JP6978007B2 - Manganese secondary battery - Google Patents

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Description

本発明は、マンガン二次電池に関するものである。 The present invention relates to a manganese secondary battery.

二酸化マンガン(MnO)がマンガン電池に広く使用されている。二酸化マンガンは安価な正極材料であるとの利点を有する。しかしながら、二酸化マンガンは可逆的に充放電できないため、製品化されているマンガン電池はいずれも一次電池に留まる。すなわち、マンガン亜鉛二次電池等のマンガン二次電池は製品化に至っていない。Manganese dioxide (MnO 2 ) is widely used in manganese batteries. Manganese dioxide has the advantage of being an inexpensive positive electrode material. However, since manganese dioxide cannot be reversibly charged and discharged, all of the commercialized manganese batteries remain in the primary battery. That is, manganese secondary batteries such as manganese-zinc secondary batteries have not been commercialized.

一方、Mnを含んだ層状複水酸化物が知られている。例えば、非特許文献1(Chihiro Obayashi et al., "Preparation of the Electrochemically Precipitated Mn-Al LDHs and Their Electrochemical Behaviors", Electrochemistry, 80(11), pp.879-882 (2012))には、MnとAlを構成元素として含む層状複水酸化物(Mn−Al−LDH)が開示されており、その電気化学特性が報告されている。 On the other hand, a layered double hydroxide containing Mn is known. For example, in Non-Patent Document 1 (Chihiro Obayashi et al., "Preparation of the Electrochemically Precipitated Mn-Al LDHs and Their Electrochemical Behaviors", Electrochemistry, 80 (11), pp.879-882 (2012)), Mn A layered double hydroxide (Mn-Al-LDH) containing Al as a constituent element has been disclosed, and its electrochemical properties have been reported.

ところで、亜鉛二次電池の分野においては、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。By the way, in the field of zinc secondary batteries, 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.

国際公開第2013/118561号International Publication No. 2013/118561 国際公開第2016/076047号International Publication No. 2016/076047

Chihiro Obayashi et al., "Preparation of the Electrochemically Precipitated Mn-Al LDHs and Their Electrochemical Behaviors", Electrochemistry, 80(11), pp.879-882 (2012)Chihiro Obayashi et al., "Preparation of the Electrochemically Precipitated Mn-Al LDHs and Their Electrochemical Behaviors", Electrochemistry, 80 (11), pp.879-882 (2012)

本発明者らは、今般、Mn系層状複水酸化物(Mn−LDH)を正極に用いることで、可逆的に充放電を行うことができ、それ故マンガン二次電池を実現できるとの知見を得た。 The present inventors have now found that by using Mn-based layered double hydroxide (Mn-LDH) for the positive electrode, charging and discharging can be performed reversibly, and therefore a manganese secondary battery can be realized. Got

したがって、本発明の目的は、安価で元素資源的にも豊富なマンガン系の正極材料を用いてマンガン二次電池を実現することにある。 Therefore, an object of the present invention is to realize a manganese secondary battery by using a manganese-based positive electrode material which is inexpensive and rich in elemental resources.

本発明の一態様によれば、Mn系層状複水酸化物(Mn−LDH)を含む正極と、負極と、アルカリ金属水酸化物水溶液を含む電解液とを備えた、マンガン二次電池が提供される。 According to one aspect of the present invention, there is provided a manganese secondary battery including a positive electrode containing a Mn-based layered double hydroxide (Mn-LDH), a negative electrode, and an electrolytic solution containing an aqueous alkali metal hydroxide solution. Will be done.

本発明のマンガン二次電池の一態様を示す図である。It is a figure which shows one aspect of the manganese secondary battery of this invention. 例1で作製されたMn−Al−LDH粉末の、一次粒子観察に適した倍率(20000倍)で撮影されたSEM像である。6 is an SEM image of the Mn-Al-LDH powder produced in Example 1 taken at a magnification (20,000 times) suitable for observing primary particles. 例1で作製されたMn−Al−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像である。6 is an SEM image of the Mn-Al-LDH powder produced in Example 1 taken at a magnification (40,000 times) suitable for observing primary particles. 例1で作製されたMn−Al−LDH粉末の、二次粒子観察に適した倍率(5000倍)で撮影されたSEM像である。6 is an SEM image of the Mn-Al-LDH powder produced in Example 1 taken at a magnification (5000 times) suitable for observing secondary particles. 例1で作製されたMn−Al−LDH粉末の、二次粒子観察に適した倍率(5000倍)で撮影されたSEM像である。6 is an SEM image of the Mn-Al-LDH powder produced in Example 1 taken at a magnification (5000 times) suitable for observing secondary particles. 例1で行われた可逆性評価における充放電特性を示すグラフである。It is a graph which shows the charge / discharge characteristic in the reversibility evaluation performed in Example 1. 例7で作製されたNi−Mn−Al−LDH粉末の、一次粒子観察に適した倍率(20000倍)で撮影されたSEM像である。6 is an SEM image of the Ni-Mn-Al-LDH powder produced in Example 7 taken at a magnification (20,000 times) suitable for observing primary particles. 例7で作製されたNi−Mn−Al−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像である。6 is an SEM image of the Ni-Mn-Al-LDH powder produced in Example 7 taken at a magnification (40,000 times) suitable for observing primary particles. 例7で作製されたNi−Mn−Al−LDH粉末の、二次粒子観察に適した倍率(5000倍)で撮影されたSEM像である。6 is an SEM image of the Ni-Mn-Al-LDH powder produced in Example 7 taken at a magnification (5000 times) suitable for observing secondary particles. 例7で作製されたNi−Mn−Al−LDH粉末の、二次粒子観察に適した倍率(5000倍)で撮影されたSEM像である。6 is an SEM image of the Ni-Mn-Al-LDH powder produced in Example 7 taken at a magnification (5000 times) suitable for observing secondary particles.

図1に本発明によるマンガン二次電池が概念的に示される。図1に示されるように、マンガン二次電池10は、正極12と、負極14と、電解液16とを備える。正極12は、Mn系層状複水酸化物(Mn−LDH)を含む。電解液16は、アルカリ金属水酸化物水溶液を含む。かかる構成によれば、Mn−LDHを正極に用いることで、可逆的に充放電を行うことができ、それ故マンガン二次電池を実現することができる。前述のとおり、二酸化マンガンは安価な正極材料ではあるが可逆的に充放電できないため、マンガン二次電池の製品化は困難とされてきたが、本発明によれば、安価で元素資源的にも豊富なマンガン系の正極材料を用いてマンガン二次電池を実現することができる。 FIG. 1 conceptually shows a manganese secondary battery according to the present invention. As shown in FIG. 1, the manganese secondary battery 10 includes a positive electrode 12, a negative electrode 14, and an electrolytic solution 16. The positive electrode 12 contains a Mn-based layered double hydroxide (Mn-LDH). The electrolytic solution 16 contains an aqueous alkali metal hydroxide solution. According to such a configuration, by using Mn-LDH for the positive electrode, charging and discharging can be performed reversibly, and therefore a manganese secondary battery can be realized. As described above, although manganese dioxide is an inexpensive positive electrode material, it has been difficult to commercialize a manganese secondary battery because it cannot be reversibly charged and discharged. However, according to the present invention, it is inexpensive and also in terms of elemental resources. A manganese secondary battery can be realized by using abundant manganese-based positive electrode materials.

正極12は、Mn−LDHを含む。Mn−LDHは、層状複水酸化物(LDH)であって構成元素としてMnを含むものである。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HO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CO 2−を含む。したがって、Mn−LDHは、水酸化物基本層を構成する金属元素の一部としてMnないしそのイオンを含むものである。The positive electrode 12 contains Mn-LDH. Mn-LDH is a layered double hydroxide (LDH) containing Mn as a constituent element. That is, as is generally known, LDH is composed of a plurality of hydroxide basic layers and an intermediate layer interposed between the plurality of hydroxide basic layers. The basic hydroxide layer is mainly composed of metal elements (typically metal ions) and OH groups. Intermediate layer of LDH is composed of anionic and H 2 O. The anion is a monovalent or higher anion, preferably a monovalent or divalent ion. Preferably, the anions in LDH contain OH and / or CO 3 2- . Therefore, Mn-LDH contains Mn or its ions as a part of the metal element constituting the hydroxide basic layer.

