JP5561547B2 - Nonaqueous electrolyte secondary battery - Google Patents

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Description

本発明は、非水電解質二次電池および該非水電解質二次電池に用いる電極活物質の製造方法に関する。   The present invention relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery and a method for producing an electrode active material used for the non-aqueous electrolyte secondary battery.

充放電可能ないわゆる二次電池は、車両搭載用電源として或いはパソコンおよび携帯端末の電源として近年益々重要性が高まっている。特に、軽量で高エネルギー密度が得られるリチウム二次電池(典型的にはリチウムイオン電池)は、車両搭載用大型電源として好ましく用いられるものとして期待されている。この種のリチウム二次電池の一つの典型的な構成では、Liイオンを可逆的に吸蔵および放出し得る電極活物質が電極集電体の上に形成された構成の電極を備える。現在、正極用の電極活物質としては、リチウムと一種または二種以上の遷移金属元素とを構成金属元素として含む化合物(リチウム遷移金属化合物)が広く用いられている。しかし、リチウムは資源としての埋蔵量に制約があるため、大型電源の需要の増大に対応するための供給不足が懸念されている。   So-called secondary batteries that can be charged and discharged have become increasingly important in recent years as power sources for vehicles or as power sources for personal computers and portable terminals. In particular, a lithium secondary battery (typically a lithium ion battery) that is lightweight and obtains a high energy density is expected to be preferably used as a large-scale power supply for vehicles. One typical configuration of this type of lithium secondary battery includes an electrode having a configuration in which an electrode active material capable of reversibly inserting and extracting Li ions is formed on an electrode current collector. Currently, as an electrode active material for a positive electrode, a compound (lithium transition metal compound) containing lithium and one or more transition metal elements as constituent metal elements is widely used. However, since lithium has a limited reserve as a resource, there is a concern about a shortage of supply to cope with an increase in demand for large power sources.

そこで、近年では、資源量に制約のあるリチウムの代わりにナトリウムを用いた非水電解質二次電池の検討がなされている。ナトリウムは資源量が豊富でしかも安価なため、これを実用化することにより、大量供給や低コスト化の要求に応えることができる。このようなナトリウムを用いた非水電解質二次電池の電極に含有される電極活物質として、特許文献1には、一般式Na1+yMPO1+yで表されるナトリウム化合物からなる電極活物質が記載されている。 In recent years, therefore, non-aqueous electrolyte secondary batteries using sodium instead of lithium, which has limited resources, have been studied. Sodium has abundant resources and is inexpensive, so by putting it into practical use, it is possible to meet demands for mass supply and cost reduction. As an electrode active material contained in an electrode of such a nonaqueous electrolyte secondary battery using sodium, Patent Document 1 discloses an electrode active material composed of a sodium compound represented by the general formula Na 1 + y MPO 4 F 1 + y. Have been described.

特開2004−533706号公報JP 2004-533706 A

特許文献1では、Na1+yMPO1+y等のナトリウム化合物を固相法により合成している。しかし、固相法により合成された上記ナトリウム化合物は、粒子内のNaイオンの拡散抵抗が大きく、二次電池への適用が困難な物質になるという問題があった。そこで本発明は、Na1+xMnPOを含む電極活物質を備え、充放電可能な非水電解質二次電池を提供することを目的とする。 In Patent Document 1, a sodium compound such as Na 1 + y MPO 4 F 1 + y is synthesized by a solid phase method. However, the sodium compound synthesized by the solid phase method has a problem that the diffusion resistance of Na ions in the particles is large and it becomes a material that is difficult to apply to a secondary battery. Therefore, an object of the present invention is to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery that includes an electrode active material containing Na 1 + x MnPO 4 F x and can be charged and discharged.

本発明によると、組成式Na1+xMnPO(式中、xは0<x≦1)で表される金属化合物からなる電極活物質を製造する方法が提供される。この製造方法は、ナトリウム源、マンガン源、リン酸源およびフッ素源を包含する出発原料を、金属キレート形成性官能基を含む溶媒中で混合して原料混合液を調製する工程と、前記原料混合液を加熱して前駆体を得る工程と、前記前駆体を所定温度で焼成する工程とを包含する。 According to the present invention, there is provided a method for producing an electrode active material comprising a metal compound represented by the composition formula Na 1 + x MnPO 4 F x (where x is 0 <x ≦ 1). This manufacturing method comprises a step of preparing a raw material mixture by mixing starting raw materials including a sodium source, a manganese source, a phosphoric acid source and a fluorine source in a solvent containing a metal chelate-forming functional group; It includes a step of heating the liquid to obtain a precursor and a step of firing the precursor at a predetermined temperature.

一般に、Na1+xMnPOは空間群P21/nの対称性を有し、構造上b軸方向にしかNaイオンの拡散経路がないが、従来の固相法で得られる粒子は焼結により大径化するため、b軸方向の拡散経路が長い。そのため、粒子内のNaイオンの拡散抵抗が非常に大きく、充放電させることができなかった。 In general, Na 1 + x MnPO 4 F x has a symmetry of the space group P21 / n, and there is a Na ion diffusion path only in the b-axis direction because of the structure. In order to increase the diameter, the diffusion path in the b-axis direction is long. For this reason, the diffusion resistance of Na ions in the particles was very large and could not be charged / discharged.

これに対し、本発明の方法によれば、Na1+xMnPOの出発原料を、金属キレート形成性官能基を含む溶媒中で反応させることで、Na1+xMnPOの粒子形状が従来にない板状形態に制御される。そのため、b軸方向しかないNaイオンの拡散経路が短くなり、粒子内をNaイオンが効率的に拡散する。かかるNa1+xMnPO粉末は、Naイオンの拡散性が促進され、Naイオンを可逆的に吸蔵・放出し得る、充放電可能な材料となり、非水電解質二次電池用活物質(例えば正極活物質)として好適に用いることができる。 On the other hand, according to the method of the present invention, the particle shape of Na 1 + x MnPO 4 F x is conventionally obtained by reacting a starting material of Na 1 + x MnPO 4 F x in a solvent containing a metal chelate-forming functional group. It is controlled to a plate-like form that is not present. For this reason, the Na ion diffusion path only in the b-axis direction is shortened, and the Na ions diffuse efficiently in the particles. Such Na 1 + x MnPO 4 F x powder is a chargeable / dischargeable material that promotes Na ion diffusibility and reversibly absorbs and releases Na ions, and is an active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery (for example, a positive electrode). It can be suitably used as an active material.

ここに開示される製造方法の好ましい一態様では、前記金属キレート形成性官能基は、アルコール基,カルボニル基およびエーテル基から成る群から選択される少なくとも1種の官能基である。これらの官能基を持つ溶媒分子は配位能力が高く、遷移金属(特にMn)とキレート形成できるため、該溶媒分子が粒子表面に配位することによって、粒子の成長(特にb軸方向の成長)が適切に抑制される。そのため、Na1+xMnPOを板状に容易に制御することができる。また、上記溶媒分子の配位によってフッ素が前駆体(リン酸塩)内に確実に取り込まれる。そのため、その後の焼成工程においてフッ素が分解し逸脱することが防止され、目的化合物を安定して得られる。 In a preferred embodiment of the production method disclosed herein, the metal chelate-forming functional group is at least one functional group selected from the group consisting of an alcohol group, a carbonyl group, and an ether group. Since the solvent molecules having these functional groups have high coordination ability and can form a chelate with a transition metal (especially Mn), the solvent molecules coordinate to the particle surface to grow particles (especially in the b-axis direction). ) Is appropriately suppressed. Therefore, Na 1 + x MnPO 4 F x can be easily controlled in a plate shape. In addition, the coordination of the solvent molecules ensures that fluorine is taken into the precursor (phosphate). Therefore, fluorine is prevented from decomposing and deviating in the subsequent firing step, and the target compound can be obtained stably.

ここに開示される製造方法の好ましい一態様では、前記溶媒はポリオール溶媒である。ポリオール溶媒は、遷移金属(特にMn)とキレート形成できるアルコール(OH)基を有するため、本発明の目的に適した溶媒として好適に使用し得る。   In a preferred embodiment of the production method disclosed herein, the solvent is a polyol solvent. Since the polyol solvent has an alcohol (OH) group capable of chelating with a transition metal (particularly Mn), it can be suitably used as a solvent suitable for the purpose of the present invention.

