JP5854009B2 - マグネシウム二次電池用負極の表面処理方法 - Google Patents
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Description
X×Y≧1.3 …(E)
上述したとおり、本発明では、負極表面から負極材料(例えばマグネシウム系金属)を溶出させている。一方、本発明に係るマグネシウム二次電池は、正極の放電時の反応で酸化マグネシウムを析出可能である。よって、負極であるマグネシウム系金属が、電池系内に残存ないし溶存する酸素と反応する可能性がある。つまり、イオン伝導体中に「マグネシウムが溶出する」初期化放電工程と、「マグネシウムが酸素と反応する」酸化反応とが、負極材料の表面において進行する可能性がある。仮に「マグネシウムが酸素と反応する」酸化反応速度の方がより速くなると、負極のインピーダンスが増大するおそれが生じる。そこで、「マグネシウムが溶出する」初期化放電工程の反応速度が、「マグネシウムが酸素と反応する」酸化反応速度よりも速くなるように、負極の初期化放電工程を進行させることが好ましい。具体的には、初期化放電工程の放電電流を確保して行う。
X×Y≧1.3 …(E)
上述した本願第1発明に係る初期化放電工程と本願第2発明に係る初期化放電工程とは同じ工程である。以下、本願第1発明及び第2発明を、本願第2発明の実施形態に係るマグネシウム二次電池用負極の表面処理方法を用いて説明する。
上記の負極は、例えば金属マグネシウムで形成することができる。アルゴン等の不活性ガスを充填した雰囲気下で、この負極を電池に組み付けることができる。マグネシウム負極は、金属マグネシウムの表面を研削した直後に電池に組み付けたとしても、周囲の僅かな残存酸素と反応してしまう。すると、高インピーダンス化合物である酸化マグネシウムが、負極表面に生成する。以下、負極材料を金属マグネシウムとし、最初の放電前の高インピーダンス化合物を酸化マグネシウムとして説明する。
本実施形態に係る初期化放電工程は、負極の表面に新生面を生じさせて負極を初期化する工程である。負極の表面に新生面を生じさせる放電は、負極表面の酸化マグネシウムを除去するために行う放電である。この放電により負極表面が初期化される。具体的には、本実施形態では、上記のとおりに組み立てたマグネシウム二次電池に対して、負極の表面に新生面が露出するまでマグネシウムを溶出させる条件で放電を行う。この放電は、マグネシウム二次電池の実使用時における放電とは異なる。通常の実使用時では、新生面が露出するまでマグネシウムを溶出させるような強い条件で放電を行わない。
本実施形態に係る充電工程は、初期化放電工程を行って負極表面に新生面を生じさせた後に充電を行って、その新生面を覆うようにマグネシウム皮膜を生成させる工程である。放電後の新生面を覆うように生成する新たなマグネシウム皮膜が、高インピーダンス化合物の再生成を阻害する。よって、初期化放電工程による負極インピーダンスの低減に引き続いて、その上昇を抑制できる。
本発明によるマグネシウム二次電池用負極は、第1発明又は第2発明に係る表面処理が施されていることを特徴とし、これら特徴構成以外は、従来公知の負極と同様に構成することができる。具体的には、本発明による負極は、上述の実施形態に係る表面処理方法を施して得ることができる。以下、本実施形態の負極について説明する。
本発明によるマグネシウム二次電池は、第1発明又は第2発明に係る表面処理が施された負極を備えることを特徴としており、これら特徴構成以外は、従来公知のマグネシウム二次電池と同様に構成することができる。具体的には、本発明による実施形態に係るマグネシウム二次電池は、上述の実施形態に係る負極を備えた電池である。以下、本実施形態に係るマグネシウム二次電池について説明する。
本実施形態のマグネシウム二次電池において、正極は、放電時にマグネシウム酸化物を析出し、かつ、充電時にマグネシウムイオンを放出可能であれば特に限定されない。
