JP5988223B2 - Sodium ion battery - Google Patents

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Description

本発明は、ナトリウムイオン電池に関する。   The present invention relates to a sodium ion battery.

リチウムイオン電池は、ラップトップのパソコンや携帯電話などポータブルの電子機器に多く使われており、さらには次世代の電気自動車やハイブリッド車用の二次電池としての実用化が進められている。   Lithium ion batteries are widely used in portable electronic devices such as laptop computers and mobile phones, and are being put to practical use as secondary batteries for next-generation electric vehicles and hybrid vehicles.

しかしながらリチウムは高価であり、しかも資源が南米に極端に偏在しており、原料の安定供給に対する不安もある。このため、資源量が豊富で価格の安いナトリウム塩をリチウム塩の代わりに使用したナトリウムイオン電池が、リチウムイオン電池の代替品として提案されている。   However, lithium is expensive, and resources are extremely unevenly distributed in South America, and there is concern about a stable supply of raw materials. For this reason, sodium ion batteries using abundant resources and inexpensive sodium salts instead of lithium salts have been proposed as alternatives to lithium ion batteries.

ナトリウムイオン電池に使用する正極活物質としては、リチウムイオン電池に用いられる正極活物質をそのまま利用できるものも多い。例えば、FePO4で示されるリン酸鉄は三方晶P321の空間群を持ち、FeO4四面体とPO4四面体が頂点共有骨格を形成しているため、ゲストカチオンの拡散のボトルネックが大きく、イオン半径の小さなリチウムイオンのみならず、イオン半径の大きなナトリウムイオンに対してもインターカレーションホストとして機能しうる(特許文献1)。 As a positive electrode active material used for a sodium ion battery, many positive electrode active materials used for a lithium ion battery can be used as they are. For example, iron phosphate represented by FePO 4 has a space group of trigonal P321, and the FeO 4 tetrahedron and PO 4 tetrahedron form a vertex shared skeleton, so the bottleneck of guest cation diffusion is large, It can function as an intercalation host not only for lithium ions having a small ion radius but also for sodium ions having a large ion radius (Patent Document 1).

ところが、リチウムイオン電池に用いられる負極活物質については、ほとんど報告例がなく、カーボン系の負極活物質において充放電の動作が確認されている程度である。例えば、レゾルシノールを原料とし、これを炭化したカーボン材料がリチウムイオン電池用の負極活物質として知られている(非特許文献1及び非特許文献2)。   However, there are few reports on the negative electrode active material used in the lithium ion battery, and the charge / discharge operation has been confirmed in the carbon-based negative electrode active material. For example, a carbon material obtained by using resorcinol as a raw material and carbonizing this is known as a negative electrode active material for a lithium ion battery (Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2).

特開2007−12491号公報JP 2007-12491 A

Electrochemical and Solid-state Letters, 8(4) A222- A225(2005)Electrochemical and Solid-state Letters, 8 (4) A222- A225 (2005) Electrochimica Acta 47 (2002) 3303-3307Electrochimica Acta 47 (2002) 3303-3307

しかし、上記従来のカーボン系の負極活物質では、充電時においてナトリウムが負極活物質であるカーボンにインターカレーションする電位が、Na金属の析出する電位である0.3V(vs Li/Li+)に近く、過電圧を考慮した場合、充電時にナトリウム金属が負極活物質上で析出するおそれがあった。ナトリウムは極めて反応性の高い金属であり、万が一ナトリウムの析出した負極活物質が大気中に触れた場合には、大気中の水分や水と触れて、激しい発熱が生じるという危険性がある。このため、ナトリウムイオン電池の実用化が遅れていた。 However, in the above-described conventional carbon-based negative electrode active material, the potential at which sodium intercalates with carbon as the negative electrode active material during charging is 0.3 V (vs Li / Li + ), which is the potential at which Na metal precipitates. When overvoltage is taken into consideration, sodium metal may be deposited on the negative electrode active material during charging. Sodium is a highly reactive metal, and in the unlikely event that the negative electrode active material on which sodium is deposited touches the atmosphere, there is a risk that it will come into contact with moisture or water in the atmosphere and generate intense heat generation. For this reason, the practical use of sodium ion batteries has been delayed.

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであり、充電時における電位がナトリウムの析出する電位よりも高く、充電時にナトリウム金属の析出のおそれの少ないナトリウムイオン電池用の負極活物質及びナトリウムイオン電池を提供することを解決すべき課題としている。   The present invention has been made in view of the above-described conventional situation, and the negative electrode active material for a sodium ion battery in which the potential at the time of charging is higher than the potential at which sodium precipitates and the risk of sodium metal precipitation at the time of charging is low. Providing a sodium ion battery is a problem to be solved.

本発明者らは、上記従来の課題を解決するため、リチウムイオン電池の電極活物質として知られているLiTi12をナトリウムイオン電池の電極活物質に適用できないか検討した。LiTi12はナトリウムのインターカレーション−デインターカレーションが可能であり、その酸化還元電位もカーボン系の負極活物質より高いため安全性が高いとして注目されている。しかし、ナトリウムイオンのイオン半径がリチウムイオンのイオン半径よりもかなり大きいため、ナトリウムイオンのLiTi12へのインターカレーションは困難であり、ナトリウムイオン電池の負極活物質としてLiTi12の適用は考えられておらず、動作の確認がなされたことも無かった。本発明者らは、既に、ニトリル化合物が添加された電位窓の広いナトリウムイオン電池用の電解液の出願を行なっているが(特願2008−322913)、この電解液を用いればLiTi12を負極活物質として確実に動作させることができることを見出し、本発明を完成するに至った。 In order to solve the above-described conventional problems, the present inventors have examined whether Li 4 Ti 5 O 12 , which is known as an electrode active material of a lithium ion battery, can be applied to an electrode active material of a sodium ion battery. Li 4 Ti 5 O 12 is capable of sodium intercalation-deintercalation, and its redox potential is higher than that of a carbon-based negative electrode active material, and thus has attracted attention as being highly safe. However, since the ion radius of sodium ions is considerably larger than the ion radius of lithium ions, it is difficult to intercalate sodium ions into Li 4 Ti 5 O 12 , and Li 4 Ti 5 as a negative electrode active material for sodium ion batteries. The application of O 12 was not considered and the operation was not confirmed. The present inventors have already filed an application for an electrolytic solution for a sodium ion battery having a wide potential window to which a nitrile compound has been added (Japanese Patent Application No. 2008-322913), but if this electrolytic solution is used, Li 4 Ti 5 The inventors have found that O 12 can be reliably operated as a negative electrode active material, and have completed the present invention.

すなわち、本発明のナトリウムイオン電池用電極活物質は、正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極とが、有機溶媒にナトリウム塩が溶解している電解液に接触するナトリウムイオン電池に用いる電極活物質であって、LiTi12からなることを特徴とする。 That is, the electrode active material for a sodium ion battery of the present invention is a sodium ion battery in which a positive electrode including a positive electrode active material and a negative electrode including a negative electrode active material are in contact with an electrolyte solution in which a sodium salt is dissolved in an organic solvent. An electrode active material to be used, which is characterized by being made of Li 4 Ti 5 O 12 .

また、本発明のナトリウムイオン電池は、正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極とが、有機溶媒にナトリウム塩が溶解している電解液に接触するナトリウムイオン電池であって、前記正極活物質又は前記負極活物質はLiTi12からなることを特徴とする。 The sodium ion battery of the present invention is a sodium ion battery in which a positive electrode including a positive electrode active material and a negative electrode including a negative electrode active material are in contact with an electrolyte solution in which a sodium salt is dissolved in an organic solvent, The positive electrode active material or the negative electrode active material is made of Li 4 Ti 5 O 12 .