ここに開示される製造方法の好ましい一態様では、前記前駆体の焼成温度は500℃〜800℃である。反応を十分に進行させるためには、焼成温度は500℃以上であることが必要であり、その一方で、焼成温度が800℃を超えると、焼成時にフッ素が分解し逸脱するため、副生成物により目的化合物の純度が低下することがある。焼成温度は、通常は500〜800℃が適当であり、好ましくは550〜700℃であり、より好ましくは550〜650℃である。   In a preferred embodiment of the production method disclosed herein, the firing temperature of the precursor is 500 ° C to 800 ° C. In order to allow the reaction to proceed sufficiently, the firing temperature needs to be 500 ° C. or higher. On the other hand, if the firing temperature exceeds 800 ° C., fluorine decomposes and deviates during firing, so that by-products May lower the purity of the target compound. The baking temperature is usually suitably 500 to 800 ° C, preferably 550 to 700 ° C, more preferably 550 to 650 ° C.

ここに開示される製造方法の好ましい一態様では、前記焼成後、得られた焼成物に炭素材を混合し粉砕する。かかる粉砕処理によってNa1+xMnPOの表面に炭素材が圧着され、粒子表面が炭素材で被覆される。この炭素材の被覆により導電性を付与することができる。また、粉砕の過程で生じる摩擦熱によってメカノケミカル反応が起こり、反応不十分のため残存していた不純物相(出発原料の未反応物や反応副生成物等)を分解することができる。 In a preferred embodiment of the production method disclosed herein, a carbon material is mixed and pulverized in the obtained fired product after the firing. By this pulverization treatment, a carbon material is pressure-bonded to the surface of Na 1 + x MnPO 4 F x , and the particle surface is covered with the carbon material. Conductivity can be imparted by the coating of the carbon material. Further, a mechanochemical reaction occurs due to frictional heat generated in the pulverization process, and the remaining impurity phase (such as unreacted starting materials and reaction byproducts) due to insufficient reaction can be decomposed.

ここに開示される製造方法の好ましい一態様では、前記粉砕後、得られた粉砕物を500℃〜800℃で再焼成する。かかる態様によると、上記粉砕によって不純物相を分解し、不純物相間の反応に対する活性化エネルギーを下げた後で再焼成を行うので、目的化合物の均質化が一層進み、Na1+xMnPOの純度をより高めることができる。 In a preferred embodiment of the production method disclosed herein, after the pulverization, the obtained pulverized product is refired at 500 ° C to 800 ° C. According to this aspect, the impurity phase is decomposed by the above pulverization, and the reactivation is performed after lowering the activation energy for the reaction between the impurity phases, so that homogenization of the target compound further proceeds and the purity of Na 1 + x MnPO 4 F x Can be further enhanced.

また、本発明は、ここに開示されるいずれかの製造方法により製造された上記電極活物質を用いて構築された非水電解質二次電池を提供する。この非水電解質二次電池は、ナトリウムを可逆的に吸蔵および放出し得る電極活物質を含む非水電解質二次電池であって、前記電極活物質は、粒子形状が板状であって、組成式Na1+xMnPO(式中、xは0<x≦1)で表される。かかる非水電解質二次電池は、Na1+xMnPOの粒子形状が従来にない板状形態(典型的には薄片状)に制御されていることから、粒子内のNaイオンの拡散性が良好であり、より優れた電池性能を示すものであり得る。好ましくは、前記式中のxが0.5≦x≦1である。この場合、粒子内のNaイオンの拡散性がさらに良好になる。 The present invention also provides a nonaqueous electrolyte secondary battery constructed using the electrode active material produced by any of the production methods disclosed herein. This non-aqueous electrolyte secondary battery is a non-aqueous electrolyte secondary battery including an electrode active material capable of reversibly occluding and releasing sodium, and the electrode active material has a plate shape and a composition It is represented by the formula Na 1 + x MnPO 4 F x (where x is 0 <x ≦ 1). In such a non-aqueous electrolyte secondary battery, the Na 1 + x MnPO 4 F x particle shape is controlled to an unprecedented plate-like shape (typically a flake shape). It may be good and exhibit better battery performance. Preferably, x in the above formula is 0.5 ≦ x ≦ 1. In this case, the diffusibility of Na ions in the particles is further improved.

本発明の一実施形態に係る非水電解質二次電池を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the nonaqueous electrolyte secondary battery which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る捲回電極体を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the wound electrode body which concerns on one Embodiment of this invention. (a)は本焼成後のNa1+xMnPO粉末のX線回折パターンを示す図であり、(b)は焼成前(前駆体)のNa1+xMnPO粉末のX線回折パターンを示す図である。(A) is a diagram showing an X-ray diffraction pattern of the Na 1 + x MnPO 4 F x powder after the sintering, the Na 1 + x MnPO 4 F x powder X-ray diffraction pattern of (b) before firing (precursor) FIG. 本焼成後のNa1+xMnPO粉末のSEM写真である。It is a SEM photograph of Na 1 + x MnPO 4 F x powder after the sintering. (a)は再焼成後の複合材料粉末のX線回折パターンを示す図であり、(b)はボールミル処理後の複合材料粉末のX線回折パターンを示す図である。(A) is a figure which shows the X-ray-diffraction pattern of the composite material powder after re-baking, (b) is a figure which shows the X-ray-diffraction pattern of the composite material powder after a ball mill process. 再焼成後の複合材料粉末のSEM写真である。It is a SEM photograph of the composite material powder after refiring. 本実施例に係る試験用コインセルを模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the coin cell for a test concerning a present Example. 本実施例に係るサイクリックボルタンメトリー測定の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the cyclic voltammetry measurement which concerns on a present Example. 本発明の一実施形態に係る非水電解質二次電池を備えた車両を模式的に示す側面図である。It is a side view showing typically a vehicle provided with a nonaqueous electrolyte secondary battery concerning one embodiment of the present invention.

以下、図面を参照しながら、本発明による実施の形態を説明する。以下の図面においては、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明している。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。   Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following drawings, members / parts having the same action are described with the same reference numerals. In addition, this invention is not limited to the following embodiment.

本発明の一実施形態に係る非水電解質二次電池は、ナトリウムを可逆的に吸蔵および放出し得る電極活物質を含む非水電解質二次電池である。前記電極活物質は、粒子形状が板状であって、以下の組成式:
Na1+xMnPO
で表される。
A nonaqueous electrolyte secondary battery according to an embodiment of the present invention is a nonaqueous electrolyte secondary battery including an electrode active material capable of reversibly inserting and extracting sodium. The electrode active material has a plate shape in particle shape, and has the following composition formula:
Na 1 + x MnPO 4 F x ;
It is represented by

ここで、上記式中のxの取り得る範囲は、上記Na1+xMnPOの結晶構造を崩すことなく該構造を維持し得る限りにおいて0<x≦1の範囲内であればいずれの実数をとってもよいが、xの値が大きくなるほど、粒子内のNaイオンの拡散性が良好になるため好ましい。好ましくは0.3≦x≦1.0であり、より好ましくは0.5≦x≦1.0であり、さらに好ましくは0.7≦x≦1.0であり、特に好ましくはxの値が実質的に1.0である。 Here, the possible range of x in the above formula is any real number within the range of 0 <x ≦ 1 as long as the structure can be maintained without destroying the crystal structure of Na 1 + x MnPO 4 F x. However, the larger the value of x, the better the diffusibility of Na ions in the particles, which is preferable. Preferably 0.3 ≦ x ≦ 1.0, more preferably 0.5 ≦ x ≦ 1.0, still more preferably 0.7 ≦ x ≦ 1.0, and particularly preferably the value of x. Is substantially 1.0.

上記Na1+xMnPO粉末は、原料混合液調製工程と、加熱工程と、焼成工程とを経て製造され得る。以下、各プロセスについて詳細に説明する。 The Na 1 + x MnPO 4 F x powder can be manufactured through a raw material mixture preparation step, a heating step, and a firing step. Hereinafter, each process will be described in detail.

<原料混合液調製工程>
原料混合液調製工程では、ナトリウム源、マンガン源、リン酸源およびフッ素源を包含する出発原料を、金属キレート形成性官能基を含む溶媒中で混合して原料混合液を調製する。この実施形態では、ナトリウム源、マンガン源、リン酸源およびフッ素源を包含する出発原料を、所定の配合比となるように秤量し、これらを溶媒中で混合して溶解する。
<Raw material mixture preparation process>
In the raw material mixture preparation step, starting raw materials including a sodium source, a manganese source, a phosphoric acid source and a fluorine source are mixed in a solvent containing a metal chelate-forming functional group to prepare a raw material mixture. In this embodiment, starting materials including a sodium source, a manganese source, a phosphoric acid source and a fluorine source are weighed so as to have a predetermined mixing ratio, and these are mixed and dissolved in a solvent.

