JP6865601B2 - Positive electrode active material for sodium ion secondary battery and its manufacturing method, and sodium ion secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、P2型の結晶構造を有するナトリウム含有複合酸化物を含むナトリウムイオン二次電池用正極活物質およびその製造方法、並びにナトリウムイオン二次電池に関する。 The present invention relates to a positive electrode active material for a sodium ion secondary battery containing a sodium-containing composite oxide having a P2-type crystal structure, a method for producing the same, and a sodium ion secondary battery.
リチウムイオン二次電池に代わり、資源量が豊富で安価なナトリウムを主要原料とするナトリウムイオン二次電池の開発が進められている。ナトリウムイオン二次電池用正極活物質としては、P2型の結晶構造を有するナトリウム含有複合酸化物が有望である。中でも、遷移金属としてNiおよびMnを含むP2型ナトリウム含有複合酸化物は、作動電圧が高く、かつ高容量を得ることができる(特許文献1)。しかし、充放電サイクルにおける安定性の面では、現在実用化されているリチウムイオン二次電池に比較すると十分とはいえず、サイクル特性の改善が望まれている。 Instead of lithium-ion secondary batteries, the development of sodium-ion secondary batteries using sodium, which has abundant resources and is inexpensive, as the main raw material is underway. As a positive electrode active material for a sodium ion secondary battery, a sodium-containing composite oxide having a P2-type crystal structure is promising. Among them, the P2-type sodium-containing composite oxide containing Ni and Mn as transition metals has a high operating voltage and can obtain a high capacity (Patent Document 1). However, in terms of stability in the charge / discharge cycle, it cannot be said that it is sufficient as compared with the lithium ion secondary battery currently in practical use, and improvement in cycle characteristics is desired.
一方、遷移金属としてFeを含むP2型ナトリウム含有複合酸化物が提案されている(特許文献2、非特許文献1)。例えば、Na0.667Fe0.5Mn0.5O2は、サイクル特性に優れるという報告があるが、作動電圧が低めであり、高電位領域で分極しやすい。
On the other hand, a P2-type sodium-containing composite oxide containing Fe has been proposed as a transition metal (
また、P2型ナトリウム含有複合酸化物において、遷移金属の一部をLiに置換することが提案されている(特許文献3、4)。遷移金属サイトに組み込まれたLiは、結晶構造を安定化させ、サイクル特性を向上させるものと考えられている。また、酸素がレドックス反応に関与することで高容量が得られるという報告があるが、作動電圧は低めである。
Further, it has been proposed to replace a part of the transition metal with Li in the P2-type sodium-containing composite oxide (
以上のように、P2型ナトリウム含有複合酸化物として、様々な組成が検討されているが、高容量かつ高電圧を発現するとともに良好なサイクル特性を示すP2型ナトリウム含有複合酸化物は見出されていない。 As described above, various compositions have been studied as P2-type sodium-containing composite oxides, but P2-type sodium-containing composite oxides that exhibit high capacity and high voltage and exhibit good cycle characteristics have been found. Not.
本発明の一側面は、P2型の結晶構造を有し、Nax[M11-aM2a]O2で表され、0<x<1.0および0.06≦a≦0.19を満たすナトリウム含有複合酸化物を含み、前記元素M1は、MnおよびNiを含み、前記元素M2は、LiおよびFeを含み、元素M2におけるFeの含有量をa Fe で表すとき、0.04≦a Fe ≦0.13を満たす、ナトリウムイオン二次電池用正極活物質に関する。 One aspect of the present invention has a P2-type crystal structure, is represented by Na x [M1 1-a M2 a ] O 2 , and has 0 <x <1.0 and 0.06 ≦ a ≦ 0.19 . when the sodium-containing comprises a composite oxide, the element M1 satisfying include Mn and Ni, the element M2 is seen containing a Li and Fe, which represents the content of Fe in the element M2 in a Fe, 0.04 ≦ a Regarding a positive electrode active material for a sodium ion secondary battery satisfying Fe ≤ 0.13.
本発明の別の側面は、上記正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極と、ナトリウムイオン伝導性を有する非水電解質と、を具備する、ナトリウムイオン二次電池に関する。 Another aspect of the present invention relates to a sodium ion secondary battery comprising a positive electrode containing the positive electrode active material, a negative electrode containing the negative electrode active material, and a non-aqueous electrolyte having sodium ion conductivity.
本発明の更に別の側面は、ナトリウム塩と、元素M1の塩と、元素M2の塩と、を含む原料を調製する工程と、前記原料を、空気中もしくは酸化雰囲気中で、700℃以上、1100℃以下の温度で焼成してナトリウム含有複合酸化物を生成させる工程と、を有し、前記元素M1の塩に含まれる元素M1と前記元素M2の塩に含まれる元素M2との合計に対する前記ナトリウム塩に含まれるナトリウムのモル比xが、0<x<1.0を満たし、前記元素M1は、MnおよびNiを含み、前記元素M2は、LiおよびFeを含み、前記元素M1の塩に含まれる元素M1と前記元素M2の塩に含まれる元素M2との合計に対する前記元素M2のモル比aが、0.06≦a≦0.19を満たし、元素M2におけるFeの含有量をa Fe で表すとき、0.04≦a Fe ≦0.13を満たす、ナトリウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法に関する。 Yet another aspect of the present invention is a step of preparing a raw material containing a sodium salt, a salt of the element M1 and a salt of the element M2, and the raw material at 700 ° C. or higher in the air or in an oxidizing atmosphere. The step of calcining at a temperature of 1100 ° C. or lower to form a sodium-containing composite oxide, and the above-mentioned with respect to the total of the element M1 contained in the salt of the element M1 and the element M2 contained in the salt of the element M2. The molar ratio x of sodium contained in the sodium salt satisfies 0 <x <1.0, the element M1 contains Mn and Ni, the element M2 contains Li and Fe, and the salt of the element M1 molar ratio a of the element M2 to the total of the element M2 contained the element M1 included in salts of the element M2 is, meets the 0.06 ≦ a ≦ 0.19, the content of Fe in the element M2 a The present invention relates to a method for producing a positive electrode active material for a sodium ion secondary battery, which satisfies 0.04 ≦ a Fe ≦ 0.13 when expressed in Fe.
本発明に係る正極活物質によれば、高容量かつ高電圧で、安定して充放電を繰り返すことができるナトリウムイオン二次電池を提供することができる。 According to the positive electrode active material according to the present invention, it is possible to provide a sodium ion secondary battery capable of stably repeating charging and discharging with a high capacity and a high voltage.
[発明の実施形態の説明]
最初に、本発明の実施形態の内容を列記して説明する。
(1)本発明の一実施形態に係る正極活物質は、P2型の結晶構造を有し、一般式:Nax[M11-aM2a]O2で表され、0<x<1.0および0.06≦a≦0.2を満たすナトリウム含有複合酸化物(以下、M1M2複合酸化物とも称する。)を含む。元素M1は、MnおよびNiを含み、元素M2は、LiおよびFeを含む。上記正極活物質を用いることにより、高容量かつ高電圧を発現するとともに良好なサイクル特性を示すナトリウムイオン二次電池を得ることができる。
[Explanation of Embodiments of the Invention]
First, the contents of the embodiments of the present invention will be listed and described.
(1) The positive electrode active material according to the embodiment of the present invention has a P2-type crystal structure, is represented by the general formula: Na x [M1 1-a M2 a ] O 2 , and 0 <x <1. It contains a sodium-containing composite oxide (hereinafter, also referred to as M1M2 composite oxide) that satisfies 0 and 0.06 ≦ a ≦ 0.2. The element M1 contains Mn and Ni, and the element M2 contains Li and Fe. By using the positive electrode active material, a sodium ion secondary battery that exhibits high capacity and high voltage and exhibits good cycle characteristics can be obtained.
(2)上記一般式は0.666<xを満たすことが好ましい。これにより、M1M2複合酸化物中のナトリウム含有量が大きくなるため、高容量を得やすくなる。 (2) The above general formula preferably satisfies 0.666 <x. As a result, the sodium content in the M1M2 composite oxide is increased, so that a high capacity can be easily obtained.
(3)上記一般式は、0.06≦a≦0.19を満たすことが好ましい。これにより、容量とサイクル特性のバランスにより優れたナトリウムイオン二次電池を得ることができる。 (3) The above general formula preferably satisfies 0.06 ≦ a ≦ 0.19. As a result, an excellent sodium-ion secondary battery can be obtained with a good balance between capacity and cycle characteristics.
