JP5621732B2 - Metal secondary battery - Google Patents

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Description

本発明は、負極材料としてMgHを有し、高い充放電効率を示す金属二次電池に関する。 The present invention relates to a metal secondary battery having MgH 2 as a negative electrode material and exhibiting high charge / discharge efficiency.

近年におけるパソコン、ビデオカメラおよび携帯電話等の情報関連機器や通信機器等の急速な普及に伴い、その電源として利用される電池の開発が重要視されている。また、自動車産業界等においても、電気自動車用あるいはハイブリッド自動車用の高出力かつ高容量の電池の開発が進められている。現在、種々の電池の中でも、エネルギー密度が高いという観点から、リチウム電池が注目を浴びている。   With the rapid spread of information-related equipment and communication equipment such as personal computers, video cameras, and mobile phones in recent years, development of batteries that are used as power sources has been regarded as important. Also in the automobile industry and the like, development of high-power and high-capacity batteries for electric vehicles or hybrid vehicles is being promoted. Currently, lithium batteries are attracting attention among various batteries from the viewpoint of high energy density.

例えばリチウム電池に用いられる負極活物質として、金属水素化物(MHx)であるコンバージョン系の負極活物質が知られている。コンバージョン系の負極活物質として、例えば特許文献1にはMgHが記載されている。MgHを活物質として用いた場合の電気化学的な挙動は、以下の通りである。
充電時:MgH+2Li+2e → Mg+2LiH (反応式1)
放電時:Mg+2LiH → MgH+2Li+2e (反応式2)
For example, a conversion-type negative electrode active material that is a metal hydride (MHx) is known as a negative electrode active material used in a lithium battery. As a conversion-type negative electrode active material, for example, Patent Document 1 describes MgH 2 . The electrochemical behavior when MgH 2 is used as the active material is as follows.
During charging: MgH 2 + 2Li + + 2e → Mg + 2LiH (Reaction Formula 1)
During discharge: Mg + 2LiH → MgH 2 + 2Li + + 2e (Reaction Formula 2)

米国特許出願公報第2008/0286652号明細書US Patent Application Publication No. 2008/0286652

MgHは、コンバージョン反応の可逆性が低いという問題がある。具体的には、上記反応式1に比べて、上記反応式2が生じにくいという問題がある。そのため、MgHを用いた金属二次電池では、充放電効率が低くなる。
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、充放電効率の高い金属二次電池を提供することを主目的とする。
MgH 2 has a problem that the reversibility of the conversion reaction is low. Specifically, the reaction formula 2 is less likely to occur than the reaction formula 1. Therefore, in the metal secondary battery using the MgH 2, the charge and discharge efficiency is lowered.
This invention is made | formed in view of the said situation, and makes it a main objective to provide a metal secondary battery with high charging / discharging efficiency.

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を行った結果、金属二次電池の充放電効率は、電解液の影響を大きく受けるとの知見を得た。そこで、上記知見を得た本発明者らは、電解液の溶媒として特定のカーボネートを使用した場合に、充放電効率が大幅に向上することを見出し、本発明を完成させるに至った。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have obtained knowledge that the charge / discharge efficiency of a metal secondary battery is greatly affected by the electrolytic solution. Thus, the present inventors who have obtained the above findings have found that the charge / discharge efficiency is greatly improved when a specific carbonate is used as the solvent of the electrolytic solution, and have completed the present invention.

すなわち、本発明は、正極活物質層と、負極活物質層と、上記正極活物質層および上記負極活物質層の間に形成された電解質層とを有する金属二次電池であって、上記負極活物質層がMgHを含有し、上記電解質層が金属塩と炭素数が4以上のカーボネートを含有する溶媒とを有する電解液から構成されることを特徴とする金属二次電池を提供する。 That is, the present invention is a metal secondary battery having a positive electrode active material layer, a negative electrode active material layer, and an electrolyte layer formed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer, wherein the negative electrode Provided is a metal secondary battery characterized in that the active material layer contains MgH 2 and the electrolyte layer is composed of an electrolytic solution having a metal salt and a solvent containing a carbonate having 4 or more carbon atoms.

本発明によれば、電解液が炭素数が4以上のカーボネートを含有することから、金属二次電池を安定的に動作できるため、充放電効率を向上させることが可能となる。   According to the present invention, since the electrolytic solution contains a carbonate having 4 or more carbon atoms, the metal secondary battery can be stably operated, so that charge / discharge efficiency can be improved.

本発明においては、上記炭素数が4以上のカーボネートがエチルメチルカーボネート(EMC)であることが好ましい。   In the present invention, the carbonate having 4 or more carbon atoms is preferably ethyl methyl carbonate (EMC).

本発明においては、上記溶媒がエチレンカーボネート(EC)およびジメチルカーボネート(DMC)をさらに含有することが好ましい。ECを含有することにより、金属塩の溶解性を向上させることができるからである。また、DMCを有することにより、本発明の金属二次電池をより充放電効率の高いものとすることができるからである。   In the present invention, the solvent preferably further contains ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC). It is because the solubility of a metal salt can be improved by containing EC. Moreover, it is because the metal secondary battery of this invention can be made into a thing with higher charging / discharging efficiency by having DMC.

本発明においては、上記負極活物質層が、コンバージョン反応の可逆性を向上させる金属触媒を含有することが好ましい。負極活物質であるMgHに、上記金属触媒を添加することにより、例えば上記反応式2を促進させることができる。そのため、金属二次電池の充放電効率を向上させることができる。 In the present invention, the negative electrode active material layer preferably contains a metal catalyst that improves the reversibility of the conversion reaction. By adding the metal catalyst to MgH 2 that is the negative electrode active material, for example, the reaction formula 2 can be promoted. Therefore, the charge / discharge efficiency of the metal secondary battery can be improved.

本発明においては、MgHの平均粒径が2μm以下であることが好ましい。MgHの粒径を小さくすることにより、コンバージョン反応の可逆性をさらに向上させることができるからである。 In the present invention, the average particle size of MgH 2 is preferably 2 μm or less. This is because the reversibility of the conversion reaction can be further improved by reducing the particle size of MgH 2 .

本発明は、上述した電解液を有することにより、充放電効率の高い金属二次電池を得ることができるという作用効果を奏する。   The present invention has an effect that a metal secondary battery having high charge / discharge efficiency can be obtained by having the above-described electrolytic solution.

本発明の金属二次電池の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the metal secondary battery of this invention. 実施例1の評価電池の充放電効率評価の結果である。It is a result of charge-and-discharge efficiency evaluation of the evaluation battery of Example 1. 実施例2の評価電池の充放電効率評価の結果である。It is a result of charging / discharging efficiency evaluation of the evaluation battery of Example 2. 比較例の評価電池の充放電効率評価の結果である。It is a result of charge-and-discharge efficiency evaluation of the evaluation battery of a comparative example.

以下、本発明の金属二次電池について詳細に説明する。本発明の金属二次電池は、正極活物質層と、負極活物質層と、上記正極活物質層および上記負極活物質層の間に形成された電解質層とを有する金属二次電池であって、上記負極活物質層が、MgHを含有し、上記電解質層が、金属塩と、炭素数が4以上のカーボネートを含有する溶媒とを有する電解液から構成されることを特徴とするものである。 Hereinafter, the metal secondary battery of the present invention will be described in detail. The metal secondary battery of the present invention is a metal secondary battery having a positive electrode active material layer, a negative electrode active material layer, and an electrolyte layer formed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer. The negative electrode active material layer contains MgH 2 , and the electrolyte layer is composed of an electrolytic solution having a metal salt and a solvent containing a carbonate having 4 or more carbon atoms. is there.

