安定であることが知られており、SIB用の潜在的な電極材料として使用できる。特に、開放3Dイオン輸送チャネルを有し、速いイオン輸送を促進するNASICON型構造は電極材料として広範に研究されている。NASICON型構造のNa3V2(PO4)3は、約3.4V対Na/Na+でフラットな電圧プラトーと、118mAh/gの高い可逆的容量とを示す有望なカソード材料の一例である。しかしながら、それに関連する不十分な電子伝導性は容量の低下をもたらす。 Phosphate-based materials are known to be structurally and thermally stable and can be used as potential electrode materials for SIBs. In particular, NASICON-type structures having an open 3D ion transport channel and promoting fast ion transport have been extensively studied as electrode materials. The NASICON-type structure of Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 is an example of a promising cathode material showing a flat voltage plateau of about 3.4 V vs. Na / Na + and a high reversible capacitance of 118 mAh / g. However, the associated inadequate electron conductivity results in reduced capacitance.
さらに、リン酸ナトリウムバナジウム中のリン酸骨格にフッ素をドープしてNa3V2(PO4)3−xF3x(0<x≦1)の化学組成をもたらすと.電圧及び比容量の増加が観測される。この得られた化合物は、x=1の場合に、約3.7V対Na/Na+の高い電圧と約128mAh/gの比容量を示す。 Furthermore, if the phosphate skeleton in sodium vanadium phosphate is doped with fluorine to give a chemical composition of Na 3 V 2 (PO 4 ) 3-x F 3x (0 <x ≦ 1). Increases in voltage and specific volume are observed. The resulting compound exhibits a high voltage of about 3.7 V vs. Na / Na + and a specific volume of about 128 mAh / g when x = 1.
最初に、研究者は、様々な方法又は方法の組み合わせ、例えば材料の導電性を高めるための粒子表面上の導電性コーティング及び元素ドーピングに注目した。これらの材料を調製するために開発された様々な合成ルートは、固相反応、ゾルーゲル、電界紡糸、水熱及び溶媒熱合成法であった。しかしながら、これらの合成ルートは、二次相(固相ルート)を有する、又は低収率で費用がかかる(水熱、電界紡糸及び凍結乾燥)、あるいは長い反応時間で不均質なゲル化(従来のゾル−ゲル)を生じる材料の形成を伴った。 First, researchers focused on various methods or combinations of methods, such as conductive coatings on particle surfaces and elemental doping to increase the conductivity of materials. The various synthetic routes developed to prepare these materials were solid phase reactions, sol-gel, electrospinning, hydrothermal and solvent thermal synthesis. However, these synthetic routes have a secondary phase (solid phase route), are costly in low yields (hydrothermal, electrospinning and lyophilization), or are heterogeneous gelling over long reaction times (conventional). It was accompanied by the formation of a material that produced the sol-gel).
関連する先行技術:
アルカリイオン遷移金属リン酸塩、特にリン酸ナトリウムバナジウム及びフルオロリン酸ナトリウムバナジウムの電極材料の調製方法並びにそれらの生成物について多数の先行特許/出願がある。本発明に関連するそれらのうちの幾つかを以下に記述し、本発明がそれらの先行技術の開示とどのように異なるのかを説明し、本発明が先行技術の開示よりもどれだけ優れているのかを説明する。材料の合成中の熱源としてマイクロ波放射線が広く使用されてきた。文献では、固相及び溶液に基づく合成中にマイクロ波放射線を使用することについての様々な報告がある。2004年に、Barkerらは、マイクロ波、赤外線及び電波アシスト固相ルートなどの、電磁波を使用してカソード活物質としての遷移金属をベースとする化合物の合成を報告した(米国特許出願公開第2004016632号明細書(A1))。同様に、マイクロ波アシスト固相合成ルートが、他でも報告されているように、ホスホジエステラーゼナトリウムバナジウムオキシド/アルケニルとグラファイトの複合材料を調製するために採用され(中国特許第104078676号明細書(B)、中国特許出願公開第104078676号(A))、リチウム、ナトリウム及びカリウムイオンバッテリー用の異なる金属を含有する化合物を調製するために採用された(韓国特許出願公開第20150080652号明細書(A))。これらの電極活物質を多量に調製するためにマイクロ波アシスト固相合成が採用されたが、溶液に基づく合成ルート、例えば水熱合成、溶媒熱合成及びゾル−ゲル合成などと比べて相純度が低く、組成が不均質で非化学量論的である電極材料をもたらすおそれがある。組成が低純度で不均質で非化学量論的であると、種々のバッテリー化学のための電極材料として使用された場合、不十分な電気化学的性能をもたらすおそれがある。さらに、これらの問題に対処するため、種々の電極材料を調製するために様々な溶液に基づく合成ルートが採用された。2017年に、Ikejeriらは、例えばゾル−ゲル、メカノケミカル及び化学気相堆積などの種々の化学的ルートによるナトリウムイオンバッテリー用の電極としての複合材料の合成を提案した(米国特許出願公開第20170005337号(A1))。これらの方法は、不均質さ(ゾル−ゲルルート及びメカノケミカルルートの場合)、材料中の欠陥(メカノケミカルルートの場合)、及び低い収率(化学気相堆積の場合)を伴う。別の報告では、ナトリウムイオンバッテリー及びナトリウムハイブリッドキャパシター用途のためのリン酸ナトリウムバナジウムカソード材料を調製するために従来のゾル−ゲル方が使用された(中国特許出願公開第106328911号明細書(A)、韓国特許第101783435号公報(B1))。従来のゾル−ゲル法の欠点は、長いゲル化時間(24〜36時間)と、前駆体の不均一な混合による不均一なゲル化を含む。例えばナトリウム/リチウム遷移金属リン酸塩などの電極材料を合成するための別の有効なルートとしてマイクロ波アシスト高圧水熱反応が採用された(米国特許第9809456号明細書(B2)、日本国特許第5623821号(B2)、米国特許第20090117020号明細書(A1))。しかしながら、大規模な電極材料の合成は、安全上の問題や高いコストをもたらす。
Related Prior Art:
There are numerous prior patents / applications for methods of preparing electrode materials for alkaline ion transition metal phosphates, especially sodium vanadium phosphate and sodium fluorophosphate vanadium, and their products. Some of them related to the present invention are described below, explaining how the present invention differs from their prior art disclosures, and how much the invention is superior to the prior art disclosures. Will be explained. Microwave radiation has been widely used as a heat source during material synthesis. There are various reports in the literature regarding the use of microwave radiation during solid-phase and solution-based synthesis. In 2004, Barker et al. Reported the synthesis of transition metal-based compounds as cathode active materials using electromagnetic waves, such as microwave, infrared and radio-assisted solid-phase routes (US Patent Application Publication No. 200406632). No. specification (A1)). Similarly, a microwave-assisted solid-phase synthetic route has been adopted to prepare a composite of phosphodiesterase sodium vanadium oxide / alkenyl and graphite, as reported elsewhere (Chinese Patent No. 104078766 (B)). , China Patent Application Publication No. 104078766 (A)), adopted to prepare compounds containing different metals for lithium, sodium and potassium ion batteries (Korean Patent Application Publication No. 20150080652 (A)). .. Microwave-assisted solid-phase synthesis was adopted to prepare large amounts of these electrode active