上記出発原料としては、少なくともナトリウム源、マンガン源、リン酸源およびフッ素源を包含する一種または二種以上の化合物を適宜選択して用いることができる。ナトリウム源、マンガン源、リン酸源およびフッ素源としては、最終的な焼成により目的の化合物を形成し得るものであれば特に限定されない。例えば、金属単体、酸化物、ハロゲン化物(例えばフッ化物)、各種の化合物(例えば、酢酸塩、蓚酸塩、炭酸塩等)を使用することができる。これらを単独で使用してもよいし、あるいは2種以上を併用して用いてもよい。特に好ましい例として、ナトリウム源およびフッ素源としてのフッ化ナトリウム(NaF)、リン酸源としてのリン酸2水素アンモニウム(NHPO)、マンガン源としての酢酸マンガン((CHCOO)Mn)が挙げられる。 As the starting material, one or more compounds including at least a sodium source, a manganese source, a phosphoric acid source, and a fluorine source can be appropriately selected and used. The sodium source, manganese source, phosphoric acid source, and fluorine source are not particularly limited as long as the target compound can be formed by final firing. For example, simple metals, oxides, halides (for example, fluorides), and various compounds (for example, acetates, oxalates, carbonates, etc.) can be used. These may be used alone or in combination of two or more. Particularly preferred examples include sodium fluoride (NaF) as a sodium source and fluorine source, ammonium dihydrogen phosphate (NH 4 H 2 PO 4 ) as a phosphate source, and manganese acetate ((CH 3 COO) as a manganese source. 2 Mn).

上記溶媒としては、金属キレート形成能を有する官能基を含み、かつ沸点が比較的高い溶媒であれば特に限定することなく使用することができる。金属キレート形成能を有する官能基としては、例えば、アルコール基、カルボニル基およびエーテル基等が挙げられる。アルコール基をもつ溶媒の好適例としては、ジエチレングリコール(245℃)、エチレングリコール(196℃)、1,2−プロパンジオール(187℃)、1,3−プロパンジオール(214℃)、1,4−プロパンジオール(230℃)等のポリオール溶媒が例示される。カルボニル基をもつ溶媒の好適例としては、N,N‐ジメチルホルムアルデヒド(153℃)が例示される。これらの溶媒の一種又は二種以上を用いることができる。これらの溶媒のうち、ポリオール溶媒、特にジエチレングリコールを使用することが好ましい。なお、上記括弧内の数値は各溶媒の沸点を示している。   The solvent can be used without any particular limitation as long as it contains a functional group having a metal chelate-forming ability and has a relatively high boiling point. Examples of the functional group having a metal chelate forming ability include an alcohol group, a carbonyl group, and an ether group. Preferable examples of the solvent having an alcohol group include diethylene glycol (245 ° C.), ethylene glycol (196 ° C.), 1,2-propanediol (187 ° C.), 1,3-propanediol (214 ° C.), 1,4- A polyol solvent such as propanediol (230 ° C.) is exemplified. Preferable examples of the solvent having a carbonyl group include N, N-dimethylformaldehyde (153 ° C.). One or more of these solvents can be used. Of these solvents, it is preferable to use a polyol solvent, particularly diethylene glycol. In addition, the numerical value in the said parenthesis has shown the boiling point of each solvent.

これらの官能基を持つ溶媒分子は配位能力が高く、遷移金属(特にMn)とキレート形成できるため、該官能基を持つ溶媒分子が粒子表面に配位することによって、粒子の成長(特にb軸方向の成長)が適切に抑制される。そのため、Na1+xMnPOを板状に容易に制御することができる。また、上記溶媒分子の配位によってフッ素が前駆体(リン酸塩)内に確実に取り込まれる。そのため、その後の焼成工程においてフッ素が分解し逸脱することが防止され、目的化合物を安定して得られる。 Since solvent molecules having these functional groups have high coordination ability and can form a chelate with a transition metal (especially Mn), the solvent molecules having the functional groups coordinate to the particle surface to grow particles (especially b). Axial growth) is appropriately suppressed. Therefore, Na 1 + x MnPO 4 F x can be easily controlled in a plate shape. In addition, the coordination of the solvent molecules ensures that fluorine is taken into the precursor (phosphate). Therefore, fluorine is prevented from decomposing and deviating in the subsequent firing step, and the target compound can be obtained stably.

使用する溶媒の量は、キレート形成に必要な化学量論量以上であれば特に限定されないが、通常は、Na1+xMnPOに対して20倍モル以上が適当であり、例えば20〜100倍モル使用することが好ましく、特に40〜60倍モル使用することが好ましい。 The amount of the solvent to be used is not particularly limited as long as it is the stoichiometric amount or more necessary for chelate formation, but usually 20 times mole or more relative to Na 1 + x MnPO 4 F x is appropriate, for example, 20 to 100 It is preferable to use a double mole, particularly 40 to 60 moles.

上記出発原料を溶媒に溶解するときには、必要に応じて攪拌を行ってもよい。上記出発原料を溶媒中で攪拌する操作は、例えばマグネチックスターラー等の適当な攪拌手段を用いて行うことができる。この攪拌により混合を短時間で行うことができる。   When the above starting materials are dissolved in a solvent, stirring may be performed as necessary. The operation of stirring the starting material in a solvent can be performed using an appropriate stirring means such as a magnetic stirrer. By this stirring, mixing can be performed in a short time.

<加熱工程>
加熱工程では、上記調製した原料混合液を加熱して前駆体を得る。原料混合液を加熱する手段としては特に限定されず、ホットプレート等の任意の手段を採用することができる。加熱温度は、出発原料の組成によっても異なるが、例えばマンガン源として酢酸マンガンを用いる場合、酢酸の揮発が十分に進行する温度で加熱することが必要であり、通常は120℃以上(例えば120〜180℃)にすることが好適である。加熱温度の上限は、使用する溶媒の沸点を下回る温度であればよい。加熱時間は、出発原料が反応して前駆体が十分に反応するまでの時間とすればよく、通常は8〜24時間程度であり、好ましくは10〜15時間程度である。
<Heating process>
In the heating step, the prepared raw material mixture is heated to obtain a precursor. The means for heating the raw material mixture is not particularly limited, and any means such as a hot plate can be employed. Although the heating temperature varies depending on the composition of the starting material, for example, when using manganese acetate as a manganese source, it is necessary to heat at a temperature at which volatilization of acetic acid proceeds sufficiently, and is usually 120 ° C. or higher (eg, 120 to 180 ° C) is preferable. The upper limit of the heating temperature may be a temperature lower than the boiling point of the solvent used. The heating time may be a time until the starting material reacts and the precursor sufficiently reacts, and is usually about 8 to 24 hours, preferably about 10 to 15 hours.

原料混合液を加熱して溶媒を揮発させると、析出物が生じて前駆体が生成する。その際、金属キレート形成性官能基を持つ溶媒分子が粒子表面に配位することによって、粒子の成長(特にb軸方向の成長)が適切に抑制される。   When the raw material mixture is heated to volatilize the solvent, a precipitate is generated and a precursor is generated. At that time, the growth of particles (particularly, growth in the b-axis direction) is appropriately suppressed by coordinating solvent molecules having a metal chelate-forming functional group to the particle surface.

<焼成工程>
焼成工程では、上記得られた前駆体を500℃〜800℃で焼成する。この焼成によって、前駆体はNa1+xMnPOになる。焼成温度は、目的化合物を合成し得る温度であればよく特に制限されないが、反応を十分に進行させるためには、焼成温度は500℃以上であることが必要であり、その一方で、焼成温度が800℃を超えると、焼成時にフッ素が分解し逸脱するため、副生成物により目的化合物の純度が低下することがある。焼成温度は、通常は500〜800℃が適当であり、好ましくは550〜700℃であり、より好ましくは550〜650℃である。焼成時間は、前駆体の各成分が十分に(均一に)反応するまでの時間とすればよく、通常は1〜10時間であり、好ましくは3〜6時間であり、特に好ましくは4〜5時間である。焼成手段としては特に限定されず、電気加熱炉等の任意の手段を採用することができる。焼成雰囲気としては特に限定されず、例えば、大気雰囲気中で焼成してもよいし、必要に応じてArガス等の不活性ガス雰囲気中で焼成してもよいが、焼成時のフッ素の逸脱をより確実に防止する観点からは、Arガス等の不活性ガス雰囲気で焼成することが好ましい。
<Baking process>
In the firing step, the obtained precursor is fired at 500 ° C to 800 ° C. By this firing, the precursor becomes Na 1 + x MnPO 4 F x . The firing temperature is not particularly limited as long as it is a temperature capable of synthesizing the target compound. However, in order to allow the reaction to proceed sufficiently, the firing temperature needs to be 500 ° C. or higher. When the temperature exceeds 800 ° C., fluorine decomposes and deviates during firing, and the by-product may lower the purity of the target compound. The baking temperature is usually suitably 500 to 800 ° C, preferably 550 to 700 ° C, more preferably 550 to 650 ° C. The firing time may be a time until each component of the precursor sufficiently (uniformly) reacts, and is usually 1 to 10 hours, preferably 3 to 6 hours, and particularly preferably 4 to 5 hours. It's time. The firing means is not particularly limited, and any means such as an electric heating furnace can be adopted. The firing atmosphere is not particularly limited. For example, the firing atmosphere may be fired in an air atmosphere or, if necessary, in an inert gas atmosphere such as Ar gas. From the viewpoint of preventing more reliably, firing in an inert gas atmosphere such as Ar gas is preferable.