Mn−LDHは粒子状の形態を有するのが好ましい。粒子状であることで表面積が増大して大電流放電に対応可能となる。粒子状の形態のMn−LDHは0.1〜3μmの平均一次粒径を有するのが好ましく、より好ましくは0.1〜1μm、さらに好ましくは0.1〜0.7μm、特に好ましくは0.1〜0.5μmである。LDHは一般的に導電性に乏しいため、膜状の微構造よりも、粒子状の形態(特に上記のように一次粒径の小さいもの)の方が反応性が高いものと考えられる。本明細書において、一次粒径は、Mn−LDH一次粒子(板状粒子)の径の最長距離であり、走査型電子顕微鏡(SEM)により一次粒子観察可能な倍率(例えば40000倍)で観察し、SEMのソフトウェアの測長機能を用いて測定できるものである。また、平均一次粒径は、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することにより決定するのが望ましい。 Mn-LDH preferably has a particulate morphology. Since it is in the form of particles, the surface area increases and it becomes possible to cope with a large current discharge. The particulate form of Mn-LDH preferably has an average primary particle size of 0.1 to 3 μm, more preferably 0.1 to 1 μm, still more preferably 0.1 to 0.7 μm, and particularly preferably 0. It is 1 to 0.5 μm. Since LDH generally has poor conductivity, it is considered that the particulate form (particularly the one having a small primary particle size as described above) is more reactive than the film-like microstructure. In the present specification, the primary particle size is the longest distance of the diameter of Mn-LDH primary particles (plate-like particles), and is observed with a scanning electron microscope (SEM) at a magnification (for example, 40,000 times) at which the primary particles can be observed. , Can be measured using the length measurement function of SEM software. Further, the average primary particle size shall be measured for 10 primary particles per field of view, and the average value of the primary particle size for two fields of view (that is, a total of 20 primary particles) shall be calculated. It is desirable to decide.

Mn−LDHは構成元素としてAlも含むのが好ましい。すなわち、Mn−LDHはMn及びAlを含むMn−Al−LDHであるのが好ましい。この場合、LDHの水酸化物基本層を構成する金属元素がMn及びAlを含むものとなる。こうすることで、所望の組成のMn−Al−LDH粉末が作製しやすくなる上、マンガン二次電池10の正極12に使用した場合に放電容量を向上することができる。これらの観点から、Al/(Mn+Al)のモル比は、0.15〜0.85が好ましく、より好ましくは0.20〜0.80、さらに好ましくは0.25〜0.75、特に好ましくは0.30〜0.70である。これらの範囲内であると、マンガン亜鉛二次電池等のマンガン二次電池10の正極12に使用した場合に放電容量を更に向上することができる。 It is preferable that Mn-LDH also contains Al as a constituent element. That is, Mn-LDH is preferably Mn-Al-LDH containing Mn and Al. In this case, the metal elements constituting the hydroxide basic layer of LDH contain Mn and Al. This facilitates the production of Mn-Al-LDH powder having a desired composition, and can improve the discharge capacity when used for the positive electrode 12 of the manganese secondary battery 10. From these viewpoints, the molar ratio of Al / (Mn + Al) is preferably 0.15 to 0.85, more preferably 0.25 to 0.80, still more preferably 0.25 to 0.75, and particularly preferably 0.25 to 0.75. It is 0.30 to 0.70. Within these ranges, the discharge capacity can be further improved when used for the positive electrode 12 of the manganese secondary battery 10 such as a manganese-zinc secondary battery.

Mn−Al−LDH粉末の製造方法は特に限定されないが、例えば、Mn−Al−LDH粉末は以下の手順により好ましく製造することができる。
1)蒸留水にMn(II)の金属塩とAl(III)の金属塩を任意の割合で添加して混合し、不活性ガスでバブリングして溶存酸素を脱気し、金属イオン溶液を得る。金属塩は、塩化物、硝酸塩等の任意の金属塩を用いることができる。
2)アルカリ溶液を不活性ガスでバブリングして溶存酸素を脱気する。
3)130℃のオイル浴に上記1)で得られた金属イオン溶液を入れ、不活性雰囲気下で、上記2)のアルカリ溶液を攪拌しながらpH=11.0まで滴下してLDH沈殿物を析出させる。
4)LDH沈殿物を含む溶液を遠心分離に掛けてLDH沈殿物を回収し、水で洗浄し、エタノールでさらに洗浄後、真空中80℃で乾燥させてMn−Al−LDH粉末を得る。
The method for producing Mn-Al-LDH powder is not particularly limited, but for example, Mn-Al-LDH powder can be preferably produced by the following procedure.
1) Mn (II) metal salt and Al (III) metal salt are added in an arbitrary ratio to distilled water, mixed, and bubbled with an inert gas to degas dissolved oxygen to obtain a metal ion solution. .. As the metal salt, any metal salt such as chloride and nitrate can be used.
2) Degas the dissolved oxygen by bubbling the alkaline solution with an inert gas.
3) The metal ion solution obtained in 1) above is placed in an oil bath at 130 ° C., and the alkaline solution of 2) above is added dropwise to pH = 11.0 while stirring under an inert atmosphere to form an LDH precipitate. Precipitate.
4) The solution containing the LDH precipitate is subjected to centrifugation to recover the LDH precipitate, washed with water, further washed with ethanol, and then dried in vacuum at 80 ° C. to obtain Mn-Al-LDH powder.

Mn−LDHは構成元素として、Alに加えて、Niもさらに含むのがより好ましい。すなわち、Mn−LDHはMn、Al及びNiを含むNi−Mn−Al−LDHであるのがより好ましい。この場合、LDHの水酸化物基本層を構成する金属元素がMn、Al及びNiを含むものとなる。この場合、Al/(Ni+Mn+Al)のモル比は、0.15〜0.85が好ましく、より好ましくは0.15〜0.50、さらに好ましくは0.15〜0.40、特に好ましくは0.20〜0.30である。また、Ni/(Ni+Mn+Al)のモル比は、0.15〜0.85が好ましく、より好ましくは0.15〜0.70、さらに好ましくは0.15〜0.50、特に好ましくは0.20〜0.50である。これらの範囲内であると、マンガン亜鉛二次電池等のマンガン二次電池10の正極12に使用した場合に放電容量を更に向上することができる。 It is more preferable that Mn-LDH further contains Ni as a constituent element in addition to Al. That is, Mn-LDH is more preferably Ni-Mn-Al-LDH containing Mn, Al and Ni. In this case, the metal elements constituting the hydroxide basic layer of LDH contain Mn, Al and Ni. In this case, the molar ratio of Al / (Ni + Mn + Al) is preferably 0.15 to 0.85, more preferably 0.15 to 0.50, still more preferably 0.15 to 0.40, and particularly preferably 0. It is 20 to 0.30. The molar ratio of Ni / (Ni + Mn + Al) is preferably 0.15 to 0.85, more preferably 0.15 to 0.70, still more preferably 0.15 to 0.50, and particularly preferably 0.20. ~ 0.50. Within these ranges, the discharge capacity can be further improved when used for the positive electrode 12 of the manganese secondary battery 10 such as a manganese-zinc secondary battery.