(4)元素M2におけるLiの含有量をaLi、Feの含有量をaFeで表すとき、上記一般式は、0.02≦aLi≦0.07および0.04≦aFe≦0.13並びにa=aLi+aFeを満たすことが好ましい。また、(5)0.02≦aLi≦0.06および0.04≦aFe≦0.12を満たすことがより好ましい。また、(6)0.042≦aLi≦0.06および0.085≦aFe≦0.11を満たすことが更に好ましい。これにより、ナトリウムイオン二次電池の容量とサイクル特性とのバランスが更に良くなる。 (4) When the Li content in the element M2 is represented by a Li and the Fe content is represented by a Fe , the above general formulas are 0.02 ≤ a Li ≤ 0.07 and 0.04 ≤ a Fe ≤ 0. It is preferable to satisfy 13 and a = a Li + a Fe. Further, it is more preferable to satisfy (5) 0.02 ≦ a Li ≦ 0.06 and 0.04 ≦ a Fe ≦ 0.12. Further, it is more preferable to satisfy (6) 0.042 ≦ a Li ≦ 0.06 and 0.085 ≦ a Fe ≦ 0.11. As a result, the balance between the capacity of the sodium ion secondary battery and the cycle characteristics is further improved.
(7)元素M1は、NiyAzMn1-y-z(ただし、0.2≦y≦0.3、0≦z<0.1)で表されることが好ましい。元素Aは、NiおよびMn以外の元素である。これにより、M1M2複合酸化物が、高容量かつ高電圧を発現しやすくなる。 (7) the element M1 is, Ni y A z Mn 1- yz ( although, 0.2 ≦ y ≦ 0.3,0 ≦ z <0.1) is preferably represented by. Element A is an element other than Ni and Mn. This makes it easier for the M1M2 composite oxide to develop a high capacity and a high voltage.
(8)本発明の一実施形態に係るナトリウムイオン二次電池は、上記正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極と、ナトリウムイオン伝導性を有する非水電解質と、を具備する。上記正極活物質を備える正極を用いることで、高容量かつ高電圧で、安定して充放電を繰り返すことができるナトリウムイオン二次電池を提供することができる。 (8) The sodium ion secondary battery according to the embodiment of the present invention includes a positive electrode containing the positive electrode active material, a negative electrode containing the negative electrode active material, and a non-aqueous electrolyte having sodium ion conductivity. By using the positive electrode provided with the positive electrode active material, it is possible to provide a sodium ion secondary battery capable of stably repeating charging and discharging with a high capacity and a high voltage.
(9)本発明の一実施形態に係るナトリウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法は、(i)ナトリウム塩と、元素M1の塩と、元素M2の塩と、を含む原料を調製する工程と、(ii)前記原料を、空気中もしくは酸化雰囲気中で、700℃以上、1100℃以下の温度で焼成してナトリウム含有複合酸化物を生成させる工程と、を有する。ただし、元素M1の塩に含まれる元素M1と元素M2の塩に含まれる元素M2との合計に対するナトリウム塩に含まれるナトリウムのモル比xは、0<x<1.0を満たす。元素M1は、MnおよびNiを含む。元素M2は、LiおよびFeを含む。元素M1の塩に含まれる元素M1と元素M2の塩に含まれる元素M2との合計に対する元素M2のモル比aは、0.06≦a≦0.2を満たす。上記方法によれば、不純物の少ないM1M2複合酸化物を効率的に製造することができる。 (9) The method for producing a positive electrode active material for a sodium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention prepares a raw material containing (i) a sodium salt, a salt of element M1, and a salt of element M2. It comprises (ii) a step of calcining the raw material in air or an oxidizing atmosphere at a temperature of 700 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower to produce a sodium-containing composite oxide. However, the molar ratio x of sodium contained in the sodium salt to the total of the element M1 contained in the salt of the element M1 and the element M2 contained in the salt of the element M2 satisfies 0 <x <1.0. The element M1 contains Mn and Ni. The element M2 contains Li and Fe. The molar ratio a of the element M2 to the total of the element M1 contained in the salt of the element M1 and the element M2 contained in the salt of the element M2 satisfies 0.06 ≦ a ≦ 0.2. According to the above method, an M1M2 composite oxide having few impurities can be efficiently produced.
[発明の実施形態の詳細]
次に、本発明の実施形態について更に具体的に説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
[Details of Embodiments of the Invention]
Next, an embodiment of the present invention will be described in more detail. It should be noted that the present invention is not limited to these examples, and is indicated by the appended claims, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the claims. ..
<正極活物質>
本発明の一実施形態に係る正極活物質は、P2型の結晶構造を有し、一般式:Nax[M11-aM2a]O2で表され、0<x<1.0および0.06≦a≦0.2を満たすナトリウム含有複合酸化物(M1M2複合酸化物)を含む。元素M1は、MnおよびNiを含み、元素M2は、LiおよびFeを含む。M1M2複合酸化物は、P2型の結晶構造を有するNaxM1O2の元素M1の一部を元素M2で置換した構造を有する。M1M2複合酸化物は、NaxM1O2(典型的にはNa2/3[Ni1/3Mn2/3]O2)に由来する高い作動電圧と高容量を発現する。
<Positive electrode active material>
The positive electrode active material according to one embodiment of the present invention has a P2-type crystal structure, is represented by the general formula: Na x [M1 1-a M2 a ] O 2 , and has 0 <x <1.0 and 0. .. Contains a sodium-containing composite oxide (M1M2 composite oxide) satisfying 06 ≦ a ≦ 0.2. The element M1 contains Mn and Ni, and the element M2 contains Li and Fe. The M1M2 composite oxide has a structure in which a part of the element M1 of Na x M1O 2 having a P2-type crystal structure is replaced with the element M2. The M1M2 composite oxide exhibits high working voltage and high capacity derived from Na x M1O 2 (typically Na 2/3 [Ni 1/3 Mn 2/3 ] O 2).
元素M1の中では、主にNiが酸化還元反応に寄与する。Ni価数は、2価と4価の間で変化する。元素M2の中では、Feが酸化還元反応に寄与する。Fe価数は、3価と4価の間で変化する。 Among the elements M1, Ni mainly contributes to the redox reaction. The Ni valence varies between divalent and tetravalent. Among the elements M2, Fe contributes to the redox reaction. The Fe valence varies between trivalent and tetravalent.
元素M2の中でも、Liは、結晶構造を安定化させて、充放電によるM1M2複合酸化物の劣化を抑制するため、サイクル特性の向上が期待できる。また、2価のNiを1価のLiで置換すると正電荷が不足するが、ナトリウム含有量を増量することで不足電荷が補償される。ナトリウム含有量が増えることにより、容量が向上する。 Among the elements M2, Li stabilizes the crystal structure and suppresses deterioration of the M1M2 composite oxide due to charging and discharging, so that improvement in cycle characteristics can be expected. Further, when divalent Ni is replaced with monovalent Li, the positive charge is insufficient, but the insufficient charge is compensated by increasing the sodium content. By increasing the sodium content, the capacity is improved.
元素M2のうちFeは、資源量が豊富であり、酸化還元反応にも関与する。元素M2がLiとともにFeを含むことにより、充放電によるM1M2複合酸化物の劣化が抑制される。更に、Liの一部をFeに置換することで、希少Liの使用量を低減しつつ、高容量かつ安価でサイクル特性の良好なナトリウムイオン二次電池の設計が可能になる。 Of the elements M2, Fe is abundant in resources and is also involved in the redox reaction. Since the element M2 contains Fe together with Li, deterioration of the M1M2 composite oxide due to charging and discharging is suppressed. Further, by substituting a part of Li with Fe, it becomes possible to design a sodium ion secondary battery having a high capacity, low cost, and good cycle characteristics while reducing the amount of rare Li used.
元素M2で置換される元素M1の量が多くなると、単相のP2型の結晶構造を有するM1M2複合酸化物の合成は次第に困難になる。よって、M1M2複合酸化物中に、所望の結晶構造を有さない第三成分が混入しやすくなる。上記一般式が0.06≦a≦0.2を満たす場合、第三成分の混入を避けることができる。 As the amount of the element M1 substituted with the element M2 increases, it becomes increasingly difficult to synthesize an M1M2 composite oxide having a single-phase P2-type crystal structure. Therefore, a third component that does not have a desired crystal structure is likely to be mixed in the M1M2 composite oxide. When the above general formula satisfies 0.06 ≦ a ≦ 0.2, mixing of the third component can be avoided.