materials, but the phase purity was higher than that of solution-based synthetic routes such as hydrothermal synthesis, solvent thermal synthesis and sol-gel synthesis. It can result in electrode materials that are low, heterogeneous in composition and non-chemically quantitative. Poor, inhomogeneous, non-stoichiometric compositions can result in inadequate electrochemical performance when used as electrode materials for various battery chemistries. In addition, different solution-based synthetic routes have been adopted to prepare different electrode materials to address these issues. In 2017, Ikejeri et al. Proposed the synthesis of composites as electrodes for sodium ion batteries by various chemical routes, such as sol-gel, mechanochemical and chemical vapor deposition (US Patent Application Publication No. 2017000005337). No. (A1)). These methods involve heterogeneity (for sol-gel routes and mechanochemical routes), defects in the material (for mechanochemical routes), and low yields (for chemical vapor deposition). In another report, the conventional sol-gel method was used to prepare sodium phosphate vanadium cathode materials for sodium ion battery and sodium hybrid capacitor applications (Chinese Patent Application Publication No. 106328911 (A). , Korean Patent No. 1017843435 (B1)). Disadvantages of conventional sol-gel methods include long gelation times (24-36 hours) and non-uniform gelation due to non-uniform mixing of precursors. Microwave-assisted high-pressure hydrothermal reaction was adopted as another effective route for synthesizing electrode materials such as sodium / lithium transition metal phosphates (US Pat. No. 9,809,456 (B2), Japanese Patent). 5623821 (B2), US Pat. No. 20090117020 (A1)). However, the synthesis of large-scale electrode materials poses safety problems and high costs.
本発明において、アルカリイオン遷移金属リン酸塩及びそれらの誘導体のマイクロ波アシストゾル−ゲル合成が開示される。 In the present invention, microwave-assisted sol-gel synthesis of alkaline ion transition metal phosphates and their derivatives is disclosed.
溶液に基づくマイクロ波アシストゾル−ゲル合成は、例えば、下記a)〜d)などの他の合成ルートに勝る様々な利点を有する。
a)体積加熱(Volumetric heating):一般的に、溶液の溶剤及び溶質成分は、それぞれ気体又は固体の場合のように、マイクロ波を透過又は反射するよりもむしろ吸収する。これは、溶液成分の均一で急速な加熱をもたらし、より速い反応速度をもたらす。
b)均一ゲル化:特に溶液モードでは、マイクロ波は、例えば、溶媒中に、場の方向に連続的に整列して熱を生成する双極子などの急速電荷場(rapid charging fields)を生成する。この熱は、局所的な過熱を得るために均一に分配され、材料の純度を高めることにより欠陥/不純物を低減する。この局所的な過熱は、化学的均一さを生じ、均一なゲル化をもたらし、均一なゲル化は、さらに、従来のゾル−ゲル生成物のものと比べて最終生成物の特性に影響を及ぼす。さらに、従来のゾル−ゲルルートととは違って、均一な厚さでのin-situ炭素コーティングを達成することができる。
c)周囲圧力合成(Ambient pressure synthesis):開放容器に基づくマイクロ波アシストゾル−ゲル合成の使用は、蒸発した化学種を容易に逃がすことを可能にするとともに、マイクロ波照射高圧水熱反応とは違って、高圧のリスクを低減する。
d)非常に経済的:電極材料の大規模合成の場合、加工時間は当業界の生産性に影響を及ぼすことがあるため、加工時間が短いことは他のパラメータよりも非常に重要である。そのため、そのプロセスは、従来のゾル−ゲルにおけるように数時間というより数分間で均一なゲル化の形成をもたらし、マイクロ波アシストゾル−ゲルを電極活物質を合成するための非常に有効なプロセスにする。
Solution-based microwave-assisted sol-gel synthesis has various advantages over other synthetic routes, such as a)-d) below.
a) Volumetric heating: In general, the solvent and solute components of a solution absorb microwaves rather than transmit or reflect them, as in the case of gases or solids, respectively. This results in uniform and rapid heating of the solution components, resulting in a faster reaction rate.
b) Uniform gelation: Especially in solution mode, microwaves create rapid charging fields, such as dipoles, in a solvent that are continuously aligned in the direction of the field to generate heat. .. This heat is evenly distributed to obtain local overheating, reducing defects / impurities by increasing the purity of the material. This local overheating results in chemical uniformity, resulting in uniform gelation, which further affects the properties of the final product compared to that of conventional sol-gel products. .. Moreover, unlike conventional sol-gel roots, in-situ carbon coating with uniform thickness can be achieved.
c) Ambient pressure synthesis: The use of microwave-assisted sol-gel synthesis based on an open vessel allows for the easy escape of evaporated chemicals and what is a microwave-irradiated high-pressure hydrothermal reaction? Unlike, it reduces the risk of high pressure.
d) Very economical: For large-scale synthesis of electrode materials, processing time is much more important than other parameters, as processing time can affect the productivity of the industry. Therefore, the process results in the formation of uniform gelation in minutes rather than hours as in conventional sol-gels, making microwave-assisted sol-gels a very effective process for synthesizing electrode active materials. To.
マイクロ波アシストゾル−ゲルルートに伴う上記のこれらの利点は、他の合成ルートにより合成された電極材料と比べて優れた貯蔵性能を有する有効な電極材料の合成をもたらす。 These advantages associated with the microwave-assisted sol-gel route result in the synthesis of effective electrode materials with superior storage performance compared to electrode materials synthesized by other synthetic routes.
本発明の目的は、可能性のある電極材料としてin-situ炭素被覆されたアルカリイオン遷移金属リン酸塩及びそれらの誘導体の調製のための迅速な合成ルートを提供することである。 An object of the present invention is to provide a rapid synthetic route for the preparation of in-situ carbon-coated alkaline ion transition metal phosphates and their derivatives as potential electrode materials.