Ni−Mn−Al−LDH粉末の製造方法は特に限定されないが、例えば、Ni−Mn−Al−LDH粉末は以下の手順により好ましく製造することができる。
1)蒸留水にNi(II)の金属塩、Mn(II)の金属塩及びアルミニウム(III)の金属塩を任意の割合で添加して混合し、金属イオン溶液を得る。金属塩は、塩化物、硝酸塩等の任意の金属塩を用いることができる。
2)エチレングリコール、アンモニア水及び炭酸ナトリウム溶液を混合し、混合溶媒を得る。
3)2)の混合溶媒と1)の金属イオン溶液を混合し、混合溶液を耐圧容器に入れ、不活性ガスでバブリングをした後、耐圧容器の封をする。
4)耐圧容器内の混合溶液を120〜200℃(例えば170℃)で10〜30時間(例えば18時間)加熱し、室温まで自然冷却する。
5)得られた沈殿物を遠心分離により回収し、脱気したアセトンを用いて洗浄した後、真空乾燥させてNi−Mn−Al−LDH粉末を得る。
The method for producing the Ni-Mn-Al-LDH powder is not particularly limited, but for example, the Ni-Mn-Al-LDH powder can be preferably produced by the following procedure.
1) A metal salt of Ni (II), a metal salt of Mn (II) and a metal salt of aluminum (III) are added to distilled water in an arbitrary ratio and mixed to obtain a metal ion solution. As the metal salt, any metal salt such as chloride and nitrate can be used.
2) Mix ethylene glycol, aqueous ammonia and sodium carbonate solution to obtain a mixed solvent.
3) Mix the mixed solvent of 2) and the metal ion solution of 1), put the mixed solution in a pressure-resistant container, bubbling with an inert gas, and then seal the pressure-resistant container.
4) The mixed solution in the pressure-resistant container is heated at 120 to 200 ° C. (for example, 170 ° C.) for 10 to 30 hours (for example, 18 hours) and naturally cooled to room temperature.
5) The obtained precipitate is recovered by centrifugation, washed with degassed acetone, and then vacuum dried to obtain Ni-Mn-Al-LDH powder.

負極14は、正極12及び電解液16との組合せにおいて充放電可能な特性を有するものであれば特に限定されない。負極14に含まれる活物質の好ましい例としては、亜鉛及び/又は酸化亜鉛、水素吸蔵合金、鉄、及びカドミウムが挙げられ、より好ましくは亜鉛及び/又は酸化亜鉛である。負極14が亜鉛及び/又は酸化亜鉛を含む場合、マンガン二次電池10はマンガン亜鉛二次電池となる。亜鉛は、負極に適した電気化学的活性を有するものであれば、亜鉛金属、亜鉛化合物及び亜鉛合金のいずれの形態で含まれていてもよい。負極材料の好ましい例としては、酸化亜鉛、亜鉛金属、亜鉛酸カルシウム等が挙げられるが、亜鉛金属及び酸化亜鉛の混合物がより好ましい。負極14はゲル状に構成してもよいし、電解液16と混合して負極合材としてもよい。負極材料の形状は特に限定されないが、粉末状とすることが好ましく、それにより表面積が増大して大電流放電に対応可能となる。 The negative electrode 14 is not particularly limited as long as it has characteristics that can be charged and discharged in combination with the positive electrode 12 and the electrolytic solution 16. Preferred examples of the active material contained in the negative electrode 14 include zinc and / or zinc oxide, a hydrogen storage alloy, iron, and cadmium, and more preferably zinc and / or zinc oxide. When the negative electrode 14 contains zinc and / or zinc oxide, the manganese secondary battery 10 becomes a manganese zinc secondary battery. Zinc may be contained in any form of zinc metal, zinc compound and zinc alloy as long as it has an electrochemical activity suitable for the negative electrode. Preferred examples of the negative electrode material include zinc oxide, zinc metal, calcium zincate and the like, but a mixture of zinc metal and zinc oxide is more preferable. The negative electrode 14 may be formed in the form of a gel, or may be mixed with the electrolytic solution 16 to form a negative electrode mixture. The shape of the negative electrode material is not particularly limited, but it is preferably in the form of powder, which increases the surface area and makes it possible to cope with a large current discharge.

電解液16は、アルカリ金属水酸化物水溶液を含む。すなわち、アルカリ金属水酸化物を含む水溶液が電解液16(例えば正極電解液16a及び負極電解液16b)として用いられる。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。 The electrolytic solution 16 contains an aqueous alkali metal hydroxide solution. That is, the aqueous solution containing the alkali metal hydroxide is used as the electrolytic solution 16 (for example, the positive electrode electrolytic solution 16a and the negative electrode electrolytic solution 16b). Examples of the alkali metal hydroxide include potassium hydroxide, sodium hydroxide, lithium hydroxide, ammonium hydroxide and the like, but potassium hydroxide is more preferable.

電解液16は、正極12が浸漬される正極電解液16aと、負極14が浸漬される負極電解液16bとを含みうる。特に、電解液16は正極電解液16aと負極電解液16bとに分離されるのが好ましい。この構成はマンガン亜鉛二次電池において極めて有利となる。すなわち、電解液に溶解されるZnとLDHのMnが反応し、ヘテロライトが電極表面に形成されることがある。この点、正極電解液16aと負極電解液16bとが分離していればそのようなMnとZnの反応を抑制することができ、Mn−LDHの構造を電解液16中で効果的に維持することができる。 The electrolytic solution 16 may include a positive electrode electrolytic solution 16a in which the positive electrode 12 is immersed and a negative electrode electrolytic solution 16b in which the negative electrode 14 is immersed. In particular, the electrolytic solution 16 is preferably separated into a positive electrode electrolytic solution 16a and a negative electrode electrolytic solution 16b. This configuration is extremely advantageous in a manganese-zinc secondary battery. That is, Zn dissolved in the electrolytic solution may react with Mn of LDH to form heterolite on the electrode surface. In this respect, if the positive electrode electrolytic solution 16a and the negative electrode electrolytic solution 16b are separated, such a reaction between Mn and Zn can be suppressed, and the structure of Mn-LDH is effectively maintained in the electrolytic solution 16. be able to.

正極電解液16aにはAlが溶解されているのが好ましい。こうすることで、正極12からAlの溶出を効果的に抑制して、正極12の四三酸化マンガンへの構造変化を効果的に防止できる。正極電解液16aに溶解されるAlの濃度が0.02〜1.5mol/Lであるのが好ましく、より好ましくは0.02〜1.2mol/L、さらに好ましくは0.05〜1.0mol/Lである。 It is preferable that Al is dissolved in the positive electrode electrolyte 16a. By doing so, the elution of Al from the positive electrode 12 can be effectively suppressed, and the structural change of the positive electrode 12 to trimanganese tetraoxide can be effectively prevented. The concentration of Al dissolved in the positive electrode electrolyte 16a is preferably 0.02 to 1.5 mol / L, more preferably 0.02 to 1.2 mol / L, and further preferably 0.05 to 1.0 mol. / L.

一方、負極電解液16bには、亜鉛及び/又は酸化亜鉛の自己溶解を抑制するために、酸化亜鉛、水酸化亜鉛等の亜鉛化合物を添加するのが好ましい。 On the other hand, it is preferable to add a zinc compound such as zinc oxide or zinc hydroxide to the negative electrode electrolytic solution 16b in order to suppress the self-dissolution of zinc and / or zinc oxide.

正極電解液16a及び負極電解液16bは正極12及び/又は負極14と混合させて正極合材及び/又は負極合材の形態で存在させてもよい。また、電解液の漏洩を防止するために電解液をゲル化してもよい。 The positive electrode electrolytic solution 16a and the negative electrode electrolytic solution 16b may be mixed with the positive electrode 12 and / or the negative electrode 14 and exist in the form of a positive electrode mixture and / or a negative electrode mixture. Further, the electrolytic solution may be gelled in order to prevent leakage of the electrolytic solution.

電解液16が正極電解液16aと負極電解液16bとに分離される場合、正極12及び正極電解液16aが、負極14及び負極電解液16bと、層状複水酸化物(LDH)セパレータ28によって水酸化物イオン伝導可能に隔離されるのが好ましい。LDHセパレータ28は、前述したように、亜鉛二次電池の分野において水酸化物イオン伝導性を有する緻密セパレータとして知られているものであるが、以下にその好適態様を説明する。 When the electrolytic solution 16 is separated into a positive electrode electrolytic solution 16a and a negative electrode electrolytic solution 16b, the positive electrode 12 and the positive electrode electrolytic solution 16a are watered by the negative electrode 14 and the negative electrode electrolytic solution 16b and the layered double hydroxide (LDH) separator 28. It is preferable to be isolated so that the oxide ion can be conducted. As described above, the LDH separator 28 is known as a dense separator having hydroxide ion conductivity in the field of zinc secondary batteries, and a preferred embodiment thereof will be described below.

