JP6189275B2 - ナトリウムイオン二次電池用電解質およびナトリウムイオン二次電池 - Google Patents
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Description
本発明の目的は、高い難燃性を有し、ナトリウムイオン二次電池のサイクル特性およびレート特性を向上できる電解質を提供することである。
前記非水溶媒は、50質量%を超えるフッ化リン酸エステルを含む、ナトリウムイオン二次電池用電解質に関する。
最初に、本発明の実施形態の内容を列記して説明する。
本発明の一実施形態に係るナトリウムイオン二次電池用電解質は、(1)ナトリウム塩と非水溶媒とを含み、かつナトリウムイオン伝導性を有する。ここで、非水溶媒は、50質量%を超えるフッ化リン酸エステルを含む。このようなフッ化リン酸エステルを多く含む非水溶媒を用いることで、電解質(ひいてはナトリウムイオン二次電池)の難燃性を大きく向上できる。
本発明の実施形態に係るナトリウムイオン二次電池用電解質およびナトリウムイオン二次電池の具体例を、適宜図面を参照しつつ以下に説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
電解質は、ナトリウム塩と、非水溶媒とを含む。
(ナトリウム塩)
ナトリウム塩は、電解質中で解離してナトリウムイオン(第1カチオン)とアニオン(第1アニオン)とを生成するため、電解質はナトリウムイオン伝導性を有する。
ナトリウム塩は、一種を単独で用いてもよく、第1アニオンの種類が異なるナトリウム塩を二種以上組み合わせて用いてもよい。
有機溶媒を含む有機電解質を用いる従来のナトリウムイオン二次電池は、低温で作動させることができるものの、高温でのサイクルを安定化させることが難しい。イオン液体を電解質に用いると、高温でのサイクルを安定化させることができるが、低温での利用率(低温レート特性)が低い。
フッ化リン酸エステルとしては、オルトリン酸の3つのエステル形成部位(−OH基)のうち、1つまたは2つがエステル化されたものであってもよいが、全てがエステル化された下記式(I)で表されるものが好ましい。
非水溶媒は、さらに他の溶媒(第2溶媒)を含んでもよい。第2溶媒としては、ナトリウムイオン二次電池の電解質に使用される公知の溶媒、例えば、有機溶媒および/またはイオン液体の他、リン酸エステル(具体的には、フッ素原子を有さないリン酸エステル)が例示できる。第2溶媒は一種を単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。イオン液体は、溶融状態の塩(溶融塩)と同義であり、アニオンとカチオンとで構成される液状イオン性物質である。なお、上記のナトリウム塩のうち、例えば、ナトリウムイオンとビススルホニルアミドアニオンとの塩は、一般にはイオン液体に分類されることもあるが、本明細書中では、便宜上、イオン液体には含まないものとする。
窒素含有有機オニウムカチオンのうち、特に、第4級アンモニウムカチオン、および窒素含有ヘテロ環骨格として、ピロリジン、ピリジン、またはイミダゾール骨格を有するカチオンが好ましい。
本発明の実施形態に係るナトリウムイオン二次電池は、正極と、負極と、これらの間に介在するセパレータと、上記の電解質とを含む。
以下に、電解質以外の電池の構成要素についてより詳細に説明する。
正極は、正極活物質を含む。正極は、正極集電体と、正極集電体に担持された正極活物質(または正極合剤)とを含んでもよい。
正極集電体は、金属箔でもよく、金属多孔体(金属繊維の不織布、金属多孔体シートなど)であってもよい。金属多孔体としては、三次元網目状の骨格(特に、中空の骨格)を有する金属多孔体も使用できる。正極集電体の材質としては、正極電位での安定性の観点から、アルミニウム、アルミニウム合金などが好ましい。
バインダとしては、例えば、フッ素樹脂、ポリオレフィン樹脂、ゴム状重合体、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂(ポリアミドイミドなど)、および/またはセルロースエーテルなどが挙げられる。
分散媒としては、例えば、N−メチル−2−ピロリドン(NMP:N−methyl−2−pyrrolidone)などの有機溶媒の他、水などが用いられる。
負極は、負極活物質を含む。負極は、負極集電体と、負極集電体に担持された負極活物質(または負極合剤)とを含んでもよい。
負極集電体は、正極集電体と同様に、金属箔または金属多孔体であってもよい。負極集電体の材質としては、ナトリウムと合金化せず、負極電位で安定であることから、銅、銅合金、ニッケル、ニッケル合金、ステンレス鋼などが好ましい。
負極活物質は、一種を単独でまたは二種以上を組み合わせて使用できる。
これらの材料のうち、上記化合物(ナトリウム含有チタン酸化物など)、および/または炭素質材料(ハードカーボンなど)などが好ましい。
セパレータとしては、例えば、樹脂製の微多孔膜、不織布などが使用できる。