本発明の主な目的は、したがって、マイクロ波アシストゾル−ゲルルートによって、高いストレージ性能を有するin-situ炭素被覆リン酸ナトリウムバナジウム/フルオロリン酸ナトリウムバナジウムを調製することである。 A main object of the present invention is therefore to prepare in-situ carbon-coated sodium vanadium phosphate / vanadium fluorophosphate with high storage performance by microwave-assisted sol-gel root.
本発明の別の目的は、制御された粒径を有する均一炭素被覆リン酸ナトリウムバナジウム/フルオロリン酸ナトリウムバナジウムを提供することである。 Another object of the present invention is to provide a uniform carbon-coated sodium vanadium phosphate / vanadium fluorophosphate having a controlled particle size.
本発明のさらに別の目的は、制御された粒径を有する均一炭素被覆リン酸ナトリウムバナジウム/フルオロリン酸ナトリウムバナジウムの大規模合成を提供することである。 Yet another object of the present invention is to provide large-scale synthesis of uniform carbon-coated sodium vanadium phosphate / vanadium fluorophosphate with a controlled particle size.
本発明のさらに別の目的は、調製された電極活物質のナトリウムイオンバッテリー、ナトリウムイオンキャパシター及びナトリウムイオンスーパーカバッテリーにおける使用を提供することである。 Yet another object of the present invention is to provide the use of the prepared electrode active material in sodium ion batteries, sodium ion capacitors and sodium ion superca batteries.
したがって、本発明は、マイクロ波アシストゾル−ゲルプロセスによりin-situ炭素被覆電極材料を調製する方法及びその生成物に関する。この電極材料は、一般式[A3M2(PO4)3]及び[A3M2(PO4)2F3](式中、「A」は、Li、Na及びKから選択されるアルカリイオンであり、「M」は、Fe、Ni、Co、V、Mn、Ti及びCrから選択される遷移金属である。)により表されるアルカリイオン遷移金属リン酸塩及びアルカリイオン遷移金属フルオロリン酸塩から選択される。この合成プロセスは、以下の工程:
a)アルカリイオン前駆体、遷移金属前駆体、リン前駆体及びゲル化/キレート化剤を3:2:3:2の比で加えることにより混合する工程;
b)同時に、脱イオン水中、又はエチレングリコール、ポリエチレングリコール、テトラエチレングリコール及び容器内で低い乃至中程度の沸点を有する溶媒から選択された非水性溶媒中に、遷移金属前駆体の量を考慮した対応するモル比に基づいてアルカリイオン前駆体、リン前駆体及びキレート化剤を取り込ませる工程;
c)前記混合物を、容器内で、均質混合物が得られる程度の時間撹拌する工程;
d)大気圧下80〜170℃の温度範囲で一定温度で絶えず撹拌しながら開放容器内でマイクロ波照射して均質ゲル化をもたらす工程;
e)得られたゲルを空気中で100〜120℃の温度範囲で乾燥させる工程;
f)乾燥したゲルを粉砕する工程;及び
g)乾燥したゲルを不活性雰囲気下で600〜800℃の温度範囲で8〜10時間焼成し、300〜500℃の中間焼成温度を3〜5時間とし、メソポーラス炭素ネットワークの形成とともに電極材料上にin-situ炭素コーティング層の形成をもたらす工程;
を含む。
Therefore, the present invention relates to a method for preparing an in-situ carbon-coated electrode material by a microwave-assisted sol-gel process and a product thereof. This electrode material is selected from the general formulas [A 3 M 2 (PO 4 ) 3 ] and [A 3 M 2 (PO 4 ) 2 F 3 ] (in the formula, "A" is selected from Li, Na and K. It is an alkali ion, and "M" is a transition metal selected from Fe, Ni, Co, V, Mn, Ti and Cr).) Alkaline ion transition metal phosphate and alkali ion transition metal fluoro. Selected from phosphates. This synthesis process consists of the following steps:
a) A step of mixing by adding an alkali ion precursor, a transition metal precursor, a phosphorus precursor and a gelling / chelating agent in a ratio of 3: 2: 3: 2;
b) At the same time, the amount of transition metal precursors was considered in deionized water or in a non-aqueous solvent selected from ethylene glycol, polyethylene glycol, tetraethylene glycol and a solvent having a low to moderate boiling point in the vessel. Step of incorporating alkali ion precursor, phosphorus precursor and chelating agent based on the corresponding molar ratio;
c) The step of stirring the mixture in a container for a period of time to obtain a homogeneous mixture;
d) A step of irradiating microwaves in an open container with constant stirring at a constant temperature in the temperature range of 80 to 170 ° C. under atmospheric pressure to bring about homogeneous gelation;
e) A step of drying the obtained gel in the air in a temperature range of 100 to 120 ° C .;
f) Step of crushing the dried gel; and g) The dried gel is calcined in an inert atmosphere in a temperature range of 600 to 800 ° C. for 8 to 10 hours, and an intermediate firing temperature of 300 to 500 ° C. is calcined for 3 to 5 hours. The process of forming an in-situ carbon coating layer on the electrode material as well as forming a mesoporous carbon network;
including.
ここで、アルカリイオン遷移金属リン酸塩はリン酸ナトリウムバナジウム[Na3V2(PO4)3]であり、工程a)の混合で加えられる成分は、リン酸二水素ナトリウム(NaH2PO4)、酢酸ナトリウム二水和物(CH3COONa・2H2O)、水酸化ナトリウム一水和物(NaOH・H2O)、水酸化ナトリウム(NaOH)、炭酸ナトリウム(Na2CO3)、リン酸ナトリウム(Na3PO4)、リン酸ナトリウム十二水和物(Na3PO4・12H2O)、シュウ酸ナトリウム(Na2C2O4)及びそれらの混合物から成る群から選択されるナトリウム前駆体;酸化バナジウム(V)(V2O5)、メタバナジン酸アンモニウム(NH4VO3)、酸化バナジウム(III)(V2O3)、バナジルアセチルアセトナート[VO(C5H7O2)2]、トリヒドロキシ(オキソ)バナジウム(H3VO4)及びそれらの混合物から成る群から選択されるバナジウム前駆体;リン酸アンモニウム[(NH4)3PO4]、リン酸二アンモニウム[(NH4)2HPO4]、リン酸二水素アンモニウム(NH4H2PO4)、リン酸(H3PO4)、リン酸二水素ナトリウム(NaH2PO4)及びそれらの混合物から成る群から選択されるリン前駆体;並びにin-situ炭素コーティングの供給源として使用されるゲル化/キレート化前駆体であり、メソポーラス炭素ネットワークはクエン酸、アスコルビン酸、シュウ酸及びグルコン酸から成る群から選択される。
Here, the alkaline ion transition metal phosphate is sodium vanadium phosphate [Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 ], and the component added in the mixing of step a) is sodium dihydrogen phosphate (NaH 2 PO 4). ), Sodium acetate dihydrate (CH 3 COONa ・ 2H 2 O), Sodium hydroxide monohydrate (NaOH ・ H 2 O), Sodium hydroxide (NaOH), Sodium carbonate (Na 2 CO 3 ), Phosphoric
本発明の一態様は、一定温度で周囲雰囲気中でマイクロ波合成中に形成されたゲルを乾燥させること、及び、さらに、それを不活性雰囲気下での2段階熱処理にかけることも含む。 One aspect of the present invention also includes drying the gel formed during microwave synthesis at a constant temperature in an ambient atmosphere and further subjecting it to a two-step heat treatment under an inert atmosphere.
