JP6528972B2 - Nickel-based secondary battery - Google Patents

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Description

本発明は、ニッケル系二次電池に関する。   The present invention relates to a nickel secondary battery.

電池は、一般的には、正極および負極の両電極、それらを隔てるセパレータ、ならびに電池全体に行き渡った電解液を構成要素として含む。正極および負極はそれぞれ活物質を含む。負極活物質は、正極活物質に対して電子を渡したがる性質を持ち、放電時には、外部回路を通じて負極活物質から正極活物質に電子が移動することにより電流が流れる。すなわち、放電時には、負極活物質は酸化され、正極活物質は還元される。一方、電解液が正負両電極の間でイオンを導通することで、系として定常的な電流が得られるようになっている。またセパレータは、正負両活物質が直接接触することを防ぐ、すなわちショートを防ぐためのものである。二次電池を充電する場合には、外部から電圧をかけて、これと反対の電子移動を起こさせる。すなわち、充電時には、負極活物質は還元され、正極活物質は酸化される。   A battery generally includes, as components, both positive and negative electrodes, a separator that separates them, and an electrolyte solution that has spread throughout the battery. The positive electrode and the negative electrode each contain an active material. The negative electrode active material has a property of passing electrons to the positive electrode active material, and at the time of discharge, a current flows by transferring electrons from the negative electrode active material to the positive electrode active material through an external circuit. That is, at the time of discharge, the negative electrode active material is oxidized and the positive electrode active material is reduced. On the other hand, when the electrolyte conducts ions between the positive and negative electrodes, a steady current can be obtained as a system. Further, the separator is for preventing direct contact of both positive and negative active materials, that is, for preventing short circuit. When charging the secondary battery, an external voltage is applied to cause the opposite electron transfer. That is, at the time of charge, the negative electrode active material is reduced and the positive electrode active material is oxidized.

昨今の携帯機器の普及や、環境・エネルギー問題を背景としたハイブリッド車の普及、あるいは電気自動車や余剰電力貯蔵用の定置式大型電池の開発などに見られるように、電池、特に二次電池の果たす役割とそれに対する期待はますます大きくなっている。特にハイブリッド車による大幅な燃費向上は、ユーザーの経費節減のみならず、CO排出削減や石油資源の節約など、環境・エネルギー問題に対して大きな効果を発揮している。今後電池の改良が進み、電気自動車も普及するようになれば、COの根本的な排出削減や化石燃料に依存しないエネルギーシフトも可能になり、環境・エネルギー問題に対してさらに大きな影響を与えることが期待できる。これら自動車関連分野は、元々エネルギー消費規模が大きく、環境・エネルギーに与える影響も大きいが、自動車搭載用電池には、エネルギー密度、大電流充電性能、耐久性などの基本的性質に加え、制御の容易さなど厳しい性能条件が要求され、さらなる改良が望まれる。 As seen in the recent spread of portable devices, the spread of hybrid vehicles against the background of environmental and energy problems, or the development of stationary large batteries for storage of electric vehicles and surplus power, etc. The role they play and their expectations are growing. In particular, the significant improvement of fuel efficiency by hybrid vehicles has a great effect on environmental and energy problems such as CO 2 emission reduction and oil resource saving as well as user cost saving. In the future, as batteries are improved and electric vehicles are spread, it will be possible to reduce fundamental emissions of CO 2 and energy shift independent of fossil fuels, which will further affect environmental and energy problems. Can be expected. Although these automobile-related fields originally have large energy consumption and have a large impact on the environment and energy, in addition to basic properties such as energy density, high current charge performance, durability, etc., batteries for automotive use Strict performance conditions such as ease are required, and further improvement is desired.

代表的な二次電池の一つであるニッケル水素電池は、不燃性の水系電解液を使用し、また負極活物質の水素自体は金属ではないためショートが起こりにくく、さらに定電流で比較的急速な充電をしても満充電になると自動的に電解液中の水の電気分解が取って代わって電圧上昇を抑えるなど、比較的安全で充電制御も容易な電池である。現在、ニッケル水素電池は、ハイブリッド車用の電池として多く使用されている。ニッケル水素電池は、負極に水素吸蔵合金、正極に水酸化ニッケル、電解液としてアルカリ電解液を用いており、負極では、下記の(1)式と(2)式に示すように、充電時には水分子の水素の電気化学的還元と水素吸蔵合金への水素の吸蔵が起こり、放電時には逆に貯蔵された水素の電気化学的酸化が起こる。
〔充電〕HO + e → H (吸蔵) + OH・・・(1)
〔放電〕H (吸蔵) + OH → HO + e・・・(2)
水素吸蔵合金としては、希土類とニッケルの合金を主体としたものが、主に使用されている。
A nickel hydrogen battery, which is one of the representative secondary batteries, uses a nonflammable aqueous electrolyte, and hydrogen of the negative electrode active material itself is not a metal, so shorts are less likely to occur, and further relatively rapidly at constant current Even if the battery is fully charged, it is a battery that is relatively safe and easy to control charging, such as when the battery is fully charged, the electrolysis of water in the electrolyte is automatically replaced to suppress the voltage rise. At present, nickel hydrogen batteries are widely used as batteries for hybrid vehicles. Nickel-metal hydride batteries use a hydrogen storage alloy for the negative electrode, nickel hydroxide for the positive electrode, and an alkaline electrolyte as the electrolyte. As shown in the following equations (1) and (2), the negative electrode uses water during charging. The electrochemical reduction of molecular hydrogen and the storage of hydrogen in the hydrogen storage alloy occur, and the electrochemical oxidation of the stored hydrogen occurs conversely at the time of discharge.
[Charging] H 2 O + e → H (occluded) + OH (1)
[Discharge] H (storage) + OH → H 2 O + e (2)
As a hydrogen storage alloy, one mainly composed of an alloy of rare earth and nickel is mainly used.

正極では、下記の(3)式と(4)式に示すように、水酸化ニッケルまたはオキシ水酸化ニッケルの電気化学的酸化還元反応が起きる。
〔充電〕Ni(OH) + OH → NiOOH + HO + e・・・(3)
〔放電〕NiOOH + HO + e− → Ni(OH) +OH・・・(4)
At the positive electrode, as shown in the following equations (3) and (4), an electrochemical redox reaction of nickel hydroxide or nickel oxyhydroxide occurs.
[Charging] Ni (OH) 2 + OH → NiOOH + H 2 O + e (3)
[Discharge] NiOOH + H 2 O + e- → Ni (OH) 2 + OH - ··· (4)

このような水酸化ニッケルまたはオキシ水酸化ニッケルを利用した正極を用いた電池としては、ニッケル水素電池の他、ニッケル鉄電池、ニッケル亜鉛電池などもある。前者はニッケル水素電池の負極が鉄電極に置き換わったものであり(下記の(5)式と(6)式を参照)、
〔充電〕Fe(OH) + 2e → Fe + 2OH・・・(5)
〔放電〕Fe + 2OH → Fe(OH) + 2e・・・(6)
後者は亜鉛電極に置き換わったものである(下記の(7)式と(8)式を参照)。
〔充電〕ZnO + HO +2e → Zn + 2OH・・・(7)
〔放電〕Zn + 2OH → ZnO + HO + 2e・・・(8)
As a battery using a positive electrode using such nickel hydroxide or nickel oxyhydroxide, there are a nickel-iron battery, a nickel-zinc battery and the like as well as a nickel-hydrogen battery. In the former, the negative electrode of a nickel-metal hydride battery is replaced by an iron electrode (see the following formulas (5) and (6)),
[Charging] Fe (OH) 2 + 2e - → Fe + 2OH - ··· (5)
[Discharge] Fe + 2OH - → Fe (OH ) 2 + 2e - ··· (6)
The latter is replaced with a zinc electrode (see the following equations (7) and (8)).
[Charging] ZnO + H 2 O + 2 e → Zn 2 + 2 OH (7)
[Discharge] Zn + 2OH - → ZnO + H 2 O + 2e - ··· (8)

従来、正極のニッケル極用活物質として一般的に使用されているのは、球状高密度水酸化ニッケルである。この球状高密度水酸化ニッケルは、一次粒子が高密度に凝集して球状に二次粒子を形成しているものであって、電極への活物質の高密度充填が可能となり、電池容量を高めることができる。球状高密度粒子は、水酸化ニッケルを合成する際に、例えばアンモニアなどの錯体形成剤が含まれ、水酸化ニッケルに対して少し溶解性を持つ溶液中で水酸化ニッケルを熟成することで作製される。すなわち、はじめは不定形の水酸化ニッケルも、熟成中に溶解度が高い角の部分から優先的に溶解し、角がとれていくとともに、溶けたものが粒子の空孔内に析出していく。これを繰り返すうちに、粒子は球状高密度へと変化していく。この熟成の過程においては、粒子内の結晶(一次粒子)も成長していくことになる。   Conventionally, spherical high density nickel hydroxide is generally used as the active material for the positive electrode nickel electrode. The spherical high-density nickel hydroxide is one in which primary particles are densely aggregated to form secondary particles in a spherical shape, and high-density filling of the active material to the electrode becomes possible, and the battery capacity is increased. be able to. Spherical high-density particles are prepared by aging nickel hydroxide in a solution having a slight solubility in nickel hydroxide, which contains a complex-forming agent such as ammonia, for example, when synthesizing nickel hydroxide. Ru. That is, the initially amorphous nickel hydroxide is also preferentially dissolved from the corner portion with high solubility during ripening, and the corner is taken off and the melted one precipitates in the pores of the particles. As this is repeated, the particles change to spherical densities. In this process of ripening, crystals (primary particles) in the particles also grow.

水酸化ニッケルおよびオキシ水酸化ニッケルは層状化合物であり、上述のような熟成工程を経て作製された従来の球状高密度水酸化ニッケルは、特に明確な層状結晶を形成している。合成時の水酸化ニッケルは、安定なβ型水酸化ニッケルの構造をとっており、組成もほぼNi(OH)である。一方、充電により(酸化されて)オキシ水酸化ニッケルとなったものは、(3)式に示したようにNiの原子価数が高くなり、プロトン(水素イオン)が抜けてNiOOHとなるだけでなく、Niの高価数化による電場の高密度化を緩和すべく、層間が開いて電解液の水分子や水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化リチウムなどが層間にインターカレーションされる。特に高充電状態のNi極においては、Niの価数が非常に高くなり、そのために層間が大きく開き、層間に多くの水分子やイオンがインターカレーションしたγ型構造を取る場合もある。γ型オキシ水酸化ニッケルは、充放電電位が低く、電池電圧を低下させる作用を持ち、充放電反応に対する活性も低い。また、γ型オキシ水酸化ニッケルが多量に生成すると、電解液の水が多量にニッケル極に吸収、固定されることになるとともに、ニッケル極自体の体積も大幅に増加するため、密閉型電池ではセパレータのドライアップを引き起こし、電池寿命にも影響を及ぼす。このようにオキシ水酸化ニッケルのγ型化は、電池に対して好ましくない作用を持つため、これを抑制する目的で、従来の水酸化ニッケルではニッケルの一部に亜鉛を置換(固溶)することがよく行なわれていた。 Nickel hydroxide and nickel oxyhydroxide are layered compounds, and the conventional spherical high-density nickel hydroxide prepared through the above-mentioned ripening process forms particularly distinct layered crystals. Nickel hydroxide at the time of synthesis has a stable β-type nickel hydroxide structure, and the composition is also substantially Ni (OH) 2 . On the other hand, nickel oxyhydroxide that has been charged (oxidized) by charging has a high valence number of Ni as shown in equation (3), and protons (hydrogen ions) are eliminated to become NiOOH. Instead, in order to ease the densification of the electric field due to the increase in the number of Ni, the layers are opened, and water molecules of the electrolyte solution, potassium hydroxide, sodium hydroxide, lithium hydroxide and the like are intercalated between the layers. In particular, in a highly charged Ni electrode, the valence number of Ni becomes very high, and as a result, the interlayer may be widely opened, and a γ-type structure in which many water molecules and ions are intercalated between the interlayer may be taken. The γ-type nickel oxyhydroxide has a low charge / discharge potential, has an action to lower the battery voltage, and has a low activity for charge / discharge reaction. In addition, when a large amount of γ-type nickel oxyhydroxide is formed, a large amount of water of the electrolytic solution is absorbed and fixed to the nickel electrode, and the volume of the nickel electrode itself is also significantly increased. It causes the separator to dry up and affects the battery life. As described above, the γ-type conversion of nickel oxyhydroxide has an undesirable effect on a battery, and in order to suppress this, conventional nickel hydroxide substitutes zinc with part of nickel (solid solution) in order to suppress this. Things were well done.

また、水酸化ニッケル自体には電子伝導性がなく、特に放電末期においては充放電反応の進行が非常に遅くなるため、その電子伝導性を補うために、従来の水酸化ニッケルは、ニッケルの一部にコバルトを置換(固溶)したり、水酸化ニッケル粒子表面にコバルト酸化物をコートしたりすることが一般的に行なわれていた。また、ニッケル電極内に酸化コバルトなどの2価のコバルト化合物を添加しておくことも有効であり、電池に電解液を注入した際、コバルトが溶解し、その後充電するとコバルトが酸化されて溶けなくなるために、自動的に水酸化ニッケル表面にコバルトがコートされた状態となる。   In addition, nickel hydroxide itself has no electron conductivity, and the progress of charge / discharge reaction is very slow especially at the end of discharge, so conventional nickel hydroxide is a nickel nickel hydroxide in order to supplement its electron conductivity. Generally, cobalt substitution (solid solution) in the part or coating of cobalt oxide on the surface of nickel hydroxide particles has been performed. It is also effective to add a divalent cobalt compound such as cobalt oxide into the nickel electrode, and when the electrolyte is injected into the battery, the cobalt dissolves, and when it is charged thereafter, the cobalt is oxidized and becomes insoluble. Therefore, the nickel hydroxide surface is automatically coated with cobalt.

このように、ニッケル極が本来持っているさまざまな問題は、現在に至る過程で改良が進んでいる。しかし現在に至っても解決されていない一つの大きな問題は、メモリ効果と呼ばれるものである。現在ハイブリッド車などで使用されているニッケル水素電池は、小幅な充放電、すなわち少し放電して少し充電するという、充電状態が大きく変化しない使い方をした場合に、完全に放電しきって完全に充電する使い方をした場合の充放電電圧とは異なる、異常な電圧挙動を示す。この現象は、電池の使い方によって電圧挙動が変化するため、一般的にはメモリ効果と呼ばれており、電池制御を難しくし、そのために電池本来の能力を使い切れない問題がある。携帯機器などではユーザーが深い充放電を行なうようにすることである程度防止できるが、ハイブリッド車での使用はもともと常時中間的な充電状態で小幅な充放電を行なう使い方がされるため、メモリ効果の発現は避けられない。   As described above, various problems inherent to the nickel electrode are being improved in the process up to the present. However, one major problem that has not been solved even now is the memory effect. Nickel-metal hydride batteries currently used in hybrid vehicles etc. are fully discharged and fully charged when used in a small amount of charge and discharge, that is, with a slight discharge and a slight charge. It exhibits anomalous voltage behavior different from the charge and discharge voltage when it is used. This phenomenon is generally referred to as a memory effect because the voltage behavior changes depending on how the battery is used, which makes it difficult to control the battery and therefore has a problem that the battery's inherent capability can not be used up. In portable devices etc., it is possible to prevent the user to perform deep charge and discharge to some extent, but the use in the hybrid car is originally used always to perform small charge and discharge in the intermediate charge state. Expression is inevitable.

このメモリ効果はニッケル極によるものであり、水酸化ニッケルあるいはオキシ水酸化ニッケルの層構造と深く関わっている。例えば、特許文献1では、放電しきった状態で放置した場合の水酸化ニッケルのc軸長(層間隔)の変化がほとんど起こらないことが重要としており、タングステン、ニオブ、ジルコニウムなどの3価以上のカチオンを水酸化ニッケルに固溶させ、ニッケル以外の2価のカチオン固溶量を少なくする方法が、メモリ効果の抑制に有効であるとしている。   This memory effect is due to the nickel electrode and is closely related to the layer structure of nickel hydroxide or nickel oxyhydroxide. For example, in Patent Document 1, it is important that almost no change in the c-axis length (layer spacing) of nickel hydroxide occurs when left in a fully discharged state, and trivalent or more such as tungsten, niobium, zirconium, etc. A method in which a cation is dissolved in nickel hydroxide to reduce the amount of solid solution of divalent cations other than nickel is said to be effective for suppressing the memory effect.

一方、負極に関しては、従来、ニッケル系電池の負極活物質として一般的に使用されているのは、レアアース類を主成分としたミッシュメタルを含んだニッケル系合金(LaNi5など)である。このニッケル系合金への水素の吸着/脱離平衡圧は常圧付近であり、電池内を加圧・減圧することなく上記の充放電が行えることから、現在でのニッケル水素電池の標準的な組成となっている。さらにこれに安定性、電子伝導性を付与するため、様々な金属元素(例、Mn、Mg、Al、Zr、Co等)が添加されるのが一般的である。   On the other hand, regarding the negative electrode, conventionally, a nickel-based alloy (such as LaNi5) containing misch metal mainly composed of rare earths is generally used as a negative electrode active material of a nickel-based battery. The adsorption / desorption equilibrium pressure of hydrogen on this nickel-based alloy is near normal pressure, and the above-mentioned charge / discharge can be performed without pressurizing / depressurizing the inside of the battery. It is a composition. Furthermore, various metal elements (eg, Mn, Mg, Al, Zr, Co, etc.) are generally added to impart stability and electron conductivity thereto.