図1は、本発明の金属二次電池の一例を示す概略断面図である。図1における金属二次電池10は、正極活物質層1と、負極活物質層2と、正極活物質層1および負極活物質層2の間に形成された電解質層3と、正極活物質層1の集電を行う正極集電体4と、負極活物質層2の集電を行う負極集電体5と、これらの部材を収納する電池ケース6とを有するものである。本発明においては、負極活物質層2が、MgHを含有し、電解質層3が金属塩と、炭素数が4以上のカーボネートを含有する溶媒とを有する電解液から構成されることを大きな特徴とする。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a metal secondary battery of the present invention. A metal secondary battery 10 in FIG. 1 includes a positive electrode active material layer 1, a negative electrode active material layer 2, an electrolyte layer 3 formed between the positive electrode active material layer 1 and the negative electrode active material layer 2, and a positive electrode active material layer. 1 has a positive electrode current collector 4 that collects current, a negative electrode current collector 5 that collects current of the negative electrode active material layer 2, and a battery case 6 that houses these members. In the present invention, the negative electrode active material layer 2 contains MgH 2 , and the electrolyte layer 3 is composed of an electrolytic solution having a metal salt and a solvent containing a carbonate having 4 or more carbon atoms. And

本発明によれば、電解液が炭素数が4以上のカーボネートを含有することから、金属二次電池の安定動作が可能となるため、充放電効率を向上させることが可能となる。   According to the present invention, since the electrolytic solution contains a carbonate having 4 or more carbon atoms, the metal secondary battery can be stably operated, and thus the charge / discharge efficiency can be improved.

ここで、後述する比較例に記載するように、DMCおよびECを含有する電解液を用いた場合、充放電効率が著しく低下する。これは、MgHから電解液への求核反応により、電解液(主にDMC)が分解されるためと考えられる。 Here, as described in Comparative Examples described later, when an electrolytic solution containing DMC and EC is used, the charge / discharge efficiency is significantly reduced. This is presumably because the electrolytic solution (mainly DMC) is decomposed by the nucleophilic reaction from MgH 2 to the electrolytic solution.

これに対して、本発明における溶媒に用いられる炭素数が4以上のカーボネートは、下記の構造式で示されるように、鎖構造(例えばEMC)や環状構造(例えばPC)等を有することから、DMCの構造と比較して、嵩高い構造となる。そのため、上述の鎖構造や環状構造等がMgHの溶媒への求核反応に対する立体障害となり、電解液の分解を抑制することが可能となることが考えられる。なお、炭素数が4以上のカーボネートについて、詳しくは後述する。 On the other hand, the carbonate having 4 or more carbon atoms used in the solvent in the present invention has a chain structure (for example, EMC), a cyclic structure (for example, PC), etc., as shown by the following structural formula. Compared to the structure of DMC, the structure is bulky. Therefore, it is considered that the above-described chain structure, cyclic structure, or the like becomes a steric hindrance to the nucleophilic reaction of MgH 2 in a solvent, and it is possible to suppress decomposition of the electrolytic solution. The carbonate having 4 or more carbon atoms will be described later in detail.

Figure 0005621732
Figure 0005621732

以下、本発明の金属二次電池の各構成について説明する。   Hereinafter, each structure of the metal secondary battery of this invention is demonstrated.

1.電解質層
本発明における電解質層について説明する。本発明における電解質層は、金属塩と、溶媒とを有する電解液から構成される。本発明においては、上記電解液が炭素数が4以上のカーボネートを含有する溶媒を含有することに大きな特徴を有する。
1. Electrolyte Layer The electrolyte layer in the present invention will be described. The electrolyte layer in the present invention is composed of an electrolytic solution having a metal salt and a solvent. In this invention, the said electrolyte solution has the big characteristic in containing the solvent containing a C4 or more carbonate.

以下、本発明の電解液について説明する。上記電解液は溶媒として、炭素数が4以上のカーボネートを含有する。なお、本発明に用いられる炭素数が4以上のカーボネートの炭素数の上限は、特に限定されないが、通常、20程度である。   Hereinafter, the electrolytic solution of the present invention will be described. The electrolytic solution contains a carbonate having 4 or more carbon atoms as a solvent. In addition, the upper limit of the carbon number of the carbonate having 4 or more carbon atoms used in the present invention is not particularly limited, but is usually about 20.

また、炭素数4以上のカーボネートとしては、鎖状カーボネートであってもよく、環状カーボネートであってもよい。
上記鎖状カーボネートとしては、炭化水素基を有するカーボネートであればよく、上記炭化水素基は鎖状構造であってもよく、環状構造であってもよい。具体的には、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジフェニルカーボネート(DPC)、ジ‐n‐ブチルカーボネート(DNBC)、ジ‐t‐ブチルカーボネート(DTBC)、ジエチルカーボネート(DEC)等が挙げられる。
一方、環状カーボネートとしては、具体的には、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)等が挙げられる。これらの炭素数が4以上のカーボネートは1種で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよく、溶媒の粘度や用いられる金属塩等に応じて適宜選択される。本発明においては、なかでも、EMCが含有されることが好ましい。
The carbonate having 4 or more carbon atoms may be a chain carbonate or a cyclic carbonate.
The chain carbonate may be a carbonate having a hydrocarbon group, and the hydrocarbon group may have a chain structure or a cyclic structure. Specific examples include ethyl methyl carbonate (EMC), diphenyl carbonate (DPC), di-n-butyl carbonate (DNBC), di-t-butyl carbonate (DTBC), diethyl carbonate (DEC), and the like.
On the other hand, specific examples of the cyclic carbonate include propylene carbonate (PC) and butylene carbonate (BC). These carbonates having 4 or more carbon atoms may be used singly or in combination of two or more, and are selected appropriately according to the viscosity of the solvent, the metal salt used, and the like. In the present invention, it is particularly preferable that EMC is contained.

また、炭素数が4以上のカーボネートの含有量としては、MgHによる電解液の分解を抑制することが可能な程度であれば特に限定されず、溶媒全体の体積に対して、5体積%以上、なかでも10体積%以上、特に30体積%以上であることが好ましい。上記含有量が上記範囲に満たない場合は、MgHによる電解液の分解を抑制することが困難となる可能性があるからである。
また、上記炭素数が4以上のカーボネートの含有量の上限は、100体積%であってもよいが、例えば50体積%程度であることが好ましい。上記含有量が上記範囲を超える場合は、電解塩の溶解性が低下する場合や、電解液の粘度が高くなり過ぎ、電解質層に用いることが困難となる可能性があるからである。
Further, the content of the carbonate having 4 or more carbon atoms is not particularly limited as long as the decomposition of the electrolytic solution by MgH 2 can be suppressed, and is 5% by volume or more with respect to the volume of the entire solvent. In particular, it is preferably 10% by volume or more, particularly preferably 30% by volume or more. If the above content is less than the above range, there is a possibility that it is difficult to suppress the decomposition of the electrolyte by the MgH 2.
The upper limit of the content of the carbonate having 4 or more carbon atoms may be 100% by volume, but is preferably about 50% by volume, for example. This is because if the content exceeds the above range, the solubility of the electrolytic salt may decrease, or the viscosity of the electrolytic solution may become too high, making it difficult to use it in the electrolyte layer.

本発明に用いられる電解液としては、上述した炭素数4以上のカーボネート以外にも、例えば高誘電率溶媒を有していてもよい。高誘電率溶媒を含有することにより、後述する金属塩の溶解性を向上させることが可能となるため、金属塩の溶解性が低いカーボネートについても用いることが可能となる。高誘電率溶媒の誘電率としては、30以上であることが好ましく、なかでも60以上、特に90以上であることが好ましい。このような高誘電率溶媒としては、金属塩を溶解することが可能なものであれば特に限定されず、例えば、エチレンカーボネート(EC)、γ‐ブチロラクトン、スルホラクトン、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン(DMI)等を挙げることができる。本発明においては、なかでもECを含有していることが好ましい。なお、炭素数4以上のカーボネートであるが、高誘電率溶媒として、PC、BCを用いてもよい。   The electrolytic solution used in the present invention may have, for example, a high dielectric constant solvent in addition to the above-mentioned carbonate having 4 or more carbon atoms. By containing a high dielectric constant solvent, it becomes possible to improve the solubility of the metal salt described later, and therefore, it is possible to use a carbonate having a low solubility of the metal salt. The dielectric constant of the high dielectric constant solvent is preferably 30 or more, more preferably 60 or more, and particularly preferably 90 or more. Such a high dielectric constant solvent is not particularly limited as long as it can dissolve a metal salt. For example, ethylene carbonate (EC), γ-butyrolactone, sulfolactone, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone (DMI) and the like. In the present invention, it is particularly preferable that EC is contained. In addition, although it is a C4 or more carbonate, you may use PC and BC as a high dielectric constant solvent.