本発明の別の態様は、ゲル形成のための反応時間の劇的な短縮である。 Another aspect of the invention is a dramatic reduction in reaction time for gel formation.
本発明の別の態様は、マイクロ波アシストゾル−ゲル法により得られる、リン酸ナトリウムバナジウム及びフルオロリン酸ナトリウムバナジウム電極材料上へのin-situ炭素コーティングの形成を含む。 Another aspect of the present invention comprises the formation of an in-situ carbon coating on the sodium vanadium phosphate and sodium fluorophosphate vanadium electrode materials obtained by the microwave assisted sol-gel method.
本発明の別の態様は、マイクロ波アシストゾル−ゲルルートによる均一で制御された粒径の合成である。 Another aspect of the invention is the synthesis of uniform and controlled particle sizes by microwave assisted sol-gel routes.
本発明の別の側面は、このプロセスの拡張性(scalability)に焦点を合わせる。このルートは、所望の電極材料の大規模合成を容易にする。 Another aspect of the invention focuses on the scalability of this process. This route facilitates large-scale synthesis of the desired electrode material.
本発明の別の側面は、合成された電極材料の長期サイクリング安定性及び高い比エネルギーのために、合成した電極材料をナトリウムイオンバッテリー、ナトリウムイオン対称セル及びハイブリッドスーパーキャパシタに適用することである。 Another aspect of the present invention is the application of the synthesized electrode material to sodium ion batteries, sodium ion symmetric cells and hybrid supercapacitors due to the long-term cycling stability and high specific energy of the synthesized electrode material.
本発明の別の側面は、合成された電極材料の、従来のスーパーキャパシタと比べて高い比エネルギーでの高い出力密度のために、合成された電極材料を「スーパーカバッテリー」に適用することである。 Another aspect of the present invention is the application of the synthesized electrode material to a "supercapacitor" due to the high output density of the synthesized electrode material at higher specific energies compared to conventional supercapacitors. be.
従来のゾル−ゲル合成ルートと比べた場合、マイクロ波ゾル−ゲルは、非常に短い反応時間内で均質なゲルを調製するのに有効な方法である。そのため、ゲル化のための長い時間はコストを抑えるために受け入れられない。さらに、均一で制御された粒径分布を有するリン酸ナトリウムバナジウム及びフルオロリン酸ナトリウムバナジウムを容易に得ることができる。 Compared to conventional sol-gel synthetic routes, microwave sol-gels are an effective method for preparing homogeneous gels within a very short reaction time. Therefore, the long time for gelation is unacceptable to keep costs down. Furthermore, sodium vanadium phosphate and sodium fluorophosphate vanadium having a uniform and controlled particle size distribution can be easily obtained.
この炭素被覆された電極材料には広範な産業用途がある。この炭素被覆された電極材料は、ナトリウムイオンセル/バッテリー、スーパーカバッテリー及びナトリウムイオンキャパシタの生産に使用される。 This carbon-coated electrode material has a wide range of industrial applications. This carbon-coated electrode material is used in the production of sodium ion cells / batteries, superca batteries and sodium ion capacitors.
本発明は、in-situ炭素被覆されたアルカリイオン遷移金属リン酸塩電極活物質及びその誘導体、例えば、それぞれ一般式[A3M2(PO4)3]及び[A3M2(PO4)2F3](式中、「A」はLi、Na及びKから選択されるアルカリイオンであり、「M」は、Fe、Ni、Co、V、Mn、Ti及びCrから選択される遷移金属である。)により表されるアルカリイオン遷移金属リン酸塩及びアルカリイオン遷移金属フルオロリン酸塩を調製するための新規なマイクロ波アシストゾル−ゲルプロセスに焦点を合わせる。この方法は、固相反応、水熱、従来のゾル−ゲル、電界紡糸及び凍結乾燥などの他の合成ルート、安全上の問題、長い反応時間、相純粋材料(phase pure materials)の形成及びコスト低下の問題に対処する。 The present invention presents in-situ carbon-coated alkaline ion transition metal phosphate electrode active materials and derivatives thereof, such as the general formulas [A 3 M 2 (PO 4 ) 3 ] and [A 3 M 2 (PO 4), respectively. 2 F 3 ] (In the formula, "A" is an alkaline ion selected from Li, Na and K, and "M" is a transition selected from Fe, Ni, Co, V, Mn, Ti and Cr. The focus will be on a novel microwave-assisted sol-gel process for the preparation of alkali ion transition metal phosphates and alkali ion transition metal fluorophosphates represented by (Metal). This method involves solid phase reactions, hydrothermal, conventional sol-gels, other synthetic routes such as electrospinning and lyophilization, safety issues, long reaction times, formation and cost of phase pure materials. Address the issue of degradation.
上記ゲルを調製する態様を達成する一実施形態において、合成ルートは、(a)アルカリイオン前駆体、遷移金属前駆体、リン前駆体、ゲル化/キレート化剤を水性/非水性溶媒に加えることにより均質な溶液を調製することを含み、(b)アルカリイオン前駆体、遷移金属前駆体、リン前駆体及びゲル化剤などの加えた前駆体の均質な溶液を得るために撹拌工程をさらに実施してもよい。(c)周囲圧力下でゲルを調製するために、混合物溶液を開放容器に入れ、マイクロ波照射にかけることができる。(d)使用される容器は開放容器であることができる。反応をうまく行うために耐圧容器が必須である水熱合成、超臨界水熱合成又は溶媒熱合成とは違って、特別な圧力条件は必要とされない。 In one embodiment that achieves the above-mentioned aspect of preparing a gel, the synthetic route is to add (a) an alkali ion precursor, a transition metal precursor, a phosphorus precursor, and a gelling / chelating agent to an aqueous / non-aqueous solvent. Further a stirring step is carried out to obtain a homogeneous solution of the precursors to which (b) alkaline ion precursors, transition metal precursors, phosphorus precursors and gelling agents have been added. You may. (C) To prepare the gel under ambient pressure, the mixture solution can be placed in an open container and exposed to microwave irradiation. (D) The container used can be an open container. Unlike hydrothermal synthesis, supercritical hydrothermal synthesis or solvent thermal synthesis, where a pressure vessel is essential for successful reaction, no special pressure conditions are required.
