JP2022058019A - All-solid sodium storage battery, battery pack including storage battery, and electric apparatus including storage battery - Google Patents

All-solid sodium storage battery, battery pack including storage battery, and electric apparatus including storage battery Download PDF

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太地 坂本
Taichi Sakamoto
勇太 池内
Yuta IKEUCHI
孝志 向井
Takashi Mukai
博 妹尾
Hiroshi Senoo
秀明 田中
Hideaki Tanaka
昌宏 柳田
Masahiro Yanagida
英郎 山内
Hideo Yamauchi
純一 池尻
Junichi IKEJIRI
啓 角田
Hiroshi Tsunoda
歩 田中
Ayumi Tanaka
史雄 佐藤
Fumio Sato
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Abstract

To provide an all-solid sodium storage battery that functions as a battery in the room-temperature environment and can be shut down when charging is excessive.SOLUTION: An all-solid sodium storage battery has an organic solid electrolyte held between an electrode mixture material and an inorganic solid electrolyte.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、全固体ナトリウム蓄電池及びこの蓄電池からなる組電池並びにこの蓄電池を備えた電気機器に関する。 The present invention relates to an all-solid-state sodium storage battery, a built-in battery including the storage battery, and an electric device provided with the storage battery.

高エネルギー密度を有する蓄電池(二次電池)の利用分野は、スマートフォンやタブレット端末などの携帯機器用電源から、近年では電気自動車や電力貯蔵用等へと拡大している。特に、自動車メーカーでは、世界的に自動車排ガスや二酸化炭素(CO)の削減を目的とした環境規制に対応するために、クリーン自動車(電気自動車やプラグインハイブリッド自動車等)の開発と商品化が活発に進められている。 The field of use of storage batteries (secondary batteries) having a high energy density has expanded from power sources for portable devices such as smartphones and tablet terminals to electric vehicles and power storage in recent years. In particular, automobile manufacturers are developing and commercializing clean automobiles (electric vehicles, plug-in hybrid automobiles, etc.) in order to comply with environmental regulations aimed at reducing automobile exhaust gas and carbon dioxide (CO 2 ) worldwide. It is being actively promoted.

また、風力・太陽光などの再生可能エネルギーでは、発電量が環境の影響で大きく変動するため、大型の蓄電システムが必要となる。最近では、再生可能エネルギーによる発電コストが、石炭火力発電と比べて半分以下となり、発電量シェアが拡大している。今後の普及を鑑みると、電池生産量の向上が求められる。 In addition, for renewable energy such as wind power and solar power, the amount of power generation fluctuates greatly due to the influence of the environment, so a large power storage system is required. Recently, the cost of power generation from renewable energy has been reduced to less than half that of coal-fired power generation, and the share of power generation is expanding. In view of future widespread use, it is required to improve battery production.

蓄電池は、省エネや新エネルギーの導入またはクリーン自動車等において不可欠であり、各国の経済成長の観点からも重要なキーデバイスとして位置付けされる。 Storage batteries are indispensable for energy saving, introduction of new energy, clean automobiles, etc., and are positioned as important key devices from the viewpoint of economic growth of each country.

リチウムイオン電池をはじめとする現行の蓄電池は、電子機器産業や自動車産業などを牽引してきたが、電池の用途によっては、温度特性や安全性確保などの不十分さが本格普及を遅らせている。そのため、電池の高性能化と高安全性を両立しつつ、用途に応じた新しい電池の開発が望まれる。また、レアメタルや産出地域が偏在する資源については、市場価格の乱高下や、入手困難になる危険性などを鑑みたリスクマネジメントが重要になる。様々な切り口からレアメタルのリサイクル技術の開発が進展しているものの、安価で入手しやすく、産出地が偏在していない材料で構成された電池の開発が求められている(非特許文献1及び非特許文献2参照)。 Current storage batteries such as lithium-ion batteries have been the driving force in the electronic equipment industry and the automobile industry, but depending on the application of the battery, inadequate temperature characteristics and ensuring safety are delaying the full-scale spread. Therefore, it is desired to develop a new battery according to the application while achieving both high performance and high safety of the battery. For rare metals and resources with uneven distribution of producing areas, risk management is important in consideration of fluctuations in market prices and the risk of difficulty in obtaining them. Although the development of rare metal recycling technology is progressing from various perspectives, the development of batteries made of materials that are inexpensive, easily available, and whose production areas are not unevenly distributed is required (Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 1). See Patent Document 2).

現在、このような課題を解決できる電池系としてナトリウムイオン電池や全固体電池の開発が進展している。 Currently, the development of sodium-ion batteries and all-solid-state batteries is progressing as a battery system that can solve such problems.

ナトリウムは、海水中に豊富に含まれており、地殻中においては6番目に存在する元素で、安価で入手しやすく、産出地がリチウムのように偏在していない。このため、資源の調達リスクが低減し、電池の低コスト化が期待される。 Sodium is abundant in seawater and is the sixth element present in the crust. It is inexpensive and easily available, and its origin is not unevenly distributed like lithium. Therefore, it is expected that the risk of resource procurement will be reduced and the cost of batteries will be reduced.

近年のレアメタルフリーの流れからも非常に魅力的な元素であるが、リチウムと比べて酸化還元電位が0.3Vほど高くなり、イオン体積が2倍以上、原子量が約3.3倍になる。単に従来のリチウムイオン電池のイオン種をナトリウムイオンに置き換えただけでは十分な電気容量とサイクル特性が得られにくい。 Although it is a very attractive element from the recent trend of rare metal-free, its redox potential is about 0.3V higher than that of lithium, its ion volume is more than doubled, and its atomic weight is about 3.3 times higher. It is difficult to obtain sufficient electric capacity and cycle characteristics simply by replacing the ion species of the conventional lithium-ion battery with sodium ions.

その他、ナトリウムを用いる電池系として、ナトリウム-硫黄電池とナトリウム-金属塩化物電池がある。ナトリウム-硫黄電池では、固体電解質としてβ-アルミナやβ’’-アルミナなどのナトリウムを含んだ酸化アルミニウムを、負極活物質としてナトリウム、正極活物質として硫黄を用いて構成される。 In addition, as a battery system using sodium, there are a sodium-sulfur battery and a sodium-metal chloride battery. The sodium-sulfur battery is composed of aluminum oxide containing sodium such as β-alumina and β ″ -alumina as a solid electrolyte, sodium as a negative electrode active material, and sulfur as a positive electrode active material.

ナトリウム-金属塩化物電池では、固体電解質と負極活物質は同じであるが、正極活物質としてNaAlCl、NiCl、FeCl、CoCl、CrClなどの金属塩化物が用いられる。 In the sodium-metal chloride battery, the solid electrolyte and the negative electrode active material are the same, but metal chlorides such as NaAlCl 4 , NiCl 2 , FeCl 2 , CoCl 2 , and CrCl 2 are used as the positive electrode active material.

ナトリウム-硫黄電池やナトリウム-金属塩化物電池は、電解質溶媒は不要であるものの、リチウムイオン電池やナトリウムイオン電池とは異なり、常温では作動しない。このため、外部からの熱源等により、電池の温度を250~350℃に維持し、負極活物質と正極活物質を溶融状態にして、固体電解質のイオン伝導性を向上させている。 Sodium-sulfur batteries and sodium-metal chloride batteries do not require an electrolyte solvent, but unlike lithium-ion batteries and sodium-ion batteries, they do not operate at room temperature. Therefore, the temperature of the battery is maintained at 250 to 350 ° C. by a heat source from the outside, and the negative electrode active material and the positive electrode active material are put into a molten state to improve the ionic conductivity of the solid electrolyte.

一方、全固体電池とは、固体電解質を用いた電池系である。この固体電解質が、正極と負極との間のイオン伝導を担うため、全固体電池は、ナトリウムイオン電池(電解液を使うナトリウム蓄電池)が必要としていた有機溶媒を使うことなく生産できる。例えば、ナトリウムイオン電池は、電解液として専ら六フッ化リン酸ナトリウム(NaPF)塩を用いてきたが、電池の充放電でナトリウムイオン(Na)の他、ヘキサフルオロリン酸イオン(PF )も動くため、ナトリウムイオンの輸率を1にすることが困難とされていた。 On the other hand, the all-solid-state battery is a battery system using a solid electrolyte. Since this solid electrolyte is responsible for ionic conduction between the positive electrode and the negative electrode, the all-solid-state battery can be produced without using the organic solvent required by the sodium ion battery (sodium storage battery using an electrolytic solution). For example, a sodium ion battery has exclusively used sodium hexafluorophosphate (NaPF 6 ) salt as an electrolytic solution, but in addition to sodium ion (Na + ), hexafluorophosphate ion (PF 6 ) is used for charging and discharging the battery. - ) Also moves, so it was difficult to set the sodium ion export rate to 1.

しかし、無機系固体電解質は濃度分極が起こらず、ナトリウムイオンの輸率がほぼ1になる。全固体電池は、適切な電位窓の電解質を選択すれば、活物質の溶解反応や、電気分解によるガス発生、電解液分解物の析出などの副反応を抑制することができる。また、全固体電池は、ガスや液の引火、液漏れなどが起こりにくくなり、安全性と信頼性に優れた蓄電池になると期待される。 However, the concentration polarization of the inorganic solid electrolyte does not occur, and the sodium ion transport number becomes almost 1. The all-solid-state battery can suppress side reactions such as dissolution reaction of active material, gas generation by electrolysis, and precipitation of electrolyte decomposition product, if an appropriate electrolytic window electrolyte is selected. Further, the all-solid-state battery is expected to be a storage battery having excellent safety and reliability because it is less likely to cause ignition of gas or liquid or leakage of liquid.

全固体ナトリウム蓄電池は、従来の蓄電池と同様に、正極、負極及び電解質から構成されるが、電解質は固体で、かつナトリウムイオン伝導性を有する必要がある。 The all-solid-state sodium storage battery is composed of a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte, like a conventional storage battery, but the electrolyte must be solid and have sodium ion conductivity.

正極と負極は、充放電に伴いナトリウムイオンを吸蔵または合金化することが可能な活物質と、固体電解質とから構成される。例えば、正極に用いられる活物質としては、TiS(例えば、非特許文献3参照)やNaMO(以下、MはCo,Ni,Mn,またはFeである)(例えば、非特許文献4~6参照)、NaMnO-NaMO(例えば、特許文献1参照)、NaMP(例えば、特許文献2参照)などの材料が知られている。負極に用いられる活物質としては、ハードカーボン(例えば、特許文献3参照)、ソフトカーボン(例えば、特許文献4参照)、スズやアンチモンなどの単体または化合物(例えば、特許文献5,特許文献6参照)、ナトリウム金属などが知られている。 The positive electrode and the negative electrode are composed of an active material capable of occluding or alloying sodium ions with charge and discharge, and a solid electrolyte. For example, examples of the active material used for the positive electrode include TiS 2 (see, for example, Non-Patent Document 3) and NaMO 2 (hereinafter, M is Co, Ni, Mn, or Fe) (for example, Non-Patent Documents 4 to 6). Materials such as Na 2 MnO 3 -NaMO 2 (see, for example, Patent Document 1), Namp 2 O 7 (see, for example, Patent Document 2) and the like are known. Examples of the active material used for the negative electrode include hard carbon (see, for example, Patent Document 3), soft carbon (see, for example, Patent Document 4), simple substances such as tin and antimony, or compounds (for example, see Patent Documents 5 and 6). ), Sodium metal, etc. are known.

これまでの精力的な研究開発によって、高いイオン伝導性を示す様々な固体電解質が見出されている(例えば、特許文献7~10参照)。それらの多くはナトリウム塩と無機誘導体から構成される非晶質や結晶質である。しかし、これらは粉末状やシート状の材料であり、また水との反応性に富む性質を有する材料が多いため、従来の電池生産手法をそのまま適用することができない。具体的には、全固体ナトリウム蓄電池では、液式のナトリウムイオン電池と異なり、電解質を電極の活物質層に浸透させてイオン伝導経路を構築することが難しい。このため、固体電解質を活物質層に含有させて、固体電解質と活物質の固体粒子間のイオン伝導性を高める必要がある。 Through vigorous research and development so far, various solid electrolytes exhibiting high ionic conductivity have been found (see, for example, Patent Documents 7 to 10). Most of them are amorphous or crystalline composed of sodium salts and inorganic derivatives. However, since these are powdery or sheet-like materials and many of them have a property of being highly reactive with water, the conventional battery production method cannot be applied as they are. Specifically, in an all-solid-state sodium storage battery, unlike a liquid-type sodium ion battery, it is difficult to infiltrate an electrolyte into the active material layer of the electrode to construct an ion conduction path. Therefore, it is necessary to include the solid electrolyte in the active material layer to enhance the ionic conductivity between the solid electrolyte and the solid particles of the active material.

例えば、特許文献11、特許文献12および非特許文献7には、活物質前駆体粉末と固体電解質粉末とを含有する電極合材前駆体(活物質層前駆体)を作製し、これを焼成することにより、活物質と固体電解質とからなる電極合材(活物質層)またはこれを用いた全固体ナトリウム蓄電池が提案されている。例えば、活物質前駆体として、NaFeP結晶化ガラスが用いられている。ガラスや結晶化ガラスは、焼成(熱処理)によって結晶化するが、この過程で軟化流動を起こす。このため、加圧することなく、焼成のみで固体電解質粉末と一体化させることができる。 For example, in Patent Document 11, Patent Document 12, and Non-Patent Document 7, an electrode mixture precursor (active material layer precursor) containing an active material precursor powder and a solid electrolyte powder is prepared and fired. Therefore, an electrode mixture (active material layer) composed of an active material and a solid electrolyte or an all-solid sodium storage battery using the electrode mixture has been proposed. For example, Na 2 FeP 2 O 7 crystallized glass is used as the active material precursor. Glass and crystallized glass are crystallized by firing (heat treatment), and softening flow occurs in this process. Therefore, it can be integrated with the solid electrolyte powder only by firing without pressurizing.

また、特許文献11、特許文献12および非特許文献7によれば、固体電解質層の一方の表面に、該電極合材前駆体を塗布後、400℃以上で焼成することで、固体電解質層の一方の表面に電極合材を形成している。 Further, according to Patent Document 11, Patent Document 12, and Non-Patent Document 7, the electrode mixture precursor is applied to one surface of the solid electrolyte layer and then fired at 400 ° C. or higher to form the solid electrolyte layer. An electrode mixture is formed on one surface.

しかし、固体電解質には電子伝導性がないため、電極の電子伝導性とイオン伝導性の両方を確保することが困難である。これに対して、導電助剤を含ませることが考えられるものの導電助剤の含有量が多すぎると、電極合材の単位質量あたりの活物質量が減少するため、充放電容量が低下する傾向にある。また、焼結が阻害されることにより、イオン伝導パスが切断され、充放電容量や放電電圧の低下が懸念(示唆)される。 However, since the solid electrolyte has no electron conductivity, it is difficult to secure both the electron conductivity and the ionic conductivity of the electrode. On the other hand, although it is possible to include a conductive auxiliary agent, if the content of the conductive auxiliary agent is too large, the amount of active material per unit mass of the electrode mixture decreases, and the charge / discharge capacity tends to decrease. It is in. In addition, the inhibition of sintering cuts off the ion conduction path, and there is a concern (suggestion) that the charge / discharge capacity and the discharge voltage will decrease.

特開2014-229452号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-229452 特開2018-32536号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2018-32536 国際公開第2010/109889号公報International Publication No. 2010/109889 特開2013-171798号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-171798 国際公開第2013/065787号公報International Publication No. 2013/06578 特開2015-28922号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2015-28922 特開2010-15782号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2010-15782 特開2017-37769号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2017-37769 特開2019-57495号公報JP-A-2019-57495 特開2019-57496号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2019-57496 特開2018-18578号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2018-18578 特開2016-42453号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-42453

向井孝志:車載テクノロジー,5(4),19-24(2018)Takashi Mukai: In-vehicle technology, 5 (4), 19-24 (2018) 向井孝志:「リチウムイオン電池-性能向上への開発と車載用LIB業界動向-」,第1部第6章,サイエンス&テクノロジー,pp.91-94(2019)Takashi Mukai: "Lithium Ion Battery-Development for Improving Performance and Trends in the Automotive LIB Industry-", Part 1, Chapter 6, Science & Technology, pp. 91-94 (2019) G.H.Newman,L.P.Klemann:J.Electrochem.Soc.127,2097-2099(1980)G. H. Newman, L. et al. P. Klemann: J.M. Electrochem. Soc. 127, 2097-2099 (1980) J.-J.Braconnier,C.Delmas,C.Fouassier,P.Hagenmuller:Mat.Res.Bull.,15,1797-1804(1980)J. -J. Braconnier, C.I. Delmas, C.I. Foausier, P. et al. Hagenmuller: Mat. Res. Bull. , 15, 1797-1804 (1980) S.Okada,Y.Takahashi,T.Kiyabu,T.Doi,J.Yamaki,T.Nishida:ECS Meeting Abstr.,602,201(2006)S. Okada, Y. Takahashi, T.M. Kiyabu, T.I. Doi, J. et al. Yamaki, T.K. Nishida: ECS Meeting Abstr. , 602,201 (2006) N.Yabuuchi,M.Kajiyama,J.Iwatate,H.Nishikawa,S.Hitomi,R.Okuyama,R.Usui,Y.Yamada,S.Komaba:Nat. Mater.,11,512-517(2012)N. Yabuuchi, M. et al. Kaziyama, J.M. Iwate, H.I. Nishikawa, S.A. Hitomi, R.M. Okuyama, R.M. Usui, Y. Yamada, S.A. Komaba: Nat. Mater. , 11,512-517 (2012) H.Yamauchi,J.Ikejiri,F.Sato,H.Oshita,T.Honma,T.Komatsu:J.Am.Ceram.Soc., 102(11),6658-6667(2019)H. Yamauchi, J.M. Ikejiri, F.I. Sato, H. et al. Oshita, T.M. Honma, T.I. Komatsu: J.M. Am. Ceram. Soc. , 102 (11), 6658-6667 (2019)

上述したように、全固体ナトリウム蓄電池の高性能化には、電極の電子伝導性を確保しつつ、固体電解質と活物質の固体粒子間のイオン伝導性を高める技術が重要である。 As described above, in order to improve the performance of the all-solid-state sodium storage battery, a technique for enhancing the ionic conductivity between the solid electrolyte and the solid particles of the active material while ensuring the electron conductivity of the electrode is important.

