JP7004646B2 - Na3V2(PO4)2F3粒子状物質の製造方法 - Google Patents

Na3V2(PO4)2F3粒子状物質の製造方法 Download PDF

Info

Publication number
JP7004646B2
JP7004646B2 JP2018519448A JP2018519448A JP7004646B2 JP 7004646 B2 JP7004646 B2 JP 7004646B2 JP 2018519448 A JP2018519448 A JP 2018519448A JP 2018519448 A JP2018519448 A JP 2018519448A JP 7004646 B2 JP7004646 B2 JP 7004646B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
substance
present
carbon
atmosphere
primary particles
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2018519448A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2018531871A (ja
JP2018531871A5 (ja
Inventor
ハル,ニキータ
ブリノー,シルヴァン
クロガネック,ローレンス
ロノワ,セバスティアン
マスクリエ,クリスティアン
シモニン,ロイク
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Universite de Picardie Jules Verne
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Universite de Picardie Jules Verne
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universite de Picardie Jules Verne, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Universite de Picardie Jules Verne
Publication of JP2018531871A publication Critical patent/JP2018531871A/ja
Publication of JP2018531871A5 publication Critical patent/JP2018531871A5/ja
Priority to JP2021133042A priority Critical patent/JP7301101B2/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP7004646B2 publication Critical patent/JP7004646B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B25/00Phosphorus; Compounds thereof
    • C01B25/16Oxyacids of phosphorus; Salts thereof
    • C01B25/26Phosphates
    • C01B25/455Phosphates containing halogen
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/5825Oxygenated metallic salts or polyanionic structures, e.g. borates, phosphates, silicates, olivines
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2002/00Crystal-structural characteristics
    • C01P2002/20Two-dimensional structures
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00Particle morphology
    • C01P2004/60Particles characterised by their size
    • C01P2004/61Micrometer sized, i.e. from 1-100 micrometer
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00Particle morphology
    • C01P2004/60Particles characterised by their size
    • C01P2004/62Submicrometer sized, i.e. from 0.1-1 micrometer
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2006/00Physical properties of inorganic compounds
    • C01P2006/12Surface area
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2006/00Physical properties of inorganic compounds
    • C01P2006/40Electric properties
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/054Accumulators with insertion or intercalation of metals other than lithium, e.g. with magnesium or aluminium
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/028Positive electrodes
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)

