JP6002110B2 - Sodium secondary battery - Google Patents

Sodium secondary battery Download PDF

Info

Publication number
JP6002110B2
JP6002110B2 JP2013221432A JP2013221432A JP6002110B2 JP 6002110 B2 JP6002110 B2 JP 6002110B2 JP 2013221432 A JP2013221432 A JP 2013221432A JP 2013221432 A JP2013221432 A JP 2013221432A JP 6002110 B2 JP6002110 B2 JP 6002110B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
secondary battery
sodium
negative electrode
cufeo
electrolyte
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2013221432A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2015082488A (en
Inventor
悠基 由井
悠基 由井
陽子 小野
陽子 小野
康恵 根本
康恵 根本
政彦 林
政彦 林
薫 朝倉
薫 朝倉
博人 北林
博人 北林
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Telegraph and Telephone Corp filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority to JP2013221432A priority Critical patent/JP6002110B2/en
Publication of JP2015082488A publication Critical patent/JP2015082488A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6002110B2 publication Critical patent/JP6002110B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Landscapes

  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Description

本発明は、ナトリウム二次電池に関する。特に本発明は、負極にCuFeOを用いたサイクル特性に優れたナトリウム二次電池に関する。 The present invention relates to a sodium secondary battery. In particular, the present invention relates to a sodium secondary battery having excellent cycle characteristics using CuFeO 2 as a negative electrode.

ナトリウムイオンの挿入及び脱離反応を用いるナトリウム二次電池は、現在、広範に使用されているリチウム二次電池よりも、ナトリウムの資源の優位性から、コスト性に優れた二次電池として期待されており、電極材料や電解質材料に関する研究開発が進められている。   Sodium secondary batteries using sodium ion insertion and desorption reactions are expected to be cost effective secondary batteries because of the superiority of sodium resources over the widely used lithium secondary batteries. Research and development on electrode materials and electrolyte materials is underway.

松浦らは、非特許文献1で、有機電解液中でハードカーボンを負極として用いたナトリウム二次電池において、電流密度25mA/gで充放電した場合、30サイクルにわたり、約250mAh/gの安定な可逆容量を示すことを報告している。また、同文献には、スズを負極として用いた場合、初回可逆容量は550mAh/gと高いものの、5サイクル後には容量が20%程度まで低下することが記載されている。   Matsuura et al. In Non-Patent Document 1, in a sodium secondary battery using hard carbon as a negative electrode in an organic electrolyte, when charging / discharging at a current density of 25 mA / g, stable at about 250 mAh / g over 30 cycles. Reported to show reversible capacity. Further, the same document describes that when tin is used as the negative electrode, the initial reversible capacity is as high as 550 mAh / g, but the capacity decreases to about 20% after 5 cycles.

松浦ら、第13回化学電池材料研究会ミーティング講演要旨集、2〜23(2011)97Matsuura et al., 13th Annual Meeting of Chemical Battery Materials Meeting, 2-23 (2011) 97

上記のように、ナトリウム二次電池では、放電容量がリチウム二次電池に比べ低いという問題、或いは、十分なサイクル特性が得られないという問題があった。   As described above, the sodium secondary battery has a problem that the discharge capacity is lower than that of the lithium secondary battery, or a problem that sufficient cycle characteristics cannot be obtained.

従って、本発明は、サイクル特性に優れたナトリウム二次電池を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a sodium secondary battery having excellent cycle characteristics.

本発明は、ナトリウム二次電池に関し、このナトリウム二次電池は、ナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質を含む正極、負極、及びナトリウムイオン導電性を有する電解質を含むナトリウム二次電池であり、前記負極が、CuFeOを含むことを特徴とする。 The present invention relates to a sodium secondary battery, which is a sodium secondary battery including a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte having sodium ion conductivity, including a substance capable of inserting and removing sodium ions. The negative electrode contains CuFeO 2 .

本発明の一実施形態では、前記負極は、カーボン粒子を更に含むことが好ましい。本発明において、負極にカーボン粒子を含む場合、負極材料は、前記CuFeOと前記カーボン粒子を粉砕混合するボールミル処理を行った材料であることが好ましい。 In one embodiment of the present invention, the negative electrode preferably further includes carbon particles. In the present invention, when carbon particles are included in the negative electrode, the negative electrode material is preferably a material that has been subjected to a ball mill treatment in which the CuFeO 2 and the carbon particles are pulverized and mixed.

本発明の一実施形態では、前記電解質は、ナトリウムイオンを含む有機電解液又は水系電解液であることを特徴とする。   In one embodiment of the present invention, the electrolyte is an organic electrolytic solution or aqueous electrolytic solution containing sodium ions.

本発明の一実施形態では、前記電解質が、ナトリウムイオンを通す固体電解質又はポリマー電解質であることを特徴とする。   In one embodiment of the present invention, the electrolyte is a solid electrolyte or a polymer electrolyte that allows sodium ions to pass therethrough.

本発明によれば、サイクル特性に優れたナトリウム二次電池を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the sodium secondary battery excellent in cycling characteristics can be provided.

本発明のナトリウム二次電池の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the sodium secondary battery of this invention. 実験例において調製したCuFeO粉末のX線回折の測定結果を示す図である。Is a graph showing measurement results of X-ray diffraction of CuFeO 2 powder prepared in Experimental Example. 本発明の一実施形態のナトリウム二次電池の構造を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the sodium secondary battery of one Embodiment of this invention. 図3に示した本発明の実施形態のナトリウム二次電池の充放電曲線を示す図である。It is a figure which shows the charging / discharging curve of the sodium secondary battery of embodiment of this invention shown in FIG.

本発明は、ナトリウム二次電池、特に、負極が、CuFeOであるものに関する。 The present invention relates to a sodium secondary battery, particularly one in which the negative electrode is CuFeO 2 .

以下に、本発明のナトリウム二次電池の実施形態について説明する。   Below, the embodiment of the sodium secondary battery of the present invention is described.

本発明のナトリウム二次電池は、正極、負極及び電解質を少なくとも含む。正極はナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質を含むものであり、負極はCuFeOを含むものであり、電解質はナトリウムイオン導電性を有するものである。 The sodium secondary battery of the present invention includes at least a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte. The positive electrode contains a substance capable of inserting and removing sodium ions, the negative electrode contains CuFeO 2 , and the electrolyte has sodium ion conductivity.

以下に本発明のナトリウム二次電池の構成要素について説明する。   The components of the sodium secondary battery of the present invention will be described below.

(1)負極
本発明では、負極は、上述の通り、CuFeOを含むものである。本明細書では、CuFeOを負極活性物質とも称する。
(1) Negative in the present invention, the negative electrode, as described above, is intended to include CuFeO 2. In this specification, CuFeO 2 is also referred to as a negative electrode active material.

まず、本発明のナトリウム二次電池に使用されるCuFeOの合成方法を説明する。負極活性物質であるCuFeOは、湿式法と固相法の双方で調製することができる。本発明では、10〜1000nmの粒径で合成ができる湿式法がより好ましい。 First, a method for synthesizing CuFeO 2 used in the sodium secondary battery of the present invention will be described. CuFeO 2 which is a negative electrode active material can be prepared by both a wet method and a solid phase method. In the present invention, a wet method capable of synthesis with a particle size of 10 to 1000 nm is more preferable.

以下に、湿式法によるCuFeOの合成方法について具体的に説明する。 Hereinafter, a method for synthesizing CuFeO 2 by a wet method will be specifically described.