本発明者らは、特許文献11、特許文献12および非特許文献7に記載されているように、活物質前駆体粉末と固体電解質粉末からなる電極合材前駆体(電極活物質層前駆体)を、プレス成形あるいは、さらに溶媒を加えスラリー(ペースト)状にし、これを焼成することにより、活物質と固体電解質を一体化させる技術に注目した。 As described in Patent Document 11, Patent Document 12, and Non-Patent Document 7, the present inventors have an electrode mixture precursor (electrode active material layer precursor) composed of an active material precursor powder and a solid electrolyte powder. Attention was paid to the technique of integrating the active material and the solid electrolyte by press molding or further adding a solvent to form a slurry (paste) and firing the slurry.

電池の高性能化として固体電解質層表面の単位面積あたりに形成される正極の高容量化を図るため、固体電解質層表面の単位面積あたりに形成する電極合材の塗布量を多くし電極活物質を高担持量化する必要がある。しかし、本発明者らは特許文献11および特許文献12に記載されているように、活物質前駆体と固体電解質からなる混合物を高担持量化のため電解質表面に厚塗りし焼成すると、電極合材層のみ焼結し収縮するため電解質から剥離し電池として作動しないという課題を見出した。 In order to increase the capacity of the positive electrode formed per unit area of the solid electrolyte layer surface as a high performance battery, the amount of the electrode mixture formed per unit area of the solid electrolyte layer surface is increased to increase the coating amount of the electrode active material. It is necessary to increase the carrying amount. However, as described in Patent Documents 11 and 12, the present inventors thickly coat the surface of the electrolyte with a mixture consisting of the active material precursor and the solid electrolyte in order to increase the carrying amount, and fire the electrode mixture. We have found the problem that only the layer is sintered and shrinks, so that it peels off from the electrolyte and does not operate as a battery.

上記の通り、本発明者らは、当初、無機固体電解質の表面に電極合材を直接形成して全固体ナトリウム蓄電池の高性能化について鋭意検討を重ねたが、無機固体電解質表面に直接電極を形成し一体化する場合、現状では電池抵抗が高く、単位面積当たりの高容量化には限界があった。そこで、本発明者らは、無機固体電解質の表面に電極合材を直接形成するのではなく、電極合材と無機固体電解質をそれぞれの別の部材として用い、電池形成できるように研究を重ね、本発明を完成するに至った。本発明は、上述した従来技術の課題(問題点)や、本発明者らが新たに発見した課題を解決することができる。 As described above, the present inventors initially made diligent studies on improving the performance of the all-solid-state sodium storage battery by directly forming an electrode mixture on the surface of the inorganic solid electrolyte. When formed and integrated, the battery resistance is currently high, and there is a limit to increasing the capacity per unit area. Therefore, instead of directly forming the electrode mixture on the surface of the inorganic solid electrolyte, the present inventors have conducted repeated studies so that the electrode mixture and the inorganic solid electrolyte can be used as separate members to form a battery. The present invention has been completed. The present invention can solve the above-mentioned problems (problems) of the prior art and the problems newly discovered by the present inventors.

前記した本発明の課題(目的)は、以下に掲げる請求項1乃至請求項29によって解決される。 The above-mentioned problem (objective) of the present invention is solved by the following claims 1 to 29.

本発明の請求項1は、有機固体電解質が、電極合材と無機固体電解質との間に介在して構成される全固体ナトリウム蓄電池に関する。 The first aspect of the present invention relates to an all-solid sodium storage battery in which an organic solid electrolyte is interposed between an electrode mixture and an inorganic solid electrolyte.

本発明の請求項2は、該有機固体電解質がポリエチレングリコール又はポリエチレンオキシドを含む、請求項1に記載の全固体ナトリウム蓄電池に関する。 The second aspect of the present invention relates to the all-solid-state sodium storage battery according to claim 1, wherein the organic solid electrolyte contains polyethylene glycol or polyethylene oxide.

本発明の請求項3は、前記有機固体電解質が、さらにナトリウム塩を含み、該有機固体電解質の重量を1とした場合、ナトリウム塩が0.1~1.5の範囲内である、請求項1又は2に記載の全固体ナトリウム蓄電池に関する。 According to claim 3, the organic solid electrolyte further contains a sodium salt, and the sodium salt is in the range of 0.1 to 1.5 when the weight of the organic solid electrolyte is 1. The all-solid-state sodium storage battery according to 1 or 2.

本発明の請求項4は、前記有機固体電解質の厚さが、0.1μm~500μmの範囲内である、請求項1乃至3いずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池に関する。 The fourth aspect of the present invention relates to the all-solid-state sodium storage battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the thickness of the organic solid electrolyte is in the range of 0.1 μm to 500 μm.

本発明の請求項5は、前記無機固体電解質が、厚さ1mm以下、空隙率20%以下の硫化物系、酸化物系、又は水素化物系の固体電解質である、請求項1乃至4のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池に関する。 Claim 5 of the present invention is any of claims 1 to 4, wherein the inorganic solid electrolyte is a sulfide-based, oxide-based, or hydride-based solid electrolyte having a thickness of 1 mm or less and a void ratio of 20% or less. Regarding the all-solid-state sodium storage battery described in the invention.

本発明の請求項6は、前記無機固体電解質が、ナトリウムを含んだ酸化アルミニウムである、請求項1乃至5のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池に関する。 The sixth aspect of the present invention relates to the all-solid-state sodium storage battery according to any one of claims 1 to 5, wherein the inorganic solid electrolyte is aluminum oxide containing sodium.

本発明の請求項7は、前記無機固体電解質が、密度2.7g/cc~3.5g/ccの範囲内である、請求項1乃至6のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池に関する。 The seventh aspect of the present invention relates to the all-solid-state sodium storage battery according to any one of claims 1 to 6, wherein the inorganic solid electrolyte has a density in the range of 2.7 g / cc to 3.5 g / cc.

本発明の請求項8は、前記電極合材が、ポリリン酸遷移金属酸化物を含み、該ポリリン酸遷移金属酸化物は、一般式Naで表される結晶であり、Mが、Fe,Mn,Co,Ni,Vから選択される少なくともいずれか1種であり、a、b及びcが、0.0<a≦3.5,b=1,1.0≦c≦3.0,3.0≦d≦30であることを特徴とする、請求項1乃至7のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池に関する。 According to claim 8, the electrode mixture contains a polyphosphate transition metal oxide, and the polyphosphate transition metal oxide is a crystal represented by the general formula Na a M b P c Od . M is at least one selected from Fe, Mn, Co, Ni, and V, and a, b, and c are 0.0 <a≤3.5, b = 1,1.0≤c. The all-solid sodium storage battery according to any one of claims 1 to 7, wherein ≦ 3.0 and ≦ d ≦ 30.

本発明の請求項9は、前記電極合材が、粒径0.1μm~100μmの範囲内の個の粒子が複数連結した活物質クラスターを形成している、請求項1乃至8のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池に関する。 Claim 9 of the present invention is one of claims 1 to 8, wherein the electrode mixture forms an active material cluster in which a plurality of particles having a particle size in the range of 0.1 μm to 100 μm are connected. With respect to the described all-solid-state sodium storage battery.

本発明の請求項10は、前記電極合材が、活物質の他、エチレンカーボネート、ポリエチレンカーボネート、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキシドから選択される少なくとも1種のイオン伝導助剤を含有する、請求項1乃至9のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池に関する。 According to a tenth aspect of the present invention, the electrode mixture contains at least one ion conduction aid selected from ethylene carbonate, polyethylene carbonate, polyethylene glycol, and polyethylene oxide in addition to the active material. 9. The all-solid sodium storage battery according to any one of 9.

本発明の請求項11は、前記電極合材が、金属、炭素材料、導電性高分子、導電性ガラスから選択される少なくとも1種の導電助剤を含有する、請求項10に記載の全固体ナトリウム蓄電池に関する。 11. The all-solid-state according to claim 10, wherein the electrode mixture contains at least one conductive auxiliary agent selected from a metal, a carbon material, a conductive polymer, and a conductive glass. Regarding sodium storage batteries.

本発明の請求項12は、前記導電助剤が、粉末のカーボン、繊維状のカーボン、フレーク状のカーボンから選択される少なくとも1種である請求項11記載の全固体ナトリウム蓄電池に関する。 12. The all-solid-state sodium storage battery according to claim 11, wherein the conductive auxiliary agent is at least one selected from powdered carbon, fibrous carbon, and flake-shaped carbon.

本発明の請求項13は、前記電極合材が、有機固体電解質を除いた場合、空隙率が5%~50%の範囲内の多孔質である請求項1乃至12のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池に関する。 13. All of claims 13 of the present invention, wherein the electrode mixture is porous with a void ratio in the range of 5% to 50% when the organic solid electrolyte is removed. Regarding solid-state sodium storage batteries.

本発明の請求項14は、前記電極合材が、有機固体電解質を除いた場合、孔径0.1μm~100μmの多孔質である、請求項1乃至13のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池に関する。 The 14th aspect of the present invention relates to the all-solid-state sodium storage battery according to any one of claims 1 to 13, wherein the electrode mixture is porous with a pore size of 0.1 μm to 100 μm when the organic solid electrolyte is removed. ..

本発明の請求項15は、前記電極合材が、粒径0.1μm~100μmの無機固体電解質粉末を含む、請求項1乃至14のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池に関する。 The 15th aspect of the present invention relates to the all-solid-state sodium storage battery according to any one of claims 1 to 14, wherein the electrode mixture contains an inorganic solid electrolyte powder having a particle size of 0.1 μm to 100 μm.

本発明の請求項16は、前記電極合材が、樹脂系バインダを含まない、請求項1乃至15のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池に関する。 16. The 16th aspect of the present invention relates to the all-solid-state sodium storage battery according to any one of claims 1 to 15, wherein the electrode mixture does not contain a resin-based binder.

本発明の請求項17は、前記全固体ナトリウム蓄電池が、対極にナトリウム金属、ナトリウム合金またはナトリウムイオン吸蔵材料を用いた、請求項1乃至16のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池に関する。 17 of the present invention relates to the all-solid sodium storage battery according to any one of claims 1 to 16, wherein the all-solid sodium storage battery uses a sodium metal, a sodium alloy or a sodium ion storage material as a counter electrode.

本発明の請求項18は、前記電極合材と、電子伝導性を有する集電体と電気的に接触した構造である全固体ナトリウム蓄電池であって、該集電体が、貫通孔を有する金属または非貫通の金属とからなる、請求項1乃至17のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池に関する。 Claim 18 of the present invention is an all-solid-state sodium storage battery having a structure in which the electrode mixture is in electrical contact with a current collector having electronic conductivity, and the current collector is a metal having a through hole. The all-solid-state sodium storage battery according to any one of claims 1 to 17, which is made of a non-penetrating metal.

本発明の請求項19は、請求項1乃至18に記載の全固体ナトリウム蓄電池からなる、組電池に関する。 19 of the present invention relates to an assembled battery comprising the all-solid-state sodium storage battery according to claims 1 to 18.

本発明の請求項20は、請求項1乃至18に記載の全固体ナトリウム蓄電池を備える、電気機器に関する。 20 of the present invention relates to an electric device including the all-solid-state sodium storage battery according to claims 1 to 18.

本発明の請求項1の全固体ナトリウム蓄電池によれば、有機固体電解質が、電極合材と無機固体電解質との間に介在して構成されたため、優れた充放電サイクル特性を発揮し、かつ過充電でシャットダウンすることができる蓄電池を実現することができる。 According to the all-solid-state sodium storage battery according to claim 1 of the present invention, since the organic solid electrolyte is formed by interposing between the electrode mixture and the inorganic solid electrolyte, it exhibits excellent charge / discharge cycle characteristics and is excessive. It is possible to realize a storage battery that can be shut down by charging.

本発明の請求項2によれば、該有機固体電解質がポリエチレングリコール又はポリエチレンオキシドを含むため、固体電解質としての機能と、電極合材と無機固体電解質を結合させる粘着剤としての機能を実現することができる。 According to claim 2 of the present invention, since the organic solid electrolyte contains polyethylene glycol or polyethylene oxide, the function as a solid electrolyte and the function as a pressure-sensitive adhesive for binding the electrode mixture and the inorganic solid electrolyte are realized. Can be done.

本発明の請求項3によれば、前記有機固体電解質が、さらにナトリウム塩を含み、該有機固体電解質の重量を1とした場合、ナトリウム塩が0.1~1.5の範囲内であるため、電極と固体電解質との接着作用でイオン伝導性が保持でき、電池の充放電サイクル特性が得られる。 According to claim 3 of the present invention, when the organic solid electrolyte further contains a sodium salt and the weight of the organic solid electrolyte is 1, the sodium salt is in the range of 0.1 to 1.5. Ion conductivity can be maintained by the adhesive action between the electrode and the solid electrolyte, and the charge / discharge cycle characteristics of the battery can be obtained.

本発明の請求項4によれば、前記有機固体電解質の厚さが、0.1μm~500μmの範囲内であるため、イオン伝導性に優れ、電池のエネルギー密度が高くなる。 According to claim 4, since the thickness of the organic solid electrolyte is in the range of 0.1 μm to 500 μm, the ionic conductivity is excellent and the energy density of the battery is high.

本発明の請求項5によれば、前記無機固体電解質が、厚さ1mm以下、空隙率20%以下の硫化物系、酸化物系、又は水素化物系の固体電解質であるため、電池のエネルギー密度が高くなり、且つイオン伝導性が保持される。 According to claim 5 of the present invention, since the inorganic solid electrolyte is a sulfide-based, oxide-based, or hydride-based solid electrolyte having a thickness of 1 mm or less and a void ratio of 20% or less, the energy density of the battery Is high, and ionic conductivity is maintained.

本発明の請求項6によれば、前記無機固体電解質が、ナトリウムを含んだ酸化アルミニウムであるため、優れた電気絶縁性と優れた耐熱性が得られる。 According to claim 6, since the inorganic solid electrolyte is aluminum oxide containing sodium, excellent electrical insulation and excellent heat resistance can be obtained.

本発明の請求項7によれば、前記無機固体電解質が、密度2.7g/cc~3.5g/ccの範囲内であるため、イオン伝導性が良好で、充電時に微小短絡が起こりにくい。 According to claim 7, since the inorganic solid electrolyte has a density in the range of 2.7 g / cc to 3.5 g / cc, it has good ionic conductivity and is unlikely to cause a minute short circuit during charging.

本発明の請求項8によれば、前記電極合材が、ポリリン酸遷移金属酸化物を含み、該ポリリン酸遷移金属酸化物は、一般式Naで表される結晶であり、Mが、Fe,Mn,Co,Ni,Vから選択される少なくともいずれか1種であり、a、b及びcが、0.0<a≦3.5,b=1,1.0≦c≦3.0,3.0≦d≦30であるため、ポリリン酸遷移金属酸化物が活物質として機能するので、イオン伝導性、充放電容量、出力特性を高くすることができる。 According to claim 8 of the present invention, the electrode mixture contains a polyphosphate transition metal oxide, and the polyphosphate transition metal oxide is a crystal represented by the general formula Na a M b P c Od . Yes, M is at least one selected from Fe, Mn, Co, Ni, and V, and a, b, and c are 0.0 <a≤3.5, b = 1,1.0. Since ≦ c ≦ 3.0 and 3.0 ≦ d ≦ 30, the polyphosphate transition metal oxide functions as an active material, so that ionic conductivity, charge / discharge capacity, and output characteristics can be improved.

本発明の請求項9によれば、前記電極合材が、粒径0.1μm~100μmの範囲内の個の粒子が複数連結した活物質クラスターを形成しているため、実用的なエネルギー密度が得られる。 According to claim 9, the electrode mixture forms an active material cluster in which a plurality of particles having a particle size in the range of 0.1 μm to 100 μm are connected to each other, so that a practical energy density can be obtained. can get.

本発明の請求項10によれば、前記電極合材が、活物質の他、エチレンカーボネート、ポリエチレンカーボネート、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキシドから選択される少なくとも1種のイオン伝導助剤を含有するため、電極合材のイオン的抵抗を小さくすることができる。 According to claim 10 of the present invention, the electrode mixture contains at least one ion conduction aid selected from ethylene carbonate, polyethylene carbonate, polyethylene glycol, and polyethylene oxide in addition to the active material, so that the electrode is an electrode. The ionic resistance of the mixture can be reduced.