本発明における溶媒としては、さらに被膜形成用溶媒を含有していてもよい。ここで、金属二次電池においては、活物質層と電解質層との界面に、電池反応の際に溶媒の一部が分解して生じた生成物から構成される被膜(Solid Electrolyte Interphase(SEI))が形成されることが知られている。また、上記被膜は、その抵抗が小さいほど電池反応を安定的に行うことができ、充放電効率を高くすることができる。そこで、本発明における電解液は抵抗の低い被膜を形成可能な被膜形成用溶媒を含有することが好ましい。このような被膜形成用溶媒としては、例えば、DMC等の溶媒を挙げることができる。なお、炭素数4以上のカーボネートであるが、被膜形成用溶媒として、DECを用いてもよい。   The solvent in the present invention may further contain a film-forming solvent. Here, in a metal secondary battery, a coating (Solid Electrolyte Interphase (SEI)) is formed on the interface between the active material layer and the electrolyte layer, which is formed by decomposition of a part of the solvent during the battery reaction. ) Is known to form. Moreover, the said film can perform a battery reaction stably, so that the resistance is small, and can make charging / discharging efficiency high. Therefore, the electrolytic solution in the present invention preferably contains a film-forming solvent capable of forming a low-resistance film. Examples of such a film forming solvent include solvents such as DMC. In addition, although it is a C4 or more carbonate, you may use DEC as a solvent for film formation.

本発明における溶媒としては、なかでも、炭素数が4以上のカーボネート/高誘電率溶媒/被膜形成用溶媒の混合溶媒であることが好ましく、EMC/EC/DMCの混合溶媒であることが特に好ましい。溶媒が上述した混合溶媒であることにより、本発明の金属二次電池の充放電効率をより向上させることが可能となる。この理由については明らかではないが、次のように考えられる。
本発明において溶媒にDMCが含まれている場合は、抵抗の低い被膜を形成することができることが考えられる。しかしながら、後述する比較例のように、溶媒がEMCを含まない場合は、被膜形成後にさらにDMCおよびMgHの反応が進行することから、電解液自体が分解されることが考えられる。一方、後述する実施例2のように、EMC等の炭素数が4以上のカーボネートが含まれている場合は、MgHによる電解液(主にDMC)の分解を抑制することが可能となることにより、上述した被膜形成後の電解液の分解を抑制することが可能となることが考えられる。
また、上述した混合溶媒はECを有することにより、金属塩の溶解性を向上させることができるため、良好な電解液とすることができると考えられる。
As the solvent in the present invention, a mixed solvent of carbonate / high dielectric constant solvent / film forming solvent having 4 or more carbon atoms is preferable, and a mixed solvent of EMC / EC / DMC is particularly preferable. . When the solvent is the mixed solvent described above, the charge / discharge efficiency of the metal secondary battery of the present invention can be further improved. Although the reason for this is not clear, it can be considered as follows.
In the present invention, when DMC is contained in the solvent, it is considered that a low-resistance film can be formed. However, when the solvent does not contain EMC as in the comparative example described later, the reaction of DMC and MgH 2 further proceeds after the formation of the film, so that the electrolytic solution itself may be decomposed. On the other hand, when a carbonate having 4 or more carbon atoms such as EMC is contained as in Example 2 described later, it is possible to suppress decomposition of the electrolyte solution (mainly DMC) by MgH 2. Therefore, it is considered that the decomposition of the electrolytic solution after the above-described film formation can be suppressed.
Moreover, since the mixed solvent mentioned above can improve the solubility of a metal salt by having EC, it is thought that it can be set as a favorable electrolyte solution.

炭素数が4以上のカーボネート/高誘電率溶媒/被膜形成用溶媒の混合溶媒における、各溶媒の混合比(体積比)としては、特に限定されないが、炭素数が4以上のカーボネート100体積部に対して、高誘電率溶媒が、5体積部〜60体積部の範囲内、なかでも10体積部〜50体積部の範囲内、特に20体積部〜40体積部の範囲内であることが好ましい。また、炭素数が4以上のカーボネート100体積部に対して、被膜形成用溶媒が、5体積部〜60体積部の範囲内、なかでも10体積部〜50体積部の範囲内、特に20体積部〜40体積部の範囲内であることが好ましい。   The mixing ratio (volume ratio) of each solvent in the carbonate / high dielectric constant solvent / film forming solvent mixed solvent having 4 or more carbon atoms is not particularly limited, but is 100 volume parts of carbonate having 4 or more carbon atoms. On the other hand, the high dielectric constant solvent is preferably in the range of 5 to 60 parts by volume, in particular in the range of 10 to 50 parts by volume, particularly in the range of 20 to 40 parts by volume. Further, the solvent for forming a film is in the range of 5 to 60 parts by volume, particularly in the range of 10 to 50 parts by volume, particularly 20 parts by volume with respect to 100 parts by volume of the carbonate having 4 or more carbon atoms. It is preferable to be within a range of ˜40 parts by volume.

本発明における電解質層に用いられる電解液は、上述した溶媒と金属塩とを有するものである。上記電解液に用いられる金属塩としては、金属二次電池の種類に応じて適宜選択されるものであるが、例えばリチウム二次電池に用いられる金属塩としては、LiPF、LiBF、LiClOおよびLiAsF等の無機リチウム塩;およびLiCFSO、LiN(CFSO、LiN(CSO、LiC(CFSO等の有機リチウム塩等を挙げることができる。電解液における金属塩の濃度は、例えば0.5mol/L〜3mol/Lの範囲内である。 The electrolytic solution used for the electrolyte layer in the present invention has the above-described solvent and metal salt. The metal salt used in the electrolytic solution is appropriately selected according to the type of the metal secondary battery. For example, as the metal salt used in the lithium secondary battery, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 And inorganic lithium salts such as LiAsF 6 ; and organic lithium salts such as LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3 Can be mentioned. The concentration of the metal salt in the electrolytic solution is, for example, in the range of 0.5 mol / L to 3 mol / L.

電解質層の厚さは、電池の構成によって大きく異なるものであるが、例えば0.1μm〜1000μmの範囲内、中でも0.1μm〜300μmの範囲内であることが好ましい。また、正極活物質層および負極活物質層の間には、セパレータが配置されていても良い。   The thickness of the electrolyte layer varies greatly depending on the configuration of the battery. For example, the thickness of the electrolyte layer is preferably in the range of 0.1 μm to 1000 μm, and more preferably in the range of 0.1 μm to 300 μm. A separator may be disposed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer.

2.負極活物質層
次に、本発明における負極活物質層について説明する。本発明における負極活物質層は、少なくともMgHを含有するものである。また、負極活物質層に用いられる負極材料としては、MgHを含有していれば特に限定されないが、コンバージョン反応の可逆性を向上させる金属触媒、および導電化材を含有していることがより好ましい。
2. Next, the negative electrode active material layer in the present invention will be described. The negative electrode active material layer in the present invention contains at least MgH 2 . Further, the negative electrode material used for the negative electrode active material layer is not particularly limited as long as it contains MgH 2 , but more preferably contains a metal catalyst that improves the reversibility of the conversion reaction, and a conductive material. preferable.