別の実施形態において、反応溶媒は、例えば脱イオンH2Oなどの水性のものであるか、又は、例えばエチレングリコール、ポリエチレングリコール、テトラエチレングリコール及び低い乃至中程度の沸点を有する溶媒などの非水性のものであることができる。 In another embodiment, the reaction solvent, for example or those of an aqueous, such as deionized H 2 O, or, for example, ethylene glycol, polyethylene glycol, a non-like solvents having a tetraethylene glycol and low to medium boiling point It can be water-based.
本発明の一実施形態において、大気圧力下80〜170℃の温度範囲でゲル化を行うことができる。 In one embodiment of the present invention, gelation can be performed in a temperature range of 80 to 170 ° C. under atmospheric pressure.
本発明の別の実施形態において、得られたゲルを空気中で100℃〜120℃の温度範囲で乾燥させることができる。乾燥したゲルを、次に、粉砕し、2段階熱処理にかける。 In another embodiment of the invention, the resulting gel can be dried in the air in a temperature range of 100 ° C to 120 ° C. The dried gel is then ground and subjected to a two-step heat treatment.
別の態様において、熱処理は特に限定されず、300〜500℃の中間焼成温度を3〜5時間とし、不活性雰囲気下で、600〜800℃の温度範囲でゲルを8〜10時間焼成することにより行ってもよい。不活性雰囲気はアルゴン及びN2であることができるが、これらに限定されない。熱処理中に、メソポーラス炭素ネットワークの形成とともに、in-situ炭素コーティング層をアルカリイオン遷移金属リン酸上に形成することができる。 In another embodiment, the heat treatment is not particularly limited, and the gel is calcined in a temperature range of 600 to 800 ° C. for 8 to 10 hours in an inert atmosphere with an intermediate firing temperature of 300 to 500 ° C. for 3 to 5 hours. May be done by. The inert atmosphere can be, but is not limited to, argon and N 2. During the heat treatment, an in-situ carbon coating layer can be formed on the alkali ion transition metal phosphate, along with the formation of mesoporous carbon networks.
本発明の一実施形態において、アルカリイオン遷移金属リン酸塩[A3M2(PO4)3](式中、アルカリイオン「A」はLi、Na及びKであることができ、遷移金属「M」は、Fe、Ni、Co、V、Mn、Ti及びCrなどであることができる。) In one embodiment of the invention, the alkali ion transition metal phosphate [A 3 M 2 (PO 4 ) 3 ] (in the formula, the alkali ion "A" can be Li, Na and K, and the transition metal "A""M" can be Fe, Ni, Co, V, Mn, Ti, Cr, or the like.)
本発明の一態様を達成する一実施形態において、マイクロ波アシストゾル−ゲルプロセスを使用して、リン酸ナトリウムバナジウム[Na3V2(PO4)3]カソード活物質を合成した。 In one embodiment that achieves one aspect of the invention, a microwave assisted sol-gel process was used to synthesize sodium vanadium phosphate [Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 ] cathode active material.
このように加えられるナトリウム前駆体は、リン酸二水素ナトリウム(NaH2PO4)、酢酸ナトリウム二水和物(CH3COONa・2H2O)、水酸化ナトリウム一水和物(NaOH・H2O)、水酸化ナトリウム(NaOH)、炭酸ナトリウム(Na2CO3)、リン酸ナトリウム(Na3PO4)、リン酸ナトリウム十二水和物(Na3PO4・12H2O)、シュウ酸ナトリウム(Na2C2O4)及びそれらの混合物から成る群から選択された少なくとも1種であることができる。
The sodium precursors added in this way are sodium dihydrogen phosphate (NaH 2 PO 4 ), sodium acetate dihydrate (CH 3 COONa ・ 2H 2 O), and sodium hydroxide monohydrate (NaOH ・ H 2). O), sodium hydroxide (NaOH),
加えられるバナジウム前駆体は、酸化バナジウム(V)(V2O5)、メタバナジン酸アンモニウム(NH4VO3)、酸化バナジウム(III)(V2O3)、バナジルアセチルアセトナート[VO(C5H7O2)2]、トリヒドロキシ(オキソ)バナジウム(H3VO4)及びそれらの混合物から成る群から選択された少なくとも1種であることができる。 The vanadium precursors added are vanadium oxide (V) (V 2 O 5 ), ammonium metavanadate (NH 4 VO 3 ), vanadium oxide (III) (V 2 O 3 ), vanadyl acetylacetonate [VO (C 5). It can be at least one selected from the group consisting of H 7 O 2 ) 2 ], trihydroxy (oxo) vanadium (H 3 VO 4) and mixtures thereof.
加えられるリン前駆体は、リン酸アンモニウム[(NH4)3PO4]、リン酸二アンモニウム[(NH4)2HPO4]、リン酸二水素アンモニウム(NH4H2PO4)、リン酸(H3PO4)、リン酸二水素ナトリウム(NaH2PO4)及びそれらの混合物から成る群から選択された少なくとも1種であることができる。 The phosphorus precursors to be added are ammonium phosphate [(NH 4 ) 3 PO 4 ], diammonium phosphate [(NH 4 ) 2 HPO 4 ], ammonium dihydrogen phosphate (NH 4 H 2 PO 4 ), and phosphoric acid. It can be at least one selected from the group consisting of (H 3 PO 4 ), sodium dihydrogen phosphate (NaH 2 PO 4) and mixtures thereof.
ゲル化/キレート化前駆体は、in-situ炭素コーティング及びメソポーラス炭素ネットワークの供給源として使用される。ゲル化/キレート化前駆体は、クエン酸、アスコルビン酸、シュウ酸及びグルコン酸などから成る群から選択された少なくとも1種であることができる。 Gelation / chelation precursors are used as a source of in-situ carbon coatings and mesoporous carbon networks. The gelling / chelating precursor can be at least one selected from the group consisting of citric acid, ascorbic acid, oxalic acid, gluconic acid and the like.