本発明の請求項11によれば、前記電極合材が、金属、炭素材料、導電性高分子、導電性ガラスから選択される少なくとも1種の導電助剤を含有するため、高い電子伝導性が得られる。 According to claim 11 of the present invention, since the electrode mixture contains at least one conductive auxiliary agent selected from metal, carbon material, conductive polymer, and conductive glass, high electron conductivity is obtained. can get.

本発明の請求項12によれば、前記導電助剤が、粉末のカーボン、繊維状のカーボン、フレーク状のカーボンから選択される少なくとも1種であるため、高い電子伝導性が得られる。 According to claim 12, since the conductive auxiliary agent is at least one selected from powdered carbon, fibrous carbon, and flake-shaped carbon, high electronic conductivity can be obtained.

本発明の請求項13によれば、前記電極合材が、有機固体電解質を除いた場合、空隙率が5%~50%の範囲内の多孔質であるため、優れた導電性が得られる。 According to claim 13, when the organic solid electrolyte is removed, the electrode mixture is porous with a porosity in the range of 5% to 50%, so that excellent conductivity can be obtained.

本発明の請求項14によれば、前記電極合材が、有機固体電解質を除いた場合、孔径0.1μm~100μmの多孔質であるため、優れた導電性が得られる。 According to claim 14, when the organic solid electrolyte is removed, the electrode mixture is porous with a pore size of 0.1 μm to 100 μm, so that excellent conductivity can be obtained.

本発明の請求項15によれば、前記電極合材が、粒径0.1μm~100μmの無機固体電解質粉末を含むため、優れた導電性が得られる。 According to claim 15, since the electrode mixture contains an inorganic solid electrolyte powder having a particle size of 0.1 μm to 100 μm, excellent conductivity can be obtained.

本発明の請求項16によれば、前記電極合材が、樹脂系バインダを含まないため、イオン伝導性が高くなり、電極へ悪影響を及ぼさない。 According to claim 16, since the electrode mixture does not contain a resin-based binder, the ionic conductivity is increased and the electrode is not adversely affected.

本発明の請求項17によれば、前記全固体ナトリウム蓄電池が、対極にナトリウム金属、ナトリウム合金またはナトリウムイオン吸蔵材料を用いたため、高電圧・高容量の電池が得られる。 According to claim 17 of the present invention, since the all-solid sodium storage battery uses a sodium metal, a sodium alloy, or a sodium ion storage material as a counter electrode, a high voltage and high capacity battery can be obtained.

本発明の請求項18によれば、前記電極合材と、電子伝導性を有する集電体と電気的に接触した構造である全固体ナトリウム蓄電池であって、該集電体が、貫通孔を有する金属または非貫通の金属とからなるため、電源から集電できるため出力特性(急速充放電特性)が向上する。 According to claim 18 of the present invention, the all-solid-state sodium storage battery has a structure in which the electrode mixture is in electrical contact with a current collector having electronic conductivity, and the current collector has a through hole. Since it is made of a metal having or a non-penetrating metal, it is possible to collect electricity from a power source, so that the output characteristics (rapid charge / discharge characteristics) are improved.

本発明の請求項19に係る組電池によれば、請求項1乃至18のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池からなるため、高い電圧が得られる。 According to the assembled battery according to claim 19 of the present invention, since it is composed of the all-solid-state sodium storage battery according to any one of claims 1 to 18, a high voltage can be obtained.

本発明の請求項20によれば、請求項1乃至18のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池を備えるため、汎用性が高い、小型かつ高容量の電気機器が実現する。 According to claim 20, since the all-solid-state sodium storage battery according to any one of claims 1 to 18 is provided, a highly versatile, compact and high-capacity electric device is realized.

本発明に係る全固体ナトリウム蓄電池の断面概念を示す図である。It is a figure which shows the cross-sectional concept of the all-solid-state sodium storage battery which concerns on this invention. 本発明に係るバイポーラ構造の全固体ナトリウム蓄電池の断面概念を示す図である。It is a figure which shows the cross-sectional concept of the all-solid-state sodium storage battery of the bipolar structure which concerns on this invention. 実施例3および比較例2の充電曲線を比較した図である。It is a figure which compared the charge curve of Example 3 and Comparative Example 2.

本発明の一実施形態にかかる全固体ナトリウム蓄電池について以下に詳述する。 The all-solid-state sodium storage battery according to the embodiment of the present invention will be described in detail below.

前記した目的を達成するために、本発明に係る全固体ナトリウム蓄電池1は、図1に示すように、有機固体電解質3が、電極合材2(活物質層)と無機固体電解質4との間に介在して構成される全固体ナトリウム蓄電池であることを特徴とする。本構成によれば、電圧印加することで、有機固体電解質3が、電極合材2と無機固体電解質4を介してナトリウムイオンを移動させることができる。 In order to achieve the above-mentioned object, in the all-solid-state sodium storage battery 1 according to the present invention, as shown in FIG. 1, the organic solid electrolyte 3 is placed between the electrode mixture 2 (active material layer) and the inorganic solid electrolyte 4. It is characterized by being an all-solid-state sodium storage battery configured by interposing the battery. According to this configuration, by applying a voltage, the organic solid electrolyte 3 can move sodium ions via the electrode mixture 2 and the inorganic solid electrolyte 4.

本発明に係る全固体ナトリウム蓄電池は、該有機固体電解質が、エチレングリコールが重合したポリエーテルまたはその誘導体であり、具体的には、ポリエチレングリコール(PEG)又はポリエチレンオキシド(PEO)を含んで構成されることが好ましい。該PEG又は該PEOは、固体電解質としての機能の他、電極合材と無機固体電解質を結合させる粘着剤としての機能を有する。 The all-solid sodium storage battery according to the present invention is configured such that the organic solid electrolyte is a polyether obtained by polymerizing ethylene glycol or a derivative thereof, and specifically contains polyethylene glycol (PEG) or polyethylene oxide (PEO). Is preferable. The PEG or the PEO has a function as a solid electrolyte as well as a function as a pressure-sensitive adhesive for binding an electrode mixture and an inorganic solid electrolyte.

上記PEGまたは上記PEOには、硫黄化合物官能基、窒素化合物官能基、リン化合物官能基、またはアクリレート官能基などが含まれていても構わない。 The PEG or PEO may contain a sulfur compound functional group, a nitrogen compound functional group, a phosphorus compound functional group, an acrylate functional group, or the like.

上記PEGまたは上記PEOは、電極合材と無機固体電解質を結合させる粘着剤としての機能が高い観点から、重量平均分子量(Mw)1000以上100万以下のエチレングリコールが重合したポリエーテルまたはその誘導体であることが好ましい。なお、有機固体電解質としてその他の物質、例えばエチレンカーボネート(EC)等を使用することも可能であるが、PEG又はPEOが粘着剤としての機能に優れるため好ましい。 The above-mentioned PEG or the above-mentioned PEO is a polyether or a derivative thereof polymerized with ethylene glycol having a weight average molecular weight (Mw) of 1000 or more and 1 million or less from the viewpoint of having a high function as a pressure-sensitive adhesive for binding an electrode mixture and an inorganic solid electrolyte. It is preferable to have. Although it is possible to use other substances such as ethylene carbonate (EC) as the organic solid electrolyte, PEG or PEO is preferable because it has an excellent function as a pressure-sensitive adhesive.

特に、被着体である電極合材や無機固体電解質が、表面に凹凸の形状を有する場合や、空隙を有する場合では、上記有機固体電解質が被着体の凹凸や空隙に食い込み、電極合材と無機固体電解質との接触面積を向上させるため、電池のイオン的抵抗が低下するので好ましい。 In particular, when the electrode mixture or the inorganic solid electrolyte as an adherend has an uneven shape on the surface or has voids, the organic solid electrolyte bites into the irregularities or voids of the adherend, and the electrode mixture It is preferable because the ionic resistance of the battery is lowered in order to improve the contact area between the and the inorganic solid electrolyte.

上記有機固体電解質を、液化させ、電極合材又は(/及び)無機固体電解質に塗布することが好ましい。また、上記有機電解質は不燃性イオン液体であってもかまわない。有機固体電解質は、有機溶媒で対象材料を溶解することで液化可能である。この有機溶媒は、対象材料を溶解できる溶媒であれば特に限定されないが、鎖状炭化水素溶媒や環状炭化水素溶媒などの溶媒が挙げられる。鎖状炭化水素溶媒としては、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、過炭酸tert-ブチルイソプロピル、ジクロロメタン、ニトリル系、アルコール系などが、環状炭化水素溶媒としては、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)、亜硫酸エチレン、ビニルエチレンカーボネート(VEC)、プロピレンカーボネート(PC)、1,3-ジオキサン-2-オン、ベンゼン、ラクトン系などが挙げられる。 It is preferable to liquefy the organic solid electrolyte and apply it to the electrode mixture or (/ and) the inorganic solid electrolyte. Further, the organic electrolyte may be a nonflammable ionic liquid. The organic solid electrolyte can be liquefied by dissolving the target material in an organic solvent. The organic solvent is not particularly limited as long as it can dissolve the target material, and examples thereof include a chain hydrocarbon solvent and a cyclic hydrocarbon solvent. Examples of the chain hydrocarbon solvent include dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethylmethyl carbonate (EMC), tert-butyl isopropyl percarbonate, dichloromethane, nitrile-based solvent, alcohol-based solvent, and the like. , N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP), ethylene sulfite, vinylethylene carbonate (VEC), propylene carbonate (PC), 1,3-dioxane-2-one, benzene, lactones and the like.

不燃性イオン液体は、イオン伝導性を有していれば特に限定されないが、例えば、カチオンの種類で、ピリジン系、脂環族アミン系、脂肪族アミン系などの不燃性イオン液体が挙げられる。これに組み合わせるアニオンの種類を選択することで、多様な不燃性イオン性液体を合成できる。カチオンには、イミダゾリウム塩類、ピリジニウム塩類、ホスホニウム系イオン、無機系イオンなど、アニオンの採用例としては、臭化物イオンやトリフラート、テトラフェニルボレート、ヘキサフルオロホスフェートなどがある。 The nonflammable ionic liquid is not particularly limited as long as it has ionic conductivity, and examples thereof include nonflammable ionic liquids such as pyridine-based, alicyclic amine-based, and aliphatic amine-based cations. By selecting the type of anion to be combined with this, various nonflammable ionic liquids can be synthesized. Examples of cations such as imidazolium salts, pyridinium salts, phosphonium-based ions, and inorganic-based ions include bromide ions, trifurates, tetraphenylborates, and hexafluorophosphates.

不燃性イオン性液体は、例えば、イミダゾリニウム等のカチオンと、Br、Cl、BF4 、PF6 、(CF3SO22、CF3SO3 、FeCl4 等のアニオンと組み合わせて構成するような公知の合成方法で得ることができる。このような不燃性イオン性液体であれば、電解質として機能することができる。 Nonflammable ionic liquids include cations such as imidazolinium, Br-, Cl- , BF 4- , PF 6- , (CF 3 SO 2 ) 2 N- , CF 3 SO 3- , FeCl 4- It can be obtained by a known synthetic method such that it is composed in combination with an anion such as. Such a nonflammable ionic liquid can function as an electrolyte.

電池を組み立てる際は、上記の有機溶媒は多少混在しても電池として動作可能であるが、有機溶媒の揮発による電池の膨張を抑制できるため、減圧や加熱処理することによって十分に除去されていることが好ましい。除去方法としては特に限定されないが、例えば、リチウムイオン電池に用いられる電極用スラリーの乾燥方法を採用することができる。 When assembling the battery, the above organic solvent can be operated as a battery even if it is mixed to some extent, but since the expansion of the battery due to the volatilization of the organic solvent can be suppressed, it is sufficiently removed by decompression or heat treatment. Is preferable. The removal method is not particularly limited, and for example, a method for drying the electrode slurry used in the lithium ion battery can be adopted.

被着体である電極合材や無機固体電解質が、多孔質である場合では、上記有機固体電解質が被着体表面の孔から流れ込むため、電池のイオン伝導に由来する抵抗(イオン的抵抗)を大きく低下させることができる。 When the electrode mixture or the inorganic solid electrolyte, which is an adherend, is porous, the organic solid electrolyte flows through the pores on the surface of the adherend, so that the resistance (ionic resistance) derived from the ionic conduction of the battery is increased. It can be greatly reduced.

上記有機固体電解質は、電池を過充電した際には、該PEG又は該PEOが酸化分解され、電池の電圧上昇を抑制するとともに、粘着剤としての機能を消失させるため、電極合材と無機固体電解質とを引き離して電池のインピーダンスを上昇させるシャットダウン機能を兼ね備える。 When the battery is overcharged, the PEG or the PEO is oxidatively decomposed in the organic solid electrolyte, so that the voltage rise of the battery is suppressed and the function as an adhesive is lost. Therefore, the electrode mixture and the inorganic solid are used. It also has a shutdown function that separates it from the electrolyte and raises the impedance of the battery.

電極合材と固体電解質を強く結合させるという観点からは、該PEGまたは該PEOの分子量は、高いほど好ましいが、重量平均分子量が100万を超える場合では、粘度が高くなり過ぎて、取り扱いが困難となるばかりか、後述するナトリウム塩を含ませた場合に、イオン伝導性が低くなる。逆に、重量平均分子量1000未満では、接着性に乏しく、電池に振動や衝撃を与えた際に、電極合材と無機固体電解質との界面が破壊され、電池のインピーダンスを上昇させる要因になりやすい。 From the viewpoint of strongly binding the electrode mixture and the solid electrolyte, the higher the molecular weight of the PEG or the PEO, the more preferable, but when the weight average molecular weight exceeds 1 million, the viscosity becomes too high and it is difficult to handle. Not only that, but also when the sodium salt described later is contained, the ionic conductivity becomes low. On the contrary, when the weight average molecular weight is less than 1000, the adhesiveness is poor, and when the battery is vibrated or shocked, the interface between the electrode mixture and the inorganic solid electrolyte is destroyed, which tends to be a factor of increasing the battery impedance. ..

低い分子量では吸湿性を示し、乾燥工程に時間がかかる。そのため、重量平均分子量は100万を上限として、1000以上が好ましく、2500以上がさらに好ましい。なお、これらは架橋物であっても非架橋物であってもかまわない。 At low molecular weights, it exhibits hygroscopicity and takes a long time in the drying process. Therefore, the weight average molecular weight is preferably 1000 or more, more preferably 2500 or more, with the upper limit being 1 million. These may be crosslinked or non-crosslinked.

なお、重量平均分子量は、例えば、液体クロマトグラフィーを使用し、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(Gel Permeation Chromatography (GPC))法によって測定して求めることができる。 The weight average molecular weight can be determined by measuring, for example, by a gel permeation chromatography (GPC) method using liquid chromatography.

上記有機固体電解質は、イオン伝導性が高くなるという観点から、さらにナトリウム塩を含むことが好ましい。 The organic solid electrolyte preferably further contains a sodium salt from the viewpoint of increasing ionic conductivity.

ナトリウム塩は、有機固体電解質の重量を1とした場合、0.1以上であることが好ましく、0.3以上がより好ましく、0.4以上がさらに好ましい。ただし、ナトリウム塩の含有量が多すぎる場合、有機固体電解質の粘度が上昇し、電極合材と固体電解質との接着作用が低下するため、1.5以下にすることが好ましく、1.2以下がより好ましく、0.7以下がさらに好ましい。接着作用の低い有機固体電解質では、電池の充放電サイクル特性が悪くなる。 When the weight of the organic solid electrolyte is 1, the sodium salt is preferably 0.1 or more, more preferably 0.3 or more, still more preferably 0.4 or more. However, if the content of the sodium salt is too high, the viscosity of the organic solid electrolyte increases and the adhesive action between the electrode mixture and the solid electrolyte decreases, so the content is preferably 1.5 or less, preferably 1.2 or less. Is more preferable, and 0.7 or less is further preferable. With an organic solid electrolyte having a low adhesive action, the charge / discharge cycle characteristics of the battery deteriorate.

ナトリウム塩は、六フッ化リン酸ナトリウム(NaPF)、過塩素酸ナトリウム(NaClO)、テトラフルオロホウ酸ナトリウム(NaBF)、トリフルオロメタンスルホン酸ナトリウム(NaCFSO)、ナトリウムビスオキサレートボレート(NaBC)、ジフルオロリン酸ナトリウム(FNaOP)、ビス-フルオロスルホニルイミドナトリウム(FNaNO)、ジフルオロホウ酸ナトリウム(NaBFO)、などからなる群より選択される少なくとも一種を用いることができる。上記ナトリウム塩のうち、特に電気的陰性度が高く、イオン化しやすいことから、NaPFが好ましい。NaPFを含有した有機固体電解質であれば、入出力特性と充放電サイクル特性に優れる。 The sodium salts are sodium hexafluorophosphate (NaPF 6 ), sodium perchlorate (NaClO 4 ), sodium tetrafluoroborate (NaBF 4 ), sodium trifluoromethanesulfonate (NaCF 3 SO 4 ), sodium bisoxalate. From the group consisting of borate (NaBC 4 O 8 ), sodium difluorophosphate (F 2 NaO 2 P), sodium bis-fluorosulfonylimide (F 2 NaNO 4 S 2 ), sodium difluoroborate (NaBF 2 O), etc. At least one selected can be used. Of the above sodium salts, NaPF 6 is preferable because it has a particularly high electronegativity and is easily ionized. An organic solid electrolyte containing NaPF 6 is excellent in input / output characteristics and charge / discharge cycle characteristics.