本発明のナトリウムイオン電池は、電解液の有機溶媒に、鎖式飽和炭化水素化合物の両末端にニトリル基が結合した鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物、鎖式エーテル化合物の末端の少なくとも一つにニトリル基が結合した鎖式エーテルジニトリル化合物及びシアノ酢酸エステルのうち少なくとも一つのニトリル化合物と、環状炭酸エステル、環状カルボン酸エステル及び鎖状炭酸エステルのうち少なくとも一つとが含まれていることが好ましい。   The sodium ion battery of the present invention includes an organic solvent of an electrolytic solution, a chain saturated hydrocarbon dinitrile compound in which a nitrile group is bonded to both ends of the chain saturated hydrocarbon compound, and a nitrile at at least one terminal of the chain ether compound. It is preferable that at least one nitrile compound among a chain ether dinitrile compound and a cyanoacetate group to which a group is bonded and at least one of a cyclic carbonate ester, a cyclic carboxylic acid ester and a chain carbonate ester are included.

本発明のナトリウムイオン電池では、好ましくは、電解液の有機溶媒として鎖式飽和炭化水素化合物の両末端にニトリル基が結合した鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物、鎖式エーテル化合物の末端の少なくとも一つにニトリル基が結合した鎖式エーテルニトリル化合物及びシアノ酢酸エステルのうち少なくとも一つのニトリル化合物を含む。これらのニトリル化合物は、電位窓を広げる役割を果たしている。そして、さらに有機溶媒として環状炭酸エステル、環状カルボン酸エステル及び鎖状炭酸エステルのうち少なくとも一つとが含まれていることが好ましい。これらのエステルは、粘度の高いニトリル化合物の粘度を下げ、比伝導度を大きくする役割を果たす。   In the sodium ion battery of the present invention, preferably, at least one of a chain saturated hydrocarbon dinitrile compound having a nitrile group bonded to both ends of the chain saturated hydrocarbon compound as an organic solvent of the electrolytic solution, or a chain ether compound. At least one nitrile compound among a chain ether nitrile compound having a nitrile group bonded thereto and a cyanoacetic acid ester. These nitrile compounds serve to widen the potential window. Further, it is preferable that at least one of a cyclic carbonate, a cyclic carboxylic acid ester and a chain carbonate is contained as an organic solvent. These esters serve to lower the viscosity of the high-viscosity nitrile compound and increase the specific conductivity.

したがって、本発明のナトリウムイオン電池によれば、電解液が高い電位においても分解し難く、充放電が高い正電位の領域にまで及ぶ物質を正極活物質として利用することができる。   Therefore, according to the sodium ion battery of the present invention, it is possible to use, as the positive electrode active material, a substance that does not easily decompose even when the electrolyte is at a high potential and reaches a positive potential region where charge and discharge are high.

本発明のナトリウムイオン電池の電解液が、電位窓のそれほど広くない環状炭酸エステルや、環状カルボン酸エステルや、鎖状炭酸エステルを含んでいるにもかかわらず、広い電位窓を有する理由については、必ずしも明確ではないが、次のように考えられる。すなわち、鎖状炭酸エステルは粘度を下げるため、比伝導度を大きくする役割を果たすと推測される。また、環状炭酸エステルや環状カルボン酸エステルは、従来から知られているとおり、カーボン負極上にSEIといわれる保護皮膜を形成することで、耐還元性を向上させつつ、ナトリウムイオンを通過させることができる特性を付与することができる。そのため、負側および正側の電位窓拡大に効果を発揮することが可能となると推定される。   The reason why the electrolyte of the sodium ion battery of the present invention has a wide potential window despite the fact that it contains a cyclic carbonate ester, a cyclic carboxylic acid ester, or a chain carbonate ester that does not have a very wide potential window. Although it is not necessarily clear, it is considered as follows. That is, it is presumed that the chain carbonic acid ester plays a role of increasing the specific conductivity in order to lower the viscosity. In addition, as is known in the art, cyclic carbonates and cyclic carboxylic esters can pass sodium ions while improving reduction resistance by forming a protective film called SEI on the carbon negative electrode. The characteristic which can be given can be provided. For this reason, it is estimated that the effect can be exerted on the enlargement of the negative and positive potential windows.

環状炭酸エステルとしては、エチレンカーボネートやプロピレンカーボネートを用いることができる。また、環状カルボン酸エステルとしてはγ−ブチロラクトンを用いることができる。さらに鎖状炭酸エステルとしては、ジメチルカーボネートやジエチルカーボネートを用いることができる。   As the cyclic carbonate, ethylene carbonate or propylene carbonate can be used. Moreover, (gamma) -butyrolactone can be used as cyclic carboxylic acid ester. Further, dimethyl carbonate or diethyl carbonate can be used as the chain carbonate.

また、ナトリウム塩としては、NaClO、NaPF、NaBF、NaCFSO、NaN(CFSO、NaN(FSO、NaN(CSO、NaC(CFSOを用いることができる。これらのナトリウム塩は、単独で用いてもよく、2以上の種類を混合して用いてもよい。特に好ましいのはNaPFである。 Examples of the sodium salt include NaClO 4 , NaPF 6 , NaBF 4 , NaCF 3 SO 3 , NaN (CF 3 SO 2 ) 2 , NaN (FSO 2 ) 2 , NaN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , NaC ( CF 3 SO 2 ) 3 can be used. These sodium salts may be used alone or in combination of two or more kinds. Particularly preferred is NaPF 6.

試験例1〜5及び比較例1の電解液の電位−電流曲線である。It is the electric potential-current curve of the electrolyte solution of Test Examples 1-5 and Comparative Example 1. 試験例6及び比較例1の電解液の電位−電流曲線である。6 is a potential-current curve of electrolytic solutions of Test Example 6 and Comparative Example 1. 試験例7、8及び比較例1の電解液の電位−電流曲線である。6 is a potential-current curve of electrolytic solutions of Test Examples 7 and 8 and Comparative Example 1. 実施例で用いた電極ペレットの電位−電流曲線である。It is the electric potential-current curve of the electrode pellet used in the Example. 実施例のナトリウムイオン電池に用いた電池ケースの断面図である。It is sectional drawing of the battery case used for the sodium ion battery of the Example. 実施例のナトリウムイオン電池の断面図である。It is sectional drawing of the sodium ion battery of an Example. 実施例のナトリウムイオン電池の充放電特性を示すグラフである。It is a graph which shows the charging / discharging characteristic of the sodium ion battery of an Example. NaNi0.5Fe0.5の充放電特性を示すグラフである。Is a graph showing the charge-discharge characteristics of NaNi 0.5 Fe 0.5 O 2. NaNi0.5Ti0.5の充放電特性を示すグラフである。Is a graph showing the charge-discharge characteristics of NaNi 0.5 Ti 0.5 O 2. NaFePOの充放電特性を示すグラフである。Is a graph showing the charge-discharge characteristics of NaFePO 4.

本発明者らは、前述したように、特に正電位側に広い電位窓を有するナトリウムイオン電池用電解液を開発し、その特許出願を行なっている(特願2008−322913)。そして、その電解液を用いれば、充電のための電位が5.1V(対Li/Li+)を超える領域に存在するような高電位酸化還元正極活物質を正極活物質として利用することを既に確認している。このような高電位酸化還元正極活物質としては、NaMPOやNaMPOF(M=Ni,Co,Mn)が考えられ、これらの正極活物質と、本発明のナトリウムイオン電池用電極活物質と、特願2008−322913に記載のナトリウムイオン電池用電解液とを組み合わせることにより、エネルギー密度が高く、容量の大きなナトリウムイオン電池とすることができる。 As described above, the present inventors have developed an electrolytic solution for a sodium ion battery having a wide potential window particularly on the positive potential side, and have filed a patent application therefor (Japanese Patent Application No. 2008-322913). And if the electrolytic solution is used, it is already used as a positive electrode active material a high potential redox positive electrode active material that exists in a region where the potential for charging exceeds 5.1 V (vs. Li / Li + ). I have confirmed. Examples of such a high potential redox positive electrode active material include NaMPO 4 and NaMPO 4 F (M = Ni, Co, Mn). These positive electrode active materials and the electrode active material for a sodium ion battery of the present invention In combination with the electrolyte for sodium ion batteries described in Japanese Patent Application No. 2008-322913, a sodium ion battery having a high energy density and a large capacity can be obtained.