Description

本発明は二次電池の分野に関する。さらに具体的には、本発明は、二次電極用、特にナトリウムイオン電池の正極用の活物質の製造方法を提供することを目的とする。
近年、リチウムイオン電池の需要は、携帯電話や電気自動車のような多種多様な電子機器における用途に関して増加している。しかし、リチウム系化合物は比較的高価であり、天然のリチウム資源は地球上で不均一に分布しており、少数の国々に偏在するので入手し易いものではない。そのため、この元素の代替物が求められている。この目的のため、ナトリウムイオン電池が開発されている。ナトリウムは実際に非常に豊富で均一に分布しており、好都合なことに無毒であり、経済的にも有利である。
しかし、Na/Na対の酸化還元電位は-2.71V(標準水素電極基準)であり、Li/Li対の酸化還元電位(-3.05V(標準水素電極基準))よりも大きく、モル質量は3倍である。これらの特殊性のため、ホスト材料の選択が難しくなる。近年、NaVPOF物質がナトリウムイオン電池用の正極材料として提案されている。同様に、Na(POが、その電気化学的性能の観点から特に有利な材料であることが判明している。
従って、Na(PO物質の様々な製造方法が開発されている。従来は、Vをリン酸又はその前駆体の存在下で還元してVPOを形成し、これを次いで不活性雰囲気中NaFの存在下で焼成してNa(POを形成する。
第1工程のVの還元に関しては、現在幾つかの代替法が利用できる。しかし、そのいずれも、大量生産に実際に応用できるものではなく、工業規模での使用には適していない。
Barker他の米国特許第6872492号には、VをNHPO及びカーボンブラックと混合することによってVの還元を実施することが提案されている。この従来法では、元素態炭素が還元剤として用いられる。この還元方法は、炭素熱還元としても知られる。還元剤としての元素態炭素の使用は2つの点で有利である。第一に、元素態炭素は、本来良好な導体であり、Vに対する有効な還元剤であることが判明している。さらに、これを過剰に使用すると、導電特性に優れる複合材料が形成される。しかしながら、こうして得られる物質は、粒径数マイクロメートルの一次粒子の凝集体の形態である。
また、前駆体同士が非常に密接していることによって、熱処理時の反応性が向上し、かつ炭素の還元作用も最適化される。これらの目的のため、この先行技術の方法では、2つの圧縮工程が必要とされ、VPOの形成をもたらす最初の焼成反応の前に実施される第1の工程は、前駆体間の反応性を促進するとともに炭素による均質な還元を促進するのに対して、Na(POの形成をもたらす第2の焼成反応の前に実施される第2の工程は、反応性を促進するとともに、Na(POの形成を可能にするアニール中又は冷却中に酸化源となりかねない雰囲気との接触を最小限に抑制する。また、これにより、一次粒子の過度の成長を防ぐこともできる。しかし、これらの圧縮工程は、工業的観点からは全く望ましくない。
さらに後述の実施例3に示すように、圧縮工程なしで炭素熱還元を行うと、電気化学的性質の低下した物質を生ずる。
炭素熱還元の代替法は、還元剤としてアルゴンで希釈した形態の水素を使用するのが有利である。従って、Chihara他(非特許文献1)は、Vの還元工程を、NHPOの存在下、5体積%の水素に希釈されたアルゴンの雰囲気下で行うことを考察している。こうして形成されたVPOを次いでNaFと混合し、全体を圧縮した後、焼成して所期のNa(POを形成する。しかし、このNa(PO物質に有益な導電特性を付与するため該物質の炭素富化工程が次に必要となる。したがって、この変更実施形態も工業規模での使用には適していない。
従って、工業規模での実施に適したNa(POの製造方法であって、この物質の100g以上の生産規模での製造に適した方法が依然として必要とされている。
また、中間生成物を緻密化するための圧縮工程を必要としない方法も必要とされている。
また、有益な又はさらに改善された電気化学的性能を有するNa(PO物質を得ることのできる方法も必要とされている。
本発明の目的は、これらのニーズを満たすことである。
米国特許第6872492号
Kuniko Chihara et al., Journal of PowerSources 227 (2013) 80-85 Paula Serras et al., J. Mater. Chem., 2012,22, 22301
そこで、本発明は、その一態様では、Na(PO物質の製造方法であって、
a)元素態炭素の非存在下、1種以上のリン酸陰イオン前駆体の存在下で、酸化バナジウムVを還元性雰囲気下で還元してリン酸バナジウムVPOを形成する工程と、
b)工程a)で得られたVPOと、有効量のフッ化ナトリウムNaF及び元素態炭素源としての1種以上の炭化水素系の含酸素化合物との混合物を、不活性雰囲気下で、該混合物を焼成するのに適した温度条件に暴露して、Na(PO物質を形成する工程と
を少なくとも含む方法に関する。
本発明の方法によれば、Na(PO物質は粉末状態で得られる。さらに具体的には、Na(PO物質は、平均粒径2μm未満の一次粒子の形態であり、これらの一次粒子は凝集体の構成粒子である。
好適には、凝集体の平均粒径は25μm未満、好ましくは10μm未満、特に3~10μmであるが、これらの凝集体を構成する一次粒子の平均粒径は200~2000nm、好ましくは200~600nmである。
意外なことに、本発明者らは、NaF及び元素態炭素の有機前駆体の存在下でVPOの焼成工程を実施すると、上述の期待をすべて満足することができるという知見を得た。
さらに具体的には、本発明に係る物質は、空間群Amamの斜方晶系格子で結晶化し、以下の格子パラメーターを有する:
aは9.028~9.030であり、好ましくは実質的に9.029に等しく、
bは9.044~9.046であり、好ましくは実質的に9.045に等しく、
cは10.749以上であり、好ましくは実質的に10.751に等しい。
第一に、このような有機前駆体の使用によって、還元性雰囲気中、元素態炭素の非存在下でのVの還元を検討することができる。