M1M2複合酸化物は、水と反応しにくく、大気中および水溶液中でも変質しにくい。例えば、M1M2複合酸化物の0.1gを2cm3の水と混合して25℃で30分間撹拌しても、CuKα線を用いた粉末X線回折像に変化がほとんど見られない。 The M1M2 composite oxide is less likely to react with water and is less likely to be altered in air or in aqueous solution. For example, even if 0.1 g of M1M2 composite oxide is mixed with 2 cm 3 of water and stirred at 25 ° C. for 30 minutes, almost no change is observed in the powder X-ray diffraction image using CuKα rays.
ここで、P2型結晶構造について更に説明する。代表的なP2型結晶構造は、その対称性から空間群P63/mmcに帰属される。基本的なP2型結晶は層状構造であるが、P2型の母構造にP3型および/またはO3型の積層欠陥が含まれる場合もある。複合酸化物がP2型結晶構造を有するか否かは、X線回折により確認することができる。例えばNa2/3[Ni1/3Mn2/3]O2は典型的なP2型結晶構造を有する。 Here, the P2-type crystal structure will be further described. A typical P2-type crystal structure is assigned to the space group P63 / mmc because of its symmetry. The basic P2-type crystal has a layered structure, but the P2-type matrix structure may contain P3-type and / or O3-type stacking defects. Whether or not the composite oxide has a P2-type crystal structure can be confirmed by X-ray diffraction. For example, Na 2/3 [Ni 1/3 Mn 2/3 ] O 2 has a typical P2-type crystal structure.
なお、X線源にCuKα線を用いた粉末X線回折測定において、18°〜25°の範囲にはピークが観察されない場合、P2型の結晶構造以外の第三成分がM1M2複合酸化物にほとんど含まれていないと判断することができる。ただし、ピークとは、客観的にその存在を確認できる実質的なピークであり、ノイズと判断されるピークは含まれない。 When no peak is observed in the range of 18 ° to 25 ° in the powder X-ray diffraction measurement using CuKα ray as the X-ray source, most of the third component other than the P2 type crystal structure is contained in the M1M2 composite oxide. It can be determined that it is not included. However, the peak is a substantial peak whose existence can be objectively confirmed, and does not include a peak judged to be noise.
上記一般式は0<x<1.0を満たせばよく、x値はP2型結晶構造が維持されるように選択される。例えば0.666<xが好ましく、0.68≦x<0.95が更に好ましく、0.69≦x<0.90が特に好ましい。なお、x値が1以上になると、O3型結晶構造が安定となるため、P2型結晶構造が形成されにくくなる。 The above general formula may satisfy 0 <x <1.0, and the x value is selected so that the P2-type crystal structure is maintained. For example, 0.666 <x is preferable, 0.68 ≦ x <0.95 is more preferable, and 0.69 ≦ x <0.90 is particularly preferable. When the x value is 1 or more, the O3 type crystal structure becomes stable, so that the P2 type crystal structure is difficult to form.
上記x値の範囲は、原料の焼成により生成するM1M2複合酸化物の組成における範囲である。x値は、ナトリウムイオン二次電池の充放電により増減する。x値は充電時に減少し、放電時に増加する。充電時のx値の下限は0.1≦xであることが好ましく、0.2≦xであることがより好ましい。放電時のx値の上限はx<1.0が好ましく、x≦0.9がより好ましい。 The range of the x value is the range in the composition of the M1M2 composite oxide produced by firing the raw material. The x value increases or decreases depending on the charge and discharge of the sodium ion secondary battery. The x value decreases during charging and increases during discharging. The lower limit of the x value at the time of charging is preferably 0.1 ≦ x, and more preferably 0.2 ≦ x. The upper limit of the x value at the time of discharge is preferably x <1.0, and more preferably x ≦ 0.9.
上記一般式は0.06≦a≦0.2を満たせばよく、0.06≦a≦0.19が好ましく、0.06≦a≦0.15がより好ましい。また、元素M2におけるLiの含有量をaLi、Feの含有量をaFeで表すとき、0.02≦aLi≦0.07および0.04≦aFe≦0.13並びにa=aLi+aFeを満たすことが好ましい。また、0.02≦aLi≦0.06かつ0.04≦aFe≦0.12を満たすことがより好ましく、0.042≦aLi≦0.06かつ0.085≦aFe≦0.11を満たすことが更に好ましい。 The above general formula may satisfy 0.06 ≦ a ≦ 0.2, preferably 0.06 ≦ a ≦ 0.19, and more preferably 0.06 ≦ a ≦ 0.15. When the Li content in the element M2 is represented by a Li and the Fe content is represented by a Fe , 0.02 ≤ a Li ≤ 0.07 and 0.04 ≤ a Fe ≤ 0.13 and a = a Li. It is preferable to satisfy + a Fe. Further, it is more preferable to satisfy 0.02 ≤ a Li ≤ 0.06 and 0.04 ≤ a Fe ≤ 0.12, and 0.042 ≤ a Li ≤ 0.06 and 0.085 ≤ a Fe ≤ 0. It is more preferable to satisfy 11.
元素M1は、NiとMnを含み、具体的には、元素M1がNiyAzMn1-y-z(ただし、0.2≦y≦0.3、0≦z<0.1)で表されることが好ましい。ただし、元素Aは、NiおよびMn以外の元素である。元素Aとしては、Mg、Al、Co、Tiなどが挙げられる。y値は0.2≦y≦0.3を満たせばよいが、より良好なサイクル特性を確保する観点から、0.2≦y≦0.26が好ましい。 Element M1 may include Ni and Mn, specifically, element M1 is represented by Ni y A z Mn 1-yz ( although, 0.2 ≦ y ≦ 0.3,0 ≦ z <0.1) Is preferable. However, the element A is an element other than Ni and Mn. Examples of the element A include Mg, Al, Co, Ti and the like. The y value may satisfy 0.2 ≦ y ≦ 0.3, but 0.2 ≦ y ≦ 0.26 is preferable from the viewpoint of ensuring better cycle characteristics.
(平均一次粒子径)
M1M2複合酸化物の平均一次粒子径は、特に限定されないが、例えば0.1μm以上であり、0.2μm以上が好ましく、0.3μm以上がより好ましい。この範囲であれば、P2型結晶が十分に成長しているといえる。また、平均一次粒子径は、例えば5μm以下であり、3μm以下が好ましく、2μm以下がより好ましい。平均一次粒子径は、複合酸化物の走査型電子顕微鏡(SEM)像において10〜30個の一次粒子を任意に選択し、選択した一次粒子の最大径の平均値として求めればよい。
(Average primary particle size)
The average primary particle size of the M1M2 composite oxide is not particularly limited, but is, for example, 0.1 μm or more, preferably 0.2 μm or more, and more preferably 0.3 μm or more. Within this range, it can be said that the P2-type crystal is sufficiently grown. The average primary particle size is, for example, 5 μm or less, preferably 3 μm or less, and more preferably 2 μm or less. The average primary particle size may be obtained by arbitrarily selecting 10 to 30 primary particles in a scanning electron microscope (SEM) image of the composite oxide and determining the average value as the average value of the maximum diameters of the selected primary particles.
上記ナトリウム含有複合酸化物を含む正極を作製し、負極(対極)に金属ナトリウムを用いて電池を組み立てた場合、その開回路電圧(OCV)は、例えば1.5V以上である。正極は、金属ナトリウムの酸化還元電位に対して、1.5V〜4.6Vの範囲で充放電することができる。ただし、充放電サイクルを安定して繰り返す観点から、充電時の上限電圧は4.6V未満とすることが好ましく、4.5V以下がより好ましく、4.4V以下が更に好ましい。また、放電時の下限電圧は、1.7V以上が好ましく、2.0V以上がより好ましく、2.5V以上が更に好ましい。 When a positive electrode containing the sodium-containing composite oxide is produced and a battery is assembled using metallic sodium for the negative electrode (counter electrode), the open circuit voltage (OCV) thereof is, for example, 1.5 V or more. The positive electrode can be charged and discharged in the range of 1.5 V to 4.6 V with respect to the redox potential of metallic sodium. However, from the viewpoint of stably repeating the charge / discharge cycle, the upper limit voltage during charging is preferably less than 4.6 V, more preferably 4.5 V or less, and further preferably 4.4 V or less. Further, the lower limit voltage at the time of discharging is preferably 1.7 V or more, more preferably 2.0 V or more, and further preferably 2.5 V or more.