セパレータの材質は、電池の使用温度を考慮して選択できる。微多孔膜または不織布を形成する繊維に含まれる樹脂としては、例えば、ポリオレフィン樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリアミド樹脂(芳香族ポリアミド樹脂など)、および/またはポリイミド樹脂などが例示できる。不織布を形成する繊維は、ガラス繊維などの無機繊維であってもよい。セパレータは、セラミックス粒子などの無機フィラーを含んでもよい。
(1)正極の作製
NaCrO2(正極活物質)90質量部、アセチレンブラック(導電助剤)5質量部およびポリフッ化ビニリデン(結着剤)5質量部を、NMPに分散させて、正極合剤ペーストを調製した。得られた正極合剤ペーストを、アルミニウム箔(縦10cm×横10cm、厚さ20μm)の両面に塗布し、十分に乾燥させ、圧延して、両面に厚さ60μmの正極合剤層を有する総厚140μmの正極を100枚作製した。なお、正極の一辺の一方側端部には、集電用のリード片を形成した。
ハードカーボン(負極活物質)95質量部およびポリアミドイミド(結着剤)5質量部を、NMPに分散させて、負極合剤ペーストを調製した。得られた負極合剤ペーストを、負極集電体としての銅箔(縦10cm×横10cm、厚さ20μm)の両面に塗布し、十分に乾燥させ、圧延して、両面に厚さ65μmの負極合剤層を有する総厚150μmの負極(または負極前駆体)を99枚作製した。また、負極集電体の片面のみに負極合剤層を形成する以外は、上記と同様にして、2枚の負極(または負極前駆体)を作製した。負極の一辺の一方側端部には、集電用のリード片を形成した。
正極と、負極との間に、セパレータを介在させて積層することにより、電極群を作製した。このとき、電極群の一方の端部には、片面のみに負極合剤層を有する負極を、その負極合剤層が正極と対向するように配置した。また、電極群の他方の端部には、片面のみに負極合剤層を有する負極を、その負極合剤層が正極と対向するように配置した。セパレータとしては、袋状の微多孔膜(ポリオレフィン製、厚さ50μm)を用い、内部に正極を収容した状態で、負極と積層した。
TFEP(第1溶媒)とPC(第2溶媒)とを質量比70:30で含む非水溶媒に、NaFSAを溶解させて電解質を調製した。このとき、電解質中のNaFSAの濃度は1mol/Lとした。
上記(3)で得られた電極群と、上記(4)で得られた電解質とを、アルミニウム製の容器本体に収容した。電極群の正極に接続されたリードを、アルミニウム製の蓋体に設けられた外部正極端子に接続し、負極に接続されたリードを蓋体に設けられた外部負極端子に接続した。次いで、容器本体の開口部を、蓋体で密閉して、公称容量26Ahの図1に示すナトリウムイオン二次電池を完成させた。
上記(4)で得られた電解質、および上記(5)で得られたナトリウムイオン二次電池を用いて、下記の評価を行った。
(a)電解質の引火点
JIS K 2265−2に準拠し、セタ密閉式引火点測定器を用いて、電解質の引火点を測定した。
ナトリウムイオン二次電池を、25℃の温度で、時間率0.5Cレートの電流値で、3.4Vになるまで充電し、時間率0.5Cレートの電流値で、1.5Vになるまで放電し、このときの放電容量(初期放電容量)を測定した。上記と同様の条件での充電および放電のサイクルを繰り返し、200サイクル目の放電容量を測定し、初期放電容量を100%としたときの比率(容量維持率)を算出した。
ナトリウムイオン二次電池を、40℃の温度で、時間率0.1Cレートの電流値で、3.4Vになるまで充電し、時間率0.1Cレートの電流値で、1.5Vになるまで放電し、このときの放電容量CHを測定した。
ナトリウムイオン二次電池を、40℃の温度で、時間率0.1Cレートの電流値で、3.4Vになるまで充電し、−10℃の温度で、時間率0.1Cレートの電流値で、1.5Vになるまで放電した。このときの放電容量CLを求め、放電容量CHに対するCLの比率(%)を算出して、レート特性の指標とした。
PCに代えて、表1に示す第2溶媒を用いる以外は実施例1と同様に電解質を調製した。得られた電解質を用いる以外は、実施例1と同様に、ナトリウムイオン二次電池を作製し、評価を行った。
NaCrO2に代えてLiCoO2を用いる以外は、実施例1と同様にして正極を作製した。
NaFSAに代えて、LiFSA(リチウムビス(フルオロスルホニル)アミド)を用いる以外は実施例1と同様に電解質を調製した。電解質の引火点を実施例1と同様にして評価した。
PCに代えて、TMPを用いる以外は比較例1と同様に電解質を調製した。得られた電解質を用いる以外は、比較例1と同様に、リチウムイオン二次電池を作製し、評価を行った。
実施例1〜6および比較例1〜2の結果を表1に示す。なお、実施例1〜6はA1〜A6であり、比較例1〜2はB1〜B2である。
非水溶媒におけるTFEPと第2溶媒との質量比を表2に示すように変更する以外は、実施例1と同様に電解質を調製した。得られた電解質を用いる以外は、実施例1と同様に、ナトリウムイオン二次電池を作製し、電解質の引火点およびサイクル特性の評価を行った。実施例8および9について、実施例1と同様に、レート特性を評価した結果、いずれも72%と優れた結果が得られた。
実施例7〜9の結果を表2に示す。なお、実施例7〜9はA7〜A9である。表2には、実施例1の結果も合わせて示した。