本発明の方法では、従来必要とされていた機械的圧縮作業をなくすことができ、生産バッチ当たり100gを超える量のNa(POの製造に有効であることが判明し、そのため工業規模での実施に適している。
本発明で得られるNa(PO物質は、100g以上の規模での炭素熱還元を必要とする方法で得られる物質と比べて、格段に減少した粒径を有する。このような粒径の減少は、本物質を電極活物質として使用する際の該物質中でのイオンの拡散に特に有利である。
本発明で得られるNa(PO物質は、有利には1m/g以上、好ましくは3m/g~20m/gのBET比表面積を有する。
さらに、Na(PO物質を構成する凝集体の構成要素の一次粒子は、元素態炭素の皮膜を有しており、本物質の導電特性を大幅に高めることができる。
最後に、第1工程における還元性雰囲気によってV5+からV3+への還元を増大させることができ、第2工程における元素態炭素の前駆体の存在によってV3+イオンからV4+イオンへの酸化をできるだけ抑制するとともに一次粒子の成長を抑制することができ、もって物質の電気化学性能を高めることができる。
意外なことに、本発明の方法によって、V3+含有量が高くV4+含有量の低いNa(PO物質を得ることができる。本発明で得られる物質の電気化学的性能は、このような増大したV3+含有量及び低いV4+含有量に関連して、実施例3で具体的に実証されている。
そこで、本発明は、その別の態様では、2μm未満、特に200nm~2000nm、好ましくは1μm未満、さらに好ましくは200~600nmの平均粒径を有し、かつ導電性炭素で表面被覆された一次粒子からなるNa(PO物質に関する。
本発明に係るNa(PO物質は、さらに具体的には、空間群Amamの斜方晶系格子を有し、以下の格子パラメーターを有する:
aは9.028~9.030、好ましくは実質的に9.029に等しく、
bは9.044~9.046、好ましくは実質的に9.045に等しく、
cは10.749以上、好ましくは実質的に10.751に等しい。
導電性炭素は、上記物質の総重量の0.5~5重量%、好ましくは1~3重量%の割合で存在する。
一次粒子は上記物質中に凝集体の形態で存在する。
かかる物質は、二次電池、特にナトリウム又はナトリウムイオン電池の電極活物質として特に有益であることが判明した。
そこで、本発明は、その別の態様では、電極材料、特にナトリウム又はナトリウムイオン電池の正極材料としての本発明の化合物の使用に関する。本発明は、また、かかる電極材料並びにこうして形成された電極に関する。最後に、本発明は上述の電極材料を備えるナトリウム又はナトリウムイオン電池に関する。
電極は、本発明によって得られるNa(PO物質、ポリマー又はバインダー、及び場合によって炭素系化合物のような追加の導電性化合物を含む。
本発明に係る化合物を電極材料として使用すると、幾つかの点で有利なことが判明した。
第一に、本発明によって形成された電極は良好な柔軟性及び軽量性を有しているが、これらは蓄電池の製造に関して特に求められる性質である。
これらの電極は、良好な化学的、熱的及び電気化学的安定性を有している。
本発明に係る化合物のその他の特性、変形例及び利点、その製造並びにその使用に関しては、本発明の非限定的な例示として挙げる以下の詳細な説明、実施例及び図面を参照することにより、理解を深めることができるであろう。
実施例1においてVPO(Hで還元)から合成したNa(POのX線回折特性。 実施例1に従ってAr/H/セルロース法によって得た本発明に係るNa(PO物質(NVPF-HC)のSEM写真。 比較例2に従って炭素熱還元方法によって得た本発明によらないNa(PO物質(NVPF-CB)のSEM写真。 比較例2のNVPF-CB物質(暗い灰色の線)及び実施例1のNVPF-HC物質(明るい灰色の線)の電気化学的性能を示す図。
本発明の製造方法
a)酸化バナジウムの還元
上述の通り、本方法の第1工程は、Vを還元性雰囲気下で還元することを必要とする。
本発明の目的に関して、還元性雰囲気という用語は、その雰囲気下で実施される反応に関して還元作用をもたらすことのできる気体又は気体混合物をいう。
この還元は、本発明では、元素態炭素の非存在下で実施される。
この点で、本発明で考察される還元工程は、炭素熱還元とは異なる。
従って、還元工程は、酸化バナジウムの還元に適した実験条件下で、特にカーボンブラックのような元素態炭素を還元剤として使用しない。
好ましくは、本発明の方法は、水素分子Hを還元剤として用いる。
本発明で考察される還元性雰囲気は好適には完全又は部分的に水素からなる。従って、還元性雰囲気は、純粋な水素分子でもよいし、或いはアルゴン又は窒素のような1種以上の不活性ガスで希釈した水素分子であってもよい。
例えば、還元性雰囲気は、98体積%:2体積%の割合のアルゴンと水素分子との混合物であってもよい。
リン酸陰イオン前駆体に関しては、これは、還元の実験条件下でリン酸陰イオンを生成することができる化合物である。一般に、かかる化合物は、1以上のリン酸陰イオンと1以上の陽イオン、例えばアルカリ金属、アルカリ土類金属又は遷移金属、或いはアンモニウムイオン又は第四級アンモニウムのような複合陽イオンとが結合した塩又は化合物である。
本発明の目的に関して、リン酸陰イオン源である化合物は、特にHPO、H(NHPO、HNHPOから選択し得る。好ましくは、HNHPOである。
リン酸陰イオン源である化合物の量に関しては、当然ながら、所期のVPO誘導体が得られるように調節される。
出発材料、すなわちV及びリン酸陰イオン前駆体を混合して、選択された還元性雰囲気、好ましく2% を富化されたアルゴンに暴露し、混合物全体を所望の還元を実施するのに適した温度、一般には約800℃に加熱する。
昇温速度及び反応時間のような実験パラメーターの調整は、明らかに当業者の能力の一部である。
後述の実施例1で例示されているように、出発材料の混合物を10℃/分の温度流束で800℃に加熱し、この温度に3時間保持することができる。
b)リン酸バナジウムからNa (PO への変換
