JP6977988B2 - Secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、二次電池に関するものである。 The present invention relates to a secondary battery.
ニッケル亜鉛二次電池は古くから開発及び検討がなされてきたものの、実用化への障壁が大きいことが知られている。これは、充電時に負極を構成する亜鉛がデンドライトという樹枝状結晶を生成し、このデンドライトがセパレータを突き破って正極と短絡を引き起こすという問題があるためである。一方で、ニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池が既に商品化されている。しかしながら、ニッケル亜鉛二次電池は、ニッケルカドミウム二次電池と比べて約5倍、ニッケル水素二次電池と比べて2.5倍、リチウムイオン電池と比べて1.3倍という極めて高い理論容量密度を有し、かつ、原料価格も低いとの長所を有している。したがって、ニッケル亜鉛二次電池において、亜鉛デンドライトによる短絡を防止する技術が強く望まれている。 Although nickel-zinc secondary batteries have been developed and studied for a long time, it is known that there are large barriers to practical use. This is because zinc constituting the negative electrode forms dendritic crystals called dendrites during charging, and the dendrites break through the separator and cause a short circuit with the positive electrode. On the other hand, nickel-cadmium batteries and nickel-metal hydride batteries have already been commercialized. However, the nickel-zinc secondary battery has an extremely high theoretical capacity density of about 5 times that of the nickel-cadmium secondary battery, 2.5 times that of the nickel-hydrogen secondary battery, and 1.3 times that of the lithium-ion battery. It also has the advantage that the raw material price is low. Therefore, in a nickel-zinc secondary battery, a technique for preventing a short circuit due to zinc dendrite is strongly desired.
そのような問題ないし要望に対処すべく、水酸化物イオン(OH−)伝導性を有する層状複水酸化物(LDH)セパレータが提案されている。例えば、特許文献1(国際公開第2013/118561号)には、ニッケル亜鉛二次電池において、亜鉛デンドライトによる短絡の防止を目的として、LDHセパレータを正極及び負極間に設けることが開示されている。また、特許文献2(国際公開第2016/076047号)には、多孔質基材と複合化されたLDHセパレータを備えたセパレータ構造体が開示されており、LDHセパレータがガス不透過性及び/又は水不透過性を有する程の高い緻密性を有することが開示されている。 In order to deal with such problems or demands, a layered double hydroxide (LDH) separator having hydroxide ion (OH −) conductivity has been proposed. For example, Patent Document 1 (International Publication No. 2013/118561) discloses that an LDH separator is provided between a positive electrode and a negative electrode in a nickel-zinc secondary battery for the purpose of preventing a short circuit due to zinc dendrite. Further, Patent Document 2 (International Publication No. 2016/076047) discloses a separator structure including an LDH separator compounded with a porous substrate, and the LDH separator is gas impermeable and / or. It is disclosed that it has a high degree of density enough to have water impermeableness.
一方、特許文献3(特開昭61−285661号公報)には、アルカリ蓄電池において、非充電状態で一般式[M2+ (1−x)Fe3+ x(OH)2]X+[(x/n)Xn−,yH2O]X−(式中、xは0.05〜0.4であり、M2+は酸化性及び還元性の陽イオンを表し、Xn−は少なくとも錯体複水酸化物の陽イオンを充電保証する任意の陰イオンを表す)の複水酸化物である陽蓄電池電極を用いることが開示されている。 On the other hand, Patent Document 3 (Japanese Unexamined Patent Publication No. 61-285661) describes the general formula [M 2+ (1-x) Fe 3+ x (OH) 2 ] X + [(x / n) in an alkaline storage battery in a non-charged state. ) X n- , yH 2 O] X- (In the formula, x is 0.05 to 0.4, M 2+ represents oxidative and reducing cations, and X n- is at least complex double hydroxide. It is disclosed to use a positive storage battery electrode which is a double hydroxide (representing any anion that guarantees the charge of a cation of an object).
ニッケル亜鉛電池の正極は、一般的に、水酸化ニッケル及び/又はオキシ水酸化ニッケルを含む。例えば、ニッケル亜鉛電池を放電末状態で構成する場合には正極に水酸化ニッケルを含有させる一方、満充電状態で構成する場合には正極にオキシ水酸化ニッケルを含有させる。典型的な正極活物質である水酸化ニッケルは、強アルカリ下でも安定な構造を有するβ−Ni(OH)2(理論容量289mAh/g、密度4.1g/cm3)であり、これは充放電反応によりβ−Ni(OH)2⇔β−NiOOH(平均価数3、密度4.7g/cm3)と可逆的に変化する。ところで、かかる正極を備えたニッケル亜鉛電池を過充電するとγ−NiOOH(平均価数3.6〜3.7、密度3.79g/cm3)という化合物が正極に生成する。このγ−NiOOHはβ型と比較して、反応電子数が多く、容量増加が期待できる。具体的には、γ−NiOOHは一電子酸化しかできない現行材料の水酸化ニッケル(β型)の容量を1.5倍に改善することが期待できる。しかし、放電に伴う還元により生成するα−Ni(OH)2が不安定であり、容易にβ−Ni(OH)2に戻り、その際に体積収縮が起きることで、電極を劣化させる問題がある。そこで、γ−NiOOHの呈する上記利点を持ちながら、上記問題を回避可能な正極活物質が望まれる。一方で、亜鉛デンドライトによる短絡の問題を生じない、亜鉛負極に代わる負極活物質も望まれる。 The positive electrode of a nickel-zinc battery generally contains nickel hydroxide and / or nickel oxyhydroxide. For example, when the nickel-zinc battery is configured in the discharge end state, the positive electrode contains nickel hydroxide, while when the nickel-zinc battery is configured in the fully charged state, the positive electrode contains nickel oxyhydroxide. Nickel hydroxide, which is a typical positive electrode active material, is β-Ni (OH) 2 (theoretical capacity 289 mAh / g, density 4.1 g / cm 3 ) having a stable structure even under strong alkali, which is filled. The discharge reaction reversibly changes to β-Ni (OH) 2 ⇔ β-NiOOH (average valence 3, density 4.7 g / cm 3). By the way, when a nickel-zinc battery provided with such a positive electrode is overcharged, a compound of γ-NiOOH (average valence 3.6 to 3.7, density 3.79 g / cm 3 ) is produced on the positive electrode. This γ-NiOOH has a larger number of reaction electrons than the β type, and an increase in capacity can be expected. Specifically, γ-NiOOH can be expected to improve the capacity of nickel hydroxide (β type), which is a current material that can only be oxidized by one electron, by 1.5 times. However, α-Ni (OH) 2 generated by reduction due to discharge is unstable and easily returns to β-Ni (OH) 2, which causes volume shrinkage, which causes a problem of deterioration of the electrode. be. Therefore, a positive electrode active material that has the above-mentioned advantages of γ-NiOOH and can avoid the above-mentioned problems is desired. On the other hand, a negative electrode active material that replaces the zinc negative electrode without causing the problem of short circuit due to zinc dendrite is also desired.