TFEPに代えて、表3に示すフッ化リン酸エステルを用いる以外は実施例3と同様に電解質を調製した。得られた電解質を用いる以外は、実施例3と同様に、ナトリウムイオン二次電池を作製し、評価を行った。
TFEPに代えて、表3に示すフッ化リン酸エステルを用いる以外は実施例1と同様に電解質を調製した。得られた電解質を用いる以外は、実施例1と同様に、ナトリウムイオン二次電池を作製し、評価を行った。
TFEPに代えて、表3に示すフッ化リン酸エステルを用いる以外は実施例5と同様に電解質を調製した。得られた電解質を用いる以外は、実施例5と同様に、ナトリウムイオン二次電池を作製し、評価を行った。
実施例10〜15の結果を表3に示す。なお、実施例10〜15はA10〜A15である。表3には、実施例1および3の結果も合わせて示した。
NaCrO2に代えて、NaNi1/3Ti1/6Mn1/2O2を正極活物質として用いる以外は実施例1と同様にして正極合剤ペーストを調製した。正極合剤ペーストを、厚さ20μmのアルミニウム箔の片面に塗布し、十分に乾燥させ、厚み方向に圧縮して、厚さ60μmの正極を作製した。正極は、直径12mmのコイン型に打ち抜いた。
金属ナトリウムディスク(アルドリッチ社製、厚さ200μm)をニッケル集電体に圧着して、総厚700μmの負極を作製した。負極は、直径12mmのコイン型に打ち抜いた。
電解質としては、下記の電解質a1、a2、a3またはbを用いた。電解質中のNaFSAの濃度は1mol/Lとした。
電解質a1:TFEEPとTEPとを質量比70:30で含む非水溶媒に、NaFSAを溶解させて調製した。
電解質a2:TFEEPのみからなる非水溶媒に、NaFSAを溶解させて調製した。
電解質a3:TFEPとTEPとを質量比70:30で含む非水溶媒に、NaFSAを溶解させて調製した。
電解質b:TFEPとPCとを質量比70:30で含む非水溶媒に、NaFSAを溶解させて調製した。
電解質a1、a2およびa3のそれぞれを用いた実施例の電池を電池A16、A17、およびA18とし、電解質bを用いた参考例の電池を電池C1とする。
正極合剤ペーストとして、実施例1と同様にして調製したものを用いる以外は、実施例9と同様にして、コイン型のナトリウムイオン二次電池(ハーフセル)を作製した。
電解質a1、a2およびa3のそれぞれを用いた実施例の電池を電池A19、A20およびA21とし、電解質bを用いた参考例の電池を電池C2とする。
上記と同様の評価を、90℃の温度で行ったところ、初期の放電容量を100%としたとき、100サイクル時の放電容量は、30%にまで低下した。サイクル後の電池を分解して正極箔をSEM観察したところ、電池C2では腐食が見られた。また、サイクル後の電池の電解質を取り出して、ICP分析したところ、Alが検出された。
2:正極
2a:正極リード片
3:負極
3a:負極リード片
7:ナット
8:鍔部
9:ガスケット
10:電池ケース
12:容器本体
13:蓋体
14:外部正極端子
16:安全弁
Claims (8)
- ナトリウム塩と非水溶媒とを含み、かつナトリウムイオン伝導性を有するナトリウムイオン二次電池用電解質であって、
前記非水溶媒は、50質量%を超えるフッ化リン酸エステルを含む、ナトリウムイオン二次電池用電解質。 - 引火点を有さないか、または引火点が70℃以上である、請求項1に記載のナトリウムイオン二次電池用電解質。
- 前記フッ化リン酸エステルは、1〜3個のポリフルオロアルキル基を有するポリフルオロアルキルホスフェートであり、
前記ポリフルオロアルキル基のそれぞれは、ジフルオロC1−3アルキル基、トリフルオロC1−3アルキル基、またはテトラフルオロC2−3アルキル基である、請求項1または請求項2に記載のナトリウムイオン二次電池用電解質。 - 前記フッ化リン酸エステルは、トリス(2,2,2−トリフルオロエチル)ホスフェート、ビス(2,2,2−トリフルオロエチル)メチルホスフェートおよびビス(2,2,2−トリフルオロエチル)エチルホスフェートからなる群より選択される少なくとも一種である、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載のナトリウムイオン二次電池用電解質。
- 前記非水溶媒は、さらに環状カーボネートおよび鎖状カーボネートからなる群より選択される少なくとも一種を含む請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載のナトリウムイオン二次電池用電解質。
- 前記非水溶媒は、さらにプロピレンカーボネートを含む請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載のナトリウムイオン二次電池用電解質。
- 前記非水溶媒中の前記フッ化リン酸エステルの含有量は、50質量%を超えて80質量%以下である、請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載のナトリウムイオン二次電池用電解質。
- 正極と、負極と、前記正極および前記負極の間に介在するセパレータと、請求項1に記載の電解質とを含む、ナトリウムイオン二次電池。
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