硝酸銅、硝酸鉄などの銅塩及び鉄塩を同等モル量秤量し、これをリンゴ酸水溶液又はエチルグリコールなどの溶媒に溶解する。その後、アンモニア水などでpH調整を行う。得られた溶液を蒸発皿で、100〜300℃程度に加熱し、溶媒を揮発させ、CuFeOの前駆体粉末を得る。この前駆体粉末をメノウ乳鉢で粉砕し、アルゴン雰囲気中や窒素雰囲気中などの還元雰囲気において、500〜900℃で3〜90時間焼成し、CuFeO粉末を得ることができる。 Copper salts such as copper nitrate and iron nitrate and iron salts are weighed in an equivalent molar amount, and dissolved in a solvent such as malic acid aqueous solution or ethyl glycol. Then, pH adjustment is performed with ammonia water or the like. The obtained solution is heated to about 100 to 300 ° C. in an evaporating dish to volatilize the solvent to obtain a CuFeO 2 precursor powder. This precursor powder is pulverized in an agate mortar and fired at 500 to 900 ° C. for 3 to 90 hours in a reducing atmosphere such as an argon atmosphere or a nitrogen atmosphere to obtain a CuFeO 2 powder.

次に、固相法によるCuFeOの具体的な合成方法について示す。 Next, a specific method for synthesizing CuFeO 2 by a solid phase method will be described.

酸化銅CuO及び酸化鉄Feなどの銅酸化物及び鉄酸化物を同等モル量秤量し、メノウ乳鉢で混合する。混合した粉末をプレス器によって所定形状(例えば13φ×1cm)のペレット状に成形し、アルゴン雰囲気中又は窒素雰囲気中などの還元雰囲気において、500〜1000℃で50〜180時間焼成して、CuFeO粉末を得ることができる。 Copper oxides such as copper oxide Cu 2 O and iron oxide Fe 2 O 3 and iron oxides are weighed in equivalent molar amounts and mixed in an agate mortar. The mixed powder is formed into a pellet shape having a predetermined shape (for example, 13φ × 1 cm) by a press machine, and is fired at 500 to 1000 ° C. for 50 to 180 hours in a reducing atmosphere such as an argon atmosphere or a nitrogen atmosphere, and CuFeO 2 A powder can be obtained.

本発明では、負極活性物質であるCuFeOは、10〜1000nmの粒径を有していることが好ましい。これは、粒径が小さければ、活物質比表面積が増し、高容量化が実現するためである。 In the present invention, CuFeO 2 is a negative electrode active material, preferably has a particle size of 10 to 1000 nm. This is because, if the particle size is small, the specific surface area of the active material is increased and a high capacity is realized.

なお、本明細書において、CuFeOの粒径は走査型電子顕微鏡(SEM)による測定で計測したものをいう。具体的には、SEMにより、少なくとも100個のCuFeO粒子が存在している19×25μmの視野を任意に10箇所観察し、観察される粒径の90%以上が10〜1000nmの粒径に属しているものである。 In the present specification, the particle size of CuFeO 2 refers to a measure as determined by scanning electron microscopy (SEM). Specifically, by SEM, 10 points of view of 19 × 25 μm in which at least 100 CuFeO 2 particles exist are arbitrarily observed, and 90% or more of the observed particle size is 10 to 1000 nm. It belongs.

本発明のナトリウム二次電池の負極は、上記CuFeOと、カーボン粉末のようなカーボン材料とを混合したものを含むことが好ましい。 The negative electrode of the sodium secondary battery of the present invention preferably contains a mixture of the above CuFeO 2 and a carbon material such as carbon powder.

このようなカーボン材料を含む負極は、例えば以下のような手段により調製することができるが、本発明はこれらに限定されない。   The negative electrode containing such a carbon material can be prepared by, for example, the following means, but the present invention is not limited to these.

まず、カーボン粉末(例えばアセチレンブラック、ケッチェンブラック粉末などカーボン類)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリアクリル酸(PAA)のような結着剤(バインダー)粉末、及び、CuFeOを混合し、次いでロールプレス機等の圧延機により圧延し、所定サイズに切り抜いてペレット状に成型することにより、負極を調製することができる。なお、カーボン粉末、結着剤等は、例えば市販試薬として入手可能である。 First, carbon powder (for example, carbon such as acetylene black, ketjen black powder), binder (binder) powder such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyacrylic acid (PAA), Further, the negative electrode can be prepared by mixing CuFeO 2 , then rolling with a rolling machine such as a roll press machine, cutting out to a predetermined size and forming into a pellet. In addition, carbon powder, a binder, etc. are available as a commercial reagent, for example.

本発明では、負極材料中のカーボン粉末と、CuFeOの均一性及び分散性を向上させ、二次電池の性能を改善するために、負極を製造する際に、カーボン粉末とCuFeOを混合し、ボールミル等の粉砕機により粉砕混合し、得られたボールミル(BM)処理混合物に、更に結着剤粉末を混合した後、上記のように圧延成形して負極を形成してもよい。 In the present invention, in order to improve the uniformity and dispersibility of the carbon powder in the negative electrode material and CuFeO 2 and improve the performance of the secondary battery, the carbon powder and CuFeO 2 are mixed when the negative electrode is manufactured. Alternatively, the mixture may be pulverized and mixed with a pulverizer such as a ball mill, and the resulting ball mill (BM) treatment mixture may be further mixed with a binder powder and then rolled to form a negative electrode as described above.

或いは、前述のカーボン粉末、結着剤粉末及びCuFeOの混合物を有機溶剤(例えばN−メチル−2−ピロリドン(NMP))等の溶媒中に分散してスラリー状にした後、例えば銅箔又はアルミ箔のような金属箔上に塗布し、乾燥することによっても、負極を調製することができる。 Alternatively, a mixture of the above-described carbon powder, binder powder and CuFeO 2 is dispersed in a solvent such as an organic solvent (for example, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP)) to form a slurry. The negative electrode can also be prepared by applying on a metal foil such as an aluminum foil and drying.

本発明では、CuFeOを含む負極の導電性を向上させるために、負極物質であるCuFeOを導電材料であるカーボン粒子と混合し、ボールミルで粉砕及び混合するボールミル処理を行うことが好ましい。このようなボールミル処理により、より優れた電池特性を得ることができる。ボールミル処理の時間は、9時間未満、好ましくは1〜7時間、より好ましくは、1〜5時間である。 In the present invention, in order to improve the conductivity of the negative electrode containing CuFeO 2 , it is preferable to perform a ball mill treatment in which CuFeO 2 as a negative electrode material is mixed with carbon particles as a conductive material, and pulverized and mixed with a ball mill. By such a ball mill treatment, more excellent battery characteristics can be obtained. The time for the ball mill treatment is less than 9 hours, preferably 1 to 7 hours, and more preferably 1 to 5 hours.

本発明では、陰極におけるCuFeOの含有量は、CuFeO、導電性材料及び結着剤の総量に基づいて60〜90重量%であることが好ましい。 In the present invention, the content of CuFeO 2 in the cathode is preferably 60 to 90% by weight based on the total amount of CuFeO 2 , the conductive material and the binder.

(2)正極
正極は、ナトリウム二次電池で使用可能な、ナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質を含むものであれば特に限定されない。例えば、ナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質として、金属ナトリウム、NaCrO、NaFeO、NaNi1/2Mn1/2などのナトリウム複合酸化物等の化合物を挙げることができる。正極は、このようなナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質を、例えばカーボン粉末のような導電性材料と混合したものであることが好ましい。
(2) Positive electrode The positive electrode is not particularly limited as long as it contains a substance that can be used in a sodium secondary battery and can insert and desorb sodium ions. For example, compounds capable of inserting and removing sodium ions include compounds such as sodium complex oxides such as metallic sodium, NaCrO 2 , NaFeO 2 and NaNi 1/2 Mn 1/2 O 2 . The positive electrode is preferably made by mixing such a substance capable of inserting and desorbing sodium ions with a conductive material such as carbon powder.

上述の正極は、ナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質を用いる場合、例えば以下のような手段により調製することができるが、本発明はこれらに限定されない。   The above-described positive electrode can be prepared, for example, by the following means when using a substance capable of inserting and desorbing sodium ions, but the present invention is not limited thereto.