必要に応じて、上記焼成を複数回に分けて行うこともできる。即ち、上記の焼成を行うにあたっては、まず比較的低めの温度域(例えば300℃〜400℃)で仮焼成し、その仮焼成物をいったん解砕した後、より高い温度域(例えば500℃〜800℃)で本焼成する。このように、まず低めの温度域で仮焼成を行った後に高めの温度域で本焼成を行うことにより、前駆体を最初から高めの温度域(例えば500℃〜800℃)で焼成する場合に比べて、最終的に得られる化合物の均質性を高めることができる。仮焼成物を解砕し、再度焼成するという操作を本焼成前に繰り返し行ってもよい。   If necessary, the firing can be performed in a plurality of times. That is, in performing the above-mentioned firing, first, it is temporarily fired in a relatively low temperature range (for example, 300 ° C. to 400 ° C.), and after temporarily crushing the temporarily fired product, a higher temperature range (for example, 500 ° C. to The main baking is performed at 800 ° C.). In this way, when the precursor is fired in a higher temperature range (for example, 500 ° C. to 800 ° C.) from the beginning by first performing preliminary firing in a lower temperature range and then performing main firing in a higher temperature range. In comparison, the homogeneity of the finally obtained compound can be increased. The operation of crushing the calcined product and firing it again may be repeated before the main firing.

なお、Na1+xMnPOは、従来公知の固相法により製造することもできる。しかし、従来の固相法で得られる粒子(典型的には球状形態)は、焼結により大径化するため、結晶のb軸方向の拡散経路が長い。そのため、粒子内のNaイオンの拡散抵抗が大きく、充放電させることができなかった。 Na 1 + x MnPO 4 F x can also be produced by a conventionally known solid phase method. However, particles obtained by the conventional solid phase method (typically in a spherical form) have a long diffusion path in the b-axis direction of the crystal because they are enlarged by sintering. Therefore, the diffusion resistance of Na ions in the particles is large, and charging / discharging cannot be performed.

これに対し、本実施形態に係る製造方法によれば、Na1+xMnPOの出発原料を、金属キレート形成性官能基を含む溶媒中で反応させることで、粒子の成長(特にb軸方向の成長)が適切に抑制され、Na1+xMnPOの粒子形状が従来にない板状形態に制御される。そのため、b軸方向しかないNaイオンの拡散経路が短くなり、粒子内をNaイオンが効率的に拡散する。かかるNa1+xMnPO粉末は、Naイオンの拡散性が促進され、Naイオンを可逆的に吸蔵・放出し得る、充放電可能な材料となり、非水電解質二次電池用活物質(例えば正極活物質)として好適に用いることができる。 On the other hand, according to the manufacturing method according to the present embodiment, Na 1 + x MnPO 4 F x starting material is reacted in a solvent containing a metal chelate-forming functional group to grow particles (particularly in the b-axis direction). Growth) is appropriately suppressed, and the particle shape of Na 1 + x MnPO 4 F x is controlled to an unprecedented plate shape. For this reason, the Na ion diffusion path only in the b-axis direction is shortened, and the Na ions diffuse efficiently in the particles. Such Na 1 + x MnPO 4 F x powder is a chargeable / dischargeable material that promotes Na ion diffusibility and reversibly absorbs and releases Na ions, and is an active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery (for example, a positive electrode). It can be suitably used as an active material.

このようにして得られたNa1+xMnPO粉末は、正極活物質としてそのまま用いてもよいが、電子伝導性を補うため、炭素材との複合体を形成してもよい。上記炭素材としては、例えば、カーボンブラック(アセチレンブラック(AB)等)やカーボンファイバー等が例示される。特に限定されるものではないが、炭素材の好ましい量は、Na1+xMnPOの全質量に対して、凡そ1〜30質量%であり、通常は5〜25質量%にすることが好ましい。複合体の形成は、上記焼成後、得られた焼成物(Na1+xMnPO)と炭素材とを混合して適当な粉砕装置(例えばボールミル装置)を用いて粉砕することにより行うことができる。この粉砕処理によってNa1+xMnPOの表面に炭素材が圧着され、粒子表面が炭素材で被覆される。この炭素材の被覆により導電性を付与することができる。また、粉砕の過程で生じる摩擦熱によってメカノケミカル反応が起こり、反応不十分のため残存していた不純物相(例えば出発原料の未反応物や反応副生成物)を分解できるというメリットもある。粉砕時間としては特に限定されないが、不純物相を確実に分解する観点からは、概ね10時間以上にすることが適当であり、通常は15〜25時間程度にすることが好ましい。 The Na 1 + x MnPO 4 F x powder thus obtained may be used as a positive electrode active material as it is, but may be formed into a composite with a carbon material in order to supplement electronic conductivity. Examples of the carbon material include carbon black (acetylene black (AB) and the like), carbon fiber, and the like. Although it is not particularly limited, the preferred amount of the carbon material is about 1 to 30% by mass with respect to the total mass of Na 1 + x MnPO 4 F x , and is usually preferably 5 to 25% by mass. . Formation of the composite can be performed by mixing the obtained fired product (Na 1 + x MnPO 4 F x ) and a carbon material and pulverizing them using an appropriate pulverizing apparatus (for example, a ball mill apparatus) after the above calcination. it can. By this pulverization treatment, a carbon material is pressed onto the surface of Na 1 + x MnPO 4 F x , and the particle surface is covered with the carbon material. Conductivity can be imparted by the coating of the carbon material. In addition, there is a merit that a mechanochemical reaction occurs due to frictional heat generated in the pulverization process, and an impurity phase remaining due to insufficient reaction (for example, unreacted starting materials and reaction byproducts) can be decomposed. Although it does not specifically limit as grinding | pulverization time, From the viewpoint of decomposing | disassembling an impurity phase reliably, it is appropriate to set it as about 10 hours or more normally, and it is usually preferable to set it as about 15-25 hours.

また好ましくは、上記粉砕後、得られた粉砕体(電極活物質−炭素材複合材料粉末)を500℃〜800℃で再焼成する。かかる態様によると、上記粉砕によって不純物相を分解し、不純物相間の反応に対する活性化エネルギーを下げた後で再焼成を行うので、目的化合物の均質化が一層進み、Na1+xMnPOの純度をより高めることができる。再焼成温度は、前述した本焼成温度と同じであればよく、通常は500〜800℃であり、好ましくは550〜700℃であり、より好ましくは550〜650℃である。再焼成時間は、目的化合物の均質化が十分に進む時間であればよく、通常は1〜10時間であり、好ましくは3〜6時間程度であり、特に好ましくは4〜5時間程度である。 Preferably, after the pulverization, the obtained pulverized body (electrode active material-carbon material composite material powder) is refired at 500 ° C to 800 ° C. According to this aspect, the impurity phase is decomposed by the above pulverization, and the reactivation is performed after lowering the activation energy for the reaction between the impurity phases, so that homogenization of the target compound further proceeds and the purity of Na 1 + x MnPO 4 F x Can be further enhanced. The re-baking temperature may be the same as the main baking temperature described above, and is usually 500 to 800 ° C, preferably 550 to 700 ° C, more preferably 550 to 650 ° C. The refiring time may be a time for sufficiently homogenizing the target compound, and is usually 1 to 10 hours, preferably about 3 to 6 hours, and particularly preferably about 4 to 5 hours.

以上のように、本実施形態の製造方法により得られたNa1+xMnPOは、上記のように粒子形状が従来にない板状形態に制御され、Naイオンを可逆的に吸蔵および放出し得るものであることから、種々の形態の非水電解質二次電池の構成要素または該非水電解質二次電池に内蔵される電極の構成要素(正極活物質)として好ましく利用され得る。ここで開示されるNa1+xMnPOを正極活物質として使用すること以外は、従来と同様のプロセスを採用して非水電解質二次電池を構築することができる。 As described above, the Na 1 + x MnPO 4 F x obtained by the manufacturing method of the present embodiment is controlled to have a plate shape that is not conventional as described above, and reversibly occludes and releases Na ions. Therefore, it can be preferably used as a component of a nonaqueous electrolyte secondary battery of various forms or a component of a electrode (positive electrode active material) incorporated in the nonaqueous electrolyte secondary battery. Except for using Na 1 + x MnPO 4 F x disclosed herein as the positive electrode active material, a non-aqueous electrolyte secondary battery can be constructed by adopting the same process as the conventional one.