LDHセパレータ28は層状複水酸化物(LDH)を含むセラミックスセパレータであり、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。好ましいLDHセパレータ28はガス不透過性及び/又は水不透過性を有する。換言すれば、LDHセパレータ28はガス不透過性及び/又は水不透過性を有するほどに緻密化されているのが好ましい。なお、本明細書において「ガス不透過性を有する」とは、特許文献2(国際公開第2016/076047号)に記載されるように、水中で測定対象物(すなわちLDHセパレータ28及び/又は多孔質基材30)の一面側にヘリウムガスを0.5atmの差圧で接触させても他面側からヘリウムガスに起因する泡の発生がみられないことを意味する。また、本明細書において「水不透過性を有する」とは、特許文献2(国際公開第2016/076047号)に記載されるように、測定対象物(例えばLDH膜及び/又は多孔質基材)の一面側に接触した水が他面側に透過しないことを意味する。すなわち、LDHセパレータ28がガス不透過性及び/又は水不透過性を有するということは、LDHセパレータ28が気体又は水を通さない程の高度な緻密性を有することを意味し、透水性を有する多孔性フィルムやその他の多孔質材料ではないことを意味する。こうすることで、LDHセパレータ28は、その水酸化物イオン伝導性に起因して水酸化物イオンのみを選択的に通すものとなり、電池用セパレータとしての機能を呈することができる。このため、充電時に負極14から生成して進展する亜鉛デンドライトによるセパレータの貫通を物理的に阻止して正負極間の短絡を防止するのに極めて効果的な構成となっている。もっとも、図1に示されるようにLDHセパレータ28が多孔質基材30と複合化されてよいのはいうまでもない。いずれにしても、LDHセパレータ28は水酸化物イオン伝導性を有するため、正極電解液16aと負極電解液16bとの間で必要な水酸化物イオンの効率的な移動を可能として正極12及び負極14における充放電反応を実現することができる。 The LDH separator 28 is a ceramic separator containing a layered double hydroxide (LDH), and separates the positive electrode 12 and the negative electrode 14 so that hydroxide ions can be conducted. The preferred LDH separator 28 has gas impermeable and / or water impermeable. In other words, the LDH separator 28 is preferably densified to have gas impermeableness and / or water impermeableness. In addition, as described in Patent Document 2 (International Publication No. 2016/076047), "having gas impermeable" in the present specification means an object to be measured in water (that is, LDH separator 28 and / or porous). It means that even if the helium gas is brought into contact with one surface side of the quality substrate 30) at a differential pressure of 0.5 atm, no bubbles are generated due to the helium gas from the other surface side. Further, as described in Patent Document 2 (International Publication No. 2016/076047), “having water impermeable” in the present specification means an object to be measured (for example, LDH film and / or a porous substrate). ) Means that water in contact with one side does not permeate the other side. That is, the fact that the LDH separator 28 has gas impermeableness and / or water impermeability means that the LDH separator 28 has a high degree of porosity that does not allow gas or water to pass through, and has water permeability. It means that it is not a porous film or other porous material. By doing so, the LDH separator 28 selectively passes only hydroxide ions due to its hydroxide ion conductivity, and can exhibit a function as a battery separator. Therefore, the configuration is extremely effective in physically preventing the penetration of the separator by the zinc dendrite generated and propagating from the negative electrode 14 during charging to prevent a short circuit between the positive and negative electrodes. However, it goes without saying that the LDH separator 28 may be composited with the porous base material 30 as shown in FIG. In any case, since the LDH separator 28 has hydroxide ion conductivity, the positive electrode 12 and the negative electrode enable efficient transfer of the required hydroxide ion between the positive electrode electrolytic solution 16a and the negative electrode electrolytic solution 16b. The charge / discharge reaction in No. 14 can be realized.

LDHセパレータ28は層状複水酸化物(LDH)を含み、好ましくはLDHで構成される。前述したように、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HO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CO 2−を含む。また、LDHはその固有の性質に起因して優れたイオン伝導性を有する。一般的に、LDHは、M2+ 1−x3+ (OH)n− x/n・mHO(式中、M2+は2価の陽イオンであり、M3+は3価の陽イオンであり、An−はn価の陰イオンであり、nは1以上の整数であり、xは0.1〜0.4であり、mは0以上である)の基本組成式で代表されるものとして知られている。上記基本組成式において、M2+は任意の2価の陽イオンでありうるが、好ましい例としてはMg2+、Ca2+及びZn2+が挙げられ、より好ましくはMg2+である。M3+は任意の3価の陽イオンでありうるが、好ましい例としてはAl3+又はCr3+が挙げられ、より好ましくはAl3+である。An−は任意の陰イオンでありうるが、好ましい例としてはOH及びCO 2−が挙げられる。したがって、上記基本組成式において、M2+がMg2+を含み、M3+がAl3+を含み、An−がOH及び/又はCO 2−を含むのが好ましい。nは1以上の整数であるが、好ましくは1又は2である。xは0.1〜0.4であるが、好ましくは0.2〜0.35である。mは水のモル数を意味する任意の数であり、0以上、典型的には0を超える又は1以上の実数である。もっとも、上記基本組成式は、一般にLDHに関して代表的に例示される「基本組成」の式にすぎず、構成イオンを適宜置き換え可能なものである。例えば、上記基本組成式においてM3+の一部または全部を4価またはそれ以上の価数の陽イオンで置き換えてもよく、その場合は、上記一般式における陰イオンAn−の係数x/nは適宜変更されてよい。The LDH separator 28 contains layered double hydroxides (LDH) and is preferably composed of LDH. As described above, LDH is composed of a plurality of hydroxide basic layers and an intermediate layer interposed between the plurality of hydroxide basic layers. The basic hydroxide layer is mainly composed of metal elements (typically metal ions) and OH groups. Intermediate layer of LDH is composed of anionic and H 2 O. The anion is a monovalent or higher anion, preferably a monovalent or divalent ion. Preferably, the anions in LDH contain OH and / or CO 3 2- . LDH also has excellent ionic conductivity due to its unique properties. In general, LDH is M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 A n− x / n · mH 2 O (in the formula, M 2+ is a divalent cation and M 3+ is a trivalent cation. is a cation, a n-is the n-valent anion, n is an integer of 1 or more, x is 0.1 to 0.4, m is the base composition formula is 0 or more) It is known as a representative. In the above basic composition formula, M 2+ can be any divalent cation, but preferred examples include Mg 2+ , Ca 2+ and Zn 2+ , and more preferably Mg 2+ . M 3+ can be any trivalent cation, with preferred examples being Al 3+ or Cr 3+ , more preferably Al 3+ . A n- may be any anion, preferred examples OH - and CO 3 2- and the like. Accordingly, in the above basic formula, M 2+ comprises Mg 2+, M 3+ comprises Al 3+, A n-is OH - and / or CO preferably contains 3 2-. n is an integer of 1 or more, but is preferably 1 or 2. x is 0.1 to 0.4, preferably 0.2 to 0.35. m is any number that means the number of moles of water and is a real number greater than or equal to 0, typically greater than or equal to 0 or greater than or equal to 1. However, the above-mentioned basic composition formula is merely a formula of the "basic composition" generally exemplified with respect to LDH, and the constituent ions can be appropriately replaced. For example, it may be replaced with some or all of the M 3+ tetravalent or higher valency cations in the basic formula, in which case, the anion A coefficient of n-x / n in the general formula May be changed as appropriate.