まず、カーボン粉末(例えば、アセチレンブラック粉末、ケッチェンブラック粉末などのカーボンブラック類)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリアクリル酸(PAA)のような結着剤粉末、及び、ナトリウム複合酸化物などのナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質(本明細書において、正極活物質とも称する)を混合し、次いでロールプレス機等の圧延機により圧延し、所定サイズに切り抜いてペレット状に成型することにより、正極を作製することができる。   First, binder powder such as carbon powder (for example, carbon blacks such as acetylene black powder and ketjen black powder), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), and polyacrylic acid (PAA). And a substance capable of inserting and desorbing sodium ions such as sodium complex oxide (also referred to as a positive electrode active material in the present specification) is mixed, and then rolled by a rolling machine such as a roll press machine to obtain a predetermined size. The positive electrode can be produced by cutting out into a pellet shape.

或いは、前述のカーボン粉末、結着剤粉末及び正極活物質の混合物を有機溶剤(例えばNMP)等の溶媒中に分散してスラリー状にした後、例えばアルミ箔のような金属箔上に塗布し、乾燥することによっても、正極を作製できる。   Alternatively, a mixture of the above-described carbon powder, binder powder and positive electrode active material is dispersed in a solvent such as an organic solvent (for example, NMP) to form a slurry, and then applied onto a metal foil such as an aluminum foil. The positive electrode can also be produced by drying.

上述の正極に含まれる材料は、市販品として入手可能であるか、適宜合成により調製することができる。例えば、NaCrOのようなナトリウム複合酸化物は、市販試薬の炭酸ナトリウムNaCO及び酸化クロムCrを、所定の割合で混合し、不活性雰囲気中で焼成することにより得ることができる。また、カーボン粉末、結着剤等は、例えば市販試薬として入手可能である。 The material contained in the above-described positive electrode is available as a commercial product or can be appropriately prepared by synthesis. For example, a sodium composite oxide such as NaCrO 2 can be obtained by mixing commercially available reagents sodium carbonate Na 2 CO 3 and chromium oxide Cr 2 O 3 in a predetermined ratio and baking them in an inert atmosphere. it can. Moreover, carbon powder, a binder, etc. are available as a commercial reagent, for example.

(3)電解質
上記の負極を含む本発明のナトリウム二次電池は、ナトリウムイオンを含む有機電解液又は水系電解液を電解質として用いることができる。更に、上記の負極を含むナトリウム二次電池は、ナトリウムイオンを通す固体電解質又はポリマー電解質を電解質として用いることもできる。
(3) Electrolyte The sodium secondary battery of the present invention including the above negative electrode can use an organic electrolytic solution or aqueous electrolytic solution containing sodium ions as an electrolyte. Furthermore, the sodium secondary battery including the negative electrode can use a solid electrolyte or a polymer electrolyte that allows sodium ions to pass therethrough as an electrolyte.

電解質には、ナトリウムビストリフルオロメタンスルホニルイミド(NaTFSI)、過塩素酸ナトリウム(NaClO)、六フッ化リン酸ナトリウム(NaPF)などのナトリウムイオンを含む金属塩を、例えば炭酸エチレン(EC)及び炭酸ジメチル(DMC)(体積比1:1)の混合溶媒、EC及び炭酸ジエチル(DEC)などのような混合溶媒、又は炭酸プロピレン(PC)のような単独溶媒に溶解した有機電解液を挙げることができる(但し、これらに限定されない)。更に、電解質には、NaOH水溶液、NaSO水溶液、NaClO水溶液などのナトリウムイオンを含む金属塩を水に溶解した水溶液(水系電解液)を挙げることができる(但し、これらに限定されない)。 For the electrolyte, metal salts containing sodium ions such as sodium bistrifluoromethanesulfonylimide (NaTFSI), sodium perchlorate (NaClO 4 ), sodium hexafluorophosphate (NaPF 6 ), such as ethylene carbonate (EC) and Mention organic solvent dissolved in mixed solvent of dimethyl carbonate (DMC) (volume ratio 1: 1), mixed solvent such as EC and diethyl carbonate (DEC), or single solvent such as propylene carbonate (PC) (But not limited to). Further, examples of the electrolyte include an aqueous solution (aqueous electrolytic solution) in which a metal salt containing sodium ions such as an aqueous NaOH solution, an aqueous Na 2 SO 4 solution, and an aqueous NaClO 4 solution is dissolved in water (but is not limited thereto). .

本発明のナトリウム二次電池の他の電解質として、ナトリウムイオン導電性を有する固体電解質[例えば、75NaS・25Pなどのガラス状物質、NaZrSiPO12などのNASICON(Na Super Ionic Conductor)]、ナトリウムイオン導電性を有するポリマー電解質(例えば、上記有機電解質とポリエチレンオキシド(PEO)をコンポジット化した物質)などを挙げることができるが、これらに限定されない。本発明では、ナトリウム二次電池で使用される公知のナトリウムイオンを通す固体電解質又はナトリウムイオンを通すポリマー電解質であれば使用することができる。 As another electrolyte of the sodium secondary battery of the present invention, a solid electrolyte having sodium ion conductivity [for example, a glassy substance such as 75Na 2 S · 25P 2 S 5 , NASICON such as Na 3 Zr 2 Si 2 PO 12 ( Na + Super Ionic Conductor)], a polymer electrolyte having sodium ion conductivity (for example, a material obtained by compositing the above-mentioned organic electrolyte and polyethylene oxide (PEO)), and the like, but is not limited thereto. In the present invention, any known solid electrolyte passing through sodium ions or polymer electrolyte passing through sodium ions used in sodium secondary batteries can be used.

本発明のナトリウム二次電池は、セパレータ、電池ケース等の構造材料などの他の要素を含むこともできる。これらの要素についても、従来公知の二次電池に用いられる各種材料が使用でき、特に制限はない。   The sodium secondary battery of the present invention can also include other elements such as a structural material such as a separator and a battery case. Also for these elements, various materials used in conventionally known secondary batteries can be used, and there is no particular limitation.

(4)ナトリウム二次電池の構成
上記のような正極、負極、電解液等を使用する電池はコイン形、円筒形、ラミネート形など従来の形状で作製することができる。そして、これらの二次電池の製造方法も従来と同様の方法を用いることができる。
(4) Configuration of sodium secondary battery A battery using the positive electrode, the negative electrode, the electrolytic solution and the like as described above can be manufactured in a conventional shape such as a coin shape, a cylindrical shape, or a laminate shape. And the manufacturing method of these secondary batteries can also use the method similar to the past.

例えば、本発明のナトリウム二次電池は、例えば、図1に示すような、正極及び負極と、これら両極に接する電解質からなる。本発明では、正極及び負極の間にセパレータが含まれていてもよい。有機電解質を電解質として用いる場合には、例えば、セパレータに電解質を含浸させて使用することができる。また、有機電解質は、ポリマー電解質等に含浸させてもよい。また、固体電解質、ポリマー電解質等を用いる場合には、両極がこれらに接するように配置すればよい。   For example, the sodium secondary battery of the present invention includes a positive electrode and a negative electrode as shown in FIG. 1 and an electrolyte in contact with both electrodes. In the present invention, a separator may be included between the positive electrode and the negative electrode. When an organic electrolyte is used as the electrolyte, for example, the separator can be used by impregnating the electrolyte. Further, the organic electrolyte may be impregnated in a polymer electrolyte or the like. Moreover, what is necessary is just to arrange | position so that both poles may contact | connect these, when using a solid electrolyte, a polymer electrolyte, etc.

さらに、図1には明記していないが、本発明のナトリウム二次電池は、正極、負極、電解質、セパレータ等を被う電池ケース等を含むことができる。本発明では、CuFeOを負極の材料として用いることが特に好ましい。 Furthermore, although not clearly shown in FIG. 1, the sodium secondary battery of the present invention may include a battery case that covers a positive electrode, a negative electrode, an electrolyte, a separator, and the like. In the present invention, it is particularly preferable to use CuFeO 2 as a negative electrode material.