しかしレアアース類は第一にその賦存量が少なく基本的に高価である。また生産国も地政学リスクの高い国に限定されているという問題のため、政治問題によりその価格が乱高下する傾向があり安定的かつ廉価な供給が今後も見込めないという問題がある。加えて抽出が難しく、現状では多数の化学的なプロセスを経るため、環境負荷的にも懸念が多い。   However, rare earths are primarily expensive due to their small abundance. Also, there is a problem that the price tends to fluctuate due to political problems and stable and inexpensive supply can not be expected in the future, because the producing countries are also limited to countries with high geopolitical risk. In addition, extraction is difficult, and there are many environmental concerns as it passes through a large number of chemical processes at present.

このようにニッケル系合金負極が持つ問題に対し、既に100年以上前に米国で、廉価で豊富な鉄を主成分とした負極材料が提案されている。鉄電極を電池に用いた場合には、その電池は、ニッケル水素電池の負極である水素吸蔵合金電極に近い電位を示すとともに、より大きな理論容量を持つ。しかしながら、通常の鉄材料を使用した場合、粒子表面に不動態が発生し充放電が出来なくなることが問題となっている。実際に実用化されている例はごく僅かにあるが、充放電の際に発生するガスを外部へ放出したり、電解液の継ぎ足しが必要だったりとメンテナンス性、耐久性に難があり一般には広まっていない。   Thus, in response to the problems of the nickel-based alloy negative electrode, an inexpensive and abundant negative electrode material mainly composed of iron has been proposed in the United States over 100 years ago. When an iron electrode is used in a battery, the battery exhibits a potential close to that of a hydrogen storage alloy electrode which is a negative electrode of a nickel hydrogen battery, and has a larger theoretical capacity. However, when a normal iron material is used, there is a problem that passivation occurs on the particle surface and charging and discharging can not be performed. There are only a few cases that have been put to practical use in practice, but the gas generated during charge and discharge needs to be released to the outside, and it is necessary to add electrolytes, and maintenance and durability are difficult. It has not spread.

鉄電極以外には、酸化亜鉛を用いた亜鉛電極が提案されている。亜鉛電極を電池に用いた場合には、より高いエネルギー密度を持つ電池を形成することができる。しかしながら、酸化亜鉛がアルカリ電解液に溶解しやすく、溶出した亜鉛イオンが充電時に還元される際に針状亜鉛(デンドライト)が生成し、これがセパレータを貫通して短絡を引き起こすなどの問題があり、やはり実用化が難しい。   Besides iron electrodes, zinc electrodes using zinc oxide have been proposed. When a zinc electrode is used in a battery, a battery with higher energy density can be formed. However, zinc oxide is easily dissolved in an alkaline electrolyte, and needle zinc (dendrite) is formed when the eluted zinc ions are reduced during charging, which causes problems such as penetration of the separator to cause a short circuit. After all, practical application is difficult.

他方で、ジルコン酸化合物とポリビニルアルコールが化学結合した無機/有機ハイブリッド化合物をベースとしたものが、ニッケル水素電池などアルカリ電池に使用することができ、水酸化物イオン伝導性を持つために固体でありながら電解質としての役割を担ったり、その他さまざまな機能を付与したりできるということが開示されている(特許文献2、3、4および5参照)。例えば、これらの無機/有機ハイブリッド化合物を適用すれば、ニッケル水素電池の電解液量減量に寄与したり、短絡防止機能によってセパレータを薄型化したりすることができる。また、特許文献2および3によれば、これら無機/有機ハイブリッド化合物は、アルカリ水溶液に浸漬する処理、すなわちアルカリ水溶液を吸収させる処理を施すことで、高い水酸化物イオン伝導性が得られることも開示されている。   On the other hand, those based on inorganic / organic hybrid compounds in which a zirconate compound and polyvinyl alcohol are chemically bonded can be used for alkaline batteries such as nickel hydrogen batteries, and are solid because they have hydroxide ion conductivity. It is disclosed that it can play a role as an electrolyte, or can provide various other functions (see Patent Documents 2, 3, 4 and 5). For example, by applying these inorganic / organic hybrid compounds, it is possible to contribute to the decrease in the amount of electrolyte solution of the nickel hydrogen battery, and to thin the separator by the short circuit preventing function. Further, according to Patent Documents 2 and 3, these inorganic / organic hybrid compounds can be subjected to a treatment of immersing in an alkaline aqueous solution, that is, a treatment of absorbing an alkaline aqueous solution to obtain high hydroxide ion conductivity. It is disclosed.

このジルコン酸化合物とポリビニルアルコールが化学結合した無機/有機ハイブリッド化合物を得る方法としては、特許文献2および3には、ポリビニルアルコールが共存する溶液中でジルコニウム塩またはオキシジルコニウム塩を中和し、溶媒を除去する方法が開示されている。また、特許文献4および5には、予めジルコニウム塩またはオキシジルコニウム塩とポリビニルアルコールが共存する固形物を形成しておき、その固形物をアルカリに接触させてジルコニウム塩またはオキシジルコニウム塩を中和する方法が開示されている。   As a method of obtaining an inorganic / organic hybrid compound in which the zirconate compound and the polyvinyl alcohol are chemically bonded, Patent Documents 2 and 3 disclose that a zirconium salt or an oxyzirconium salt is neutralized in a solution in which polyvinyl alcohol coexists, A method of removing is disclosed. Further, in Patent Documents 4 and 5, a solid in which a zirconium salt or an oxyzirconium salt and a polyvinyl alcohol coexist is previously formed, and the solid is brought into contact with an alkali to neutralize the zirconium salt or the oxyzirconium salt. A method is disclosed.

特開2014−049210号公報JP, 2014-049210, A 特許第3848882号明細書Patent No. 3848882 Specification 特許第4081343号明細書Patent No. 4081343 特許第5095249号明細書Patent No. 5095249 specification 特許第4871225号明細書Patent No. 4871225 specification

メモリ効果のように、使用した条件によって電池電圧のカーブが変化すると、電池制御上の問題を生じる。電池の使用電圧範囲を設定した場合、例えば十分放電しきっていない状態でも放電限界と判断されたり、十分充電しきっていない状態でも充電終了と判断されたりして、本来の容量が十分使用できないという問題が起こる。ハイブリッド車などでは特に、常時中間的な充電状態で小幅な充放電を繰り返す使い方がされるためメモリ効果が出やすく、メモリ効果で電圧が変化してしまうと電圧から充電状態を把握することが難しくなり、あるいは電圧をある基準電圧に制御することで充電状態を基準状態に戻す作業も困難になる。従って、電池の使用に余裕を持たせるために、使用電圧範囲を無難な範囲に狭めるなど、本来の電池能力を十分に活かさない使用条件となってしまっている。このため自動車用途では、特にメモリ効果抑制は重要となる。   As in the memory effect, if the curve of the battery voltage changes depending on the conditions used, it causes problems in battery control. When the working voltage range of the battery is set, for example, even if the battery is not fully discharged, it may be judged as the discharge limit, or even if it is not sufficiently charged, the charge may be ended. Happens. Especially in a hybrid car, it is easy to use memory effect because it is used repeatedly in small charge and discharge in the middle charge state at all times, and it is difficult to grasp the charge state from the voltage if the voltage changes due to the memory effect By controlling the voltage to a certain reference voltage, it becomes difficult to return the charge state to the reference state. Therefore, in order to allow the use of the battery, the use voltage range has been narrowed to a safe range, and the use condition has been such that the original battery capacity is not sufficiently utilized. For this reason, memory effect suppression is particularly important in automotive applications.

ところで、このメモリ効果の現象の中核である層間の拡張・収縮および層間物質の挿入・離脱などの遅い過程が存在することは、結局電極活物質にいろいろな物質状態(物質種)が存在してしまうことを意味し、充放電電圧カーブの平坦性を悪くすることになる。すなわち、放電しやすい物質はより高い電圧で放電され、放電しにくい状態の物質はより低い電圧で放電されるため、結果として放電中に大きく電圧が変化する。また、充電しやすい物質はより低い電圧で充電され、充電しにくい状態の物質はより高い電圧で充電されるため、結果として充電中に大きく電圧が変化する。充放電電圧カーブの平坦性が悪いことは、放電末期での放電特性の低下、充電末期での充電効率の低下、貯蔵エネルギー利用効率の低下などを招く。従来のニッケル極活物質は、層状結晶が成長しており、層間の強度合いの異なる物質状態(物質種)が存在するため、充放電電圧カーブの平坦性はよくない。   By the way, the existence of slow processes such as expansion / contraction between layers and insertion / extraction of interlayer materials, which is the core of the phenomenon of the memory effect, means that various substance states (substance types) exist in the electrode active material. This means that the flatness of the charge / discharge voltage curve is deteriorated. That is, a substance susceptible to discharge is discharged at a higher voltage, and a substance in a state difficult to discharge is discharged at a lower voltage, resulting in a large change in voltage during the discharge. Also, materials that are easy to charge are charged at lower voltages, and materials that are difficult to charge are charged at higher voltages, resulting in large voltage changes during charging. Poor flatness of the charge / discharge voltage curve leads to a decrease in discharge characteristics at the end of discharge, a decrease in charge efficiency at the end of charge, a decrease in stored energy utilization efficiency, and the like. In the conventional nickel electrode active material, a layered crystal is grown, and there is a material state (material type) with different strengths between layers, so the flatness of the charge / discharge voltage curve is not good.

ハイブリッド車などでは、電池は小幅な充放電を繰り返す使われ方をするが、充放電量の収支を細かく積算していけば、本来その時点での充電状態を把握できるはずである。しかし、充電効率が100%では無かったり、使用中に自己放電が起こったりすれば、実際の充電状態は充放電積算容量から予測したものとずれていく。従って、使用していくうちに充電状態が徐々にずれていくことで電圧は変化していく。このこともまた、電池の制御を難しくする。
その際、もし充放電電圧カーブが平坦であれば、充電状態のずれによる電圧変化も少なくてすむことになる。また、充電状態のずれによる電圧変化は、時々電圧を基準値に制御し、充電状態を基準状態に戻すことで、ずれを戻すことができる。
In hybrid vehicles, batteries are used in a manner that repeats small amounts of charge and discharge, but if the balance of charge and discharge amounts is finely integrated, it should be possible to grasp the charge state at that time. However, if the charge efficiency is not 100% or self discharge occurs during use, the actual charge state deviates from that predicted from the charge / discharge integrated capacity. Therefore, the voltage changes as the state of charge gradually shifts during use. This again makes the control of the battery difficult.
At that time, if the charge / discharge voltage curve is flat, the voltage change due to the deviation of the charge state can be reduced. In addition, the voltage change due to the deviation of the charge state can sometimes be returned by controlling the voltage to the reference value and returning the charge state to the reference state.

しかし、従来のニッケル極活物質は、充放電電圧カーブが平坦ではないため、電圧が大きく変化する。また、従来のニッケル極を使用した電池はメモリ効果が大きいため、電圧を基準値に制御しても、充電状態が意図した基準状態に戻っている保証はない。
前述した通り、ニッケル水素電池のメモリ効果は、正極の水酸化ニッケルあるいはオキシ水際化ニッケルの層状構造に起因する。正極においては、放電されてニッケル原子が二価あるいはそれに近い状態にある場合には、層間の閉じたβ−Ni(OH)相が熱力学的に安定であるが、充電されてニッケルがより高い価数になると、ニッケル原子の高電場を緩和するために層間が開き、そこに誘電率の高い水分子などが挿入されている状態がむしろ熱力学的に安定である。従って、本来は充放電に伴って層間の拡張・収縮および層間物質の挿入・離脱が進行するはずであるが、この過程は大きな水分子の層内移動が伴うなど非常に遅い。
However, in the conventional nickel electrode active material, since the charge / discharge voltage curve is not flat, the voltage changes significantly. Further, since the battery using the conventional nickel electrode has a large memory effect, there is no guarantee that the state of charge returns to the intended reference state even if the voltage is controlled to the reference value.
As described above, the memory effect of the nickel hydrogen battery is due to the layered structure of the nickel hydroxide or oxyhydroxide nickel of the positive electrode. In the positive electrode, when the nickel atom is discharged and the nickel atom is in the divalent or near state, the closed β-Ni (OH) 2 phase between the layers is thermodynamically stable but the nickel is charged more At high valences, the layers are opened to relieve the high electric field of the nickel atom, and the state in which water molecules having a high dielectric constant are inserted therein is rather thermodynamically stable. Therefore, expansion / contraction between layers and intercalation / desorption of interlayer materials should normally proceed with charge and discharge, but this process is very slow, such as large intramolecular migration of water molecules.

従って、例えば深い充放電を行ない比較的短時間に充電状態が大きく変化する使い方をした場合には、層間の拡張・収縮および層間物質の挿入・離脱が完全には追従できず、中間的な準安定状態でニッケルの価数だけが大きく変化することになる。そしてこのような深い充放電を行なった場合のニッケル極充放電電位と、層間の拡張・収縮および層間物質の挿入・離脱が十分に起こっている時の電位にはかなり違いがある。一方、小幅な充放電しか行なわれなかった場合、充電状態の変化は少なく、さらに電極中の充放電反応が起こりやすい場所と起こりにくい場所があると、充放電反応の起こりやすい場所に反応が集中し、反応が起こりにくい場所はさらに充電状態が変化しないことになる。このようにして、ニッケル極活物質の反応が起こりにくい部分では、層間の拡張・収縮および層間物質の挿入・離脱によって安定な状態に移行する時間的余裕が与えられる。その場合、ニッケル極電位は深い充放電を行なった時と異なっていく。このように、充放電の内容によってニッケル極電位が異なることから、メモリ効果を生じる。   Therefore, for example, when deep charging and discharging are performed and the state of charge largely changes in a relatively short time, expansion / contraction between layers and insertion / release of interlayer substances can not be completely followed, and an intermediate quasi In the steady state, only the valence of nickel changes significantly. There is a significant difference between the charge and discharge potential of the nickel electrode when such deep charge and discharge is performed and the potential when expansion and contraction of the layer and insertion and detachment of the interlayer material occur sufficiently. On the other hand, when only a small amount of charge and discharge is performed, the change in the charge state is small, and if there are places in the electrode where charge and discharge reactions are likely to occur and places where it is unlikely to occur, reactions are concentrated at places where charge and discharge reactions are likely to occur. In places where reaction is unlikely to occur, the state of charge will not change further. In this way, in the portion where the reaction of the nickel electrode active material is less likely to occur, the time for transition to a stable state is given by expansion / contraction between layers and insertion / removal of interlayer material. In that case, the nickel electrode potential is different from when deep charging and discharging are performed. Thus, since the nickel electrode potential is different depending on the contents of charge and discharge, a memory effect is produced.

メモリ効果がこのようなメカニズムで生じているとすると、特許文献1のように、水酸化ニッケルに3価以上の価数の高いカチオンを導入して2価のカチオンを少なくし層間を閉じない状況にできれば、メモリ効果を抑制できる可能性があると考えられる。しかしながら、層間を閉じないようにするために3価以上のカチオンを相当な量を固溶する必要があるが、従来の電池用水酸化ニッケルは、球状高密度化のために熟成工程を経ていることから、高度に結晶化され、むしろ水酸化ニッケルの純度が高くなる方に進んでいるので、異種カチオンの固容量には限界がある。
一方、熟成工程を経ずに、3価以上のカチオンを多量に固溶できても、それらは充放電には寄与しない成分であり、ニッケル極の容量を大きく減少させる。
また、価数の高いカチオンを導入する方法は、低充電側で層間が閉じることを抑制できるが、高充電側で層間が大きく開くことを防止するのは難しい。
従って、特許文献1のような方法でメモリ効果を十分抑制することはできない。
Assuming that the memory effect is caused by such a mechanism, as in Patent Document 1, a situation in which a cation having a valence of 3 or more is introduced into nickel hydroxide to reduce divalent cations and not close the interlayer. If it is possible, it may be possible to suppress the memory effect. However, in order to prevent the interlayer from being closed, it is necessary to form a solid solution of a trivalent or higher cation, but the conventional nickel hydroxide for a battery is subjected to a ripening step for the purpose of spherical densification. Thus, there is a limit to the solid capacity of the different cations, as it is highly crystallized and proceeds to the higher purity of nickel hydroxide.
On the other hand, even if trivalent or higher cations can be solid-solved in large amounts without undergoing the aging step, they are components that do not contribute to charge and discharge, and the capacity of the nickel electrode is greatly reduced.
Moreover, although the method of introduce | transducing the cation with high valence can suppress that an interlayer closes by the low charge side, it is difficult to prevent that an interlayer opens large by the high charge side.
Therefore, the memory effect can not be sufficiently suppressed by the method as in Patent Document 1.

これに対し、理論上、水酸化ニッケルあるいはオキシ水酸化ニッケルが、結晶性の非常に低い、よりランダムな構造、あるいはアモルファスであれば、層構造が完全に安定な状態には移行できず、メモリ効果を現れにくくすることができる。さらに、例えばナノ粒子のように微細な粒子であれば、安定な層構造を形成し得ないため、より根本的にメモリ効果を抑止することができる。   On the other hand, theoretically, if nickel hydroxide or nickel oxyhydroxide has a very low crystallinity, more random structure, or an amorphous structure, the layer structure can not shift to a completely stable state, and memory The effect can be made hard to appear. Furthermore, for example, fine particles such as nanoparticles can not form a stable layer structure, so that the memory effect can be more fundamentally suppressed.