LDHセパレータ28は、板状、膜状又は層状のいずれの形態であってもよく、膜状又は層状の形態である場合、膜状又は層状のLDHセパレータ28が多孔質基材30と複合化されている、例えば多孔質基材30上又はその中に形成されたものであるのが好ましい。板状の形態であると十分な堅さを確保して亜鉛デンドライトの貫通をより効果的に阻止することができる。一方、板状よりも厚さが薄い膜状又は層状の形態であると亜鉛デンドライトの貫通を阻止するための必要最低限の堅さを確保しながらセパレータの抵抗を有意に低減できるとの利点がある。板状のLDHセパレータ28の好ましい厚さは、0.01〜0.5mmであり、より好ましくは0.02〜0.2mm、さらに好ましくは0.05〜0.1mmである。また、LDHセパレータ28の水酸化物イオン伝導度は高ければ高い方が望ましいが、典型的には10−4〜10−1S/mの伝導度を有する。一方、膜状又は層状の形態の場合には、厚さが100μm以下であるのが好ましく、より好ましくは75μm以下、さらに好ましくは50μm以下、特に好ましくは25μm以下、最も好ましくは5μm以下である。このように薄いことでLDHセパレータ28の低抵抗化を実現できる。厚さの下限値は用途に応じて異なるため特に限定されないが、セパレータ膜ないし層として望まれるある程度の堅さを確保するためには厚さ1μm以上であるのが好ましく、より好ましくは2μm以上である。The LDH separator 28 may be in any form of a plate, a film or a layer, and when the LDH separator 28 is in a film or layered form, the film or layered LDH separator 28 is composited with the porous substrate 30. For example, it is preferably formed on or in the porous substrate 30. The plate-like form can secure sufficient hardness and more effectively prevent the penetration of zinc dendrites. On the other hand, the film-like or layered form, which is thinner than the plate-like form, has the advantage that the resistance of the separator can be significantly reduced while ensuring the minimum necessary hardness to prevent the penetration of zinc dendrites. be. The thickness of the plate-shaped LDH separator 28 is preferably 0.01 to 0.5 mm, more preferably 0.02 to 0.2 mm, still more preferably 0.05 to 0.1 mm. Further, the higher the hydroxide ion conductivity of the LDH separator 28 is, the more desirable it is, but it typically has a conductivity of 10 -4 to -1 S / m. On the other hand, in the case of a film-like or layered form, the thickness is preferably 100 μm or less, more preferably 75 μm or less, still more preferably 50 μm or less, particularly preferably 25 μm or less, and most preferably 5 μm or less. With such a thin thickness, it is possible to realize a low resistance of the LDH separator 28. The lower limit of the thickness is not particularly limited because it varies depending on the application, but it is preferably 1 μm or more, more preferably 2 μm or more in order to secure a certain degree of hardness desired as a separator film or layer. be.

LDHセパレータ28は多孔質基材30と複合化されているのが好ましい。例えば、LDHセパレータ28の片面又は両面に多孔質基材30を設けてもよい。LDHセパレータ28の片面に多孔質基材30が設けられる場合、多孔質基材30はLDHセパレータ28の負極14側の面に設けてもよいし、LDHセパレータ28の正極12側の面に設けてもよい。多孔質基材30は透水性を有し、それ故正極電解液16a及び負極電解液16bがLDHセパレータ28に到達可能であることはいうまでもないが、多孔質基材30があることでLDHセパレータ28上により安定に水酸化物イオンを保持することも可能となる。また、多孔質基材30により強度を付与できるため、LDHセパレータ28を薄くして低抵抗化を図ることもできる。また、多孔質基材30上又はその中にLDHの緻密膜ないし緻密層を形成することもできる。LDHセパレータ28の片面に多孔質基材を設ける場合には、多孔質基材を用意して、この多孔質基材にLDHを成膜する手法が考えられる。一方、LDHセパレータ28の両面に多孔質基材を設ける場合には、2枚の多孔質基材の間にLDHの原料粉末を挟んで緻密化を行うことが考えられる。なお、図1において多孔質基材30はLDHセパレータ28の片面の全面にわたって設けられているが、LDHセパレータ28の片面の一部(例えば充放電反応に関与する領域)にのみ設ける構成としてもよい。例えば、多孔質基材30上又はその中にLDHを膜状又は層状に形成した場合、その製法に由来して、LDHセパレータ28の片面の全面にわたって多孔質基材30が設けられた構成になるのが典型的である。一方、LDHを(基材を必要としない)自立した板状に形成した場合には、LDHセパレータ28の片面の一部(例えば充放電反応に関与する領域)にのみ多孔質基材30を後付けしてもよいし、片面の全面にわたって多孔質基材30を後付けしてもよい。 The LDH separator 28 is preferably composited with the porous base material 30. For example, the porous base material 30 may be provided on one side or both sides of the LDH separator 28. When the porous base material 30 is provided on one side of the LDH separator 28, the porous base material 30 may be provided on the surface of the LDH separator 28 on the negative electrode 14 side or on the surface of the LDH separator 28 on the positive electrode 12 side. May be good. It goes without saying that the porous substrate 30 has water permeability and therefore the positive electrode electrolyte 16a and the negative electrode electrolyte 16b can reach the LDH separator 28, but the presence of the porous substrate 30 causes LDH. It is also possible to more stably retain the hydroxide ion on the separator 28. Further, since the strength can be imparted by the porous base material 30, the LDH separator 28 can be thinned to reduce the resistance. Further, a dense film or a dense layer of LDH can be formed on or in the porous substrate 30. When a porous base material is provided on one side of the LDH separator 28, a method of preparing a porous base material and forming LDH on the porous base material can be considered. On the other hand, when the porous base material is provided on both sides of the LDH separator 28, it is conceivable to sandwich the LDH raw material powder between the two porous base materials to perform densification. Although the porous substrate 30 is provided over the entire surface of one side of the LDH separator 28 in FIG. 1, it may be provided only on a part of one side of the LDH separator 28 (for example, a region involved in the charge / discharge reaction). .. For example, when LDH is formed in a film or layer on or in the porous substrate 30, the porous substrate 30 is provided over the entire surface of one side of the LDH separator 28 due to the manufacturing method thereof. Is typical. On the other hand, when LDH is formed into a self-supporting plate shape (which does not require a base material), the porous base material 30 is retrofitted only to a part of one side of the LDH separator 28 (for example, a region involved in a charge / discharge reaction). Alternatively, the porous base material 30 may be retrofitted over the entire surface of one side.

LDHセパレータ28の一方の側に多孔質基材30が設けられる場合、LDHセパレータ28は多孔質基材30の正極12側及び負極14側のいずれに設けられてもよい。もっとも、LDHセパレータ28は多孔質基材30の負極14側に設けられるのが好ましい。こうすることで、LDHセパレータ28の多孔質基材30からの剥離をより効果的に抑制することができる。すなわち、負極14に由来して亜鉛デンドライトが成長してLDHセパレータ28に到達した場合に、亜鉛デンドライトの成長に伴い発生しうる応力が、LDHセパレータ28を多孔質基材30に押し付ける方向に働くことになり、その結果、LDHセパレータ28が多孔質基材30から剥離しにくくなる。 When the porous base material 30 is provided on one side of the LDH separator 28, the LDH separator 28 may be provided on either the positive electrode 12 side or the negative electrode 14 side of the porous base material 30. However, it is preferable that the LDH separator 28 is provided on the negative electrode 14 side of the porous base material 30. By doing so, it is possible to more effectively suppress the peeling of the LDH separator 28 from the porous substrate 30. That is, when zinc dendrites derived from the negative electrode 14 grow and reach the LDH separator 28, the stress that can be generated due to the growth of the zinc dendrites acts in the direction of pressing the LDH separator 28 against the porous substrate 30. As a result, the LDH separator 28 is less likely to peel off from the porous substrate 30.