本発明者らは、今般、Ni等の所定の構成元素を含有する層状複水酸化物(LDH)が充放電に伴い可逆的に層間距離が変化することができ、それ故二次電池用の正極活物質として採用できることを知見した。また、Cu、Al等の所定の構成元素を含有する層状複水酸化物(LDH)も充放電に伴い可逆的に層間距離が変化するものと考えられ、それ故二次電池用の負極活物質として採用できることも知見した。こうしてLDH正極とLDH負極を採用することで、容量の増加が見込め、充放電に伴う安定性も高く、しかも亜鉛デンドライトによる短絡の問題を生じない、二次電池を提供できるとの知見を得た。 The present inventors have now been able to reversibly change the interlayer distance of a layered double hydroxide (LDH) containing a predetermined constituent element such as Ni with charge and discharge, and therefore for a secondary battery. It was found that it can be used as a positive electrode active material. Further, it is considered that the layered double hydroxide (LDH) containing a predetermined constituent element such as Cu and Al also changes the interlayer distance reversibly with charge and discharge, and therefore, a negative electrode active material for a secondary battery. It was also found that it can be adopted as. It was found that by adopting the LDH positive electrode and the LDH negative electrode in this way, it is possible to provide a secondary battery that is expected to increase in capacity, has high stability due to charging and discharging, and does not cause the problem of short circuit due to zinc dendrite. ..
したがって、本発明の目的は、容量の増加が見込め、充放電に伴う安定性も高く、しかも亜鉛デンドライトによる短絡の問題を生じない、二次電池を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a secondary battery which is expected to have an increase in capacity, has high stability due to charge / discharge, and does not cause a short circuit problem due to zinc dendrite.
本発明の一態様によれば、正極活物質として、Ni、Fe及びMnからなる群から選択される少なくとも1種を構成元素として含有する層状複水酸化物(LDH)を含む正極と、
負極活物質として、Cu、Al及びZnからなる群から選択される少なくとも1種を構成元素として含有する層状複水酸化物(LDH)を含む負極と、
アルカリ電解液及び/又は水酸化物イオン伝導性固体電解質と、
を備えた、二次電池が提供される。
According to one aspect of the present invention, as the positive electrode active material, a positive electrode containing a layered double hydroxide (LDH) containing at least one selected from the group consisting of Ni, Fe and Mn as a constituent element.
As the negative electrode active material, a negative electrode containing a layered double hydroxide (LDH) containing at least one selected from the group consisting of Cu, Al and Zn as a constituent element, and a negative electrode.
Alkaline electrolyte and / or hydroxide ion conductive solid electrolyte,
A secondary battery is provided.
図1に本発明による二次電池が概念的に示される。図1に示されるように、二次電池10は、正極12と、負極14と、電解液及び/又は固体電解質16とを備える。正極12は、正極活物質として、Ni、Fe及びMnからなる群から選択される少なくとも1種を構成元素として含有する層状複水酸化物(LDH)を含む。負極14は、負極活物質として、Cu、Al及びZnからなる群から選択される少なくとも1種を構成元素として含有する層状複水酸化物(LDH)を含む。電解液及び/又は固体電解質16(以下、両者をまとめて電解質16ということがある)は、アルカリ電解液及び/又は水酸化物イオン伝導性固体電解質である。このように、Ni等の所定の構成元素を含有する層状複水酸化物(LDH)を二次電池10用の正極活物質として採用することで、充放電に伴い可逆的に層間距離を変化させることができる。また、Cu、Al等の所定の構成元素を含有する層状複水酸化物(LDH)を二次電池10用の負極活物質として採用することで、充放電に伴い可逆的に層間距離が変化させることができる。したがって、LDH正極とLDH負極を採用することで、容量の増加が見込め、充放電に伴う安定性も高く、しかも亜鉛デンドライトによる短絡の問題を生じない、二次電池を提供することができる。
FIG. 1 conceptually shows a secondary battery according to the present invention. As shown in FIG. 1, the
LDHは主に2価及び3価(時には4価)のイオンが層状水酸化物を形成し、その間に電荷バランスを取るために層間に炭酸イオンなどのアニオンが挿入された化合物として知られている。ここで、2価及び3価(時には4価)のイオンは幅広い候補から選択することができるため、マンガン、鉄等の安価な金属を利用することができる。このLDHはα−Ni(OH)2と似た構造を有し、充放電に伴い可逆的に層間距離を変化させることができる。前述のとおり、β−Ni(OH)2からγ−NiOOHまでの充電は、β−Ni(OH)2からβ−NiOOHまでの充電より容量を1.5倍に改善することが期待できるが、放電に伴う還元によって生成するα−Ni(OH)2が不安定であり、容易にβ−Ni(OH)2に戻り、その際に体積収縮がおこることで電極が劣化する問題がある。そこで、γ−NiOOHの呈する上記利点を持ちながら、上記問題を回避可能な正極活物質が望まれる。一方で、亜鉛デンドライトによる短絡の問題を生じない、亜鉛負極に代わる負極活物質も望まれる。この点、本発明のLDH二次電池によれば、これらの要求を好都合に満たすことが期待できる。 LDH is known as a compound in which divalent and trivalent (sometimes tetravalent) ions form a layered hydroxide, and anions such as carbonate ions are inserted between layers in order to balance charges between them. .. Here, since divalent and trivalent (sometimes tetravalent) ions can be selected from a wide range of candidates, inexpensive metals such as manganese and iron can be used. This LDH has a structure similar to α-Ni (OH) 2, and can reversibly change the interlayer distance with charge and discharge. As mentioned above, charging from β-Ni (OH) 2 to γ-NiOOH can be expected to improve the capacity by 1.5 times compared to charging from β-Ni (OH) 2 to β-NiOOH. There is a problem that α-Ni (OH) 2 generated by reduction accompanying electric discharge is unstable and easily returns to β-Ni (OH) 2 , and at that time, volume shrinkage occurs and the electrode deteriorates. Therefore, a positive electrode active material that has the above-mentioned advantages of γ-NiOOH and can avoid the above-mentioned problems is desired. On the other hand, a negative electrode active material that replaces the zinc negative electrode without causing the problem of short circuit due to zinc dendrite is also desired. In this respect, according to the LDH secondary battery of the present invention, it can be expected that these requirements are conveniently satisfied.