還元工程の最後に得られたリン酸バナジウムは好適には連続的に処理されて所期の生成物を形成する。
前述の通り、本発明に従って得られるリン酸バナジウムは、Na(POへの変換前に、粉末の密度を高めるための圧密化その他の圧縮を必要としない。
従って、本発明の方法は、有利には、機械的圧縮工程、特に酸化バナジウムをリン酸バナジウムに還元する工程とリン酸バナジウムを所期の化合物に変換する工程との間に機械的圧縮工程がない。
リン酸バナジウム変換工程では、ナトリウム源及びフッ素源としてのフッ化ナトリウムと、元素態炭素を生成することのできる1種以上の炭化水素系の含酸素化合物とを使用する。
この1種以上の炭化水素系の含酸素化合物に関して、この化合物は、具体的には、グルコース、スクロース又はフルクトースのような糖類、或いはデンプン又はセルロース系誘導体のような炭水化物とすることができる。
好ましくは、この化合物は、セルロース系誘導体、さらに好ましくは微結晶セルロースである。
上記で詳述した通り、Na(POを形成するためのリン酸バナジウムVPOとNaFとの反応中のこの炭化水素系化合物の分解は、一方では、Na(POに炭素を組み込み、他方では、加熱処理中のV4+への酸化現象からのバナジウムイオンV3+の保護を高めるためのものである。
Na(PO物質を構成する凝集体の内部及び表面に炭素が存在することにより、その導電性能を高めることができる。
好適には、元素態炭素は、Na(PO物質を形成する凝集体を構成する一次粒子の外表面の全体又は一部に少なくとも皮膜の形態で存在する。
炭素前駆体の量及び化学的性状は、リン酸バナジウム変換のために選択された実験条件下でこのような皮膜をもたらすように調整される。この調整は、明らかに当業者の能力の範囲内である。
例えば、この誘導体がセルロースである場合には、上記物質の総重量の0.5~5重量%の炭素皮膜を得るのに適した割合で使用し得る。
一般に、フッ化ナトリウムNaFを含めたすべての原料を混合し、こうして形成された混合物を、不活性雰囲気下、焼成による所期のNa(PO粒子状物質の形成に適した加熱温度及び時間条件下で加熱する。
温度、昇温速度及び温度保持時間のような作業パラメーターの調整は、明らかに当業者の能力の範囲内である。
例示として、焼成は、不活性雰囲気下で混合物を例えば約800℃に約1時間加熱することによって実施し得る。
Na(PO物質の冷却は急速であってもよく、好適には、形成された生成物を800℃のオーブンから単に取り出すことによって直ちに実施される。
本発明の方法の最後に、Na(PO物質を精製する。この精製工程は一般に、水による洗浄工程とそれに続く乾燥工程とを含む。
このNa(PO物質は、電極を形成するための導電性材料としての使用に適している。
本発明に係るNa (PO 物質
本発明に係るこの物質は、以下の説明ではNVPF-Hという省略形で示すこともある。
上述の通り、本発明は、平均粒径が2μm未満で表面が導電性炭素で被覆された一次粒子からなるNa(PO物質に関する。一次粒子は、凝集体、特に平均粒径が25μm未満、好ましくは10μm未満、特に3~10μmの凝集体を形成する。
平均粒径は、走査型電子顕微鏡(SEM)によって測定することができる。
本Na(PO物質は、1m/g以上、好ましくは3m/g~20m/gのBET比表面積を有する。
この表面積は、特にBET(Brunauer, Emmett and Teller)法による窒素の吸着によって測定することができる。
好適には、本発明に係るNa(PO物質は、その総重量を基準にして、0.5~5重量%、好ましくは1~3重量%の導電性炭素を含む。
上述の通り、この炭素は、その本来の導電性によって上記物質の導電性能に寄与する。
本発明に係るNa(PO物質は、V3+含有量が高くV4+含有量の低いという点で増加した純度も有する。この純度の増加は、本発明に従って得られた物質の電気化学的性能を通して実施例3で具体的に確認されている。
Paula Serras他の刊行物(非特許文献2)に記載されているように、Na(PO物質中のV3+及びV4+陽イオンの存在は、従来、化学式Na(PO3-x(式中、xは0~2である。)によって示されている。
xが0に等しいとき、この式はNa(POとなり、バナジウム元素はV3+の形で存在する。
xが2に等しいとき、この式はNa(VO)(POFとなり、バナジウム元素はV4+の形で存在する。
この種の物質においてバナジウムが主にV3+の形で存在する限り、それを表すのにNa(POという式が慣習的に用いられてきた。
本発明では、Na(PO物質は、好適には、空間群Amamの斜方晶系格子を有し、以下の格子パラメーターを有する:
aは9.028~9.030、好ましくは実質的に9.029に等しく、
bは9.044~9.046、好ましくは実質的に9.045に等しく、
cは10.749以上、好ましくは実質的に10.751に等しい。
本発明に関して、V4+陽イオンの割合は、既存の同じ物質に比べてかなり低減している。すなわち、本発明に係る物質は好適には1重量%以下のV4+陽イオン含有量を有する。このような低い割合は、特に5%未満、好ましくは1%未満のV4+/V3+モル比で表すことができる。
電極活物質
前述の通り、本発明に係るNa(PO物質は電極活物質として特に有益である。
従って、本発明は、その別の態様では、本発明に係る1種以上のNa(PO物質を含む電極活物質に関する。
この物質は、従来慣用されている1種以上の追加の化合物、例えばバインダー又は導電性添加剤と併用してもよい。
この1種以上の導電性添加剤は、炭素繊維、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン及びこれらの類似体から選択し得る。
1種以上のバインダーは、好適には、フッ素化バインダー、特にポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、カルボキシメチルセルロース系ポリマー、多糖類及びラテックス類、特にスチレン-ブタジエンゴム型のものから選択し得る。