多孔質基材30は、セラミックス材料、金属材料、及び高分子材料からなる群から選択される少なくとも1種で構成されるのが好ましく、より好ましくはセラミックス材料及び/又は高分子材料、さらに好ましくは高分子材料である。多孔質基材は、セラミックス材料で構成されるのがより好ましい。この場合、セラミックス材料の好ましい例としては、アルミナ、ジルコニア、チタニア、マグネシア、スピネル、カルシア、コージライト、ゼオライト、ムライト、フェライト、酸化亜鉛、炭化ケイ素、及びそれらの任意の組合せが挙げられ、より好ましくは、アルミナ、ジルコニア、チタニア、及びそれらの任意の組合せであり、特に好ましくはアルミナ及びジルコニアであり、最も好ましくはアルミナである。これらの多孔質セラミックスを用いると緻密性に優れたLDHセパレータ28を形成しやすい。金属材料の好ましい例としては、アルミニウム、亜鉛、及びニッケルが挙げられる。高分子材料の好ましい例としては、ポリスチレン、ポリエーテルサルフォン、ポリプロピレン、エポキシ樹脂、ポリフェニレンサルファイド、親水化したフッ素樹脂(四フッ素化樹脂:PTFE等)、セルロース、ナイロン、ポリエチレン及びそれらの任意の組合せが挙げられる。上述した各種の好ましい材料から電池の電解液に対する耐性として耐アルカリ性に優れたものを適宜選択するのが更に好ましい。 The porous substrate 30 is preferably composed of at least one selected from the group consisting of ceramic materials, metal materials, and polymer materials, more preferably ceramic materials and / or polymer materials, and even more preferably. It is a polymer material. The porous substrate is more preferably composed of a ceramic material. In this case, preferred examples of the ceramic material include alumina, zirconia, titania, magnesia, spinel, calcia, cordylite, zeolite, mullite, ferrite, zinc oxide, silicon carbide, and any combination thereof, which is more preferable. Is alumina, zirconia, titania, and any combination thereof, particularly preferably alumina and zirconia, and most preferably alumina. When these porous ceramics are used, it is easy to form the LDH separator 28 having excellent denseness. Preferred examples of metallic materials include aluminum, zinc, and nickel. Preferred examples of the polymer material are polystyrene, polyether sulfone, polypropylene, epoxy resin, polyphenylene sulfide, hydrophilized fluororesin (tetrafluororesin: PTFE, etc.), cellulose, nylon, polyethylene and any combination thereof. Can be mentioned. It is more preferable to appropriately select a material having excellent alkali resistance as resistance to the electrolytic solution of the battery from the various preferable materials described above.

好ましくは、LDHセパレータ28が、複数のLDH板状粒子の集合体で構成され、複数のLDH板状粒子がそれらの板面が多孔質基材30の表面(多孔構造に起因する微細凹凸を無視できる程度に巨視的に観察した場合における多孔質基材の主面)と垂直に又は斜めに交差するような向きに配向している。なお、LDHセパレータ28は多孔質基材30の孔内に少なくとも部分的に組み込まれていてもよく、その場合、多孔質基材30の孔内にもLDH板状粒子は存在しうる。 Preferably, the LDH separator 28 is composed of an aggregate of a plurality of LDH plate-like particles, and the plurality of LDH plate-like particles have the surface of the porous base material 30 (ignoring the fine irregularities due to the porous structure). It is oriented so as to intersect vertically or diagonally with the main surface of the porous substrate when observed macroscopically to the extent possible. The LDH separator 28 may be incorporated at least partially in the pores of the porous substrate 30, and in that case, LDH plate-like particles may also be present in the pores of the porous substrate 30.

LDHセパレータ28、例えば多孔質基材30と複合化されたLDHセパレータ28の製造方法は特に限定されず、既に知られるLDHセパレータの製造方法(例えば特許文献1及び2)を参照することにより作製することができる。 The method for producing the LDH separator 28, for example, the LDH separator 28 composited with the porous substrate 30, is not particularly limited, and the LDH separator 28 is produced by referring to already known methods for producing LDH separators (for example, Patent Documents 1 and 2). be able to.

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1
(1)Mn−Al−LDH粉末の作製
Mn:Al=2:1のMn−Al−LDHを以下の手順で作製した。蒸留水100mlに塩化マンガン(II)4水和物(MnCl・4HO、キシダ化学株式会社製、特級)10mmolと塩化アルミニウム(III)6水和物(AlCl・6HO、キシダ化学株式会社製、特級)5mmolを添加して混合し、金属イオン溶液を得た。一方、2M水酸化ナトリウム溶液を不活性ガスでバブリングして溶存酸素を脱気した。130℃のオイル浴に金属イオン溶液を入れ、不活性雰囲気下で上記水酸化ナトリウム溶液を攪拌しながらpH11.0になるまで滴下して反応させ、沈殿物を析出させた。こうして得られた沈殿含有溶液を遠心分離に掛け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Mn−Al−LDH粉末を得た。
Example 1
(1) Preparation of Mn-Al-LDH powder Mn-Al-LDH having Mn: Al = 2: 1 was prepared by the following procedure. Distilled water 100ml manganese chloride (II) 4 hydrate (MnCl 2 · 4H 2 O, manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd., special grade) 10 mmol of aluminum chloride (III) 6-hydrate (AlCl 3 · 6H 2 O, Kishida Chemical (Made by Co., Ltd., special grade) 5 mmol was added and mixed to obtain a metal ion solution. On the other hand, the 2M sodium hydroxide solution was bubbled with an inert gas to degas the dissolved oxygen. A metal ion solution was placed in an oil bath at 130 ° C., and the sodium hydroxide solution was added dropwise and reacted until the pH reached 11.0 while stirring under an inert atmosphere to precipitate a precipitate. The precipitate-containing solution thus obtained was subjected to centrifugation to recover the precipitate. The recovered LDH precipitate was washed with water, further washed with ethanol, and then dried in vacuum at 80 ° C. to obtain Mn-Al-LDH powder.

(2)SEM観察及び粒径の測定
得られたMn−Al−LDH粉末を走査型電子顕微鏡(SEM)(JEOL社製、JSM−6610LV)で観察した。図2A及び2BにLDH粉末の、一次粒子観察に適した倍率(20000倍及び40000倍)で撮影されたSEM像を示す。図2A及び2Bに示されるように、Mn−Al−LDH粉末の一次粒径は0.2〜0.6μmであった。また、Mn−Al−LDH粉末の平均一次粒径は0.36μm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 Mn-Al-LDH powder was observed with a scanning electron microscope (SEM) (JSM-6610LV, manufactured by JEOL Ltd.). 2A and 2B show SEM images of LDH powder taken at magnifications (20,000 times and 40,000 times) suitable for primary particle observation. As shown in FIGS. 2A and 2B, the primary particle size of the Mn-Al-LDH powder was 0.2 to 0.6 μm. The average primary particle size of the Mn-Al-LDH powder was 0.36 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.

また、図3A及び3BにMn−Al−LDH粉末の、二次粒子観察に適した倍率(5000倍)で撮影されたSEM像を示す。図3A及び3Bに示される結果から、Mn−Al−LDH粉末の二次粒径は0.5〜5μmであった。 Further, FIGS. 3A and 3B show SEM images of Mn-Al-LDH powder taken at a magnification (5000 times) suitable for observing secondary particles. From the results shown in FIGS. 3A and 3B, the secondary particle size of the Mn-Al-LDH powder was 0.5 to 5 μm.

(3)電解液中でのLDH構造維持性
(3a)電解液の用意
表1に示されるようにAl濃度の異なる電解液1〜5を用意した。
(3) LDH structure retention in electrolytic solution (3a) Preparation of electrolytic solution As shown in Table 1, electrolytic solutions 1 to 5 having different Al concentrations were prepared.

(3b)試験片の作製及び浸漬
Mn−Al−LDH粉末にポリテトラフルオロエチレン溶液(東陽テクニカ株式会社製、EC−TE−TFE)を混合してペースト状にした。得られたペーストをCuメッシュに塗布してシート状に成形した。このシートを10mm×10mm×0.7mm程度のサイズに切り出して、試験片とした。この試験片を各電解液10mlに70℃で1週間浸漬した後、イオン交換水で洗浄し、不活性雰囲気にて80℃で乾燥した。
(3b) Preparation and Immersion of Test Pieces A polytetrafluoroethylene solution (EC-TE-TFE manufactured by Toyo Technica Co., Ltd.) was mixed with Mn-Al-LDH powder to form a paste. The obtained paste was applied to a Cu mesh and molded into a sheet. This sheet was cut into a size of about 10 mm × 10 mm × 0.7 mm and used as a test piece. This test piece was immersed in 10 ml of each electrolytic solution at 70 ° C. for 1 week, washed with ion-exchanged water, and dried at 80 ° C. in an inert atmosphere.