MgHは、通常、活物質として用いられる。本発明におけるMgHは、より微細化されたものであることが好ましい。MgHの粒径を小さくすることで、コンバージョン反応の可逆性をさらに向上させることができるからである。MgHの粒径が小さくなることで、コンバージョン反応の可逆性が向上する理由は、MgHの粒径が小さくなると、比表面積が大きくなり、反応式2が生じやすくなるためであると考えられる。また、MgHの粒径が小さくなることで、Li拡散パスが短くなり、反応性が向上すると考えられる。また、MgHの粒径が小さくなることにより、Li挿入反応(上記反応式1)における過電圧が小さくなるという利点もある。 MgH 2 is usually used as an active material. In the present invention, MgH 2 is preferably further refined. This is because the reversibility of the conversion reaction can be further improved by reducing the particle size of MgH 2 . By particle size of MgH 2 becomes smaller, why reversibility of the conversion reaction is improved, the particle size of MgH 2 is decreased, the specific surface area is increased, believed Scheme 2 is to become liable . In addition, the particle size of MgH 2 is reduced, Li diffusion paths are shortened, believed to improve reactivity. Moreover, since the particle size of MgH 2 is reduced, there is an advantage that the overvoltage in the Li insertion reaction (the above reaction formula 1) is reduced.

MgHの平均粒径は、特に限定されないが、例えば2μm以下であることが好ましく、0.1μm〜1μmの範囲内であることがより好ましい。なお、MgHの平均粒径は、SEM(走査型電子顕微鏡)観察により、MgH粒子(n=100)の粒径を測定し、その平均を求めることで算出することができる。また、MgHの平均粒径と、後述する金属触媒や導電化材の平均粒径とが、大きく異なる場合には、粒度分布測定により、MgH粒子の平均粒径(d50)を求めても良い。 The average particle size of MgH 2 is not particularly limited, for example, preferably at 2μm or less, and more preferably in the range of 0.1 to 1 m. The average particle size of MgH 2 is a SEM (scanning electron microscope) observation, measuring the particle size of MgH 2 particles (n = 100), it can be calculated by obtaining the average. Further, when the average particle diameter of MgH 2 and the average particle diameter of the metal catalyst or conductive material described later are greatly different, the average particle diameter (d 50 ) of the MgH 2 particles is obtained by particle size distribution measurement. Also good.

上記負極材料におけるMgHの含有量は、特に限定されるものではないが、例えば40重量%以上であることが好ましく、60重量%〜98重量%の範囲内であることがより好ましい。 The content of MgH 2 in the negative electrode material is not particularly limited, for example, preferably 40 wt% or more, and more preferably in a range of 60% to 98% by weight.

上記負極材料は、コンバージョン反応の可逆性を向上させる金属触媒を含有することが好ましい。上記金属触媒を添加することにより、例えば上記反応式2を促進することができる。そのため、金属二次電池の充放電効率を向上させることができる。また、例えば上記反応式2を促進させるためには、LiHからの水素脱離反応(LiHの解離反応)およびMgへの水素付加反応が重要になり、金属触媒は、その一方または両方の反応を促進しているものと考えられる。   The negative electrode material preferably contains a metal catalyst that improves the reversibility of the conversion reaction. By adding the metal catalyst, for example, the reaction formula 2 can be promoted. Therefore, the charge / discharge efficiency of the metal secondary battery can be improved. For example, in order to promote the above reaction formula 2, a hydrogen elimination reaction from LiH (a LiH dissociation reaction) and a hydrogen addition reaction to Mg are important, and a metal catalyst performs one or both of these reactions. It is thought that it is promoting.

次に、上記金属触媒が、コンバージョン反応の可逆性を向上させる推定メカニズムについて説明する。MgHにLiが取り込まれる(上記反応式1が生じる)と、MgおよびLiHが生じる。この状態をX線回折(XRD)で測定すると、Mgのピークが観察されLiHのピークが観察されないことから、結晶性を有するMg粒子が、非晶質のLiHの中に浮島状に形成されていることが推察される。 Next, an estimation mechanism by which the metal catalyst improves the reversibility of the conversion reaction will be described. When Li + is taken into MgH 2 (the above reaction formula 1 occurs), Mg and LiH are generated. When this state is measured by X-ray diffraction (XRD), the Mg peak is observed and the LiH peak is not observed. Therefore, the crystalline Mg particles are formed in a floating island shape in the amorphous LiH. It is inferred that

一方、MgHおよびLiの電気化学反応において、微量の水素ガスが発生することが確認されている。このことから、発生した水素ガスを、金属触媒が解離吸着し、その解離吸着した水素がMgと反応することで、MgHが生じていると考えられる。すなわち、この推定メカニズムでは、金属触媒が、Mgへの水素付加反応を促進させている。また、この推定メカニズムは、水素吸蔵合金が水素を吸蔵する際の反応に類似したものであると考えることができる。なお、上記の説明では、金属触媒が発生した水素ガスを解離吸着するものとしているが、金属触媒は、LiHから脱離した水素が水素ガスになる前に、水素を吸着している可能性も考えられる。また、金属触媒は、LiHの解離反応自体を促進している可能性も考えられる。 On the other hand, it has been confirmed that a trace amount of hydrogen gas is generated in the electrochemical reaction of MgH 2 and Li + . From this, it is considered that the generated hydrogen gas is dissociated and adsorbed by the metal catalyst, and the dissociated and adsorbed hydrogen reacts with Mg, thereby generating MgH 2 . That is, in this presumed mechanism, the metal catalyst promotes the hydrogen addition reaction to Mg. Moreover, this presumed mechanism can be considered to be similar to the reaction when the hydrogen storage alloy stores hydrogen. In the above description, the hydrogen gas generated by the metal catalyst is dissociated and adsorbed, but the metal catalyst may adsorb hydrogen before the hydrogen desorbed from LiH becomes hydrogen gas. Conceivable. In addition, the metal catalyst may promote the LiH dissociation reaction itself.

本発明におけるMgHは、通常、活物質として機能するものであり、例えばLiイオンと反応することにより、LiHおよびMgが生じる。また、Liイオンとの反応で生じたMg(0価)は、さらにLiイオンと合金化反応を起こし、LiMgとなるまでLiを吸蔵する。このように、MgHは極めて大きなLi吸蔵容量が得られるものの、その逆反応(特に上記反応式2)が生じにくいため、充放電効率が低くなるという問題がある。本発明においては、この問題を、金属触媒を用いることにより解決する。
また、上記金属触媒は、MgHに接触していれば良いが、MgHに担持されたものであることが好ましい。また、上述したように、本発明における金属触媒は、MH(Mは例えばLiである)からの水素脱離反応およびMgへの水素付加反応の少なくとも一方に作用するものであることが好ましい。水素脱離反応および水素付加反応の少なくとも一方が、コンバージョン反応の逆反応(例えば上記反応式2)の律速である可能性があるからである。
MgH 2 in the present invention normally functions as an active material, and for example, LiH and Mg are produced by reacting with Li ions. Further, Mg (zero-valent) generated by the reaction with Li ions further causes an alloying reaction with Li ions and occludes Li until it becomes Li 3 Mg 7 . As described above, MgH 2 has an extremely large Li storage capacity, but its reverse reaction (particularly, the above reaction formula 2) hardly occurs, and thus there is a problem that the charge / discharge efficiency is lowered. In the present invention, this problem is solved by using a metal catalyst.
Also, the metal catalyst may if in contact with MgH 2, it is preferable that carried on MgH 2. Further, as described above, the metal catalyst in the present invention preferably acts on at least one of a hydrogen desorption reaction from MH (M is, for example, Li) and a hydrogen addition reaction to Mg. This is because at least one of the hydrogen elimination reaction and the hydrogen addition reaction may be the rate-limiting of the reverse reaction of the conversion reaction (for example, the above reaction formula 2).

本発明における金属触媒は、コンバージョン反応の可逆性を向上させることができるものであれば特に限定されるものではないが、例えば、LiHを解離させる触媒、または、Hガスを解離吸着できる触媒であることが好ましい。なお、「Hガスを解離吸着できる触媒」とは、Hガスを解離吸着する触媒、および、LiHから脱離した水素が水素ガスになる前に、水素を吸着する触媒の両方を意味する。 The metal catalyst in the present invention is not particularly limited as long as it can improve the reversibility of the conversion reaction. For example, it is a catalyst capable of dissociating LiH or a catalyst capable of dissociating and adsorbing H 2 gas. Preferably there is. The “catalyst capable of dissociating and adsorbing H 2 gas” means both a catalyst that dissociates and adsorbs H 2 gas and a catalyst that adsorbs hydrogen before hydrogen desorbed from LiH becomes hydrogen gas. .