こうして製造される電極は電子伝導性集電体上に堆積される。この集電体はアルミニウムとすることができる。
好ましくは、電極材料は、電極の総重量の10~95重量%、特に電極の総重量の40重量%超、さらに好ましくは40~80重量%をなす。
本発明に係る電極は、リチウム電池又はナトリウム電池の正極として使用し得る。
好適には、ナトリウム又はナトリウムイオン二次電池の正極としての使用が好ましい。
前述の通り、本発明は、本発明に係る電極を備えるナトリウム二次電池に関する。
本発明に係るナトリウム二次電池は、さらに具体的には、本発明に係る正極と、例えば正極と同様の方法で作成された不規則炭素からなる負極とを備えていてもよい。リチウムイオンとは異なり、ナトリウムイオンはアルミニウムと反応して合金を形成しないことから、リチウム二次電池とは異なり、不規則炭素は、アルミニウム集電体上に堆積させることができる。
負極の材料は、さらに具体的には、低い比表面積(<10m/g)の不規則炭素であって、粒径が約1μm~約10μmのものとし得る。これは、硬質炭素(難黒鉛化性炭素)及び軟質炭素(易黒鉛化性炭素)から選択し得る。
本明細書において、「…と…の間」、「…~…の範囲」及び「…から…まで」という表現は同義であり、別途記載されていない限り上下限も含まれる。
別途記載されていない限り、単数形のものを「含有する/含む」という表現は1以上のものを「含有する/含む」ことを意味すると解すべきである。
以下、図面及び実施例によって本発明を説明するが、これらは例示にすぎず本発明を限定するものではない。
材料及び方法
EPRスペクトルは、ER-4192-ST及びER-4131VTキャビティを備えるBruker EMXを用いて100Kで得た。
SEM特性解析は、Zeiss LEO1530走査顕微鏡によって実施した。
XR特性解析は、銅カソードを有するEmpyrean PANalytical回折装置を用いて実施した。
実施例1
VPOは、ミルで前駆体のV(110g)とNHPO(140g)との予混合を実施することによって予め得ておく。得られた混合物を、2%Hを富化したアルゴン雰囲気下のオーブン内で10℃/分の加熱速度で800℃まで加熱し、この温度に3時間維持する。こうして得られた灰色の粉末をX線回折によって特性解析した。
次いで、Na(PO物質(>100g)を、上記の通り調製したVPO(160g)と化学量論比(2:3)のNaF(70g)及びセルロース(23g)の混合物から調製した。この混合物をアルゴン雰囲気下800℃で1時間焼成した。この焼成工程の終わりに、得られた物質を800℃のオーブンから取り出して急冷した。Na(PO物質(NVPF-HC)を水洗して80℃で24時間乾燥した。
図1に、a=9.02940(2)Å、b=9.04483(2)Å及びc=10.75145(2)Åのパラメーターを有する斜方晶系格子(空間群Amam)として分類される、この生成物のX線回折特性を示す。
図2は、本発明に係るこの物質のSEM特性解析の結果を示す。
比較例2
実施例1に記載したプロトコルに従って、ただしここでは炭素熱還元を選択して、Na(PO物質を調製した。以下、この物質をNVPF-CBという。
実施例1のプロトコルとの基本的な相違点は、カーボンブラック(Timcal super C65;18g)を使用した点にあり、形成された生成物の粒子状表面炭素の形成をもたらす。本発明とは対照的に、一次粒子の表面炭素は不均質で密集度の小さい析出物の形態にある。
図3は、この物質のSEM特性解析の結果を示す。
実施例3:本発明に係るNa (PO 物質(NVPF-HC)と比較例2のNa (PO 物質(NVPF-CB)との特性の対比
これら2種類の物質の特性解析の結果、幾つかの構造上及び形態学的な相違点が明らかになったが、それらの最も顕著なものは、EPR分光法、XRD及びSEMによって検出できる。
図2と図3の対比から、これらの相違点を明らかにすることができる。
すなわち、SEM解析によって、一次粒子の粒径及び一次粒子の炭素系表面皮膜に関する明確な差異が明らかになる。
カーボンブラックを用いて合成した物質(NVPF-CB)の一次粒子は2μm超の平均粒径を有するのに対して、本発明に係る物質(NVPF-H)の一次粒子の粒径は2μm未満、好ましくは1μm未満、さらに好ましくは200~600nmである。
炭素系皮膜の存在も認められる。
また、レーザー粒子径解析(測定装置:Malvern Mastersizer SモデルMSS)によって、NVPF-CB物質の凝集体が、25μmをはるかに超える体積平均径d(v0.5)を有することも観察される。一方、本発明に係る物質の凝集体の体積平均径d(v0.5)は10μm未満である。
2種類の物質の間の顕著な差異は、それぞれのEPRスペクトルを対比することによっても観察される。
NVPF-H物質は有利なことに格段に高いV3+含有量を示し、特に99%以上のV3+含有量を有する。
本明細書で詳しく説明した通り、V4+含有量はNa(POの酸化種に起因し、Na(PO3-xで表される。
この酸化種はSerras他(非特許文献2)によって特徴づけられている。合成の第2工程において炭素源材料を導入すると、一次粒子の炭素系皮膜の形成をもたらし、Na(PO3-xへの酸化現象からNa(POを明瞭かつ効果的に保護する。
これに対して、NVPF-CB物質は約1~5%のV4+含有量を有する。
これらの結果から、本発明の方法の利点は明らかであり、V4+含有量が10%以下でそれほど高くないNVPF-H物質の生産を担保しながら、工業生産の規模では想定できない圧縮工程を省くことができる。
2種類の物質の電気化学的性能も、電圧2V~4.3Vの間で12.8mA/gの一定電流密度のガルバノスタットモードで試験した。図4にこれらの測定結果を示す。
硬質炭素電極を負極として用いたボタン型電池で、各物質の第1サイクルにおける比容量及び不可逆性を測定した。
NVPF-CB物質及びNVPF-H物質が、それぞれ122mAh/g及び128mAh/gの所期比容量及び30%及び23%の不可逆性を有することが分かる。