上記有機固体電解質は、イオン伝導性に優れ、電池のエネルギー密度が高くなるという観点から、その厚さが、0.1μm~500μmの範囲内であることが好ましく、0.2μm~100μmの範囲内がより好ましく、0.5μm~50μmがさらに好ましく、1μm~20μmが望ましい。あるいは、上記有機固体電解質は、単位面積当たりの質量が、0.1mg/cm~800mg/cmの範囲内であることが好ましく、0.2mg/cm~500mg/cmの範囲内がより好ましく、0.5mg/cm~100mg/cmがさらに好ましく、1mg/cm~20mg/cmが最も好ましい。 The thickness of the organic solid electrolyte is preferably in the range of 0.1 μm to 500 μm, preferably in the range of 0.2 μm to 100 μm, from the viewpoint of excellent ionic conductivity and high energy density of the battery. Is more preferable, 0.5 μm to 50 μm is further preferable, and 1 μm to 20 μm is desirable. Alternatively, the mass of the organic solid electrolyte is preferably in the range of 0.1 mg / cm 2 to 800 mg / cm 2 and in the range of 0.2 mg / cm 2 to 500 mg / cm 2 . More preferably, 0.5 mg / cm 2 to 100 mg / cm 2 is more preferable, and 1 mg / cm 2 to 20 mg / cm 2 is most preferable.

無機固体電解質には、硫化物系、酸化物系、水素化物系などがあり、1種を単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してもよい。このような無機固体電解質は、電池のエネルギー密度が高くなり、且つイオン伝導性が高くなるという観点から、厚さ1mm以下で、空隙率20%以下であることが好ましい。 The inorganic solid electrolyte includes a sulfide type, an oxide type, a hydride type, and the like, and one type may be used alone or two or more types may be used in combination. From the viewpoint of increasing the energy density of the battery and increasing the ionic conductivity of such an inorganic solid electrolyte, it is preferable that the thickness is 1 mm or less and the void ratio is 20% or less.

硫化物系には、例えば、ASiS、AGeS、APS、A9.54Si1.741.4411.7l0.3、A10GeP12、A3.25Ge0.250.75、APSCl、AS-B・AI、AS-P-ABH、AS-SiS・ASiO、AS-P、A11、A3.250.95などが挙げられる(AはNaまたは、Naを含むその他アルカリ金属元素を示す)。 For sulfide systems, for example, A 4 SiS 4 , A 4 GeS 4 , A 3 PS 4 , A 9.54 Si 1.74 P 1.44 S 11.7 C l0.3 , A 10 GeP 2 S 12 , A 3.25 Ge 0.25 P 0.75 S 4 , A 6 PS 5 Cl, A 2 SB 2 S 3 AI, A 2 SP 2 S 5 -ABH 4 , A 2 S-SiS 2. A 4 SiO 4 , A 2 SP 2 S 5 , A 7 P 3 S 11 , A 3.25 P 0.95 S 4 and the like (A is Na or other alkali metal elements containing Na). Shows).

酸化物系には、例えば、A1.3Al0.3Ti1.7(PO、A0.34La0.51TiO2.94、ALaZr12、ASiO・ABO、APO-ASiO、ABO-ASiO、ABO-ASO、A2.9PO3.30.46、A1.07Al0.69Ti1.46(PO、A3.3PO3.80.22、A2.9PO3.30.46(AはNaまたは、Naを含むその他アルカリ金属元素を示す)、ナトリウムを含んだ酸化アルミニウム、NASICON結晶(Na1+xZrSi3-x12、0<x<3)などが挙げられる。 For the oxide system, for example, A 1.3 Al 0.3 Ti 1.7 (PO 4 ) 3 , A 0.34 La 0.51 TiO 2.94 , A 7 LaZr 2 O 12 , A 4 SiO 4・ A 2 BO 3 , A 3 PO 4 -A 4 SiO 4 , A 3 BO 3 -A 2 SiO 4 , A 3 BO 3 -A 2 SO 4 , A 2.9 PO 3.3 N 0.46 , A 1.07 Al 0.69 Ti 1.46 (PO 4 ) 3 , A 3.3 PO 3.8 N 0.22 , A 2.9 PO 3.3 N 0.46 (A is Na or Na (Indicating other alkali metal elements including), aluminum oxide containing sodium, NASICON crystals (Na 1 + x Zr 2 Si x P 3-x O 12 , 0 <x <3) and the like.

水素化物系には、例えば、ABH、ABH-AI、ABH-ABr、ABH-AF、ABH-AClなどが挙げられる(Aはアルカリ金属元素を示す)。 Examples of the hydride system include ABH 4 , ABH 4 -AI, ABH 4 -ABr, ABH 4 -AF, ABH 4 -ACl and the like (A indicates an alkali metal element).

上記無機固体電解質は、空隙率0%~20%の範囲内であることが好ましい。すなわち、可能な限り緻密な無機固体電解質でよい。空隙率20%以下にすることで、イオン伝導性を高くすることができる。逆に、空隙率20%を超えるとイオン伝導性が乏しく、また充電時に微小短絡が起こりやすい。 The inorganic solid electrolyte preferably has a porosity in the range of 0% to 20%. That is, the inorganic solid electrolyte may be as dense as possible. By setting the porosity to 20% or less, the ionic conductivity can be increased. On the contrary, when the porosity exceeds 20%, the ionic conductivity is poor and a minute short circuit is likely to occur during charging.

別の言い方をすれば、上記無機固体電解質は、密度2.7g/cc~3.5g/ccの範囲内であることが好ましい。2.7g/cc未満では、空隙が多すぎるためイオン伝導性に乏しく、また充電時に微小短絡が起こりやすい。 In other words, the inorganic solid electrolyte preferably has a density in the range of 2.7 g / cc to 3.5 g / cc. If it is less than 2.7 g / cc, the ion conductivity is poor because there are too many voids, and a minute short circuit is likely to occur during charging.

しかし、空隙率0%の無機固体電解質の製造は、単結晶を用いるほか、現実的でない。このため、無機固体電解質の空隙には有機固体電解質を浸透させ、イオン伝導性をさらに向上させることが好ましい。ここで、無機固体電解質の密度が3.5g/ccを超える場合は、有機固体電解質が浸透しにくくなるため、3.5g/cc以下であることが好ましい。 However, the production of an inorganic solid electrolyte having a porosity of 0% is not realistic except that a single crystal is used. Therefore, it is preferable to infiltrate the voids of the inorganic solid electrolyte with the organic solid electrolyte to further improve the ionic conductivity. Here, when the density of the inorganic solid electrolyte exceeds 3.5 g / cc, it becomes difficult for the organic solid electrolyte to permeate, so the density is preferably 3.5 g / cc or less.

上記の密度は、一定容積の容器に無機固体電解質を充填し、その内容積を体積とした際の密度であり、より正確には嵩(かさ)密度(Aerated Bulk Density)を意味している。 The above-mentioned density is a density when a container having a constant volume is filled with an inorganic solid electrolyte and the internal volume thereof is taken as a volume, and more accurately, it means a bulk density (Aerated Bulk Density).

形状については特に限定しないが、フィルム状、シート状、ペレット状、リボン状のいずれかに成型されていればよい。 The shape is not particularly limited, but it may be molded into a film shape, a sheet shape, a pellet shape, or a ribbon shape.

上記無機固体電解質は、水と接触した際に有毒なガスが発生しにくいという観点から、酸化物系であることが好ましい。中でも、電気絶縁性と耐熱性に優れることから、ナトリウムを含んだ酸化アルミニウムであることが好ましい。 The inorganic solid electrolyte is preferably an oxide-based electrolyte from the viewpoint that toxic gas is unlikely to be generated when it comes into contact with water. Of these, aluminum oxide containing sodium is preferable because it has excellent electrical insulation and heat resistance.

ナトリウムを含んだ酸化アルミニウムとは、一般式NaO-xAl(x=2~20)で表される結晶やセラミックスで、アルミナブロックが作る二次元の層間にナトリウムイオンが分布した構造となる。アルミナブロックの重なり方で、β-アルミナ(NaO-11Al)とβ"-アルミナ(β-ダブルプライムアルミナ(NaO-5Al))が知られているが、いずれにしても、アルミナブロックが作る二次元の層間をナトリウムイオンが移動するため、固体電解質として機能する。ナトリウムを含んだ酸化アルミニウムは、例えば、α-アルミナ(Al)と炭酸ナトリウムからなる混合体を、1100℃~1500℃で焼成することで合成できる。 Aluminum oxide containing sodium is a crystal or ceramic represented by the general formula Na 2 O-xAl 2 O 3 (x = 2 to 20), and has a structure in which sodium ions are distributed between the two-dimensional layers formed by the alumina block. Will be. Β-Alumina (Na 2 O-11Al 2 O 3 ) and β "-Alumina (β-Double Prime Alumina (Na 2 O-5 Al 2 O 3 )) are known as the way of overlapping alumina blocks. Even so, it functions as a solid electrolyte because sodium ions move between the two-dimensional layers created by the alumina block. Aluminum oxide containing sodium is composed of, for example, α-alumina (Al 2 O 3 ) and sodium carbonate. The mixture can be synthesized by firing at 1100 ° C to 1500 ° C.

ナトリウムを含んだ酸化アルミニウムは、さらに、Mg、Li、K、Rb,Zr、Pb、Y、Ag、Tl、Sr、Ca、Feから選択される少なくとも1種の金属または酸化物を含有していることが好ましい。これらの含有量はナトリウムを含んだ酸化アルミニウムに対して5vol.%以下であることが好ましい。これにより、緻密なナトリウムを含んだ酸化アルミニウムが得られやすく、イオン伝導性がさらに向上させることができる。 Aluminum oxide containing sodium further contains at least one metal or oxide selected from Mg, Li, K, Rb, Zr, Pb, Y, Ag, Tl, Sr, Ca and Fe. Is preferable. These contents are 5 vol. For aluminum oxide containing sodium. % Or less is preferable. As a result, aluminum oxide containing dense sodium can be easily obtained, and the ionic conductivity can be further improved.

上記無機固体電解質は、電極合材に、粒径0.1μm~100μmの粉末として含んでも構わない。 The inorganic solid electrolyte may be contained in the electrode mixture as a powder having a particle size of 0.1 μm to 100 μm.

電極合材には正極合材(正極活物質層)と負極合材(負極活物質層)があるが、本発明においては、いずれの電極合材であっても、ポリリン酸遷移金属酸化物を含有していることが好ましい。特に、電極合材を正極合材として用いる場合では、ポリリン酸遷移金属酸化物が活物質として機能する。 The electrode mixture includes a positive electrode mixture (positive electrode active material layer) and a negative electrode mixture (negative electrode active material layer). In the present invention, the polyphosphate transition metal oxide is used in any of the electrode mixture. It is preferable that it is contained. In particular, when the electrode mixture is used as the positive electrode mixture, the polyphosphate transition metal oxide functions as an active material.

ポリリン酸遷移金属酸化物は、一般式Naで表される結晶であることが好ましい。 The polyphosphate transition metal oxide is preferably a crystal represented by the general formula Na a M b P c Od .

ポリリン酸遷移金属酸化物のイオン伝導性、充放電容量または出力特性が高いという観点から、0.0<a≦3.5,b=1,1.0≦c≦3.0,3.0≦d≦30で、MがFe,Mn,Co,Ni,Vから選択される少なくともいずれか1種の元素であることが好ましい。 0.0 <a≤3.5, b=1,1.0≤c≤3.0,3.0 from the viewpoint of high ionic conductivity, charge / discharge capacity or output characteristics of polyphosphate transition metal oxides. It is preferable that M is at least one element selected from Fe, Mn, Co, Ni, and V with ≦ d ≦ 30.

具体的には、NaFeP、NaFe(PO、NaFe12、NaFe(PO、NaFe(PO(P)、NaMnP、NaCoP、NaNiP、NaFe0.5Mn0.5、Na(PO、NaVOPO、Na(P(PO、などが挙げられ、これらは一種または二種以上を用いてもよい。 Specifically, Na 2 FeP 2 O 7 , Na 3 Fe 2 (PO 4 ) 3 , NaFe 3 P 3 O 12 , Na 2 Fe 3 (PO 4 ) 3 , Na 4 Fe 3 (PO 4 ) 2 (P). 2 O 7 ), Na 2 MnP 2 O 7 , Na 2 CoP 2 O 7 , Na 2 NiP 2 O 7 , Na 2 Fe 0.5 Mn 0.5 P 2 O 7 , Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 , NaVOPO 4 , Na 9 V 3 (P 2 O 7 ) 3 (PO 4 ) 2 , etc., and these may be used alone or in combination of two or more.

上記ポリリン酸遷移金属酸化物のうち、ポリリン酸遷移金属酸化物前駆体としてガラスまたは結晶化ガラスが合成しやすく、かつ700℃以下での焼成(熱処理)過程で、軟化流動し、結晶化しやすいという特徴を有することから、0.0<a≦3.0,b=1,1.1≦c≦2.9,3.5≦d≦12がより好ましく、0.7≦a≦2.4,b=1,1.2≦c≦2.8,4.0≦d≦11がさらに好ましく、1.7≦a≦2.3,b=1,1.4≦c≦2.7,5.0≦d≦10が最も好ましい。 Among the above polyphosphate transition metal oxides, glass or crystallized glass is easy to synthesize as a polyphosphate transition metal oxide precursor, and it is said that it softens and flows and easily crystallizes in the firing (heat treatment) process at 700 ° C. or lower. 0.0 <a ≦ 3.0, b = 1, 1.1 ≦ c ≦ 2.9, 3.5 ≦ d ≦ 12 is more preferable, and 0.7 ≦ a ≦ 2.4 because of the characteristics. , B = 1,1.2 ≦ c ≦ 2.8, 4.0 ≦ d ≦ 11 are more preferable, 1.7 ≦ a ≦ 2.3, b = 1,1.4 ≦ c ≦ 2.7, Most preferably 5.0 ≦ d ≦ 10.

ポリリン酸遷移金属酸化物は、上記材料のNaサイトの一部にLiまたはKが置換してもよく、Oサイト(8面体位置)やPサイト(8面体位置)の一部にF、Cl、S、Bが置換した材料であってもよい。 In the polyphosphate transition metal oxide, Li or K may be substituted in a part of the Na site of the above material, and F, Cl, in a part of the O site (octahedron position) or P site (octahedron position). It may be a material in which S and B are substituted.

電極合材には、ポリリン酸遷移金属酸化物の他、さらに、ナトリウムイオン電池、ナトリウム金属電池、ナトリウム空気電池、ナトリウム-硫黄電池、ナトリウム-金属塩化物電池、全固体ナトリウム蓄電池などで用いられる活物質を含んでも構わない。すなわち、ポリリン酸遷移金属酸化物の他に、公知のナトリウム金属、公知のナトリウム合金または公知のナトリウムイオン吸蔵材料を含んでも構わない。 In addition to polyphosphate transition metal oxides, the electrode mixture can be used in sodium ion batteries, sodium metal batteries, sodium air batteries, sodium-sulfur batteries, sodium-metal chloride batteries, all-solid sodium storage batteries, etc. It may contain substances. That is, in addition to the polyphosphate transition metal oxide, a known sodium metal, a known sodium alloy, or a known sodium ion occlusion material may be contained.

電極合材を正極合材として用いる場合では、ポリリン酸遷移金属酸化物とさらに、他の正極活物質を含有させてもよい。正極活物質は、遷移金属酸化物系、硫黄系、固溶体系などを含む公知の材料が用いられる。電極合材を負極合材として用いる場合では、ポリリン酸遷移金属酸化物のみでは、実用的なエネルギー密度が得られないため、ポリリン酸遷移金属酸化物とさらに、他の負極活物質を含有させることが好ましい。負極活物質は、遷移金属酸化物系、硫黄系、ナトリウム金属、ナトリウムと合金化する材料、あるいはナトリウムイオンを可逆的に吸蔵・放出することが可能な材料などを含む公知の材料を含むことが好ましい。 When the electrode mixture is used as the positive electrode mixture, it may contain a polyphosphate transition metal oxide and another positive electrode active material. As the positive electrode active material, a known material including a transition metal oxide-based material, a sulfur-based material, a solid solution system, and the like is used. When the electrode mixture is used as the negative electrode mixture, the polyphosphate transition metal oxide alone cannot obtain a practical energy density. Therefore, the polyphosphate transition metal oxide and other negative electrode active materials should be contained. Is preferable. The negative electrode active material may include known materials including transition metal oxide-based materials, sulfur-based materials, sodium metals, materials that alloy with sodium, and materials that can reversibly occlude and release sodium ions. preferable.

上記の電極活物質(正極活物質または負極活物質)は、形状として特に限定されないが、粒径0.1μm~100μmの範囲内の活物質の個の粒子が、結晶性のポリリン酸遷移金属酸化物で複数連結した構造であることが好ましい。すなわち、電極合材は、粒径0.1μm~100μmの範囲内の個の粒子が複数連結した活物質クラスターを形成していることが好ましい。 The above-mentioned electrode active material (positive electrode active material or negative electrode active material) is not particularly limited in shape, but individual particles of the active material having a particle size in the range of 0.1 μm to 100 μm are crystalline polyphosphate transition metal oxidation. It is preferable to have a structure in which a plurality of objects are connected. That is, it is preferable that the electrode mixture forms an active material cluster in which a plurality of particles having a particle size in the range of 0.1 μm to 100 μm are connected.