例えば、ここで開示されるNa1+xMnPOの板状粉末(粉末状正極活物質)に、導電材としてアセチレンブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラックやその他(グラファイト等)の粉末状カーボン材料を混合することができる。また、正極活物質と導電材の他に、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、スチレンブタジエンラバー(SBR)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、カルボキシメチルセルロース(CMC)等の結着材(バインダ)を添加することができる。これらを適当な分散媒体に分散させて混練することによって、ペースト状(スラリー状またはインク状を含む。以下同じ。)の正極活物質層形成用組成物(以下、「正極活物質層形成用ペースト」という場合がある。)を調製することができる。このペーストを、好ましくはアルミニウムまたはアルミニウムを主成分とする合金から構成される正極集電体上に適当量塗布しさらに乾燥ならびにプレスすることによって、非水電解質二次電池用正極を作製することができる。 For example, Na 1 + x MnPO 4 F x plate powder (powdered positive electrode active material) disclosed herein, carbon black such as acetylene black and ketjen black as a conductive material, and other powdery carbon materials (graphite etc.) Can be mixed. In addition to the positive electrode active material and the conductive material, a binder (binder) such as polyvinylidene fluoride (PVDF), styrene butadiene rubber (SBR), polytetrafluoroethylene (PTFE), or carboxymethyl cellulose (CMC) is added. be able to. By dispersing these in a suitable dispersion medium and kneading, the composition for forming a positive electrode active material layer (hereinafter referred to as “positive electrode active material layer forming paste”) is in the form of a paste (including slurry or ink. The same shall apply hereinafter). Can be prepared.). An appropriate amount of this paste is applied onto a positive electrode current collector preferably made of aluminum or an aluminum-based alloy, and then dried and pressed to produce a positive electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery. it can.

他方、対極となる非水電解質二次電池用負極は、従来と同様の手法により作製することができる。例えば負極活物質としては、ナトリウムを吸蔵且つ放出可能な材料であればよい。典型例として黒鉛(グラファイト)等から成る粉末状の炭素材料が挙げられる。そして正極と同様、かかる粉末状材料を適当な結着材(バインダ)とともに適当な分散媒体に分散させて混練することによって、ペースト状の負極活物質層形成用組成物(以下、「負極活物質層形成用ペースト」という場合がある。)を調製することができる。このペーストを、好ましくは銅やニッケル或いはそれらの合金から構成される負極集電体上に適当量塗布しさらに乾燥ならびにプレスすることによって、非水電解質二次電池用負極を作製することができる。   On the other hand, the negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery serving as a counter electrode can be produced by a method similar to the conventional one. For example, the negative electrode active material may be any material that can occlude and release sodium. A typical example is a powdery carbon material made of graphite or the like. As in the case of the positive electrode, the powdery material is dispersed in a suitable dispersion medium together with a suitable binder (binder) and kneaded to obtain a paste-like composition for forming a negative electrode active material layer (hereinafter referred to as “negative electrode active material”). May be referred to as “layer forming paste”). An appropriate amount of this paste is applied onto a negative electrode current collector preferably made of copper, nickel, or an alloy thereof, and further dried and pressed, whereby a negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery can be produced.

本発明のNa1+xMnPO粉末を正極活物質に用いる非水電解質二次電池において、従来と同様のセパレータを使用することができる。例えばポリオレフィン樹脂から成る多孔質のシート(多孔質フィルム)等を使用することができる。 In the nonaqueous electrolyte secondary battery using the Na 1 + x MnPO 4 F x powder of the present invention as the positive electrode active material, a separator similar to the conventional one can be used. For example, a porous sheet (porous film) made of a polyolefin resin can be used.

また、電解質としては非水系の電解質(典型的には電解液)を使用することができる。典型的には、適当な非水溶媒に支持塩を含有させた組成である。上記非水溶媒としては、例えば、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)等からなる群から選択された一種又は二種以上を用いることができる。また、上記支持塩としては、例えば、NaPF、NaBF、NaClO、NaAsF、NaCFSO、NaCSO、NaN(CFSO、NaC(CFSO、NaI等から選択される一種または二種以上のナトリウム化合物(ナトリウム塩)を用いることができる。 Further, as the electrolyte, a non-aqueous electrolyte (typically, an electrolytic solution) can be used. Typically, the composition includes a supporting salt in a suitable nonaqueous solvent. Examples of the non-aqueous solvent include one or two selected from the group consisting of propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), and the like. More than seeds can be used. Examples of the supporting salt include NaPF 6 , NaBF 4 , NaClO 4 , NaAsF 6 , NaCF 3 SO 3 , NaC 4 F 9 SO 3 , NaN (CF 3 SO 2 ) 2 , NaC (CF 3 SO 2 ). 3. One or two or more sodium compounds (sodium salts) selected from NaI and the like can be used.

また、ここで開示されるNa1+xMnPO粉末を正極活物質として採用される限りにおいて、構築される非水電解質二次電池の形状(外形やサイズ)には特に制限はない。外装がラミネートフィルム等で構成される薄型シートタイプであってもよく、電池外装ケースが円筒形状や直方体形状の電池でもよく、或いは小型のボタン形状であってもよい。 Further, as long as the employed the Na 1 + x MnPO 4 F x powder disclosed herein as a positive electrode active material is not particularly limited to the non-aqueous electrolyte secondary battery of the shape (outer shape and size) to be constructed. The outer package may be a thin sheet type constituted by a laminate film or the like, and the battery outer case may be a cylindrical or cuboid battery, or may be a small button shape.

以下、捲回電極体を備える非水電解質二次電池を例にしてここで開示される正極の使用態様を説明するが、本発明をかかる実施形態に限定することを意図したものではない。   Hereinafter, although the usage mode of the positive electrode disclosed here will be described by taking a nonaqueous electrolyte secondary battery including a wound electrode body as an example, it is not intended to limit the present invention to such an embodiment.

図1に示すように、本実施形態に係る非水電解質二次電池100は、長尺状の正極シート10と長尺状の負極シート20が長尺状のセパレータ40を介して扁平に捲回された形態の電極体(捲回電極体)80が、図示しない非水電解液とともに、該捲回電極体80を収容し得る形状(扁平な箱型)の容器50に収容された構成を有する。   As shown in FIG. 1, the nonaqueous electrolyte secondary battery 100 according to this embodiment includes a long positive electrode sheet 10 and a long negative electrode sheet 20 wound flatly via a long separator 40. The electrode body (winding electrode body) 80 in the form of being formed is housed in a container 50 having a shape (flat box shape) capable of housing the winding electrode body 80 together with a non-aqueous electrolyte (not shown). .

容器50は、上端が開放された扁平な直方体状の容器本体52と、その開口部を塞ぐ蓋体54とを備える。容器50を構成する材質としては、アルミニウム、スチール等の金属材料が好ましく用いられる(本実施形態ではアルミニウム)。あるいは、ポリフェニレンサルファイド樹脂(PPS)、ポリイミド樹脂等の樹脂材料を成形してなる容器50であってもよい。容器50の上面(すなわち蓋体54)には、捲回電極体80の正極と電気的に接続する正極端子70および該電極体80の負極20と電気的に接続する負極端子72が設けられている。容器50の内部には、扁平形状の捲回電極体80が図示しない非水電解液とともに収容される。   The container 50 includes a flat rectangular parallelepiped container body 52 having an open upper end, and a lid body 54 that closes the opening. As a material constituting the container 50, a metal material such as aluminum or steel is preferably used (in this embodiment, aluminum). Or the container 50 formed by shape | molding resin materials, such as polyphenylene sulfide resin (PPS) and a polyimide resin, may be sufficient. On the upper surface of the container 50 (that is, the lid 54), a positive electrode terminal 70 that is electrically connected to the positive electrode of the wound electrode body 80 and a negative electrode terminal 72 that is electrically connected to the negative electrode 20 of the electrode body 80 are provided. Yes. Inside the container 50, a flat wound electrode body 80 is accommodated together with a non-aqueous electrolyte (not shown).

上記構成の捲回電極体80を構成する材料および部材自体は、正極活物質としてNa1+xMnPOを採用する以外、従来の非水電解質二次電池の電極体と同様でよく、特に制限はない。本実施形態に係る捲回電極体80は、図2に示すように、捲回電極体80を組み立てる前段階において長尺状(帯状)のシート構造を有している。 The material and member itself constituting the wound electrode body 80 having the above-described configuration may be the same as the electrode body of the conventional nonaqueous electrolyte secondary battery, except that Na 1 + x MnPO 4 F x is used as the positive electrode active material. There is no. As shown in FIG. 2, the wound electrode body 80 according to the present embodiment has a long (strip-shaped) sheet structure in a stage before assembling the wound electrode body 80.