正極12は、正極活物質としてLDHを含む。すなわち、本発明の二次電池10においてはLDH自体が正極12の充放電反応に関与する。正極12に含まれるLDHは、Ni、Fe及びMnから選択される少なくとも1種を構成元素として含有するものである。すなわち、一般的に知られているように、LDHは、複数の水酸化物基本層と、これら複数の水酸化物基本層間に介在する中間層とから構成される。水酸化物基本層は主として金属元素(典型的には金属イオン)とOH基で構成される。LDHの中間層は、陰イオン及びH2Oで構成される。陰イオンは1価以上の陰イオン、好ましくは1価又は2価のイオンである。好ましくは、LDH中の陰イオンはOH−及び/又はCO3 2−を含む。したがって、正極12に含まれるLDHは、水酸化物基本層を構成する金属元素の一部としてNi、Fe及びMnから選択される少なくとも1種を含むものである。中でも、少なくともNiを含むNi系LDHが好ましい。
The
より好ましくは、正極12に含まれるLDHは、Ni及びVの組合せ、Ni及びFeの組合せ、又はNi及びMnの組合せを構成元素として含有する。すなわち、正極12に含まれるLDHは、水酸化物基本層を構成する金属元素としてNi及びV、又はNi及びFe、又はNi及びMnを含むのが好ましい。別の表現をすると、正極12に含まれるLDHの好ましい例としては、Ni−V−LDH、Ni−Fe−LDH、及びNi−Mn−LDHが挙げられる。特に好ましくはNi−V−LDH又はNi−Fe−LDHである。Ni−V−LDHの場合、V/(Ni+V)のモル比は0.15〜0.50であるのが好ましく、より好ましくは0.20〜0.40であり、さらに好ましくは0.20〜0.35である。一方、Ni−Fe−LDHの場合、Fe/(Ni+Fe)のモル比は0.15〜0.50であるのが好ましく、より好ましくは0.20〜0.40であり、さらに好ましくは0.20〜0.35である。これらの範囲内であると、正極12に使用した場合に充放電容量を更に向上することができる。
More preferably, LDH contained in the
負極14は、負極活物質としてLDHを含む。すなわち、本発明の二次電池10においてはLDH自体が負極14の充放電反応に関与する。負極14に含まれるLDHは、Cu、Al及びZnから選択される少なくとも1種を構成元素として含有するものである。繰り返しになるが、一般的に知られているように、LDHは、複数の水酸化物基本層と、これら複数の水酸化物基本層間に介在する中間層とから構成される。水酸化物基本層は主として金属元素(典型的には金属イオン)とOH基で構成される。LDHの中間層は、陰イオン及びH2Oで構成される。陰イオンは1価以上の陰イオン、好ましくは1価又は2価のイオンである。好ましくは、LDH中の陰イオンはOH−及び/又はCO3 2−を含む。したがって、負極14に含まれるLDHは、水酸化物基本層を構成する金属元素の一部として、Cu、Al及びZnから選択される少なくとも1種を含むものである。中でも、Alを含むAl系LDHが好ましい。
The
より好ましくは、負極14に含まれるLDHは、Cu及びAlの組合せ、又はZn及びAlの組合せを構成元素として含有する。すなわち、正極12に含まれるLDHは、水酸化物基本層を構成する金属元素としてCu及びAl、又はZn及びAlを含むのが好ましい。別の表現をすると、負極14に含まれるLDHの好ましい例としては、Cu−Al−LDH及びZn−Al−LDHが挙げられる。
More preferably, LDH contained in the
電解質16は、アルカリ電解液及び/又は水酸化物イオン伝導性固体電解質である。すなわち、本発明の二次電池10は液系電池として構成されてもよいし、全固体電池として構成されてもよく、あるいは両方の要素を併せ持った電池として構成されてもよい。典型的なアルカリ電解液はアルカリ金属水酸化物水溶液である。アルカリ金属水酸化物の例としては、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム、水酸化アンモニウム等が挙げられるが、水酸化カリウムがより好ましい。一方、水酸化物イオン伝導性固体電解質は、正極12と負極14を水酸化物イオン伝導可能に、かつ、電子伝導を許容しないように隔離する、膜状、層状又は板状の部材としての形態(すなわちセパレータの形態)を有するのが好ましい。この固体電解質は緻密なものであってもよいし、多孔質であってもよく、電子伝導性物質を含まないかぎり構造は限定されない。例えば、水酸化物イオン伝導性固体電解質粒子を薄層状に堆積させて加圧した程度の圧粉体層であってもよいし、加熱や水熱処理等の手法で一体化させたものであってもよい。特に、本発明の二次電池10は電解液を用いなくて済むため、圧粉体層を用いても特段の不具合(例えば電解液浸透による劣化や崩れ等)は生じない。また、膜状に成形した水酸化物イオン伝導性固体電解質をセパレータとして配置してもよい。水酸化物イオン伝導性固体電解質は、水酸化物イオン伝導性を有する固体電解質であれば特に限定されないが、無機固体電解質が好ましい。水酸化物イオン伝導性無機固体電解質の例としては、層状複水酸化物(LDH)、層状ペロブスカイト酸化物等が挙げられる。最も好ましくは安価で且つ高い水酸化物イオン伝導性を呈する点から、LDHである。特に、前述したように、ニッケル亜鉛二次電池や空気亜鉛二次電池の分野において、LDHセパレータが知られており(特許文献1及び2を参照)、このLDHセパレータを本発明の二次電池10にも好ましく使用することができる。このLDHセパレータは、特許文献1及び2に開示されるように多孔質基材と複合化されたものであってもよいが、その場合には多孔質基材中の厚さ方向の全域にわたって孔内にLDHが充填されていることが望まれる。こうすることでLDHセパレータと接する正極12及び負極14と水酸化物イオンのスムーズな授受が可能となる。したがって、多孔質基材中にLDHで孔が充填されない部分が存在している場合には、そのような部分を切削、研磨等により除去してセパレータとして用いることが望まれる。
The
本発明の好ましい態様によれば、二次電池10がアルカリ電解液を含む。すなわち、二次電池10は液系電池として構成することができる。好ましいアルカリ電解液は上述のとおりアルカリ金属水酸化物水溶液であり、より好ましくは水酸化カリウム水溶液である。二次電池10は、正極12と負極14とを水酸化物イオン伝導可能に隔離するセパレータをさらに備えるのが好ましい。セパレータとしては電解液ないし水酸化物イオンの通過を許容する不織布等の公知のセパレータ材料を用いればよい。液系電池である場合の二次電池10の利点としては、(i)亜鉛負極で問題となるような亜鉛溶解析出や形状劣化が起こらないこと、(ii)正極及び負極の体積変化が少ないこと、及び(iii)亜鉛デンドライトによる短絡が生じないことが挙げられる。また、上記(i)及び(ii)の利点は良好なサイクル特性につながる。
According to a preferred embodiment of the present invention, the
本発明の別の好ましい態様によれば、二次電池10が、水酸化物イオン伝導性固体電解質を含み、それにより全固体二次電池をなす。この態様における好ましい水酸化物イオン伝導性固体電解質は、Mg及びAlを構成要素として含有する層状複水酸化物(Mg−Al−LDH)である。繰り返しになるが、一般的に知られているように、LDHは、複数の水酸化物基本層と、これら複数の水酸化物基本層間に介在する中間層とから構成される。水酸化物基本層は主として金属元素(典型的には金属イオン)とOH基で構成される。LDHの中間層は、陰イオン及びH2Oで構成される。陰イオンは1価以上の陰イオン、好ましくは1価又は2価のイオンである。好ましくは、LDH中の陰イオンはOH−及び/又はCO3 2−を含む。したがって、Mg−Al−LDHは、水酸化物基本層を構成する金属元素としてMg及びAlを含むものである。特に好ましくは、水酸化物イオン伝導性固体電解質がMg−Al−LDHの圧粉体である。全固体電池である場合の二次電池10の利点としては、(i)エネルギー密度を高くできること、(ii)液漏れが発生しないこと、(iii)液系電池の劣化をもたらすガス発生が起こらず、水系電池よりも更に安全なこことが挙げられる。