(M1M2複合酸化物の製造方法)
次に、原料を調製する工程(i)と、原料を焼成する工程(ii)と、を有するM1M2複合酸化物の製造方法について説明する。ただし、製造方法は、以下に限定されない。
(Method for producing M1M2 composite oxide)
Next, a method for producing an M1M2 composite oxide having a step of preparing a raw material (i) and a step of firing the raw material (ii) will be described. However, the manufacturing method is not limited to the following.
工程(i)
まず、Na塩と、元素M1の塩と、元素M2の塩と、を含む原料を調製する。元素M1の塩には、LiとFeを含む複塩を用いてもよいが、下記に示すようなLi塩とFe塩とを併用することが好ましい。また、元素M2の塩には、NiとMnを含む複塩等を用いてもよいが、下記に示すようなNi塩とMn塩とを併用することが好ましい。各複塩は、例えば、晶析法または共沈法により、酸化物もしくは水酸化物として調製することができる。
Process (i)
First, a raw material containing a Na salt, a salt of element M1, and a salt of element M2 is prepared. As the salt of the element M1, a double salt containing Li and Fe may be used, but it is preferable to use the Li salt and the Fe salt as shown below in combination. Further, as the salt of the element M2, a double salt containing Ni and Mn may be used, but it is preferable to use a Ni salt and an Mn salt as shown below in combination. Each double salt can be prepared as an oxide or hydroxide by, for example, a crystallization method or a coprecipitation method.
Na塩、Li塩、Fe塩元、Ni塩およびMn塩には、例えば、酸化物、水酸化物、オキシ水酸化物、炭酸水素塩、炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩、ハロゲン化物、有機酸塩(例えばシュウ酸塩)などを用いることができる。 Examples of Na salt, Li salt, Fe salt source, Ni salt and Mn salt include oxides, hydroxides, oxyhydroxides, hydrogen carbonates, carbonates, nitrates, sulfates, halides and organic acid salts. (For example, oxalate) and the like can be used.
具体的には、Na塩としては、Na2CO3、NaHCO3、Na2Oなどを用いることができる。これらのうちでは、Na2CO3の取り扱いが最も容易である。
Specifically, as the Na salt, or the like can be used Na 2 CO 3, NaHCO 3,
Li塩としては、LiOH、Li2CO3、Li2Oなどを用いることができる。これらのうちでは、Li2CO3の取り扱いが最も容易である。 As the Li salt, LiOH, Li 2 CO 3 , Li 2 O and the like can be used. Of these, Li 2 CO 3 is the easiest to handle.
Fe塩としては、Fe2O3、FeO、Fe(OH)3、Fe(OH)2などを用いることができる。これらのうちでは、Fe2O3の取り扱いが最も容易である。 As the Fe salt, Fe 2 O 3 , FeO, Fe (OH) 3 , Fe (OH) 2 and the like can be used. Of these, Fe 2 O 3 is the easiest to handle.
Ni塩としては、NiCO3、Ni(OH)2、NiOOH、NiO、NiNO3、Ni2SO4などを用いることができる。これらのうちでは、Ni(OH)2、NiOOHおよびNiOの取り扱いが容易である。 As the Ni salt, NiCO 3 , Ni (OH) 2 , NiOOH, NiO, NiNO 3 , Ni 2 SO 4 and the like can be used. Of these, Ni (OH) 2 , NiOOH and NiO are easy to handle.
Mn塩としては、MnO2、Mn2O3、Mn3O4などを用いることができる。 As the Mn salt, MnO 2 , Mn 2 O 3 , Mn 3 O 4 and the like can be used.
原料は、元素M1の塩に含まれる元素M1と元素M2の塩に含まれる元素M2との合計に対するナトリウムのモル比xが、0<x<1.0となるように配合する。同様に、元素M1の塩に含まれる元素M1と元素M2の塩に含まれる元素M2との合計に対する元素M2のモル比aが、0.06≦a≦0.2を満たすように原料を配合する。x値およびa値は、所望のM1M2複合酸化物の組成に応じて選択される。
The raw materials are blended so that the molar ratio x of sodium to the total of the element M1 contained in the salt of the element M1 and the element M2 contained in the salt of the element M2 is 0 <x <1.0. Similarly, the molar ratio a of element M2 to the total of the element M2 contained in the salt of the element M1 and the element M2 contained in the salt of the element M1 is blended raw material to satisfy 0.06 ≦ a ≦ 0.2 To do. The x-value and a-value are selected according to the composition of the desired M1M2 composite oxide.
M1M2複合酸化物において、元素M1がNiyAzMn1-y-z(ただし、0.1≦y<0.33、0≦z<0.1)で表される場合、元素M1の塩に、所定の割合で元素Aを含む塩を含ませればよい。具体的には、ニッケルとマンガンと元素Aのモル比が、y:(1−y−z):zを満たすように元素M2の塩を準備すればよい。 In M1M2 composite oxide, if the element M1 is Ni y A z Mn 1-yz ( although, 0.1 ≦ y <0.33,0 ≦ z <0.1) represented by the salt of the element M1, A salt containing the element A may be contained in a predetermined ratio. Specifically, the salt of the element M2 may be prepared so that the molar ratio of nickel, manganese and the element A satisfies y: (1-yz): z.
原料、すなわち、ナトリウム塩、元素M1の塩および元素M2の塩を含む混合物は、ボールミル、V型混合機、攪拌機などの混合装置を用いて、乾式または湿式で混合すればよい。 The raw material, that is, the mixture containing the sodium salt, the salt of the element M1 and the salt of the element M2 may be mixed dry or wet using a mixing device such as a ball mill, a V-type mixer, or a stirrer.
工程(ii)
次に、原料を、空気中もしくは酸化雰囲気中で、700℃以上(好ましくは800℃以上)、1100℃以下(好ましくは1000℃以下)の温度で焼成し、M1M2複合酸化物を生成させる。焼成温度が700℃未満では、P2型結晶構造が十分に成長せず、原料成分を不純物として含むM1M2複合酸化物が生成しやすい。焼成温度が1100℃を超えると、P2型結晶構造は得られるものの、所望の結晶構造とは異なる結晶構造を有する第三成分を生成しやすい。
Process (ii)
Next, the raw material is calcined in air or in an oxidizing atmosphere at a temperature of 700 ° C. or higher (preferably 800 ° C. or higher) and 1100 ° C. or lower (preferably 1000 ° C. or lower) to produce an M1M2 composite oxide. If the calcination temperature is less than 700 ° C., the P2 type crystal structure does not grow sufficiently, and an M1M2 composite oxide containing a raw material component as an impurity is likely to be produced. When the firing temperature exceeds 1100 ° C., a P2-type crystal structure can be obtained, but a third component having a crystal structure different from the desired crystal structure is likely to be produced.
なお、焼成温度とは、昇温過程および降温過程を除く期間(以下、本焼成期間)の平均的な温度である。よって、例えば、本焼成期間中に瞬間的に、もしくは短時間だけ700℃未満になったり、1100℃を超えたりすることは許容される。ただし、本焼成期間の80%程度は、焼成雰囲気の温度が700℃〜1100℃(好ましくは800℃〜1000℃)に維持されることが好ましい。 The firing temperature is an average temperature during a period excluding the temperature raising process and the temperature lowering process (hereinafter referred to as the main firing period). Therefore, for example, it is permissible that the temperature drops below 700 ° C. or exceeds 1100 ° C. momentarily or for a short time during the main firing period. However, it is preferable that the temperature of the firing atmosphere is maintained at 700 ° C. to 1100 ° C. (preferably 800 ° C. to 1000 ° C.) for about 80% of the main firing period.
本焼成期間は、例えば5時間以上であればよく、8時間〜15時間がより好ましく、10時間〜12時間が更に好ましい。これにより、より安定的にP2型結晶構造を成長させることができる。 The main firing period may be, for example, 5 hours or more, more preferably 8 hours to 15 hours, and even more preferably 10 hours to 12 hours. As a result, the P2-type crystal structure can be grown more stably.
原料を酸化雰囲気で焼成する場合、大気圧下、空気中で焼成すればよい。また、空気より酸素濃度の高い雰囲気で原料を焼成してもよい。空気もしくは酸化雰囲気の圧力は、特に限定されないが、例えば0.9×105Pa〜1.1×105Paであればよい。 When the raw material is fired in an oxidizing atmosphere, it may be fired in air under atmospheric pressure. Further, the raw material may be calcined in an atmosphere having a higher oxygen concentration than air. The pressure of air or an oxidizing atmosphere is not particularly restricted as long as it is for example 0.9 × 10 5 Pa~1.1 × 10 5 Pa.