特願2008−322913では、ナトリウムイオン電池用電解液を具体化した試験例1〜8及び比較例1について、次のように記載している。 In Japanese Patent Application No. 2008-322913, Test Examples 1 to 8 and Comparative Example 1 in which a sodium ion battery electrolyte is embodied are described as follows.

試験例1〜5は、有機溶媒として鎖式飽和炭化水素化合物の両末端をニトリル基で置換した鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物を含む試験例である。また、試験例6は、有機溶媒として鎖式エーテル化合物の両末端をニトリル基で置換した鎖式エーテルジニトリル化合物を含む試験例である。さらに、試験例7、8は有機溶媒としてシアノ酢酸エステルを含む試験例である。各試験例及び比較例の電解液の組成を表1に示す   Test Examples 1 to 5 are test examples including a chain saturated hydrocarbon dinitrile compound in which both ends of the chain saturated hydrocarbon compound are substituted with nitrile groups as an organic solvent. Test Example 6 is a test example including a chain ether dinitrile compound in which both ends of a chain ether compound are substituted with nitrile groups as an organic solvent. Furthermore, Test Examples 7 and 8 are test examples containing cyanoacetic acid ester as the organic solvent. Table 1 shows the compositions of the electrolyte solutions of each test example and comparative example.

Figure 0005988223
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(試験例1)
試験例1では、有機溶媒としてスクシノニトリルと、エチレンカーボネート(EC)と、ジメチルカーボネート(DMC)とを容量比で50:25:25の割合で混合した溶媒を用い、これにナトリウム塩として六フッ化リン酸ナトリウム(NaPF6)を0.5mol/Lとなるように溶解させてナトリウムイオン電池用電解液とした。
(Test Example 1)
In Test Example 1, a solvent in which succinonitrile, ethylene carbonate (EC), and dimethyl carbonate (DMC) were mixed at a volume ratio of 50:25:25 was used as the organic solvent. Sodium fluorophosphate (NaPF 6 ) was dissolved to a concentration of 0.5 mol / L to obtain a sodium ion battery electrolyte.

(試験例2)
試験例2では、有機溶媒としてグルタロニトリルと、エチレンカーボネート(EC)と、ジメチルカーボネート(DMC)とを容量比で50:25:25の割合で混合した溶媒を用いた。その他は試験例1と同様であり、説明を省略する。
(Test Example 2)
In Test Example 2, a solvent in which glutaronitrile, ethylene carbonate (EC), and dimethyl carbonate (DMC) were mixed as an organic solvent in a volume ratio of 50:25:25 was used. Others are the same as in Test Example 1, and a description thereof is omitted.

(試験例3)
試験例3では、有機溶媒としてアジポニトリルと、エチレンカーボネート(EC)と、ジメチルカーボネート(DMC)とを容量比で50:25:25の割合で混合した溶媒を用いた。その他は試験例1と同様であり、説明を省略する。
(Test Example 3)
In Test Example 3, a solvent in which adiponitrile, ethylene carbonate (EC), and dimethyl carbonate (DMC) were mixed at a volume ratio of 50:25:25 was used as the organic solvent. Others are the same as in Test Example 1, and a description thereof is omitted.

(試験例4)
試験例4では、有機溶媒としてセバコニトリルと、エチレンカーボネート(EC)と、ジメチルカーボネート(DMC)とを容量比で50:25:25の割合で混合した溶媒を用いた。その他は試験例1と同様であり、説明を省略する。
(Test Example 4)
In Test Example 4, a solvent obtained by mixing sebacononitrile, ethylene carbonate (EC), and dimethyl carbonate (DMC) at a volume ratio of 50:25:25 was used as the organic solvent. Others are the same as in Test Example 1, and a description thereof is omitted.

(試験例5)
試験例5では、有機溶媒としてドデカンジニトリルと、エチレンカーボネート(EC)と、ジメチルカーボネート(DMC)とを容量比で50:25:25の割合で混合した溶媒を用いた。その他は試験例1と同様であり、説明を省略する。
(Test Example 5)
In Test Example 5, a solvent in which dodecanedinitrile, ethylene carbonate (EC), and dimethyl carbonate (DMC) were mixed at a volume ratio of 50:25:25 was used as the organic solvent. Others are the same as in Test Example 1, and a description thereof is omitted.

(試験例6)
試験例6では、有機溶媒としてオキシプロピオニトリルと、エチレンカーボネート(EC)と、ジメチルカーボネート(DMC)とを容量比で50:25:25の割合で混合した溶媒を用いた。その他は試験例1と同様であり、説明を省略する。
(Test Example 6)
In Test Example 6, a solvent in which oxypropionitrile, ethylene carbonate (EC), and dimethyl carbonate (DMC) were mixed at a volume ratio of 50:25:25 was used as the organic solvent. Others are the same as in Test Example 1, and a description thereof is omitted.

(試験例7)
試験例7では、有機溶媒としてシアノ酢酸メチルと、エチレンカーボネート(EC)と、ジメチルカーボネート(DMC)とを容量比で50:25:25の割合で混合した溶媒を用いた。その他は試験例1と同様であり、説明を省略する。
(Test Example 7)
In Test Example 7, a solvent in which methyl cyanoacetate, ethylene carbonate (EC), and dimethyl carbonate (DMC) were mixed at a volume ratio of 50:25:25 was used as the organic solvent. Others are the same as in Test Example 1, and a description thereof is omitted.

(試験例8)
試験例8では、有機溶媒としてシアノ酢酸ブチルと、エチレンカーボネート(EC)と、ジメチルカーボネート(DMC)とを容量比で50:25:25の割合で混合した溶媒を用いた。その他は試験例1と同様であり、説明を省略する。
(Test Example 8)
In Test Example 8, a solvent obtained by mixing butyl cyanoacetate, ethylene carbonate (EC), and dimethyl carbonate (DMC) in a volume ratio of 50:25:25 was used as the organic solvent. Others are the same as in Test Example 1, and a description thereof is omitted.

(比較例1)
比較例1では、有機溶媒としてエチレンカーボネート(EC)と、ジメチルカーボネート(DMC)とを容量比で50:50の割合で混合した溶媒を用いた。また、六フッ化リン酸ナトリウム(NaPF6)の濃度を1.0mol/Lとした。その他は試験例1と同様であり、説明を省略する。
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, a solvent in which ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) were mixed at a volume ratio of 50:50 was used as the organic solvent. The concentration of sodium hexafluorophosphate (NaPF 6 ) was 1.0 mol / L. Others are the same as in Test Example 1, and a description thereof is omitted.

−評価−
(電位−電流曲線の測定)
以上のようにして調製した試験例1〜8及び比較例1のナトリウムイオン電池用電解液について、電位−電流曲線を測定した。測定にはポテンシオガルバノスタットを用い、作用極にはグラッシーカーボンを用い、対極には白金網を用いた。また、参照電極は金属リチウムを用いた。電位の掃引速度は5mV/秒の速度で電位の掃引を行い、電位−電流曲線を測定した。結果を図1〜図3に示す。
-Evaluation-
(Measurement of potential-current curve)
With respect to the electrolyte solutions for sodium ion batteries of Test Examples 1 to 8 and Comparative Example 1 prepared as described above, potential-current curves were measured. A potentiogalvanostat was used for measurement, glassy carbon was used for the working electrode, and a platinum net was used for the counter electrode. Further, metallic lithium was used for the reference electrode. The potential was swept at a rate of 5 mV / sec, and a potential-current curve was measured. The results are shown in FIGS.

図1に示すように、有機溶媒がエチレンジカーボネートとジメチルカーボネートとからなり、ニトリル化合物を含まない比較例1では5.8Vで50μA/cmとなり、それより高電圧では大きく立ち上がっているのに対し、各種の鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物を用いた試験例1〜5では、さらに高い電位に至らないと50μA/cmを超えない(50μA/cmにおける電流値は試験例1で6.5V、試験例2で7.0V、試験例3で7.5V、試験例4で7.2V、試験例5で7.2V)ことが分かった。 As shown in FIG. 1, the organic solvent is composed of ethylene dicarbonate and dimethyl carbonate. In Comparative Example 1 that does not contain a nitrile compound, it becomes 50 μA / cm 2 at 5.8 V, and rises greatly at higher voltages. On the other hand, in Test Examples 1 to 5 using various chain saturated hydrocarbon dinitrile compounds, 50 μA / cm 2 is not exceeded unless a higher potential is reached (the current value at 50 μA / cm 2 is 6. 5V, 7.0V in Test Example 2, 7.5V in Test Example 3, 7.2V in Test Example 4, and 7.2V in Test Example 5.