ここで、粒径とは、レーザー回折・散乱式粒度分布測定法における体積基準での中央値であるメディアン径(D50)を意味する。 Here, the particle size means the median diameter (D50), which is the median value on a volume basis in the laser diffraction / scattering type particle size distribution measurement method.

また、本発明に係る全固体ナトリウム蓄電池は、該電極合材が、活物質の他、エチレンカーボネート(EC)、ポリエチレンカーボネート(PEC)、ポリエチレングリコール(PEG)、ポリエチレンオキシド(PEO)から選択される少なくともいずれか1種を含有することが好ましい。 Further, in the all-solid-state sodium storage battery according to the present invention, the electrode mixture is selected from ethylene carbonate (EC), polyethylene carbonate (PEC), polyethylene glycol (PEG), and polyethylene oxide (PEO) in addition to the active material. It is preferable to contain at least one of them.

電極合材に導電剤としてEC、PEC、PEG、PEOから選択される少なくともいずれか1種を含有することで、電極合材のイオン的抵抗を小さくすることができるので好ましい。 It is preferable that the electrode mixture contains at least one selected from EC, PEC, PEG, and PEO as the conductive agent because the ionic resistance of the electrode mixture can be reduced.

なお、電極合材に含まれる導電剤としてのEC、PEC、PEG、PEOは、構造や性質を大幅に変えない程度の改変を行っても構わない(すなわち誘導体であってもかまわない)。 The EC, PEC, PEG, and PEO as the conductive agent contained in the electrode mixture may be modified to the extent that the structure and properties are not significantly changed (that is, they may be derivatives).

電極合材の質量にもよるが、電極合材に含まれるEC、PEC、PEG、PEOの量は、0.1mg/cm~500mg/cmの範囲内であることが好ましく、0.2mg/cm~250mg/cmの範囲内がより好ましく、0.5mg/cm~100mg/cmがさらに好ましい。 Although it depends on the mass of the electrode mixture, the amount of EC, PEC, PEG, and PEO contained in the electrode mixture is preferably in the range of 0.1 mg / cm 2 to 500 mg / cm 2 , and is preferably 0.2 mg. The range of / cm 2 to 250 mg / cm 2 is more preferable, and 0.5 mg / cm 2 to 100 mg / cm 2 is even more preferable.

本構成によれば、電極合材に含まれるEC、PEC、PEG、PEOから選択される材料が、電極合材中のイオン伝導性を向上させる電解質として機能する。また、電極合材と無機固体電解質との間に介在する有機固体電解質が、電極合材と融着して一体化し、低いインピーダンスの電池となる。これにより、厚みの大きい電極合材を形成しても、室温環境で、高い放電容量を維持しつつ、優れた充放電サイクル特性を発揮できる全固体ナトリウム蓄電池が得られる。 According to this configuration, the material selected from EC, PEC, PEG, and PEO contained in the electrode mixture functions as an electrolyte that improves the ionic conductivity in the electrode mixture. Further, the organic solid electrolyte interposed between the electrode mixture and the inorganic solid electrolyte is fused and integrated with the electrode mixture to form a battery having a low impedance. As a result, an all-solid-state sodium storage battery capable of exhibiting excellent charge / discharge cycle characteristics while maintaining a high discharge capacity in a room temperature environment can be obtained even if a thick electrode mixture is formed.

また、電池を過充電した際には、電極合材に含まれるEC、PEC、PEG、PEOから選択される材料が、酸化分解され、電池の電圧上昇を抑制する機能を備える。 Further, when the battery is overcharged, the material selected from EC, PEC, PEG, and PEO contained in the electrode mixture is oxidatively decomposed and has a function of suppressing the voltage rise of the battery.

電極合材に含まれるEC、PEC、PEG、PEOから選択される材料のうち、電極合材の耐熱性に優れ、イオン伝導性が高く、かつ電極合材と無機固体電解質との間に介在する有機固体電解質と融着しやすいという観点から、PEC、PEG、PEOから選択される分子量500以上の高分子材料が好ましく、より好ましくはPEG又はPEOである。ただし、分子量が20万を超える高分子材料では、粘度が高くなり過ぎて、後述する製造方法では電極合材に含有させることが困難となり、電極合材のイオン伝導性が低下する。なお、これらは架橋物であっても非架橋物であってもかまわない。 Among the materials selected from EC, PEC, PEG, and PEO contained in the electrode mixture, the electrode mixture has excellent heat resistance, high ionic conductivity, and is interposed between the electrode mixture and the inorganic solid electrolyte. From the viewpoint of easy fusion with the organic solid electrolyte, a polymer material having a molecular weight of 500 or more selected from PEC, PEG, and PEO is preferable, and PEG or PEO is more preferable. However, in the case of a polymer material having a molecular weight of more than 200,000, the viscosity becomes too high, and it becomes difficult to include it in the electrode mixture by the manufacturing method described later, and the ionic conductivity of the electrode mixture decreases. These may be crosslinked or non-crosslinked.

また、電極合材には、導電助剤を含んでいることが好ましい。導電助剤は、電子伝導性を有していれば特に制限はなく、例えば、金属、炭素材料、導電性高分子、導電性ガラス等が挙げられるが、高い電子伝導性と小さな比重であるという観点から、カーボン材料が好ましい。具体的にはアセチレンブラック(AB)、ケッチェンブラック(KB)、ファーネスブラック(FB)、サーマルブラック、ランプブラック、チェンネルブラック、ローラーブラック、ディスクブラック、カーボンブラック(CB)、グラッシーカーボンなどが挙げられ、これらの一種又は二種以上を用いてもよい。 Further, it is preferable that the electrode mixture contains a conductive auxiliary agent. The conductive auxiliary agent is not particularly limited as long as it has electronic conductivity, and examples thereof include metals, carbon materials, conductive polymers, conductive glass, etc., but it is said that it has high electronic conductivity and a small specific gravity. From the viewpoint, a carbon material is preferable. Specific examples include acetylene black (AB), ketjen black (KB), furnace black (FB), thermal black, lamp black, channel black, roller black, disc black, carbon black (CB), and glassy carbon. , One or more of these may be used.

上記の電極合材は、少なくともポリリン酸遷移金属酸化物を含む粉末を粉末成型金型に充填し、圧力を加えて成型されたペレット(錠剤)を不活性ガスあるいは還元性ガス雰囲気下で、400℃~2000℃の温度で焼成することで製造できる。 In the above electrode mixture, a powder containing at least a polyphosphate transition metal oxide is filled in a powder molding die, and pellets (tablets) molded by applying pressure are 400 in an inert gas or reducing gas atmosphere. It can be manufactured by firing at a temperature of ° C to 2000 ° C.

しかし、ポリリン酸遷移金属酸化物粉末をペレット化させるには100MPaを超える高圧が必要となるため、大掛かりな圧力装置が必要になる。そこで、上記ポリリン酸遷移金属酸化物は、樹脂系バインダを被覆又は担持されていることが好ましい。ポリリン酸遷移金属酸化物の表面に樹脂系バインダを被覆又は担持させることで、100MPa以下の圧力でペレット化させることが可能となる。 However, since a high pressure exceeding 100 MPa is required to pelletize the polyphosphate transition metal oxide powder, a large-scale pressure device is required. Therefore, it is preferable that the polyphosphate transition metal oxide is coated or supported with a resin-based binder. By coating or supporting a resin-based binder on the surface of the polyphosphate transition metal oxide, pelletization can be performed at a pressure of 100 MPa or less.

このような粉末を用いて加圧成型することで、1MPa~100MPaの圧力で樹脂系バインダ同士が接着し、緻密なペレットが得られる。加圧成型での圧力が1MPa未満では、樹脂系バインダ同士が接着しにくい。一方、100MPaを超える圧力では装置が大掛かりとなる。 By pressure molding using such a powder, the resin binders adhere to each other at a pressure of 1 MPa to 100 MPa, and a dense pellet can be obtained. If the pressure in pressure molding is less than 1 MPa, it is difficult for the resin binders to adhere to each other. On the other hand, if the pressure exceeds 100 MPa, the device becomes large-scale.

得られたペレットは、さらに不活性ガスあるいは還元性ガス雰囲気下で、焼成することで、ポリリン酸遷移金属酸化物が軟化流動し一体化した電極合材が得られる。また同時に、樹脂系バインダを熱分解する。したがって、電極合材(焼成後のペレット)には、樹脂が含まれず、空隙率が5%~50%の範囲内の多孔質の電極合材が得られる。 The obtained pellets are further fired in an atmosphere of an inert gas or a reducing gas to soften and flow the polyphosphate transition metal oxide to obtain an integrated electrode mixture. At the same time, the resin binder is thermally decomposed. Therefore, the electrode mixture (pellets after firing) does not contain a resin, and a porous electrode mixture having a porosity in the range of 5% to 50% can be obtained.

ポリリン酸遷移金属酸化物の他、さらに、ナトリウムイオン電池、ナトリウム金属電池、ナトリウム空気電池、ナトリウム-硫黄電池、ナトリウム-金属塩化物電池、全固体ナトリウム蓄電池などで用いられる活物質を含んで構成される電極合材では、ポリリン酸遷移金属酸化物だけでなく、これらの活物質においても樹脂系バインダを被覆又は担持させることが好ましい。また導電助剤を加える場合であっても同様である。 In addition to polyphosphate transition metal oxides, it is further composed of active materials used in sodium ion batteries, sodium metal batteries, sodium air batteries, sodium-sulfur batteries, sodium-metal chloride batteries, all-solid sodium storage batteries, etc. It is preferable to coat or support the resin-based binder not only in the polyphosphate transition metal oxide but also in these active materials in the electrode mixture. The same applies even when a conductive auxiliary agent is added.

焼成条件は、不活性ガスあるいは還元性ガス雰囲気下で、温度400℃~2000℃の範囲内を5分以上維持できれば特に限定されないが、ポリリン酸遷移金属酸化物を軟化流動させ、かつ樹脂系バインダを熱分解させる観点から、0.1℃/min~50℃/minの範囲内で昇温し、温度400℃~2000℃、維持時間5分以上10時間以下であることが好ましい。 The firing conditions are not particularly limited as long as the temperature can be maintained in the range of 400 ° C. to 2000 ° C. for 5 minutes or more under an inert gas or reducing gas atmosphere, but the polyphosphate transition metal oxide is softened and flowed, and a resin-based binder is used. From the viewpoint of thermal decomposition, it is preferable that the temperature is raised in the range of 0.1 ° C./min to 50 ° C./min, the temperature is 400 ° C. to 2000 ° C., and the maintenance time is 5 minutes or more and 10 hours or less.

焼成後の電極合材は、電池の入出力特性とエネルギー密度の観点から、厚さが10μm~5000μmの範囲内、単位面積当たりの総重量が1mg~5000mg/cmの範囲内であることが好ましい。 From the viewpoint of battery input / output characteristics and energy density, the electrode mixture after firing should have a thickness in the range of 10 μm to 5000 μm and a total weight per unit area in the range of 1 mg to 5000 mg / cm 2 . preferable.

樹脂系バインダが被覆されたポリリン酸遷移金属酸化物は、ポリリン酸遷移金属酸化物と樹脂系バインダからなる混合粉末に、溶媒を加えて混合後、溶媒を揮発除去し、混合体を粉砕または分級することで得られる。なお、溶媒が水でない限りは、ドライ環境中(露点-40℃以下)で作業を行うことがよい。 The polyphosphate transition metal oxide coated with the resin-based binder is prepared by adding a solvent to a mixed powder consisting of the polyphosphate transition metal oxide and the resin-based binder, mixing the mixture, volatilizing and removing the solvent, and pulverizing or classifying the mixture. Obtained by doing. Unless the solvent is water, it is preferable to work in a dry environment (dew point −40 ° C. or lower).

上記の混合粉末の作製や、溶媒を加えての混合手法としては、公知の混合手法を用いることができ、例えば、転動ミル、振動ミル、遊星ミル、揺動ミル、水平ミル、アトライターミル、ジェットミル、擂潰機、ホモジナイザー、フルイダイザー、ペイントシェイカー、ミキサーなどが挙げられる。 As a mixing method for producing the above-mentioned mixed powder or adding a solvent, a known mixing method can be used. For example, a rolling mill, a vibration mill, a planetary mill, a rocking mill, a horizontal mill, and an attritor mill can be used. , Jet mills, grinders, homogenizers, fluidizers, paint shakers, mixers, etc.

また、溶媒を揮発除去し、混合体を粉砕または分級する方法としては、公知の造粒方法が適用可能であり、例えば、流動層造粒法、撹拌粉砕造粒法、転動式造粒法、スプレードライ法、押出造粒法、およびコーティング造粒法などが挙げられる。このうち、スプレードライ法と流動層造粒法が特に好ましい。 As a method for volatilizing and removing the solvent and pulverizing or classifying the mixture, known granulation methods can be applied. For example, a fluidized bed granulation method, a stirring pulverization granulation method, and a rolling granulation method can be applied. , Spray-drying method, extrusion granulation method, coating granulation method and the like. Of these, the spray-drying method and the fluidized bed granulation method are particularly preferable.

スプレードライ法では、例えば、ポリリン酸遷移金属酸化物と樹脂系バインダを分散させた懸濁液を、50~300℃に加温した温室に上方より、1~30mL/min、空気圧0.01~5MPaで噴霧することで、凝集粒をつくり、これを乾燥させることにより造粒物を得る。 In the spray-drying method, for example, a suspension in which a polyphosphate transition metal oxide and a resin-based binder are dispersed is placed in a greenhouse heated to 50 to 300 ° C. from above at 1 to 30 mL / min and an air pressure of 0.01 to. By spraying at 5 MPa, agglomerated granules are formed, and these are dried to obtain granulated products.

流動層造粒法では、例えば、粉体原料を流動層造粒装置に入れ、下方から50~300℃に加温した温風を送り込むことで、粉体原料(造粒物前駆体)を流動させて混合し、この混合粉体原料に樹脂系バインダを溶解あるいは分散した液体を上方よりノズル噴霧し、粉体表面に均一に樹脂系バインダを1~30mL/min、空気圧0.01~5MPaで噴霧することで、凝集粒をつくり、これを乾燥させることにより造粒物を得る。 In the fluidized layer granulation method, for example, a powder raw material is placed in a fluidized layer granulator and warm air heated to 50 to 300 ° C. is sent from below to flow the powder raw material (granulation precursor). Then, the mixed powder raw material is sprayed with a liquid in which a resin-based binder is dissolved or dispersed from above, and the resin-based binder is uniformly spread on the powder surface at 1 to 30 mL / min and an air pressure of 0.01 to 5 MPa. By spraying, aggregated particles are formed, and these are dried to obtain granulated materials.

電極合材にEC、PEC、PEG、PEOから選択される材料を含ませるには、活物質とこれらの材料を混合してペレット化しても構わないが、ポリリン酸遷移金属酸化物の多結晶ガラスまたはガラスを焼成により、ポリリン酸遷移金属酸化物の結晶を生成して製造される場合では、予めEC、PEC、PEG、PEOを含ませた状態で焼成すると熱分解され、合材にEC、PEC、PEG、PEOを含有させることができない。このため、ポリリン酸遷移金属酸化物の多結晶ガラスまたはガラスを焼成後に、EC、PEC、PEG、PEOなどの材料を含有させる必要がある。 In order to include a material selected from EC, PEC, PEG, and PEO in the electrode mixture, the active material and these materials may be mixed and pelletized, but the polycrystalline glass of the polyphosphate transition metal oxide is used. Alternatively, in the case of producing crystals of polyphosphate transition metal oxide by firing glass, if it is fired in a state where EC, PEC, PEG, and PEO are contained in advance, it is thermally decomposed and EC, PEC is added to the mixture. , PEG, PEO cannot be contained. Therefore, it is necessary to contain materials such as EC, PEC, PEG, and PEO after firing the polycrystalline glass of the polyphosphate transition metal oxide or the glass.

そこで、EC、PEC、PEG、PEOなどを液化させた状態にして、焼成後のポリリン酸遷移金属酸化物に塗布、あるいは、EC、PEC、PEG、PEOなどを液化させたものに焼成後のポリリン酸遷移金属酸化物を浸漬することで、電極合材にEC、PEC、PEG、PEOから選択される材料を含ませることができる。 Therefore, EC, PEC, PEG, PEO, etc. are liquefied and applied to the polyphosphate transition metal oxide after calcination, or EC, PEC, PEG, PEO, etc. are liquefied and calcinated polyphosphorus. By immersing the acid transition metal oxide, the electrode mixture can contain a material selected from EC, PEC, PEG, and PEO.