また、本発明における金属触媒は、遷移金属元素を有することが好ましい。遷移金属元素における3d軌道、4d軌道、4f軌道等が、コンバージョン反応の可逆性を向上させると考えられるからである。また、これらの軌道が、LiHの解離、Hガスの解離吸着に大きく寄与している可能性も考えられる。上記遷移金属元素としては、周期律表において遷移金属元素に分類されるものであれば特に限定されるものではないが、中でも、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Zr、Nb、Pd、La、CeおよびPtからなる群から選択される少なくとも一種であることが好ましい。また、本発明における金属触媒の種類としては、例えば、金属単体、合金および金属酸化物等を挙げることができる。特に、本発明における金属触媒は、Ni単体またはNi合金であることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the metal catalyst in this invention has a transition metal element. This is because 3d orbitals, 4d orbitals, 4f orbitals and the like in transition metal elements are considered to improve the reversibility of the conversion reaction. In addition, it is considered that these orbits may greatly contribute to LiH dissociation and H 2 gas dissociative adsorption. The transition metal element is not particularly limited as long as it is classified as a transition metal element in the periodic table, but among them, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Zr, Nb, Pd It is preferably at least one selected from the group consisting of La, Ce and Pt. Moreover, as a kind of metal catalyst in this invention, a metal simple substance, an alloy, a metal oxide, etc. can be mentioned, for example. In particular, the metal catalyst in the present invention is preferably Ni simple substance or Ni alloy.

本発明における金属触媒は、より微細化されたものであることが好ましい。金属触媒の粒径を小さくすることで、コンバージョン反応の可逆性をさらに向上させることができるからである。金属触媒の平均粒径は、例えば1μm以下であることが好ましく、10nm〜500nmの範囲内であることがより好ましい。なお、金属触媒の平均粒径は、上記と同様に、SEM観察、粒度分布測定により決定することができる。   The metal catalyst in the present invention is preferably further miniaturized. This is because the reversibility of the conversion reaction can be further improved by reducing the particle size of the metal catalyst. The average particle diameter of the metal catalyst is, for example, preferably 1 μm or less, and more preferably in the range of 10 nm to 500 nm. In addition, the average particle diameter of a metal catalyst can be determined by SEM observation and a particle size distribution measurement similarly to the above.

MgHに対する金属触媒の割合は、特に限定されるものではないが、金属触媒を用いない場合に比べて金属二次電池の充放電効率を向上できる割合であることが好ましい。MgHに対する金属触媒の割合は、例えば0.1at%〜10at%の範囲内であることが好ましく、なかでも0.5at%〜6at%の範囲内、さらに1at%〜5at%の範囲内、特に2at%〜4at%の範囲内であることが好ましい。金属触媒の割合が少なすぎると、コンバージョン反応の可逆性を十分に向上させることができない可能性があり、金属触媒の割合が多すぎると、相対的にMgHの割合が少なくなり、容量低下が大きくなる可能性があるからである。なお、MgHに対する金属触媒の割合は、SEM−EDXにより決定することができる。 Ratio of the metal catalyst to MgH 2 is not particularly limited, is preferably a fraction that can improve charge-discharge efficiency of the metal secondary battery as compared with the case of not using a metal catalyst. The ratio of the metal catalyst to MgH 2 is preferably in the range of, for example, 0.1 at% to 10 at%, in particular, in the range of 0.5 at% to 6 at%, more preferably in the range of 1 at% to 5 at%, particularly It is preferable to be within the range of 2 at% to 4 at%. If the proportion of the metal catalyst is too small, the reversibility of the conversion reaction may not be sufficiently improved. If the proportion of the metal catalyst is too large, the proportion of MgH 2 is relatively small, and the capacity is reduced. This is because it may become large. The ratio of the metal catalyst to MgH 2 can be determined by SEM-EDX.

特に、金属触媒がNi単体である場合、MgHに対するNi単体の割合は、金属触媒を用いない場合に比べて金属二次電池の充放電効率を向上できる割合であることが好ましい。具体的には、上記Ni単体の割合が、6at%以下であることが好ましく、1at%〜5at%の範囲内であることがより好ましく、2at%〜4at%の範囲内であることがさらに好ましい。 In particular, when the metal catalyst is Ni simple substance, the ratio of Ni simple substance to MgH 2 is preferably such a ratio that the charge / discharge efficiency of the metal secondary battery can be improved as compared with the case where the metal catalyst is not used. Specifically, the ratio of the Ni simple substance is preferably 6 at% or less, more preferably in the range of 1 at% to 5 at%, and further preferably in the range of 2 at% to 4 at%. .

また、本発明における負極材料は、導電化材をさらに含有するものであっても良い。電子伝導性が良好な負極材料とすることができるからである。また、導電化材は、MgHと接触していることが好ましく、MgHに担持されていることがより好ましい。電子伝導パスを確保しやすいからである。導電化材としては、特に限定されるものではないが、例えばメソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンブラック、コークス、炭素繊維、黒鉛等の炭素材料を挙げることができる。 Further, the negative electrode material in the present invention may further contain a conductive material. This is because a negative electrode material having good electron conductivity can be obtained. Further, the conductive material is preferably in contact with MgH 2, and more preferably supported on MgH 2 . This is because it is easy to secure an electron conduction path. The conductive material is not particularly limited, and examples thereof include carbon materials such as mesocarbon microbeads (MCMB), acetylene black, ketjen black, carbon black, coke, carbon fiber, and graphite.

本発明における導電化材は、より微細化されたものであることが好ましい。電子伝導性の向上にさらに寄与できるからである。導電化材の平均粒径は、例えば2μm以下であることが好ましく、0.1μm〜1μmの範囲内であることがより好ましい。なお、導電化材の平均粒径は、上記と同様に、SEM観察、粒度分布測定により決定することができる。   It is preferable that the conductive material in the present invention is further refined. This is because it can further contribute to the improvement of electron conductivity. The average particle diameter of the conductive material is preferably 2 μm or less, for example, and more preferably in the range of 0.1 μm to 1 μm. In addition, the average particle diameter of the conductive material can be determined by SEM observation and particle size distribution measurement in the same manner as described above.

本発明の負極材料における導電化材の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば1重量%〜60重量%の範囲内であることが好ましく、なかでも2重量%〜40重量%の範囲内、特に5重量%〜20重量%の範囲内であることが好ましい。導電化材の割合が少なすぎると、電子伝導性を十分に向上させることができない可能性があり、導電化材の割合が多すぎると、相対的にMgHおよび金属触媒の割合が少なくなり、容量低下が大きくなったり、可逆性の向上が少なくなったりする可能性があるからである。 The content of the conductive material in the negative electrode material of the present invention is not particularly limited, but is preferably in the range of 1% by weight to 60% by weight, for example, 2% by weight to 40% by weight. It is preferable to be within the range, particularly within the range of 5 to 20% by weight. If the proportion of the conductive material is too small, the electron conductivity may not be sufficiently improved, and if the proportion of the conductive material is too large, the proportion of MgH 2 and the metal catalyst is relatively small. This is because there is a possibility that the decrease in capacity becomes large or the improvement in reversibility is reduced.

上述した負極材料の形成方法としては、特に限定されないが、MgHを含有する原料組成物をメカニカルミリングで微細化するメカニカルミリング工程を有する方法であることが好ましい。上記メカニカルミリングは、試料を、機械的エネルギーを付与しながら粉砕する方法である。また、メカニカルミリングで微細化することにより、原料組成物に含まれる各材料の粒子が激しく接触する。これにより、原料組成物に含まれる各材料は、単なる微細化(例えば乳鉢を用いた微細化)よりも、格段に微細化される。また、メカニカルミリングで微細化することにより、金属触媒や導電化材を、MgH粒子の表面に均一に分散させることができる。本発明におけるメカニカルミリングとしては、例えば、ボールミル、振動ミル、ターボミル、ディスクミル等を挙げることができ、中でもボールミルが好ましく、特に遊星型ボールミルが好ましい。 As a method of forming the negative electrode material described above is not particularly limited, but is preferably a method having a mechanical milling step of refining by mechanical milling of the raw material composition containing a MgH 2. The mechanical milling is a method of pulverizing a sample while applying mechanical energy. Moreover, the particle | grains of each material contained in a raw material composition contact vigorously by refine | miniaturizing by mechanical milling. Thereby, each material contained in a raw material composition is remarkably refined rather than mere refinement | miniaturization (for example, refinement | miniaturization using a mortar). In addition, the metal catalyst and the conductive material can be uniformly dispersed on the surface of the MgH 2 particles by miniaturization by mechanical milling. Examples of the mechanical milling in the present invention include a ball mill, a vibration mill, a turbo mill, and a disk mill. Among these, a ball mill is preferable, and a planetary ball mill is particularly preferable.