Claims (7)

  1. Na(PO物質の製造方法であって、
    a)元素態炭素の非存在下、1種以上のリン酸陰イオン前駆体の存在下で、酸化バナジウムVを還元性雰囲気下で還元してリン酸バナジウムVPOを形成する工程と、
    b)工程a)で得られたVPOと、有効量のフッ化ナトリウムNaF及び元素態炭素源としての1種以上の炭化水素系の含酸素化合物との混合物を、不活性雰囲気下で、該混合物を焼成するのに適した温度条件に暴露して、Na(PO物質を形成する工程と
    を少なくとも含み、当該方法が、その工程a)と工程b)との間に機械的圧縮工程を含まない、上記方法。
  2. 前記還元性雰囲気が水素分子を還元剤として使用する、請求項1に記載の方法。
  3. 前記リン酸陰イオン前駆体が、HPO、H(NHPO及びHNHPOから選択される、請求項1又は請求項2に記載の方法。
  4. 工程a)が、2%Hを富化されたアルゴンの雰囲気下で、約800℃の温度で実施される、請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の方法。
  5. 工程b)の炭化水素系の含酸素化合物が、糖類及び炭水化物から選択される、請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の方法。
  6. 工程b)の焼成が不活性雰囲気下800℃で実施される、請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の方法。
  7. Na(PO物質が、平均粒径2μm未満の一次粒子の形態で存在し、該一次粒子が凝集体の構成粒子である、請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の方法。
JP2018519448A 2015-10-13 2016-10-13 Na3V2(PO4)2F3粒子状物質の製造方法 Active JP7004646B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021133042A JP7301101B2 (ja) 2015-10-13 2021-08-17 Na3V2(PO4)2F3粒子状物質の製造方法

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1559709A FR3042313B1 (fr) 2015-10-13 2015-10-13 Procede de preparation d'un materiau particulaire na3v2(po4)2f3
FR1559709 2015-10-13
PCT/EP2016/074597 WO2017064189A1 (fr) 2015-10-13 2016-10-13 Procede de preparation d'un materiau particulaire na3v2(po4)2f3

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2021133042A Division JP7301101B2 (ja) 2015-10-13 2021-08-17 Na3V2(PO4)2F3粒子状物質の製造方法

Publications (3)