According to another preferred embodiment of the invention, the
本発明の更に別の好ましい態様によれば、二次電池10が、アルカリ電解液及び水酸化物イオン伝導性固体電解質の両方を含む。すなわち、二次電池10は液系電池と全固体電池の両方の要素を併せ持った電池としてもよい。この態様における好ましい水酸化物イオン伝導性固体電解質は、Mg及びAlを構成要素として含有する層状複水酸化物(Mg−Al−LDH)であり、Mg−Al−LDHについては上述したとおりである。具体的には、水酸化物イオン伝導性固体電解質がMg−Al−LDHの圧粉体であり、この圧粉体にアルカリ電解液が含浸されているのが好ましい。液系電池及び全固体電池の要素を併せ持った電池である場合の二次電池10の利点としては、(i)エネルギー密度を高くできること、(ii)液漏れが発生しにくいこと、(iii)液系電池の劣化をもたらすガス発生が起こりにくく、水系電池よりも更に安全なこと、(iv)全固体電池よりも界面抵抗が低いことが挙げられる。
According to yet another preferred embodiment of the present invention, the
本発明を以下の例によってさらに具体的に説明する。 The present invention will be described in more detail with reference to the following examples.
例A1及びA2
(1)充放電特性の測定
電解液に6MのKOH水溶液を、正極にNi−V−LDH(モル比Ni:V=4:1)(例A1)又はNi−Fe−LDH(モル比Ni:Fe=4:1)(例A2)を用い、対極に白金板を、参照極にHgOを用いて、電気化学セルを用意した。この電気化学セルを用い、50mA/gの電流密度で充放電試験を行ったところ、水酸化ニッケルを超える容量が得られた。図2にNi−V−LDH(例A1)の充放電特性を、図3にNi−Fe−LDH(例A2)の充放電特性を示す。X線吸収微細構造解析(XAFS)を用いて充電したNi−V−LDH正極及びNi−Fe−LDH正極のNiの価数変化を調べたところ、充電により2価から3.5価へ変化していることが確認された。
Examples A1 and A2
(1) Measurement of charge / discharge characteristics A 6M KOH aqueous solution was used as the electrolytic solution, and Ni-V-LDH (molar ratio Ni: V = 4: 1) (eg A1) or Ni-Fe-LDH (molar ratio Ni:) was used for the positive electrode. An electrochemical cell was prepared using Fe = 4: 1) (Example A2), using a platinum plate as the counter electrode and HgO as the reference electrode. When a charge / discharge test was performed using this electrochemical cell at a current density of 50 mA / g, a capacity exceeding that of nickel hydroxide was obtained. FIG. 2 shows the charge / discharge characteristics of Ni-V-LDH (Example A1), and FIG. 3 shows the charge / discharge characteristics of Ni-Fe-LDH (Example A2). When the change in the valence of Ni in the Ni-V-LDH positive electrode and the Ni-Fe-LDH positive electrode charged using X-ray absorption fine structure analysis (XAFS) was investigated, it changed from divalent to 3.5 valence due to charging. It was confirmed that
(2)充放電に伴う構造変化のXRD解析
例A1においては、Ni−V−LDH正極(Ni:V=4:1)における充放電反応の詳細な機構を調べるために、ex−situ XRD解析を行った。具体的には、X線回折装置(株式会社リガク製、Ultima IV)を用いて、電圧:40kV、電流値:40mAの測定条件で上記粉末のXRDプロファイルを得た。図4に、Ni−V−LDHの、充放電前(as pre)、充放電サイクル10回後の満充電状態(after 10 cycle Cha)、及び充放電サイクル30回後の放電末状態(after 30 cycle Dis)におけるXRDプロファイルを示す。図4から分かるように、Ni−V−LDHの(003)面及び(006)面に起因するピークは充電により高角側にシフトしており、これは充電により層間距離が狭まったことを意味する。また、充放電サイクル30回後の放電において、(003)面及び(006)面に起因するピークは充放電前と同じ位置に戻っている、すなわち元の構造に戻っている。このことから、Ni−V−LDHが充放電サイクルにおいて非常に高い可逆性を呈することが分かる。比較のため、β−Ni(OH)2についても同様の測定を行ったところ、図5に示されるXRDプロファイルが得られた。その結果、図5に示されるように、β−Ni(OH)2の一部が過充電によりγ−NiOOHへと大きく構造変化し(γ−NiOOHの(001)面及び(002)面に起因するピークを参照)、放電しても元の構造に戻らず、構造が崩れることが分かった。また、繰り返しの充放電により結晶がアモルファス化することが分かった。なお、α−Ni(OH)2の相は観測されなかった。これに対し、例A1のNi−V−LDH正極は、β−Ni(OH)2とは対照的に、放電後も構造を維持することから、強アルカリ下でも安定な正極材料であるといえる。
(2) XRD analysis of structural changes due to charge / discharge In Example A1, ex-situ XRD analysis is performed to investigate the detailed mechanism of the charge / discharge reaction in the Ni-V-LDH positive electrode (Ni: V = 4: 1). Was done. Specifically, an X-ray diffractometer (Ultima IV, manufactured by Rigaku Co., Ltd.) was used to obtain an XRD profile of the above powder under measurement conditions of a voltage of 40 kV and a current value of 40 mA. FIG. 4 shows the Ni-V-LDH in a fully charged state before charging / discharging (as pre), in a fully charged state after 10 charge / discharge cycles (after 10 cycle Cha), and in a discharge end state after 30 charge / discharge cycles (after 30). The XRD profile in the cycle Dis) is shown. As can be seen from FIG. 4, the peaks caused by the (003) and (006) planes of Ni-V-LDH are shifted to the high angle side by charging, which means that the interlayer distance is narrowed by charging. .. Further, in the discharge after 30 charge / discharge cycles, the peaks caused by the (003) plane and the (006) plane have returned to the same positions as before the charge / discharge, that is, have returned to the original structure. From this, it can be seen that Ni-V-LDH exhibits extremely high reversibility in the charge / discharge cycle. For comparison, the same measurement was performed for β-Ni (OH) 2 , and the XRD profile shown in FIG. 5 was obtained. As a result, as shown in FIG. 5, a part of β-Ni (OH) 2 undergoes a large structural change to γ-NiOOH due to overcharging (caused by the (001) and (002) planes of γ-NiOOH. It was found that the structure did not return to the original structure even when discharged, and the structure collapsed. It was also found that the crystals became amorphous by repeated charging and discharging. No phase of α-Ni (OH) 2 was observed. On the other hand, the Ni-V-LDH positive electrode of Example A1 can be said to be a stable positive electrode material even under strong alkali because it maintains its structure even after discharge, in contrast to β-Ni (OH) 2. ..
(3)EXAFSスペクトルからの充放電中の構造変化の推定
Ni−V−LDH(Ni:V=4:1)又はNi−Fe−LDH(モル比Ni:Fe=4:1)における充放電反応の詳細な機構を調べるために、広域X線吸収微細構造(EXAFS)測定を行った。具体的には、科学技術交流財団あいちシンクロトロン光センターのBL11S2ラインで測定を行った。図6に、Ni−V−LDH(例A1)の、反応前、充電後、及び放電後のEXAFSのフーリエ変換図を、図7に、Ni−Fe−LDH(例A2)の、反応前、充電後、及び放電後のEXAFSのフーリエ変換図を示す。また、比較のため、図8に、Ni(OH)2の反応前、充電後、及び放電後のEXAFSのフーリエ変換図を示す。EXAFSのフーリエ変換図のピークは、中心に存在するニッケルイオンから横軸の距離離れた位置に存在するイオンを示す。この点、図6及び7に示されるNi−V−LDH及びNi−Fe−LDHでは、第一配位圏に存在する酸素イオンと第二配位圏に存在する隣接ニッケルイオンまでの距離はいずれも縮んでおり、放電後には元の位置に戻っている。これに対し、図8に示されるNi(OH)2では、充電により、隣接するニッケルイオンの位置が大きく変化しており、放電後も元の位置に戻っていないことが分かる。したがって、LDHは、Ni(OH)2とは対照的に、充放電に伴い、層間及び面内ともに、伸縮及び膨張を可逆的に繰り返していることが判明した。
(3) Estimation of structural change during charge / discharge from EXAFS spectrum Charge / discharge reaction in Ni-V-LDH (Ni: V = 4: 1) or Ni-Fe-LDH (molar ratio Ni: Fe = 4: 1) In order to investigate the detailed mechanism of, wide area X-ray absorption fine structure (EXAFS) measurement was performed. Specifically, the measurement was performed on the BL11S2 line of the Aichi Science and Technology Foundation Aichi Synchrotron Optical Center. FIG. 6 shows a Fourier transform diagram of EXAFS before reaction, after charging, and after discharging Ni-V-LDH (eg A1), and FIG. 7 shows a Fourier transform diagram of Ni-Fe-LDH (eg A2) before reaction. The Fourier transform diagram of EXAFS after charging and discharging is shown. For comparison, FIG. 8 shows a Fourier transform diagram of EXAFS before the reaction of Ni (OH) 2, after charging, and after discharging. The peak of the Fourier transform diagram of EXAFS indicates an ion located at a distance on the horizontal axis from the nickel ion existing in the center. In this regard, in Ni-V-LDH and Ni-Fe-LDH shown in FIGS. 6 and 7, the distance between the oxygen ion existing in the first coordination sphere and the adjacent nickel ion existing in the second coordination sphere will be any longer. Has shrunk and returned to its original position after discharge. On the other hand, in Ni (OH) 2 shown in FIG. 8, it can be seen that the positions of adjacent nickel ions have changed significantly due to charging and have not returned to their original positions even after discharging. Therefore, it was found that LDH, in contrast to Ni (OH) 2 , reversibly repeats expansion and contraction and expansion both in layers and in-plane with charge and discharge.