本実施形態に係るマグネシウム二次電池の非水系のマグネシウムイオン伝導体は、導電種であるマグネシウムイオンを伝導する非水系のイオン伝導体であれば、特に限定されない。正極と負極の間に介在して、正負極間のマグネシウムイオンの伝導を担う非水系の電解液であることが好ましい。
本発明のマグネシウム二次電池は、その製造方法が限定されるものではなく、従来公知の非水電解液二次電池の製造方法と同様に製造することができる。例えば、上述の正極及び負極を形成後、セパレータを介して積層して形成した電極体を電池容器内に収納する。次に、非水系のマグネシウムイオン伝導体を注入するといった通常の方法を挙げることができる。
<マグネシウム電池Ba>
(負極)
負極として、直径15〔mm〕、厚さ0.1〔mm〕の薄円板形状の金属マグネシウム(Nilaco社製、純度3N)を用いた。
触媒層として、シート状の触媒シートを作製した。触媒シートは、マグネシウム酸化物の生成を促すための酸化触媒を20質量部と、導電材を70質量部と、結着剤を10質量部と、を乾式で乳鉢を用いて練り合わせて作製した。酸化触媒は、二酸化マンガン微粒子(東ソー社製、FMH)である。導電材は、ケッチェンブラック(ケッチェンインターナショナル社製、KB−ECP600JD)である。結着剤は、PTFEパウダー(ダイキン工業社製、D−2C)である。次に、この触媒シート4〔mg〕を円形のニッケルメッシュ(Nilaco社製)よりなる正極の集電体に圧着した。
非水性の有機溶媒を調製した。非水性の有機溶媒の全体積を100%とした場合に、テトラヒドロフランを15体積%と、ジエチレングリコールジメチルエーテルを85体積%と、になるように混合した。次に、非水性の有機溶媒中に支持塩を添加して非水系の電解液を調整した。支持塩は、Mg[PhBCl(OEt3)]である。アニオン錯体はethoxy−chloro−phenyl−complex of boronであり、中央にホウ素が位置し、ethoxy(C2H5O-),Chloride(Cl-)とphenyl(C6H5 -)ligandsが配位した構造となっている。具体的には、マグネシウムカチオンの濃度が0.3〔モル/リットル〕となるように塩化マグネシウムを添加し、さらに上記のアニオン錯体を添加した。
セパレータとして、直径21〔mm〕厚さ210〔μm〕のガラス繊維の不織布(TOYO社製、GA−55)を用いた。セパレータは、正極及び負極を電気的に絶縁し、電解液を保持する。
上記の正極(正極の集電体)、負極、非水系の電解液等を用いて図19に概略を示す3極セルCaを以下の手順で組立て、図18に示すマグネシウム電池Baを製作した。
(負極)
負極として、金属マグネシウム箔(Nilaco社製、MG−273328、purity 99.9(板厚0.1〔mm〕))を用い、専用の打ち抜き機を用いて直径15mmに打ち抜いた。
正極として、金箔(Nilaco社製、AU−173244、purity 99.95(板厚0.03〔mm〕))を用い、専用の打ち抜き機を用いて直径15mmに打ち抜いた。
非水系の電解液として、マグネシウム電池Baと同じものを用いた。すなわち、マグネシウム電池Baと同じ非水性の有機溶媒に、同じ支持塩を同様に添加して調整した。
セパレータとして、外径15.0〔mm〕、内径8.0〔mm〕、厚さ1.0〔mm〕のPTFE製のリングを用いた。
上記の正極、負極、非水系の電解液等を用いて3極セルCbを組立て、マグネシウム電池Bbを製作した。上述したマグネシウム電池Baと異なる点を中心に、図18及び図19を援用して以下に説明する。なお、図18及び図19において、マグネシウム電池Baで用いたマグネシウム電池Bbの同じ部材には、同一の符号を付した。
(実施例)
後述する所定の条件下で試験を行うために、表1ないし表3に示すサンプルを準備した。放電容量密度:X(単位面積当たりの放電容量)、充電容量密度:U、放電電流密度:Y(単位面積当たりの電流)、充電電流密度:W、を以下の手順で設定した。また、電極のインピーダンスを以下の手順で測定した。また、負極表面のSEM観察を以下の手順で行った。さらに、マグネシウム皮膜の表面分析を下記の条件で行った。