(3c)X線回折による評価
電解液浸漬後の試験片がLDH構造をどの程度維持しているかどうかを確認すべく、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°の測定条件で試験片のXRDプロファイルを得た。その結果、電解液4(KOH水溶液)に浸漬させた試験片では異相として四三酸化マンガン(Mn)が生成し、電解液5(Zn飽和KOH水溶液)に浸漬させた試験片では異相としてヘテロライト(ZnMn +3)が形成されることが判明した。いずれの異相もXRDプロファイルにおける最強線ピークは2θ=36°付近に存在していた。XRDプロファイルから、LDHの(003)反射ピーク値(2θ=約11°)と、四三酸化マンガン(Mn)又はヘテロライト(ZnMn +3)に起因する異相最強線ピーク値(2θ=約36°)を読み取った。LDHの(003)反射ピーク値に対する、異相最強線ピーク値の比を求めて、LDH構造がどの程度維持できているかをの指標とし、以下の評価基準で判定した。
・評価A:異相が無いものと判定された。
・評価B:LDHと異相の混相であると判定された。
・評価C:異相のみと判定された。
(3c) Evaluation by X-ray diffraction X-ray diffraction measurement was performed to confirm to what extent the test piece after immersion in the electrolytic solution maintained the LDH structure. Specifically, using an X-ray diffractometer (Rigaku Co., Ltd., RINT TTR III), an XRD profile of the test piece is obtained under the measurement conditions of voltage: 50 kV, current value: 300 mA, and measurement range: 10 to 70 °. rice field. As a result, trimanganese tetraoxide (Mn 3 O 4 ) was generated as a different phase in the test piece immersed in the electrolytic solution 4 (KOH aqueous solution), and the different phase was generated in the test piece immersed in the electrolytic solution 5 (Zn saturated KOH aqueous solution). It was found that heterolite (Znmn 2 + 3 O 4) was formed. In each of the different phases, the strongest line peak in the XRD profile was present near 2θ = 36 °. From the XRD profile, the LDH (003) reflection peak value (2θ = about 11 °) and the heterogeneous strongest peak value due to trimanganese tetraoxide (Mn 3 O 4 ) or heterolite (Zn Mn 2 + 3 O 4) (Zn Mn 2 + 3 O 4). 2θ = about 36 °) was read. The ratio of the out-of-phase strongest line peak value to the (003) reflection peak value of LDH was obtained, and the degree to which the LDH structure was maintained was used as an index, and the determination was made according to the following evaluation criteria.
-Evaluation A: It was judged that there was no abnormality.
-Evaluation B: It was determined to be a mixed phase of LDH and a different phase.
-Evaluation C: It was judged that only the phase was different.

Figure 0006978007
Figure 0006978007

(4)可逆性評価
(4a)電極の作製
Mn−Al−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) Evaluation of reversibility (4a) Preparation of electrode Mn-Al-LDH powder and acetylene black (AB) are mixed at a weight ratio of 20:80, polytetrafluoroethylene (PTFE) is added and kneaded, and then a sheet is obtained. It was molded into a shape. The obtained sheet was pressed on nickel foam to prepare an LDH electrode.

(4b)電気化学セルの作製
作用極(WE)としてLDH電極、対極(CE)としてPt電極、参照極(RE)としてHg/HgO、電解液として6mol/LのKOH溶液を用いて電気化学セルを構成した。
(4b) Preparation of electrochemical cell An electrochemical cell using an LDH electrode as a working electrode (WE), a Pt electrode as a counter electrode (CE), Hg / HgO as a reference electrode (RE), and a 6 mol / L KOH solution as an electrolytic solution. Was configured.

(4c)充放電試験
得られた電気化学セルに対して充放電試験を行った。充放電試験はInterface社製0Z0−A19を用いて、電流密度50mA/gで充電と放電を繰り返した。充電時間は10時間とし、カットオフは0〜0.7Vとした。得られた充放電曲線は図4に示されるとおりであった。
(4c) Charge / discharge test A charge / discharge test was performed on the obtained electrochemical cell. In the charge / discharge test, 0Z0-A19 manufactured by Interface was used, and charging and discharging were repeated at a current density of 50 mA / g. The charging time was 10 hours and the cutoff was 0 to 0.7V. The obtained charge / discharge curve was as shown in FIG.

(5)マンガン亜鉛二次電池の作製及び評価
(5a)電極作製
Mn−Al−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。
(5) Manganese-zinc secondary battery preparation and evaluation (5a) Electrode preparation Mn-Al-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.

(5b)マンガン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マンガン亜鉛二次電池を構成した。
(5b) Preparation of Zinc Oxide Secondary Battery LDH electrode as positive electrode, Zn-ZnO electrode (including a mixture of zinc metal and zinc oxide) as negative electrode, and zinc oxide saturated and dissolved in 6M KOH aqueous solution as electrolytic solution. It was used to construct a manganese-zinc secondary battery.

(5c)充放電試験
得られたマンガン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。放電側はカットオフ1.0Vとした。測定された50サイクル目の放電容量を、MnO正極を用いた場合(後述する例6)に対する相対値として、表3に示す。
(5c) Charge / discharge test A charge / discharge test was performed on the obtained manganese-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 discharge side had a cutoff of 1.0 V. The measured discharge capacity at the 50th cycle is shown in Table 3 as a relative value with respect to the case where the MnO 2 positive electrode is used (Example 6 described later).

例2〜5
表3に示されるMn:Al比(モル比)になるようにMn−Al−LDH組成を変えたこと以外は例1と同様にして、マンガン亜鉛二次電池の作製及び評価を行った。結果は表2に示されるとおりであった。なお、Mn−Al−LDH粉末の平均一次粒径は0.1〜3μmの範囲内であった。
Examples 2-5
A manganese-zinc secondary battery was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the Mn—Al-LDH composition was changed so as to have the Mn: Al ratio (molar ratio) shown in Table 3. The results are as shown in Table 2. The average primary particle size of the Mn-Al-LDH powder was in the range of 0.1 to 3 μm.

例6(比較)
Mn−Al−LDH粉末の代わりにMnO粉末を用いたこと以外は、例1と同様にして、マンガン亜鉛二次電池の作製及び評価を行った。結果は表3に示されるとおりであった。
Example 6 (comparison)
Manganese-zinc secondary batteries were prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that MnO 2 powder was used instead of Mn-Al-LDH powder. The results are as shown in Table 3.

例7
(1)Ni−Mn−Al−LDH粉末の作製
Ni:Mn:Al=2:1:1のNi−Mn−Al−LDH粉末を以下の手順で作製した。蒸留水10mlに塩化ニッケル(II)6水和物(NiCl・6HO、和光純薬工業株式会社製、特級)4mmol、塩化マンガン(II)四水和物(MnCl・4HO、キシダ化学株式会社製、特級)2mmol及び塩化アルミニウム(III)六水和物(AlCl・6HO、キシダ化学株式会社製、特級)2mmolを添加して混合し、金属イオン溶液を得た。次に、エチレングリコール20ml、アンモニア水15ml及び1M炭酸ナトリウム水溶液5mlを混合して、混合溶媒を得た。得られた混合溶媒と金属イオン溶液を混合し、混合溶液とした。この混合溶液を耐圧容器に入れ、Arバブリングをした後、耐圧容器の封をした。耐圧容器内の混合溶液を170℃で18時間加熱し、室温まで自然冷却した。得られた沈殿物を遠心分離により回収した。回収したLDH沈殿物を、脱気したアセトンで洗浄した後、真空乾燥させて、Ni−Mn−Al−LDH粉末を得た。
Example 7
(1) Preparation of Ni-Mn-Al-LDH powder A Ni-Mn-Al-LDH powder having Ni: Mn: Al = 2: 1: 1 was prepared by the following procedure. Distilled water 10ml nickel chloride (II) 6 hydrate (NiCl 2 · 6H 2 O, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., special grade) 4 mmol, manganese chloride (II) tetrahydrate (MnCl 2 · 4H 2 O, Kishida chemical Co., Ltd., special grade) 2mmol and aluminum (III) chloride hexahydrate (AlCl 3 · 6H 2 O, manufactured by Kishida chemical Co., Ltd., special grade) was added 2mmol were mixed to obtain a metal ion solution. Next, 20 ml of ethylene glycol, 15 ml of aqueous ammonia and 5 ml of a 1 M aqueous sodium carbonate solution were mixed to obtain a mixed solvent. The obtained mixed solvent and the metal ion solution were mixed to prepare a mixed solution. This mixed solution was placed in a pressure-resistant container, Ar bubbling was performed, and then the pressure-resistant container was sealed. The mixed solution in the pressure-resistant container was heated at 170 ° C. for 18 hours and naturally cooled to room temperature. The obtained precipitate was recovered by centrifugation. The recovered LDH precipitate was washed with degassed acetone and then vacuum dried to obtain a Ni-Mn-Al-LDH powder.