低結晶性、アモルファスあるいはナノ粒子のような微粒子である水酸化ニッケル、オキシ水酸化ニッケルまたはそれらの誘導体を含む電池用活物質は、例えば、ニッケル塩を原料として水酸化ニッケルを液相中で沈殿させる一般的な方法により製造することはできない。特に、前述通り従来の一般的な電池用水酸化ニッケルは、熟成工程を経て、層状結晶がより成長したものでる。そのため、十分に低結晶性、アモルファスあるいはナノ粒子のような微粒子である水酸化ニッケル、オキシ水酸化ニッケルまたはそれらの誘導体は、特別な製法の工夫がなければそれらを実現することは難しい。
また、仮にある程度の低結晶性、アモルファスあるいは微粒子ができたとしても、これらの物質は元々不安定であり、より安定な結晶へと変化していき、ナノ粒子のような微粒子は凝集するとともに、さらには成長していきやすい。例えば、ナノ粒子のような微粒子は、凝集を防止するために液体の中に保存されるケースが多いが、電極化する際にはいずれ凝集が起こってしまう。低結晶性あるいはアモルファスの電極活物質も充放電、すなわち酸化反応と還元反応のような激しい物質変化を繰り返すうちに、結晶化が進む場合もある。
The battery active material containing nickel hydroxide, nickel oxyhydroxide or derivatives thereof which are fine particles such as low crystallinity, amorphous or nanoparticles, for example, precipitates nickel hydroxide in a liquid phase using a nickel salt as a raw material It can not be manufactured by the general method of In particular, as described above, the conventional general nickel hydroxide for battery is one in which a layered crystal is more grown through the aging step. Therefore, it is difficult to realize nickel hydroxide, nickel oxyhydroxide or their derivatives, which are particles of sufficiently low crystallinity, amorphous or nanoparticles such as nanoparticles, without special manufacturing methods.
Also, even if a certain degree of low crystallinity, amorphous or fine particles are produced, these substances are originally unstable and change to more stable crystals, and fine particles such as nanoparticles aggregate. Furthermore, it is easy to grow. For example, fine particles such as nanoparticles are often stored in a liquid in order to prevent aggregation, but aggregation will occur at the time of electrode formation. In some cases, crystallization may be progressed while the low crystalline or amorphous electrode active material is repeatedly charged / discharged, that is, while it is undergoing a violent substance change such as an oxidation reaction and a reduction reaction.

しかしながら、本発明者らが鋭意検討した結果、生成した微粒子を別の安定な物質と共存させることにより、微粒子の凝集や成長を防止し、低結晶性、アモルファスあるいはナノ粒子のような微粒子を安定的に維持できることがわかった。具体的には、電極作動電位範囲において酸化還元反応を起こさず、電解液の強アルカリに対する耐性を有するポリマーと、水酸化ニッケル、オキシ水酸化ニッケルまたはそれらの誘導体の微粒子とを共存させることにより、低結晶性、アモルファスあるいはナノ粒子のような微粒子である水酸化ニッケル、オキシ水酸化ニッケルまたはそれらの誘導体を含む正極活物質が得られることがわかった。
しかし、このような正極活物質は、電子伝導性について改善すべき点があると考えられる。Ni(OH)とNiOOHは基本的にいずれも単独での電子伝導性は極めて低く、文献に依れば前者が常温で10−12S/cm程度、後者が10−8S/cm程度である。ここで、絶縁性ポリマーを混入するとより電子伝導性が下がることが予想される。
However, as a result of intensive studies by the present inventors, by causing the produced fine particles to coexist with another stable substance, the aggregation and growth of the fine particles are prevented, and the low crystalline, amorphous or fine particles such as nanoparticles are stabilized. It turned out that it can maintain. Specifically, by causing a polymer having resistance to a strong alkali of the electrolytic solution without causing a redox reaction in the electrode working potential range and fine particles of nickel hydroxide, nickel oxyhydroxide or derivatives thereof, It has been found that a positive electrode active material containing nickel hydroxide, nickel oxyhydroxide, or derivatives thereof which are fine particles such as low crystallinity, amorphous or nanoparticles is obtained.
However, such a positive electrode active material is considered to have points to be improved with respect to the electron conductivity. Basically, the electron conductivity of both Ni (OH) 2 and NiOOH is extremely low, and according to the literature, the former is about 10 -12 S / cm at room temperature and the latter is about 10 -8 S / cm. is there. Here, it is expected that the incorporation of the insulating polymer lowers the electron conductivity.

一方、鉄元素を負極に使用する場合、アルカリ雰囲気下で安定な不動態であるFe(OH)を形成することが負極として使用するにあたり大きな問題となる。この不動態化を防ぐため、硫黄等のカルコゲナイド元素を添加する方法が報告されているが、それらの元素の溶出により電池の活物質が被毒される可能性があり、推奨されない。 On the other hand, in the case of using an iron element for the negative electrode, the formation of stable passive Fe (OH) 2 in an alkaline atmosphere is a major problem in using it as the negative electrode. Although methods of adding chalcogenide elements such as sulfur have been reported in order to prevent this passivation, the elution of those elements may poison the active material of the battery and is not recommended.

これに対し、理論上、水酸化鉄あるいは純鉄が、結晶性の非常に低い、よりランダムな構造、あるいはアモルファスであれば、粒子表面が完全に安定な状態には移行できず、不動態を形成しにくくすることができる。さらに、例えばナノ粒子のように微細な粒子であれば、安定構造が形成し得ないため、より効果的に不動態の形成を抑止することができる。   On the other hand, theoretically, if iron hydroxide or pure iron has a very low crystallinity, a more random structure, or an amorphous structure, the particle surface can not shift to a completely stable state, and passivity is It can be difficult to form. Furthermore, if the particles are as fine as, for example, nanoparticles, stable structures can not be formed, and thus passive formation can be more effectively suppressed.

しかしながら、従来の一般的な電池用水酸化鉄は小さいものでもミクロンレベルの粒径状であり、十分に低結晶性、アモルファスあるいはナノ粒子のような微粒子である水酸化鉄、オキシ水酸化鉄またはそれらの誘導体は、上記水酸化ニッケル等と同様に、特別な製法の工夫がなければそれらを実現することは難しい。   However, conventional general iron hydroxides for batteries are small in particle size even at the micron level, and iron hydroxide, iron oxyhydroxide or their particles which are sufficiently low in crystallinity, amorphous or nanoparticles such as nanoparticles. Similar to the above-mentioned nickel hydroxide and the like, it is difficult to realize their derivatives without special manufacturing methods.

しかしながら、本発明者らが鋭意検討した結果、生成した微粒子を別の安定な物質と共存させることにより、微粒子の凝集や成長を防止し、低結晶性、アモルファスあるいはナノ粒子のような微粒子を安定的に維持できることがわかった。具体的には、電極作動電位範囲において酸化還元反応を起こさず、電解液の強アルカリに対する耐性を有するポリマーと、水酸化鉄、オキシ水酸化鉄またはそれらの誘導体の微粒子とを共存させることにより、低結晶性、アモルファスあるいはナノ粒子のような微粒子である水酸化鉄、オキシ水酸化鉄またはそれらの誘導体を含む負極活物質が得られることがわかった。   However, as a result of intensive studies by the present inventors, by causing the produced fine particles to coexist with another stable substance, the aggregation and growth of the fine particles are prevented, and the low crystalline, amorphous or fine particles such as nanoparticles are stabilized. It turned out that it can maintain. Specifically, by causing a polymer having resistance to a strong alkali of the electrolytic solution without causing a redox reaction in the electrode working potential range and fine particles of iron hydroxide, iron oxyhydroxide or derivatives thereof, It has been found that a negative electrode active material containing iron hydroxide, iron oxyhydroxide or derivatives thereof which are fine particles such as low crystallinity, amorphous or nanoparticles is obtained.

しかし、このような負極活物質は、電子伝導性について改善すべき点があると考えられる。Fe(OH)は基本的に単独での電子伝導性は極めて低く、文献に依れば前者が常温で10−12S/cm程度である。ここにさらに絶縁性ポリマーを混入するとより電子伝導性が下がることが予想される。 However, such a negative electrode active material is considered to have a point to be improved with respect to the electron conductivity. Basically, the electron conductivity of Fe (OH) 2 alone is extremely low, and according to the literature, the former is approximately 10 -12 S / cm at room temperature. It is expected that the electronic conductivity will be further reduced by further incorporating an insulating polymer here.

以上において鉄元素について記載したが、亜鉛元素でもデンドライト防止に対し同様のことが言え、本発明者らが鋭意検討した結果、生成した微粒子を別の安定な物質と共存させることにより、微粒子の凝集や成長を防止し、低結晶性、アモルファスあるいはナノ粒子のような微粒子を安定的に維持できることがわかった。具体的には、電極作動電位範囲において酸化還元反応を起こさず、電解液の強アルカリに対する耐性を有するポリマーと、酸化亜鉛の微粒子とを共存させることにより、低結晶性、アモルファスあるいはナノ粒子のような微粒子である酸化亜鉛を含む負極活物質が得られることがわかった。
このような負極活物質についても同様に、電子伝導性について改善すべき点があると考えられる。
Although the iron element has been described above, the same can be said for the prevention of dendrite even with zinc element, and as a result of intensive investigations by the present inventors, aggregation of the microparticles is achieved by causing the produced microparticles to coexist with another stable substance. It has been found that it is possible to prevent growth and stably maintain fine particles such as low crystallinity, amorphous or nanoparticles. Specifically, by causing a polymer having resistance to a strong alkali of an electrolytic solution without causing a redox reaction in the electrode working potential range and fine particles of zinc oxide to coexist, it is low in crystallinity, amorphous or like nanoparticles. It has been found that a negative electrode active material containing zinc oxide, which is a fine particle, can be obtained.
It is considered that there is a point to be improved with respect to the electron conductivity also for such a negative electrode active material.

そこで本発明は、ニッケル系二次電池の活物質が有する種々の改善点を克服した、ニッケル系二次電池を提供することを目的とする。   Then, an object of the present invention is to provide a nickel-based secondary battery which overcomes various improvement points of the active material of the nickel-based secondary battery.

ここに開示されるニッケル系二次電池は、正極、負極、および電解液を備える。当該ニッケル系二次電池は、以下の条件(A)および(B)のいずれか一方または両方を満たす。
(A)正極が、水酸化ニッケル、オキシ水酸化ニッケル、およびそれらの誘導体から選ばれる少なくとも一種を含む正極活物質、および当該正極活物質中に分散している電子伝導材を含み、前記正極活物質が水酸化ニッケルを含む状態となったときの、CuKα線を利用した粉末X線回折法で得られた回折強度−回折角図において、水酸化ニッケルの結晶001面に対応する回折ピーク強度の半値幅が2(2θ°)以上であるか、回折ピークが無い。
(B)負極が、水酸化鉄、オキシ水酸化鉄、酸化亜鉛、およびそれらの誘導体から選ばれる少なくとも一種を含む負極活物質、および当該負極活物質中に分散している電子伝導材を含み、前記負極活物質が水酸化鉄または酸化亜鉛を含む状態となったときの、CuKα線を利用した粉末X線回折法で得られた回折強度−回折角図において、水酸化鉄または酸化亜鉛の結晶001面に対応する回折ピーク強度の半値幅が2(2θ°)以上であるか、回折ピークが無い。
The nickel-based secondary battery disclosed herein comprises a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte. The nickel-based secondary battery satisfies one or both of the following conditions (A) and (B).
(A) The positive electrode includes a positive electrode active material containing at least one selected from nickel hydroxide, nickel oxyhydroxide, and derivatives thereof, and an electron conductive material dispersed in the positive electrode active material; In the diffraction intensity-diffraction angle diagram obtained by the powder X-ray diffraction method using CuKα ray when the substance is in the state containing nickel hydroxide, the diffraction peak intensity corresponding to the crystal 001 plane of nickel hydroxide The half width is 2 (2θ °) or more, or there is no diffraction peak.
(B) The negative electrode includes a negative electrode active material containing at least one selected from iron hydroxide, iron oxyhydroxide, zinc oxide, and derivatives thereof, and an electron conductive material dispersed in the negative electrode active material, In the diffraction intensity-diffraction angle diagram obtained by the powder X-ray diffraction method using CuKα radiation when the negative electrode active material contains iron hydroxide or zinc oxide, crystals of iron hydroxide or zinc oxide The half value width of the diffraction peak intensity corresponding to the 001 plane is 2 (2θ °) or more, or there is no diffraction peak.

このような構成によれば、ニッケル系二次電池の活物質が有する種々の改善点を克服した、ニッケル系二次電池を提供することができる。
具体的には、ニッケル系二次電池が条件(A)を満たす場合、正極活物質が水酸化ニッケルを含む状態となったときの、CuKα線を利用した粉末X線回折法で得られた回折強度−回折角図において、水酸化ニッケルの結晶001面に対応する回折ピーク強度の半値幅が2(2θ°)以上であるか、回折ピークが無いことは、水酸化ニッケル、オキシ水酸化ニッケルまたはそれらの誘導体が、実際に、十分に低結晶性、アモルファスあるいはナノ粒子のような微粒子の状態となっていることを表すので、メモリ効果が抑制され、平坦な充放電電位カーブが得られる。また、正極は、電子伝導材を含むため、電子伝導性も良好となる。
ニッケル系電池が条件(B)を満たす場合であって、負極が鉄電極である場合には、負極活物質が水酸化鉄を含む状態となったときの、CuKα線を利用した粉末X線回折法で得られた回折強度−回折角図において、水酸化鉄の結晶001面に対応する回折ピーク強度の半値幅が2(2θ°)以上であるか、回折ピークが無いことは、水酸化鉄、オキシ水酸化鉄またはそれらの誘導体が、実際に、十分に低結晶性、アモルファスあるいはナノ粒子のような微粒子の状態となっていることを表すので、不動態の形成を抑制することができる。また、負極は、電子伝導材を含むため、電子伝導性も良好となる。
ニッケル系電池が条件(B)を満たす場合であって、負極が亜鉛電極である場合には、負極活物質が酸化亜鉛を含む状態となったときの、CuKα線を利用した粉末X線回折法で得られた回折強度−回折角図において、酸化亜鉛の結晶001面に対応する回折ピーク強度の半値幅が2(2θ°)以上であるか、回折ピークが無いことは、酸化亜鉛またはその誘導体が、実際に、十分に低結晶性、アモルファスあるいはナノ粒子のような微粒子の状態となっていることを表すので、デンドライトの生成を抑制することができる。また、負極は、電子伝導材を含むため、電子伝導性も良好となる。
According to such a configuration, it is possible to provide a nickel-based secondary battery that overcomes various improvements in the active material of the nickel-based secondary battery.
Specifically, when a nickel-based secondary battery satisfies the condition (A), diffraction obtained by powder X-ray diffraction using CuKα rays when the positive electrode active material contains nickel hydroxide In the intensity-diffraction angle diagram, the half value width of the diffraction peak intensity corresponding to the crystal 001 plane of nickel hydroxide is 2 (2θ °) or more, or that there is no diffraction peak, nickel hydroxide, nickel oxyhydroxide or The memory effect is suppressed and a flat charge / discharge potential curve can be obtained, since it indicates that the derivatives are actually in the state of fine particles such as low crystallinity, amorphous or nanoparticles. In addition, since the positive electrode contains an electron conductive material, the electron conductivity also becomes good.
In the case where the nickel-based battery satisfies the condition (B) and the negative electrode is an iron electrode, powder X-ray diffraction using CuKα radiation when the negative electrode active material contains iron hydroxide In the diffraction intensity-diffraction angle diagram obtained by the method, the half value width of the diffraction peak intensity corresponding to the crystal 001 plane of iron hydroxide is 2 (2θ °) or more, or there is no diffraction peak. Since the iron oxyhydroxide or a derivative thereof actually represents a sufficiently low crystalline, amorphous or fine particle state such as nanoparticles, the formation of passive state can be suppressed. In addition, since the negative electrode contains an electron conductive material, the electron conductivity also becomes good.
In the case where the nickel-based battery satisfies the condition (B), and the negative electrode is a zinc electrode, powder X-ray diffraction method using CuKα radiation when the negative electrode active material becomes a state containing zinc oxide In the diffraction intensity-diffraction angle diagram obtained in 2, the half-width of the diffraction peak intensity corresponding to the crystal 001 plane of zinc oxide is 2 (2θ °) or more, or there is no diffraction peak. In fact, it indicates that the particles are sufficiently low in crystallinity, amorphous, or in the form of fine particles such as nanoparticles, so that the formation of dendrite can be suppressed. In addition, since the negative electrode contains an electron conductive material, the electron conductivity also becomes good.

本発明の一実施形態に係るニッケル系二次電池の構成を模式的に示す部分透視図である。FIG. 1 is a partial perspective view schematically showing a configuration of a nickel-based secondary battery according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係るニッケル系二次電池の正負極およびセパレータの積層状態を模式に示す図である。It is a figure which shows typically the lamination | stacking state of the positive / negative electrode of the nickel type secondary battery which concerns on one Embodiment of this invention, and a separator. 本発明の一実施形態に係るニッケル系二次電池の正極の一例を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically an example of the positive electrode of the nickel-type secondary battery which concerns on one Embodiment of this invention. 好適な製造方法により製造される本発明の一実施形態の条件(A)を満たす正極活物質の一例のX線回折法で得られる回折強度−回折角図である。It is a diffraction intensity-diffraction angle figure obtained by the X-ray-diffraction method of an example of the positive electrode active material which satisfy | fills conditions (A) of one embodiment of this invention manufactured by a suitable manufacturing method. 従来の製造方法により製造される正極活物質のX線回折法で得られる回折強度−回折角図である。It is a diffraction intensity-diffraction angle figure obtained by the X-ray-diffraction method of the positive electrode active material manufactured by the conventional manufacturing method.