Solartron社製のElectrochemical Interface(SI1287)と、Impedance/Gain−Phase Analyzer(SI−1260)と、からなる測定システムを用いた。そのWEとRE2の端子を三極セルCa、Cbの負極端子92に、RE1の端子を参照極端子93に、CEの端子を正極端子91に接続した。AC Amplitudeを20〔mV〕に固定し、周波数を100〔kHz〕から0.1〔Hz〕まで掃引して得られたインピーダンス曲線をカーブフィッティングすることで負極/参照極間のインピーダンスを求めた。
放電は、Solartron社製のElectrochemical Interface(SI1287)と、Impedance/Gain−Phase Analyzer(SI−1260)と、からなる測定システムを用いた。そのWEとRE2の端子を3極セルCの負極端子92に、RE1の端子を参照極端子93に、CEの端子を正極端子91に接続し、定電流放電を行った。
充電は、放電の手順と同様の測定システムを用い、極性を逆転させながら放電時と同様の手順に従って、放電時と逆向きの定電流充電を行った。
所定条件で放電後、マグネシウム電池Baを分解して負極を取り出し、グローブボックス内でテトラヒドロフランにて洗浄・乾燥後、日立ハイテク社製走査電子顕微鏡(S−3000N)にセットし、加速電圧15〔keV〕で電子線をサンプル表面に照射して、その二次電子像を観察した。
マグネシウム皮膜の微細な空隙の細孔分布測定及びマグネシウム皮膜の実効表面積の測定では、Quantachome Insti−uments社製の比表面積計AUTOSORB−1を用いた。また、マグネシウム皮膜のXPS(X線光電子分光)による分析では、ULVAC−PHI社製のESCA5400MC X−ray hotoelectron spectroscopy を用いた。X線源としてマグネシウム原子のKα線を使用した。
後述する所定の条件下で試験を行うために、上記と同様の手順で、放電容量密度:X、放電電流密度:Yを設定し、負極インピーダンス:Zを測定した。
(1.放電電流密度:Yと負極インピーダンス:Z)
負極インピーダンスの放電電流密度依存性の確認を行った。放電容量密度:Xを0.604〔mAh/cm2〕一定とし、放電電流密度:Yを113.2×10-3〔mA/cm2〕から5.66〔mA/cm2〕の間で変化させ、この間の所定の放電電流密度:Yでの負極インピーダンス:Zを測定した。サンプルNo.1として試験結果を図3に示した。図3中のP1−1〜P1−4は、サンプルNo.1に対応するプロットである。各プロットP1−1〜P1−4の具体的な数値を上記の表1に示した。
負極インピーダンスの放電容量密度依存性の確認を行った。放電電流密度:Yを2.27〔mA/cm2〕一定とし、放電容量密度:Xを0.6〔mAh/cm2〕から3.62〔mAh/cm2〕の間で変化させ、この間の所定の放電容量密度:Xでの負極インピーダンス:Zを測定した。サンプルNo.2として試験結果を図4に示した。図4中のP2−1〜P2−5は、サンプルNo.2に対応するプロットである。各プロットP2−1〜P2−5の具体的な数値を上記の表1に示した。
上記の(1.放電電流密度:Yと負極インピーダンス:Z)の関係、及び(2.放電容量密度:Xと負極インピーダンス:Z)の関係を得たのと同様に、他の一定値X、又は他の一定値Yの条件下での負極インピーダンス:Zを測定する試験を行った。これらの試験結果から、放電容量密度:Xと放電電流密度:Yとの反比例関係について、インピーダンス:Zの測定値と関連付けて、図5の概略図(グラフ)を得た。また、上記のサンプルNo.1、No.2に係るプロットP1−1〜P1−4、P2−1〜P2−5を図5に示した。