また、図2に示すように、有機溶媒が鎖式エーテル化合物の両末端をニトリル基で置換した鎖式エーテルジニトリル化合物を含み、さらにエチレンジカーボネートとジメチルカーボネートとを含む試験例6の電解液では、電流が50μA/cmとなる電圧は6.8Vとなり、やはり高い電圧まで電解液は安定であることが分かった。 Further, as shown in FIG. 2, the organic solvent contains a chain ether dinitrile compound in which both ends of the chain ether compound are substituted with nitrile groups, and further contains an ethylene dicarbonate and dimethyl carbonate. Then, the voltage at which the current became 50 μA / cm 2 was 6.8 V, and it was found that the electrolyte was stable up to a high voltage.

また、図3に示すように、有機溶媒がシアノ酢酸エステルを含み、さらにエチレンジカーボネートとジメチルカーボネートとを含む試験例7及び8の電解液では、有機溶媒がエチレンジカーボネートとジメチルカーボネートとからなる比較例1と比較して、電圧6.2V以上における電流値が小さく、高電圧における電解液の耐分解性に優れていることが分かった。   Moreover, as shown in FIG. 3, in the electrolyte solutions of Test Examples 7 and 8 in which the organic solvent contains cyanoacetate and further contains ethylene dicarbonate and dimethyl carbonate, the organic solvent consists of ethylene dicarbonate and dimethyl carbonate. Compared with Comparative Example 1, it was found that the current value at a voltage of 6.2 V or higher was small, and the decomposition resistance of the electrolytic solution at a high voltage was excellent.

以上の結果から、試験例1〜8の電解液を用いれば、充電のための電圧が6Vを超えた領域に存在するような高電位酸化還元正極活物質をナトリウムイオン電池の正極活物質として利用できることとなり、電池の電圧及びエネルギー密度が高く、容量の大きなナトリウムイオン電池とすることができる。   From the above results, when the electrolytes of Test Examples 1 to 8 are used, a high potential redox positive electrode active material that exists in a region where the voltage for charging exceeds 6 V is used as the positive electrode active material of the sodium ion battery. As a result, the battery voltage and energy density are high, and a large-capacity sodium ion battery can be obtained.

−参考例−
参考のため、上記試験例1〜8の場合の電解質であるNaPFの替わりに、LiPFが有機溶媒に溶解しているリチウムイオン電池用電解液を種々の組成で調製し、前述の方法と同様にして電位−電流曲線を測定した。そして、その電位−電流曲線から求めた所定の電流密度となるときの電極電位を、電解質としてNaPFを添加した上記試験例1〜8の場合も含めて、まとめて表2に示す。この表の中で、有機溶媒の組成は(ニトリル類):(ニトリル類以外の溶媒)=50:50(容量比)とした。また、ニトリル類以外の溶媒を2種類混合した場合の混合比は、1:1(容量比)とした。
-Reference example-
For reference, instead of NaPF 6 which is the electrolyte in the case of Test Examples 1 to 8, electrolyte solutions for lithium ion batteries in which LiPF 6 is dissolved in an organic solvent are prepared with various compositions. Similarly, a potential-current curve was measured. Table 2 collectively shows the electrode potential at the predetermined current density obtained from the potential-current curve, including the cases of Test Examples 1 to 8 in which NaPF 6 is added as an electrolyte. In this table, the composition of the organic solvent was (nitriles) :( solvent other than nitriles) = 50: 50 (volume ratio). The mixing ratio when two types of solvents other than nitriles were mixed was 1: 1 (volume ratio).

Figure 0005988223
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表2から、電解質としてLiPFを用いたリチウムイオン電池用電解液の場合、鎖式飽和炭化水素化合物の両末端にニトリル基が結合した鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物、鎖式エーテル化合物の末端の少なくとも一つにニトリル基が結合した鎖式エーテルニトリル化合物及びシアノ酢酸エステルのうち少なくとも一つのニトリル化合物と、環状炭酸エステル、環状カルボン酸エステル及び鎖状炭酸エステルのうち少なくとも一つとが含まれている場合に、正方向に電位窓が広がることが分かる。 From Table 2, in the case of an electrolytic solution for a lithium ion battery using LiPF 6 as an electrolyte, the chain saturated hydrocarbon dinitrile compound in which a nitrile group is bonded to both ends of the chain saturated hydrocarbon compound, the end of the chain ether compound. At least one nitrile compound of chain ether nitrile compound and cyanoacetate having at least one nitrile group bonded thereto and at least one of cyclic carbonate, cyclic carboxylic acid ester and chain carbonate It can be seen that the potential window widens in the positive direction.

ここで、表2の一番左の列(すなわち、電解質がLiPFであって、ニトリル類:EC:DMC=50:25:25)の場合と、表2の一番右の列(すなわち、電解質がNaPFであって、ニトリル類:EC:DMC=50:25:25)の場合と比較した場合、電解質が異なっていても、有機溶媒の組成が同じであれば、電位窓の範囲は、ほぼ同様の傾向にあることが分かる。すなわち、電位窓の範囲は、電解質の金属イオンの種類にかかわらず、有機溶媒の組成によっておおよそ決定される。このことから、電解質がNaPFであっても、電解質がLiPFの場合と同様、鎖式飽和炭化水素化合物の両末端にニトリル基が結合した鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物、鎖式エーテル化合物の末端の少なくとも一つにニトリル基が結合した鎖式エーテルニトリル化合物及びシアノ酢酸エステルのうち少なくとも一つのニトリル化合物と、環状炭酸エステル、環状カルボン酸エステル及び鎖状炭酸エステルのうち少なくとも一つとが含まれている場合に、正方向に電位窓が広がることが分かる。 Here, in the case of the leftmost column of Table 2 (that is, the electrolyte is LiPF 6 and nitriles: EC: DMC = 50: 25: 25) and the rightmost column of Table 2 (that is, When the electrolyte is NaPF 6 and compared with the case of nitriles: EC: DMC = 50: 25: 25), the range of the potential window is as long as the composition of the organic solvent is the same even if the electrolyte is different. It can be seen that the tendency is almost the same. That is, the range of the potential window is approximately determined by the composition of the organic solvent regardless of the type of metal ions in the electrolyte. Therefore, even when the electrolyte is NaPF 6 , as in the case of LiPF 6 , the chain saturated hydrocarbon dinitrile compound or the chain ether compound in which the nitrile group is bonded to both ends of the chain saturated hydrocarbon compound is used. Included are at least one nitrile compound of a chain ether nitrile compound and a cyanoacetate ester having a nitrile group bonded to at least one end, and at least one of a cyclic carbonate ester, a cyclic carboxylate ester and a chain carbonate ester. It can be seen that the potential window widens in the positive direction.

ニトリル化合物を含有する上述の電解液を用いれば、LiTi12を電極活物質として動作させることができる。以下、具体化した実施例について詳細に述べる。
チタン酸リチウムLiTi12は、石原産業製のXA-106を使用した。特性を表3に示す。
If the above-mentioned electrolytic solution containing a nitrile compound is used, Li 4 Ti 5 O 12 can be operated as an electrode active material. Hereinafter, specific embodiments will be described in detail.
As lithium titanate Li 4 Ti 5 O 12 , XA-106 manufactured by Ishihara Sangyo was used. The characteristics are shown in Table 3.

Figure 0005988223
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<電極材ペレットの製造>
上記LiTi12の粉末と、アセチレンブラックと、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)とを80:25:5の割合(重量比)で秤取り、乳鉢で混合した後、ホットプレス法によって円盤状の電極材ペレットを成形した。
<Manufacture of electrode material pellets>
The Li 4 Ti 5 O 12 powder, acetylene black, and polytetrafluoroethylene (PTFE) were weighed in a ratio (weight ratio) of 80: 25: 5, mixed in a mortar, and then disked by a hot press method. Shaped electrode material pellets were molded.