上記焼成を行う前に、上記と同様の雰囲気中で、200〜500℃の温度範囲で原料の仮焼成を行ってもよい。仮焼成により、原料に含まれる揮発成分(例えば水分)が緩やかに除去され、本焼成期間での結晶成長が進行しやすくなる。 Before the above firing, the raw material may be provisionally fired in a temperature range of 200 to 500 ° C. in the same atmosphere as above. By the calcination, the volatile components (for example, water) contained in the raw material are slowly removed, and the crystal growth in the main calcination period is facilitated.
<ナトリウムイオン二次電池>
次に、ナトリウムイオン二次電池について説明する。ナトリウムイオン二次電池は、上記正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極と、ナトリウムイオン伝導性を有する非水電解質と、を具備する。図1は、一実施形態に係るナトリウムイオン二次電池100を概略的に示す縦断面図である。ナトリウムイオン二次電池は、積層型の電極群、電解質(図示せず)およびこれらを収容する角型の電池ケース10を具備する。電池ケース10は、例えばアルミニウム製であり、上部が開口した有底の容器本体12と、上部開口を塞ぐ蓋体13とで構成されている。
<Sodium ion secondary battery>
Next, the sodium ion secondary battery will be described. The sodium ion secondary battery includes a positive electrode containing the positive electrode active material, a negative electrode containing the negative electrode active material, and a non-aqueous electrolyte having sodium ion conductivity. FIG. 1 is a vertical cross-sectional view schematically showing a sodium ion
蓋体13の中央には、電池ケース10の内圧が上昇したときに内部で発生したガスを放出するための安全弁16が設けられている。安全弁16を中央にして、蓋体13の一方側寄りには、蓋体13を貫通する外部正極端子14が設けられ、蓋体13の他方側寄りの位置には、蓋体13を貫通する外部負極端子が設けられる。
At the center of the
積層型の電極群は、いずれもシート状の複数の正極2と複数の負極3およびこれらの間に介在する複数のセパレータ1により構成されている。各正極2の一端部には、正極リード片2aが形成されている。複数の正極2の正極リード片2aは束ねられ、電池ケース10の蓋体13に設けられた外部正極端子14に接続されている。同様に、各負極3の一端部には、負極リード片3aが形成されている。複数の負極3の負極リード片3aは束ねられ、電池ケース10の蓋体13に設けられた外部負極端子に接続される。
Each of the laminated electrode groups is composed of a plurality of sheet-shaped
外部正極端子14および外部負極端子は、いずれも柱状であり、少なくとも外部に露出する部分が螺子溝を有する。各端子の螺子溝にはナット7が嵌められ、ナット7を回転することにより蓋体13に対してナット7が固定される。各端子の電池ケース10内部に収容される部分には、鍔部8が設けられており、ナット7の回転により、鍔部8が、蓋体13の内面に、O−リング状のガスケット9を介して固定される。
Both the external
(正極)
正極は、正極集電体と、正極集電体に担持された上記正極活物質(または正極合剤)とを含む。正極集電体は、金属箔でもよく、金属多孔体でもよい。正極集電体の材質としては、正極電位での安定性の観点から、アルミニウム、アルミニウム合金などが好ましい。
(Positive electrode)
The positive electrode includes a positive electrode current collector and the positive electrode active material (or a positive electrode mixture) supported on the positive electrode current collector. The positive electrode current collector may be a metal foil or a metal porous body. As the material of the positive electrode current collector, aluminum, an aluminum alloy, or the like is preferable from the viewpoint of stability at the positive electrode potential.
正極活物質としては、M1M2複合酸化物を単独で用いてもよく、他のナトリウムイオンを吸蔵および放出(または挿入および脱離)する材料と併用してもよい。併用される材料は、特に限定されないが、例えば、亜クロム酸ナトリウム(NaCrO2)、ニッケルマンガン酸ナトリウム(NaNi0.5Mn0.5O2、Na2/3Ti1/6Ni1/3Mn1/2O2など)、鉄コバルト酸ナトリウム(NaFe0.5Co0.5O2など)、鉄マンガン酸ナトリウム(Na2/3Fe1/3Mn2/3O2など)などが挙げられる。 As the positive electrode active material, the M1M2 composite oxide may be used alone, or may be used in combination with a material that occludes and releases (or inserts and desorbs) other sodium ions. The materials used in combination are not particularly limited, but are, for example, sodium chromate (NaCrO 2 ), sodium nickel manganate (NaNi 0.5 Mn 0.5 O 2 , Na 2/3 Ti 1/6 Ni 1/3). Mn 1/2 O 2 etc.), sodium iron cobaltate (NaFe 0.5 Co 0.5 O 2 etc.), sodium iron manganate (Na 2/3 Fe 1/3 Mn 2/3 O 2 etc.), etc. Can be mentioned.
正極合剤は、正極活物質に加え、さらに導電助剤および/またはバインダを含むことができる。正極は、正極集電体に正極合剤を塗布または充填し、乾燥し、必要に応じて、乾燥物を厚み方向に圧延することにより得られる。正極合剤は、通常、分散媒を含むスラリーの形態で使用される。 The positive electrode mixture may further contain a conductive additive and / or a binder in addition to the positive electrode active material. The positive electrode is obtained by applying or filling a positive electrode current collector with a positive electrode mixture, drying the electrode, and rolling the dried product in the thickness direction, if necessary. The positive electrode mixture is usually used in the form of a slurry containing a dispersion medium.
導電助剤としては、例えば、カーボンブラック、黒鉛、および/または炭素繊維などが挙げられる。バインダとしては、例えば、フッ素樹脂、ポリオレフィン樹脂、ゴム状重合体、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂(ポリアミドイミドなど)、および/またはセルロースエーテルなどが挙げられる。分散媒としては、例えば、N−メチル−2−ピロリドン(NMP:N−methyl−2−pyrrolidone)などの有機溶媒の他、水などが用いられる。 Examples of the conductive auxiliary agent include carbon black, graphite, and / or carbon fiber. Examples of the binder include fluororesin, polyolefin resin, rubber-like polymer, polyamide resin, polyimide resin (polyamideimide, etc.), and / or cellulose ether. As the dispersion medium, for example, water or the like is used in addition to an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP: N-methyl-2-pyrrolidone).
(負極)
負極は、負極集電体と、負極集電体に担持された負極活物質(または負極合剤)とを含む。負極集電体は、正極集電体と同様に、金属箔または金属多孔体であってもよい。負極集電体の材質としては、ナトリウムと合金化せず、負極電位で安定であることから、銅、銅合金、ニッケル、ニッケル合金、ステンレス鋼などが好ましい。
(Negative electrode)
The negative electrode includes a negative electrode current collector and a negative electrode active material (or a negative electrode mixture) supported on the negative electrode current collector. The negative electrode current collector may be a metal foil or a metal porous body in the same manner as the positive electrode current collector. As the material of the negative electrode current collector, copper, copper alloy, nickel, nickel alloy, stainless steel and the like are preferable because they are not alloyed with sodium and are stable at the negative electrode potential.
負極活物質としては、例えば、ナトリウムイオンを可逆的に吸蔵および放出(もしくは挿入および脱離)する材料、ナトリウムと合金化する材料などが挙げられる。いずれの材料も、ファラデー反応により容量を発現する材料である。このような負極活物質としては、ナトリウム、チタン、亜鉛、インジウム、スズ、ケイ素などの金属またはその合金、もしくはその化合物;および炭素質材料などが例示できる。 Examples of the negative electrode active material include a material that reversibly occludes and releases (or inserts and desorbs) sodium ions, a material that alloys with sodium, and the like. Both materials are materials that develop their capacity by the Faraday reaction. Examples of such a negative electrode active material include metals such as sodium, titanium, zinc, indium, tin, and silicon, or alloys thereof, or compounds thereof; and carbonaceous materials.
金属化合物としては、チタン酸リチウム(Li2Ti3O7および/またはLi4Ti5O12など)などのリチウム含有チタン酸化物、およびチタン酸ナトリウム(Na2Ti3O7および/またはNa4Ti5O12など)などのナトリウム含有チタン酸化物が例示できる。 炭素質材料としては、易黒鉛化性炭素(ソフトカーボン)、および/または難黒鉛化性炭素(ハードカーボン)などが例示できる。負極活物質は、一種を単独でまたは二種以上を組み合わせて使用できる。 Metallic compounds include lithium-containing titanium oxides such as lithium titanate (such as Li 2 Ti 3 O 7 and / or Li 4 Ti 5 O 12 ) and sodium titanate (Na 2 Ti 3 O 7 and / or Na 4). Examples thereof include sodium-containing titanium oxides such as Ti 5 O 12). Examples of the carbonaceous material include easily graphitizable carbon (soft carbon) and / or non-graphitizable carbon (hard carbon). The negative electrode active material may be used alone or in combination of two or more.