Publication Number Publication Date
JP2018531871A JP2018531871A (ja) 2018-11-01
JP2018531871A5 JP2018531871A5 (ja) 2020-04-02
JP7004646B2 true JP7004646B2 (ja) 2022-02-04

Family

ID=55589932

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018519448A Active JP7004646B2 (ja) 2015-10-13 2016-10-13 Na3V2(PO4)2F3粒子状物質の製造方法
JP2021133042A Active JP7301101B2 (ja) 2015-10-13 2021-08-17 Na3V2(PO4)2F3粒子状物質の製造方法

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2021133042A Active JP7301101B2 (ja) 2015-10-13 2021-08-17 Na3V2(PO4)2F3粒子状物質の製造方法

Country Status (9)

Country Link
US (1) US11040881B2 (ja)
EP (1) EP3484814B1 (ja)
JP (2) JP7004646B2 (ja)
KR (1) KR20180072708A (ja)
CN (1) CN108349738B (ja)
FR (1) FR3042313B1 (ja)
HU (1) HUE047790T2 (ja)
PL (1) PL3484814T3 (ja)
WO (1) WO2017064189A1 (ja)

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3062384B1 (fr) * 2017-02-01 2021-02-12 Centre Nat Rech Scient Procede de preparation d'un materiau composite phosphate de vanadium-carbone par voie liquide
FR3067709B1 (fr) * 2017-06-16 2020-06-19 Rhodia Operations Procede de preparation d'un phosphate de vanadium
CN116598479A (zh) * 2018-06-27 2023-08-15 宁德时代新能源科技股份有限公司 正极活性材料、正极极片及钠离子二次电池
CN112512966B (zh) * 2018-07-30 2024-02-20 罗地亚经营管理公司 正极组合物
CN110092366B (zh) * 2019-04-25 2023-03-31 西北工业大学 一种复相磷酸钒钠电极材料及其制备方法
CN112216823B (zh) * 2019-07-10 2022-03-08 上海交通大学 氟磷酸钒钠包覆正极材料、钠离子电池及其制备方法和应用
CN112864358B (zh) * 2019-11-27 2023-11-07 中国科学院大连化学物理研究所 一种一步法制备的钒基聚阴离子型化合物及应用
CN111606314B (zh) * 2020-06-04 2023-05-26 哈尔滨工业大学 一种钠离子电池正极材料三氟磷酸钒钠的制备方法
CN111943161B (zh) * 2020-08-24 2022-05-17 西北大学 一种氟磷酸钒钠和碳复合的二次电池正极材料的制备方法及其应用
CN114538400A (zh) * 2020-11-24 2022-05-27 天津理工大学 多元阳离子取代磷酸盐电极材料及其制备方法
CN113293459A (zh) * 2021-05-24 2021-08-24 中南大学 一种介孔纳米纤维氟磷酸钒钠正极材料及其制备方法
CN113764662A (zh) * 2021-07-29 2021-12-07 武汉理工大学 一种碳包覆磷酸钒钛锰钠微米球及其制备方法与应用
CN114572957B (zh) * 2022-02-22 2023-03-28 鞍钢集团北京研究院有限公司 一种磷酸钒钠材料的制备方法
CN114572958B (zh) * 2022-03-04 2023-03-21 湖南大学 一种含氟聚阴离子型正极材料的制备方法及含氟聚阴离子型正极材料
CN114933293B (zh) * 2022-04-29 2024-06-14 广州鹏辉能源科技股份有限公司 氟磷酸钒钠的制备和在钠离子电池中的应用

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004533706A (ja) 2001-04-06 2004-11-04 ヴァレンス テクノロジー インコーポレーテッド ナトリウムイオンバッテリ
JP2014179317A (ja) 2013-02-18 2014-09-25 Semiconductor Energy Lab Co Ltd 蓄電池用電極

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070160519A1 (en) * 2005-03-28 2007-07-12 Jeremy Barker Method Of Making Active Materials For Use In Secondary Electrochemical Cells
CN101369661A (zh) * 2008-10-17 2009-02-18 吉林大学 一种钠基锂离子二次电池正极材料及其制备方法
SG171958A1 (en) * 2008-12-19 2011-07-28 Conocophillips Co Process for making fluorinated lithium vanadium polyanion powders for batteries
CN102306771A (zh) * 2011-08-17 2012-01-04 中南大学 一种混合离子电池氟磷酸钒钠正极材料的制备方法
JP2013089391A (ja) 2011-10-14 2013-05-13 Kyushu Univ ナトリウムイオン二次電池用の電極活物質
CN102509789A (zh) * 2011-10-17 2012-06-20 中南大学 一种制备含钠锂离子电池正极材料掺氟磷酸钒钠的方法
CN103022490A (zh) * 2012-12-31 2013-04-03 广西地博矿业集团股份有限公司 钠离子电池正极材料氟磷酸钒钠的制备方法
EP3066708B1 (en) * 2013-11-08 2018-07-25 Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften Method of manufacturing an electrode material, electrode material and vehicle comprising a battery including such an electrode material
US9564656B1 (en) * 2015-09-14 2017-02-07 Nanotek Instruments, Inc. Process for producing alkali metal or alkali-ion batteries having high volumetric and gravimetric energy densities