−評 価−
(CV測定)
上記のようにして作製した実施例の負極について、以下の条件によりサイクリックボルタンメトリーの測定を行った。
電解液はエチレンカーボネート(EC):ジメチルカーボネート(DMC):セバコニトリル=25::25:50の混合有機溶媒にNaPFを0.5mol/Lの濃度となるように溶解させたものを用いた。この電解液に、上記のようにして製造した円盤状の電極材ペレットを浸漬し、対極及び参照極としてNa金属を浸漬した。電位の掃引速度は5mV/秒とし、ナトリウム参照電極に対して0.4〜2.0V(リチウム参照電極換算で0.7〜2.3V)の範囲で電位掃引を行った。
-Evaluation-
(CV measurement)
For the negative electrode of the example produced as described above, cyclic voltammetry was measured under the following conditions.
The electrolytic solution used was a solution in which NaPF 6 was dissolved in a mixed organic solvent of ethylene carbonate (EC): dimethyl carbonate (DMC): sebaconitrile = 25 :: 25: 50 to a concentration of 0.5 mol / L. The disc-shaped electrode material pellet produced as described above was immersed in this electrolytic solution, and Na metal was immersed as a counter electrode and a reference electrode. The potential sweep rate was 5 mV / sec, and the potential sweep was performed in the range of 0.4 to 2.0 V (0.7 to 2.3 V in terms of lithium reference electrode) with respect to the sodium reference electrode.

その結果、図4に示すように、ナトリウム参照電極に対して0.4〜2.0Vの間で明確な酸化/還元電流が流れ、円盤状の電極材ペレットに含まれるLiTi12は、電極活物質として充放電が可能であることが分かった。また、その酸化還元電位は、ナトリウム参照電極に対して0.9V(対リチウム参照電極で1.2V)付近に現れており、この電位はLiTi12のリチウムイオンが脱離する電位(対リチウム参照電極で1.55V)よりも低いことから、ナトリウムイオン電池の電極活物質として充分動作可能であることが分かった。また、この電位はナトリウム金属の析出する電位である0.3V(対リチウム参照電極)よりも高いため、このLiTi12を負極活物質として用いた場合、充電反応時にナトリウムの析出を防ぐことができ、安全性に優れたナトリウムイオン電池を構成することができる。 As a result, as shown in FIG. 4, a clear oxidation / reduction current flows between 0.4 and 2.0 V with respect to the sodium reference electrode, and Li 4 Ti 5 O 12 contained in the disk-shaped electrode material pellet. Was found to be chargeable / dischargeable as an electrode active material. The oxidation-reduction potential appears in the vicinity of 0.9 V with respect to the sodium reference electrode (1.2 V with respect to the lithium reference electrode), and this potential is a potential at which lithium ions of Li 4 Ti 5 O 12 are desorbed. Since it is lower than (1.55 V with respect to lithium reference electrode), it was found that it can operate sufficiently as an electrode active material of a sodium ion battery. In addition, since this potential is higher than 0.3 V (vs. lithium reference electrode), which is the potential at which sodium metal is deposited, when this Li 4 Ti 5 O 12 is used as the negative electrode active material, sodium is deposited during the charging reaction. A sodium ion battery that can be prevented and is excellent in safety can be configured.

<ナトリウムイオン電池の実施例>
前述のようにして作製した円盤状の電極材ペレット及びこれと同じ形状に金属ナトリウム板を打ち抜いたナトリウムペレットを用意し、電池容器としてステンレス製コインセル(SUS316L製 2032型)を用いてコイン型電池を作製した。すなわち、図5に示すように、SUS316Lからなる有底円筒状の電極缶11と、SUS316Lからなる有底円筒状で扁平状の電極キャップ12とを用意した。
<Example of sodium ion battery>
Prepare a disk-shaped electrode material pellet prepared as described above and a sodium pellet obtained by punching a metal sodium plate in the same shape, and use a coin cell made of stainless steel (SUS316L model 2032) as a battery container. Produced. That is, as shown in FIG. 5, a bottomed cylindrical electrode can 11 made of SUS316L and a bottomed cylindrical flat electrode cap 12 made of SUS316L were prepared.

ついで、図6に示すように、電極缶11内に、SUS316Lからなるスペーサ13、ナトリウムペレット14及びセパレータ15を充填する。一方、電極キャップ12内に、SUS316Lからなる波座金16、SUS316Lからなるスペーサ17及び電極材ペレット18を充填する。そして、電極缶11内にニトリル化合物含有電解液を入れた後、絶縁ガスケット19を介して電極キャップ12を載置してかしめて密封してナトリウムイオン電池とする。ここで、ニトリル化合物含有電解液は下記の組成の電解液とした。
エチレンカーボネート:ジメチルカーボネート:セバコニトリル=25:25:50の混合溶媒にNaPFを0.5mol/Lとなるように溶解した溶液である。
Then, as shown in FIG. 6, the electrode can 11 is filled with a spacer 13 made of SUS316L, a sodium pellet 14, and a separator 15. On the other hand, a wave washer 16 made of SUS316L, a spacer 17 made of SUS316L, and an electrode material pellet 18 are filled in the electrode cap 12. And after putting a nitrile compound containing electrolyte in the electrode can 11, the electrode cap 12 is mounted via the insulating gasket 19, and it seals, and it is set as a sodium ion battery. Here, the nitrile compound-containing electrolyte was an electrolyte having the following composition.
This is a solution in which NaPF 6 is dissolved in a mixed solvent of ethylene carbonate: dimethyl carbonate: sebaconitrile = 25: 25: 50 so as to be 0.5 mol / L.

−評 価−
(充放電特性測定)
以上のように構成されたナトリウムイオン電池について、定電流における充放電特性を測定した。放電速度は0.05Cとし、放電電気量と負極電位との関係を求めた。その結果、図7に示すように、充放電が充分可能であることが分かった。
-Evaluation-
(Charge / discharge characteristics measurement)
About the sodium ion battery comprised as mentioned above, the charging / discharging characteristic in a constant current was measured. The discharge rate was 0.05 C, and the relationship between the amount of discharge electricity and the negative electrode potential was determined. As a result, as shown in FIG. 7, it was found that charging / discharging was sufficiently possible.

実施例のナトリウムイオン電池は、正極活物質をLiTi12とし、負極活物質をナトリウム金属としているが、ナトリウム金属の替わりに5V(vs リチウム参照電極)程度で動作する正極(例えば4.8VのNaCoPO4等)を用いれば、LiTi12は負極活物質として働き、その起電力も大きくなる(例えばNaCoPOの場合には4.8−1.2=3.6V)。その他、ナトリウムイオン電池用の正極活物質としては、NaNi0.5Fe0.5やNaNi0.5Ti0.5やNaFePO等を用いることもできる(図8〜図10参照。出典 セミナー資料「技術情報協会 リチウム2次電池における高容量化・安全性向上と材料トレンド」) In the sodium ion battery of the example, the positive electrode active material is Li 4 Ti 5 O 12 and the negative electrode active material is sodium metal, but a positive electrode that operates at about 5 V (vs lithium reference electrode) instead of sodium metal (for example, 4 If .8V NaCoPO4 or the like is used, Li 4 Ti 5 O 12 acts as a negative electrode active material, and the electromotive force is increased (for example, in the case of NaCoPO 4 4.8-1.2 = 3.6 V). In addition, as a positive electrode active material for a sodium ion battery, NaNi 0.5 Fe 0.5 O 2 , NaNi 0.5 Ti 0.5 O 2 , NaFePO 4, or the like can be used (see FIGS. 8 to 10). Source: Seminar material “Technical Information Association: Higher capacity, improved safety and material trends in lithium secondary batteries”

<ナトリウムイオン電池>
この発明はナトリウムイオン電池に適用される。
ここに、ナトリウムイオン電池は電解液、正極、負極、セパレータ及びケースを備えてなる。
<Sodium ion battery>
The present invention is applied to a sodium ion battery.
Here, the sodium ion battery includes an electrolytic solution, a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a case.