放電中の酸素供給の効果を確認するための試験を行った。サンプルNo.3では、初期化放電工程を行い、放電終了後にそのまま放置したサンプルについて、所定の経過時間ごとに負極インピーダンスを測定した。サンプルNo.4では、酸素を供給しながら初期化放電工程を行い、放電終了後にそのまま放置したサンプルについて、所定の経過時間ごとに負極インピーダンスを測定した。サンプルNo.4では、以下の手順で酸素の供給を行った。純酸素を容積200ccのステンレス製ボンベに0.01MPa充填した。次に、このボンベと第1の上部ケーシング51とを、ボンベに接続された酸素導入用フレキシブルチューブ及びジョイントを介して接続した。そして、フレキシブルチューブの途中に配したバルブを所定のタイミングで開くことで純酸素の供給を行った。
図1は、図4のサンプルNo.2に係るプロットP2−1に対応した負極表面のSEM写真、図2は、同じくプロットP2−5に対応した負極表面のSEM写真である。
(1.酸素供給と負極インピーダンスの飽和上限値)
充電工程を行う効果、及び充電中の酸素供給を行う効果を確認する試験を行った。サンプルNo.21〜25として、試験結果を図7及び表2に示した。
負極インピーダンスの充電容量密度依存性の確認を行った。放電電流密度:Yを2.27〔mA/cm2〕一定として、放電容量密度:Xを1.21〔mAh/cm2〕から3.02〔mAh/cm2〕の間で変化させ、この間の所定の放電容量密度:Xでの負極インピーダンス:Zを測定した。サンプルNo.26として試験結果を図8に示した。図8中のP26は、サンプルNo.26に対応する1つのプロットである。
負極インピーダンスの充電電流密度依存性の確認を行った。そのために、マグネシウム二次電池としてマグネシウム電池Bbを用いて初期化放電工程を行った。
図10は、図2に例示される表面全体が新生面になった負極断面のSEM写真、図11は、図2や図10に例示される新生面に、放電時と同一の容量密度及び電流密度で充電工程を行って析出させたマグネシウム皮膜断面のSEM写真である。図10、図11のマグネシウム電池Baの負極に係るサンプルNo.28、29の放充電条件等の具体的な数値は表2に示したとおりである。サンプルNo.29の充電工程は、初期化放電工程を行った直後に行った。
(1.微細空隙と表面積)
まず、上述したマグネシウム電池BbのサンプルNo.36(表2及び図9参照)で、正極に析出した生成物の微細な空隙の孔径分布を計測した。この正極析出生成物を、充電工程を行って負極の表面に生成するマグネシウム皮膜とみなした。マグネシウム皮膜の孔径分布の計測結果を図12に示した。
まず、マグネシウム電池Bbの正極に析出した生成物、すなわちマグネシウム皮膜のXPSスペクトルを、図14及び図15に示した。XPSスペクトルの測定は、サンプルNo.31、32、34〜37について行った。それぞれ0.057〜3.398〔mA/cm2〕の範囲の表3中に示した所定の充電電流密度:W´で充電工程を行ったものである。
上述したマグネシウム電池BbのサンプルNo.36で、正極に析出した生成物、すなわちマグネシウム皮膜をXRDで分析した。マグネシウム皮膜は金箔から剥離してマグネシウム皮膜膜単体で測定した。測定結果を図17に示す。図中に示したとおり、出現したピークは全て金属マグネシウムにより指数付けできた。つまり、マグネシウム皮膜中で結晶性を有する成分は金属マグネシウムだけであり、酸化マグネシウム及び二酸化マグネシウムを含むマグネシウム酸化物は非晶質となっていることが分かった。
A2:(凸面状の)新生面
B1:凹状新生面
B2:(凹面状の)新生面
Ba、Bb:マグネシウム二次電池
M:マグネシウム皮膜
T:(マグネシウム皮膜の)膜厚
1a、1b:正極
2a、2b:負極
3:非水系の電解液
Claims (18)
- 放電時にマグネシウムイオンを放出し、かつ、充電時に金属マグネシウムを析出可能な負極(2a、2b)と、
放電時にマグネシウム酸化物を析出し、かつ、充電時にマグネシウムイオンを放出可能な正極(1a、1b)と、
導電種であるマグネシウムイオンを伝導する非水系のイオン伝導体(3)と、
を備えるマグネシウム二次電池(Ba、Bb)用負極の表面処理方法であって、