負極は、例えば、正極の場合に準じて、負極集電体に、負極活物質を含む負極合剤を塗布または充填し、乾燥し、乾燥物を厚み方向に圧延することにより形成できる。負極活物質には、必要に応じて、ナトリウムイオンをプレドープしてもよい。 The negative electrode can be formed, for example, by applying or filling a negative electrode mixture containing a negative electrode active material in a negative electrode current collector, drying the negative electrode, and rolling the dried product in the thickness direction, as in the case of a positive electrode. The negative electrode active material may be pre-doped with sodium ions, if necessary.
負極合剤は、負極活物質に加え、さらに導電助剤および/またはバインダを含むことができる。負極合剤は、通常、分散媒を含むスラリーの形態で使用される。導電助剤、バインダ、および分散媒としては、それぞれ、正極について例示したものから適宜選択できる。 The negative electrode mixture may further contain a conductive auxiliary agent and / or a binder in addition to the negative electrode active material. The negative electrode mixture is usually used in the form of a slurry containing a dispersion medium. The conductive auxiliary agent, the binder, and the dispersion medium can be appropriately selected from those exemplified for the positive electrode, respectively.
(セパレータ)
セパレータとしては、例えば、樹脂製の微多孔膜、不織布などが使用できる。セパレータの材質は、例えば、ポリオレフィン樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂などが例示できる。
(Separator)
As the separator, for example, a resin microporous membrane, a non-woven fabric, or the like can be used. Examples of the material of the separator include polyolefin resin, polyphenylene sulfide resin, polyamide resin, and polyimide resin.
[非水電解質]
非水電解質は、ナトリウムイオン伝導性を有する限り特に限定されない。例えば、有機溶媒にナトリウムイオンとアニオンとの塩(ナトリウム塩)を溶解させた有機電解質の他、ナトリウムイオンおよびアニオンを含むイオン液体などが用いられる。非水電解質におけるナトリウム塩の濃度は、例えば0.3〜3mol/リットルであればよい。
[Non-aqueous electrolyte]
The non-aqueous electrolyte is not particularly limited as long as it has sodium ion conductivity. For example, in addition to an organic electrolyte in which a salt of sodium ions and anions (sodium salt) is dissolved in an organic solvent, an ionic liquid containing sodium ions and anions is used. The concentration of the sodium salt in the non-aqueous electrolyte may be, for example, 0.3 to 3 mol / liter.
ナトリウム塩を構成するアニオン(第1アニオン)の種類は特に限定されず、例えば、ヘキサフルオロリン酸イオン(PF6 −)、テトラフルオロホウ酸イオン(BF4 −)、過塩素酸イオン(ClO4 −)、リチウムビス(オキサラト)ボレートイオン(B(C2O4)2 −)、トリフルオロメタンスルホン酸イオン(CF3SO3 −)、ビススルホニルアミドアニオンなどが挙げられる。ナトリウム塩は、一種を単独で用いてもよく、第1アニオンの種類が異なるナトリウム塩を二種以上組み合わせて用いてもよい。 Kind of anion (first anion) constituting the sodium salt is not particularly limited, for example, hexafluorophosphate ion (PF 6 -), tetrafluoroborate ion (BF 4 -), perchlorate ion (ClO 4 − ), Lithium bis (oxalate) borate ion (B (C 2 O 4 ) 2 − ), trifluoromethanesulfonate ion (CF 3 SO 3 − ), bissulfonylamide anion and the like. As the sodium salt, one kind may be used alone, or two or more kinds of sodium salts having different types of the first anion may be used in combination.
非水電解質にイオン液体を用いる場合、非水電解質中のイオン液体の含有量は、80質量%以上であることが好ましく、90質量%以上であることがより好ましい。非水電解質は、イオン液体に加え、有機溶媒や添加剤を少量含んでもよい。なお、「イオン液体」とは、溶融状態の塩(溶融塩)である。 When an ionic liquid is used as the non-aqueous electrolyte, the content of the ionic liquid in the non-aqueous electrolyte is preferably 80% by mass or more, more preferably 90% by mass or more. The non-aqueous electrolyte may contain a small amount of an organic solvent or an additive in addition to the ionic liquid. The "ionic liquid" is a salt in a molten state (molten salt).
非水電解質に有機電解質を用いる場合、非水電解質中における有機溶媒とアルカリ金属塩との合計量は、非水電解質の80質量%以上であることが好ましく、90質量%以上であることがより好ましい。非水電解質は、有機電解質に加え、イオン液体や添加剤を少量含んでもよい。 When an organic electrolyte is used as the non-aqueous electrolyte, the total amount of the organic solvent and the alkali metal salt in the non-aqueous electrolyte is preferably 80% by mass or more, more preferably 90% by mass or more of the non-aqueous electrolyte. preferable. The non-aqueous electrolyte may contain a small amount of an ionic liquid or an additive in addition to the organic electrolyte.
有機溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネートなどの環状カーボネート;ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネートなどの鎖状カーボネート;γ−ブチロラクトンなどの環状炭酸エステルなどを好ましく用いることができる。有機溶媒は、一種を単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。 As the organic solvent, for example, cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate and butylene carbonate; chain carbonates such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate and ethylmethyl carbonate; and cyclic carbonates such as γ-butyrolactone can be preferably used. .. As the organic solvent, one type may be used alone, or two or more types may be used in combination.
イオン液体は、ナトリウムイオン(第1カチオン)に加え、さらに第2カチオンを含んでいてもよい。このような第2カチオンとしては、有機カチオンが好ましい。第2カチオンは、一種を単独でまたは二種以上を組み合わせて使用できる。有機カチオンとしては、窒素含有オニウムカチオンが好ましい。 The ionic liquid may further contain a second cation in addition to the sodium ion (first cation). As such a second cation, an organic cation is preferable. The second cation may be used alone or in combination of two or more. As the organic cation, a nitrogen-containing onium cation is preferable.
以下、本発明を実施例に基づいて更に詳細に説明する。ただし、以下の実施例は、何ら本発明を限定するものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples. However, the following examples do not limit the present invention in any way.
(実施例1〜4)
<ナトリウム含有複合酸化物の合成>
Na2CO3、Li2CO3、Fe2O3、Ni(OH)2およびMn2O3を、所定割合で混合し、600rpmのボールミルで12時間混合して原料を得た。得られた原料をペレットに成型した後、空気中で、900℃で12時間焼成し、以下の実施例1〜4の複合酸化物A1〜A4をそれぞれ合成した。
(Examples 1 to 4)
<Synthesis of sodium-containing composite oxide>
Na 2 CO 3 , Li 2 CO 3 , Fe 2 O 3 , Ni (OH) 2 and Mn 2 O 3 were mixed at a predetermined ratio and mixed in a ball mill at 600 rpm for 12 hours to obtain a raw material. The obtained raw material was molded into pellets and then calcined in air at 900 ° C. for 12 hours to synthesize the composite oxides A1 to A4 of Examples 1 to 4 below.
(A1)Na0.680[Li0.021Fe0.042Ni0.280Mn0.660]O2
(A2)Na0.694[Li0.0417Fe0.0833Ni0.222Mn0.653]O2
(A3)Na0.699[Li0.0486Fe0.0972Ni0.204Mn0.650]O2
(A4)Na0.708[Li0.0625Fe0.125Ni0.167Mn0.646]O2
(A1) Na 0.680 [Li 0.021 Fe 0.042 Ni 0.280 Mn 0.660 ] O 2
(A2) Na 0.694 [Li 0.0417 Fe 0.0833 Ni 0.222 Mn 0.653 ] O 2
(A3) Na 0.699 [Li 0.0486 Fe 0.0972 Ni 0.204 Mn 0.650 ] O 2
(A4) Na 0.708 [Li 0.0625 Fe 0.125 Ni 0.167 Mn 0.646 ] O 2
(比較例1)
Na2CO3、Ni(OH)2およびMn2O3を、所定割合で混合した原料を用い、実施例1〜4と同様の手順で下記の複合酸化物B1を合成した。
(Comparative Example 1)
The following composite oxide B1 was synthesized by the same procedure as in Examples 1 to 4 using a raw material in which Na 2 CO 3 , Ni (OH) 2 and Mn 2 O 3 were mixed at a predetermined ratio.