EC、PEC、PEG、PEOなどの液化には、対象材料の温度を上げてもよいが、有機溶媒を加え、液化することが好ましい。この有機溶媒は、対象材料を溶解し液化できるものであれば特に限定されない。例えば、鎖状炭化水素溶媒(DMC、DEC、EMC、ジクロロメタン、アルコール系など)や環状炭化水素溶媒(NMP、ベンゼン、ラクトン系など)、などが挙げられる。有機溶媒は、減圧や加熱処理することで取り除くことが好ましい。例えば、リチウムイオン電池に用いられる電極用スラリーの乾燥方法を採用することができる。 For liquefaction of EC, PEC, PEG, PEO and the like, the temperature of the target material may be raised, but it is preferable to add an organic solvent to liquefy. The organic solvent is not particularly limited as long as it can dissolve and liquefy the target material. For example, a chain hydrocarbon solvent (DMC, DEC, EMC, dichloromethane, alcohol type, etc.), a cyclic hydrocarbon solvent (NMP, benzene, lactone type, etc.), and the like can be mentioned. The organic solvent is preferably removed by reducing the pressure or heat treatment. For example, a method for drying an electrode slurry used in a lithium ion battery can be adopted.

電極合材の厚みが大きい場合は、液化したEC、PEC、PEG、PEOなどを単に塗布しただけでは、浸透しにくいため、焼成後のポリリン酸遷移金属酸化物を液化したEC、PEC、PEG、PEOに浸漬することが好ましい。この状態で、さらに減圧環境にすることで、焼成後のポリリン酸遷移金属酸化物に含まれる細孔の奥深くまで浸透させることができる。減圧環境の条件は、大気圧よりも低い圧力(負圧)にすればよく、例えば、真空ポンプを用いてゲージ圧として0MPa~-0.1MPaの負圧環境を作ればよい。 When the thickness of the electrode mixture is large, it is difficult to penetrate by simply applying liquefied EC, PEC, PEG, PEO, etc., so EC, PEC, PEG, which is a liquefied polyphosphate transition metal oxide after firing. It is preferable to immerse in PEO. In this state, by further reducing the pressure, it is possible to penetrate deep into the pores contained in the polyphosphate transition metal oxide after firing. The conditions of the reduced pressure environment may be a pressure lower than the atmospheric pressure (negative pressure). For example, a vacuum pump may be used to create a negative pressure environment having a gauge pressure of 0 MPa to −0.1 MPa.

上記電極合材は、電極合材に含まれるEC、PEC、PEG、PEOから選択される材料を除いた場合、空隙率が5%~50%の範囲内の多孔質であることが好ましい。空隙率が5%未満であるとEC、PEC、PEG、PEOを十分に電極合材に含ませることができない。また50%を超える場合は、EC、PEC、PEG、PEOなどを電極合材に多く含ませることが可能であるが、電極合材中に占める活物質の割合が少なくなるため、エネルギー密度が低くなる。 The electrode mixture is preferably porous with a porosity in the range of 5% to 50% when the material selected from EC, PEC, PEG, and PEO contained in the electrode mixture is excluded. If the porosity is less than 5%, EC, PEC, PEG, and PEO cannot be sufficiently contained in the electrode mixture. If it exceeds 50%, it is possible to include a large amount of EC, PEC, PEG, PEO, etc. in the electrode mixture, but the energy density is low because the proportion of the active material in the electrode mixture is small. Become.

ここで、空隙率とは、対象の見掛け密度と構成材料の真密度から、以下の式により算出した値である。 Here, the porosity is a value calculated by the following formula from the apparent density of the target and the true density of the constituent materials.

空隙率(%)=100-(対象の見掛け密度/構成材料の真密度)×100 Porosity (%) = 100- (apparent density of target / true density of constituent materials) x 100

また、上記電極合材は、電極合材に含まれるEC、PEC、PEG、PEOから選択される材料を除いた場合、孔径0.1μm~100μmの孔を複数有する多孔質であることが好ましい。当該孔径範囲外となると、後述する電極合材の製造方法において、EC、PEC、PEG、PEOなどを十分に電極合材に含ませることが困難になるためである。すなわち、孔径0.1μm未満では、EC、PEC、PEG、PEOなどが電極合材に浸透しにくく、逆に100μmを超える場合は、電極合材の強度が低く、破損しやすくなる。 Further, the electrode mixture is preferably porous having a plurality of pores having a pore diameter of 0.1 μm to 100 μm when the material selected from EC, PEC, PEG, and PEO contained in the electrode mixture is excluded. This is because it becomes difficult to sufficiently include EC, PEC, PEG, PEO, etc. in the electrode mixture in the method for producing the electrode mixture, which will be described later, when the pore size is out of the range. That is, if the pore diameter is less than 0.1 μm, EC, PEC, PEG, PEO and the like are difficult to penetrate into the electrode mixture, and conversely, if it exceeds 100 μm, the strength of the electrode mixture is low and it is easily damaged.

本発明に係る全固体ナトリウム蓄電池は、例えば、上述したようにして得た電極合材を、露点-40℃以下のドライ環境下で、有機固体電解質を介して無機固体電解質の一方の表面に密着させ、無機固体電解質の他方の表面に対極を設けた状態で密閉することで製造できる。 In the all-solid-state sodium storage battery according to the present invention, for example, the electrode mixture obtained as described above is adhered to one surface of the inorganic solid electrolyte via the organic solid electrolyte in a dry environment with a dew point of −40 ° C. or lower. It can be manufactured by sealing the inorganic solid electrolyte with a counter electrode on the other surface.

対極としては、特に制限はなく、電極合材を正極合材として用いる場合では、対極は負極活物質を含む電極合材あるいは、公知のナトリウム金属負極、公知のナトリウム合金負極、公知のナトリウムイオン吸蔵負極が使用可能である。また、電極合材を負極合材として用いる場合では、対極は正極合材、あるいは公知のナトリウム合金正極、公知のナトリウムイオン吸蔵正極が使用可能である。 The counter electrode is not particularly limited, and when the electrode mixture is used as the positive electrode mixture, the counter electrode is an electrode mixture containing a negative electrode active material, a known sodium metal negative electrode, a known sodium alloy negative electrode, or a known sodium ion storage. A negative electrode can be used. When the electrode mixture is used as the negative electrode mixture, a positive electrode mixture, a known sodium alloy positive electrode, or a known sodium ion occlusion positive electrode can be used as the counter electrode.

また、全固体ナトリウム蓄電池は、対極と無機固体電解質との間にも上述した有機固体電解質を介して構成されることが好ましい。 Further, the all-solid-state sodium storage battery is preferably configured via the above-mentioned organic solid electrolyte between the counter electrode and the inorganic solid electrolyte.

すなわち、本発明に係る全固体ナトリウム電池は、電極合材中に樹脂系バインダを含まないことが好ましい。電極合材中に樹脂系バインダを含むと電子抵抗およびイオン抵抗を増大させる要因になる。 That is, it is preferable that the all-solid-state sodium battery according to the present invention does not contain a resin-based binder in the electrode mixture. If a resin-based binder is contained in the electrode mixture, it becomes a factor of increasing electronic resistance and ionic resistance.

樹脂系バインダとは、カーボンを主たる分子骨格とする化合物のバインダであり、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリイミド(PI)、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアクリル、スチレンブタジエンゴム(SBR)、エチレン-酢酸ビニル共重合体(EVA)、ポリプロピレンカルボナート(PPC)、スチレン-エチレン-ブチレン-スチレン共重合体(SEBS)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、キサンサンガム、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリビニルブチラール(PVB)、エチレンビニルアルコール、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸リチウム、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリアクリル酸カリウム、ポリアクリル酸アンモニウム、ポリアクリル酸メチル、ポリアクリル酸エチル、ポリアクリル酸アミン、ポリアクリル酸エステル、エポキシ樹脂、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ナイロン、塩化ビニル、シリコーンゴム、ニトリルゴム、シアノアクリレート、ユリア樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、ラテックス、ポリウレタン、シリル化ウレタン、ニトロセルロース、デキストリン、ポリビニルピロリドン、酢酸ビニル、ポリスチレン、クロロプロピレン、レゾルシノール樹脂、ポリアロマティック、変性シリコーン、メタクリル樹脂、ポリブテン、ブチルゴム、2-プロペン酸、シアノアクリル酸、メチルメタクリレート、グリシジルメタクリレート、アクリルオリゴマー、2-ヒドロキシエチルアクリレート、ポリアセタール、アルギン酸、デンプン、ショ糖、うるし、にかわ、カゼイン等の材料が挙げられる。 The resin-based binder is a binder of a compound having carbon as a main molecular skeleton, and is, for example, polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyimide (PI), polyamide, polyamideimide, polyacrylic acid, styrene. Butadiene rubber (SBR), ethylene-vinyl acetate copolymer (EVA), polypropylene carbonate (PPC), styrene-ethylene-butylene-styrene copolymer (SEBS), carboxymethyl cellulose (CMC), xansan gum, polyvinyl alcohol ( PVA), polyvinyl butyral (PVB), ethylene vinyl alcohol, polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyacrylic acid, lithium polyacrylic acid, sodium polyacrylic acid, potassium polyacrylic acid, ammonium polyacrylic acid, polyacrylic acid. Methyl, ethyl polyacrylic acid, amine polyacrylic acid, polyacrylic acid ester, epoxy resin, polyethylene terephthalate (PET), polybutylene terephthalate (PBT), nylon, vinyl chloride, silicone rubber, nitrile rubber, cyanoacrylate, urea resin, Melamine resin, phenol resin, latex, polyurethane, silylated urethane, nitrocellulose, dextrin, polyvinylpyrrolidone, vinyl acetate, polystyrene, chloropropylene, resorcinol resin, polyaromatic, modified silicone, methacrylic resin, polybutene, butyl rubber, 2-propen Materials such as acid, cyanoacrylic acid, methyl methacrylate, glycidyl methacrylate, acrylic oligomer, 2-hydroxyethyl acrylate, polyacetal, alginic acid, starch, sucrose, urushi, sardine, and casein can be mentioned.

これら多くの樹脂系バインダは、150℃以上から熱分解して炭化するが、ポリプロピレンカルボナート(PPC)においては、不活性環境や還元性環境であっても、200℃以上の熱処理によって炭酸ガスに変化し、カーボンも残さずに消失するバインダであり、電極への影響が極めて少ないためより好ましい。樹脂系バインダが熱分解することによって生成するカーボンは、高温での焼成を行わない限り、導電性が低いため、電極への悪影響を及ぼすことがある。 Many of these resin-based binders are thermally decomposed and carbonized from 150 ° C or higher, but in polypropylene carbonate (PPC), even in an inert environment or a reducing environment, heat treatment at 200 ° C or higher results in carbonization. It is a binder that changes and disappears without leaving carbon, and is more preferable because it has very little effect on the electrodes. The carbon produced by the thermal decomposition of the resin binder has low conductivity unless it is fired at a high temperature, and may adversely affect the electrodes.

また、本発明に係る全固体ナトリウム蓄電池は、電極合材が電子伝導性を有する集電体と電気的に接触した構造であることが好ましい。この集電体は、貫通孔を有する金属または非貫通の金属のいずれであっても構わないが、非貫通の金属を用いることで、図2に示すようなバイポーラ構造の全固体電池を作製することができる。バイポーラ電極は、金属箔や金属板などの非貫通の金属からなる集電体6を電極合材2に接触させて作製してもよいし、電極合材に対して電気めっきや気相成長法などの手法にて集電体6を形成して得られるものでも構わない。バイポーラ構造の全固体電池であれば、1つのセルで高い電圧を得ることができる。 Further, the all-solid-state sodium storage battery according to the present invention preferably has a structure in which the electrode mixture is in electrical contact with a current collector having electronic conductivity. The current collector may be either a metal having a through hole or a non-penetrating metal, but by using the non-penetrating metal, an all-solid-state battery having a bipolar structure as shown in FIG. 2 is manufactured. be able to. The bipolar electrode may be manufactured by contacting a current collector 6 made of a non-penetrating metal such as a metal foil or a metal plate with the electrode mixture 2, or electroplating or a vapor phase growth method on the electrode mixture. It may be obtained by forming the current collector 6 by a method such as. With an all-solid-state battery having a bipolar structure, a high voltage can be obtained with one cell.

一方、集電体として貫通孔を有する金属を用いる場合では、電極合材を集電体に充填することで、三次元的に電極合材から集電することができる。これにより、電極合材の電子伝導性を向上させ、出力特性に優れた電池が得られる。また、活物質前駆体を含む合材を焼成によって、電極合材とする場合には、活物質前駆体が大きな体積収縮を起こすため、大きな応力を発生させるが、電極合材を非貫通の金属に充填することで、凝集応力が緩和され、電極合材にひび割れなどの発生を抑制できる。また、充放電によって大きな体積変化が起こる活物質を用いる場合では、集電体から電極合材の脱落が抑制され、長寿命な電池となる。 On the other hand, when a metal having a through hole is used as the current collector, the current collector can be filled with the electrode mixture three-dimensionally to collect electricity from the electrode mixture. As a result, the electron conductivity of the electrode mixture is improved, and a battery having excellent output characteristics can be obtained. Further, when the mixture containing the active material precursor is made into an electrode mixture by firing, the active material precursor causes a large volume shrinkage, which causes a large stress, but a metal that does not penetrate the electrode mixture. By filling in, the cohesive stress is relaxed, and the occurrence of cracks in the electrode mixture can be suppressed. Further, when an active material whose volume changes greatly due to charging / discharging is used, the electrode mixture is suppressed from falling off from the current collector, and the battery has a long life.

このような集電体の材質は、電子伝導性を有し、電極合材に含まれる活物質に通電し得る材料であれば特に限定されない。例えば、金属やカーボン、導電性セラミックス、導電性ガラスなどが挙げられる。具体的には、金、アルミニウム、カーボン、銅、モリブデン、チタン、クロム、ニッケル、タンタル、タングステン、白金などの導電性物質、これら導電性物質の二種類以上を含有する金属(例えば、ステンレス鋼、Al-Fe合金など)を使用し得る。このうち、材料が低廉であり、且つ出力特性に優れる電池が得られる観点から、アルミニウムまたはアルミニウム合金に対してカーボンを被覆した集電体であることが好ましい。より具体的には、金属の表面に厚さ0.1μm~3μmのカーボン層を有する集電体が好ましい。 The material of such a current collector is not particularly limited as long as it has electron conductivity and can energize the active material contained in the electrode mixture. For example, metal, carbon, conductive ceramics, conductive glass and the like can be mentioned. Specifically, conductive substances such as gold, aluminum, carbon, copper, molybdenum, titanium, chromium, nickel, tantalum, tungsten, and platinum, and metals containing two or more of these conductive substances (for example, stainless steel, Al—Fe alloy, etc.) can be used. Of these, from the viewpoint of obtaining a battery in which the material is inexpensive and the output characteristics are excellent, a current collector in which aluminum or an aluminum alloy is coated with carbon is preferable. More specifically, a current collector having a carbon layer having a thickness of 0.1 μm to 3 μm on the surface of the metal is preferable.

集電体の形状には、上述したように、大別して貫通孔を有する金属と非貫通の金属がある。貫通孔を有する金属は、例えば、発泡金属、貫通孔を有するエンボス体、エキスパンド、パンチング体、不織布、織布などが挙げられ、空隙率が10%~98%であることが好ましい。ただし、空隙率10%未満では、非貫通の金属と大差なく、98%を超える場合では、集電体の強度が低く、電極が破損しやすくなる。非貫通の金属は、例えば、箔、板、非貫通エンボス体などがある。 As described above, the shape of the current collector is roughly classified into a metal having a through hole and a non-penetrating metal. Examples of the metal having a through hole include foamed metal, an embossed body having a through hole, an expanded body, a punching body, a non-woven fabric, a woven fabric, and the like, and the porosity is preferably 10% to 98%. However, when the porosity is less than 10%, it is not much different from the non-penetrating metal, and when it exceeds 98%, the strength of the current collector is low and the electrode is easily damaged. Non-penetrating metals include, for example, foils, plates, non-penetrating embossed bodies and the like.

このように電極は、電極合材と集電体から構成される。しかし、電池の外装体(電槽)が電気伝導性を有し、それ自体が集電体としての役割を兼ねることができる場合には、必ずしも集電体を必要としない。 In this way, the electrode is composed of an electrode mixture and a current collector. However, if the outer body (electric tank) of the battery has electrical conductivity and can also serve as a current collector by itself, the current collector is not always required.

以上のとおり、全固体ナトリウム蓄電池について説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。例えば、本発明の全固体ナトリウム蓄電池の電解質は、電解液やイオン性液体、ゲル電解質をさらに加えたものであっても構わない。例えば、電池のキャリアイオンをナトリウムイオンから他のアルカリ金属イオン(リチウムイオンやカリウムイオンなど)に代えて、全固体リチウムイオン蓄電池や全固体カリウムイオン蓄電池としても構わない。 As described above, the all-solid-state sodium storage battery has been described, but various additions, changes, or deletions can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, the electrolyte of the all-solid-state sodium storage battery of the present invention may be further added with an electrolytic solution, an ionic liquid, and a gel electrolyte. For example, the carrier ion of the battery may be replaced with another alkali metal ion (lithium ion, potassium ion, etc.) from sodium ion to be an all-solid lithium ion storage battery or an all-solid potassium ion storage battery.

本発明に係る一の態様の組電池は、本発明の全固体ナトリウム蓄電池を備えることを特徴とする。すなわち、本発明の全固体ナトリウム蓄電池同士を直結、又はブスバーを介して電気的に接続し、2個以上の単電池からなる電池群であればよい。 The assembled battery of one aspect according to the present invention is characterized by comprising the all-solid-state sodium storage battery of the present invention. That is, it may be a battery group consisting of two or more single batteries in which the all-solid-state sodium storage batteries of the present invention are directly connected to each other or electrically connected via a bus bar.