(4)充放電に伴う反応機構の考察
水酸化ニッケルは充電に伴いプロトンが脱離し、放電に伴いプロトンが再結合するものであるが、構造変化から見るとLDHと水酸化ニッケルとは大きく異なるため、LDHの反応機構は水酸化ニッケルの主な機構であるプロトンの脱離/再結合とは異なるものと考えられる。特に、LDHの充放電中の体積変化は約9%で水酸化ニッケルの66%と大きく異なり、リチウムイオン電池の代表的な正極材料であるLiCoO2の4%にむしろ近い。このことからLDHの充放電機構はプロトンの脱離/再結合では無く、リチウムイオン電池のようなイオンの挿入/脱離ではないかと考えられる。より具体的には、充電(酸化)に伴い電荷のバランスを取るために、層間にアニオンが挿入され、放電(還元)に伴い挿入されたアニオンが脱離していると思われる。この知見に基づいて、リチウムイオン電池型の二次電池を設計することができる。例えば、正極にはニッケル系のLDHを用い、負極には還元によりアニオンが脱離する材料(例えばCu−Al−LDH)を用いる。その電極反応は、
・正極: Ni−V−LDH + A−
⇔ Ni−V−LDH・A+ e−
・負極: 負極・A + e− ⇔ 負極 + A−
(A−はアニオンであり、Ni−V−LDH・Aはアニオンが挿入したNi−V−LDHである)
等が考えられる。典型的なA−の例としてOH−が挙げられる。負極には還元によりOH−が脱離する材料としてLDH(例えばCu−Al−LDH)を用いることができる。そして、水酸化物イオン伝導性固体電解質として知られるLDHシート(例えばMg−Al−LDHシート)を固体電解質として用いれば、全固体LDH電池を構築することができる。全固体LDH電池は、容易に積層できるため高電圧化が可能であり、電解液やパッケージ材料の体積を省くことができるためエネルギー密度も上昇する。そのため、このタイプの電池は定置型や車搭載型のような、高エネルギー密度が必要な電池用途に最適なものと期待される。
(4) Consideration of reaction mechanism associated with charge / discharge Nickel hydroxide desorbs protons with charge and recombines with protons with discharge, but LDH and nickel hydroxide are significantly different from each other in terms of structural changes. Therefore, the reaction mechanism of LDH is considered to be different from the desorption / recombination of protons, which is the main mechanism of nickel hydroxide. In particular, the volume change during charging and discharging of LDH is about 9%, which is significantly different from 66% of nickel hydroxide, which is rather close to 4% of LiCoO 2, which is a typical positive electrode material of lithium ion batteries. From this, it is considered that the charging / discharging mechanism of LDH is not the desorption / recombination of protons but the insertion / desorption of ions as in a lithium ion battery. More specifically, it seems that anions are inserted between the layers in order to balance the charges with charging (oxidation), and the inserted anions are desorbed with discharging (reduction). Based on this knowledge, a lithium-ion battery type secondary battery can be designed. For example, a nickel-based LDH is used for the positive electrode, and a material (for example, Cu-Al-LDH) from which anions are eliminated by reduction is used for the negative electrode. The electrode reaction is
- the positive electrode: Ni-V-LDH + A -
⇔ Ni-V-LDH · A + e -
・ Negative electrode: Negative electrode ・ A + e − ⇔ Negative electrode + A −
(A - is an anion, Ni-V-LDH · A is a Ni-V-LDH has an anion inserted)
Etc. are conceivable. An example of a typical A − is OH − . LDH (for example, Cu-Al-LDH) can be used for the negative electrode as a material from which OH − is desorbed by reduction. Then, if an LDH sheet (for example, Mg-Al-LDH sheet) known as a hydroxide ion conductive solid electrolyte is used as the solid electrolyte, an all-solid-state LDH battery can be constructed. Since the all-solid-state LDH battery can be easily stacked, the voltage can be increased, and the volume of the electrolytic solution and the packaging material can be saved, so that the energy density also increases. Therefore, this type of battery is expected to be most suitable for battery applications that require high energy density, such as stationary type and car-mounted type.
例B1〜B7
以下に述べる例B1〜B7は負極としてLDH電極ではなくZn−ZnO電極を採用した参考例又は比較例であるが、Ni−Fe−LDH又はNi−V−LDHが二次電池の正極活物質として好ましく採用可能であることを実証するために付記するものとする。
Examples B1 to B7
Examples B1 to B7 described below are reference examples or comparative examples in which a Zn-ZnO electrode is used as the negative electrode instead of the LDH electrode, but Ni-Fe-LDH or Ni-V-LDH is used as the positive electrode active material of the secondary battery. It shall be added to demonstrate that it can be preferably adopted.
例B1(参考)
(1)Ni−Fe−LDH粉末の作製
Ni:Feのモル比が4:1のNi−Fe−LDH(Ni8Fe2(OH)20(CO3)・mH2O、但しmは0以上)を以下の手順で作製した。エチレングリコール20ml、アンモニア水15ml及び炭酸ナトリウム5mlを混合した。得られた混合液に、硝酸ニッケル(II)6水和物(Ni(NO3)2・6H2O、キシダ化学株式会社製、特級)と硝酸鉄(III)9水和物(Fe(NO3)3・9H2O、キシダ化学株式会社製、特級)をNi:Fe(モル比)=4:1の割合で含む金属イオン水溶液10mlを加えて攪拌した。得られた原料水溶液をオートクレーブに入れ、170℃で18時間水熱合成により結晶成長させ、LDH沈殿物を析出させた。こうして得られた沈殿物含有溶液を吸引濾過して沈殿物を回収した。回収したLDH沈殿物を水で洗浄し、さらにエタノールで洗浄した後、真空中80℃で乾燥させてNi−Fe−LDH粉末を得た。
Example B1 (reference)
(1) Preparation of Ni-Fe-LDH powder Ni-Fe-LDH (Ni 8 Fe 2 (OH) 20 (CO 3 ) · mH 2 O with a molar ratio of Ni: Fe of 4: 1 but m is 0 or more. ) Was prepared by the following procedure. 20 ml of ethylene glycol, 15 ml of aqueous ammonia and 5 ml of sodium carbonate were mixed. To the resulting mixture, nickel nitrate (II) 6 hydrate (Ni (NO 3) 2 · 6H 2 O, manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd., special grade) and iron nitrate (III) 9 hydrate (Fe (NO 3) 3 · 9H 2 O, Kishida chemical Co., Ltd., special grade) and Ni: Fe (molar ratio) = 4: stirred with aqueous metal ion solution 10ml in a proportion of 1. The obtained aqueous solution of raw materials was placed in an autoclave and crystal-grown by hydrothermal synthesis at 170 ° C. for 18 hours to precipitate an LDH precipitate. The precipitate-containing solution thus obtained was suction-filtered to collect the precipitate. The recovered LDH precipitate was washed with water, further washed with ethanol, and then dried in vacuum at 80 ° C. to obtain Ni-Fe-LDH powder.