以下、図面を参照しながら、本発明による実施の形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄(例えば、本発明を特徴付けないニッケル系二次電池の一般的な構成および製造プロセス)は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。また、以下の図面においては、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明している。また、各図における寸法関係(長さ、幅、厚さ等)は実際の寸法関係を反映するものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The matters other than those specifically mentioned in the specification and necessary for the practice of the present invention (for example, the general configuration and manufacturing process of a nickel-based secondary battery which do not characterize the present invention) This can be understood as a design matter of a person skilled in the art based on prior art in the field. The present invention can be implemented based on the contents disclosed in the present specification and common technical knowledge in the field. Moreover, in the following drawings, the same code | symbol is attached | subjected and demonstrated to the member and site | part which show the same effect | action. In addition, dimensional relationships (length, width, thickness, etc.) in the drawings do not reflect actual dimensional relationships.

なお、本明細書において「二次電池」とは、繰り返し充放電可能な蓄電デバイス一般をいい、いわゆる蓄電池ならびに電気二重層キャパシタ等の蓄電素子を包含する用語である。また、「ニッケル系二次電池」とは、正極の正極活物質に、水酸化ニッケル、オキシ水酸化ニッケルまたはそれらの誘導体を用いた二次電池全般をいい、ニッケル水素二次電池、ニッケル鉄二次電池、ニッケル亜鉛二次電池等を含む用語である。   In the present specification, the term "secondary battery" refers to a storage device in general that can be repeatedly charged and discharged, and is a term including storage devices such as so-called storage batteries and electric double layer capacitors. In addition, "nickel-based secondary battery" refers to any secondary battery using nickel hydroxide, nickel oxyhydroxide or a derivative thereof as the positive electrode active material of the positive electrode, a nickel-hydrogen secondary battery, a nickel-iron secondary battery It is a term that includes batteries, nickel zinc secondary batteries, and the like.

図1は、本実施形態に係るニッケル系二次電池100の構成を模式的に示す部分透視図である。ニッケル系二次電池100は、蓋体42を含むケース40を備える。ニッケル系二次電池100は、正極10、負極20、およびセパレータ30を有しており、これらはケース40に収容されている。正極10は、正極集電部材12を介して正極端子14に接続されている。負極20も、負極集電部材(図示せず)を介して負極端子(図示せず)に接続されている。蓋体42のケース内部側には、ガスケット50が設けられており、さらにスペーサ60が設けられている。ケース40には、電解液(図示せず)が収容されている。   FIG. 1 is a partial perspective view schematically showing a configuration of a nickel-based secondary battery 100 according to the present embodiment. The nickel-based secondary battery 100 includes a case 40 including a lid 42. The nickel-based secondary battery 100 has a positive electrode 10, a negative electrode 20, and a separator 30, which are housed in a case 40. The positive electrode 10 is connected to the positive electrode terminal 14 via the positive electrode current collecting member 12. The negative electrode 20 is also connected to a negative electrode terminal (not shown) via a negative electrode current collector (not shown). A gasket 50 is provided on the case inner side of the lid 42, and a spacer 60 is further provided. The case 40 contains an electrolytic solution (not shown).

図2は、本実施形態に係るニッケル系二次電池100の正極10、負極20、およびセパレータ30の構成を模式に示す図である。複数の正極10および複数の負極20が交互に積層されており、一枚のセパレータ30が、正極10と負極20とを絶縁するように、正極10および負極20の間に介在している。   FIG. 2 is a view schematically showing the configuration of the positive electrode 10, the negative electrode 20, and the separator 30 of the nickel-based secondary battery 100 according to the present embodiment. A plurality of positive electrodes 10 and a plurality of negative electrodes 20 are alternately stacked, and a single separator 30 is interposed between the positive electrode 10 and the negative electrode 20 so as to insulate the positive electrode 10 from the negative electrode 20.

本実施形態に係るニッケル系二次電池100において、正極10および負極20以外の構成は、従来のニッケル系二次電池と同様であってよい。例えば、セパレータ30には親水化処理した樹脂材料(例、スルホン化したポリプロピレン不織布等)を用いることができる。電解液には、水酸化カリウム等を含むアルカリ水溶液などを用いることができる。   In the nickel-based secondary battery 100 according to the present embodiment, the configuration other than the positive electrode 10 and the negative electrode 20 may be the same as that of the conventional nickel-based secondary battery. For example, for the separator 30, a resin material (eg, sulfonated polypropylene non-woven fabric, etc.) subjected to hydrophilization treatment can be used. An alkaline aqueous solution containing potassium hydroxide or the like can be used as the electrolytic solution.

正極10および負極20はそれぞれ、集電体と、当該集電体に保持された活物質とを有する。集電体は、従来のニッケル系二次電池と同様であってよく、活物質を保持できる金属製部材を用いることができ、多孔性の金属製部材が好適に用いられる。集電体に、孔を有していない金属製部材を用いることもできる。   The positive electrode 10 and the negative electrode 20 each have a current collector and an active material held by the current collector. The current collector may be similar to that of a conventional nickel-based secondary battery, and a metal member capable of holding an active material can be used, and a porous metal member is suitably used. It is also possible to use a metal member without holes for the current collector.

正負極の構成の一例として、図3に、本実施形態に係るニッケル系二次電池100の正極10の一例を模式的に示す。図3では、正極集電体16としてパンチングメタルが用いられており、正極10が略平板上になるように、パンチングメタルは扁平形状に捲回されている。正極活物質18は、正極集電体16の孔内に充填されている。また、正極活物質18は、正極集電体16の表面上にも保持されている。変形例として、パンチングメタルの孔を固体電解質が塞ぎ、正極活物質が正極集電体の表面上に保持されている正極もあり得る。   As an example of a structure of a positive / negative electrode, an example of the positive electrode 10 of the nickel-type secondary battery 100 which concerns on this embodiment in FIG. 3 is shown typically. In FIG. 3, a punching metal is used as the positive electrode current collector 16, and the punching metal is wound in a flat shape so that the positive electrode 10 is substantially flat. The positive electrode active material 18 is filled in the pores of the positive electrode current collector 16. The positive electrode active material 18 is also held on the surface of the positive electrode current collector 16. As a modification, there may be a positive electrode in which the hole of the punching metal is closed by the solid electrolyte and the positive electrode active material is held on the surface of the positive electrode current collector.

負極20の構成も図3と同様であってよい。すなわち、負極集電体にパンチングメタルが用いられており、負極20が略平板上になるように、パンチングメタルは扁平形状に捲回されている。負極活物質は、負極集電体の孔内に充填されている。また、負極活物質は、負極集電体の表面上にも保持されている。変形例として、パンチングメタルの孔を固体電解質が塞ぎ、負極活物質が負極集電体の表面上に保持されている負極もあり得る。   The configuration of the negative electrode 20 may be similar to that of FIG. That is, a punching metal is used for the negative electrode current collector, and the punching metal is wound in a flat shape so that the negative electrode 20 is substantially flat. The negative electrode active material is filled in the pores of the negative electrode current collector. The negative electrode active material is also held on the surface of the negative electrode current collector. As a modification, there may be a negative electrode in which the hole of the punching metal is closed by a solid electrolyte and the negative electrode active material is held on the surface of the negative electrode current collector.

本実施形態に係るニッケル系二次電池100は、以下の条件(A)および(B)のいずれか一方または両方を満たす。
(A)正極10が、水酸化ニッケル、オキシ水酸化ニッケル、およびそれらの誘導体から選ばれる少なくとも一種を含む正極活物質、および当該正極活物質中に分散している電子伝導材を含み、正極活物質が水酸化ニッケルを含む状態となったときの、CuKα線を利用した粉末X線回折法で得られた回折強度−回折角図において、水酸化ニッケルの結晶001面に対応する回折ピーク強度の半値幅が2(2θ°)以上であるか、回折ピークが無い。
(B)負極20が、水酸化鉄、オキシ水酸化鉄、酸化亜鉛、およびそれらの誘導体から選ばれる少なくとも一種を含む負極活物質、および当該負極活物質中に分散している電子伝導材を含み、負極活物質が水酸化鉄または酸化亜鉛を含む状態となったときの、CuKα線を利用した粉末X線回折法で得られた回折強度−回折角図において、水酸化鉄または酸化亜鉛の結晶001面に対応する回折ピーク強度の半値幅が2(2θ°)以上であるか、回折ピークが無い。
The nickel-based secondary battery 100 according to this embodiment satisfies one or both of the following conditions (A) and (B).
(A) The positive electrode 10 includes a positive electrode active material containing at least one selected from nickel hydroxide, nickel oxyhydroxide, and derivatives thereof, and an electron conductive material dispersed in the positive electrode active material, In the diffraction intensity-diffraction angle diagram obtained by the powder X-ray diffraction method using CuKα ray when the substance is in the state containing nickel hydroxide, the diffraction peak intensity corresponding to the crystal 001 plane of nickel hydroxide The half width is 2 (2θ °) or more, or there is no diffraction peak.
(B) The negative electrode 20 includes a negative electrode active material containing at least one selected from iron hydroxide, iron oxyhydroxide, zinc oxide, and derivatives thereof, and an electron conductive material dispersed in the negative electrode active material. In a diffraction intensity-diffraction angle diagram obtained by powder X-ray diffraction using CuKα radiation when the negative electrode active material contains iron hydroxide or zinc oxide, crystals of iron hydroxide or zinc oxide The half value width of the diffraction peak intensity corresponding to the 001 plane is 2 (2θ °) or more, or there is no diffraction peak.

まず、条件(A)について説明する。正極10に含まれる正極活物質は、電池作動時に酸化還元反応を起こす水酸化ニッケル、オキシ水酸化ニッケル、およびそれらの誘導体から選ばれる少なくとも一種を含んでいる(以下、水酸化ニッケル、オキシ水酸化ニッケル、またはそれらの誘導体を「ニッケル化合物」ということがある。)。これらのニッケル化合物は、化合物中に含まれるニッケル原子が2価以上のあらゆる価数であっていいが、電池作動時に酸化還元反応を起こすものであるため、電極作動電位範囲内においてニッケル原子の平均価数が変化する。これらの活物質が適用される電極は正極であるから、充放電において前述した(3)式、(4)式のような反応が起こるが、これらの反応式はあくまでも現れる物質種が簡略化された形で示されたものであり、実際にはニッケルの価数、水和数などが異なる様々な形をとり得る。なお、水酸化ニッケルおよびオキシ水酸化ニッケルの誘導体とは、水酸化ニッケルおよびオキシ水酸化ニッケルのニッケル元素の一部が他の金属元素(例、コバルト、アルミニウム、亜鉛、マンガン、タングステン、チタン、ニオブ、ルテニウム、金等)で置換された化合物のことをいう。他の金属元素による置換率は、20%以下であることが好ましい。   First, the condition (A) will be described. The positive electrode active material contained in the positive electrode 10 contains at least one selected from nickel hydroxide, nickel oxyhydroxide, and derivatives thereof which cause an oxidation-reduction reaction during battery operation (hereinafter, nickel hydroxide, oxyhydroxide) Nickel or derivatives thereof may be referred to as "nickel compounds". Although these nickel compounds may have any valence of 2 or more of nickel atoms contained in the compounds, since they cause an oxidation-reduction reaction during battery operation, the average of nickel atoms in the electrode operating potential range is The valence changes. Since the electrode to which these active materials are applied is the positive electrode, reactions such as the equations (3) and (4) described above occur in charge and discharge, but the species of these reaction equations are simplified to the last In fact, it may take various forms which differ in the valence number and hydration number of nickel. In addition, with nickel hydroxide and derivatives of nickel oxyhydroxide, part of nickel elements of nickel hydroxide and nickel oxyhydroxide is another metal element (eg, cobalt, aluminum, zinc, manganese, tungsten, titanium, niobium, etc. , Ruthenium, gold and the like). It is preferable that the substitution rate by other metal elements is 20% or less.

ニッケル化合物は、正極で使用する場合、(4)式に示した通り、放電された状態では水酸化ニッケルの状態になることができる。また、水酸化ニッケルが大気中で熱力学的に最も安定な状態であるため、活物質を作製する際には、主に水酸化ニッケルの形で作製される。すなわち、正極活物質は、いずれかの過程で水酸化ニッケルを含む状態をとり得る。   The nickel compound can be in the state of nickel hydroxide in the discharged state as shown in the formula (4) when it is used in the positive electrode. In addition, since nickel hydroxide is thermodynamically the most stable state in the atmosphere, it is mainly produced in the form of nickel hydroxide when producing an active material. That is, the positive electrode active material can be in a state of containing nickel hydroxide in any process.

正極活物質は、水酸化ニッケルを含む状態となったときの、CuKα線を利用した粉末X線回折法で得られた回折強度−回折角図において、水酸化ニッケルの結晶001面に対応する回折ピーク強度の半値幅が2(2θ°)以上であるか、回折ピークが無い。
回折強度−回折角図とは、粉末X線回折の結果として一般的に得られるものであり、回折角2θ°とX線のカウント数との関係を示すものである。物質が結晶性である場合、結晶面の規則的な積層によってX線の回折現象が起こり、結晶面の面間隔に対応するある特定の回折角においてX線のカウント数が著しく高くなり、回折強度−回折角図においてその回折角位置にシャープなピークが得られる。結晶面の積層の規則性が崩れている場合、あるいは粒子が小さく、結晶面の積層数が多くない場合、ピークは高さが低く幅の広いブロードなものとなるため、半値幅(回折ピークの頂点の高さの半分の位置でのピーク幅を2θの角度単位2θ°で表したもの)が大きくなる。また、完全なアモルファスあるいは物質が結晶を形成できないほど小さいナノ粒子などの微粒子の場合、本来その物質が結晶である場合にピークが生じるはずの回折角においても全く回折ピークが現れない。すなわち、半値幅は無限大となる。従って、半値幅はその物質の低結晶性、アモルファスあるいはナノ粒子のような微粒子の程度を表す尺度とみなすことができ、その値が大きいほど結晶性が低く、よりアモルファスあるいはより微粒子であることを示している。
したがって、水酸化ニッケルの結晶001面に対応する回折ピーク強度の半値幅が2(2θ°)以上であるか、回折ピークが無いことは、正極活物質である、水酸化ニッケル、オキシ水酸化ニッケルまたはそれらの誘導体が、十分に低結晶性、アモルファスあるいはナノ粒子のような微粒子の状態となっていることを表す。そしてこれにより、メモリ効果を抑止することができ、平坦な充放電電位カーブが得られる。本実施形態の条件(A)において、水酸化ニッケルの結晶001面に対応する回折ピーク強度の半値幅が4(2θ°)以上であるか、回折ピークが無いことがより好ましい。
The positive electrode active material is a diffraction intensity-diffraction angle diagram obtained by powder X-ray diffraction method using CuKα ray when it is in a state containing nickel hydroxide, a diffraction corresponding to the crystal 001 plane of nickel hydroxide The half width of the peak intensity is 2 (2θ °) or more, or there is no diffraction peak.
The diffraction intensity-diffraction angle diagram is generally obtained as a result of powder X-ray diffraction, and shows the relationship between the diffraction angle 2θ ° and the count number of X-rays. When the substance is crystalline, the regular stacking of crystal planes causes the diffraction phenomenon of X-rays, the count number of X-rays becomes extremely high at a specific diffraction angle corresponding to the plane spacing of crystal planes, and the diffraction intensity A sharp peak is obtained at the diffraction angle position in the diffraction angle diagram. If the order of stacking of crystal planes is broken, or if the particles are small and the number of stacking layers of crystal planes is not large, the peak has a low height and a broad broad band, so the half width (diffraction peak The peak width at half the height of the apex is represented by the angular unit 2θ ° of 2θ). Further, in the case of fine particles such as nanoparticles which are completely amorphous or small enough that a substance can not form crystals, no diffraction peak appears at all at the diffraction angle at which the peak should originally occur when the substance is a crystal. That is, the half width becomes infinite. Therefore, the half-width can be regarded as a scale that indicates the degree of low crystallinity, amorphous, or fine particles such as nanoparticles of the substance, and the larger the value, the lower the crystallinity and the more amorphous or more fine particles. It shows.
Therefore, the fact that the half value width of the diffraction peak intensity corresponding to the crystal 001 plane of nickel hydroxide is 2 (2θ °) or more, or that there is no diffraction peak is nickel hydroxide, nickel oxyhydroxide, which is a positive electrode active material. Alternatively, it indicates that their derivatives are in the state of particles with sufficiently low crystallinity, amorphous or nanoparticles. Thus, the memory effect can be suppressed, and a flat charge / discharge potential curve can be obtained. In the condition (A) of the present embodiment, it is more preferable that the half value width of the diffraction peak intensity corresponding to the crystal 001 plane of nickel hydroxide is 4 (2θ °) or more or there is no diffraction peak.

上記ニッケル化合物は、平均粒子径が0.01〜10nmの微粒子であってよく、平均粒子径が0.5〜5nmの微粒子であってよい。なお、平均粒子径は、電子顕微鏡により上記ニッケル化合物の微粒子の写真を撮影し、無作為に選んだ20個以上の粒子の直径の平均値として求めることができる。   The nickel compound may be fine particles having an average particle size of 0.01 to 10 nm, and may be fine particles having an average particle size of 0.5 to 5 nm. In addition, an average particle diameter can be calculated | required as an average value of the diameter of 20 or more particle | grains randomly selected by photographing the fine particle of the said nickel compound with an electron microscope.