(電解液)
電解液はNa塩(電解質)と有機溶媒とを含んでいる。
Na塩には、従来からNaイオン電池用のNa塩として知られているものを用いることができる。例えば、例えば、NaClO、NaPF、NaBF、NaCFSO、NaN(CFSO、NaN(FSO、NaN(CSO、NaC(CFSO等が挙げられる。溶媒及び溶質の混合比は特に限定されず、目的に応じて適宜設定される。
また、各種添加剤(例えば、ビニレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネート、エチレンサルファイト)を0.1−3%程度入れることも好ましい。これにより、負極側で耐食性皮膜が形成され、耐食性が向上する。
(Electrolyte)
The electrolytic solution contains Na salt (electrolyte) and an organic solvent.
As the Na salt, those conventionally known as Na salts for Na ion batteries can be used. For example, for example, NaClO 4 , NaPF 6 , NaBF 4 , NaCF 3 SO 3 , NaN (CF 3 SO 2 ) 2 , NaN (FSO 2 ) 2 , NaN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , NaC (CF 3 SO 2 ) 3 etc. are mentioned. The mixing ratio of the solvent and the solute is not particularly limited and is appropriately set according to the purpose.
Moreover, it is also preferable to add about 0.1 to 3% of various additives (for example, vinylene carbonate, fluoroethylene carbonate, ethylene sulfite). Thereby, a corrosion-resistant film is formed on the negative electrode side, and the corrosion resistance is improved.

有機溶媒もNaイオン電池に用いられる一般的なものを採用できる。かかる有機溶媒とし環状炭酸エステル、環状カルボン酸エステル及び鎖状炭酸エステルの中から選ばれる1種、又は2種以上が好ましい。更に好ましくは、環状炭酸エステルと鎖状炭酸エステルとを併用する。具体的には、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとを併用することが特に好ましい。両者の配合割合は特に限定されない。環状カルボン酸エステルとしはγ−ブチロラクトンやプロピレンカーボネートを用いることができる。
鎖状カーボネートは、ジメチルカーボネートのほかに、ジエチルカーボネートやエチルメチルカーボネートを使用することができる。
更にはニトリル化合物を有機溶媒として用いることができる。ここで、ニトリル化合物としては、鎖式飽和炭化水素化合物の両末端にニトリル基が結合した鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物、鎖式エーテル化合物の末端の少なくとも一つにニトリル基が結合した鎖式エーテルニトリル化合物及びシアノ酢酸エステルのうち少なくとも一つのニトリル化合物を挙げることができる。
As the organic solvent, a general one used for a Na ion battery can be adopted. As such an organic solvent, one kind or two or more kinds selected from cyclic carbonates, cyclic carboxylic acid esters and chain carbonates are preferable. More preferably, a cyclic carbonate and a chain carbonate are used in combination. Specifically, it is particularly preferable to use ethylene carbonate and dimethyl carbonate in combination. The blending ratio of both is not particularly limited. As the cyclic carboxylic acid ester, γ-butyrolactone or propylene carbonate can be used.
As the chain carbonate, in addition to dimethyl carbonate, diethyl carbonate or ethyl methyl carbonate can be used.
Furthermore, a nitrile compound can be used as an organic solvent. Here, as the nitrile compound, a chain saturated hydrocarbon dinitrile compound in which a nitrile group is bonded to both ends of a chain saturated hydrocarbon compound, a chain ether in which a nitrile group is bonded to at least one terminal of a chain ether compound. Mention may be made of at least one nitrile compound among nitrile compounds and cyanoacetic acid esters.

鎖式飽和炭化水素化合物の両末端にニトリル基が結合した鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物としては、例えば、スクシノニトリルNC(CHCN、グルタロニトリルNC(CHCN、アジポニトリルNC(CHCN、セバコニトリルNC(CHCN、ドデカンジニトリルNC(CH10CNなどのような直鎖状のジニトリル化合物の他、2−メチルグルタロニトリルNCCH(CH)CHCHCN等のように分枝を有していても良い。これらの鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物は、炭素数は特に限定されないが、7〜20であることが好ましい。更に好ましくは10〜12である。 Examples of the chain saturated hydrocarbon dinitrile compound in which nitrile groups are bonded to both ends of the chain saturated hydrocarbon compound include succinonitrile NC (CH 2 ) 2 CN, glutaronitrile NC (CH 2 ) 3 CN, adiponitrile In addition to linear dinitrile compounds such as NC (CH 2 ) 4 CN, sebaconitrile NC (CH 2 ) 8 CN, dodecanedinitrile NC (CH 2 ) 10 CN, 2-methylglutaronitrile NCCH (CH 3 ) CH 2 CH 2 CN may have a branched as such. These chain saturated hydrocarbon dinitrile compounds are not particularly limited in carbon number, but are preferably 7 to 20. More preferably, it is 10-12.

鎖式エーテル化合物の末端の少なくとも一つにニトリル基が結合した鎖式エーテルニトリル化合物としては、オキシジプロピオニトリルNCCHCH−O−CHCHCNや、3−メトキシプロピオニトリルCH−O−CHCHCN等が挙げられる。これらの鎖式エーテルニトリル化合物は、炭素数は特に限定されないが、20以下であることが好ましい。
シアノ酢酸エステルとしてはシアノ酢酸メチル、シアノ酢酸エチル、シアノ酢酸プロピル、シアノ酢酸ブチル等が挙げられる。これらのシアノ酢酸エステルは、炭素数は特に限定されないが、20以下であることが好ましい。
Examples of the chain ether nitrile compound in which a nitrile group is bonded to at least one end of the chain ether compound include oxydipropionitrile NCCH 2 CH 2 —O—CH 2 CH 2 CN and 3-methoxypropionitrile CH 3. -O-CH 2 CH 2 CN, and the like. These chain ether nitrile compounds are not particularly limited in carbon number, but are preferably 20 or less.
Examples of cyanoacetic acid esters include methyl cyanoacetate, ethyl cyanoacetate, propyl cyanoacetate, and butyl cyanoacetate. These cyanoacetic acid esters are not particularly limited in carbon number, but are preferably 20 or less.

これらニトリル化合物は電解液において電位窓を特に正方向に広げる作用を奏する。
電位窓を広げる作用の観点からジニトリル化合物が好ましい。中でも、セバコニトリルの採用が更に好ましい。
ただし、ニトリル化合物は粘度が高いので、上述の鎖状炭酸エステル、環状炭酸エステル及び/又は環状カルボン酸エステルと併用することが好ましい。更に好ましくはニトリル化合物と鎖状炭酸エステル及び環状炭酸エステルとを併用する。鎖状炭酸エステルとしてはジメチルカーボネートを採用することができ、環状炭酸エステルとしてはエチレンカーボネートを採用することができる。
この場合、有機溶媒全体に占めるニトリル化合物の配合割合は1〜90容量%とすることが好ましい。更に好ましくは15〜70容量%であり、更に更に好ましくは、30〜50容量%である。
These nitrile compounds have the effect of expanding the potential window particularly in the positive direction in the electrolytic solution.
A dinitrile compound is preferable from the viewpoint of the action of expanding the potential window. Of these, the use of sebacononitrile is more preferable.
However, since a nitrile compound has high viscosity, it is preferable to use together with the above-mentioned chain carbonate ester, cyclic carbonate ester, and / or cyclic carboxylic acid ester. More preferably, a nitrile compound, a chain carbonate ester and a cyclic carbonate ester are used in combination. Dimethyl carbonate can be employed as the chain carbonate, and ethylene carbonate can be employed as the cyclic carbonate.
In this case, the blending ratio of the nitrile compound in the whole organic solvent is preferably 1 to 90% by volume. More preferably, it is 15-70 volume%, More preferably, it is 30-50 volume%.