また、メカニカルミリングの各種条件は、所望の負極材料を得ることができるように設定する。例えば、遊星型ボールミルにより負極材料を作製する場合、ポット内に、原料組成物および粉砕用ボールを加え、所定の回転数および時間で処理を行う。遊星型ボールミルを行う際の台盤回転数としては、例えば100rpm〜1000rpmの範囲内、中でも200rpm〜600rpmの範囲内であることが好ましい。また、遊星型ボールミルを行う際の処理時間は、例えば1時間〜100時間の範囲内、中でも2時間〜10時間の範囲内であることが好ましい。また、本発明においては、原料組成物に含まれる各材料が、所定の平均粒径となるようにメカニカルミリングを行うことが好ましい。   Various conditions of mechanical milling are set so that a desired negative electrode material can be obtained. For example, when producing a negative electrode material by a planetary ball mill, a raw material composition and a ball for pulverization are added to a pot, and the treatment is performed at a predetermined rotation speed and time. The rotation speed of the base plate when performing the planetary ball mill is preferably in the range of, for example, 100 rpm to 1000 rpm, and more preferably in the range of 200 rpm to 600 rpm. Further, the treatment time when performing the planetary ball mill is preferably in the range of, for example, 1 hour to 100 hours, and more preferably in the range of 2 hours to 10 hours. In the present invention, it is preferable to perform mechanical milling so that each material included in the raw material composition has a predetermined average particle diameter.

上述の負極材料の形成方法においては、メカニカルミリング工程後に、メカニカルミリングにより得られたMgH含有粒子におけるを気相中での水素の吸蔵放出により微細化する水素吸蔵放出工程を行うことがより好ましい。水素の吸蔵放出を行うことで、粒子を微細化でき、コンバージョン反応の可逆性を向上させることができるからである。その結果、本発明の金属二次電池の充放電効率を向上させることができる。また、メカニカルミリングによる微細化(機械的な微細化)後に、水素の吸蔵放出による微細化(化学的な微細化)を行うことで、MgH含有粒子をさらに微細化できる。上記水素吸蔵放出工程においては、マグネシウムに水素が吸蔵された状態とする(すなわち、活物質としての機能を発現し得る状態とする)ことが好ましい。 In the above-described method for forming a negative electrode material, it is more preferable to perform a hydrogen storage / release process in which MgH 2 -containing particles obtained by mechanical milling are refined by storing and releasing hydrogen in the gas phase after the mechanical milling process. . This is because hydrogen can be occluded and released to make the particles finer and improve the reversibility of the conversion reaction. As a result, the charge / discharge efficiency of the metal secondary battery of the present invention can be improved. In addition, the MgH 2 -containing particles can be further miniaturized by performing miniaturization (chemical miniaturization) by occlusion and release of hydrogen after miniaturization by mechanical milling (mechanical miniaturization). In the hydrogen storage / release step, it is preferable that magnesium be stored in hydrogen (that is, a state in which a function as an active material can be exhibited).

水素吸蔵放出工程では、MgH含有粒子におけるMgHに、気相を介して水素を放出吸蔵させることで、微粒子のさらなる微細化を図る。また、通常、水素放出および水素吸蔵の順番で処理する。水素を放出させる方法としては、特に限定されないが、例えば減圧する方法を挙げることができる。一方、水素を吸蔵させる方法としては、特に限定されないが、例えば水素ガス雰囲気で加圧する方法を挙げることができる。 The hydrogen absorption-desorption process, the MgH 2 in MgH 2 containing particles, by releasing occlude hydrogen through the gas phase, achieving finer particles. Moreover, it processes normally in order of hydrogen discharge | release and hydrogen occlusion. The method for releasing hydrogen is not particularly limited, and for example, a method for reducing the pressure can be mentioned. On the other hand, the method for occluding hydrogen is not particularly limited, and examples thereof include a method of pressurizing in a hydrogen gas atmosphere.

本発明における負極活物質層は、上述した負極材料以外にも、必要に応じて、導電化材および結着材の少なくとも一方をさらに含有していても良い。負極活物質層における負極材料の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば10重量%〜80重量%の範囲内が好ましく、20重量%〜60重量%の範囲内であることがより好ましい。また、上述したように、負極材料自体が導電化材を含有している場合があるが、負極活物質層は、さらに導電化材を含有していても良い。負極材料に含まれる導電化材と、新たに添加する導電化材とは、同一の材料であっても良く、異なる材料であっても良い。なお、導電化材の具体例については、上述した通りである。また、結着材としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等のフッ素含有結着材等を挙げることができる。負極活物質層の厚さは、例えば0.1μm〜1000μmの範囲内であることが好ましい。   The negative electrode active material layer in the present invention may further contain at least one of a conductive material and a binder as necessary, in addition to the negative electrode material described above. The content of the negative electrode material in the negative electrode active material layer is not particularly limited, but is preferably in the range of 10 wt% to 80 wt%, for example, and more preferably in the range of 20 wt% to 60 wt%. preferable. Further, as described above, the negative electrode material itself may contain a conductive material, but the negative electrode active material layer may further contain a conductive material. The conductive material contained in the negative electrode material and the newly added conductive material may be the same material or different materials. A specific example of the conductive material is as described above. Examples of the binder include a fluorine-containing binder such as polyvinylidene fluoride (PVDF). The thickness of the negative electrode active material layer is preferably in the range of 0.1 μm to 1000 μm, for example.

3.正極活物質層
次に、本発明における正極活物質層について説明する。本発明における正極活物質層は、少なくとも正極活物質を含有する層であり、必要に応じて、導電化材および結着材の少なくとも一方をさらに含有していても良い。正極活物質の種類は、金属二次電池の種類に応じて適宜選択することが好ましい。例えば、リチウム二次電池に用いられる正極活物質としては、LiCoO、LiNiO、LiCo1/3Ni1/3Mn1/3、LiVO、LiCrO等の層状正極活物質、LiMn、Li(Ni0.25Mn0.75、LiCoMnO、LiNiMn等のスピネル型正極活物質、LiCoPO、LiMnPO、LiFePO等のオリビン型正極活物質等を挙げることができる。正極活物質層における正極活物質の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば40重量%〜99重量%の範囲内であることが好ましい。
3. Next, the positive electrode active material layer in the present invention will be described. The positive electrode active material layer in the present invention is a layer containing at least a positive electrode active material, and may further contain at least one of a conductive material and a binder as necessary. The type of the positive electrode active material is preferably selected as appropriate according to the type of the metal secondary battery. For example, as a positive electrode active material used for a lithium secondary battery, a layered positive electrode active material such as LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiCo 1/3 Ni 1/3 Mn 1/3 O 2 , LiVO 2 , LiCrO 2 , LiMn 2 Spinel type positive electrode active materials such as O 4 , Li (Ni 0.25 Mn 0.75 ) 2 O 4 , LiCoMnO 4 , Li 2 NiMn 3 O 8 , and olivine type positive electrode active materials such as LiCoPO 4 , LiMnPO 4 , LiFePO 4 Etc. Although content of the positive electrode active material in a positive electrode active material layer is not specifically limited, For example, it is preferable to exist in the range of 40 weight%-99 weight%.