ゲル化/キレート化剤に加えて、in-situ炭素コーティングのために使用することができる幾つかの有機前駆体がある。これらの有機前駆体は、特に限定されず、グルコース、スクロース、ガラクトース、フルクトース、ラクトース、スターチ、マンノース、リボース、アルドヘキソース、ケトヘキソース及びそれらの組み合わせから成る群から選択された少なくとも1種であることができる。 In addition to gelling / chelating agents, there are several organic precursors that can be used for in-situ carbon coating. These organic precursors are not particularly limited and must be at least one selected from the group consisting of glucose, sucrose, galactose, fructose, lactose, starch, mannose, ribose, aldohexose, ketohexose and combinations thereof. Can be done.
溶液調製中のナトリウム前駆体とバナジウム前駆体とリン前駆体とキレート化剤の混合比は3:2:3:2に保たれる。ナトリウム前駆体、リン前駆体及びキレート化剤は、バナジウム前駆体の量を考慮した対応するモル比で加えることができる。 The mixing ratio of the sodium precursor, vanadium precursor, phosphorus precursor and chelating agent during solution preparation is maintained at 3: 2: 3: 2. Sodium precursors, phosphorus precursors and chelating agents can be added in corresponding molar ratios taking into account the amount of vanadium precursors.
本発明の一実施形態において、リン酸ナトリウムバナジウムの場合のゲル化は、温度80℃で行うことができる。得られたゲルは、周囲雰囲気中で120℃で乾燥させることができる。 In one embodiment of the present invention, gelation in the case of sodium vanadium phosphate can be carried out at a temperature of 80 ° C. The obtained gel can be dried at 120 ° C. in the ambient atmosphere.
本発明のリン酸ナトリウムバナジウムを得る別の実施形態において、400℃での中間焼成を4時間とし、最終焼成は、アルゴン雰囲気下、800℃の温度で10時間行うことができる。 In another embodiment for obtaining sodium vanadium phosphate of the present invention, the intermediate firing at 400 ° C. is for 4 hours, and the final firing can be performed at a temperature of 800 ° C. for 10 hours in an argon atmosphere.
本発明の別の実施形態において、カソード活物質としてフルオロリン酸ナトリウムバナジウム[Na3V2(PO4)2F3]を、マイクロ波アシストゾル−ゲルプロセスを使用して合成することができる。加えられるフッ素前駆体は、NaF、NH4F及びNH4HF2並びにそれらの混合物からなる群から選択された少なくとも1種であることができる。 In another embodiment of the invention, sodium fluorophosphate vanadium [Na 3 V 2 (PO 4 ) 2 F 3 ] as the cathode active material can be synthesized using a microwave assisted sol-gel process. The fluorine precursor added can be at least one selected from the group consisting of NaF, NH 4 F and NH 4 HF 2, and mixtures thereof.
一実施形態において、上記のプロセス工程は、一般式A3M2−xCx(PO4)3(0<x<2であり、CはMg、Al、Ti、Ca、Scなどのうちのいずれか1種であることができる。)により表されるカチオンドープアルカリイオン遷移金属リン酸塩の調製に拡張することができる。 In one embodiment, the above process step is of the general formula A 3 M 2-x C x (PO 4 ) 3 (0 <x <2, where C is Mg, Al, Ti, Ca, Sc, etc. It can be extended to the preparation of cation-doped alkaline ion transition metal phosphates represented by (which can be any one).
別の実施形態において、上記のプロセス工程は、一般式A3M2(PO4)3−yN3y(0<y≦1)及びA3M2−xCx(PO4)3−yN3y(0<x<2、0<y≦1)より表されるアニオンドープアルカリイオン遷移金属リン酸塩の調製に拡張することができる。ここで、NはCl、Br、Iなどのうちのいずれか1種であることができる。 In another embodiment, the above process steps are carried out in the general formula A 3 M 2 (PO 4 ) 3-y N 3y (0 <y ≦ 1) and A 3 M 2-x C x (PO 4 ) 3-y. It can be extended to the preparation of anion-doped alkali ion transition metal phosphates represented by N 3y (0 <x <2, 0 <y ≦ 1). Here, N can be any one of Cl, Br, I, and the like.
本発明の別の実施形態において、マイクロ波アシストゾル−ゲル合成プロセスは、電極活物質として、一般式Na4M3(PO4)2P2O7(M=Fe、Mn、Co及びNiなど)により表されるマルチポリアニオン化合物(multi polyanionic compounds)、及び一般式NaxMO2(0.44<x≦1、M=Fe、Mn、Co、Ni、Tiなど)により表される層状ナトリウム遷移金属酸化物を調製することに拡張することができる。 In another embodiment of the present invention, the microwave-assisted sol-gel synthesis process uses the general formula Na 4 M 3 (PO 4 ) 2 P 2 O 7 (M = Fe, Mn, Co and Ni, etc.) as the electrode active material. ), And the layered sodium transition represented by the general formula Na x MO 2 (0.44 <x ≦ 1, M = Fe, Mn, Co, Ni, Ti, etc.). It can be extended to the preparation of metal oxides.
一連の上記工程により調製されたリン酸/フルオロリン酸ナトリウムバナジウム粒子は、X線回折パターン(図1(a)及び(b))により確認されるように、NASICON(Na超イオン伝導体)型の菱面体晶/正方晶結晶構造を有することがある。 The phosphoric acid / sodium fluorophosphate vanadium particles prepared by the above series of steps are of the NASICON (Na superion conductor) type, as confirmed by the X-ray diffraction patterns (FIGS. 1A and 1B). May have a rhombohedral / tetragonal crystal structure.
粒径及びその分布は、ゲル化/キレート化剤に含有量を変えることによって、又は、反応温度及び反応時間などのプロセスパラメーターを調整することによって制御することができる。 The particle size and its distribution can be controlled by varying the content of the gelling / chelating agent or by adjusting process parameters such as reaction temperature and reaction time.
上記方法によって調製されたリン酸ナトリウムバナジウム及びフルオロリン酸ナトリウムバナジウムは、図2に示されているように、それぞれ、300〜500nm及び30〜50nmの範囲内の粒径を有することができる。 The sodium vanadium phosphate and sodium fluorophosphate vanadium prepared by the above method can have particle sizes in the range of 300 to 500 nm and 30 to 50 nm, respectively, as shown in FIG.
リン酸ナトリウムバナジウム及びフルオロリン酸ナトリウムバナジウムの表面に形成された炭素コーティングの厚さは、限定されず、図3に示されているように、10nm以下であることができる。 The thickness of the carbon coating formed on the surfaces of sodium vanadium phosphate and sodium fluorophosphate vanadium is not limited and can be 10 nm or less, as shown in FIG.