(2)SEM観察及び粒径の測定
得られたNi−Fe−LDH粉末を走査型電子顕微鏡(SEM)(JEOL社製、JSM−6610LV)で観察した。図9にLDH粉末の、一次粒子観察に適した倍率(40000倍)で撮影されたSEM像を示す。図9に示されるように、Ni−Fe−LDH粉末の一次粒径は0.1〜0.6μmであった。また、Ni−Fe−LDH粉末の平均一次粒径は0.24μmであった。平均一次粒径の測定は、SEM像において板状粒子の径の最長距離を測長することにより行った。この測定に用いたSEM像の倍率は40000倍であり、1視野あたり10個の一次粒子について一次粒径を測定するものとし、2視野分(すなわち合計20個の一次粒子)の一次粒径の平均値を算出して平均一次粒径とした。測長にはSEMのソフトウェアの測長機能を用いた。
(2) SEM observation and particle size measurement The obtained Ni-Fe-LDH powder was observed with a scanning electron microscope (SEM) (JSM-6610LV, manufactured by JEOL). FIG. 9 shows an SEM image of LDH powder taken at a magnification (40,000 times) suitable for observing primary particles. As shown in FIG. 9, the primary particle size of the Ni-Fe-LDH powder was 0.1 to 0.6 μm. The average primary particle size of the Ni-Fe-LDH powder was 0.24 μm. The average primary particle size was measured by measuring the longest distance of the diameter of the plate-like particles in the SEM image. The magnification of the SEM image used for this measurement is 40,000 times, and the primary particle size is measured for 10 primary particles per field, and the primary particle size for 2 fields (that is, a total of 20 primary particles). The average value was calculated and used as the average primary particle size. The length measurement function of the SEM software was used for the length measurement.
(3)X線回折による評価
得られたNi−Fe−LDH粉末に対してX線回折測定を行った。具体的には、X線回折装置(株式会社リガク製、RINT TTR III)を用いて、電圧:50kV、電流値:300mA、測定範囲:10〜70°の測定条件で上記粉末のXRDプロファイルを得た。得られたXRDプロファイルから上記粉末がLDHであることが確認された。
(3) Evaluation by X-ray diffraction X-ray diffraction measurement was performed on the obtained Ni-Fe-LDH powder. Specifically, using an X-ray diffractometer (Rigaku Co., Ltd., RINT TTR III), an XRD profile of the above powder is obtained under measurement conditions of voltage: 50 kV, current value: 300 mA, and measurement range: 10 to 70 °. rice field. From the obtained XRD profile, it was confirmed that the powder was LDH.
(4)ニッケル亜鉛二次電池の作製及び評価
(4a)電極作製
Ni−Fe−LDH粉末とアセチレンブラック(AB)を20:80の重量比で混合し、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を加えて混練した後、シート状に成形した。得られたシートを発泡ニッケルにプレスしてLDH電極を作製した。
(4) Fabrication and evaluation of nickel-zinc secondary battery (4a) Electrode fabrication Ni-Fe-LDH powder and acetylene black (AB) are mixed at a weight ratio of 20:80, and polytetrafluoroethylene (PTFE) is added. After kneading, it was formed into a sheet. The obtained sheet was pressed on nickel foam to prepare an LDH electrode.
(4b)ニッケル亜鉛二次電池の作製
正極としてLDH電極、負極としてZn−ZnO電極(亜鉛金属と酸化亜鉛の混合物を含む)、電解液として6MのKOH水溶液に酸化亜鉛を飽和溶解させたものを用いてニッケル亜鉛二次電池を構成した。
(4b) Preparation of Nickel-Zinc Secondary Battery An LDH electrode as a positive electrode, a Zn-ZnO electrode (including a mixture of zinc metal and zinc oxide) as a negative electrode, and a 6M KOH aqueous solution saturated with zinc oxide as an electrolytic solution. It was used to construct a nickel-zinc secondary battery.
(4c)充放電試験
得られたニッケル亜鉛二次電池に対して充放電試験を行った。充放電試験は東陽テクニカ株式会社製の580型Battery Test Systemを使用し、10時間率で充放電試験を行った。得られた充放電曲線を図10に示す。また、測定された放電容量を、Ni(OH)2正極を用いた場合(後述する例B7)に対する相対値として、表1に示す。
(4c) Charge / discharge test A charge / discharge test was performed on the obtained nickel-zinc secondary battery. The charge / discharge test was performed at a 10-hour rate using a 580-inch Battery Test System manufactured by Toyo Corporation. The obtained charge / discharge curve is shown in FIG. The measured discharge capacity is shown in Table 1 as a relative value with respect to the case where a Ni (OH) 2 positive electrode is used (Example B7 described later).
例B2及びB3(参考)
表1に示されるNi:Feのモル比が3:1(例B2)又は2:1(例B3)になるようにNi−Fe−LDH組成を変えたこと以外は例B1と同様にして、ニッケル亜鉛二次電池の作製及び評価を行った。結果は表1に示されるとおりであった。なお、Ni−Fe−LDH粉末の平均一次粒径は0.1〜3μmの範囲内であった。
Examples B2 and B3 (reference)
The same as in Example B1 except that the Ni—Fe-LDH composition was changed so that the molar ratio of Ni: Fe shown in Table 1 was 3: 1 (Example B2) or 2: 1 (Example B3). Nickel-zinc secondary batteries were manufactured and evaluated. The results are as shown in Table 1. The average primary particle size of the Ni-Fe-LDH powder was in the range of 0.1 to 3 μm.