本実施形態の条件(A)において、上記ニッケル化合物は、好ましくは、電池作動時に酸化還元反応を起こさない金属酸化物またはその誘導体と共存している。上記ニッケル化合物は、ナノ粒子のような微粒子の状態で他の金属酸化物またはその誘導体と共存することで、微粒子の凝集・成長あるいは結晶化を阻害され、低結晶性、アモルファスあるいはナノ粒子のような微粒子の状態を形成しやすくなり、かつ、微粒子を安定して維持できる。本実施形態の条件(A)において、活物質は、主にアルカリ電解液を使用した電池に使用されるため、上記ニッケル化合物と共存する金属酸化物またはその誘導体にも高い耐アルカリ性が要求される。また、電極作動電位内で酸化還元反応を起こさず、高い耐アルカリ性を持つことも必要である。よって、金属酸化物またはその誘導体としてはジルコン酸化合物が好適である。   In the condition (A) of the present embodiment, the above-mentioned nickel compound preferably coexists with a metal oxide or a derivative thereof which does not cause a redox reaction during battery operation. The above-mentioned nickel compound is inhibited from aggregation, growth or crystallization of the fine particles by coexistence with other metal oxides or derivatives thereof in the form of fine particles such as nanoparticles, so that it is low in crystallinity, amorphous or like nanoparticles. It is easy to form a state of fine particles, and the fine particles can be stably maintained. In the condition (A) of the present embodiment, since the active material is mainly used in a battery using an alkaline electrolyte, high alkali resistance is also required for the metal oxide coexisting with the above nickel compound or its derivative. . In addition, it is also necessary to have high alkali resistance without causing a redox reaction within the electrode operating potential. Therefore, a zirconate compound is suitable as the metal oxide or its derivative.

ジルコン酸化合物とは、ZrOを基本単位とし、それがHOを含んでいる化合物であり、一般式ZrO・xHOで表せるものであるが、本実施形態の条件(A)においてジルコン酸化合物とは、ジルコン酸及びその誘導体、あるいはジルコン酸を主体とした化合物全般のことを示す。よって、ジルコン酸の特性が損なわれない範囲で一部別の元素が置換されていてもよく、化学量論組成からのずれ、あるいは添加物を加えることも許容される。例えばジルコン酸の塩や水酸化物もZrOを基本単位としたものであり、塩や水酸化物を基本とした誘導体、あるいはそれを主体とした化合物も、本実施形態の条件(A)におけるジルコン酸化合物に含まれる。 The zirconate compound is a compound having ZrO 2 as a basic unit and containing H 2 O, which can be represented by the general formula ZrO 2 · x H 2 O, but in the condition (A) of the present embodiment The zirconic acid compound refers to zirconic acid and its derivatives, or compounds based on zirconic acid in general. Therefore, some other elements may be substituted as long as the properties of zirconic acid are not impaired, and deviations from the stoichiometric composition or addition of additives is acceptable. For example, salts and hydroxides of zirconic acid also have ZrO 2 as a basic unit, and derivatives based on salts and hydroxides, or compounds mainly composed thereof are also applicable to the condition (A) of the present embodiment. Included in zirconate compounds.

本実施形態の条件(A)においては、ニッケル化合物を、電池作動時に酸化還元反応を起こさない金属酸化物またはその誘導体と水酸基を有する有機ポリマーとが化合した無機/有機ハイブリッド化合物と共存させることもできる。ニッケル化合物の微粒子の凝集・成長あるいは結晶化を阻害するという点からは、上記ニッケル化合物と共存する物質は、無定型の連続体をとることができ、ニッケル化合物の微粒子全体に接触できる性質を持つ方が有利であり、本来金属酸化物のような無機物質よりも有機ポリマーの方が有利である。しかし、有機ポリマーの多くは、無機物質との親和性が低く、分離する傾向が強いため、結局ニッケル化合物に対する作用が小さくなってしまう。無機物質と親和性の高い有機ポリマーもあるが、多くは極性基を持ち、親水性が強いために電解液に溶けてしまう。仮に、無機物質と親和性の高い有機ポリマーがニッケル化合物と化学結合したとすると、電解液への溶出は抑えられるが、酸化還元反応を起こすニッケル化合物は電池作動時に大きな物質変化を起すため、一度化学結合を形成したとしても解消されてしまう可能性がある。また、電池電極ではラジカルのような活性種もできやすく、また正極は非常に強い酸化力のある環境でもあるが、有機ポリマーのうち、炭化水素系ポリマーは特に酸化やラジカルに弱く、電極中の環境に耐えられず、分解するなどの問題を起こす場合が多い。フッ素系ポリマーは、より化学的安定性が高いが、材料そのものが高価であるとともに、燃焼時にフッ化水素など有毒ガスを発生するため、廃棄処理あるいはリサイクル処理にコストがかかってしまう。また、有機ポリマーには疎水性のものが多く、その場合には電解液を吸収しないため、ニッケル化合物と電解液との間のイオン伝導を遮断してしまう。   In the condition (A) of the present embodiment, a nickel compound may be allowed to coexist with an inorganic / organic hybrid compound in which a metal oxide or a derivative thereof that does not cause a redox reaction during battery operation and an organic polymer having a hydroxyl group are combined. it can. From the point of inhibiting aggregation, growth or crystallization of the fine particles of the nickel compound, the substance coexisting with the above nickel compound can have an amorphous continuum and has the property of being able to contact the whole fine particle of the nickel compound. It is more advantageous and organic polymers are inherently more advantageous than inorganic materials such as metal oxides. However, many organic polymers have low affinity with inorganic substances and tend to be separated, resulting in a reduction in the effect on nickel compounds. Some organic polymers have high affinity to inorganic substances, but many have polar groups and are highly hydrophilic, so they dissolve in the electrolyte. Assuming that an organic polymer having high affinity to an inorganic substance chemically bonds to a nickel compound, elution to the electrolytic solution is suppressed, but the nickel compound causing the redox reaction causes a large change in material during battery operation, so once Even if a chemical bond is formed, it may be dissolved. Moreover, in the battery electrode, active species such as radicals are easily formed, and the positive electrode is also a very strong oxidizing environment. Among organic polymers, hydrocarbon polymers are particularly vulnerable to oxidation and radicals, and It can not withstand the environment and often causes problems such as disassembly. Although the fluorine-based polymer has higher chemical stability, the material itself is expensive, and toxic gas such as hydrogen fluoride is generated at the time of combustion, resulting in cost in waste treatment or recycling treatment. In addition, many organic polymers are hydrophobic, and in that case, they do not absorb the electrolytic solution, and thus block the ion conduction between the nickel compound and the electrolytic solution.

ニッケル化合物と共存させる物質として無機/有機ハイブリッド化合物を使用することにより、上記のような有機ポリマーの問題を解決できる。ニッケル化合物と共存させる無機/有機ハイブリッド化合物は、電池作動時に酸化還元反応を起こさない金属駿化物またはその誘導体と水酸基を有する有機ポリマーが化学結合したものである。無機/有機ハイブリッド化合物とすることで、有機ポリマーのように無定形の連続体をとることができ、ニッケル化合物の微粒子全体に接触できる。また、無機/有機ハイブリッド化合物は、無機物質の性質も兼ね備えているため、ニッケル化合物に対する親和性が高く、結合が安定であるため、粒子成長、結晶成長などを阻害する効果が高い。また、無機物質の性質として、酸化あるいはラジカルに対する耐性が高い。さらに、有機ポリマーが親水性であっても、無機物質と化合しているため電解液に溶解することはない。また、無機/有機ハイブリッド化合物は、電解液を吸収することができ、ニッケルあるいはニッケル化合物を連続体として包み込んでいたとしても、イオンの移動を阻害しない。なおこの有機ポリマーの親水性・疎水性をブロック共重合体により制御することで、分散性やイオン移動の度合いを制御することもできる。   By using an inorganic / organic hybrid compound as a substance coexisting with the nickel compound, the problems of the organic polymer as described above can be solved. The inorganic / organic hybrid compound to be made to coexist with the nickel compound is a compound in which a metal boride or a derivative thereof which does not cause an oxidation-reduction reaction during battery operation and an organic polymer having a hydroxyl group are chemically bonded. By using an inorganic / organic hybrid compound, an amorphous continuous body can be obtained like an organic polymer, and the entire particle of the nickel compound can be contacted. In addition, since the inorganic / organic hybrid compound also has the property of an inorganic substance, it has a high affinity for the nickel compound and a stable bond, so it is highly effective in inhibiting particle growth, crystal growth and the like. Moreover, as a property of the inorganic substance, resistance to oxidation or radicals is high. Furthermore, even if the organic polymer is hydrophilic, it does not dissolve in the electrolyte because it is compounded with the inorganic substance. Further, the inorganic / organic hybrid compound can absorb the electrolytic solution, and does not inhibit the movement of ions even if the nickel or nickel compound is encased as a continuous body. The degree of dispersibility and ion migration can also be controlled by controlling the hydrophilicity / hydrophobicity of the organic polymer with a block copolymer.

無機/有機ハイブリット化合物の金属酸化物またはその誘導体が、もし電池作動時に酸化還元反応を起こすものであるとすると、電池が充放電されている間、無機/有機ハイブリッド化合物も大きく変化することになる。そのため、無機/有機ハイブリッド化合物そのものが分解されるなど、安定な状態に保つことが難しくなり、ニッケル化合物に対する微粒子成長、結晶化成長の抑制効果に問題を生じる。   If the metal oxide of the inorganic / organic hybrid compound or the derivative thereof causes the redox reaction during the operation of the battery, the inorganic / organic hybrid compound also largely changes while the battery is being charged and discharged. . Therefore, it is difficult to keep the inorganic compound in a stable state, such as decomposition of the inorganic / organic hybrid compound itself, which causes a problem in the effect of suppressing fine particle growth and crystallization growth on the nickel compound.

従って、本実施形態の条件(A)では、電池作動時に酸化還元反応を起こさない金属酸化物またはその誘導体と水酸基を有する有機ポリマーが化合した無機/有機ハイブリッド化合物が使用される。また、活物質は主にアルカリ電解液を使用した電池に使用されるため強アルカリにも耐えられるだけの耐アルカリ性が要求されるが、その点から無機/有機ハイブリッド化合物の金属酸化物またはその誘導体にも高い耐アルカリ性が要求される。電極作動電位内で酸化還元反応を起こさず、高い耐アルカリ性を持つ観点から、金属酸化物またはその誘導体としては、上記ジルコン酸化合物が好適である。   Therefore, under the condition (A) of the present embodiment, an inorganic / organic hybrid compound in which a metal oxide or a derivative thereof that does not cause an oxidation-reduction reaction during battery operation and an organic polymer having a hydroxyl group is used. In addition, since the active material is mainly used in a battery using an alkaline electrolyte, it is required to have alkali resistance enough to withstand strong alkali. From this point of view, metal oxides of inorganic / organic hybrid compounds or derivatives thereof Also, high alkali resistance is required. From the viewpoint of having high alkali resistance without causing a redox reaction within the electrode working potential, the above-mentioned zirconate compound is preferable as the metal oxide or its derivative.

ニッケル化合物と共存させる無機/有機ハイブリッド化合物の水酸基を有する有機ポリマー成分は、基本的にはどのようなものでもよい。例えば、ポリビニルアルコールや各種セルロース誘導体などが使用できるが、最も代表的な有機ポリマーはボリビニルアルコールであり、ポリビニルアルコールは、その水酸基を介して無機物質と結合する。無機/有機ハイブリッド化合物の有機ポリマー成分がポリビニルアルコールである場合、このポリビニルアルコールは完全な単独重合体である必要はなく、本質的にポリビニルアルコールとして機能するものであれば使用することができる。例えば、ヒドロキシル基の一部が他の基で置換されているもの、一部分に他のモノマーが共重合されているもの(例えば、エチレン−ビニルアルコール重合体)も、ポリビニルアルコールとして機能することができる。特に、上述したように親水性・疎水性を制御するためにブロック共重合体としてもよい。有機ポリマーには、ピロリドン構造、チオフェン構造等の電子伝導性構造が導入されていてもよく、架橋していてもよい。   Basically, any organic polymer component having a hydroxyl group of the inorganic / organic hybrid compound to be made to coexist with the nickel compound may be used. For example, polyvinyl alcohol and various cellulose derivatives can be used, but the most representative organic polymer is polyvinyl alcohol, and polyvinyl alcohol is bonded to an inorganic substance through its hydroxyl group. When the organic polymer component of the inorganic / organic hybrid compound is polyvinyl alcohol, this polyvinyl alcohol does not have to be a perfect homopolymer, and any polyvinyl alcohol that essentially functions as a polyvinyl alcohol can be used. For example, those in which a part of hydroxyl groups is substituted with another group, and those in which another monomer is copolymerized in part (for example, ethylene-vinyl alcohol polymer) can also function as polyvinyl alcohol . In particular, as described above, a block copolymer may be used to control hydrophilicity and hydrophobicity. The organic polymer may have an electron conductive structure such as a pyrrolidone structure or a thiophene structure introduced or may be crosslinked.

無機/有機ハイブリッド化合物において、電池作動時に酸化還元反応を起こさない金属酸化物またはその誘導体と、水酸基を有する有機ポリマーは、化学結合している。すなわち、両者は分子レベルまたはナルベルでお互いに絡み合うとともに、有機ポリマーの水酸基を介して脱水縮合によって強固に結びついている。無機/有機ハイブリッド化合物は、化合物であって、金属酸化物またはその誘導体と有機ポリマーとの物理的な混合による混合物とは区別される。すなわち、混合物と異なり、無機/有機ハイブリッド化合物においては、各構成成分の化学的性質はハイブリッド化後では必ずしも保持されない。例えば、有機/無機ハイブリッド化合物の構成成分であるポリビニルアルコールは、単独では水溶性(熱水溶解性)であるが、ジルコン酸化合物とのハイブリッド化合物形成後は熱水には基本的に溶解しない。このようにハイブリッド化後に化学的性質が変化していることにより、これらは物理的な混合による混合物とは異なるハイブリッド化合物であるということができる。   In the inorganic / organic hybrid compound, a metal oxide or a derivative thereof that does not cause a redox reaction during battery operation and an organic polymer having a hydroxyl group are chemically bonded. That is, both are entangled with each other at the molecular level or at the Nalbel, and are strongly linked by dehydration condensation via the hydroxyl group of the organic polymer. The inorganic / organic hybrid compound is a compound and is distinguished from a mixture of a metal oxide or a derivative thereof and an organic polymer by physical mixing. That is, unlike mixtures, in inorganic / organic hybrid compounds, the chemical properties of each component are not necessarily retained after hybridization. For example, polyvinyl alcohol, which is a component of the organic / inorganic hybrid compound, is independently water soluble (hot water soluble), but is basically not soluble in hot water after forming a hybrid compound with the zirconate compound. Because of the change in chemical properties after hybridization, it can be said that these are hybrid compounds different from physically mixed mixtures.

無機/有機ハイブリッド化合物においては、有機ポリマーに対する無機物質の量が少なすぎると、十分な耐水性、アルカリ耐性および耐酸化性が得られない。一方、無機物質が多すぎると、柔軟性が損なわれ、ニッケル化合物微粒子を包み込む作用が損なわれる。従って、ハイブリッド化合物における、酸化還元反応を起こさない金属酸化物またはその誘導体の有機ポリマーに対する重量比が0.01〜1になるように、制御するのが好ましい。   In the inorganic / organic hybrid compound, when the amount of the inorganic substance to the organic polymer is too small, sufficient water resistance, alkali resistance and oxidation resistance can not be obtained. On the other hand, when the amount of the inorganic substance is too large, the flexibility is impaired and the function of wrapping the nickel compound fine particles is impaired. Therefore, it is preferable to control so that the weight ratio of the metal oxide or the derivative thereof to the organic polymer which does not cause the redox reaction in the hybrid compound is 0.01 to 1.

あるいは、ニッケル化合物と水酸基を有する有機ポリマーとで、無機/有機ハイブリッド化合物を形成する形態もあり得る。当該無機/有機ハイブリッド化合物では、ニッケル化合物と水酸基を有する有機ポリマーは、化学結合している。すなわち、両者は分子レベル、ナルベルでお互いに絡み合うとともに、有機ポリマーの水酸基を介して脱水縮合によって強固に結びついている。   Alternatively, the inorganic / organic hybrid compound may be formed of a nickel compound and an organic polymer having a hydroxyl group. In the inorganic / organic hybrid compound, the nickel compound and the organic polymer having a hydroxyl group are chemically bonded. That is, both are entangled with each other at the molecular level and at the Nalbel, and they are strongly linked by dehydration condensation via the hydroxyl group of the organic polymer.

また、正極10には、電子伝導材が正極活物質中に分散している。これにより、正極の電子伝導性を向上することができる。電子伝導材は、ニッケル、金、ルテニウム、または炭素を主成分とするものが好ましい。炭素を主成分とする電子導電材としては、炭素繊維、カーボンナノチューブ等の繊維状のもの(特にアスペクト比(長さ/径)が100を超えるもの)が好ましい。現状一般に用いられるコバルト化合物(CoOOH)を適用することも可能だが、高温作動時や正極低電位時に電極から溶出し、セパレータ等への付着によって内部短絡を引き起こすなどの懸念があるため、推奨されない。   In the positive electrode 10, an electron conductive material is dispersed in the positive electrode active material. Thereby, the electron conductivity of the positive electrode can be improved. The electron conductive material is preferably one containing nickel, gold, ruthenium or carbon as a main component. As an electron conductive material containing carbon as a main component, fibrous materials such as carbon fibers and carbon nanotubes (in particular, those having an aspect ratio (length / diameter) exceeding 100) are preferable. Although cobalt compounds (CoOOH) generally used at present can be applied, they are not recommended because they may elute from the electrode during high temperature operation or positive electrode low potential and cause internal short circuit due to adhesion to the separator etc. .