より具体的な一実施形態としてはコインセル型二次電池を利用して本発明を適用することができる。図3に示されるように、コインセル型二次電池は、正極1及び負極3を含み、これらの電極の間に電解液を含有したセパレータ2をさらに含む。さらに二次電池構造体は正極ケース4、ガスケット5、及び負極ケース6を含むことができる。この二次電池は、例えば、上記の正極1、負極3、及び電解液を含有したセパレータ2を、正極ケース4及び負極ケース6に所望の通りに配置し、各構成要素を配置した両ケースを固定することで調製することができる。   As a more specific embodiment, the present invention can be applied using a coin cell type secondary battery. As shown in FIG. 3, the coin cell type secondary battery includes a positive electrode 1 and a negative electrode 3, and further includes a separator 2 containing an electrolytic solution between these electrodes. Further, the secondary battery structure may include a positive electrode case 4, a gasket 5, and a negative electrode case 6. In this secondary battery, for example, the positive electrode 1, the negative electrode 3, and the separator 2 containing the electrolytic solution are arranged as desired in the positive electrode case 4 and the negative electrode case 6, and both cases where the respective components are arranged are arranged. It can be prepared by fixing.

本発明では、セパレータに代えて又は加えて、上述したような固体電解質、ポリマー電解質等を使用することができる。   In the present invention, a solid electrolyte, a polymer electrolyte, or the like as described above can be used instead of or in addition to the separator.

[実験例]
以下に図面を参照して、本発明のナトリウム二次電池についての実験例を詳細に説明する。なお、本発明は下記実験例に示したものに限定されるのではなく、本発明の趣旨及び範囲を変更しない範囲において適宜変更して実施できるものである。
[Experimental example]
Hereinafter, experimental examples of the sodium secondary battery of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to what was shown to the following experiment example, In the range which does not change the meaning and scope of this invention, it can change suitably and can implement.

(実験例1)
対極に金属ナトリウムシートを用い、負極単独の性能評価を行った。
(Experimental example 1)
A metal sodium sheet was used for the counter electrode, and the performance of the negative electrode alone was evaluated.

(i)性能評価用テストセルの作製
性能評価用テストセルは、以下の手順で作製した。
(I) Production of test cell for performance evaluation A test cell for performance evaluation was produced by the following procedure.

性能評価用セルでは、通常の電池とは異なる為に、正極および負極と標記せずに、作用極および対極と標記する。   Since the performance evaluation cell is different from a normal battery, the positive electrode and the negative electrode are not indicated, but the working electrode and the counter electrode are indicated.

(a)CuFeOの合成法
CuFeOの合成法を以下に示す。
(A) CuFeO shows 2 Synthesis of synthesis CuFeO 2 are shown below.

Cu(NO・3HO(関東化学、FW 241.60、Purity min. 99.9%)を8.0614g、Fe(NO・9HO(関東化学,FW 404.00、Purity min. 99.0%)を13.6027g秤量し、リンゴ酸水溶液(蒸留水:約300ml、リンゴ酸(関東化学、FW 134.09、Purity min. 99.0%):13.5444g)に入れ、室温で撹拌しながら溶かした。その後、アンモニア水(関東化学)を加え、pH=2.5になるようにpH調整した。その溶液を蒸発皿にて、ドラフト内でホットスターラーを用い、撹拌しながら250〜300℃程度に加熱して溶媒を揮発させて、CuFeOのアモルファス前駆体粉末を得た。得られた前駆体粉末をメノウ乳鉢で15分粉砕し、アルゴン雰囲気中、750℃で10時間焼成し、CuFeO粉末を得た。得られた粉末をエックス(X)線回折測定した結果を図2に示す。エックス線回折測定の結果、PDF(Powder Diffraction File:粉末X線回折による化合物の回折パターンをデータベース化したもの)01−075−2146とよく一致していることがわかった。また、このようにして作製したCuFeOはSEM観察により、粒径は500nm程度であり、本発明の10〜1000nmの範囲に合致することを確認した。 Cu (NO 3) 2 · 3H 2 O ( Kanto Chemical, FW 241.60, Purity min. 99.9 %) and 8.0614g, Fe (NO 3) 3 · 9H 2 O ( Kanto Chemical, FW 404.00 , Purity min. 99.0%), weighed 13.6027 g, malic acid aqueous solution (distilled water: about 300 ml, malic acid (Kanto Chemical, FW 134.09, Purity min. 99.0%): 13.35444 g) And dissolved with stirring at room temperature. Thereafter, aqueous ammonia (Kanto Chemical) was added and the pH was adjusted to pH = 2.5. The solution was heated to about 250 to 300 ° C. while stirring using a hot stirrer in a fume hood in an evaporating dish to volatilize the solvent, thereby obtaining an amorphous precursor powder of CuFeO 2 . The obtained precursor powder was pulverized in an agate mortar for 15 minutes and fired at 750 ° C. for 10 hours in an argon atmosphere to obtain CuFeO 2 powder. FIG. 2 shows the result of X-ray diffraction measurement of the obtained powder. As a result of the X-ray diffraction measurement, it was found that the X-ray diffraction measurement was in good agreement with PDF (Powder Diffraction File: a database of compound diffraction patterns by powder X-ray diffraction) 01-075-2146. Moreover, the CuFeO 2 produced in this way was confirmed by SEM observation to have a particle size of about 500 nm, which was consistent with the range of 10 to 1000 nm of the present invention.

CuFeO粉末、アセチレンブラック粉末(電気化学工業社製)及びポリテトラフルオロエチレン(PTFE)粉末(ダイキン社製)を70:25:5の重量比で、らいかい機を用いて十分に粉砕混合し、次いで、ロール成形して、シートペレット状の電極(厚さ:0.2mm)を作製した。このシート状電極を直径15mmの円形に切り抜いた。対極は、市販の試薬であるナトリウム塊(関東化学製)を、0.8mmの厚さまでプレスし、直径15mmの円形シート状に成型することによって作製した。電解液は、炭酸エチレン(EC)(キシダ化学製)と炭酸ジメチル(DMC)(キシダ化学製)を体積比1:1で混合して調製した混合溶媒に、1mol/Lの濃度でナトリウムビストリフルオロメタンスルホニルイミド(NaTFSI)(キシダ化学製)を溶解することにより調製した。セパレータは、リチウム二次電池用のポリプロピレン製のもの(セルガード社製)を用いた。 CuFeO 2 powder, acetylene black powder (manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) and polytetrafluoroethylene (PTFE) powder (manufactured by Daikin Co., Ltd.) in a weight ratio of 70: 25: 5 are sufficiently pulverized and mixed using a rough machine. Then, roll forming was performed to produce a sheet pellet-shaped electrode (thickness: 0.2 mm). This sheet-like electrode was cut out into a circle having a diameter of 15 mm. The counter electrode was prepared by pressing a sodium reagent (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.), which is a commercially available reagent, to a thickness of 0.8 mm and molding it into a circular sheet having a diameter of 15 mm. The electrolyte was sodium bistrifluoromethane at a concentration of 1 mol / L in a mixed solvent prepared by mixing ethylene carbonate (EC) (manufactured by Kishida Chemical) and dimethyl carbonate (DMC) (manufactured by Kishida Chemical) at a volume ratio of 1: 1. It was prepared by dissolving methanesulfonylimide (NaTFSI) (manufactured by Kishida Chemical). The separator was made of polypropylene (made by Celgard) for lithium secondary batteries.

性能評価用テストセルは、図3に示すような2032コイン型のものを製造した。作用極は、上記のペレット電極を作用極ケース4にセットし、チタンメッシュ(ニラコ製)(図示せず)で覆い、その周縁部をスポット溶接により固定した。対極は、対極ケース6にチタンメッシュ(ニラコ製)(図示せず)をスポット溶接で固定し、その上にナトリウムシートを圧着することにより固定した。次に、ペレットを固定した作用極ケースに、セパレータ2をセットし、さらにセパレータ2に上記電解液を注入し、ナトリウムシートを固定した対極ケースを被せ、コインセルかしめ機で作用極ケース4及び対極ケース6をかしめることにより、ポリプロピレン製ガスケット5を含むコインセルを作製した。なお、性能評価用テストセルの作製は、露点が−85℃以下のアルゴン雰囲気のグローブボックス中で行った。   The test cell for performance evaluation was manufactured as a 2032 coin type as shown in FIG. For the working electrode, the above-described pellet electrode was set in the working electrode case 4, covered with a titanium mesh (manufactured by Niraco) (not shown), and the peripheral edge thereof was fixed by spot welding. The counter electrode was fixed by fixing a titanium mesh (manufactured by Niraco) (not shown) to the counter electrode case 6 by spot welding and crimping a sodium sheet thereon. Next, the separator 2 is set in the working electrode case to which the pellet is fixed, and the electrolytic solution is injected into the separator 2, and the counter electrode case to which the sodium sheet is fixed is covered, and the working electrode case 4 and the counter electrode case are covered with a coin cell caulking machine. By crimping 6, a coin cell including a polypropylene gasket 5 was produced. The performance evaluation test cell was produced in a glove box in an argon atmosphere with a dew point of −85 ° C. or less.

