JP5644567B2 - 2次電池の正極活物質、2次電池の正極、および2次電池、ならびに正極活物質の製造方法 - Google Patents
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Description
(1)請求項1に記載の発明は、2次電池の正極活物質であって、付着導電性物質が付着した亜クロム酸ナトリウムの結晶粒子を含み、前記付着導電性物質は、導電性を有し、前記亜クロム酸ナトリウムの結晶粒子の合成とともにカーボン源を炭化することにより得られるカーボンブラックであり、前記正極活物質の全質量に対する前記付着導電性物質の割合は5質量%以上30質量%以下であることを要旨とする。
炭素は、金属に比べ電解液に対して不活性であり、電解液に溶出しない。また、他の導電性有機化合物に比べて、高い導電性を有する。このため、上記発明によれば、腐食の少なくかつ導電性が高い正極活物質とすることができる。
カーボン源は、300℃未満の温度では、カーボン源の炭化が十分に進行しない。400℃より高温のとき、カーボン源の炭化とは異なる反応、例えば、反応系内に存在する水と酸化クロムとの反応が進行する。したがって、上記構成によれば副生成物の形成を抑制することができる。
図1を参照して、2次電池の正極活物質について説明する。図1(A)は、正極活物質の電子顕微鏡写真図である。図1(B)は、図1(A)のコントラストを変え、付着導電性物質と亜クロム酸ナトリウムの結晶粒子とを明確に区別できるように示した図である。
亜クロム酸ナトリウムの結晶粒子は、ナトリウムイオンの出し入れにより電荷を発生させるが、亜クロム酸ナトリウムの結晶粒子自体には導電性がない。そこで、亜クロム酸ナトリウムを2次電池の正極として用いるときは、次のような構造とされている。正極は、亜クロム酸ナトリウムの結晶粒子とアセチレンブラック等の導電助剤との混合物を、シート状またはネット状の集電体に接着させた構造となっている。このような構造により、亜クロム酸ナトリウムの結晶粒子により発生した電荷は、導電助剤を介して集電体に伝達される。
亜クロム酸ナトリウム(NaCrO2)の製造には、炭酸ナトリウム(Na2CO3)の無水物の粉末と酸化クロム(Cr2O3)の粉末とが用いられる。各物質の粉末の平均粒径は1〜2μmとされる。なお、粒度分布において累積質量度数が50%となる径を平均粒径とする。また、この粒度分布は、光散乱式の粒度分布計で計測された粒径の分布を示す。
2次電池1(溶融塩電池)は、正極10と、負極20と、正極10および負極20との間に配置されるセパレータ30と、正極10および負極20およびセパレータ30を収容する収容ケース40とを備える。収容ケース40内には溶融塩が満たされている。なお、以下では、2次電池1を構成する部材について、正極10から負極20に向かう方向の寸法を「厚み」とする。
負極20としては、例えば、Sn−Na合金が用いられる。負極20の芯部はSnであり、表面がSn−Na合金となっている。Sn−Na合金は、メッキでSn金属にNaを析出させることにより、形成される。
ステップS200〜ステップS250の処理は、ステップS210以外、上記実施例のステップS100〜S150と同様の処理を行なう。ステップS210の工程では、実施例と秤量する材料が異なる。すなわち、炭酸ナトリウムと酸化クロムとの秤量し、両者を混合する。なお、ステップS200〜ステップS250の過程では、亜クロム酸ナトリウムを合成する。
[正極構造]
・単位面積当たりの正極活物質の質量を、80mg/cm2とする。
・正極の厚みを、0.5mmとする。
・正極の面積(セパレータに対向する面の大きさ)を、1.0cm2とする。
・集電体として、アルミニウム不織布を使用する。
・測定用の端子(出力端子)は、アルミニウム端子を使用する。
[負極]
・負極として、Sn−Na合金を使用する。
[セパレータ]
・セパレータとして、厚み200μmのガラスクロスを使用する。
[電解液]
・電解液として、NaFSA−KFSAを使用する。
・NaFSAとKFSAとの組成比は、0.45mol%:0.55mol%とする。
放電容量は、所定の放電レートで放電して、放電終止電圧に至るまでの電気容量を示す。電圧は、2次電池の正極と負極との間の電位差を示す。放電レートとしては、放電温度20℃において1時間で放電終了となる75mAh/gを「1C」として、0.5C、1C、2C、3C、および5Cの放電レートで測定した。本計測では、放電終始電圧を2.5Vとする。