Na塩の濃度は0.01mol/L以上であって、飽和状態よりも低い濃度とする。Na塩の濃度が0.01mol/L未満であると、Naイオンによるイオン伝導が小さくなり、電解液の電気抵抗が高くなるので好ましくない。他方、飽和状態を超えると、温度等の環境変化によって溶解しているNa塩が析出するので好ましくない。   The concentration of Na salt is 0.01 mol / L or more, which is lower than the saturated state. If the concentration of Na salt is less than 0.01 mol / L, ion conduction due to Na ions is reduced, and the electric resistance of the electrolytic solution is increased, which is not preferable. On the other hand, exceeding the saturated state is not preferable because a dissolved Na salt is precipitated due to environmental changes such as temperature.

(正極)
正極は正極活物質と集電体とを備える。
正極活物質とは「二次電池の正極として充放電によって可逆的に酸化−還元を繰り返すことのできる物質」をいう。また、ナトリウムイオン電池の正極活物質としては、ナトリウムイオンを可逆的にインターカレート−デインターカレートできる物質であることが要求される。
このような正極活物質としては、特開2009−129741号公報に記載されているNaFeO、NaNiO、NaCoO、NaMnO、NaFe1−x1 x、NaNi1−x1 x2、NaCo1−x1 x、NaMn1−x1 x(ただし、M1は3価金属からなる群より選ばれる1種以上の元素であり、0≦x<0.5である。)で示される化合物等が挙げられる。これらのなかでも、主に鉄とナトリウムとを含有する複合酸化物であって、六方晶の結晶構造からなる複合酸化物を正極活物質として用いることにより、高い放電電圧を得ることができ、エネルギー密度の高い二次電池を得ることができる。
(Positive electrode)
The positive electrode includes a positive electrode active material and a current collector.
The positive electrode active material refers to a “substance that can be reversibly oxidized and reduced by charge and discharge as a positive electrode of a secondary battery”. Further, the positive electrode active material of the sodium ion battery is required to be a material capable of reversibly intercalating and deintercalating sodium ions.
Examples of such a positive electrode active material include NaFeO 2 , NaNiO 2 , NaCoO 2 , NaMnO 2 , NaFe 1-x M 1 x O 2 , and NaNi 1-x M 1 x described in JP2009-129741A. O 2 , NaCo 1-x M 1 x O 2 , NaMn 1-x M 1 x O 2 (where M 1 is one or more elements selected from the group consisting of trivalent metals, and 0 ≦ x <0 .5)) and the like. Among these, a composite oxide mainly containing iron and sodium, and using a composite oxide having a hexagonal crystal structure as a positive electrode active material, a high discharge voltage can be obtained. A secondary battery having a high density can be obtained.

上記正極活物質として、さらに好ましくは、主に鉄とナトリウムとを含有する複合酸化物であって、六方晶の結晶構造を有し、かつ該複合酸化物のX線回折分析において、面間隔2.20オングストロームのピークの強度を面間隔5.36オングストロームのピークの強度で除した値が2以下である複合酸化物である。またナトリウム化合物と鉄化合物とを含有する金属化合物混合物を、400℃以上900℃以下の温度範囲で加熱するにあたり、温度上昇中の100℃未満の温度範囲においては雰囲気を不活性雰囲気として加熱することが好ましい。
また、これらの化合物うちの遷移金属原子を他の金属原子でドープしたものでもよい。ドーパントとしては酸化還元反応において電気化学的な特性を変化させられるものであれば特に限定されるものではない。
More preferably, the positive electrode active material is a composite oxide mainly containing iron and sodium, has a hexagonal crystal structure, and has an interplanar spacing of 2 in the X-ray diffraction analysis of the composite oxide. A complex oxide having a value obtained by dividing the intensity of a peak of 20 angstroms by the intensity of a peak of 5.36 angstroms in plane spacing is 2 or less. In heating a metal compound mixture containing a sodium compound and an iron compound in a temperature range of 400 ° C. or more and 900 ° C. or less, the atmosphere is heated as an inert atmosphere in a temperature range of less than 100 ° C. during the temperature increase. Is preferred.
Moreover, what doped the transition metal atom of these compounds with the other metal atom may be used. The dopant is not particularly limited as long as the electrochemical characteristics can be changed in the oxidation-reduction reaction.

(集電体)
集電体とは正極活物質を担持する導電性の基板である。
正極の集電体の成形材料は、充電時において安定であることが要求される。特に、酸化還元電位の高いオリビン型結晶構造を有するリン酸塩系の正極活物質を用いるときには、Al、Ti,Ni,SUS304、SUS316,SUS316L等の耐食性に優れた導電性金属材料を用いることが好ましい。
また、AlやTi等の導電金属材料へ導電性DLC(ダイヤモンドライクカーボン)を周知の方法で被覆したものを集電体として用いることもできる。ここで、導電性ダイヤモンドライクカーボンとは、ダイヤモンド結合(炭素同士のSP混成軌道結合)とグラファイト結合(炭素同士のSP混成軌道結合)の両方の結合が混在しているアモルファス構造をとるカーボンのうち、導電性が1000Ωcm以下のものをいう。ただし、アモルファス構造以外に、部分的にグラファイト構造からなる結晶構造(すなわちSP混成軌道結合からなる六方晶系結晶構造)からなる相を有し、これにより導電性が発揮されるものも含まれる。グラファイトとダイヤモンドの中間の性質を有するダイヤモンドライクカーボンは、成膜時にダイヤモンドライクカーボンを構成する炭素原子のSP混成軌道結合とSP混成軌道結合の比率を調整することで、導電性を調節することができる。
勿論、上記耐食性導電性金属材料を導電性DLCで被覆してもよい。
集電体の形状及び構造は、正極活物質や電池の構造に応じて、任意に設計可能である。
(Current collector)
A current collector is a conductive substrate carrying a positive electrode active material.
The molding material for the current collector of the positive electrode is required to be stable during charging. In particular, when using a phosphate-based positive electrode active material having an olivine crystal structure with a high oxidation-reduction potential, it is necessary to use a conductive metal material having excellent corrosion resistance such as Al, Ti, Ni, SUS304, SUS316, and SUS316L. preferable.
In addition, a material obtained by coating a conductive metal material such as Al or Ti with conductive DLC (diamond-like carbon) by a known method can also be used. Here, the conductive diamond-like carbon is carbon having an amorphous structure in which both diamond bonds (SP 3 hybrid orbital bonds between carbons) and graphite bonds (SP 2 hybrid orbital bonds between carbons) are mixed. Among them, the one whose conductivity is 1000 Ωcm or less. However, in addition to the amorphous structure, those having a phase composed of a crystal structure partially composed of a graphite structure (that is, a hexagonal crystal structure composed of SP 2 hybrid orbital bonds) and thereby exhibiting conductivity are also included. . Diamond-like carbon having properties intermediate between graphite and diamond adjusts the conductivity by adjusting the ratio of SP 2 hybrid orbital bonds and SP 3 hybrid orbital bonds of the carbon atoms constituting diamond-like carbon during film formation. be able to.
Of course, you may coat | cover the said corrosion-resistant electroconductive metal material with electroconductive DLC.
The shape and structure of the current collector can be arbitrarily designed according to the structure of the positive electrode active material and the battery.

(正極の前処理)
ナトリウムイオン電池用正極は、ナトリウムイオン電池に組み込む前に、ニトリル化合物を1容量%以上含む有機溶媒中にナトリウム塩が溶解した前処理用電解液中に正電極を浸漬する浸漬処理工程を行い、さらに電極に正電圧を付与する正電圧処理工程を行なうこともできる。こうして前処理された電極は、ニトリル化合物を全く含まない電解液や、ニトリル化合物の添加量の少ない電解液を用いたナトリウムイオン電池に用いても、電位窓が広く、高い電位においても電解液を分解し難くなる。このような広い電位窓の電極となる理由は、電極上に窒素を成分として含む耐食性の皮膜が形成されるためであると推測される。
(Pretreatment of positive electrode)
The positive electrode for a sodium ion battery is subjected to an immersion treatment step of immersing the positive electrode in a pretreatment electrolyte solution in which a sodium salt is dissolved in an organic solvent containing 1% by volume or more of a nitrile compound before being incorporated in the sodium ion battery, Furthermore, a positive voltage processing step of applying a positive voltage to the electrodes can be performed. The electrode thus pretreated has a wide potential window even when used in an electrolyte solution containing no nitrile compound or an electrolyte solution with a small amount of nitrile compound added. It becomes difficult to disassemble. The reason why the electrode has such a wide potential window is presumed to be that a corrosion-resistant film containing nitrogen as a component is formed on the electrode.