正極シート10は、長尺シート状の箔状の正極集電体(以下「正極集電箔」と称する)12の両面に正極活物質を含む正極活物質層14が保持された構造を有している。ただし、正極活物質層14は正極シート10の幅方向の一方の側縁(図では下側の側縁部分)には付着されず、正極集電体12を一定の幅にて露出させた正極活物質層非形成部が形成されている。負極シート20も正極シート10と同様に、長尺シート状の箔状の負極集電体(以下「負極集電箔」と称する)22の両面に負極活物質を含む負極活物質層24が保持された構造を有している。ただし、負極活物質層24は負極シート20の幅方向の一方の側縁(図では上側の側縁部分)には付着されず、負極集電体22を一定の幅にて露出させた負極活物質層非形成部が形成されている。   The positive electrode sheet 10 has a structure in which a positive electrode active material layer 14 containing a positive electrode active material is held on both surfaces of a long sheet-like foil-shaped positive electrode current collector (hereinafter referred to as “positive electrode current collector foil”) 12. ing. However, the positive electrode active material layer 14 is not attached to one side edge (lower side edge portion in the figure) of the positive electrode sheet 10 in the width direction, and the positive electrode current collector 12 is exposed with a certain width. An active material layer non-formation part is formed. Similarly to the positive electrode sheet 10, the negative electrode sheet 20 holds a negative electrode active material layer 24 containing a negative electrode active material on both sides of a long sheet-like foil-shaped negative electrode current collector (hereinafter referred to as “negative electrode current collector foil”) 22. Has a structured. However, the negative electrode active material layer 24 is not attached to one side edge (the upper side edge portion in the figure) of the negative electrode sheet 20 in the width direction, and the negative electrode active material 22 in which the negative electrode current collector 22 is exposed with a certain width. A material layer non-formation part is formed.

捲回電極体80を作製するに際しては、正極シート10と負極シート20とがセパレータシート40を介して積層される。このとき、正極シート10の正極活物質層非形成部分と負極シート20の負極活物質層非形成部分とがセパレータシート40の幅方向の両側からそれぞれはみ出すように、正極シート10と負極シート20とを幅方向にややずらして重ね合わせる。このとうに重ね合わせた積層体を捲回し、次いで得られた捲回体を側面方向から押しつぶして拉げさせることによって扁平状の捲回電極体80が作製され得る。   In producing the wound electrode body 80, the positive electrode sheet 10 and the negative electrode sheet 20 are laminated via the separator sheet 40. At this time, the positive electrode sheet 10 and the negative electrode sheet 20 are formed such that the positive electrode active material layer non-formed portion of the positive electrode sheet 10 and the negative electrode active material layer non-formed portion of the negative electrode sheet 20 protrude from both sides in the width direction of the separator sheet 40. Are overlapped slightly in the width direction. The laminated body thus stacked is wound, and then the obtained wound body is crushed from the side surface direction and ablated, whereby a flat wound electrode body 80 can be produced.

捲回電極体80の捲回軸方向における中央部分には、捲回コア部分82(即ち正極シート10の正極活物質層14と負極シート20の負極活物質層24とセパレータシート40とが密に積層された部分)が形成される。また、捲回電極体80の捲回軸方向の両端部には、正極シート10および負極シート20の電極活物質層非形成部分がそれぞれ捲回コア部分82から外方にはみ出ている。かかる正極側はみ出し部分(すなわち正極活物質層14の非形成部分)84および負極側はみ出し部分(すなわち負極活物質層24の非形成部分)86には、正極リード端子74および負極リード端子76がそれぞれ付設されており、上述の正極端子70および負極端子72とそれぞれ電気的に接続される。   A wound core portion 82 (that is, the positive electrode active material layer 14 of the positive electrode sheet 10, the negative electrode active material layer 24 of the negative electrode sheet 20, and the separator sheet 40) is densely arranged in the central portion of the wound electrode body 80 in the winding axis direction. Laminated portions) are formed. In addition, the electrode active material layer non-formed portions of the positive electrode sheet 10 and the negative electrode sheet 20 protrude outward from the wound core portion 82 at both ends in the winding axis direction of the wound electrode body 80. A positive electrode lead terminal 74 and a negative electrode lead terminal 76 are respectively provided on the protruding portion 84 (that is, a portion where the positive electrode active material layer 14 is not formed) 84 and the protruding portion 86 (that is, a portion where the negative electrode active material layer 24 is not formed) 86. Attached and electrically connected to the positive terminal 70 and the negative terminal 72 described above.

かかる構成の捲回電極体80を容器本体52に収容し、その容器本体52内に適当な非水電解液を配置(注液)する。そして、容器本体52の開口部を蓋体54との溶接等により封止することにより、本実施形態に係る非水電解質二次電池100の構築(組み立て)が完成する。なお、容器本体52の封止プロセスや電解液の配置(注液)プロセスは、従来の非水電解質二次電池の製造で行われている手法と同様にして行うことができる。その後、該電池のコンディショニング(初期充放電)を行う。必要に応じてガス抜きや品質検査等の工程を行ってもよい。   The wound electrode body 80 having such a configuration is accommodated in the container main body 52, and an appropriate nonaqueous electrolytic solution is disposed (injected) into the container main body 52. Then, the construction (assembly) of the nonaqueous electrolyte secondary battery 100 according to the present embodiment is completed by sealing the opening of the container body 52 by welding or the like with the lid 54. In addition, the sealing process of the container main body 52 and the arrangement | positioning (injection) process of electrolyte solution can be performed similarly to the method currently performed by manufacture of the conventional nonaqueous electrolyte secondary battery. Thereafter, the battery is conditioned (initial charge / discharge). You may perform processes, such as degassing and a quality inspection, as needed.

以下の試験例において、ここで開示されるNaMnPOF粉末を正極活物質として使用して非水電解質二次電池(サンプル電池)を構築し、その性能評価を行った。 In the following test examples, a nonaqueous electrolyte secondary battery (sample battery) was constructed using the Na 2 MnPO 4 F powder disclosed herein as a positive electrode active material, and its performance was evaluated.

<NaMnPOF粉末の合成>
まず、Mn源としての酢酸マンガン・4水和物((CHCOO)Mn・4HO)7.3527gを純水20mlに溶解し、これをジエチレングリコール(ポリオール溶媒)160mlとともに適当な攪拌装置に投入し、140℃に加熱して1時間攪拌した。次いで、P源としてのリン酸2水素アンモニウム(NHPO)3.4509gとNa源及びF源としてのフッ化ナトリウム(NaF)1.2597gとを純水30mlに溶解し、これを上述した攪拌装置に追加投入し、180℃に加熱して2時間攪拌した。次いで、Na源及びF源としてのフッ化ナトリウム(NaF)1.2597gを純水30mlに溶解し、これを上述した攪拌装置に追加投入し、140℃に加熱して攪拌することにより前駆体(反応生成物)を得た。得られた前駆体を遠心分離機で分離し、180℃で乾燥した。
<Synthesis of Na 2 MnPO 4 F powder>
First, 7.3527 g of manganese acetate tetrahydrate ((CH 3 COO) 2 Mn · 4H 2 O) as a Mn source was dissolved in 20 ml of pure water, and this was mixed with 160 ml of diethylene glycol (polyol solvent) with a suitable stirring device. The mixture was heated to 140 ° C. and stirred for 1 hour. Next, 3.4509 g of ammonium dihydrogen phosphate (NH 4 H 2 PO 4 ) as a P source and 1.2597 g of sodium fluoride (NaF) as a Na source and an F source were dissolved in 30 ml of pure water. It added to the stirring apparatus mentioned above, and it heated at 180 degreeC and stirred for 2 hours. Subsequently, 1.2597 g of sodium fluoride (NaF) as Na source and F source was dissolved in 30 ml of pure water, and this was added to the stirring device described above, heated to 140 ° C. and stirred to give a precursor ( Reaction product) was obtained. The obtained precursor was separated by a centrifuge and dried at 180 ° C.

上記得られた前駆体のX線回折パターンを測定した。その結果、図3(b)に示すように、NaMnPOFに帰属されるピークが認められた。即ち、出発原料をポリオール溶媒中で反応させることで、フッ素が逸脱せずにリン酸塩内に取り込まれ、NaMnPOFの前駆体を形成できることが確認された。 The X-ray diffraction pattern of the obtained precursor was measured. As a result, as shown in FIG. 3B, a peak attributed to Na 2 MnPO 4 F was observed. That is, it was confirmed that by reacting the starting material in a polyol solvent, fluorine was taken into the phosphate without deviating and a precursor of Na 2 MnPO 4 F could be formed.