(2)SEM観察及び粒径の測定
得られたNi−Mn−Al−LDH粉末を、例1(2)と同様にしてSEM観察した。図5A及び5BにNi−Mn−Al−LDH粉末の、一次粒子観察に適した倍率(20000倍及び40000倍)で撮影されたSEM像を示す。図5A及び5Bに示されるように、Ni−Mn−Al−LDH粉末の一次粒径は0.1〜0.4μmであった。また、Ni−Mn−Al−LDH粉末の平均一次粒径は0.19μmであった。
(2) SEM observation and measurement of particle size The obtained Ni-Mn-Al-LDH powder was SEM-observed in the same manner as in Example 1 (2). 5A and 5B show SEM images of Ni-Mn-Al-LDH powder taken at magnifications (20,000 times and 40,000 times) suitable for primary particle observation. As shown in FIGS. 5A and 5B, the primary particle size of the Ni-Mn-Al-LDH powder was 0.1 to 0.4 μm. The average primary particle size of the Ni-Mn-Al-LDH powder was 0.19 μm.

また、図6A及び6BにNi−Mn−Al−LDH粉末の、二次粒子観察に適した倍率(5000倍)で撮影されたSEM像を示す。図6A及び6Bに示される結果から、Ni−Mn−Al−LDH粉末の二次粒径は1〜5μmであった。 Further, FIGS. 6A and 6B show SEM images of Ni-Mn-Al-LDH powder taken at a magnification (5000 times) suitable for observing secondary particles. From the results shown in FIGS. 6A and 6B, the secondary particle size of the Ni-Mn-Al-LDH powder was 1 to 5 μm.

(3)電解液中でのLDH構造維持性
Ni−Mn−Al−LDHの電解液中でのLDH構造維持性の評価を、例1(3)と同様にして行った。結果は表2に示されるとおりであった。特に、電解液5(KOH+Zn)において、Mn−Al−LDH(例1)とは異なり、異相が生成しにくい結果が得られた。これはNiがLDHに含まれることでLDHの構造が安定化されたためではないかと推察される。
(3) LDH structure retention in electrolytic solution The LDH structure retention in the electrolytic solution of Ni-Mn-Al-LDH was evaluated in the same manner as in Example 1 (3). The results are as shown in Table 2. In particular, in the electrolytic solution 5 (KOH + Zn), unlike Mn-Al-LDH (Example 1), a result was obtained in which a different phase was less likely to be generated. It is presumed that this is because the structure of LDH was stabilized by the inclusion of Ni in LDH.

Figure 0006978007
<評価基準>
・評価A:異相が無いものと判定された。
・評価B:LDHと異相の混相であると判定された。
・評価C:異相のみと判定された。
Figure 0006978007
<Evaluation criteria>
-Evaluation A: It was judged that there was no abnormality.
-Evaluation B: It was determined to be a mixed phase of LDH and a different phase.
-Evaluation C: It was judged that only the phase was different.

(4)マンガン亜鉛二次電池の作製及び評価
Mn−Al−LDH粉末の代わりにNi−Mn−Al−LDH粉末を用いたこと以外は例1と同様にして、マンガン亜鉛二次電池の作製及び評価を行った。結果は表3に示されるとおりであった。
(4) Manganese-Zinc Secondary Battery Preparation and Evaluation The manganese-zinc secondary battery was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that Ni-Mn-Al-LDH powder was used instead of Mn-Al-LDH powder. Evaluation was performed. The results are as shown in Table 3.

例8及び9
表3に示されるNi:Mn:Al比(モル比)になるようにNi−Mn−Al−LDH組成を変えたこと以外は例7と同様にして、マンガン亜鉛二次電池の作製及び評価を行った。結果は表3に示されるとおりであった。
Examples 8 and 9
Manganese-zinc secondary batteries were prepared and evaluated in the same manner as in Example 7 except that the Ni—Mn-Al-LDH composition was changed so as to have the Ni: Mn: Al ratio (molar ratio) shown in Table 3. gone. The results are as shown in Table 3.

Figure 0006978007
Figure 0006978007

Claims (9)

Mn系層状複水酸化物(Mn−LDH)を含む正極と、亜鉛及び/又は酸化亜鉛を含む負極と、アルカリ金属水酸化物水溶液を含む電解液とを備え
前記Mn−LDHが、Mn−Al−LDH、又はNi/(Ni+Mn+Al)のモル比が0.15〜0.70であるNi−Mn−Al−LDHである、マンガン亜鉛二次電池。
A positive electrode containing a Mn-based layered double hydroxide (Mn-LDH) , a negative electrode containing zinc and / or zinc oxide , and an electrolytic solution containing an aqueous alkali metal hydroxide solution are provided .
A manganese- zinc secondary battery in which the Mn-LDH is Mn-Al-LDH or Ni-Mn-Al-LDH having a molar ratio of Ni / (Ni + Mn + Al) of 0.15 to 0.70.
前記Mn−LDHが粒子状の形態を有する、請求項1に記載のマンガン亜鉛二次電池。 The manganese-zinc secondary battery according to claim 1, wherein the Mn-LDH has a particulate form. 前記粒子状の形態のMn−LDHが0.1〜3μmの平均一次粒径を有する、請求項2に記載のマンガン亜鉛二次電池。 The manganese-zinc secondary battery according to claim 2, wherein the Mn-LDH in the form of particles has an average primary particle size of 0.1 to 3 μm. 前記電解液が、前記正極が浸漬される正極電解液と、前記負極が浸漬される負極電解液とを含み、かつ、
前記マンガン亜鉛二次電池が、前記正極及び前記正極電解液と前記負極及び前記負極電解液とを水酸化物イオン伝導可能に隔離する、層状複水酸化物(LDH)セパレータをさらに備える、請求項1〜3のいずれか一項に記載のマンガン亜鉛二次電池。
The electrolytic solution contains a positive electrode electrolytic solution in which the positive electrode is immersed and a negative electrode electrolytic solution in which the negative electrode is immersed, and
The manganese- zinc secondary battery further comprises a layered double hydroxide (LDH) separator that sequesterably separates the positive electrode and the positive electrode electrolyte from the negative electrode and the negative electrode electrolyte so as to be able to conduct hydroxide ions. The manganese- zinc secondary battery according to any one of 1 to 3.
前記正極電解液にAlが溶解されている、請求項に記載のマンガン亜鉛二次電池。 The manganese- zinc secondary battery according to claim 4 , wherein Al is dissolved in the positive electrode electrolytic solution. 前記正極電解液に溶解されるAlの濃度が0.02〜1.5mol/Lである、請求項に記載のマンガン亜鉛二次電池。 The manganese- zinc secondary battery according to claim 5 , wherein the concentration of Al dissolved in the positive electrode electrolytic solution is 0.02 to 1.5 mol / L. 前記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、請求項4〜6のいずれか一項に記載のマンガン亜鉛二次電池。 The manganese-zinc secondary battery according to any one of claims 4 to 6 , wherein the LDH separator has gas impermeableness and / or water impermeableness. 前記LDHセパレータが多孔質基材と複合化されている、請求項4〜7のいずれか一項に記載のマンガン亜鉛二次電池。 The manganese-zinc secondary battery according to any one of claims 4 to 7 , wherein the LDH separator is composited with a porous substrate. 前記LDHセパレータが、複数のLDH板状粒子の集合体で構成され、該複数のLDH板状粒子がそれらの板面が前記多孔質基材の表面と垂直に又は斜めに交差するような向きに配向している、請求項に記載のマンガン亜鉛二次電池。 The LDH separator is composed of an aggregate of a plurality of LDH plate-like particles, and the plurality of LDH plate-like particles are oriented so that their plate surfaces intersect the surface of the porous substrate vertically or diagonally. The manganese- zinc secondary battery according to claim 8 , which is oriented.
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