(B1)Na0.667Ni0.333Mn0.667O2 (B1) Na 0.667 Ni 0.333 Mn 0.667 O 2
図2に、Nax[FeLiNiMn]O2固溶体の三角相図と、M1M2複合酸化物A1〜A4の座標を示す。複合酸化物A1〜A4は、Na0.667Ni0.333Mn0.667O2(NiMnと略記)と、Na0.667Fe0.5Mn0.5O2(FeMnと略記)と、Na5/6Li1/4Mn3/4O2(LiMnと略記)を以下の割合で含む固溶体(Nax[FeLiNiMn]O2)と見ることができる。 FIG. 2 shows a triangular phase diagram of the Na x [FeLiNiMn] O 2 solid solution and the coordinates of the M1M2 composite oxides A1 to A4. The composite oxides A1 to A4 are Na 0.667 Ni 0.333 Mn 0.667 O 2 (abbreviated as NiMn), Na 0.667 Fe 0.5 Mn 0.5 O 2 (abbreviated as FeMn), and Na 5/6 Li 1/4 Mn 3/4. It can be seen as a solid solution (Na x [FeLiNimn] O 2 ) containing O 2 (abbreviated as LiMn) in the following proportions.
(B1)(NiMn:FeMn:LiMn)=(1:0:0)
(A1)(NiMn:FeMn:LiMn)=(10:1:1)
(A2)(NiMn:FeMn:LiMn)=(4:1:1)
(A3)(NiMn:FeMn:LiMn)=(22:7:7)
(A4)(NiMn:FeMn:LiMn)=(2:1:1)
(B1) (Nimn: Femn: LiMn) = (1: 0: 0)
(A1) (Nimn: Femn: LiMn) = (10: 1: 1)
(A2) (Nimn: Femn: LiMn) = (4: 1: 1)
(A3) (Nimn: Femn: LiMn) = (22: 7: 7)
(A4) (Nimn: Femn: LiMn) = (2: 1: 1)
[評価1]
複合酸化物B1およびA1〜A4の粉末X線回折測定を下記条件で行い、結晶構造の同定を行った。測定装置は、株式会社リガク製の粉末X線回折測定装置(MultiFlex)を用いた。
X線:CuKα
電圧−電流:40kV−20mA
測定角度範囲:2θ=10〜70°
ステップ:0.02°
スキャンスピード:6°/分
[Evaluation 1]
Powder X-ray diffraction measurement of the composite oxides B1 and A1 to A4 was performed under the following conditions to identify the crystal structure. As the measuring device, a powder X-ray diffraction measuring device (MultiFlex) manufactured by Rigaku Co., Ltd. was used.
X-ray: CuKα
Voltage-current: 40kV-20mA
Measurement angle range: 2θ = 10 to 70 °
Step: 0.02 °
Scan speed: 6 ° / min
図3に、複合酸化物B1およびA1〜A4の粉末X線回折像(XRDパターン)を示す。いずれも典型的なP2型結晶構造のパターンを示し、2θ=18°〜25°の範囲に不純物のピークも観察されていない。XRDパターンに基づく格子定数を表1に示す。 FIG. 3 shows powder X-ray diffraction images (XRD patterns) of the composite oxides B1 and A1 to A4. All of them show a typical pattern of P2-type crystal structure, and no peak of impurities is observed in the range of 2θ = 18 ° to 25 °. Table 1 shows the lattice constants based on the XRD pattern.
[評価2]
所定の複合酸化物(B1またはA1〜A4)と、アセチレンブラック(AB)と、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)とを80:10:10の質量比で配合し、適量のN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を分散媒として用いてスラリーを調製した。得られたスラリーを厚さ20μmのアルミニウム箔の片面に塗布した。塗膜の厚さは220μmとした。塗膜を十分に乾燥させた後、アルミニウム箔とともに打ち抜いて、直径1.0cmのコイン形の正極を得た。正極と金属Naからなる負極を用いてコイン形セル(以下、試験電池)を作製した。非水電解質には、プロピレンカーボネートとフルオロエチレンカーボネートとの体積比98:2の混合溶媒に1mol/L濃度でNaPF6を溶解させたものを用いた。セパレータにはガラスフィルタを使用した。
[Evaluation 2]
A predetermined composite oxide (B1 or A1 to A4), acetylene black (AB), and polyvinylidene fluoride (PVdF) are blended in a mass ratio of 80:10:10, and an appropriate amount of N-methyl-2-pyrrolidone is blended. A slurry was prepared using (NMP) as a dispersion medium. The obtained slurry was applied to one side of an aluminum foil having a thickness of 20 μm. The thickness of the coating film was 220 μm. After the coating film was sufficiently dried, it was punched out together with an aluminum foil to obtain a coin-shaped positive electrode having a diameter of 1.0 cm. A coin-shaped cell (hereinafter referred to as a test battery) was produced using a positive electrode and a negative electrode composed of metallic Na. As the non-aqueous electrolyte, a solvent obtained by dissolving NaPF 6 in a mixed solvent having a volume ratio of propylene carbonate and fluoroethylene carbonate at a volume ratio of 98: 2 at a concentration of 1 mol / L was used. A glass filter was used as the separator.
図4に、20サイクルまでの試験電池の充放電曲線を示す。充放電の電流密度は、正極活物質の質量あたり概ね13mA/gとし、2.5V〜4.5Vの範囲で行った。 FIG. 4 shows the charge / discharge curves of the test battery up to 20 cycles. The charging / discharging current density was approximately 13 mA / g per mass of the positive electrode active material, and was carried out in the range of 2.5 V to 4.5 V.
複合酸化物B1を用いた試験電池では、サイクル特性が不十分であり、充放電曲線には、遷移金属の電荷整列による電子の局在化に由来すると見られるステップが観測される。一方、複合酸化物A1〜A4を用いた試験電池は、サイクル特性が大幅に改善している。中でも、複合酸化物A3、A4のサイクル特性の改善が顕著である。また、複合酸化物B1を用いた試験電池で見られた充放電曲線のステップは、複合酸化物A3、A4を用いた試験電池では解消している。 In the test battery using the composite oxide B1, the cycle characteristics are insufficient, and a step that seems to be derived from the localization of electrons by the charge alignment of the transition metal is observed in the charge / discharge curve. On the other hand, the test batteries using the composite oxides A1 to A4 have significantly improved cycle characteristics. Above all, the improvement of the cycle characteristics of the composite oxides A3 and A4 is remarkable. Further, the steps of the charge / discharge curve observed in the test battery using the composite oxide B1 are eliminated in the test battery using the composite oxides A3 and A4.
図5に、試験電池の充放電サイクル数と放電容量との関係を示す。また、表2に2サイクル目の放電容量と平均作動電圧ならびに30サイクル目の容量維持率を示す。複合酸化物A3を用いた試験電池の容量とサイクル特性のバランスが最も優れていることが理解できる。 FIG. 5 shows the relationship between the number of charge / discharge cycles of the test battery and the discharge capacity. Table 2 shows the discharge capacity and average operating voltage in the second cycle and the capacity retention rate in the 30th cycle. It can be understood that the balance between the capacity and the cycle characteristics of the test battery using the composite oxide A3 is the best.
図6には、複合酸化物A3を用いた試験電池に関し、充放電の下限電圧を2.0Vに変更したときの充放電曲線を示す。ここでは、1サイクル目から5サイクル目までは2.5〜4.5Vで充放電を行い、6サイクル目から8サイクル目までは2.0〜4.5Vで充放電を行い、充放電曲線を対比した。表3には、1サイクル目と6サイクル目の放電容量と平均作動電圧(Vave)を示す。図6より、低い電圧領域でも安定した充放電が可能であることが理解できる。なお、低い電圧領域では、Mnの酸化還元に基づく容量が観測され、その分、放電容量が増加した。一方、平均作動電圧は低下した。 FIG. 6 shows a charge / discharge curve when the lower limit voltage of charge / discharge is changed to 2.0 V for the test battery using the composite oxide A3. Here, charging / discharging is performed at 2.5 to 4.5 V from the 1st cycle to the 5th cycle, and charging / discharging is performed at 2.0 to 4.5 V from the 6th cycle to the 8th cycle. Was compared. Table 3 shows the discharge capacity and the average operating voltage (Vave) in the first cycle and the sixth cycle. From FIG. 6, it can be understood that stable charging / discharging is possible even in a low voltage region. In the low voltage region, the capacitance based on the redox of Mn was observed, and the discharge capacitance increased by that amount. On the other hand, the average working voltage decreased.