上記得られた前駆体をAr雰囲気中において、300℃で3時間仮焼成し、これをいったん解砕した後、さらに600℃で5時間本焼成した。これにより、NaMnPOF粉末を得た。 The precursor thus obtained was pre-fired at 300 ° C. for 3 hours in an Ar atmosphere, and once pulverized, it was further fired at 600 ° C. for 5 hours. This gave Na 2 MnPO 4 F powder.

上記得られたNaMnPOF粉末のX線回折パターンを測定した。その結果、図3(a)に示すように、NaMnPOFに帰属されるピークが明確に現れ、結晶性の高い目的化合物が得られることが確認された。一方、Mn含有化合物とNaFに帰属されるピークも現れ、若干の不純物相を含んでいることが分かった。なお、得られたNaMnPOFは空間群がP21/nであり、格子定数がa=13.679Å、b=5.3198Å、c=13.710Åであった。かかるNaMnPOF粉末のSEM像を図4に示す。図4から明らかなように、本例により得られたNaMnPOF粉末は、粒子形状が従来にない板状形態であった。該板状粒子の平均厚さ(板状粒子の厚み方向の平均長さ)をSEM観察により測定したところ、凡そ100nmであった。該平均厚さとしては、概ね100nm以下(例えば50〜100nm)が好ましく、90nm以下(例えば50〜90nm)がより好ましく、80nm以下(例えば50〜80nm)が特に好ましい。板状粒子の平均厚さが薄くなるほどNaイオンの拡散性がさらに良好になる。 The X-ray diffraction pattern of the obtained Na 2 MnPO 4 F powder was measured. As a result, as shown in FIG. 3A, a peak attributed to Na 2 MnPO 4 F appeared clearly, and it was confirmed that the target compound with high crystallinity was obtained. On the other hand, a peak attributed to the Mn-containing compound and NaF also appeared, and it was found that a slight impurity phase was included. The obtained Na 2 MnPO 4 F had a space group of P21 / n, and lattice constants of a = 13.679 =, b = 5.3198Å, and c = 13.710Å. An SEM image of such Na 2 MnPO 4 F powder is shown in FIG. As is clear from FIG. 4, the Na 2 MnPO 4 F powder obtained in this example had a plate-like form with no particle shape. When the average thickness of the plate-like particles (average length in the thickness direction of the plate-like particles) was measured by SEM observation, it was about 100 nm. The average thickness is preferably about 100 nm or less (for example, 50 to 100 nm), more preferably 90 nm or less (for example, 50 to 90 nm), and particularly preferably 80 nm or less (for example, 50 to 80 nm). The smaller the average thickness of the plate-like particles, the better the diffusibility of Na ions.

<正極活物質‐炭素材複合材料粉末の形成>
上記得られたNaMnPOF(正極活物質)粉末0.5gを一般的なボールミル装置を用いて1時間粉砕した。次いで、炭素材としてのカーボンブラック0.17857gをボールミル装置に投入して21時間粉砕し、粒子表面にカーボンブラックを圧着することにより、正極活物質としてのNaMnPOFと炭素材としてのカーボンブラックとを含む複合材料の粉末(正極活物質−炭素材複合材料粉末)を得た。得られた複合材料粉末のX線回折パターンを図5(b)に示す。図5(b)に示すように、NaMnPOFに帰属されるピークがブロードとなり、ピーク強度も弱くなった。この理由としては、粉砕処理によってNaMnPOFの結晶構造が壊れ、非晶質化が進行したためと考えられる。
<Formation of positive electrode active material-carbon material composite powder>
The obtained Na 2 MnPO 4 F (positive electrode active material) powder 0.5 g was pulverized for 1 hour using a general ball mill apparatus. Next, 0.17857 g of carbon black as a carbon material is put into a ball mill apparatus and pulverized for 21 hours, and carbon black is pressure-bonded to the particle surface, whereby Na 2 MnPO 4 F as a positive electrode active material and carbon as a carbon material. A composite material powder (positive electrode active material-carbon material composite material powder) containing black was obtained. An X-ray diffraction pattern of the obtained composite material powder is shown in FIG. As shown in FIG. 5 (b), Na 2 MnPO 4 peak attributable to F becomes broad, the peak intensity weakened. The reason for this is considered that the crystal structure of Na 2 MnPO 4 F was broken by the pulverization treatment, and amorphization progressed.

上記得られた複合材料粉末(カーボンブラック付きNaMnPOF粉末)をAr雰囲気中において、600℃で5時間再焼成し、その焼成体を適当な粒径までボールミルで粉砕した。かかる再焼成後の複合材料粉末のX線回折パターンを図5(a)に示す。図5(a)に示すように、NaMnPOFに帰属されるピークが明確に現れ、かつ、反応不十分により残存していたMn含有化合物とNaFとに帰属されるピーク(図3(a)参照)も消失した。かかる再焼成後の複合材料粉末のSEM像を図6に示す。図6から明らかなように、再焼成後も複合材料粉末は板状形態を保っていることが確認された。 The obtained composite material powder (Na 2 MnPO 4 F powder with carbon black) was refired at 600 ° C. for 5 hours in an Ar atmosphere, and the fired product was pulverized to a suitable particle size by a ball mill. The X-ray diffraction pattern of the composite material powder after such re-firing is shown in FIG. As shown in FIG. 5A, a peak attributed to Na 2 MnPO 4 F appears clearly, and a peak attributed to Mn-containing compound and NaF remaining due to insufficient reaction (FIG. 3 ( a) also disappeared. FIG. 6 shows an SEM image of the composite material powder after such refiring. As is clear from FIG. 6, it was confirmed that the composite powder maintained a plate-like form even after re-firing.

<非水電解質二次電池(サンプル電池)の構築>
上記得られた複合材料粉末(カーボンブラック付きNaMnPOF粉末)を用いて非水電解質二次電池の供試体を構築した。かかる供試体は、本例により得られたNaMnPOFがNaイオンを可逆的に吸蔵および放出し得るかを確認するために作製されたものであり、実際の電池構成とは異なり得る。ここでは、以下のようにして供試体を作製した。まず、上記得られた複合材料粉末と、結着材としてのポリビニリデンフロライド(PVdF)とを、95:5の質量比となるように秤量してN−メチルピロリドン(NMP)中で混合し、ペースト状の正極活物質用組成物を調製した。このペースト状正極活物質層用組成物をアルミニウム箔(正極集電体)の片面に層状に塗布して乾燥することにより、該正極集電体の片面に正極活物質層が設けられた正極シートを得た。
<Construction of non-aqueous electrolyte secondary battery (sample battery)>
A specimen of a non-aqueous electrolyte secondary battery was constructed using the composite material powder (Na 2 MnPO 4 F powder with carbon black) obtained above. Such a specimen was prepared in order to confirm whether the Na 2 MnPO 4 F obtained in this example can reversibly occlude and release Na ions, and may differ from an actual battery configuration. Here, a specimen was produced as follows. First, the composite material powder obtained above and polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder are weighed to a mass ratio of 95: 5 and mixed in N-methylpyrrolidone (NMP). A paste-like composition for positive electrode active material was prepared. The positive electrode sheet in which the positive electrode active material layer is provided on one surface of the positive electrode current collector by applying the paste composition for the positive electrode active material layer in a layer form on one surface of the aluminum foil (positive electrode current collector) and drying it. Got.

上記正極シートを直径16mmの円形に打ち抜いて、正極を作製した。この正極(作用極)と、負極(対極)としての金属リチウム(直径19mm、厚さ0.02mmの金属Li箔を使用した。)と、セパレータ(直径22mm、厚さ0.02mmのPP(ポリプロピレン)/PE(ポリエチレン)/PP(ポリプロピレン)の3層構造多孔質シートを使用した。)とを、非水電解質とともにステンレス製容器に組み込んで、直径20mm、厚さ3.2mm(2032型)の図7に示すコインセル60(充放電性能評価用のハーフセル)を構築した。図7中、符号61は正極(作用極)を、符号62は負極(対極)を、符号63は電解液の含浸したセパレータを、符号64はガスケットを、符号65は容器(負極端子)を、符号66は蓋(正極端子)をそれぞれ示す。なお、非水電解質としては、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)とエチルメチルカーボネート(EMC)とを3:3:4の体積比で含む混合溶媒に支持塩としてのLiPFを約1mol/リットルの濃度で含有させたものを用いた。 The positive electrode sheet was punched into a circle having a diameter of 16 mm to produce a positive electrode. This positive electrode (working electrode), metallic lithium as a negative electrode (counter electrode) (metal Li foil having a diameter of 19 mm and a thickness of 0.02 mm was used), and a separator (PP (polypropylene having a diameter of 22 mm and a thickness of 0.02 mm) ) / PE (polyethylene) / PP (polypropylene) three-layer porous sheet) was incorporated into a stainless steel container together with a non-aqueous electrolyte, and had a diameter of 20 mm and a thickness of 3.2 mm (2032 type). A coin cell 60 (half cell for charge / discharge performance evaluation) shown in FIG. 7 was constructed. In FIG. 7, reference numeral 61 is a positive electrode (working electrode), reference numeral 62 is a negative electrode (counter electrode), reference numeral 63 is a separator impregnated with an electrolyte, reference numeral 64 is a gasket, reference numeral 65 is a container (negative electrode terminal), Reference numeral 66 denotes a lid (positive electrode terminal). In addition, as a nonaqueous electrolyte, about 1 mol of LiPF 6 as a supporting salt is contained in a mixed solvent containing ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), and ethyl methyl carbonate (EMC) in a volume ratio of 3: 3: 4. The one contained at a concentration of 1 / liter was used.