放電容量密度をX〔mAh/cm2〕、放電電流密度をY〔mA/cm2〕、とした場合に、外部電源より電流供給して下記(E)式の関係を満たす条件で放電を行い、前記負極の表面に新生面を生じさせて該負極を初期化する初期化放電工程を有することを特徴とするマグネシウム二次電池用負極の表面処理方法。
X×Y≧1.3 …(E) - 前記負極は、マグネシウム系金属よりなる請求項1に記載のマグネシウム二次電池用負極の表面処理方法。
- 前記負極は、前記初期化放電工程直後に、1000〔Ωcm2〕以下のインピーダンスを有する請求項1又は2に記載のマグネシウム二次電池用負極の表面処理方法。
- 前記初期化放電工程は、前記負極の表面全体が前記新生面となるまで放電を行う請求項1〜3のいずれか一項に記載のマグネシウム二次電池用負極の表面処理方法。
- 前記正極は、正極活物質が酸素であり、
前記初期化放電工程は、前記マグネシウム二次電池が組み立てられて、電池系内にさらに酸素が供給された状態で放電を行う請求項1〜4のいずれか一項に記載のマグネシウム二次電池用負極の表面処理方法。 - 放電時にマグネシウムイオンを放出し、かつ、充電時に金属マグネシウムを析出可能な負極(2a、2b)と、
放電時にマグネシウム酸化物を析出し、かつ、充電時にマグネシウムイオンを放出可能な正極(1a、1b)と、
導電種であるマグネシウムイオンを伝導する非水系の伝導体(3)と、
を備えるマグネシウム二次電池(Ba、Bb)用負極の表面処理方法であって、
放電容量密度をX〔mAh/cm2〕、放電電流密度をY〔mA/cm2〕、とした場合に、外部電源より電流供給して下記(E)式の関係を満たす条件で放電を行い、前記負極の表面に新生面を生じさせて該負極を初期化する初期化放電工程と、
外部電源より電流供給して充電を行い、前記負極の表面にマグネシウム皮膜(M)を生成させる充電工程と、
を順に行うことを特徴とするマグネシウム二次電池用負極の表面処理方法。
X×Y≧1.3 …(E) - 前記充電工程は、前記初期化放電工程の直後に充電を行う請求項6に記載のマグネシウム二次電池用負極の表面処理方法。
- 前記正極は、正極活物質が酸素であり、
前記充電工程は、前記マグネシウム二次電池が組み立てられて、電池系内にさらに酸素が供給された状態で充電を行う請求項6又は7に記載のマグネシウム二次電池用負極の表面処理方法。 - 前記充電工程は、前記初期化放電工程の放電容量密度以下の充電容量密度で充電を行う請求項6〜8のいずれか一項に記載のマグネシウム二次電池用負極の表面処理方法。
- 前記負極は、前記充電工程の直後に、100〔Ωcm2〕以下のインピーダンスを有する請求項6〜9のいずれか一項に記載のマグネシウム二次電池用負極の表面処理方法。
- 前記充電工程は、0.5〔mA/cm2〕以上の充電電流密度で充電を行う請求項6〜10のいずれか一項に記載のマグネシウム二次電池用負極の表面処理方法。
- 前記マグネシウム皮膜は、前記負極よりも低密度である請求項6〜11のいずれか一項に記載のマグネシウム二次電池用負極の表面処理方法。
- 前記マグネシウム皮膜は、前記放電容量密度から算出できる膜厚よりも厚い膜厚で前記負極表面に生成する請求項6〜12のいずれか一項に記載のマグネシウム二次電池用負極の表面処理方法。
- 前記マグネシウム皮膜は、10〔Å〕〜20〔Å〕の孔径の空隙を有する請求項6〜13のいずれか一項に記載のマグネシウム二次電池用負極の表面処理方法。
- 前記マグネシウム皮膜は、酸素を含む組成を有する請求項6〜14のいずれか一項に記載のマグネシウム二次電池用負極の表面処理方法。
- 前記マグネシウム皮膜は、マグネシウムとマグネシウム酸化物を含む請求項6〜15のいずれか一項に記載のマグネシウム二次電池用負極の表面処理方法。
- 前記マグネシウム皮膜中のマグネシウム酸化物は、二酸化マグネシウム(MgO2)と酸化マグネシウム(MgO)を含む請求項16に記載のマグネシウム二次電池用負極の表面処理方法。
- 前記マグネシウム皮膜中のマグネシウム酸化物は、非晶質である請求項16又は17に記載のマグネシウム二次電池用負極の表面処理方法。
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