ナトリウムイオンバッテリーの作製
本発明において、電極材料は、適切な比率でカソード活物質、導電材及びバインダーを含む複合材料である。
Fabrication of Sodium Ion Battery In the present invention, the electrode material is a composite material containing a cathode active material, a conductive material and a binder in an appropriate ratio.
導電材は、例えば天然グラファイト及び合成グラファイトの形態のグラファイト;カーボンブラック、アセチレンブラック、ケチェンブラックの形態のアモルファスカーボン;カーボンファイバー、カーボンナノチューブ及びグラフェンなどの、良好な電子伝導度を有する任意の材料を含むことができる。導電材は、カソード活物質を含む混合物の総量を基準として1〜15質量%で加えることができる。 The conductive material is any material with good electron conductivity, such as graphite in the form of natural graphite and synthetic graphite; amorphous carbon in the form of carbon black, acetylene black, kechen black; carbon fiber, carbon nanotubes and graphene. Can be included. The conductive material can be added in an amount of 1 to 15% by mass based on the total amount of the mixture containing the cathode active material.
バインダーは、機械的剛性を与え、活物質粒子同士を結合させるとともに活物質粒子を集電体とも結合させるのに役立つ任意の成分であることができ、バインダーとしては、フッ化ポリビニリデン、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルピロリドン、テトラフルオロエチレンなどが挙げられる。 The binder can be any component that imparts mechanical rigidity and helps to bind the active material particles to each other and also to bind the active material particles to the current collector. As the binder, polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, etc. can be used. , Carboxymethyl cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene and the like.
バインダーは、カソード活物質を含む混合物の総量を基準として1〜15質量%で加えることができる。 The binder can be added in an amount of 1 to 15% by mass based on the total amount of the mixture containing the cathode active material.
ナトリウムイオンバッテリー用の電極は、例えば、カソード活物質、導電材及びバインダーを、溶媒、例えば非水性NMP(N−メチル−2−ピロリドン)/水性(H2O)溶媒中に溶解させてスラリーを調製し、スラリーを集電体上にコーティングし、次いで、乾燥及びカレンダリングすることにおり作製することができる。
Electrode for sodium ion batteries, for example, a cathode active material, a conductive material and a binder, a solvent, for example, non-aqueous NMP (N-methyl-2-pyrrolidone) / aqueous (
集電体は、良好な電気伝導度を有する任意の材料であることができ、集電体としては、ステンレススチール、アルミニウム、銅、ニッケル、炭素フィルム、あるいは、表面処理された材料、例えば、炭素などにより表面処理されたアルミニウム又はステンレススチールが挙げられる。 The current collector can be any material with good electrical conductivity, and the current collector can be stainless steel, aluminum, copper, nickel, carbon film, or a surface-treated material, such as carbon. Examples thereof include aluminum or stainless steel surface-treated by the above.
本発明の別の実施形態において、ナトリウムイオンバッテリーの製造に、カソード、アノード(Na金属であることができるが、これに限定されない)、セパレーター、及びナトリウム塩を含有する非水性電解質を組み入れることができる。 In another embodiment of the invention, the manufacture of a sodium ion battery may incorporate a non-aqueous electrolyte containing a cathode, an anode (which can be, but is not limited to, Na metal), a separator, and a sodium salt. can.
電解質用の非水性有機溶媒としては、非プロトン性有機溶媒、例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート及びそれらの誘導体などが挙げられる。 Non-aqueous organic solvents for electrolytes include aprotic organic solvents such as propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate and derivatives thereof.
非水性電解質に好ましくは溶解性であるナトリウム塩材料としては、NaClO4、NaBF4、NaPF6、NaCF3SO3、NaCF3CO2、CF3SO3Na、及び(CF3SO2)2NNaなどが挙げられる。 Sodium salt materials that are preferably soluble in non-aqueous electrolytes include NaClO 4 , NaBF 4 , NaPF 6 , NaCF 3 SO 3 , NaCF 3 CO 2 , CF 3 SO 3 Na, and (CF 3 SO 2 ) 2 NNa. And so on.
さらに、ナトリウムイオンバッテリーの製造に水性電解質を使用してもよい。 In addition, aqueous electrolytes may be used in the manufacture of sodium ion batteries.
本発明の一実施形態において、調製されたリン酸ナトリウムバナジウムをカソード活物質として含むナトリウムイオンバッテリーは高い比容量及びサイクル安定性を示す(図4、5及び6)。 In one embodiment of the invention, the prepared sodium ion battery containing vanadium phosphate as the cathode active material exhibits high specific volume and cycle stability (FIGS. 4, 5 and 6).
本発明の一実施形態において、調製されたリン酸ナトリウムバナジウムをカソード及びアノードとして含むナトリウムイオンキャパシタは高い比容量、比キャパシタンス及びサイクル安定性を示す(図7、8及び9)。 In one embodiment of the invention, the prepared sodium ion capacitors containing vanadium phosphate as cathodes and anodes exhibit high specific capacitance, specific capacitance and cycle stability (FIGS. 7, 8 and 9).
本発明の一実施形態において、調製されたフルオロリン酸ナトリウムバナジウムをカソード活物質として含むナトリウムイオンバッテリーは高い比容量及びサイクル安定性を示す(図10、11及び12)。 In one embodiment of the invention, the prepared sodium ion battery containing sodium fluorophosphate vanadium as the cathode active material exhibits high specific volume and cycle stability (FIGS. 10, 11 and 12).
マイクロ波アシストゾル−ゲル法により開発された活物質は、アルカリイオンバッテリー、アルカリイオンキャパシタ及びスーパーカバッテリーデバイス用の電極活物質としての用途がある。 The active material developed by the microwave assisted sol-gel method has applications as an electrode active material for alkaline ion batteries, alkaline ion capacitors and superca battery devices.