(負極)
負極は負極活物質と集電体とを備える。
負極活物質とは「二次電池の負極として充放電によってナトリウムイオンが出入りするとともに可逆的に酸化−還元を繰り返すことのできる物質」であり、本発明においてはLiTi12を用いる。
(Negative electrode)
The negative electrode includes a negative electrode active material and a current collector.
The negative electrode active material is a “substance that allows sodium ions to enter and exit as a negative electrode of a secondary battery and reversibly repeat oxidation and reduction”. In the present invention, Li 4 Ti 5 O 12 is used.

集電体は汎用的な導電性金属材料、Cu、Al、Ni、Ti、SUS304、SUS316、SUS316L等で形成することができるが、電解液中のNa塩に応じて適宜選択する必要がある。   The current collector can be formed of a general-purpose conductive metal material, such as Cu, Al, Ni, Ti, SUS304, SUS316, and SUS316L. However, it is necessary to appropriately select the current collector according to the Na salt in the electrolytic solution.

(正極用電子伝導部材)
正極活物質には導電性の小さいものがある。従って、正極活物質と集電体との間に導電性の電子伝導部材を介在させて、両者の間に十分な電子伝導パスを確保することが好ましい。
ここで電子伝導部材は正極活物質と集電体との間に電子伝導パスを形成できればその形態は特に限定されるものではなく、例えばアセチレンブラック等のカーボンブラック、グラファイト粉、ダイヤモンドライクカーボン、グラッシーカーボン等の導電性粉体(導電助剤)を用いることができる。ダイヤモンドライクカーボン及びグラッシーカーボンは、カーボンブラックやグラファイトよりもはるかに広い電位窓を有しており、高電位を付与した場合の耐食性に優れているため、好適に用いることができる。また、これらの導電助剤に電気化学反応の金属粒子が担持されていることも好ましい。金属としては、例えばPt、Ru、Rh、Pd、Ag、Ir、Au、Ni、Cu等が挙げられる。これらは、単独で用いても良いし、これらの合金であっても良い。
電子伝導材料として、正極活物質を被覆する導電性皮膜(DLC膜等)、正極活物質を埋入させた導電性薄膜(金の薄膜等)を用いることができる。
特に、正極活物質それ自身の及び/又はその表面皮膜の導電性が小さいため、これを集電体へ単に担持させてなるものではナトリウムイオン電池の正極として機能しない場合には、正極活物質の性能評価のために、これを金等の導電薄膜へハンマー等で物理的に打ち込み、電池の正極を形成することができる。
(Electroconductive member for positive electrode)
Some positive electrode active materials have low electrical conductivity. Therefore, it is preferable to provide a sufficient electron conduction path between the positive electrode active material and the current collector by interposing a conductive electron conduction member.
Here, the form of the electron conducting member is not particularly limited as long as an electron conducting path can be formed between the positive electrode active material and the current collector. For example, carbon black such as acetylene black, graphite powder, diamond-like carbon, glassy Conductive powder (conductive aid) such as carbon can be used. Diamond-like carbon and glassy carbon have a much wider potential window than carbon black and graphite, and are excellent in corrosion resistance when a high potential is applied, and therefore can be suitably used. Moreover, it is also preferable that metal particles for electrochemical reaction are supported on these conductive assistants. Examples of the metal include Pt, Ru, Rh, Pd, Ag, Ir, Au, Ni, and Cu. These may be used alone or an alloy thereof.
As the electron conductive material, a conductive film (such as a DLC film) covering the positive electrode active material or a conductive thin film (such as a gold thin film) in which the positive electrode active material is embedded can be used.
In particular, since the conductivity of the positive electrode active material itself and / or its surface coating is small, if it is simply supported on the current collector and does not function as the positive electrode of a sodium ion battery, the positive electrode active material For performance evaluation, this can be physically driven into a conductive thin film such as gold with a hammer or the like to form the positive electrode of the battery.

(負極用電子伝導部材)
正極用電子伝導部材と同様な物を用いることができる。
(Electroconductive member for negative electrode)
The thing similar to the electron conductive member for positive electrodes can be used.

(セパレータ)
セパレータは電解液中へ浸漬され、正極と負極とを分離し両者の短絡を防ぐとともに、Naイオンの通過を許容する。
かかるセパレータには、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂から成る多孔質フィルムが挙げられる。
(Separator)
The separator is immersed in the electrolytic solution, separates the positive electrode and the negative electrode to prevent a short circuit therebetween, and allows the passage of Na ions.
Examples of such separators include porous films made of polyolefin resins such as polyethylene and polypropylene.

(ケース)
ケースは電解液に対する耐食性を有する材質で形成される。その形状は、電池の目的用途に応じて任意に設計できる。
ケースが集電体を兼ねる場合や集電体に電気的に結合される場合は、各電極の集電体形成材料と同一若しくは同種の材料で形成される。
(Case)
The case is formed of a material having corrosion resistance against the electrolytic solution. The shape can be arbitrarily designed according to the intended use of the battery.
When the case also serves as a current collector or is electrically coupled to the current collector, the case is formed of the same or the same material as the current collector forming material of each electrode.

この発明は、上記発明の実施形態の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。   The present invention is not limited to the description of the embodiment of the invention. Various modifications may be included in the present invention as long as those skilled in the art can easily conceive without departing from the description of the scope of claims.

11…電極缶
12…電極キャップ
13、17…スペーサ
14…ナトリウムペレット
15…セパレータ
16…波座金
18…電極材ペレット
19…絶縁ガスケット
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Electrode can 12 ... Electrode cap 13, 17 ... Spacer 14 ... Sodium pellet 15 ... Separator 16 ... Wave washer 18 ... Electrode material pellet 19 ... Insulation gasket

Claims (2)

正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極とが、有機溶媒にナトリウム塩が溶解している電解液に接触するナトリウムイオン電池であって、
前記負極活物質はLiTi12を含み、
前記電解液の有機溶媒には、鎖式飽和炭化水素化合物の両末端にニトリル基が結合した鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物、鎖式エーテル化合物の末端の少なくとも一つにニトリル基が結合した鎖式エーテルニトリル化合物及びシアノ酢酸エステルのうち少なくとも一つのニトリル化合物と、
環状炭酸エステル、環状カルボン酸エステル及び鎖状炭酸エステルのうち少なくとも一つと、
が含まれ、
前記有機溶媒全体に占める前記ニトリル化合物の配合割合を1〜90容量%とする、ことを特徴とするナトリウムイオン電池。
A sodium ion battery in which a positive electrode including a positive electrode active material and a negative electrode including a negative electrode active material are in contact with an electrolyte solution in which a sodium salt is dissolved in an organic solvent,
The negative active material viewed contains a Li 4 Ti 5 O 12,
The organic solvent of the electrolyte includes a chain saturated hydrocarbon dinitrile compound in which a nitrile group is bonded to both ends of the chain saturated hydrocarbon compound, and a chain formula in which a nitrile group is bonded to at least one end of the chain ether compound. At least one nitrile compound of an ether nitrile compound and a cyanoacetic acid ester;
At least one of cyclic carbonate, cyclic carboxylic acid ester and chain carbonate,
Contains
A sodium ion battery, wherein a blending ratio of the nitrile compound in the whole organic solvent is 1 to 90% by volume.
前記ナトリウム塩はNaClO、NaPF、NaBF、NaCFSO、NaN(CFSO、NaN(FSO、NaN(CSO、NaC(CFSOのうち少なくとも一つが含まれていることを特徴とする請求項1に記載のナトリウムイオン電池。 The sodium salts are NaClO 4 , NaPF 6 , NaBF 4 , NaCF 3 SO 3 , NaN (CF 3 SO 2 ) 2 , NaN (FSO 2 ) 2 , NaN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , NaC (CF 3 SO 2. The sodium ion battery according to claim 1, wherein at least one of 2 ) and 3 is included.
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