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004533706A (ja) 2001-04-06 2004-11-04 ヴァレンス テクノロジー インコーポレーテッド ナトリウムイオンバッテリ
JP2014179317A (ja) 2013-02-18 2014-09-25 Semiconductor Energy Lab Co Ltd 蓄電池用電極

Also Published As

Publication number Publication date
EP3484814B1 (fr) 2019-11-20
JP2018531871A (ja) 2018-11-01
PL3484814T3 (pl) 2020-06-01
HUE047790T2 (hu) 2020-05-28
CN108349738A (zh) 2018-07-31
FR3042313A1 (fr) 2017-04-14
US11040881B2 (en) 2021-06-22
EP3484814A1 (fr) 2019-05-22
WO2017064189A1 (fr) 2017-04-20
KR20180072708A (ko) 2018-06-29
US20180297847A1 (en) 2018-10-18
JP7301101B2 (ja) 2023-06-30
FR3042313B1 (fr) 2020-04-03
JP2021185125A (ja) 2021-12-09
CN108349738B (zh) 2023-02-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7004646B2 (ja) Na3V2(PO4)2F3粒子状物質の製造方法
Javed et al. The emergence of 2D MXenes based Zn‐ion batteries: recent development and prospects
Liu et al. Carbon-coated Na 3 V 2 (PO 4) 2 F 3 nanoparticles embedded in a mesoporous carbon matrix as a potential cathode material for sodium-ion batteries with superior rate capability and long-term cycle life
Zhang et al. Going nano with protic ionic liquids—the synthesis of carbon coated Li3V2 (PO4) 3 nanoparticles encapsulated in a carbon matrix for high power lithium-ion batteries
JP5298286B2 (ja) リチウムシリケート系化合物の製造方法
Wu et al. Exploring 2D Energy Storage Materials: Advances in Structure, Synthesis, Optimization Strategies, and Applications for Monovalent and Multivalent Metal‐Ion Hybrid Capacitors
EP3371104B1 (en) Direct synthesis of carbon doped tio2-bronze nanostructures as anode materials for high performance lithium batteries
US8623549B2 (en) Iron oxyfluoride electrodes for electrochemical energy storage
JP6228142B2 (ja) 電極物質として使用する硫酸塩
US8911904B2 (en) Mesoporous metal oxide microsphere electrode compositions and their methods of making
US9203082B2 (en) Iron oxyfluoride electrodes for electrochemical energy storage
JP6288257B2 (ja) ナノシリコン材料とその製造方法及び二次電池の負極
JP6176510B2 (ja) シリコン材料及び二次電池の負極
Yan et al. Multicore closely packed ultrathin-MnO 2@ N-doped carbon-gear yolk–shell micro-nanostructures as highly efficient sulfur hosts for Li–S batteries
KR20220071426A (ko) 나트륨이차전지용 질소-도핑된 탄소가 코팅된 음극 활물질 및 그 제조방법
JP6042512B2 (ja) 二次電池用正極活物質及びその製造方法
KR20140023858A (ko) 리튬이차전지용 실리콘 복합재 음극활물질, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬이차전지
KR102075929B1 (ko) 리튬 이차전지용 TiO2 기반 산화물 복합체 및 이의 제조방법
JP6176511B2 (ja) シリコン材料及び二次電池の負極
Kumar et al. Tuning the cathodic-anodic electrochemical transition in lithium iron borate by optimizing synthesis parameters, anionic doping and potential window
Xiong et al. A 3D interconnected NH 4 Fe 0.6 V 2.4 O 7.4@ C nanocomposite with superior sodium storage properties
Kretschmer Phosphate-based cathode materials for rechargeable batteries
WO2014155408A1 (ja) 水素含有リチウムシリケート系化合物及びその製造方法、並びに非水電解質二次電池用正極活物質、非水電解質二次電池用正極、及び非水電解質二次電池

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20190913

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20190913

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20200220

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20200630

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20200729

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20201027

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20201228

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20210128

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20210419

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20210817

C60 Trial request (containing other claim documents, opposition documents)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C60

Effective date: 20210817

C11 Written invitation by the commissioner to file amendments

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C11

Effective date: 20210903

A911 Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911

Effective date: 20211001

C21 Notice of transfer of a case for reconsideration by examiners before appeal proceedings

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C21

Effective date: 20211011

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20211206

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20220104

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7004646

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150