電子伝導材の形状は特に限定されない。球状、繊維状であってよい。例えば、球状の電子伝導材が、ニッケル化合物表面に付着することにより分散していてもよいし、繊維状の電子伝導材が、ニッケル化合物微粒子中に分散していてもよい。   The shape of the electron conductive material is not particularly limited. It may be spherical or fibrous. For example, the spherical electron conductive material may be dispersed by adhering to the surface of the nickel compound, or the fibrous electron conductive material may be dispersed in the nickel compound fine particles.

またこの電子伝導材の混合量は限定されないが、好ましくは正極活物質に対し25重量%以下であり、より好ましくは0.01重量%〜10重量%である。混合量が少なすぎると電子伝導性向上の効果が見込めず、また添加しすぎると内部短絡の懸念や電極厚みの増大に繋がるため好ましくない。   The amount of the electron conductive material mixed is not limited, but is preferably 25% by weight or less, more preferably 0.01% by weight to 10% by weight, based on the positive electrode active material. If the mixing amount is too small, the effect of improving the electron conductivity can not be expected, and if it is added too much, it is not preferable because it leads to concern about internal short circuit and increase in electrode thickness.

次に、正極10に用いられる正極活物質の好適な製造方法について説明する。正極活物質は、ニッケル塩と酸化還元反応を起こさない金属酸化物またはその誘導体の金属成分の塩を、水酸基を有する有機ポリマーの共存する状態でアルカリによって中和することより、得ることができる。このような方法によれば、上述した無機/有機ハイブリッド化合物中に、ニッケル化合物の微粒子が分散した正極活物質が得られる。   Next, the suitable manufacturing method of the positive electrode active material used for the positive electrode 10 is demonstrated. The positive electrode active material can be obtained by neutralizing the salt of a metal component of a metal oxide or a derivative thereof which does not cause a redox reaction with a nickel salt with an alkali in the presence of an organic polymer having a hydroxyl group. According to such a method, a positive electrode active material in which fine particles of a nickel compound are dispersed in the aforementioned inorganic / organic hybrid compound can be obtained.

ここで使用される水酸基を有する有機ポリマーとしては、上述した無機/有機ハイブリッド化合物の水酸基を有する有機ポリマーとして挙げたものを用いることができる。加えて、ポリ酢酸ビニルなどのアルカリ下でポリビニルアルコールに変換される有機ポリマーも、上記反応過程において、水酸基を有する有機ポリマー(ポリビニルアルコール)に変換されるので、出発物質として用いることができる。   As an organic polymer which has a hydroxyl group used here, what was mentioned as an organic polymer which has a hydroxyl group of the inorganic / organic hybrid compound mentioned above can be used. In addition, an organic polymer converted to polyvinyl alcohol under an alkali such as polyvinyl acetate can also be used as a starting material because it is converted to an organic polymer having a hydroxyl group (polyvinyl alcohol) in the above reaction process.

ニッケル塩は、通常、安定な状態ではニッケルが2価の状態にあり、アルカリで中和すると、特に酸化性・還元性のある環境でなければ水酸化ニッケルを生じる。しかしながら当該方法では、水酸基を有する有機ポリマーが共存するため、水酸化ニッケルは生成時に水酸基を介して有機ポリマーとも結びつく。すなわち、中和されて生成したばかりの小さな水酸化ニッケルは、不安定であり、何かと結びついて安定化しようとする。この時ニッケル塩だけしかないとすると、生まれたての水酸化ニッケル同士が結びつき、凝集し、成長していくが、近傍に水酸基を有する有機ポリマーが存在すると、その有機ポリマーとも結びつく。水酸化ニッケルが有機ポリマーと結びつくため、水酸化ニッケルの成長は抑制され、水酸化ニッケルはナノ粒子のような微粒子として留まる。当該方法では、このようにして、水酸化ニッケルのナノ粒子のような微粒子を作製できる。このように分子レベル、ナルベルで有機ポリマーと結合した水酸化ニッケルは、また結晶化も阻害される。   The nickel salt is usually in a stable state in which nickel is in a divalent state, and neutralization with an alkali produces nickel hydroxide in an environment that is not particularly oxidizing or reducing. However, in the method, since an organic polymer having a hydroxyl group coexists, nickel hydroxide is also bonded to the organic polymer through the hydroxyl group upon formation. That is, small nickel hydroxides that have been neutralized and formed are unstable and try to be stabilized in connection with something. At this time, if there is only a nickel salt, the newly formed nickel hydroxides combine, aggregate and grow, but if there is an organic polymer having a hydroxyl group in the vicinity, it also combines with the organic polymer. Because nickel hydroxide combines with the organic polymer, the growth of nickel hydroxide is suppressed, and nickel hydroxide remains as fine particles such as nanoparticles. In this way, fine particles such as nickel hydroxide nanoparticles can be produced in this way. Thus, nickel hydroxide bound to the organic polymer at the molecular level, navel, also inhibits crystallization.

ニッケル塩は、水溶性の塩が好ましく、硫酸ニッケル、硝酸ニッケル、塩化ニッケル、酢酸ニッケル、あるいはそれらの水和物などが使用でき、含水率などはどのようなものでもよい。電池作動時に駿化還元反応を起こさない金属酸化物またはその誘導体は、好ましくはジルコン酸化合物であるが、その塩としては、アルカリで中和されることによってジルコン酸化合物を生成し、ジルコン酸化合物と水酸基を有する有機ポリマーとの安定な無機/有機ハイブリッド化合物を生成するものであれば、どのようなものでもよい。例えば、ジルコニウム塩、オキシジルコニウム塩が使用でき、オキシ塩化ジルコニム、酢酸ジルコニウム、硝酸ジルコニウムあるいはそれらの水和物なども使用できる。   The nickel salt is preferably a water-soluble salt, and nickel sulfate, nickel nitrate, nickel chloride, nickel acetate, or a hydrate thereof or the like can be used, and the water content and the like may be arbitrary. The metal oxide or derivative thereof which does not cause a reduction reaction during battery operation is preferably a zirconate compound, but as its salt, a zirconate compound is formed by neutralization with an alkali, and a zirconate compound As long as it produces a stable inorganic / organic hybrid compound of and an organic polymer having a hydroxyl group, any one may be used. For example, zirconium salts and oxyzirconium salts can be used, and zirconium oxychloride, zirconium acetate, zirconium nitrate or their hydrates can also be used.

当該方法は、ニッケル塩と、酸化還元反応を起こさない金属酸化物またはその誘導体の金属成分の塩と、水酸基を有する有機ポリマーとが共存する溶液から、溶媒を除去することによって固形物を形成し、この固形物をアルカリに接触させて固形物中のニッケル塩と酸化還元反応を起こさない金属酸化物またはその誘導体の金属成分の塩を中和することによって、行うことができる。   The method forms a solid by removing a solvent from a solution in which a nickel salt, a salt of a metal component of a metal oxide or a derivative thereof which does not cause redox reaction, and an organic polymer having a hydroxyl group coexist. This can be carried out by contacting the solid with an alkali to neutralize the salt of the metal component of the metal oxide or derivative thereof which does not cause a redox reaction with the nickel salt in the solid.

具体的には、原料として、溶媒、ニッケル塩、電池作動時に酸化還元反応を起こさない金属酸化物またはその誘導体の塩、および水酸基を有する有機ポリマーを、それぞれ準備する。次に、これらの原料を混合して、ニッケル塩、電池作動時に酸化還元反応を起こさない金属酸化物またはその誘導体の塩、水酸基を有する有機ポリマーが共存する原料溶液を得る。この時、溶媒としては、ニッケル塩、電池作動時に酸化還元反応を起こさない金属酸化物またはその誘導体の塩、水酸基を有する有機ポリマーのそれぞれを溶解できるものであれば、どのようなものでもよい。最適な溶媒は水である。なお、正極活物質にコバルトや亜鉛を固溶させたい場合には、コバルト塩や亜鉛塩を原料溶液に溶解させればよい。   Specifically, as a raw material, a solvent, a nickel salt, a salt of a metal oxide or a derivative thereof which does not cause a redox reaction during battery operation, and an organic polymer having a hydroxyl group are prepared. Next, these raw materials are mixed to obtain a raw material solution in which a nickel salt, a salt of a metal oxide or a derivative thereof which does not cause a redox reaction during battery operation, and an organic polymer having a hydroxyl group coexist. At this time, any solvent may be used as long as it can dissolve nickel salts, salts of metal oxides or derivatives thereof that do not cause redox reaction during battery operation, and organic polymers having hydroxyl groups. The best solvent is water. In addition, what is necessary is just to dissolve cobalt salt and a zinc salt in a raw material solution, when you want to carry out the solid solution of cobalt and zinc to a positive electrode active material.

次に、ニッケル塩、電池作動時に酸化還元反応を起こさない金属酸化物またはその誘導体の塩、水酸基を有する有機ポリマーが共存する原料溶液から溶媒を除去して固形物を得る。この固形物は、どのような形態でもよく、膜状、糸状、粉末状などであってよい。取り扱いやすさの点では、膜状が望ましい。膜状の固形物を得る場合は、原料溶液を平面上に流延し、その後加熱によって溶媒を除去すればよい。糸状の固形物を得る場合は、例えば、口の細いノズルから原料液を噴出させると同時に、加熱によって溶媒を除去すればよい。原料溶液に電場を印加して糸状に飛び出させる、エレクトロスピニング法を利用することも可能である。粉末状の固形物を得る場合は、原料溶液を噴霧すると同時に加熱して溶媒を除去すればよい(スプレードライ法)。   Next, a solvent is removed from a raw material solution in which a nickel salt, a salt of a metal oxide or a derivative thereof that does not cause a redox reaction during battery operation, and an organic polymer having a hydroxyl group are obtained to obtain a solid. The solid may be in any form, and may be in the form of a film, thread, powder or the like. In terms of ease of handling, a membrane is desirable. In order to obtain a film-like solid, the raw material solution may be cast on a flat surface and then the solvent may be removed by heating. In the case of obtaining a thread-like solid, for example, the solvent may be removed by heating at the same time as the raw material solution is ejected from a thin nozzle of the mouth. It is also possible to use an electrospinning method in which an electric field is applied to the raw material solution to fly out in thread form. In the case of obtaining a powdery solid, the solvent may be removed by heating while spraying the raw material solution (spray dry method).

その後、固形物をアルカリに接触させて、ニッケル塩と、電池作動時に酸化還元反応を起こさない金属酸化物またはその誘導体の塩を、それぞれ中和することによって正極活物質が得られる。短時間で効率的に中和を行なうためには、固形物の比表面積が大きい方が望ましく、膜状であれば1mm以下の厚さがよく、糸状であれば直径1mm以下がよく、粉末状でも直径1mm以下の大きさが望ましい。アルカリは、ニッケル塩、および電池作動時に酸化還元反応を起こさない金属酸化物またはその誘導体の塩の中和が行えるものであればどのようなものでもよく、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム等が使用可能である。これらは単独でも、複数混合して使用してもよい。アルカリ溶液を使用する場合、アルカリの濃度は基本的にはどのようなものでもよいが、中和工程の時間を短縮すること、中和反応中の溶液濃度の変化を抑えること、あるいは固形物からの各成分が溶出する前に中和反応を行なうことなどの点から、アルカリ溶液は濃度が高い方が好ましい。固形物をアルカリと接触させる方法としては、固形物をアルカリ溶液に浸漬するか、アルカリ溶液を固形物に塗布あるいは噴霧するか、固形物をアルカリの蒸気に曝すなどの方法がある。   Thereafter, the solid is brought into contact with an alkali, and a nickel salt and a metal oxide or a derivative thereof salt which does not cause a redox reaction during battery operation are respectively neutralized to obtain a positive electrode active material. In order to efficiently neutralize in a short time, it is desirable that the specific surface area of the solid is large. If it is film-like, the thickness is 1 mm or less, if it is thread-like, the diameter is 1 mm or less, powder However, a size of 1 mm or less in diameter is desirable. Any alkali may be used as long as it can neutralize nickel salts and salts of metal oxides or derivatives thereof that do not cause redox reaction during battery operation, and potassium hydroxide, sodium hydroxide, hydroxide Lithium etc. can be used. These may be used alone or in combination of two or more. When an alkaline solution is used, the concentration of the alkali may be basically any value, but the time for the neutralization step may be shortened, the change in the solution concentration during the neutralization reaction may be suppressed, or It is preferable that the concentration of the alkaline solution is high, from the viewpoint of performing the neutralization reaction before each component of the solution is eluted. As a method of bringing the solid into contact with alkali, there is a method of immersing the solid in an alkali solution, applying or spraying an alkali solution on the solid, or exposing the solid to alkali vapor.

当該方法において生成する水酸化ニッケル粒子は、有機ポリマーとの結合、あるいは隣接する酸化還元反応を起こさない金属酸化物またはその誘導体と有機ポリマーのハイブリッド化合物の生成によって、成長を阻害され、結晶化も抑えられるため、粉末X線回折法で得られた回折強度−回折角図において結晶001面に対応する回折ピーク強度の半値幅が2(2θ°)以上、あるいは4(2θ°)以上であるか、回折ピークが無いものとなる。参考として、図4に、以上説明した製造方法により製造される本実施形態の条件(A)を満たす正極活物質の一例のX線回折法で得られる回折強度−回折角図を示す。図5に、従来の製造方法により製造される正極活物質のX線回折法で得られる回折強度−回折角図を示す。   The nickel hydroxide particles produced in the method are inhibited from growth by the formation of a hybrid compound of a metal oxide or a derivative thereof and an organic polymer which does not cause bonding with an organic polymer or an adjacent redox reaction, and crystallization is also possible. Because it is suppressed, in the diffraction intensity-diffraction angle diagram obtained by powder X-ray diffraction, whether the half value width of the diffraction peak intensity corresponding to the crystal 001 plane is 2 (2θ °) or more or 4 (2θ °) or more There is no diffraction peak. For reference, FIG. 4 shows a diffraction intensity-diffraction angle diagram obtained by the X-ray diffraction method of an example of the positive electrode active material satisfying the condition (A) of the present embodiment manufactured by the manufacturing method described above. In FIG. 5, the diffraction intensity-diffraction angle figure obtained by the X-ray-diffraction method of the positive electrode active material manufactured by the conventional manufacturing method is shown.

なお、無機/有機ハイブリッド化合物中の有機ポリマーが密閉式電池に組み込まれた場合に起こり得る電解質への溶解や酸化分解の可能性を避ける必要がある場合は、予め酸化して除去することができる。この場合、空気中で加熱する方法が最も簡単であり、例えば200〜300℃で加熱することで酸化させることができる。このとき、250℃以上の温度で長時間加熱すると、水酸化ニッケルから脱水が起こり、酸化ニッケルとなって充放電に対して不活性になる可能性もあるため、加熱は1時間以内で行なう方がよい。有機ポリマー酸化後の残留物は、水洗あるいはアルカリ洗浄によって取り除くのが理想的である。   In addition, when it is necessary to avoid the possibility of dissolution in the electrolyte or oxidative decomposition that may occur when the organic polymer in the inorganic / organic hybrid compound is incorporated into a sealed battery, it can be oxidized and removed in advance. . In this case, the method of heating in air is the simplest, and can be oxidized by heating, for example, at 200 to 300 ° C. At this time, if heating at a temperature of 250 ° C or more for a long time, dehydration occurs from nickel hydroxide, which may become nickel oxide and become inactive against charge and discharge. Is good. The residue after the organic polymer oxidation is ideally removed by water washing or alkali washing.