本発明に係る一の態様の電気機器は、本発明の全固体ナトリウム蓄電池または組電池を備えることを特徴とする。 One aspect of the electrical equipment according to the present invention is characterized by comprising the all-solid-state sodium storage battery or the assembled battery of the present invention.

電気機器としては、例えば、アイロン、泡だて器、一体型パソコン、衣類乾燥機、医療機器、インターホン、ウェアラブル端末、映像機器、エアコン、エアサーキュレーター、園芸機械、オートバイ、オーブン、音楽プレーヤー、音楽レコーダー、温風ヒーター、おもちゃ類、カーコンポ、懐中電灯、拡声器、カーナビ、カセットコンロ、家庭用蓄電池、介護機械、加湿器、乾燥機、給油機、給水器、吸引機、金庫、グルーガン、携帯電話、携帯情報機器、空気清浄器、空調服、ゲーム機、蛍光灯、毛玉取り機、コードレス電話、コーヒーメーカー、コーヒーウォーマー、氷かき機、こたつ、コピー機、散髪器具、シェーバー、芝刈り機、自動車、照明器具、除湿器、シーラー、シュレッダー、自動体外式除細動器、炊飯器、ステレオ、ストーブ、スピーカー、ズボンプレッサー、スマートフォン、精米機、洗濯機、洗浄機能付便座、センサー、扇風機、潜水艦、送風機、掃除機、空飛ぶ車、タブレット、体脂肪計、釣り具、デジタルカメラ、テレビ、テレビ受像機、テレビゲーム、ディスプレイ、ディスクチェンジャー、デスクトップ型パソコン、鉄道、テレビ、電気カーペット、電気スタンド、電気ストーブ、電気ポット、電気毛布、電卓、電動カート、電動車椅子、電動工具、電気自動車、電気浮(うき)、電動歯ブラシ、電話機、電動自転車、電撃殺虫器、電磁調理器、電子手帳、電子楽器、電子錠、電子カード、電子レンジ、電子蚊取り、電子たばこ、電話、電力負荷平準機、トースター、ドライヤー、トランシーバー、時計、ドローン、生ごみ処理機、ノートパソコン、白熱電球、はんだごて、パネルヒーター、ハロゲンヒーター、発酵機、パン焼き機、ハイブリッド自動車、パソコン、パソコン周辺機器、バリカン、パネルヒーター、ビデオカメラ、ビデオデッキ、飛行機、非常用電灯、非常用蓄電池、船、美容機器、プリンター、複写機、粉砕機、噴霧器、ファクシミリ、フォークリフト、プラグインハイブリッド自動車、プロジェクタ、ヘアドライア、ヘアーアイロン、ヘッドホン、防災機器、防犯機器、ホームシアター、ホットサンドメーカー、ホットプレート、ポンプ、芳香機、マッサージ機、ミキサー、ミル、ムービープレーヤー、モニター、もちつき機、湯沸かし器、床暖房パネル、ラジオ、ラジオカセット、ランタン、ラジコン、ラミネーター、リモコン、レンジ、冷水器、冷蔵庫、冷風機、冷風扇、冷房機器、ロボット、ワープロ、GPS、などが挙げられる。 Electrical equipment includes, for example, irons, whisks, integrated personal computers, clothes dryers, medical equipment, interphones, wearable terminals, video equipment, air conditioners, air circulators, gardening machines, motorcycles, ovens, music players, music recorders. , Hot air heater, toys, car components, flashlights, loudspeakers, car navigation systems, cassette stoves, household storage batteries, nursing machines, humidifiers, dryers, refueling machines, water dispensers, suction machines, safes, glue guns, mobile phones, Portable information equipment, air purifiers, air conditioners, game machines, fluorescent lights, fluff removers, cordless phones, coffee makers, coffee warmers, ice scrapers, kotatsu, copy machines, haircuts, shavers, lawn mowers, automobiles, Lighting equipment, dehumidifier, sealer, shredder, automatic extracorporeal defibrillator, rice cooker, stereo, stove, speaker, trouser press, smartphone, rice mill, washing machine, toilet seat with washing function, sensor, fan, submarine, blower , Vacuum cleaner, flying car, tablet, body fat meter, fishing tackle, digital camera, TV, TV receiver, video game, display, disk changer, desktop computer, railroad, TV, electric carpet, electric stand, electric stove , Electric pot, electric blanket, calculator, electric cart, electric wheelchair, electric tool, electric car, electric float, electric toothbrush, telephone, electric bicycle, electric shock insecticide, electromagnetic cooker, electronic notebook, electronic musical instrument, electronic Locks, electronic cards, microwave ovens, electronic mosquito repellents, electronic cigarettes, telephones, power load levelers, toasters, dryers, transceivers, watches, drones, food waste disposers, laptops, incandescent bulbs, soldering irons, panel heaters, halogens. Heater, fermenter, pan baking machine, hybrid car, personal computer, personal computer peripherals, varican, panel heater, video camera, video deck, airplane, emergency electric light, emergency storage battery, ship, beauty equipment, printer, copying machine, crusher , Atomizer, Facsimile, Forklift, Plug-in hybrid car, Projector, Hair dryer, Hair iron, Headphones, Disaster prevention equipment, Security equipment, Home theater, Hot sand maker, Hot plate, Pump, Fragrance machine, Massage machine, Mixer, Mill, Movie player , Monitor, Mochitsuki machine, Water heater, Floor heating panel, Radio, Radio cassette, Lantern, Radicon, Laminator, Remote control, Range, Water cooler, Refrigerator, Cold air blower, Examples include cold air fans, air conditioners, robots, word processors, GPS, and the like.

<実施例>
以下、本発明に係る実施例を具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。特に、実施例においては、固体電解質としてβ’’-アルミナを用いた全固体ナトリウム蓄電池を例に説明するが、本発明はこれに限らない。また、電極合材中に含まれる活物質として、NaFePを例に説明するが、これに限らない。
<Example>
Hereinafter, examples of the present invention will be specifically described, but the present invention is not limited to these examples. In particular, in the examples, an all-solid-state sodium storage battery using β''-alumina as a solid electrolyte will be described as an example, but the present invention is not limited to this. Further, Na 2 FeP 2 O 7 will be described as an example as the active material contained in the electrode mixture, but the present invention is not limited to this.

<正極活物質前駆体粉末の作製>
正極活物質前駆体は溶融急冷法により作製した。原料としてメタリン酸ソーダ(NaPO)、酸化鉄(Fe)、オルトリン酸(HPO)を組成がモル比で40NaO-20Fe-40Pとなるように調合し、1350℃にて1時間、大気雰囲気中にて溶融を行った。得られた溶融ガラスを1対の冷却ローラー間に流し出し、急冷しながら成形し、厚み0.1~1mmのフィルム状のガラス体を得た。このガラス体に対し、φ20mmのZrO玉石を使用したボールミル粉砕を10時間行い、目開き120μmの樹脂製篩に通過させ、平均粒子径7μmのガラス粗粉末を得た。さらに、このガラス粗粉末に対し、粉砕助剤としてエタノールを用い、φ3mmのZrO玉石を使用したボールミル粉砕を80時間行うことで、平均粒子径0.6μmのガラス粉末(正極活物質前駆体粉末)を得た。粉末X線回折測定の結果、ガラス粉末は非晶質であることを確認した。
<Preparation of positive electrode active material precursor powder>
The positive electrode active material precursor was prepared by the melt quenching method. Sodium metaphosphate (NaPO 3 ), iron oxide (Fe 2 O 3 ), orthophosphoric acid (H 3 PO 4 ) are used as raw materials so that the composition is 40 Na 2 O-20 Fe 2 O 3-40P 2 O 5 in terms of molar ratio. It was prepared and melted in an air atmosphere at 1350 ° C. for 1 hour. The obtained molten glass was poured between a pair of cooling rollers and molded while quenching to obtain a film-shaped glass body having a thickness of 0.1 to 1 mm. This glass body was pulverized by a ball mill using a ZrO 2 ball stone having a diameter of 20 mm for 10 hours and passed through a resin sieve having an opening of 120 μm to obtain a coarse glass powder having an average particle diameter of 7 μm. Further, the crude glass powder was pulverized by a ball mill using ethanol as a pulverizing aid and using a φ3 mm ZrO 2 ball stone for 80 hours to obtain a glass powder having an average particle diameter of 0.6 μm (positive electrode active material precursor powder). ) Was obtained. As a result of powder X-ray diffraction measurement, it was confirmed that the glass powder was amorphous.

<正極活物質粉末の作製>
前記で得られたガラス体を窒素雰囲気中、650℃にて1時間焼成を行なうことで結晶化させて結晶体を得た。この結晶体に対し、φ20mmのZrO玉石を使用したボールミル粉砕を10時間行い、目開き120μmの樹脂製篩に通過させ、平均粒子径7μmの粗粉末を得た。さらに、この粗粉末に対し、粉砕助剤としてエタノールを用い、φ3mmのZrO玉石を使用したボールミル粉砕を12時間行うことで、平均粒子径0.2μmの結晶体粉末を得た。この結晶体粉末70wt.%に対して、カーボン源として非イオン性界面活性剤であるポリエチレンオキシドノニルフェニルエーテル(質量平均分子量:660)を30wt.%を混合した後、100℃で1時間乾燥させた。その後、窒素雰囲気中で620℃、30分間焼成を行い平均粒子径0.2μmの正極活物質粉末を得た。この正極活物質粉末を粉末X線回折測定の結果、NaFeP結晶由来の回折線であることを確認した。
<Preparation of positive electrode active material powder>
The glass body obtained above was crystallized by firing at 650 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere to obtain a crystal body. This crystal was pulverized by a ball mill using a ZrO2 ball stone having a diameter of 20 mm for 10 hours and passed through a resin sieve having an opening of 120 μm to obtain a coarse powder having an average particle diameter of 7 μm. Further, this crude powder was subjected to ball mill pulverization using ethanol as a pulverizing aid and using a φ3 mm ZrO 2 ball stone for 12 hours to obtain a crystal powder having an average particle diameter of 0.2 μm. This crystal powder 70 wt. %, As a carbon source, polyethylene oxide nonylphenyl ether (mass average molecular weight: 660), which is a nonionic surfactant, was added at 30 wt. % Was mixed and then dried at 100 ° C. for 1 hour. Then, it was calcined at 620 ° C. for 30 minutes in a nitrogen atmosphere to obtain a positive electrode active material powder having an average particle diameter of 0.2 μm. As a result of powder X-ray diffraction measurement, it was confirmed that the positive electrode active material powder was a diffraction line derived from Na 2 FeP 2 O 7 crystals.

<電極合材(活物質層)の作製>
電極合材(活物質層)は、アルゴン環境中、ポリプロピレンカルボナート(PPC)が被覆された合材粉末を粉末成型金型(エヌピーエーシステム株式会社製,Φ10mm)に充填後、30MPaの圧力を加えて成型されたペレットを窒素(N)/水素(H)混合ガス(=96/4vol.%)雰囲気下、550℃、1h、3℃/minの条件で焼成し、次いで集電体としてペレットの片面に物理気相成長法(PVD)にて厚さ300nmの金を成膜することで作製した。焼成工程により、電極合材中に含まれるPPCはすべて熱分解して炭酸ガスに変化したため、得られた電極合材はPPCを差し引いた重量となった。
<Preparation of electrode mixture (active material layer)>
The electrode mixture (active material layer) is prepared by filling a powder molding die (manufactured by NPA System Co., Ltd., Φ10 mm) with a mixture powder coated with polypropylene carbonate (PPC) in an argon environment, and then applying a pressure of 30 MPa. In addition, the molded pellets are fired in a nitrogen (N 2 ) / hydrogen (H 2 ) mixed gas (= 96/4 vol.%) Atmosphere under the conditions of 550 ° C, 1h, and 3 ° C / min, and then a current collector. It was produced by forming a 300 nm-thick gold film on one side of the pellet by a physical gas phase growth method (PVD). By the firing step, all the PPC contained in the electrode mixture was thermally decomposed and changed to carbon dioxide gas, so that the obtained electrode mixture had the weight obtained by subtracting the PPC.

焼成後の電極合材は、厚さが298μm、総重量が0.0307g、直径が9.242mm、電極合材に含まれる活物質の重量が0.02794gであった。電極合材の断面のSEM(走査型電子顕微鏡)画像を確認したところ、正極活物質粒子が複数連結したクラスターの形成からなり、かつ、細孔を含む多孔質構造であることが確認された。このクラスターは、合材粉末を焼成する際に、正極活物質前駆体粉末が軟化流動して、正極活物質粉末同士を結着することにより形成されたものである。なお、正極活物質前駆体粉末は軟化流動するとともに結晶化し、NaFeP結晶を析出していることが確認された。 The electrode mixture after firing had a thickness of 298 μm, a total weight of 0.0307 g, a diameter of 9.242 mm, and a weight of the active material contained in the electrode mixture was 0.02794 g. When the SEM (scanning electron microscope) image of the cross section of the electrode mixture was confirmed, it was confirmed that the positive electrode active material particles formed clusters in which a plurality of positive electrode active material particles were connected and had a porous structure including pores. This cluster is formed by softening and flowing the positive electrode active material precursor powder and binding the positive electrode active material powders to each other when the mixture powder is fired. It was confirmed that the positive electrode active material precursor powder softened and flowed and crystallized to precipitate Na 2 FeP 2 O 7 crystals.

なお、PPCが被覆された合材粉末は、ドライ環境中(露点-40℃以下)、正極活物質前駆体粉末および正極活物質、導電助剤、PPC(32.3:48.5:2.5:16.7wt%)にN-メチル-2-ピロリドン(NMP)を加えて自公転式ミキサー(シンキー製、練太郎,2000rpm,1h)で混合後、ガラス板上で加熱乾燥処理(80℃,1h)することでNMPを揮発除去し、混合体を擂潰機(日陶科学製,AMM-140D)で粉砕(1h)することで得た。導電助剤としては、カーボンブラックおよび気相成長炭素繊維(昭和電工製,VGCF-H)を5:1wt.%となるように混合したものを用いた。 The PPC-coated mixture powder was prepared in a dry environment (dew point −40 ° C. or lower), a positive electrode active material precursor powder and a positive electrode active material, a conductive auxiliary agent, and PPC (32.3: 48.5: 2. 5: 16.7 wt%) is added with N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), mixed with a self-revolving mixer (Sinky, Neritaro, 2000 rpm, 1 h), and then heat-dried (80 ° C.) on a glass plate. , 1h) to volatilize and remove NMP, and the mixture was crushed (1h) with a crusher (manufactured by Nikko Kagaku, AMM-140D). As the conductive auxiliary agent, carbon black and vapor phase grown carbon fiber (Showa Denko, VGCF-H) were used at 5: 1 wt. A mixture was used so as to be%.

<無機固体電解質>
組成式Na1.6Li0.34Al10.6617のLiO安定化β’’-アルミナ(Ionotec社製)をそのまま用いた。無機固体電解質の厚さは、1mmであった。
<Inorganic solid electrolyte>
Li 2 O stabilized β''-alumina (manufactured by Ionotec) of composition formula Na 1.6 Li 0.34 Al 10.66 O 17 was used as it was. The thickness of the inorganic solid electrolyte was 1 mm.

<有機固体電解質の作製>
有機固体電解質は、重量平均分子量(Mw)7000のポリエチレングリコール(PEG)およびNaPF(1:0.3wt.)にアセトニトリルを加えて自公転式ミキサー(シンキー製、練太郎,2000rpm,1h)で混合することで作製した。
<Preparation of organic solid electrolyte>
The organic solid electrolyte is prepared by adding acetonitrile to polyethylene glycol (PEG) having a weight average molecular weight (Mw) of 7000 and NaPF 6 (1: 0.3 wt.) And using a self-revolving mixer (Sinky, Neritaro, 2000 rpm, 1 h). It was produced by mixing.

<全固体ナトリウム蓄電池の作製>
(実施例1:全固体ナトリウム蓄電池)
実施例1の電池は、アルゴン環境中、前述のとおりに作製された電極合材及び無機固体電解質の間に前述のとおりに作製された有機固体電解質を0.005g/cmとなるように介在させ、対極としてナトリウム金属を用いることで作製した。なお、前記有機固体電解質はアセトニトリルに溶解した前記有機固体電解質を前記電極合材に刷毛で塗布後、真空乾燥(60℃、1h)することで介在した。
<Manufacturing of all-solid-state sodium storage battery>
(Example 1: All-solid-state sodium storage battery)
In the battery of Example 1, the organic solid electrolyte prepared as described above is interposed between the electrode mixture prepared as described above and the inorganic solid electrolyte in an argon environment so as to be 0.005 g / cm 2 . It was prepared by using a sodium metal as a counter electrode. The organic solid electrolyte was interposed by applying the organic solid electrolyte dissolved in acetonitrile to the electrode mixture with a brush and then vacuum drying (60 ° C., 1 h).