本発明における正極活物質層は、さらに導電化材および結着材の少なくとも一方を含有していても良い。導電化材および結着材については、上記「1.負極活物質層」に記載した内容と同様であるので、ここでの記載は省略する。正極活物質層の厚さは、例えば0.1μm〜1000μmの範囲内であることが好ましい。   The positive electrode active material layer in the present invention may further contain at least one of a conductive material and a binder. The conductive material and the binder are the same as the contents described in the above “1. Negative electrode active material layer”, and thus description thereof is omitted here. The thickness of the positive electrode active material layer is preferably in the range of 0.1 μm to 1000 μm, for example.

4.その他の構成
本発明の金属二次電池は、さらに、正極活物質層の集電を行う正極集電体、および負極活物質層の集電を行う負極集電体を有していても良い。正極集電体の材料としては、例えばSUS、アルミニウム、ニッケル、鉄、チタンおよびカーボン等を挙げることができ、中でもアルミニウムが好ましい。一方、負極集電体の材料としては、例えばSUS、銅、ニッケルおよびカーボン等を挙げることができ、中でも銅が好ましい。また、本発明に用いられる電池ケースには、一般的な金属二次電池の電池ケースを用いることができる。電池ケースとしては、例えばSUS製電池ケース等を挙げることができる。
4). Other Configurations The metal secondary battery of the present invention may further include a positive electrode current collector that collects current from the positive electrode active material layer and a negative electrode current collector that collects current from the negative electrode active material layer. Examples of the material for the positive electrode current collector include SUS, aluminum, nickel, iron, titanium, and carbon. Of these, aluminum is preferable. On the other hand, examples of the material for the negative electrode current collector include SUS, copper, nickel, and carbon. Of these, copper is preferable. Moreover, the battery case of a general metal secondary battery can be used for the battery case used for this invention. Examples of the battery case include a SUS battery case.

5.金属二次電池
本発明の金属二次電池としては、例えば、リチウム二次電池、ナトリウム二次電池、カリウム二次電池、マグネシウム二次電池、カルシウム二次電池等を挙げることができ、中でも、リチウム二次電池、ナトリウム二次電池、カリウム二次電池が好ましく、特に、リチウム二次電池が好ましい。また、本発明の金属二次電池は、例えば車載用電池として用いられることが好ましい。本発明の金属二次電池の形状としては、例えば、コイン型、ラミネート型、円筒型および角型等を挙げることができる。また、本発明の金属二次電池の製造方法は、上述した金属二次電池を得ることができる方法であれば特に限定されるものではなく、一般的な金属二次電池の製造方法と同様の方法を用いることができる。
5. Metal secondary battery Examples of the metal secondary battery of the present invention include a lithium secondary battery, a sodium secondary battery, a potassium secondary battery, a magnesium secondary battery, and a calcium secondary battery. Secondary batteries, sodium secondary batteries, and potassium secondary batteries are preferable, and lithium secondary batteries are particularly preferable. Moreover, it is preferable that the metal secondary battery of this invention is used, for example as a vehicle-mounted battery. Examples of the shape of the metal secondary battery of the present invention include a coin type, a laminate type, a cylindrical type, and a square type. Moreover, the manufacturing method of the metal secondary battery of this invention will not be specifically limited if it is a method which can obtain the metal secondary battery mentioned above, It is the same as the manufacturing method of a general metal secondary battery. The method can be used.

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。   The present invention is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an exemplification, and the present invention has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention, and any device that exhibits the same function and effect is the present invention. It is included in the technical scope of the invention.

以下に実施例および比較例を示して本発明をさらに具体的に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to Examples and Comparative Examples.

[実施例1]
(負極材料の作製)
まず、MgH粉末(平均粒径30μm)、金属触媒としてNi粉末(平均粒径100nm)、カーボン粉末(MCMB、平均粒径1μm)を用意した。なお、このカーボン粉末は、市販のMCMB(平均粒径20μm)に対して、遊星ボールミル処理(400rpm×5時間)を行うことにより得られたものである。
次に、Ni粉末を、MgH粉末に対して3at%添加した。その後、MgH粉末およびNi粉末と、カーボン粉末とを(MgH粉末+Ni粉末):カーボン粉末=90:10の重量比となるように混合し、原料組成物を得た。次に、Ar雰囲気中で、原料組成物と、破砕用ジルコニアボール(φ=10mm)とを、原料組成物:破砕用ジルコニアボール=1:40の重量比となるように、遊星型ボールミル用の容器に入れ、密封した。その後、容器を遊星型ボールミル装置に取り付け、台盤回転数400rpm、処理時間5時間の条件で微細化を行った。得られた負極材料において、MgH粉末の平均粒径は0.5μmであり、Ni粉末の平均粒径は20nmであり、カーボン粉末の平均粒径は0.1μmであった。
[Example 1]
(Preparation of negative electrode material)
First, MgH 2 powder (average particle size 30 μm), Ni powder (average particle size 100 nm) and carbon powder (MCMB, average particle size 1 μm) were prepared as metal catalysts. This carbon powder was obtained by subjecting commercially available MCMB (average particle size 20 μm) to planetary ball milling (400 rpm × 5 hours).
Next, 3 at% of Ni powder was added to the MgH 2 powder. Thereafter, the MgH 2 powder and Ni powder and the carbon powder were mixed so as to have a weight ratio of (MgH 2 powder + Ni powder): carbon powder = 90: 10 to obtain a raw material composition. Next, in an Ar atmosphere, the raw material composition and the pulverizing zirconia ball (φ = 10 mm) are used for a planetary ball mill so that the weight ratio of the raw material composition: the pulverizing zirconia ball is 1:40. Placed in a container and sealed. Thereafter, the container was attached to a planetary ball mill apparatus, and miniaturization was performed under conditions of a base plate rotation speed of 400 rpm and a processing time of 5 hours. In the obtained negative electrode material, the average particle diameter of the MgH 2 powder was 0.5 μm, the average particle diameter of the Ni powder was 20 nm, and the average particle diameter of the carbon powder was 0.1 μm.

(評価用電池の作製)
上述の負極材料と、導電化材(アセチレンブラック60wt%+VGCF40wt%)と、結着材(ポリフッ化ビニリデン、PVDF)とを、負極材料:導電化材:結着材=45:40:15の重量比で混合し、混練することにより、ペーストを得た。次に、得られたペーストを、銅箔上にドクターブレードにて塗工し、乾燥し、プレスすることにより、厚さ10μmの試験電極を得た。
(Production of evaluation battery)
The negative electrode material described above, a conductive material (acetylene black 60 wt% + VGCF 40 wt%), and a binder (polyvinylidene fluoride, PVDF), negative electrode material: conductive material: binder = 45: 40: 15 weight The paste was obtained by mixing at a ratio and kneading. Next, the obtained paste was coated on a copper foil with a doctor blade, dried, and pressed to obtain a test electrode having a thickness of 10 μm.

その後、CR2032型コインセルを用い、作用極として上記試験電極を用い、対極としてLi金属を用い、セパレータとしてポリエチレン/ポリプロピレン/ポリエチレンの多孔質セパレータを用いた。また、電解液として、エチレンカーボネート(EC)と、エチルメチルカーボネート(EMC)とを、EC:EMC=1:1の体積比で混合した溶媒に、支持塩であるLiPFを濃度1mol/Lで溶解させたものを用いた。これらを用いて評価用電池を得た。 Thereafter, a CR2032-type coin cell was used, the test electrode was used as a working electrode, Li metal was used as a counter electrode, and a porous separator of polyethylene / polypropylene / polyethylene was used as a separator. Further, as an electrolytic solution, ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) were mixed in a volume ratio of EC: EMC = 1: 1, and LiPF 6 as a supporting salt was added at a concentration of 1 mol / L. What was dissolved was used. The battery for evaluation was obtained using these.

[実施例2]
電解液として、EC:DMC:EMC=1:1:1の体積比で混合した溶媒に、支持塩であるLiPFを濃度1mol/Lで溶解させたものを用いたこと以外は、実施例1と同様にして評価用電池を得た。
[Example 2]
Example 1 except that the electrolyte used was a solution prepared by dissolving LiPF 6 as a supporting salt at a concentration of 1 mol / L in a solvent mixed at a volume ratio of EC: DMC: EMC = 1: 1: 1. A battery for evaluation was obtained in the same manner.