(ii)充放電試験
性能評価用テストセルの充放電試験は、市販の充放電測定システム(北斗電工社製)を用いて、作用極の有効面積当たりの電流密度で0.5mA/cmを通電し、充電終止電圧2.7V、放電終止電圧0.0Vの電圧範囲で行った。本実験例のナトリウム二次電池の充放電試験の測定は、25℃の恒温槽内(雰囲気は通常の大気環境下)で行った。
(Ii) Charge / Discharge Test The charge / discharge test of the test cell for performance evaluation is performed by using a commercially available charge / discharge measurement system (manufactured by Hokuto Denko Co., Ltd.) at a current density per effective area of the working electrode of 0.5 mA / cm 2 . It energized and performed in the voltage range of charge final voltage 2.7V and discharge final voltage 0.0V. The measurement of the charge / discharge test of the sodium secondary battery of this experimental example was performed in a thermostatic chamber at 25 ° C. (atmosphere is in a normal atmospheric environment).

本実験例で作製した性能評価用テストセルの充放電曲線を図4に示す。図より、CuFeOは充放電が可能であり、初回可逆容量322mAh/g(CuFeO粉末重量当たりで規格化)、Na脱離時(Na二次電池の負極として利用した場合、放電に相当)の平均電位は1.3Vを示した。このように、CuFeOは、金属Na対極に対する電位が低いことから、負極として適用可能である。表1に、30サイクル目、50サイクル目の容量維持率を示す。表より、1サイクル当たり約0.5%程度の容量減少しか見られず、安定したサイクル特性を有していることが分かる。 A charge / discharge curve of the test cell for performance evaluation produced in this experimental example is shown in FIG. From the figure, CuFeO 2 can be charged and discharged, and the initial reversible capacity is 322 mAh / g (standardized per CuFeO 2 powder weight), when Na is desorbed (corresponding to discharge when used as the negative electrode of Na secondary battery) The average potential of was 1.3V. Thus, CuFeO 2 is applicable as a negative electrode because of its low potential with respect to the metal Na counter electrode. Table 1 shows capacity retention rates at the 30th and 50th cycles. From the table, it can be seen that only about 0.5% capacity reduction per cycle is observed, and that stable cycle characteristics are obtained.

Figure 0006002110
Figure 0006002110

上記のように、本実験例によりCuFeOは、電位が低く負極として適用可能であり、サイクル特性に優れていることが分かった。 As described above, it was found from this experimental example that CuFeO 2 has a low potential and can be applied as a negative electrode, and has excellent cycle characteristics.

(実験例2〜6)
対極に金属ナトリウムシートを用いて、ボールミル(BM)の効果を検証する為に、負極単独の性能評価を行った。
(Experimental Examples 2-6)
In order to verify the effect of the ball mill (BM) using a metallic sodium sheet as the counter electrode, the performance of the negative electrode alone was evaluated.

CuFeO粉末とアセチレンブラック粉末を、BMで粉砕及び混合すること(ボールミル処理)により、電池性能の改善を試みた。 An attempt was made to improve battery performance by pulverizing and mixing CuFeO 2 powder and acetylene black powder with BM (ball mill treatment).

CuFeO粉末とアセチレンブラック粉末(重量比70:25)をミキサー中で数分程度混合した。この混合物に、直径7mmのジルコニア製ボールを加え、1時間(実験例2)、3時間(実験例3)、5時間(実験例4)、7時間(実験例5)、9時間(実験例6)のBM処理を行った。なお、いずれのBM処理の場合も、CuFeOアセチレンブラック混合物とボールの混合比率は、重量比で1:10、BM処理時の回転速度は300rpmとした。 CuFeO 2 powder and acetylene black powder (weight ratio 70:25) were mixed in a mixer for about several minutes. To this mixture, a zirconia ball having a diameter of 7 mm was added, 1 hour (Experimental Example 2), 3 hours (Experimental Example 3), 5 hours (Experimental Example 4), 7 hours (Experimental Example 5), and 9 hours (Experimental Example). The BM process of 6) was performed. In any of the BM treatments, the mixing ratio of the CuFeO 2 acetylene black mixture and the balls was 1:10 by weight, and the rotation speed during the BM treatment was 300 rpm.

得られたBM処理後のCuFeOアセチレンブラック混合物は、PTFE結着剤(バインダー)を更に加え、らいかい機で混合し、実験例1と同様にして作用極ペレットを作製した。このペレットを用いて、実験例1と同様にして、コインセルを作製した。また、充放電試験も、実験例1と同様に行った。 The resulting BM-treated CuFeO 2 acetylene black mixture was further mixed with a PTFE binder (binder) and mixed with a coarse machine to produce working electrode pellets in the same manner as in Experimental Example 1. Using this pellet, a coin cell was produced in the same manner as in Experimental Example 1. The charge / discharge test was also performed in the same manner as in Experimental Example 1.

充放電試験の結果を、表2に示す。なお、表2には、実験例1の結果を参考として併記した。   Table 2 shows the results of the charge / discharge test. In Table 2, the results of Experimental Example 1 are also shown for reference.

BM処理時間が、5hまでは特性が著しく改善した。また、5hのBM処理において、50サイクル後の容量維持率も98%の高い値を達成した。これは、BM処理により、CuFeO粉末とアセチレンブラック粉末の接触性が向上し、粉末間の界面抵抗が減少したためであると推察される。一方、9hのBM処理(実験例6)では、容量などの電池性能は、実験例4に比較して低下した(但し、ナトリウム二次電池として、実験例1と同程度の特性を有しており、十分な特性を有する)。これは、BM処理時の局所的な熱の発生により、CuFeOの変性が起こったためであると考えられる。このように、本発明では、CuFeOをBM処理することにより、電池性能が改善することが明らかとなった。 The characteristics improved remarkably up to BM treatment time up to 5 h. In addition, in the BM treatment for 5 hours, the capacity retention rate after 50 cycles also achieved a high value of 98%. This is presumably because the contact property between the CuFeO 2 powder and the acetylene black powder was improved by the BM treatment, and the interfacial resistance between the powders was reduced. On the other hand, in the BM treatment of 9h (Experimental Example 6), the battery performance such as capacity decreased as compared with Experimental Example 4 (however, as a sodium secondary battery, it had characteristics similar to Experimental Example 1). And has sufficient characteristics). This is considered to be due to the modification of CuFeO 2 due to local heat generation during the BM treatment. Thus, in the present invention, it was revealed that the battery performance is improved by BM treatment of CuFeO 2 .

Figure 0006002110
Figure 0006002110

(実験例7)
(i)ナトリウム二次電池の作製
負極にCuFeOを用い、正極にNaCrOを用いて、ナトリウム二次電池を作製した。
(Experimental example 7)
Used CuFeO 2 to prepare a negative electrode of (i) a sodium secondary battery using the NaCrO 2 in the positive electrode, to produce a sodium secondary battery.

負極は、実験例4の条件で作製したCuFeO/アセチレンブラック混合物を用いた。 As the negative electrode, a CuFeO 2 / acetylene black mixture prepared under the conditions of Experimental Example 4 was used.