なお、ニッケル化合物と水酸基を有する有機ポリマーとで、無機/有機ハイブリッド化合物を形成したい場合には、電池作動時に酸化還元反応を起こさない金属酸化物またはその誘導体の塩を添加することなく上記の方法を行えばよい。   When it is desired to form an inorganic / organic hybrid compound with a nickel compound and an organic polymer having a hydroxyl group, the above method can be performed without adding a salt of a metal oxide or a derivative thereof which does not cause an oxidation reduction reaction during battery operation. You can do

次に、条件(B)について説明する。負極20に含まれる負極活物質は、水酸化鉄、オキシ水酸化鉄、酸化亜鉛、およびそれらの誘導体から選ばれる少なくとも一種を含んでいる(以下、水酸化鉄、オキシ水酸化鉄、およびその誘導体を「鉄化合物」ということがある。また、酸化亜鉛、およびその誘導体を「亜鉛化合物」ということがある。また、「鉄化合物」および「亜鉛化合物」を、「負極金属化合物」と総称することがある。)。これらの鉄化合物および亜鉛化合物は、化合物中に含まれる金属原子が2価以上のあらゆる価数であっていいが、電池作動時に酸化還元反応を起こすものであるため、電極作動電位範囲内において金属原子の平均価数が変化する。これらの活物質が適用される電極は負極であるから、充放電において前述した(5)〜(8)式のような反応が起こるが、これらの反応式はあくまでも現れる物質種が簡略化された形で示されたものであり、実際には価数、水和数などが異なる様々な形をとり得る。なお、水酸化鉄およびオキシ水酸化鉄の誘導体とは、水酸化鉄およびオキシ水酸化鉄の鉄元素の一部が他の金属元素(例、コバルト、タングステン、チタン、ニオブ、ルテニウム、金等)で置換された化合物のことをいう。他の金属元素による置換率は、20%以下であることが好ましい。またなお、酸化亜鉛の誘導体とは、酸化亜鉛の亜鉛元素の一部が他の金属元素(例、コバルト、タングステン、チタン、ニオブ、ルテニウム、金等)で置換された化合物のことをいう。他の金属元素による置換率は、20%以下であることが好ましい。   Next, the condition (B) will be described. The negative electrode active material contained in the negative electrode 20 contains at least one selected from iron hydroxide, iron oxyhydroxide, zinc oxide and derivatives thereof (hereinafter referred to as iron hydroxide, iron oxyhydroxide and derivatives thereof In addition, zinc oxide and its derivatives may be referred to as “zinc compounds.” Also, “iron compounds” and “zinc compounds” may be collectively referred to as “negative electrode metal compounds”. There is Although these iron compounds and zinc compounds may have any valence of 2 or more of the metal atoms contained in the compounds, since they cause an oxidation-reduction reaction during battery operation, metals within the electrode operating potential range The average valence of the atoms changes. Since the electrode to which these active materials are applied is a negative electrode, reactions such as the equations (5) to (8) described above occur during charge and discharge, but in these reaction equations, the species of material that appear to the last are simplified It is shown in the form, and in fact, it may take various forms different in valence, hydration number and so on. In addition, with iron hydroxide and derivatives of iron oxyhydroxide, a part of iron elements of iron hydroxide and iron oxyhydroxide is another metal element (eg, cobalt, tungsten, titanium, niobium, ruthenium, gold, etc.) Refers to compounds substituted with It is preferable that the substitution rate by other metal elements is 20% or less. In addition, the derivative of zinc oxide refers to a compound in which part of the zinc element of zinc oxide is substituted with another metal element (eg, cobalt, tungsten, titanium, niobium, ruthenium, gold, etc.). It is preferable that the substitution rate by other metal elements is 20% or less.

鉄化合物は、負極で使用する場合、(6)式に示した通り、放電された状態では水酸化鉄の状態になることができる。また、亜鉛化合物は、負極で使用する場合、(8)式に示したとおり、放電された状態では酸化亜鉛の状態になることができる。   When used in the negative electrode, the iron compound can be in the state of iron hydroxide in a discharged state as shown in the formula (6). In addition, when the zinc compound is used in the negative electrode, it can be in the state of zinc oxide in a discharged state as shown in the formula (8).

負極活物質が鉄化合物を含む場合、負極活物質は、水酸化鉄を含む状態となったときの、CuKα線を利用した粉末X線回折法で得られた回折強度−回折角図において、水酸化鉄の結晶001面に対応する回折ピーク強度の半値幅が2(2θ°)以上であるか、回折ピークが無い。
上述のように回折強度−回折角図において、ピークの半値幅はその物質の低結晶性、アモルファスあるいはナノ粒子のような微粒子の程度を表す尺度とみなすことができ、その値が大きいほど結晶性が低く、よりアモルファスあるいはより微粒子であることを示している。
したがって、水酸化鉄の結晶001面に対応する回折ピーク強度の半値幅が2(2θ°)以上であるか、回折ピークが無いことは、負極活物質である、鉄化合物または亜鉛化合物が、十分に低結晶性、アモルファスあるいはナノ粒子のような微粒子の状態となっていることを表す。
そしてこれにより、不動態の形成を抑止することができる。本実施形態の条件(B)において、水酸化鉄の結晶001面に対応する回折ピーク強度の半値幅が4(2θ°)以上であるか、回折ピークが無いことがより好ましい。
In the case where the negative electrode active material contains an iron compound, the negative electrode active material contains water, in the diffraction intensity-diffraction angle diagram obtained by the powder X-ray diffraction method using CuKα rays, The half value width of the diffraction peak intensity corresponding to the crystal 001 plane of iron oxide is 2 (2θ °) or more, or there is no diffraction peak.
As described above, in the diffraction intensity-diffraction angle diagram, the half-width of the peak can be regarded as a scale indicating the degree of low crystallinity, amorphous or fine particles such as nanoparticles of the substance, and the larger the value, the more crystalline. Is low, indicating that it is more amorphous or more finely divided.
Therefore, the half value width of the diffraction peak intensity corresponding to the crystal 001 plane of the iron hydroxide is 2 (2θ °) or more, or that there is no diffraction peak, the iron compound or zinc compound which is the negative electrode active material is sufficiently In the form of low crystallinity, amorphous or in the form of fine particles such as nanoparticles.
And thereby, the formation of the passive state can be suppressed. In the condition (B) of the present embodiment, it is more preferable that the half value width of the diffraction peak intensity corresponding to the crystal 001 plane of iron hydroxide is 4 (2θ °) or more or there is no diffraction peak.

負極活物質が亜鉛化合物を含む場合、負極活物質は、酸化亜鉛を含む状態となったときの、CuKα線を利用した粉末X線回折法で得られた回折強度−回折角図において、酸化亜鉛の結晶001面に対応する回折ピーク強度の半値幅が2(2θ°)以上であるか、回折ピークが無い。
上述のように回折強度−回折角図において、ピークの半値幅はその物質の低結晶性、アモルファスあるいはナノ粒子のような微粒子の程度を表す尺度とみなすことができ、その値が大きいほど結晶性が低く、よりアモルファスあるいはより微粒子であることを示している。
したがって、酸化亜鉛の結晶001面に対応する回折ピーク強度の半値幅が2(2θ°)以上であるか、回折ピークが無いことは、負極活物質である、鉄化合物または亜鉛化合物が、十分に低結晶性、アモルファスあるいはナノ粒子のような微粒子の状態となっていることを表す。
そしてこれにより、デンドライトの生成を抑止することができる。本実施形態の条件(B)において、酸化亜鉛の結晶001面に対応する回折ピーク強度の半値幅が4(2θ°)以上であるか、回折ピークが無いことがより好ましい。
In the case where the negative electrode active material contains a zinc compound, the negative electrode active material contains zinc oxide, in the diffraction intensity-diffraction angle diagram obtained by the powder X-ray diffraction method using a CuKα ray, The half value width of the diffraction peak intensity corresponding to the crystal 001 plane of 2 or more is 2 (2θ °) or more, or there is no diffraction peak.
As described above, in the diffraction intensity-diffraction angle diagram, the half-width of the peak can be regarded as a scale indicating the degree of low crystallinity, amorphous or fine particles such as nanoparticles of the substance, and the larger the value, the more crystalline. Is low, indicating that it is more amorphous or more finely divided.
Therefore, if the half value width of the diffraction peak intensity corresponding to the crystal 001 plane of zinc oxide is 2 (2θ °) or more or there is no diffraction peak, the iron compound or zinc compound which is the negative electrode active material is sufficiently It represents that it is in the state of fine particles such as low crystallinity, amorphous or nanoparticles.
And thereby, generation of dendrite can be suppressed. In the condition (B) of the present embodiment, it is more preferable that the half value width of the diffraction peak intensity corresponding to the crystal 001 plane of zinc oxide is 4 (2θ °) or more or there is no diffraction peak.

上記負極金属化合物は、平均粒子径が0.01〜10nmの微粒子であってよく、平均粒子径が0.5〜5nmの微粒子であってよい。なお、平均粒子径は、電子顕微鏡により上記負極金属化合物の微粒子の写真を撮影し、無作為に選んだ20個以上の粒子の直径の平均値として求めることができる。   The negative electrode metal compound may be fine particles having an average particle size of 0.01 to 10 nm, and may be fine particles having an average particle size of 0.5 to 5 nm. In addition, an average particle diameter can be calculated | required as an average value of the diameter of 20 or more particle | grains randomly selected by photographing the fine particle of the said negative electrode metal compound with an electron microscope.

本実施形態の条件(B)において、上記負極金属化合物は、好ましくは、電池作動時に酸化還元反応を起こさない金属酸化物またはその誘導体と共存している。上記鉄化合物および亜鉛化合物は、ナノ粒子のような微粒子の状態で他の金属酸化物またはその誘導体と共存することで、微粒子の凝集・成長あるいは結晶化を阻害され、低結晶性、アモルファスあるいはナノ粒子のような微粒子の状態を形成しやすくなり、かつ、微粒子を安定して維持できる。共存する金属酸化物またはその誘導体は、条件(A)における共存する金属酸化物またはその誘導体と同様であり、ジルコン酸化合物が好適である。   In the condition (B) of the present embodiment, the negative electrode metal compound preferably coexists with a metal oxide or a derivative thereof that does not cause a redox reaction during battery operation. The aforementioned iron compound and zinc compound are inhibited from aggregation, growth or crystallization of fine particles by coexistence with other metal oxides or their derivatives in the state of fine particles such as nanoparticles, and low crystallinity, amorphous or nano It becomes easy to form the state of particulates like particles, and the particulates can be stably maintained. The coexisting metal oxide or the derivative thereof is the same as the coexisting metal oxide or the derivative thereof in the condition (A), and a zirconate compound is preferable.

本実施形態の条件(B)においては、上記本実施形態の条件(A)のニッケル化合物と同様に、負極金属化合物を、電池作動時に酸化還元反応を起こさない金属酸化物またはその誘導体と水酸基を有する有機ポリマーとが化合した無機/有機ハイブリッド化合物と共存させることもできる。当該無機/有機ハイブリッド化合物の内容は上記と同様である。また、当該無機/有機ハイブリッド化合物の作用も上記と同様であり、当該無機/有機ハイブリッド化合物が共存することにより、負極金属化合物の微粒子の凝集・成長あるいは結晶化を阻害することができる。   In the condition (B) of the present embodiment, like the nickel compound of the condition (A) of the present embodiment, the negative electrode metal compound is a metal oxide or a derivative thereof that does not cause a redox reaction during battery operation and a hydroxyl group. It can also be made to coexist with the inorganic / organic hybrid compound which compounded with the organic polymer which it has. The contents of the inorganic / organic hybrid compound are the same as described above. The action of the inorganic / organic hybrid compound is also the same as described above, and coexistence of the inorganic / organic hybrid compound can inhibit aggregation / growth or crystallization of fine particles of the negative electrode metal compound.

あるいは、負極金属化合物と水酸基を有する有機ポリマーとで、無機/有機ハイブリッド化合物を形成する形態もあり得る。当該無機/有機ハイブリッド化合物では、負極金属化合物と水酸基を有する有機ポリマーは、化学結合している。すなわち、両者は分子レベル、ナルベルでお互いに絡み合うとともに、有機ポリマーの水酸基を介して脱水縮合によって強固に結びついている。   Alternatively, an inorganic / organic hybrid compound may be formed by the negative electrode metal compound and the organic polymer having a hydroxyl group. In the inorganic / organic hybrid compound, the negative electrode metal compound and the organic polymer having a hydroxyl group are chemically bonded. That is, both are entangled with each other at the molecular level and at the Nalbel, and they are strongly linked by dehydration condensation via the hydroxyl group of the organic polymer.

また、負極20には、電子伝導材が負極活物質中に分散している。これにより、負極の電子伝導性を向上することができる。電子伝導材は、ニッケル、金、ルテニウム、または炭素を主成分とするものが好ましい。炭素を主成分とする電子導電材としては、炭素繊維、カーボンナノチューブ等の繊維状のもの(特にアスペクト比(長さ/径)が100を超えるもの)が好ましい。現状一般に用いられるコバルト化合物(CoOOH)を適用することも可能だが、高温作動時や負極低電位時に電極から溶出し、セパレータ等への付着によって内部短絡を引き起こすなどの懸念があるため、推奨されない。   In the negative electrode 20, an electron conductive material is dispersed in the negative electrode active material. Thereby, the electron conductivity of the negative electrode can be improved. The electron conductive material is preferably one containing nickel, gold, ruthenium or carbon as a main component. As an electron conductive material containing carbon as a main component, fibrous materials such as carbon fibers and carbon nanotubes (in particular, those having an aspect ratio (length / diameter) exceeding 100) are preferable. Although cobalt compounds (CoOOH) generally used at present can be applied, they are not recommended because they may elute from the electrode at high temperature operation or at a low potential of the negative electrode and cause internal short circuit by adhesion to a separator or the like.

またこの電子伝導材の混合量は限定されないが、好ましくは負極活物質に対し25重量%以下であり、より好ましくは0.01重量%〜10重量%である。混合量が少なすぎると電子伝導性向上の効果が見込めず、また添加しすぎると内部短絡の懸念や電極厚みの増大に繋がるため好ましくない。   The amount of the electron conductive material mixed is not limited, but is preferably 25% by weight or less, more preferably 0.01% by weight to 10% by weight, based on the negative electrode active material. If the mixing amount is too small, the effect of improving the electron conductivity can not be expected, and if it is added too much, it is not preferable because it leads to concern about internal short circuit and increase in electrode thickness.

次に、負極20に用いられる負極活物質の好適な製造方法について説明する。負極活物質は、上述した本実施形態の条件(A)で用いられる正極活物質の製造方法と同様にして製造することができる。例えば、負極20が鉄電極である場合には、ニッケル塩に代えて、鉄塩を用いることにより、負極活物質を製造することができる。すなわち、鉄塩と酸化還元反応を起こさない金属酸化物またはその誘導体の金属成分の塩を、水酸基を有する有機ポリマーの共存する状態でアルカリによって中和することより、得ることができる。鉄塩は、使用する溶媒中で溶解するものであればどのような種類のものでもよく、硫酸鉄、硝酸鉄、塩化鉄、酢酸鉄、あるいはそれらの水和物などが使用でき、含水率などはどのようなものでもよい。
負極が亜鉛電極である場合には、ニッケル塩に代えて亜鉛塩を用いることにより、負極活物質を製造することができる。すなわち、亜鉛塩と酸化還元反応を起こさない金属酸化物またはその誘導体の金属成分の塩を、水酸基を有する有機ポリマーの共存する状態でアルカリによって中和することより、得ることができる。このような方法によれば、上述した無機/有機ハイブリッド化合物中に、負極金属化合物の微粒子が分散した負極活物質が得られる。亜鉛塩は、使用する溶媒中で溶解するものであればどのような種類のものでもよく、硫酸亜鉛、硝酸亜鉛、塩化亜鉛、酢酸亜鉛、あるいはそれらの水和物などが使用でき、含水率などはどのようなものでもよい。
Next, the suitable manufacturing method of the negative electrode active material used for the negative electrode 20 is demonstrated. The negative electrode active material can be produced in the same manner as the method for producing a positive electrode active material used under the condition (A) of the present embodiment described above. For example, when the negative electrode 20 is an iron electrode, a negative electrode active material can be produced by using an iron salt instead of a nickel salt. That is, it can be obtained by neutralization with an alkali in the presence of an organic polymer having a hydroxyl group and a salt of a metal component of a metal oxide or a derivative thereof which does not cause an oxidation reduction reaction with an iron salt. The iron salt may be of any type as long as it dissolves in the solvent used, and iron sulfate, iron nitrate, iron chloride, iron acetate or their hydrates may be used, and the water content etc. May be anything.
When the negative electrode is a zinc electrode, a negative electrode active material can be produced by using a zinc salt instead of a nickel salt. That is, it can be obtained by neutralizing a zinc salt and a metal component of a metal component of a metal oxide or a derivative thereof which does not cause a redox reaction with an alkali in the coexistence of an organic polymer having a hydroxyl group. According to such a method, a negative electrode active material in which fine particles of a negative electrode metal compound are dispersed in the above-mentioned inorganic / organic hybrid compound can be obtained. The zinc salt may be of any type as long as it dissolves in the solvent used, and zinc sulfate, zinc nitrate, zinc chloride, zinc acetate or their hydrates may be used, and the water content etc. May be anything.

なお、負極金属化合物と水酸基を有する有機ポリマーとで、無機/有機ハイブリッド化合物を形成したい場合には、電池作動時に酸化還元反応を起こさない金属酸化物またはその誘導体の塩を添加することなく上記の方法を行えばよい。   When it is desired to form an inorganic / organic hybrid compound by using a negative electrode metal compound and an organic polymer having a hydroxyl group, the above-described method can be performed without adding a salt of a metal oxide or a derivative thereof which does not cause an oxidation reduction reaction during battery operation. You just have to do it.

本実施形態に係るニッケル系二次電池100は、電極に関する上記の条件(A)および(B)のいずれか一方または両方を満たす。本実施形態に係るニッケル系二次電池100が条件(A)のみを満たす場合、負極20は、従来のニッケル系二次電池の負極と同様の構成であってよい。本実施形態に係るニッケル系二次電池100が条件(B)のみを満たす場合、正極10は、従来のニッケル系二次電池の正極と同様の構成であってよい。本実施形態に係るニッケル系二次電池100は、上記の条件(A)および(B)の両方を満たすことが好ましい。   The nickel-based secondary battery 100 according to the present embodiment satisfies one or both of the conditions (A) and (B) described above for the electrode. When the nickel-based secondary battery 100 according to the present embodiment satisfies only the condition (A), the negative electrode 20 may have the same configuration as the negative electrode of the conventional nickel-based secondary battery. When the nickel-based secondary battery 100 according to the present embodiment satisfies only the condition (B), the positive electrode 10 may have the same configuration as that of the conventional nickel-based secondary battery. It is preferable that the nickel-based secondary battery 100 according to the present embodiment satisfy both the conditions (A) and (B) described above.