<サイクリックボルタンメトリー測定>
以上のようにして得られた非水電解質二次電池(サンプル電池)に対して、サイクリックボルタンメトリー測定を行った。測定条件については、リチウム金属板に対する作用極の電位走査範囲は2.5V〜5V(vs.Li/Li)とし、電位走査速度を0.5mV/sとした。その結果を図8に示す。図中、横軸が走査電位(V)を、縦軸が電流(mA)を表している。
<Cyclic voltammetry measurement>
Cyclic voltammetry measurement was performed on the nonaqueous electrolyte secondary battery (sample battery) obtained as described above. Regarding the measurement conditions, the potential scanning range of the working electrode with respect to the lithium metal plate was 2.5 V to 5 V (vs. Li + / Li), and the potential scanning speed was 0.5 mV / s. The result is shown in FIG. In the figure, the horizontal axis represents the scanning potential (V), and the vertical axis represents the current (mA).

図8から明らかなように、2.5V〜5Vの電位範囲においてサイクリックボルタモグラム上に酸化電流ピークP1が現れ、本例により得られたNaMnPOF粉末がNaイオンの放出(脱離)を伴う充電が可能な材料であることが確認された。また、2.5V〜5Vの電位範囲においてサイクリックボルタモグラム上に還元電流ピークP2が現れ、本例により得られたNaMnPOF粉末がNaイオン(及びLiイオン)の吸蔵(挿入)を伴う放電が可能な材料であることが確認された。 As is clear from FIG. 8, the oxidation current peak P1 appears on the cyclic voltammogram in the potential range of 2.5V to 5V, and the Na 2 MnPO 4 F powder obtained in this example releases (desorbs) Na ions. It was confirmed that the material can be charged with Further, a reduction current peak P2 appears on the cyclic voltammogram in the potential range of 2.5 V to 5 V, and the Na 2 MnPO 4 F powder obtained by this example is accompanied by insertion (insertion) of Na ions (and Li ions). It was confirmed that the material can be discharged.

以上の結果から、本例によると、Na1+xMnPOの出発原料をポリオール溶媒中で反応させることで、NaMnPOFを板状形態に制御し、それにより充放電可能な材料とすることができた。そのため、本構成によると、Naイオンを可逆的に吸蔵および放出し得るNaMnPOFを電極活物質として備えた非水電解質二次電池を実現することができる。かかるNaMnPOFを電極活物質として備えた非水電解質二次電池は、資源として豊富なNa及びMnを用いて製造でき、利用価値が高い。 From the above results, according to the present example, by reacting Na 1 + x MnPO 4 F x starting material in a polyol solvent, Na 2 MnPO 4 F is controlled in a plate-like form, whereby a chargeable / dischargeable material and We were able to. Therefore, according to this configuration, it is possible to realize a nonaqueous electrolyte secondary battery including Na 2 MnPO 4 F capable of reversibly occluding and releasing Na ions as an electrode active material. A non-aqueous electrolyte secondary battery including Na 2 MnPO 4 F as an electrode active material can be manufactured using abundant Na and Mn as resources, and has high utility value.

なお、本発明に係る非水電解質二次電池は、特に自動車等の車両に搭載されるモーター(電動機)用電源として好適に使用し得る。したがって本発明は、図9に模式的に示すように、かかる非水電解質二次電池(典型的には複数直列接続してなる組電池)100を電源として備える車両(典型的には自動車、特にハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車のような電動機を備える自動車)1を提供する。   The non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention can be suitably used as a power source for a motor (electric motor) mounted on a vehicle such as an automobile. Therefore, as schematically shown in FIG. 9, the present invention provides a vehicle (typically an automobile, in particular,) having such a non-aqueous electrolyte secondary battery (typically, a plurality of series-connected batteries) 100 as a power source. A vehicle including an electric motor such as a hybrid vehicle, an electric vehicle, and a fuel cell vehicle) 1 is provided.

10 正極シート
12 正極集電体
14 正極活物質層
20 負極シート
22 負極集電体
24 負極活物質層
40 セパレータシート
50 容器
52 容器本体
54 蓋体
60 コインセル
70 正極端子
72 負極端子
74 正極リード端子
76 負極リード端子
80 捲回電極体
82 捲回コア部分
100 非水電解質二次電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Positive electrode sheet 12 Positive electrode collector 14 Positive electrode active material layer 20 Negative electrode sheet 22 Negative electrode collector 24 Negative electrode active material layer 40 Separator sheet 50 Container 52 Container body 54 Lid 60 Coin cell 70 Positive electrode terminal 72 Negative electrode terminal 74 Positive electrode lead terminal 76 Negative electrode lead terminal 80 Winding electrode body 82 Winding core portion 100 Nonaqueous electrolyte secondary battery

Claims (8)

ナトリウムを可逆的に吸蔵および放出し得る電極活物質を含む非水電解質二次電池であって、
前記電極活物質は、粒子形状が板状であって、以下の組成式:
Na1+xMnPO(式中、xは0<x≦1である);
で表される、非水電解質二次電池。
A non-aqueous electrolyte secondary battery comprising an electrode active material capable of reversibly occluding and releasing sodium,
The electrode active material has a plate shape in particle shape, and has the following composition formula:
Na 1 + x MnPO 4 F x (wherein x is 0 <x ≦ 1);
A non-aqueous electrolyte secondary battery represented by
前記式中のxが0.5≦x≦1である、請求項1に記載の非水電解質二次電池。   The nonaqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein x in the formula is 0.5 ≦ x ≦ 1. 組成式Na1+xMnPO(式中、xは0<x≦1)で表される金属化合物からなる電極活物質を製造する方法であって、
ナトリウム源、マンガン源、リン酸源およびフッ素源を包含する出発原料を、金属キレート形成性官能基を含む溶媒中で混合して原料混合液を調製する工程と、
前記原料混合液を加熱して前駆体を得る工程と、
前記前駆体を所定温度で焼成する工程と
を包含する、電極活物質の製造方法。
A method for producing an electrode active material comprising a metal compound represented by a composition formula Na 1 + x MnPO 4 F x (where x is 0 <x ≦ 1),
Mixing raw materials including a sodium source, a manganese source, a phosphate source and a fluorine source in a solvent containing a metal chelate-forming functional group to prepare a raw material mixture;
Heating the raw material mixture to obtain a precursor;
A method for producing an electrode active material, comprising a step of firing the precursor at a predetermined temperature.
前記金属キレート形成性官能基は、アルコール基,カルボニル基およびエーテル基からなる群から選択される少なくとも一種の官能基である、請求項3に記載の製造方法。   The method according to claim 3, wherein the metal chelate-forming functional group is at least one functional group selected from the group consisting of an alcohol group, a carbonyl group, and an ether group. 前記溶媒はポリオール溶媒である、請求項3または4に記載の製造方法。   The production method according to claim 3 or 4, wherein the solvent is a polyol solvent. 前記前駆体の焼成温度は500℃〜800℃である、請求項3〜5の何れか一つに記載の製造方法。   The manufacturing method according to any one of claims 3 to 5, wherein the firing temperature of the precursor is 500C to 800C. 前記焼成後、得られた焼成物に炭素材を混合し粉砕する、請求項3から6の何れか一つに記載の製造方法。   The manufacturing method according to any one of claims 3 to 6, wherein a carbon material is mixed and pulverized in the obtained fired product after the firing. 前記粉砕後、得られた粉砕物を500℃〜800℃で再焼成する、請求項7に記載の製造方法。


The manufacturing method according to claim 7, wherein after the pulverization, the obtained pulverized product is refired at 500C to 800C.


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