正極には、クロム酸ナトリウムNaCrOを合成し、これを正極活物質として利用した。クロム酸ナトリウムNaCrOは以下の手順で合成した。市販試薬の炭酸ナトリウムNaCO(関東化学製)10.6gと酸化クロムCr(関東化学製)15.2gを混合し、1000℃で6時間、アルゴン雰囲気中で焼成することによりクロム酸ナトリウムNaCrOを得た。 For the positive electrode, sodium chromate NaCrO 2 was synthesized and used as the positive electrode active material. Sodium chromate NaCrO 2 was synthesized by the following procedure. By mixing 10.6 g of commercially available reagent sodium carbonate Na 2 CO 3 (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) and 15.2 g of chromium oxide Cr 2 O 3 (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.), and firing it at 1000 ° C. for 6 hours in an argon atmosphere. Sodium chromate NaCrO 2 was obtained.

NaCrOと、アセチレンブラック粉末(電気化学工業社製)及びポリテトラフルオロエチレン(PTFE)粉末(ダイキン社製)を70:25:5の重量比で、らいかい機を用いて十分に粉砕及び混合し、次いで、ロール成形して、シートペレット状の電極(厚さ:0.5mm)を作製した。このシート状電極を直径15mmの円形に切り抜いた。セパレータは、リチウム二次電池用のポリプロピレン製のもの(セルガード社製)を用いた。 NaCrO 2 , acetylene black powder (manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) and polytetrafluoroethylene (PTFE) powder (manufactured by Daikin Co., Ltd.) in a weight ratio of 70: 25: 5 are sufficiently pulverized and mixed using a rough machine. Then, roll forming was performed to produce a sheet pellet-shaped electrode (thickness: 0.5 mm). This sheet-like electrode was cut out into a circle having a diameter of 15 mm. The separator was made of polypropylene (made by Celgard) for lithium secondary batteries.

ナトリウム二次電池は、性能評価用テストセルと同様に図3に示すような2032コイン型のものを製造した。正極は、上記のペレット電極を正極ケース4にセットし、チタンメッシュ(ニラコ製)(図示せず)で覆い、その周縁部をスポット溶接により固定した。負極は、負極ケース6にチタンメッシュ(ニラコ製)(図示せず)をスポット溶接で固定し、その上にナトリウムシートを圧着することにより固定した。次に、ペレットを固定した正極ケースに、セパレータ2をセットし、さらにセパレータ2に電解液(実験例1と同様のもの)を注入し、ナトリウムシートを固定した負極ケースを被せ、コインセルかしめ機で正極ケース4及び負極ケース6をかしめることにより、ポリプロピレン製ガスケット5を含むコインセルを作製した。なお、ナトリウム二次電池の作製は、露点が−85℃以下のアルゴン雰囲気のグローブボックス中で行った。   As the sodium secondary battery, a 2032 coin type battery as shown in FIG. 3 was manufactured in the same manner as the performance evaluation test cell. For the positive electrode, the above-mentioned pellet electrode was set in the positive electrode case 4, covered with a titanium mesh (manufactured by Niraco) (not shown), and the peripheral edge thereof was fixed by spot welding. The negative electrode was fixed by fixing a titanium mesh (manufactured by Niraco) (not shown) to the negative electrode case 6 by spot welding and crimping a sodium sheet thereon. Next, the separator 2 is set in the positive electrode case to which the pellet is fixed, and an electrolyte solution (the same as in Experimental Example 1) is injected into the separator 2, and the negative electrode case to which the sodium sheet is fixed is covered, and a coin cell caulking machine is used. By crimping the positive electrode case 4 and the negative electrode case 6, a coin cell including a polypropylene gasket 5 was produced. The sodium secondary battery was produced in an argon atmosphere glove box having a dew point of −85 ° C. or lower.

(ii)充放電試験
ナトリウム二次電池の充放電試験は、市販の充放電測定システム(北斗電工社製)を用いて、正極の有効面積当たりの電流密度で0.5mA/cmを通電し、充電終止電圧3.0V、放電終止電圧1.2Vの電圧範囲で充放電試験を行った。電池の充放電試験は、25℃の恒温槽内(雰囲気は通常の大気環境下)で測定を行った。
(Ii) Charge / Discharge Test The charge / discharge test of the sodium secondary battery was conducted by applying 0.5 mA / cm 2 at a current density per effective area of the positive electrode using a commercially available charge / discharge measurement system (made by Hokuto Denko). The charge / discharge test was conducted in a voltage range of a charge end voltage of 3.0 V and a discharge end voltage of 1.2 V. The battery charge / discharge test was performed in a thermostatic chamber at 25 ° C. (atmosphere was in a normal atmospheric environment).

表3に、初回サイクルの平均放電電圧と可逆容量、30サイクル目、50サイクル目の放電容量維持率を示す。本発明によるナトリウム二次電池は充放電が可能であり、初回サイクルの可逆容量390mAh/g(負極活物質重量当たりで規格化)、平均放電電圧2.1Vを示した。表3に、30サイクル目、50サイクル目の放電容量維持率を併せて示す。表より、1サイクル当たり約0.2%程度の容量減少しか見られず、安定したサイクル特性を有していることが分かる。   Table 3 shows the average discharge voltage and reversible capacity of the first cycle, and the discharge capacity retention ratio of the 30th and 50th cycles. The sodium secondary battery according to the present invention can be charged and discharged, and showed a reversible capacity of 390 mAh / g (normalized per negative electrode active material weight) and an average discharge voltage of 2.1 V in the first cycle. Table 3 also shows the discharge capacity retention rates at the 30th and 50th cycles. From the table, it can be seen that only about 0.2% capacity reduction per cycle is seen, and that stable cycle characteristics are obtained.

Figure 0006002110
Figure 0006002110

上記のように、本実験例によるナトリウム二次電池は、サイクル特性に優れ充放電可能であることが分かった。   As described above, it was found that the sodium secondary battery according to this experimental example has excellent cycle characteristics and can be charged and discharged.

(実験例8)
実験例8は、本発明のナトリウム二次電池において固体電解質を用いた場合の例である。
(Experimental example 8)
Experimental Example 8 is an example in which a solid electrolyte is used in the sodium secondary battery of the present invention.

固体電解質としてNASICON(NaZrSiPO12)を、正極材料として実験例1で用いたNaCrOを含むものを、そして負極として実験例4の条件で作製したCuFeOアセチレンブラック混合物を、それぞれ用いた。 NASICON (Na 3 Zr 2 Si 2 PO 12 ) as the solid electrolyte, NaCrO 2 used in Experimental Example 1 as the positive electrode material, and CuFeO 2 acetylene black mixture prepared under the conditions of Experimental Example 4 as the negative electrode, Each was used.

NASICONディスクは、以下の手順で調製した。まず、ZrO(NO・8HO(関東化学株式会社)、NHPO(関東化学株式会社)、及びNaSiO・9HO(関東化学株式会社)を、Na:Zr:Si:P=3:2:2:1となるように混合し、850℃で仮焼成を行った。得られた粉末は、ペレット成型機でディスク状に成型し、1100℃で24時間の本焼成を行い作製した。 The NASICON disk was prepared by the following procedure. First, ZrO (NO 3 ) 2 · 8H 2 O (Kanto Chemical Co., Inc.), NH 4 H 2 PO 4 (Kanto Chemical Co., Ltd.), and Na 2 SiO 3 · 9H 2 O (Kanto Chemical Co., Ltd.) : Zr: Si: P = 3: 2: 2: 1 were mixed and pre-baked at 850 ° C. The obtained powder was formed into a disk shape by a pellet molding machine and subjected to main firing at 1100 ° C. for 24 hours.

実験例1と同様にして、コインセルを作製した。なお、固体電解質はコインセル内に収まるようにディスク(厚さ:約1mm)状に作製し、図示したセパレータ部分にセットした。また、正極/固体電解質/負極のそれぞれの界面に隙間ができないように、コインセルケースに任意の厚さのコインセルと同材質のディスク状のスペーサを溶接した。   A coin cell was fabricated in the same manner as in Experimental Example 1. The solid electrolyte was manufactured in a disk (thickness: about 1 mm) shape so as to be accommodated in the coin cell, and set in the illustrated separator portion. Also, a disc-shaped spacer made of the same material as the coin cell of an arbitrary thickness was welded to the coin cell case so that there was no gap at each interface of the positive electrode / solid electrolyte / negative electrode.