次に、本実施形態に係るニッケル系二次電池100の製造方法について説明する。まず、電極を作製する。条件(A)の正極10と条件(B)の負極20は、活物質等、使用する材料を代えて同じプロセスを経て作製することができるため、条件(A)の正極10の製造方法と条件(B)の負極20の製造方法を、以下、電極の製造方法としてまとめて説明する。   Next, a method of manufacturing the nickel-based secondary battery 100 according to the present embodiment will be described. First, an electrode is produced. Since the positive electrode 10 of the condition (A) and the negative electrode 20 of the condition (B) can be manufactured through the same process by replacing the material to be used such as the active material, the manufacturing method and conditions of the positive electrode 10 of the condition (A) Hereinafter, a method of manufacturing the negative electrode 20 of (B) will be collectively described as a method of manufacturing an electrode.

まず、電極活物質および電子伝導材を含む電極スラリーを作製する。当該電極スラリーは、電極活物質、電子伝導材、および溶媒を物理的に混合することにより作製することができる。このような電極スラリーを用いた場合には、電極活物質の微粒子中に電子伝導材を分散させることができる。あるいは、電極スラリーは、電極活物質と溶媒とを含むスラリーを作製した後、PVD、CVD、PECVD、大気圧PECVDなどの蒸着法により、電極活物質の微粒子表面に、電子伝導材を蒸着させて電極スラリーを作製する。このような電極スラリーを用いた場合には、電子伝導材が電極活物質微粒子表面に付着することにより、電子伝導材を電極活物質中に分散させることができる。電極活物質には、水酸基を有するポリマーとハイブリット化されたものを用いてもよい。また、電極スラリーには、上記した無機/有機ハイブリッド化合物が混合されていてもよい。   First, an electrode slurry containing an electrode active material and an electron conductive material is prepared. The electrode slurry can be produced by physically mixing an electrode active material, an electron conducting material, and a solvent. When such an electrode slurry is used, the electron conductive material can be dispersed in the fine particles of the electrode active material. Alternatively, the electrode slurry is prepared by preparing a slurry containing an electrode active material and a solvent, and depositing an electron conductive material on the fine particle surface of the electrode active material by a deposition method such as PVD, CVD, PECVD, atmospheric pressure PECVD. An electrode slurry is prepared. When such an electrode slurry is used, the electron conductive material adheres to the surface of the fine particles of the electrode active material, whereby the electron conductive material can be dispersed in the electrode active material. The electrode active material may be one that is hybridized with a polymer having a hydroxyl group. In addition, the above-mentioned inorganic / organic hybrid compound may be mixed in the electrode slurry.

この電極スラリーを集電体に塗布する。集電体は従来公知のものを用いることができ、例えば、パンチングメタル状、平織状、あるいはこれらを組み合わせた集電体を用いることができる。以下、集電体にパンチングメタルを用いた場合を例に挙げて説明する。   The electrode slurry is applied to a current collector. The current collector can be a known one, for example, a punched metal, a plain weave, or a combination of these can be used. Hereinafter, the case where a punching metal is used for the current collector will be described as an example.

パンチングメタルは、電極が正極である場合には、ニッケル箔、電極が負極である場合には、ニッケルメッキ鋼箔が好ましく用いられる。パンチングメタルの厚みは10μm以下であることが好ましい。パンチングメタルの開口率は、強度とのバランスから適宜設定すればよく、50%以上が好ましく、70〜95%がより好ましい。パンチグメタルは周期的に凹凸を有していてもよい。凹凸の高さは、捲回されるパンチングメタルの層間で電子伝導が可能な高さにするとよい。凹凸の周期性は、TD方向、MD方向のいずれであってもよいが、MD方向に平行であることが、製造面から好ましい。   As the punching metal, nickel foil is preferably used when the electrode is a positive electrode, and nickel plated steel foil is preferably used when the electrode is a negative electrode. The thickness of the punching metal is preferably 10 μm or less. The aperture ratio of the punching metal may be appropriately set from the balance with the strength, preferably 50% or more, and more preferably 70 to 95%. The punched metal may have irregularities periodically. The height of the asperities may be such that electron conduction can be made between the layers of the punching metal to be wound. The periodicity of the asperities may be either in the TD direction or in the MD direction, but it is preferable from the viewpoint of production that it is parallel to the MD direction.

集電体に、固体電解質を含む電解質塗布液を塗布し、乾燥してパンチングメタルの孔を封止する。固体電解質としては、アニオン透過性またはカチオン透過性の材料であればよく、特にポリビニルアルコール、エチレン−ビニルアルコール共重合体等のポリマー材料が好ましい。固体電解質は、イオン透過性を向上させるために、分子中に層分離構造を含んでいてもよい。電解質塗布液は、乾燥後の厚さが5μm以下となるように塗布することが好ましい。続いて、電極スラリーを集電体に塗布し、乾燥して、集電体上に電極活物質を配置する。電極スラリーは、乾燥後の厚さが5μm以下(特に1μm以下)となるように塗布することが好ましい。電極スラリーは、集電体の片面のみに塗布してもよく、両面に塗布してもよい。電解質塗布液および電極スラリーの塗布は、集電体ロールから集電体を繰り出しつつ連続的に行う。しかしながら、集電体シートに対してバッチ式に塗布を行ってもよい。塗布方法には特に制限はなく、キャスト法、スクリーン印刷法、Tダイ、リップコータを用いた方法などが適用できるが、塗工膜厚が薄いことが好ましいためキャスト法が推奨される。電極活物質は、均一な厚さの膜として形成されていてもよいし、凹凸を有する膜として形成されていてもよい。また、アイランド状に集電体上に付与されてもよい。なお、電極スラリーが、無機/有機ハイブリッド化合物を含むことによって、自立膜を形成できる場合には、固体電解質の塗布を省略することができる。この場合には、電極活物質がパンチングメタルの孔を封止するとともに、パンチングメタル表面に配置される。   An electrolyte coating solution containing a solid electrolyte is applied to the current collector, dried, and the holes of the punching metal are sealed. The solid electrolyte may be an anion-permeable or cation-permeable material, and particularly preferably a polymer material such as polyvinyl alcohol or ethylene-vinyl alcohol copolymer. The solid electrolyte may contain a layer separation structure in the molecule in order to improve ion permeability. The electrolyte coating solution is preferably applied so that the thickness after drying is 5 μm or less. Subsequently, the electrode slurry is applied to a current collector and dried to dispose an electrode active material on the current collector. The electrode slurry is preferably applied so that the thickness after drying is 5 μm or less (in particular, 1 μm or less). The electrode slurry may be applied to only one side of the current collector, or may be applied to both sides. The application of the electrolyte coating solution and the electrode slurry is continuously performed while feeding the current collector from the current collector roll. However, application may be performed batchwise on the current collector sheet. The coating method is not particularly limited, and a cast method, a screen printing method, a T-die, a method using a lip coater, etc. can be applied. The electrode active material may be formed as a film having a uniform thickness, or may be formed as a film having irregularities. In addition, it may be applied on the current collector in an island shape. In addition, when an electrode slurry can form a self-supporting film | membrane by containing an inorganic / organic hybrid compound, application | coating of a solid electrolyte can be skipped. In this case, the electrode active material seals the hole of the punching metal and is disposed on the surface of the punching metal.

電極活物質が付与された集電体を捲回することにより電極を作製することができる。このとき、芯電極に集電体を捲回するとよい。芯電極としては、正極を作製する場合には、ニッケル板等、負極を作製する場合には、ニッケルめっき鋼板等を使用することができる。芯電極に集電体を捲回させる場合、芯電極と集電体とを、超音波溶接等により、電気的かつ物理的に接合することが好ましい。集電体は、集電体ロールから連続して繰り出されるが、適宜集電体をスリットしてもよい。捲回回数には特に制限はない。また捲回方向にも特に制限はなく、塗布方向に平行でも垂直でもよい。捲回は、パンチングメタルの孔が異なる位相に位置するように行うことが好ましい。捲回後、法線方向に物理的プレスを加えてもよい。捲回後、捲回された集電体間の拘束力を付与するために、励磁して集電体を磁化させてもよい。最表層からのデンドライト発生の抑制に、最表面に電解質をコートしてもよい。また、集電体が凹凸を有する場合、捲回された集電体間に隙間が生じうる。この場合、当該隙間に電極スラリーを充填してもよい。電極の作製は、副反応の抑制のため、還元雰囲気下(例えば水素を含む雰囲気下)で行うことが好ましい。   The electrode can be manufactured by winding the current collector to which the electrode active material is applied. At this time, the current collector may be wound around the core electrode. As a core electrode, when producing a positive electrode, a nickel plate etc. can be used when producing a negative electrode, such as a nickel plate. When winding the current collector on the core electrode, it is preferable to electrically and physically bond the core electrode and the current collector by ultrasonic welding or the like. The current collector is continuously fed from the current collector roll, but the current collector may be slit as appropriate. There is no particular limitation on the number of winding times. The winding direction is not particularly limited, and may be parallel or perpendicular to the coating direction. The winding is preferably performed so that the holes of the punching metal are positioned in different phases. After winding, a physical press may be applied in the normal direction. After winding, the current collector may be magnetized to be magnetized in order to provide a binding force between the wound current collectors. An electrolyte may be coated on the outermost surface to suppress dendrite generation from the outermost layer. In addition, when the current collector has unevenness, a gap may be generated between the wound current collectors. In this case, the gap may be filled with the electrode slurry. The preparation of the electrode is preferably performed under a reducing atmosphere (for example, under an atmosphere containing hydrogen) in order to suppress side reactions.

電極の別の製造方法としては、電子伝導材を含まない電極スラリーを用いて、集電体に電極スラリーを塗布して乾燥した後、電子伝導材を上記蒸着法で電極活物質中に混入させてもよい。また、集電体に電極スラリーを塗布して乾燥した後、電気化学的に電極活物質中に電子伝導材を生成させる方法も可能である。   As another manufacturing method of the electrode, after the electrode slurry is applied to the current collector and dried using the electrode slurry not containing the electron conductive material, the electron conductive material is mixed in the electrode active material by the above evaporation method. May be Moreover, after apply | coating and drying an electrode slurry to a collector, the method of producing | generating an electron conduction material in an electrode active material electrochemically is also possible.

また、電極活物質が有機/無機ハイブリッド化合物と共存している、あるいは電極活物質が有機/無機ハイブリッド化合物である場合には、電界紡糸により繊維状シートを形成した後、電子伝導材(好ましくはニッケル)を蒸着し、複数の繊維状シートを積層しながら巻き取って電極を作製してもよい。このような方法によれば、電極活物質を含む繊維状シートに金属構造を導入でき、有機/無機ハイブリッド化合物を電子伝導材でコーティングすることができるが、電子伝導材の面積被覆率は30〜80%が好ましい。繊維状シートの繊維径は10μm以下であることが好ましい。金属構造の厚さとしては5μm以下であることが好ましい。複数の繊維状シートは積層された段階で、10〜30μmの厚さを有してもよく、20〜80%の空隙率を有することが好ましく、その後空隙を除去するために圧縮することが好ましい。圧縮は、金属構造の断裂を防ぐため、加熱しながら行ってもよい。   In addition, when the electrode active material coexists with the organic / inorganic hybrid compound, or when the electrode active material is an organic / inorganic hybrid compound, an electron conductive material (preferably, after forming a fibrous sheet by electrospinning) The electrode may be manufactured by vapor deposition of nickel) and winding while laminating a plurality of fibrous sheets. According to such a method, the metal structure can be introduced into the fibrous sheet containing the electrode active material, and the organic / inorganic hybrid compound can be coated with the electron conductive material, but the area coverage of the electron conductive material is 30 to 80% is preferred. The fiber diameter of the fibrous sheet is preferably 10 μm or less. The thickness of the metal structure is preferably 5 μm or less. The plurality of fibrous sheets may have a thickness of 10 to 30 μm at the stage of lamination, preferably have a porosity of 20 to 80%, and then preferably be compressed to remove the voids . Compression may be performed with heating to prevent fracture of the metal structure.

本実施形態が条件(A)のみを満たす場合は、負極は公知方法に従い作製することができる。本実施形態が条件(B)のみを満たす場合は、正極は公知方法に従い作製することができる。   When the present embodiment satisfies only the condition (A), the negative electrode can be produced according to a known method. When the present embodiment satisfies only the condition (B), the positive electrode can be produced according to a known method.

以上のように作製した正極と負極とを、セパレータを介在させながら交互に積層して電極体を作製し、公知方法に従い、ニッケル系二次電池を作製することができる。   The positive electrode and the negative electrode produced as described above are alternately stacked while interposing a separator to produce an electrode body, and a nickel-based secondary battery can be produced according to a known method.

正極、負極、正負極間に介在するセパレータまたは電解質、およびバックセパレータを積層し、捲回して電極体を作製し、公知方法に従い、ニッケル系二次電池を作製してもよい。バックセパレータは、その両面に互いに絶縁された電子伝導材が塗布または付着していることが、内部抵抗低減と放熱性向上の観点から好ましい。   A positive electrode, a negative electrode, a separator or an electrolyte interposed between positive and negative electrodes, and a back separator may be stacked and wound to produce an electrode body, and a nickel-based secondary battery may be produced according to a known method. It is preferable from the viewpoint of internal resistance reduction and heat dissipation improvement that the back conductive material is coated or adhered to the both surfaces of the back conductive material, which are mutually insulated.

本実施形態に係るニッケル系二次電池100は、各種用途に利用可能であり、好適な用途としては、電気自動車(EV)、ハイブリッド自動車(HV)、プラグインハイブリッド自動車(PHV)等の車両に搭載される駆動用電源が挙げられる。   The nickel-based secondary battery 100 according to the present embodiment can be used for various applications, and suitable applications include vehicles such as electric vehicles (EVs), hybrid vehicles (HVs), plug-in hybrid vehicles (PHVs), etc. The drive power supply mounted is mentioned.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。   Although the specific examples of the present invention have been described above in detail, these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The art set forth in the claims includes various variations and modifications of the specific examples illustrated above.

10 正極
12 正極集電部材
14 正極端子
20 負極
30 セパレータ
40 ケース
42 蓋体
50 ガスケット
60 スペーサ
100 ニッケル系二次電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Positive electrode 12 Positive electrode current collection member 14 Positive electrode terminal 20 Negative electrode 30 Separator 40 Case 42 Lid 50 Gasket 60 Spacer 100 Nickel-based secondary battery

Claims (1)

正極、負極、および電解液を備えるニッケル系二次電池であって、以下の条件(A)および(B)のいずれか一方または両方を満たすニッケル系二次電池。
(A)正極が、水酸化ニッケル、オキシ水酸化ニッケル、およびそれらの誘導体から選ばれる少なくとも一種を含む正極活物質、および当該正極活物質中に分散している電子伝導材を含み、
前記水酸化ニッケル、オキシ水酸化ニッケル、およびそれらの誘導体から選ばれる少なくとも一種は、平均粒子径が0.01〜10nmの微粒子であり、
前記電子伝導材が、ニッケル、金、ルテニウム、または炭素を主成分とするものであり、
前記正極活物質が水酸化ニッケルを含む状態となったときの、CuKα線を利用した粉末X線回折法で得られた回折強度−回折角図において、水酸化ニッケルの結晶001面に対応する回折ピーク強度の半値幅が2(2θ°)以上であるか、水酸化ニッケルの結晶001面に対応する回折ピークが無い。
(B)負極が、水酸化鉄、オキシ水酸化鉄、酸化亜鉛、およびそれらの誘導体から選ばれる少なくとも一種を含む負極活物質、および当該負極活物質中に分散している電子伝導材を含み、
水酸化鉄、オキシ水酸化鉄、酸化亜鉛、およびそれらの誘導体から選ばれる少なくとも一種は、平均粒子径が0.01〜10nmの微粒子であり、
前記負極活物質が水酸化鉄または酸化亜鉛を含む状態となったときの、CuKα線を利用した粉末X線回折法で得られた回折強度−回折角図において、水酸化鉄または酸化亜鉛の結晶001面に対応する回折ピーク強度の半値幅が2(2θ°)以上であるか、水酸化鉄または酸化亜鉛の結晶001面に対応する回折ピークが無い。
A nickel-based secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode, and an electrolytic solution, wherein one or both of the following conditions (A) and (B) are satisfied:
(A) The positive electrode includes a positive electrode active material containing at least one selected from nickel hydroxide, nickel oxyhydroxide, and derivatives thereof, and an electron conducting material dispersed in the positive electrode active material,
At least one selected from the above-mentioned nickel hydroxide, nickel oxyhydroxide and derivatives thereof is a fine particle having an average particle diameter of 0.01 to 10 nm,
The electron conductive material contains nickel, gold, ruthenium, or carbon as a main component,
In the diffraction intensity-diffraction angle diagram obtained by the powder X-ray diffraction method using the CuKα ray when the positive electrode active material is in a state containing nickel hydroxide, the diffraction corresponding to the crystal 001 plane of nickel hydroxide The half width of the peak intensity is 2 (2θ °) or more, or there is no diffraction peak corresponding to the crystal 001 plane of nickel hydroxide .
(B) The negative electrode includes a negative electrode active material containing at least one selected from iron hydroxide, iron oxyhydroxide, zinc oxide, and derivatives thereof, and an electron conductive material dispersed in the negative electrode active material,
At least one selected from iron hydroxide, iron oxyhydroxide, zinc oxide, and derivatives thereof is a fine particle having an average particle size of 0.01 to 10 nm,
In the diffraction intensity-diffraction angle diagram obtained by the powder X-ray diffraction method using CuKα radiation when the negative electrode active material contains iron hydroxide or zinc oxide, crystals of iron hydroxide or zinc oxide The half value width of the diffraction peak intensity corresponding to the 001 plane is 2 (2θ °) or more, or there is no diffraction peak corresponding to the crystal 001 plane of iron hydroxide or zinc oxide .
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