実施例2の2次電池は、同図に示されるように、放電レート1Cに対する放電レート2C、3C、5Cにおける放電容量の低下の割合は、従来構造の2次電池に比べて、小さい。これは、亜クロム酸ナトリウムの結晶粒子の表面に付着導電性物質を付着させることにより、亜クロム酸ナトリウムから集電体までの抵抗を小さくしたことによる。
図8は、図7の実施例1〜4および比較例1〜4のデータに基づいて、放電レート3Cについて、カーボン源添加量に対する放電容量の関係をまとめたグラフである。図9は、図7の実施例1〜4および比較例1〜4のデータに基づいて、放電レート5Cについて、カーボン源添加量に対する放電容量の関係をまとめたグラフである。
(1)本実施例では、付着導電性物質が付着した亜クロム酸ナトリウムの結晶粒子を含むものとして正極活物質を構成する。
ところで、亜クロム酸ナトリウムの結晶粒子に付着導電性物質を付着させる方法は幾つかある。例えば、比較例を挙げて説明したように、亜クロム酸ナトリウムの結晶粒子とアセチレンブラックとを混合したものを加圧および加熱処理することにより、亜クロム酸ナトリウムの結晶粒子の表面にカーボンブラックを付着させることができる。このような構成により、付着導電性物質のない亜クロム酸ナトリウムの結晶粒子よりも、アセチレンブラックと亜クロム酸ナトリウムの結晶粒子との間の接触抵抗を低下させることができる。
この構成によれば、正極10を、正極活物質と集電体との間の抵抗を小さくすることのできる正極活物質を用いて構成するため、この正極10を用いた2次電池1を、従来構造の2次電池に比べて、小電流量使用での放電容量に対する大電流量使用での放電容量の低下の割合を小さくすることができる。
なお、本発明の実施形態は上記実施例にて示した態様に限られるものではなく、これを例えば以下に示すように変更して実施することもできる。また以下の各変形例は、上記各実施例についてのみ適用されるものではなく、異なる変形例同士を互いに組み合わせて実施することもできる。
Claims (7)
- 2次電池の正極活物質であって、
付着導電性物質が付着した亜クロム酸ナトリウムの結晶粒子を含み、
前記付着導電性物質は、導電性を有し、前記亜クロム酸ナトリウムの結晶粒子の合成とともにカーボン源を炭化することにより得られるカーボンブラックであり、
前記正極活物質の全質量に対する前記付着導電性物質の割合は5質量%以上30質量%以下である
ことを特徴とする2次電池の正極活物質。 - 請求項1に記載の2次電池の正極活物質であって、
前記付着導電性物質は炭素を主成分とするものである
ことを特徴とする2次電池の正極活物質。 - 請求項1または2に記載の2次電池の正極活物質であって、
前記付着導電性物質は、糖類に属する有機化合物、不揮発性の不飽和炭化水素、ヒドロキシ基を含む高分子化合物、またはこれらの混合物により構成される群から選択される少なくとも1種をカーボン源として炭化することにより形成されるものである
ことを特徴とする2次電池の正極活物質。 - 請求項1〜3のいずれか一項に記載の正極活物質と、前記亜クロム酸ナトリウムの結晶粒子内の電荷を伝達する導電助剤と、前記電荷を集める集電体とを備える2次電池の正極。
- 請求項4に記載された正極と、少なくともナトリウム塩を含む溶融塩と、ナトリウムイオンを放出および吸収する負極と、前記正極と前記負極との間に介在して両極を電気的に隔離するセパレータとを備えたことを特徴とする2次電池。
- 2次電池の正極活物質の製造方法において、
酸化クロムの粉末と炭酸ナトリウムの粉末とカーボン源とを混合し、
前記酸化クロムの粉末と前記炭酸ナトリウムの粉末と前記カーボン源との混合物を押し固め、
押し固められた前記混合物を、不活性ガス雰囲気で、水と酸化クロムと炭酸ナトリウムとの反応および水と酸化クロムとの反応が生じずかつ前記カーボン源が炭化する炭化温度範囲で加熱し、同加熱に続けて、炭酸ナトリウムと酸化クロムとが焼成反応する焼成温度範囲で加熱する
ことを特徴とする2次電池の正極活物質の製造方法。 - 請求項6に記載の2次電池の正極活物質の製造方法において、
前記炭化温度範囲は温度300℃〜400℃である
ことを特徴とする2次電池の正極活物質の製造方法。
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