(実施例2:全固体ナトリウム蓄電池)
実施例2の電池は、PEGおよびNaPF(1:0.3wt.)からなる混合体を0.006g/cmとなるように充填させた電極合材を用いた他、実施例1と同様の電池構成である。なお、電極合材へ充填される混合体は、アセトニトリルに溶解したPEGおよびNaPFに電極合材を浸漬後、真空乾燥(60℃、1h)することで脱アセトニトリル処理を行うことで充填した。
(Example 2: All-solid-state sodium storage battery)
The battery of Example 2 was the same as that of Example 1, except that an electrode mixture filled with a mixture of PEG and NaPF 6 (1: 0.3 wt.) So as to be 0.006 g / cm 2 was used. Battery configuration. The mixture to be filled in the electrode mixture was filled by immersing the electrode mixture in PEG and NaPF 6 dissolved in acetonitrile and then vacuum drying (60 ° C., 1 h) to remove acetonitrile.

(実施例3:全固体ナトリウム蓄電池)
実施例3の電池は、エチレンカーボネート(EC)およびNaPF(1:0.3wt%)からなる混合体を電極合材に充填した他、実施例2と同様の電池構成である。なお、電極合材へ充填させる混合体は、ジエチルカーボネート(DEC)に溶解したECおよびNaPFに電極合材を浸漬後、真空乾燥(60℃、1h)することで脱DEC処理を行うことで充填した。
(Example 3: All-solid-state sodium storage battery)
The battery of Example 3 has the same battery configuration as that of Example 2, except that the electrode mixture is filled with a mixture of ethylene carbonate (EC) and NaPF 6 (1: 0.3 wt%). The mixture to be filled in the electrode mixture is subjected to a de-DEC treatment by immersing the electrode mixture in EC and NaPF 6 dissolved in diethyl carbonate (DEC) and then vacuum drying (60 ° C., 1 h). Filled.

(比較例1:全固体ナトリウム蓄電池)
比較例1の電池は、有機固体電解質を具備していない他、実施例1と同様の電池構成である。
(Comparative Example 1: All-solid-state sodium storage battery)
The battery of Comparative Example 1 is not provided with the organic solid electrolyte and has the same battery configuration as that of Example 1.

(比較例2:液式ナトリウムイオン電池)
比較例2の電池は、有機固体電解質、無機固体電解質を具備していない代わりに、ガラス不織布(アドバンテック社製,GA-100)とポリオレフィン系微多孔膜(セルガード社製,#2320)を重ねたセパレータに1M NaPF/(EC:DEC=1:1vol.)を含浸させた部材を用いた他、実施例1と同様の電池構成である。
(Comparative Example 2: Liquid Sodium Ion Battery)
The battery of Comparative Example 2 was not provided with an organic solid electrolyte or an inorganic solid electrolyte, but instead had a glass non-woven fabric (Advantech, GA-100) and a polyolefin-based microporous film (Celguard, # 2320) laminated on top of each other. The battery configuration is the same as that of the first embodiment, except that the separator is impregnated with 1M NaPF 6 / (EC: DEC = 1: 1 vol.).

<電池試験>
電池試験は、60℃、0.01C率、カットオフ電圧3.8~2.0Vの条件で定電流充放電を繰り返すことで行った。以下、実施例1~3および比較例1~2の充放電試験結果を示す。
<Battery test>
The battery test was carried out by repeating constant current charging / discharging under the conditions of 60 ° C., 0.01 C rate, and cutoff voltage of 3.8 to 2.0 V. Hereinafter, the charge / discharge test results of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 are shown.

(実施例1)
実施例1の全固体ナトリウム蓄電池は、有機固体電解質としてPEGとNaPFからなる混合体を、電極合材と無機固体電解質との間に介在させたことで、電極合材と無機固体電解質とが一体化された。しかし、電池の抵抗が高く、活物質の放電容量が10.1mAh/g(0.42mAh/cm2)であった。
(Example 1)
In the all-solid-state sodium storage battery of Example 1, a mixture consisting of PEG and NaPF 6 as an organic solid electrolyte was interposed between the electrode mixture and the inorganic solid electrolyte, so that the electrode mixture and the inorganic solid electrolyte were formed. It was integrated. However, the resistance of the battery was high, and the discharge capacity of the active material was 10.1 mAh / g (0.42 mAh / cm 2 ).

(実施例2)
実施例2の全固体ナトリウム蓄電池は、有機固体電解質としてPEGとNaPFからなる混合体を、電極合材と無機固体電解質との間に介在させたことで、電極合材と無機固体電解質とが一体化された。また、電極合材中に有機固体電解質が含侵されていた。その結果、活物質の放電容量が89.2mAh/g(3.72mAh/cm2)であった。
(Example 2)
In the all-solid sodium storage battery of Example 2, a mixture of PEG and NaPF 6 as an organic solid electrolyte was interposed between the electrode mixture and the inorganic solid electrolyte, so that the electrode mixture and the inorganic solid electrolyte could be separated. It was integrated. In addition, the organic solid electrolyte was impregnated in the electrode mixture. As a result, the discharge capacity of the active material was 89.2 mAh / g (3.72 mAh / cm 2 ).

(実施例3)
実施例3の全固体ナトリウム蓄電池は、有機固体電解質としてPEGとNaPFからなる混合体を、電極合材と無機固体電解質との間に介在させたことで、電極合材と無機固体電解質とが一体化された。また、電極合材中に有機固体電解質が含侵されていた。その結果、活物質の放電容量が92.6mAh/g(3.86mAh/cm2)であった。
(Example 3)
In the all-solid-state sodium storage battery of Example 3, a mixture of PEG and NaPF 6 as an organic solid electrolyte was interposed between the electrode mixture and the inorganic solid electrolyte, so that the electrode mixture and the inorganic solid electrolyte could be separated from each other. It was integrated. In addition, the organic solid electrolyte was impregnated in the electrode mixture. As a result, the discharge capacity of the active material was 92.6 mAh / g (3.86 mAh / cm 2 ).

(比較例1)
比較例1の全固体ナトリウム蓄電池は、有機固体電解質を具備していないため、電極合材と無機固体電解質とが一体化されなかった。また、活物質の放電容量が0.0mAh/g(0mAh/cm2)で、電池としてまったく機能しなかった。これは、0.01C率という微小電流を流しても電極と、固体電解質との間の界面でイオンの流れに大きな抵抗があったということを意味している。
(Comparative Example 1)
Since the all-solid-state sodium storage battery of Comparative Example 1 does not have an organic solid electrolyte, the electrode mixture and the inorganic solid electrolyte were not integrated. In addition, the discharge capacity of the active material was 0.0 mAh / g (0 mAh / cm 2 ), and it did not function as a battery at all. This means that there was a large resistance to the flow of ions at the interface between the electrode and the solid electrolyte even when a minute current of 0.01 C rate was applied.

(比較例2)
比較例2の液式ナトリウムイオン電池は、活物質の放電容量が94.2mAh/g(3.92mAh/cm2)であった。
(Comparative Example 2)
In the liquid sodium ion battery of Comparative Example 2, the discharge capacity of the active material was 94.2 mAh / g (3.92 mAh / cm 2 ).

以上述べた実施例1―3、比較例1-2の電池試験結果を表1に示す。 Table 1 shows the battery test results of Examples 1-3 and Comparative Example 1-2 described above.

Figure 2022058019000002
Figure 2022058019000002

<電池の過充電試験>
電池の過充電試験は、60℃、0.01C率、充電カットオフ電圧4.5Vの条件で定電流充電した。実施例3および比較例2の充電曲線を比較して図3に示す。縦軸には電池電圧を、横軸には充電時間を示している。100時間を超える充電が過充電領域となる。図3から明らかなように、実施例3の電池では4.2V付近に充電プラトーが確認され、充電カットオフ電圧である4.5Vにまで到達しなかった。一方、比較例2の電池では4.2V付近の充電プラトーは確認されず、充電カットオフ電圧まで充電された。実施例3の電池では電極合材と無機固体電解質との間に介在した有機固体電解質が4.2V付近で酸化分解しているものだと考えられる。この結果から、有機固体電解質が電池内に具備されることで過充電を抑止できることが示された(表2参照)
<Battery overcharge test>
In the overcharge test of the battery, the battery was charged with a constant current under the conditions of 60 ° C., 0.01 C rate, and a charge cutoff voltage of 4.5 V. The charge curves of Example 3 and Comparative Example 2 are compared and shown in FIG. The vertical axis shows the battery voltage, and the horizontal axis shows the charging time. Charging for more than 100 hours is the overcharge area. As is clear from FIG. 3, in the battery of Example 3, a charging plateau was confirmed in the vicinity of 4.2V, and the charging cutoff voltage of 4.5V was not reached. On the other hand, in the battery of Comparative Example 2, no charging plateau near 4.2V was confirmed, and the battery was charged to the charging cutoff voltage. In the battery of Example 3, it is considered that the organic solid electrolyte interposed between the electrode mixture and the inorganic solid electrolyte is oxidatively decomposed at around 4.2 V. From this result, it was shown that overcharging can be suppressed by having the organic solid electrolyte in the battery (see Table 2).

Figure 2022058019000003
Figure 2022058019000003

また、実施例3の電池を、60℃、0.01C率、充電カットオフ電圧4.5Vの条件で、SOC(State of Charge)200%になるまで定電流定電圧充電後、0.1C率で2.0Vになるまで定電流放電したところ、放電容量を示さなかった。有機固体電解質が酸化分解されたことで、電池抵抗が増大し、シャットダウンしたものと思われる。 Further, the battery of Example 3 is charged with a constant current and constant voltage until the SOC (State of Charge) reaches 200% under the conditions of 60 ° C., 0.01C rate, and charge cutoff voltage of 4.5V, and then 0.1C rate. When a constant current was discharged until the voltage reached 2.0 V, the discharge capacity was not shown. It is probable that the battery resistance increased due to the oxidative decomposition of the organic solid electrolyte, and the battery was shut down.

本発明に係る全固体ナトリウム蓄電池は、室温環境で、高い放電容量を維持しつつ、優れた充放電サイクル特性を発揮し、かつ過充電でシャットダウンすることができる。このため、EV(電気自動車)用、定置用の電源への適用が見込まれる。 The all-solid-state sodium storage battery according to the present invention exhibits excellent charge / discharge cycle characteristics while maintaining a high discharge capacity in a room temperature environment, and can be shut down by overcharging. Therefore, it is expected to be applied to EV (electric vehicle) and stationary power sources.

1 全固体ナトリウム蓄電池の断面概念
2 電極合材
3 有機固体電解質
4 無機固体電解質
5 対極
6 集電体
11 バイポーラ構造の電池の断面概念
1 Cross-sectional concept of all-solid-state sodium storage battery 2 Electrode mixture 3 Organic solid electrolyte 4 Inorganic solid electrolyte 5 Counterpole 6 Collector 11 Cross-sectional concept of battery with bipolar structure

Claims (20)

有機固体電解質が、電極合材と無機固体電解質との間に介在して構成される全固体ナトリウム蓄電池。 An all-solid-state sodium storage battery in which an organic solid electrolyte is interposed between an electrode mixture and an inorganic solid electrolyte. 前記有機固体電解質がポリエチレングリコール又はポリエチレンオキシドを含む、請求項1に記載の全固体ナトリウム蓄電池。 The all-solid-state sodium storage battery according to claim 1, wherein the organic solid electrolyte contains polyethylene glycol or polyethylene oxide. 前記有機固体電解質が、さらにナトリウム塩を含み、
該有機固体電解質の重量を1とした場合、ナトリウム塩が0.1~1.5の範囲内である、請求項1又は2に記載の全固体ナトリウム蓄電池。
The organic solid electrolyte further contains a sodium salt and contains
The all-solid-state sodium storage battery according to claim 1 or 2, wherein the sodium salt is in the range of 0.1 to 1.5 when the weight of the organic solid electrolyte is 1.
前記有機固体電解質の厚さが、0.1μm~500μmの範囲内である、
請求項1乃至3いずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池。
The thickness of the organic solid electrolyte is in the range of 0.1 μm to 500 μm.
The all-solid-state sodium storage battery according to any one of claims 1 to 3.
前記無機固体電解質が、厚さ1mm以下、空隙率20%以下の硫化物系、酸化物系、又は水素化物系の固体電解質である、
請求項1乃至4のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池。
The inorganic solid electrolyte is a sulfide-based, oxide-based, or hydride-based solid electrolyte having a thickness of 1 mm or less and a void ratio of 20% or less.
The all-solid-state sodium storage battery according to any one of claims 1 to 4.
前記無機固体電解質が、ナトリウムを含んだ酸化アルミニウムである、
請求項1乃至5のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池。
The inorganic solid electrolyte is aluminum oxide containing sodium.
The all-solid-state sodium storage battery according to any one of claims 1 to 5.
前記無機固体電解質が、密度2.7g/cc~3.5g/ccの範囲内である、
請求項1乃至6のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池。
The inorganic solid electrolyte has a density in the range of 2.7 g / cc to 3.5 g / cc.
The all-solid-state sodium storage battery according to any one of claims 1 to 6.
前記電極合材が、ポリリン酸遷移金属酸化物を含み、
該ポリリン酸遷移金属酸化物は、一般式Naで表される結晶であり、
Mが、Fe,Mn,Co,Ni,Vから選択される少なくともいずれか1種であり、a、b及びcが、0.0<a≦3.5,b=1,1.0≦c≦3.0,3.0≦d≦30であることを特徴とする、請求項1乃至7のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池。
The electrode mixture contains a polyphosphate transition metal oxide and contains.
The polyphosphate transition metal oxide is a crystal represented by the general formula Na a M b P c Od .
M is at least one selected from Fe, Mn, Co, Ni, and V, and a, b, and c are 0.0 <a≤3.5, b = 1,1.0≤c. The all-solid-state sodium storage battery according to any one of claims 1 to 7, wherein ≦ 3.0 and ≦ d ≦ 30.
前記電極合材が、粒径0.1μm~100μmの範囲内の個の粒子が複数連結した活物質クラスターを形成している、
請求項1乃至8のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池。
The electrode mixture forms an active material cluster in which a plurality of particles having a particle size in the range of 0.1 μm to 100 μm are connected.
The all-solid-state sodium storage battery according to any one of claims 1 to 8.
前記電極合材が、活物質の他、エチレンカーボネート、ポリエチレンカーボネート、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキシドから選択される少なくとも1種のイオン伝導助剤を含有する、請求項1乃至9のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池。 The whole according to any one of claims 1 to 9, wherein the electrode mixture contains at least one ionic conduction aid selected from ethylene carbonate, polyethylene carbonate, polyethylene glycol, and polyethylene oxide in addition to the active material. Solid sodium storage battery. 前記電極合材が、金属、炭素材料、導電性高分子、導電性ガラスから選択される少なくとも1種の導電助剤を含有する、請求項1乃至10に記載の全固体ナトリウム蓄電池。 The all-solid-state sodium storage battery according to claim 1 to 10, wherein the electrode mixture contains at least one conductive auxiliary agent selected from a metal, a carbon material, a conductive polymer, and a conductive glass. 前記導電助剤が、粉末のカーボン、繊維状のカーボン、フレーク状のカーボンから選択される少なくとも1種である請求項11に記載の全固体ナトリウム蓄電池。 The all-solid-state sodium storage battery according to claim 11, wherein the conductive auxiliary agent is at least one selected from powdered carbon, fibrous carbon, and flake-shaped carbon. 前記電極合材が、有機固体電解質を除いた場合、空隙率が5%~50%の範囲内の多孔質である、
請求項1乃至12のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池。
The electrode mixture is porous with a porosity in the range of 5% to 50% when the organic solid electrolyte is removed.
The all-solid-state sodium storage battery according to any one of claims 1 to 12.
前記電極合材が、有機固体電解質を除いた場合、孔径0.1μm~100μmの多孔質である、
請求項1乃至13のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池。
The electrode mixture is porous with a pore size of 0.1 μm to 100 μm when the organic solid electrolyte is removed.
The all-solid-state sodium storage battery according to any one of claims 1 to 13.
前記電極合材が、粒径0.1μm~100μmの無機固体電解質粉末を含む、
請求項1乃至14のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池。
The electrode mixture contains an inorganic solid electrolyte powder having a particle size of 0.1 μm to 100 μm.
The all-solid-state sodium storage battery according to any one of claims 1 to 14.
前記電極合材が、樹脂系バインダを含まない、
請求項1乃至15のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池。
The electrode mixture does not contain a resin binder.
The all-solid-state sodium storage battery according to any one of claims 1 to 15.
前記全固体ナトリウム蓄電池が、対極にナトリウム金属、ナトリウム合金またはナトリウムイオン吸蔵材料を用いた、
請求項1乃至16のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池。
The all-solid-state sodium battery uses a sodium metal, a sodium alloy or a sodium ion storage material as a counter electrode.
The all-solid-state sodium storage battery according to any one of claims 1 to 16.
前記電極合材と、電子伝導性を有する集電体とが電気的に接触した構造である全固体ナトリウム蓄電池であって、
該集電体が、貫通孔を有する金属または非貫通の金属からなる、
請求項1乃至17のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池。
An all-solid-state sodium storage battery having a structure in which the electrode mixture and a current collector having electronic conductivity are in electrical contact with each other.
The current collector is made of a metal having a through hole or a non-penetrating metal.
The all-solid-state sodium storage battery according to any one of claims 1 to 17.
請求項1乃至18のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池からなる、組電池。 An assembled battery comprising the all-solid-state sodium storage battery according to any one of claims 1 to 18. 請求項1乃至18のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池を備える、電気機器。 An electrical device comprising the all-solid-state sodium storage battery according to any one of claims 1 to 18.
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