図7には、複合酸化物A3を用いた試験電池に関し、放電レートと放電曲線との関係を示す。充電レートは、試験電池の設計容量に対して、C/20の電流値に固定し、放電レートをC/20から2Cまで変化させた。図7より、高レート放電の場合にも高い放電容量が得られることが理解できる。2C放電時の放電容量は、C/20放電時の放電容量の88.2%を維持した。なお、1C以上の高レート放電では、大きな分極が観測されたが、これは正極活物質自身の性能を反映したものではなく、試験電池の製造条件や正極活物質を結着させるPVdFの影響が大きいと見られる。 FIG. 7 shows the relationship between the discharge rate and the discharge curve of the test battery using the composite oxide A3. The charge rate was fixed at a current value of C / 20 with respect to the design capacity of the test battery, and the discharge rate was changed from C / 20 to 2C. From FIG. 7, it can be understood that a high discharge capacity can be obtained even in the case of high rate discharge. The discharge capacity during 2C discharge maintained 88.2% of the discharge capacity during C / 20 discharge. A large polarization was observed at a high rate discharge of 1C or higher, but this did not reflect the performance of the positive electrode active material itself, but was affected by the manufacturing conditions of the test battery and PVdF that binds the positive electrode active material. Seems to be large.
[評価3]
複合酸化物A3について、水蒸気暴露試験を実施した。室温で複合酸化物を90時間、飽和水蒸気に暴露し、所定時間ごとにXRDパターンを確認した。その後、複合酸化物を80℃で乾燥させて、更に、XRDパターンを確認した。
[Evaluation 3]
A water vapor exposure test was carried out on the composite oxide A3. The composite oxide was exposed to saturated steam for 90 hours at room temperature, and the XRD pattern was confirmed at predetermined time intervals. Then, the composite oxide was dried at 80 ° C., and an XRD pattern was further confirmed.
図8に、水蒸気暴露試験で測定したXRDパターンを示す。表4には、XRDパターンに基づく格子定数を示す。水蒸気に暴露しても、不純物の生成が見られなかった。格子定数の変化より、複合酸化物の層間から僅かにNaが脱離していることが示唆されたが、複合酸化物が水分と反応しにくく、大気中でも変質しにくいことが示された。 FIG. 8 shows the XRD pattern measured in the water vapor exposure test. Table 4 shows the lattice constants based on the XRD pattern. No impurities were formed when exposed to water vapor. The change in the lattice constant suggested that Na was slightly desorbed from the layers of the composite oxide, but it was shown that the composite oxide is less likely to react with moisture and is less likely to deteriorate in the atmosphere.
[評価4]
複合酸化物A3について、浸水試験を実施した。複合酸化物0.1gを2cm3の純水に投入し、30分間攪拌した後、1時間静置した。その後、吸引濾過で複合酸化物を分離し、80℃で一晩乾燥させ、XRDパターンを確認した。
[Evaluation 4]
An inundation test was carried out on the composite oxide A3. 0.1 g of the composite oxide was put into 2 cm 3 of pure water, stirred for 30 minutes, and then allowed to stand for 1 hour. Then, the composite oxide was separated by suction filtration and dried at 80 ° C. overnight to confirm the XRD pattern.
図9に、浸水試験で測定したXRDパターンを示す。表5には、XRDパターンに基づくリートベルト解析結果の一部を示す。浸水による不純物の生成は見られず、複合酸化物が水中でも変質しにくいことが示された。なお、格子定数の変化より、複合酸化物の層間から僅かにNaが脱離していることが示唆された。 FIG. 9 shows the XRD pattern measured in the inundation test. Table 5 shows some of the Rietveld analysis results based on the XRD pattern. No impurities were formed by flooding, indicating that the composite oxide is not easily altered even in water. The change in the lattice constant suggested that Na was slightly desorbed from the layers of the composite oxide.
本発明に係るナトリウムイオン二次電池は、高容量かつ高電圧を発現するとともに良好なサイクル特性を示すことから、様々な用途の電源として有用である。 The sodium-ion secondary battery according to the present invention is useful as a power source for various purposes because it exhibits high capacity and high voltage and exhibits good cycle characteristics.
1:セパレータ、2:正極、2a:正極リード片、3:負極、3a:負極リード片、7:ナット、8:鍔部、9:ガスケット、10:電池ケース、12:容器本体、13:蓋体、14:外部正極端子、16:安全弁
1: Separator 2: Positive electrode, 2a: Positive electrode lead piece 3: Negative electrode, 3a: Negative electrode lead piece, 7: Nut, 8: Collar, 9: Gasket, 10: Battery case, 12: Container body, 13: Lid Body, 14: External positive electrode terminal, 16: Safety valve
Claims (8)
0<x<1.0および0.06≦a≦0.19を満たすナトリウム含有複合酸化物を含み、
前記元素M1は、MnおよびNiを含み、
前記元素M2は、LiおよびFeを含み、
元素M2におけるFeの含有量をa Fe で表すとき、0.04≦a Fe ≦0.13を満たす、ナトリウムイオン二次電池用正極活物質。 It has a P2-type crystal structure and is represented by Na x [M1 1-a M2 a ] O 2 .
Containing sodium-containing composite oxides satisfying 0 <x <1.0 and 0.06 ≤ a ≤ 0.19,
The element M1 contains Mn and Ni, and contains Mn and Ni.
The element M2 is seen including Li and Fe,
A positive electrode active material for a sodium ion secondary battery that satisfies 0.04 ≤ a Fe ≤ 0.13 when the content of Fe in the element M2 is expressed by a Fe.
0.02≦aLi≦0.07およびa=aLi+aFeを満たす、請求項1または請求項2に記載のナトリウムイオン二次電池用正極活物質。 When referring to the content of Li in the element M2 in a Li,
0.02 ≦ a meet Li ≦ 0.07 and a = a Li + a Fe, positive electrode active material for a sodium ion secondary battery according to claim 1 or claim 2.
前記元素Aは、Mg、Al、CoおよびTiからなる群より選択される少なくとも1種を含む、請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載のナトリウムイオン二次電池用正極活物質。 The sodium-containing composite oxide, Na x [(Ni y A z Mn 1-yz) 1-a M2 a] O 2 ( however, 0.2 ≦ y ≦ 0.3 and 0 ≦ z <0.1) Represented by
The positive electrode active material for a sodium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 5 , wherein the element A contains at least one selected from the group consisting of Mg, Al, Co and Ti.
負極活物質を含む負極と、
ナトリウムイオン伝導性を有する非水電解質と、を具備する、ナトリウムイオン二次電池。 A positive electrode containing the positive electrode active material according to any one of claims 1 to 6.
Negative electrode A negative electrode containing an active material and a negative electrode
A sodium ion secondary battery comprising a non-aqueous electrolyte having sodium ion conductivity.
前記原料を、空気中もしくは酸化雰囲気中で、700℃以上、1100℃以下の温度で焼成してナトリウム含有複合酸化物を生成させる工程と、を有し、
前記元素M1の塩に含まれる元素M1と前記元素M2の塩に含まれる元素M2との合計に対する前記ナトリウム塩に含まれるナトリウムのモル比xが、0<x<1.0を満たし、
前記元素M1は、MnおよびNiを含み、
前記元素M2は、LiおよびFeを含み、
前記元素M1の塩に含まれる元素M1と前記元素M2の塩に含まれる元素M2との合計に対する前記元素M2のモル比aが、0.06≦a≦0.19を満たし、
元素M2におけるFeの含有量をa Fe で表すとき、0.04≦a Fe ≦0.13を満たす、ナトリウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法。 A step of preparing a raw material containing a sodium salt, a salt of element M1, and a salt of element M2, and
The raw material is calcined in air or in an oxidizing atmosphere at a temperature of 700 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower to produce a sodium-containing composite oxide.
The molar ratio x of sodium contained in the sodium salt to the total of the element M1 contained in the salt of the element M1 and the element M2 contained in the salt of the element M2 satisfies 0 <x <1.0.
The element M1 contains Mn and Ni, and contains Mn and Ni.
The element M2 contains Li and Fe, and contains Li and Fe.
Molar ratio a of the element M2 to the total of the element M2 contained in the salt of the element M1 and the element M2 contained in salt of the element M1 is, meets the 0.06 ≦ a ≦ 0.19,
A method for producing a positive electrode active material for a sodium ion secondary battery, which satisfies 0.04 ≦ a Fe ≦ 0.13 when the content of Fe in the element M2 is expressed by a Fe.
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