[比較例]
電解液として、EC:DMC=1:1の体積比で混合した溶媒に、支持塩であるLiPFを濃度1mol/Lで溶解させたものを用いたこと以外は、実施例1と同様にして評価用電池を得た。
[Comparative example]
The electrolytic solution was the same as that of Example 1 except that a solvent mixed at a volume ratio of EC: DMC = 1: 1 was prepared by dissolving LiPF 6 as a supporting salt at a concentration of 1 mol / L. A battery for evaluation was obtained.

[評価1] [Evaluation 1]

得られた評価用電池を、電池評価環境温度25℃、電流レートC/50にて、充放電した。電圧範囲は、0.01V〜3.0Vとした。実施例1、実施例2および比較例の結果を表1および図2(実施例1)、図3(実施例2)、図4(比較例)に示す。   The obtained evaluation battery was charged and discharged at a battery evaluation environmental temperature of 25 ° C. and a current rate of C / 50. The voltage range was 0.01V to 3.0V. The results of Example 1, Example 2, and Comparative Example are shown in Table 1, FIG. 2 (Example 1), FIG. 3 (Example 2), and FIG. 4 (Comparative Example).

Figure 0005621732
Figure 0005621732

表1および図2〜4に示すように、比較例においては、実施例1、2のように、正常な電池反応が進行しなかった。また、充放電終了後の評価用電池における電解液を観察したところ、電解液の変色が確認された。これは、MgHからの求核反応により、電解液(主にDMC)が分解したためであると思われる。
一方、実施例1においては、電池反応が進行し、高い充放電効率を示すことが観察された。これは、DMCの代わりにEMCを用いることにより、電解液の分解反応を抑制することができるためであると思われる。
また、実施例2においては、充放電効率が顕著に向上した。これはEMCの存在下で、DMCが適度に分解されることによりMgHの表面に良好な被膜が形成されたためであると考えられる。なお、比較例においては、EMCが存在しないため、DMCの分解反応が止まらず、正常な電池反応が進行しなかったと考えられる。
As shown in Table 1 and FIGS. 2 to 4, in the comparative example, the normal battery reaction did not proceed as in Examples 1 and 2. Moreover, when the electrolyte solution in the battery for evaluation after completion | finish of charging / discharging was observed, discoloration of electrolyte solution was confirmed. This is probably because the electrolyte (mainly DMC) was decomposed by the nucleophilic reaction from MgH 2 .
On the other hand, in Example 1, it was observed that the battery reaction proceeds and shows high charge / discharge efficiency. This seems to be because the decomposition reaction of the electrolytic solution can be suppressed by using EMC instead of DMC.
Moreover, in Example 2, charging / discharging efficiency improved notably. This is presumably because a good film was formed on the surface of MgH 2 by the proper decomposition of DMC in the presence of EMC. In the comparative example, since EMC does not exist, it is considered that the decomposition reaction of DMC did not stop and the normal battery reaction did not proceed.

[参考例1]
実施例1で使用したMgH粉末およびカーボン粉末を用意した。次に、MgH粉末と、カーボン粉末とを、MgH粉末:カーボン粉末=90:10の重量比となるように混合し、原料組成物を得た。得られた原料組成物を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、負極材料を得た。
[Reference Example 1]
The MgH 2 powder and carbon powder used in Example 1 were prepared. Next, the MgH 2 powder and the carbon powder were mixed at a weight ratio of MgH 2 powder: carbon powder = 90: 10 to obtain a raw material composition. A negative electrode material was obtained in the same manner as in Example 1 except that the obtained raw material composition was used.

[参考例2−1〜2−21]
実施例1を参考例2−1とした。参考例2−2〜参考例2−21は、金属触媒を表2に記載された材料に変化したこと以外は実施例1と同様にして負極材料を得た。
[Reference Examples 2-1 to 2-21]
Example 1 was defined as Reference Example 2-1. In Reference Example 2-2 to Reference Example 2-21, a negative electrode material was obtained in the same manner as in Example 1 except that the metal catalyst was changed to the material described in Table 2.

[評価2]
参考例1および参考例2−1〜2−21で得られた負極材料を用いて評価用電池を作製し、充放電効率を測定した。評価用電池の作製方法および充放電効率の測定方法は、上述した内容と同様である。その結果を表2に示す。
[Evaluation 2]
A battery for evaluation was prepared using the negative electrode materials obtained in Reference Example 1 and Reference Examples 2-1 to 2-21, and charge / discharge efficiency was measured. The evaluation battery fabrication method and the charge / discharge efficiency measurement method are the same as described above. The results are shown in Table 2.

Figure 0005621732
Figure 0005621732

表2に示されるように、種々の金属触媒を添加することにより、充放電効率が飛躍的に向上することが確認された。なお、参考例2−1〜2−21は、いずれも導電化材を有するものである。導電化材を用いないで同様の実験を行ったところ、表2のような高い充放電効率は得られなかったものの、いずれも、金属触媒を用いない系に比べて、高い充放電効率が得られた。   As shown in Table 2, it was confirmed that the charge / discharge efficiency was dramatically improved by adding various metal catalysts. Each of Reference Examples 2-1 to 2-21 has a conductive material. When the same experiment was conducted without using a conductive material, high charge / discharge efficiencies as shown in Table 2 were not obtained. It was.

1 … 正極活物質層
2 … 負極活物質層
3 … 電解質層
4 … 正極集電体
5 … 負極集電体
6 … 電池ケース
10 … 金属二次電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Positive electrode active material layer 2 ... Negative electrode active material layer 3 ... Electrolyte layer 4 ... Positive electrode collector 5 ... Negative electrode collector 6 ... Battery case 10 ... Metal secondary battery

Claims (5)

正極活物質層と、負極活物質層と、前記正極活物質層および前記負極活物質層の間に形成された電解質層とを有する金属二次電池であって、
前記負極活物質層が、MgH 粒子を含有し、
前記電解質層が、金属塩と、炭素数が4以上のカーボネートを含有する溶媒とを有する電解液から構成され、
前記炭素数が4以上のカーボネートが、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジフェニルカーボネート(DPC)、ジ−n−ブチルカーボネート(DNBC)、ジ−t−ブチルカーボネート(DTBC)、ジエチルカーボネート(DEC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)の少なくとも一種であることを特徴とする金属二次電池。
A metal secondary battery having a positive electrode active material layer, a negative electrode active material layer, and an electrolyte layer formed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer,
The negative electrode active material layer contains MgH 2 particles ,
The electrolyte layer is composed of an electrolytic solution having a metal salt and a solvent containing a carbonate having 4 or more carbon atoms,
The carbonate having 4 or more carbon atoms is ethyl methyl carbonate (EMC), diphenyl carbonate (DPC), di-n-butyl carbonate (DNBC), di-t-butyl carbonate (DTBC), diethyl carbonate (DEC), propylene. A metal secondary battery comprising at least one of carbonate (PC) and butylene carbonate (BC).
前記炭素数が4以上のカーボネートがエチルメチルカーボネート(EMC)であることを特徴とする請求項1に記載の金属二次電池。   The metal secondary battery according to claim 1, wherein the carbonate having 4 or more carbon atoms is ethyl methyl carbonate (EMC). 前記溶媒がエチレンカーボネート(EC)およびジメチルカーボネート(DMC)をさらに含有することを特徴とする請求項2に記載の金属二次電池。   The metal secondary battery according to claim 2, wherein the solvent further contains ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC). 前記負極活物質層が、コンバージョン反応の可逆性を向上させる金属触媒を含有することを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれかの請求項に記載の金属二次電池。   The metal secondary battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the negative electrode active material layer contains a metal catalyst that improves the reversibility of the conversion reaction. 前記MgH 粒子の平均粒径が2μm以下であることを特徴とする請求項1から請求項4までのいずれかの請求項に記載の金属二次電池。 5. The metal secondary battery according to claim 1, wherein an average particle diameter of the MgH 2 particles is 2 μm or less.
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