電池の充放電試験は、実験例1とほぼ同様に、充放電測定システムを用いて、正極の有効面積当たりの電流密度で0.3mA/cmを通電し、充電終止電圧2.9V、放電終止電圧1.1Vの電圧範囲で充放電試験を行った。 In the charge / discharge test of the battery, in the same manner as in Experimental Example 1, a charge / discharge measurement system was used, and a current density per effective area of the positive electrode of 0.3 mA / cm 2 was applied, and the end-of-charge voltage was 2.9 V. The charge / discharge test was conducted in a voltage range of a final voltage of 1.1V.

充放電試験の結果を、表4に示す。表4には、参考として、実験例1の結果を併せて示した。実験例1と比較して、正極/電解質及び負極/電解質の界面の接触抵抗が増大するために、電圧は0.2Vの減少を示し、若干ではあるが放電容量も減少する。しかしながら、放電容量で示されるサイクル安定性に大きな変化は見られなかった。本実験例により、固体電解質を含む本発明によりナトリウム二次電池が作動可能であることが確認された。   Table 4 shows the results of the charge / discharge test. Table 4 also shows the results of Experimental Example 1 for reference. Compared with Experimental Example 1, since the contact resistance at the positive electrode / electrolyte and negative electrode / electrolyte interfaces increases, the voltage decreases by 0.2 V, and the discharge capacity also decreases slightly. However, no significant change was observed in the cycle stability indicated by the discharge capacity. From this experimental example, it was confirmed that the sodium secondary battery can operate according to the present invention including the solid electrolyte.

(実験例9)
実験例9は、本発明のナトリウム二次電池においてポリマー電解質を用いた場合の例である。
(Experimental example 9)
Experimental Example 9 is an example in which a polymer electrolyte is used in the sodium secondary battery of the present invention.

電解質としてPEO系高分子電解質膜を、正極材料として実験例1で用いたNaCrOを、そして負極として実験例4の条件で作製したCuFeOアセチレンブラック混合物を、それぞれ用いた。 A PEO polymer electrolyte membrane was used as the electrolyte, NaCrO 2 used in Experimental Example 1 was used as the positive electrode material, and a CuFeO 2 acetylene black mixture prepared under the conditions of Experimental Example 4 was used as the negative electrode.

PEO系高分子電解質膜(厚さ:約2mm)には、以下の通りに作製したものを使用した。PEO(Aldrich、Mw=6×10)と溶質であるNaTFSI(キシダ化学)がNa/O=1/18になるように10wt%のBaTiOフィラーとともにアセトニトリル溶媒(キシダ化学)に添加した。なお、BaTiOは、アルドリッチ製市販試薬(粒子径:<0.2μm)を用いた。一晩、攪拌した後に、得られた混合物をPTFE板上に塗布し、完全にアセトニトリルを揮発させた。その後、真空下で90℃、12時間乾燥することによってPEO系高分子電解質膜を得た。 The PEO polymer electrolyte membrane (thickness: about 2 mm) was prepared as follows. PEO (Aldrich, Mw = 6 × 10 5 ) and NaTFSI (Kishida Chemical) as a solute were added to acetonitrile solvent (Kishida Chemical) together with 10 wt% BaTiO 3 filler so that Na / O = 1/18. As BaTiO 3 , a commercially available reagent (particle size: <0.2 μm) manufactured by Aldrich was used. After stirring overnight, the resulting mixture was applied onto a PTFE plate to completely volatilize acetonitrile. Then, the PEO polymer electrolyte membrane was obtained by drying at 90 ° C. for 12 hours under vacuum.

実験例1と同様にして、コインセルを作製した。なお、高分子電解質膜はコインセル内に収まるようにディスク状に切り抜き、図示したセパレータ部分にセットした。また、正極/固体電解質/負極のそれぞれの界面に隙間ができないように、コインセルケースに任意の厚さのコインセルと同材質のディスク状のスペーサを溶接した。   A coin cell was fabricated in the same manner as in Experimental Example 1. The polymer electrolyte membrane was cut out in a disk shape so as to fit in the coin cell, and set in the illustrated separator portion. Also, a disc-shaped spacer made of the same material as the coin cell of an arbitrary thickness was welded to the coin cell case so that there was no gap at each interface of the positive electrode / solid electrolyte / negative electrode.

電池の充放電試験は、実験例7とほぼ同様に、充放電測定システムを用いて、正極の有効面積当たりの電流密度で0.3mA/cmを通電し、充電終止電圧2.9V、放電終止電圧1.1Vの電圧範囲で充放電試験を行った。 The charge / discharge test of the battery was conducted in the same manner as in Experimental Example 7, using a charge / discharge measurement system, with a current density per effective area of the positive electrode of 0.3 mA / cm 2 , an end-of-charge voltage of 2.9 V, and a discharge. The charge / discharge test was conducted in a voltage range of a final voltage of 1.1V.

充放電試験の結果を、表4に示す。表4には、参考として、実験例1の結果を併せて示した。実験例7と比較して、正極/電解質及び負極/電解質の界面の接触抵抗が増大するために、電圧は0.2Vの減少を示し、若干ではあるが放電容量も減少する。しかしながら、放電容量で示されるサイクル安定性に大きな変化は見られなかった。本実験例により、ポリマー電解質を含む本発明によるナトリウム二次電池が作動可能であることが確認された。   Table 4 shows the results of the charge / discharge test. Table 4 also shows the results of Experimental Example 1 for reference. Compared with Experimental Example 7, the contact resistance at the positive electrode / electrolyte and negative electrode / electrolyte interfaces increases, so that the voltage decreases by 0.2 V, and the discharge capacity also decreases slightly. However, no significant change was observed in the cycle stability indicated by the discharge capacity. From this experimental example, it was confirmed that the sodium secondary battery according to the present invention including the polymer electrolyte was operable.

(実験例10)
実験例10は、本発明のナトリウム二次電池において水系電解質を用いた場合の例である。
(Experimental example 10)
Experimental Example 10 is an example in which an aqueous electrolyte is used in the sodium secondary battery of the present invention.

水系電解液として、8mol/L NaOH水溶液、正極として実験例7で用いたNaCrOを、そして負極として実験例4の条件で作製したCuFeOアセチレンブラック混合物を、それぞれ用いた。 As the aqueous electrolyte, an 8 mol / L NaOH aqueous solution, NaCrO 2 used in Experimental Example 7 as a positive electrode, and a CuFeO 2 acetylene black mixture prepared under the conditions of Experimental Example 4 as a negative electrode were used.

実験例1と同様にして、コインセルを作製した。   A coin cell was fabricated in the same manner as in Experimental Example 1.

電池の充放電試験は、実験例7とほぼ同様に、充放電測定システムを用いて、正極の有効面積当たりの電流密度で0.5mA/cmを通電し、充電終止電圧1.5V、放電終止電圧0.5Vの電圧範囲で充放電試験を行った。 The charge / discharge test of the battery was conducted in the same manner as in Experimental Example 7, using a charge / discharge measurement system, with a current density per effective area of the positive electrode of 0.5 mA / cm 2 , an end-of-charge voltage of 1.5 V, and a discharge. The charge / discharge test was conducted in a voltage range of a final voltage of 0.5V.

充放電試験の結果を、表4に示す。水系電解液を使用するため、放電電圧は1V級であり、電圧範囲が狭まる為に充放電容量も少なくなるが、50サイクル後の放電容量維持率は85%の高い値を達成した。なお、酸性の1mol/L NaSO水溶液中でも、同様の結果を示すことを確認した。これらの結果は、本発明によるCuFeOアセチレンブラック混合物が、水系電解液中でも負極材料として機能できることを示している。水系電解液は、一般的に、有機電解液よりも低価格であるため、ナトリウム二次電池の低コスト化に有利であると考えられる。 Table 4 shows the results of the charge / discharge test. Since the aqueous electrolyte is used, the discharge voltage is 1V class, and the charge / discharge capacity is reduced because the voltage range is narrowed. However, the discharge capacity retention rate after 50 cycles achieved a high value of 85%. Also in acidic 1mol / L Na 2 SO 4 aqueous solution, was confirmed to show similar results. These results indicate that the CuFeO 2 acetylene black mixture according to the present invention can function as a negative electrode material even in an aqueous electrolyte solution. The aqueous electrolyte solution is generally less expensive than the organic electrolyte solution, so it is considered advantageous for reducing the cost of the sodium secondary battery.