例B4(参考)
(1)Ni−V−LDH粉末の作製
Ni:Vのモル比が4:1のNi−V−LDH(Ni4V−LDH(Ni8V2(OH)20(CO3)・mH2O、但しmは0以上)を以下の手順で作製した。エチレングリコール20ml、アンモニア水15ml及び炭酸ナトリウム5mlを混合した。得られた混合液に、塩化ニッケル(II)6水和物(NiCl2・6H2O、キシダ化学株式会社製、特級)と塩化バナジウム(III)(VCl3、キシダ化学株式会社製、特級)をNi:V(モル比)=4:1の割合で含む金属イオン水溶液10mlを加えて攪拌した。得られた原料水溶液をオートクレーブに入れ、170℃で18時間水熱合成により結晶成長させ、LDH沈殿物を析出させた。こうして得られた沈殿物含有溶液を吸引濾過して沈殿物を回収した。回収したLDH沈殿物を水で洗浄し、さらにエタノールで洗浄した後、真空中80℃で乾燥させてNi−V−LDH粉末を得た。
Example B4 (reference)
(1) Preparation of Ni-V-LDH powder Ni-V-LDH (Ni 4 V-LDH (Ni 8 V 2 (OH) 20 (CO 3 ) ・ mH 2 O) with a molar ratio of Ni: V of 4: 1 However, m is 0 or more) was prepared by the following procedure. 20 ml of ethylene glycol, 15 ml of aqueous ammonia and 5 ml of sodium carbonate were mixed. Nickel (II) chloride hexahydrate (NiCl 2. 6H 2 O, manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd., special grade) and vanadium chloride (III) (VCl 3 , manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd., special grade) at a ratio of Ni: V (molar ratio) = 4: 1 10 ml of metal ion aqueous solution Was added and stirred. The obtained raw material aqueous solution was placed in an autoclave, and crystals were grown by hydrothermal synthesis at 170 ° C. for 18 hours to precipitate an LDH precipitate. The precipitate-containing solution thus obtained was suction-filtered. The precipitate was recovered. The recovered LDH precipitate was washed with water, further washed with ethanol, and then dried in vacuum at 80 ° C. to obtain a Ni-V-LDH powder.
(2)SEM観察及び粒径の測定
得られたNi−V−LDH粉末を例B1と同様にしてSEM観察した。図11にLDH粉末の、一次粒子観察に適した倍率(40000倍)で撮影されたSEM像を示す。図11に示されるように、Ni−V−LDH粉末の一次粒径は0.05〜0.5μmであった。また、Ni−V−LDH粉末の平均一次粒径は0.15μmであった。
(2) SEM observation and particle size measurement The obtained Ni-V-LDH powder was SEM observed in the same manner as in Example B1. FIG. 11 shows an SEM image of LDH powder taken at a magnification (40,000 times) suitable for observing primary particles. As shown in FIG. 11, the primary particle size of the Ni-V-LDH powder was 0.05 to 0.5 μm. The average primary particle size of the Ni-V-LDH powder was 0.15 μm.
(3)X線回折による評価
得られたNi−V−LDH粉末に対して例B1と同様にしてX線回折測定を行い、上記粉末のXRDプロファイルを得た。得られたXRDプロファイルから上記粉末がLDHであることが確認された。
(3) Evaluation by X-ray Diffraction The obtained Ni-V-LDH powder was subjected to X-ray diffraction measurement in the same manner as in Example B1 to obtain an XRD profile of the powder. From the obtained XRD profile, it was confirmed that the powder was LDH.
(4)ニッケル亜鉛二次電池の作製及び評価
得られたNi−V−LDH粉末を用いたこと以外は例B1と同様にして、ニッケル亜鉛二次電池の作製及び評価を行った。得られた充放電曲線を図12に示す。また、測定された放電容量を、Ni(OH)2正極を用いた場合(後述する例B7)に対する相対値として、表1に示す。
(4) Preparation and Evaluation of Nickel-Zinc Secondary Battery A nickel-zinc secondary battery was prepared and evaluated in the same manner as in Example B1 except that the obtained Ni-V-LDH powder was used. The obtained charge / discharge curve is shown in FIG. The measured discharge capacity is shown in Table 1 as a relative value with respect to the case where a Ni (OH) 2 positive electrode is used (Example B7 described later).
例B5及びB6(参考)
表1に示されるNi:Vのモル比が3:1(例B5)又は2:1(例B6)になるようにNi−V−LDH組成を変えたこと以外は例B4と同様にして、ニッケル亜鉛二次電池の作製及び評価を行った。結果は表1に示されるとおりであった。なお、Ni−V−LDH粉末の平均一次粒径は0.05〜3μmの範囲内であった。
Examples B5 and B6 (reference)
In the same manner as in Example B4, except that the Ni—V-LDH composition was changed so that the molar ratio of Ni: V shown in Table 1 was 3: 1 (Example B5) or 2: 1 (Example B6). Nickel-zinc secondary batteries were manufactured and evaluated. The results are as shown in Table 1. The average primary particle size of the Ni-V-LDH powder was in the range of 0.05 to 3 μm.
例B7(比較)
Ni−Fe−LDH粉末の代わりにNi(OH)2粉末を用いたこと以外は、例B1と同様にして、ニッケル亜鉛二次電池の作製及び評価を行った。結果は表1に示されるとおりであった。
Example B7 (comparison)
A nickel-zinc secondary battery was prepared and evaluated in the same manner as in Example B1 except that Ni (OH) 2 powder was used instead of Ni-Fe-LDH powder. The results are as shown in Table 1.
Claims (8)
負極活物質として、Cu、Al及びZnからなる群から選択される少なくとも1種を構成元素として含有する層状複水酸化物(LDH)を含む負極と、
アルカリ電解液及び/又は水酸化物イオン伝導性固体電解質と、
を備えた、二次電池。 As the positive electrode active material, a positive electrode containing a layered double hydroxide (LDH) containing a combination of Ni and V or a combination of Ni and Fe as a constituent element,
As the negative electrode active material, a negative electrode containing a layered double hydroxide (LDH) containing at least one selected from the group consisting of Cu, Al and Zn as a constituent element, and a negative electrode.
Alkaline electrolyte and / or hydroxide ion conductive solid electrolyte,
A rechargeable battery equipped with.
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