実験例1
マイクロ波アシストゾル−ゲル法によりリン酸ナトリウムバナジウムNa3V2(PO4)3を合成した。Na3V2(PO4)3を調製するために化学量論的量の各前駆体を使用した。使用した前駆体は、NaH2PO4・2H2O[99%、Sigma Aldrich]、NH4VO3[98%、Loba Chemie]及びクエン酸(C6H8O7)[99.5%、Sigma Aldrich]であった。NaH2PO4・2H2Oを脱イオン水に加え、NaH2PO4・2H2Oが完全に溶解して澄んだ溶液を形成するまで5分間超音波処理した。上記溶液にNH4VO3及びクエン酸を加え、暗橙色の透明溶液が形成されるまで溶液を80℃で連続的に撹拌した。溶液を次にマイクロ波合成器(microwave synthesizer)に移し、それを80℃に10分間維持して暗青色のゲルを得た。このゲルを、次に、洗浄し、周囲雰囲気中で120℃で乾燥させた。乾燥したゲルを粉砕し、次に、アルゴン雰囲気下で400℃で4時間予熱した。最後に、予熱したサンプルを、アルゴン雰囲気下800℃で10時間の焼成にかけて単相のNa3V2(PO4)3を得た。
Experimental Example 1
Sodium vanadium phosphate Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 was synthesized by the microwave assisted sol-gel method. Stoichiometric amounts of each precursor were used to prepare Na 3 V 2 (PO 4 ) 3. Precursor used, NaH 2 PO 4 · 2H 2 O [99%, Sigma Aldrich],
実験例2
前駆体としてNaF[Merck 99%]、NH4H2PO4[Sigma Aldrich 98.5%]、NH4VO3[Loba Chemie 98%]及びクエン酸[Merck 99.5%]を使用して、Na3V2(PO4)3の場合と同様にマイクロ波アシストゾル−ゲル法によって、フルオロリン酸ナトリウムバナジウムNa3V2(PO4)2F3を調製した。化学量論的量の前駆体を脱イオン水中で混合し、開放容器に移し、そして、ゲルが形成されるまで、一定の温度(80℃)及び撹拌速度でマイクロ波反応にかけた。次に、上記ゲルを洗浄し、周囲空気下、120℃で熱風炉中で乾燥させた。乾燥したゲルを圧潰し、粉砕し、次に、アルゴン雰囲気下での2段階熱処理、i)350℃で4時間、及び、ii)650℃で6時間、にかけて相純粋なNa3V2(PO4)2F3を得た。
Experimental Example 2
Using NaF [Merck 99%], NH 4 H 2 PO 4 [Sigma Aldrich 98.5%], NH 4 VO 3 [Loba Chemie 98%] and citrate [Merck 99.5%] as precursors, Na 3 V 2 (PO 4) 3 where similarly to microwave assisted sol - gel method,
Na3V2(PO4)3/Na3V2(PO4)2F3の両方の合成後、X線回折計(Cu−Kα線を使用するリガクSmartlab X線回折計)、走査型電子顕微鏡(FE−SEM;Zeiss merlin Compact)及び透過型電子顕微鏡(TEM;Technai G20)などを使用して様々な構造的及び形態的調査を行った。 After synthesizing both Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 / Na 3 V 2 (PO 4 ) 2 F 3 , X-ray diffractometer (Rigaku Smartlab X-ray diffractometer using Cu-K α ray), scanning type Various structural and morphological investigations were carried out using an electron microscope (FE-SEM; Zeiss merlin Compact) and a transmission electron microscope (TEM; Technai G20).
当業者が本発明を理解および想像できるように本発明の好ましい実施形態のいくつかを説明することによって、本発明の新規の特徴を明らかにした。また、本発明は、その用途において、上記説明に記載した又は図面に示した詳細に限定されないことも理解されたい。本発明をその特定の好ましい実施形態を参照してかなり詳細に説明してきたが、本開示で記載したとおり及び以下の特許請求の範囲で規定するとおりの本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、様々な変更を行うことができる。 Novel features of the invention have been clarified by describing some of the preferred embodiments of the invention so that those skilled in the art can understand and imagine the invention. It should also be understood that the present invention is not limited to the details described above or shown in the drawings in its use. The present invention has been described in considerable detail with reference to its particular preferred embodiments, without departing from the spirit and scope of the invention as described in this disclosure and as defined in the claims below. , Various changes can be made.
Claims (15)
a)アルカリイオン前駆体、遷移金属前駆体、リン前駆体及びゲル化/キレート化剤を適切なモル比で加えることにより混合する工程;
b)同時に、脱イオン水中、又は、エチレングリコール、ポリエチレングリコール、テトラエチレングリコール及び容器内で低い乃至中程度の沸点を有する溶媒から選択された非水性溶媒中に、遷移金属前駆体の量を考慮した対応するモル比に基づいて前記アルカリイオン前駆体、前記リン前駆体及び前記キレート化剤を取り込ませる工程;
c)前記混合物を、前記容器内で、均質混合物が得られる程度の時間撹拌する工程;
d)大気圧下80〜170℃の温度範囲で一定温度で絶えず撹拌しながら開放容器内でマイクロ波照射して均質ゲル化をもたらす工程;
e)得られたゲルを空気中で100〜120℃の温度範囲で乾燥させる工程;
f)乾燥したゲルを粉砕する工程;及び
g)前記乾燥したゲルを不活性雰囲気下で600〜800℃の温度範囲で8〜10時間焼成し、300〜500℃の中間焼成温度を3〜5時間とし、メソポーラス炭素ネットワークの形成とともに電極材料上にin-situ炭素コーティング層の形成をもたらす工程;
を含む、in-situ炭素被覆電極材料を調製するためのマイクロ波アシストゾル−ゲルプロセス。 A microwave-assisted sol-gel process for preparing an in-situ carbon-coated electrode material, wherein the electrode material is of the general formula [A 3 M 2 (PO 4 ) 3 ] and [A 3 M 2 (PO 4). ) 2 F 3 ] (In the formula, "A" is an alkaline ion selected from Li, Na and K, and "M" is selected from Fe, Ni, Co, V, Mn, Ti and Cr. It is selected from an alkali ion transition metal phosphate and an alkali ion transition metal fluorophosphate represented by), and the following steps:
a) A step of mixing by adding an alkali ion precursor, a transition metal precursor, a phosphorus precursor and a gelling / chelating agent in an appropriate molar ratio;
b) At the same time, consider the amount of transition metal precursors in deionized water or in a non-aqueous solvent selected from ethylene glycol, polyethylene glycol, tetraethylene glycol and a solvent having a low to moderate boiling point in the vessel. The step of incorporating the alkali ion precursor, the phosphorus precursor and the chelating agent based on the corresponding molar ratios;
c) The step of stirring the mixture in the container for a period of time to obtain a homogeneous mixture;
d) A step of irradiating microwaves in an open container with constant stirring at a constant temperature in the temperature range of 80 to 170 ° C. under atmospheric pressure to bring about homogeneous gelation;
e) A step of drying the obtained gel in the air in a temperature range of 100 to 120 ° C .;
f) Step of crushing the dried gel; and g) The dried gel is calcined in an inert atmosphere in a temperature range of 600 to 800 ° C. for 8 to 10 hours, and an intermediate calcining temperature of 300 to 500 ° C. is 3 to 5 The process of forming an in-situ carbon coating layer on the electrode material along with the formation of a mesoporous carbon network over time;
A microwave-assisted sol-gel process for preparing in-situ carbon-coated electrode materials, including.
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