Figure 0006002110
Figure 0006002110

(比較例)
比較例として、スズを負極材料に用いたナトリウム二次電池を作製し、評価した。
(Comparative example)
As a comparative example, a sodium secondary battery using tin as a negative electrode material was prepared and evaluated.

コインセルは、上記実験例7と同様にして作製し、評価した。その結果を、表5に実験例7と比較して示す。   Coin cells were produced and evaluated in the same manner as in Experimental Example 7 above. The results are shown in Table 5 in comparison with Experimental Example 7.

本比較例による電池は、実験例7と比較して、初期特性においては、電圧や放電容量について優れた特性を示した。しかしながら、サイクルによる放電容量の減少は著しく、50サイクル後には、初期の約5%の放電容量しか得られなかった。   The battery according to this comparative example showed excellent characteristics in terms of voltage and discharge capacity as compared with Experimental Example 7. However, the reduction of the discharge capacity due to the cycle was remarkable, and only about 5% of the initial discharge capacity was obtained after 50 cycles.

一方、実験例7の場合、比較例よりも電圧や放電容量などの初期性能は劣る(但し、ナトリウム二次電池としては十分な性能を有する。)ものの、50サイクル後でも約89%放電容量が維持されており、安定性が高いことが分かった。このような比較例の放電容量の減少は、スズ単独の負極の場合、放電の際に、スズがナトリウムと合金化することにより負極活性物質が膨張し、電極からの剥離などにより、負極が失活したことが原因ではないかと考えられる。   On the other hand, in the case of Experimental Example 7, although the initial performance such as voltage and discharge capacity is inferior to that of the comparative example (however, it has sufficient performance as a sodium secondary battery), the discharge capacity is about 89% even after 50 cycles. It was maintained and was found to be highly stable. In the case of a negative electrode made of tin alone, the decrease in the discharge capacity of such a comparative example is that the negative electrode active material expands due to alloying of tin with sodium during discharge, and the negative electrode loses due to peeling from the electrode. It is thought that this is due to the fact that it was alive.

Figure 0006002110
Figure 0006002110

以上のように、本発明によるナトリウム二次電池は、安定した充放電サイクル特性を有した高性能電池あることが分かった。   As described above, it has been found that the sodium secondary battery according to the present invention is a high-performance battery having stable charge / discharge cycle characteristics.

本発明により、サイクル特性に優れたナトリウム二次電池を作製することができ、様々な電子機器の駆動源等として使用することができる。   According to the present invention, a sodium secondary battery having excellent cycle characteristics can be manufactured and used as a drive source for various electronic devices.

1 正極(又は作用極)
2 セパレータ(電解質液を含浸)
3 負極(又は対極)
4 正極(又は作用極)ケース
5 ガスケット
6 負極(又は対極)ケース
1 Positive electrode (or working electrode)
2 Separator (impregnated with electrolyte)
3 Negative electrode (or counter electrode)
4 Positive electrode (or working electrode) case 5 Gasket 6 Negative electrode (or counter electrode) case

Claims (5)

ナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質を含む正極、負極、及びナトリウムイオン導電性を有する電解質を含むナトリウム二次電池であって、前記負極が、CuFeOを含むことを特徴とするナトリウム二次電池。 A sodium secondary battery including a positive electrode, a negative electrode, and a sodium ion conductive electrolyte containing a substance capable of inserting and removing sodium ions, wherein the negative electrode contains CuFeO 2. Next battery. 前記負極は、カーボン粒子を更に含むことを特徴とする請求項1に記載のナトリウム二次電池。   The sodium secondary battery according to claim 1, wherein the negative electrode further includes carbon particles. 前記負極は、前記CuFeOと前記カーボン粒子を粉砕混合するボールミル処理を行った材料を含むことを特徴とする請求項2に記載のナトリウム二次電池。 3. The sodium secondary battery according to claim 2, wherein the negative electrode includes a material that has been subjected to a ball mill process of pulverizing and mixing the CuFeO 2 and the carbon particles. 前記電解質が、ナトリウムイオンを含む有機電解液又は水系電解液であることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載のナトリウム二次電池。   The sodium secondary battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the electrolyte is an organic electrolytic solution or an aqueous electrolytic solution containing sodium ions. 前記電解質が、ナトリウムイオンを通す固体電解質又はポリマー電解質であることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載のナトリウム二次電池。   The sodium secondary battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the electrolyte is a solid electrolyte or a polymer electrolyte that allows sodium ions to pass therethrough.
JP2013221432A 2013-10-24 2013-10-24 Sodium secondary battery Expired - Fee Related JP6002110B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013221432A JP6002110B2 (en) 2013-10-24 2013-10-24 Sodium secondary battery

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013221432A JP6002110B2 (en) 2013-10-24 2013-10-24 Sodium secondary battery

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2015082488A JP2015082488A (en) 2015-04-27
JP6002110B2 true JP6002110B2 (en) 2016-10-05

Family

ID=53012964

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2013221432A Expired - Fee Related JP6002110B2 (en) 2013-10-24 2013-10-24 Sodium secondary battery

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6002110B2 (en)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101847985B1 (en) * 2016-02-03 2018-04-11 한양대학교 산학협력단 Manufacturing Method of Secondary Battery
WO2018175465A1 (en) * 2017-03-21 2018-09-27 Maxwell Technologies, Inc. Compositions and methods for passivation of electrode binders
CN114180627B (en) * 2021-12-22 2024-04-26 广东工业大学 Sodium ion battery positive electrode material, preparation method thereof and sodium ion battery

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08236115A (en) * 1995-02-28 1996-09-13 Haibaru:Kk Secondary battery

Also Published As

Publication number Publication date
JP2015082488A (en) 2015-04-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5756068B2 (en) Sodium secondary battery
US20170187039A1 (en) Positive electrode active material for sodium secondary battery, and method for preparing same
JP2011175929A (en) Lithium-air secondary battery, and method of manufacturing air electrode of the same
JP5881587B2 (en) Sodium secondary battery
JP5596726B2 (en) Magnesium battery
JP6047086B2 (en) Sodium secondary battery
JP6307016B2 (en) Sodium secondary battery
US8715539B2 (en) Positive electrode material for lithium secondary battery and method for manufacturing the same
JP2015115283A (en) Sodium secondary battery, and method for manufacturing positive electrode material used therefor
JP6002110B2 (en) Sodium secondary battery
JP2015022983A (en) Sodium secondary battery
JP2014053155A (en) Electrode active material for lithium ion secondary battery, electrode for lithium ion secondary battery, and lithium ion secondary battery including the same
JP7142302B2 (en) POSITIVE ACTIVE MATERIAL AND BATTERY INCLUDING SAME
JP6046995B2 (en) Method for manufacturing sodium secondary battery
WO2020012739A1 (en) Positive electrode active material and cell comprising same
JP5937941B2 (en) Sodium secondary battery
JP6209123B2 (en) Lithium air secondary battery
JP2014116229A (en) Sodium secondary battery
JP2014056663A (en) Sodium secondary battery
JP6061390B2 (en) Sodium secondary battery
JP6059632B2 (en) Lithium air secondary battery
JP2014107160A (en) Sodium secondary battery
JP5870004B2 (en) Sodium secondary battery
JP5627031B2 (en) Magnesium battery
JP5881592B2 (en) Sodium secondary battery and manufacturing method thereof

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20151117

TRDD Decision of grant or rejection written
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20160824

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20160830

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20160902

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6002110

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees