JP7016166B2 - 非水電解質二次電池用の正極材料およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明のナトリウムイオン二次電池の正極材料は、酸素を含有するナトリウム化合物と遷移金属化合物とを有する複合体を含有している。本実施形態の複合体は、このナトリウム化合物と遷移金属化合物との均一混合物である。酸素を含有するナトリウム化合物としては、酸化ナトリウム(Na2O)、過酸化ナトリウム(Na2O2)、超酸化ナトリウム(NaO2)、水酸化ナトリウム(NaOH)、炭酸ナトリウム(Na2CO3)、炭酸水素ナトリウム(NaHCO3) 、硫酸ナトリウム(Na2SO4)、リン酸ナトリウム(Na3PO4)、ホウ酸ナトリウム(NaBO3)、珪酸ナトリウム(Na2SiO3)などのナトリウム塩等が例示できる。
本発明の実施形態に係るリチウムイオン二次電池用の正極材料は、酸素を含有するリチウム化合物と、遷移金属化合物とを有する複合体を含有している。遷移金属化合物中の遷移金属の物質量Aに対するリチウム化合物中のリチウムの物質量Cの比(C/A)は0.5~3.0である。リチウム化合物は酸化リチウムまたは過酸化リチウムであることが好ましい。
本発明の実施形態に係るナトリウムイオン二次電池用の正極材料の製造方法は、酸素を含有するナトリウム化合物と、遷移金属化合物とを有する複合体を含有するナトリウムイオン二次電池の正極材料の製造方法である。そして、遷移金属化合物中の遷移金属の物質量Aに対するナトリウム化合物中のナトリウムの物質量Bの比(B/A)が0.5~3.0となるように、遷移金属化合物とナトリウム化合物とを配合した後、混合して複合体を得る工程を備えている。
本発明の実施形態に係るリチウムイオン二次電池用の正極材料の製造方法は、酸素を含有するリチウム化合物と、遷移金属化合物とを有する複合体を含有するリチウムイオン二次電池の正極材料の製造方法である。遷移金属化合物中の遷移金属の物質量Aに対するリチウム化合物中のリチウムの物質量Cの比(C/A)が0.5~3.0となるように、遷移金属化合物とリチウム化合物を配合した後、混合して複合体を得る工程を備えている。
本発明の実施形態に係るナトリウムイオン二次電池は、本実施形態のナトリウムイオン二次電池の正極材料を正極活物質として含む正極と、負極と、電解質と、セパレータを備えている。このナトリウムイオン二次電池は、例えば、非水電解質ナトリウムイオン二次電池、全固体型ナトリウムイオン二次電池、または金属ナトリウムイオン二次電池等である。これらのナトリウムイオン二次電池の基本的な構造は、本実施形態のナトリウムイオン二次電池用の正極材料を正極活物質として用いることを除いて、公知のナトリウムイオン二次電池の構造と同様とすることができる。本実施形態のナトリウムイオン二次電池の形状についても特に限定がなく、円筒型や角型等の形状が採用できる。
本発明の実施形態に係るリチウムイオン二次電池は、本実施形態のリチウムイオン二次電池の正極材料を正極活物質として含む正極と、負極と、電解質とを有する。このリチウムイオン二次電池の基本的な構造は、正極活物質を除いて、公知のリチウムイオン二次電池の構造と同様とすることができる。
複合体を構成する遷移金属酸化物を以下の方法により作製した。市販の硫酸鉄(FeSO4)を蒸留水に溶かして、濃度1Mの硫酸鉄水溶液を得た。濃度1Mの水酸化ナトリウム水溶液にこの硫酸鉄水溶液を少しずつ添加し、沈殿物を生成させた。沈殿物が中性になるまで蒸留水で洗浄し、その後、大気中にて80℃で乾燥させて酸化鉄(Fe3O4)を得た。同様の方法で、硫酸マンガン(MnSO4)、硫酸コバルト(CoSO4)、硫酸ニッケル(NiSO4)、および硫酸鉄(FeSO4)と硫酸マンガン(MnSO4)の混合物から、酸化マンガン(Mn3O4)、酸化コバルト(Co3O4)、酸化ニッケル(NiO)、および(Fe0.7Mn0.3)3O4をそれぞれ作製した。
リン酸鉄(Fe3(PO4)2)は以下の方法により作製した。市販の硫酸鉄(FeSO4)を蒸留水に溶かして、濃度1Mの硫酸鉄水溶液を得た。鉄イオンの酸化を抑制するため、この硫酸鉄水溶液にクエン酸を少量添加した。そして、pHが6~7程度になるまで、このクエン酸を含む硫酸鉄水溶液に、濃度1Mのアンモニア水溶液を徐々に滴下し、沈殿物を生成させた。得られた沈殿物を蒸留水で洗浄し、その後、減圧下にて100℃で乾燥させてリン酸鉄(Fe3(PO4)2)を得た。
結晶子サイズが異なる酸化マンガン(Mn3O4)粒子を以下の方法により作製した。合成例1と同様の手順で調製した濃度1Mの硫酸マンガン水溶液100mLに、クエン酸を1mmol添加した。このクエン酸を含む硫酸マンガン水溶液を、濃度1Mの水酸化ナトリウム水溶液中に少しずつ添加し、沈殿物を生成させた。その後は合成例1と同様の手順で、酸化マンガン(Mn3O4)粒子を作製した(合成例3-1)。また、クエン酸の添加量を10mmolに変更した点を除いて、合成例3-1と同様にして酸化マンガン(Mn3O4)粒子を作製した(合成例3-2)。
合成例1、合成例3-1、および合成例3-2で作製した酸化マンガン(Mn3O4)粒子について、Cu-Kα線を用いたXRD測定を行った。その結果を図1(横軸は回折角2θ(°))に示す。クエン酸添加量が多くなるにつれて、XRDのピーク線幅が小さくなることが確認された。XRD測定のMn3O4型構造に帰属される回折ピークの半価幅から、Scherrerの式に基づいて酸化マンガン(Mn3O4)粒子の結晶子サイズを算出した。合成例1で得られた酸化マンガン(Mn3O4)粒子(クエン酸添加無)、合成例3-1で得られた酸化マンガン(Mn3O4)粒子(クエン酸1mmol添加)、および合成例3-2で得られた酸化マンガン(Mn3O4)粒子(クエン酸10mmol添加)の結晶子サイズは、それぞれ50nm、83nm、および90nmであった。
ナトリウム化合物またはリチウム化合物と遷移金属化合物の物質量比(いわゆる「mol比」)が表1に記載された値となるように、ナトリウム化合物またはリチウム化合物と、遷移金属化合物を配合した。その後、遊星型ボールミルを用い、表1に記載されたミリング条件でメカニカルミリング処理によって乾式混合した。メカニカルミリング処理は、容量80mLのZrO2製ポットとZrO2ボールを使用し、Ar雰囲気で行った。複合体を構成するナトリウム化合物またはリチウム化合物と遷移金属化合物の種類および出所と、遷移金属化合物粒子の結晶子サイズも表1に記載した。結晶子サイズは、XRD測定の回折ピークの半価幅から、Scherrerの式に基づいて算出した。なお、Fe3(PO4)2については、XRD測定でピークが判別できなかったので、結晶子サイズを算出しなかった。「初期容量」と「維持率」の算出方法については後述する。
実施例1-1で得られた複合体について、波長0.0413nmの放射光線を用いたXRD測定を行った。その結果を図2に示す。原料以外の物質に基づくピークが観測されず、実施例1-1で得られた複合体は、原料であるNa2O2とMn3O4の複合体であることが確認された。
実施例1-1~1-4で得られた複合体のSEM画像を、図3Aから図3Dにそれぞれ示す。実施例1-1~1-4で得られた複合体を構成するNa2O2粒子とMn3O4粒子の粒径分布・平均粒径は、それぞれ700nm~3.0μm・2μm、500nm~2.4μm・1.1μm、1.4μm~3.0μm・2.1μm、200nm~3.0μm・1.1μmであった。メカニカルミリング処理の時間が長くなるにつれて、原料同士の凝集または反応が進行し、粒径が大きくなっていくことが確認できた。また、ミリング回転速度が小さくなると、混合状態が悪くなり、粒径にばらつきがある複合体が得られることがわかった。
実施例1-1で得られた複合体を用いて、下記の方法で電気化学セル(コインセルCR2032)を作製し、充放電試験を行った。活物質である複合体84質量%、アセチレンブラック(AB)8質量%、およびPTFEバインダー8質量%を混合した合剤を調製し、アルミニウムメッシュに密着接合させ、加熱処理(減圧中、220℃、10時間以上)して正極を得た。試験電極計算容量の約50倍の容量を有する金属ナトリウム箔を対極として用いた。また、ポリプロピレン微多孔膜をセパレータとして用いた。そして、エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)の混合液(EC:DEC=1:1(容量%比))にNaPF6を溶解したもの(1mol/L)を電解液として用いた。
実施例1-1で得られた複合体を用いて、下記の方法でナトリウムイオン全電池(1.5mAh)のコインセル(CR2032)を作製し、充放電試験を行った。ハードカーボン90質量%、AB5質量%、およびポリフッ化ビニリデン(PVdF)5質量%を混合してスラリー状の合剤を調製し、厚さ10μmの銅箔上に塗布・乾燥した後、ロールプレスにより銅箔と塗膜とを密着接合させ、加熱処理(減圧中、150℃、5時間以上)して負極を得た。正極と電解液は実験例4と同じものを用いた。カットオフ電位1.0~4.2Vの範囲で充放電を行ったところ、電池として機能した。その結果を図29に示す。
ナトリウム化合物をリチウム化合物に変更して、実施例4-1および7-1と同様にして複合体をそれぞれ得た(表1参照)。得られた複合体を用いて、実験例4と同様にして正極を作製した。リチウム金属を対極として充放電試験を行った結果を図30および図31にそれぞれ示す。ナトリウム化合物の代わりにリチウム化合物を用いると、得られた複合体は、リチウムイオン二次電池用の正極材料として利用できることがわかった。
Claims (20)
- 過酸化ナトリウム、酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム、硫酸ナトリウム、およびリン酸ナトリウムの少なくとも一種であるナトリウム化合物と、一酸化マンガン、三酸化二マンガン、(Fe0.7Mn0.3)3O4、硫酸鉄、およびリン酸鉄の少なくとも一種である遷移金属化合物とを有する複合体を含有するナトリウムイオン二次電池の正極材料であって、
前記遷移金属化合物中の遷移金属の物質量Aに対する前記ナトリウム化合物中のナトリウムの物質量Bの比(B/A)が0.5~3.0であるナトリウムイオン二次電池の正極材料。 - 酸化ナトリウムおよび炭酸ナトリウムの少なくとも一種であるナトリウム化合物と、酸化マンガンである遷移金属化合物とを有する複合体を含有するナトリウムイオン二次電池の正極材料であって、
前記酸化マンガン中のマンガンの物質量Aに対する前記ナトリウム化合物中のナトリウムの物質量Bの比(B/A)が0.5~3.0であるナトリウムイオン二次電池の正極材料。 - 過酸化ナトリウムであるナトリウム化合物と、酸化マンガンである遷移金属化合物とを有する複合体を含有するナトリウムイオン二次電池の正極材料であって、
前記酸化マンガン中のマンガンの物質量Aに対する前記過酸化ナトリウム中のナトリウムの物質量Bの比(B/A)が0.5~1であるナトリウムイオン二次電池の正極材料。 - 請求項1から3のいずれかにおいて、
前記ナトリウム化合物および前記遷移金属化合物が、粒径100nm~3μmの粒子であるナトリウムイオン二次電池の正極材料。 - 請求項1において、
前記ナトリウム化合物が過酸化ナトリウムであるナトリウムイオン二次電池の正極材料。 - 請求項1において、
前記ナトリウム化合物が、硫酸ナトリウムおよびリン酸ナトリウムの少なくとも一方であるナトリウムイオン二次電池の正極材料。 - 請求項6において、
前記遷移金属化合物が、硫酸鉄およびリン酸鉄の少なくとも一方であるナトリウムイオン二次電池の正極材料。 - 請求項1から7のいずれかの正極材料を正極活物質として含む正極と、負極と、電解質とを有するナトリウムイオン二次電池。
- 酸化リチウムと、酸化マンガンとを有する複合体を含有するリチウムイオン二次電池の正極材料であって、
酸化マンガン中のマンガンの物質量Aに対する酸化リチウム中のリチウムの物質量Cの比(C/A)が0.5~3.0であるリチウムイオン二次電池の正極材料。 - 硫酸リチウムと、硫酸鉄とを有する複合体を含有するリチウムイオン二次電池の正極材料であって、
硫酸鉄中の鉄の物質量Aに対する硫酸リチウム中のリチウムの物質量Cの比(C/A)が0.5~3.0であるリチウムイオン二次電池の正極材料。 - 請求項9または10の正極材料を正極活物質として含む正極と、負極と、電解質とを有するリチウムイオン二次電池。
- 過酸化ナトリウム、酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム、硫酸ナトリウム、およびリン酸ナトリウムの少なくとも一種であるナトリウム化合物と、一酸化マンガン、三酸化二マンガン、(Fe0.7Mn0.3)3O4、硫酸鉄、およびリン酸鉄の少なくとも一種である遷移金属化合物とを有する複合体を含有するナトリウムイオン二次電池の正極材料の製造方法であって、
前記遷移金属化合物中の遷移金属の物質量Aに対する前記ナトリウム化合物中のナトリウムの物質量Bの比(B/A)が0.5~3.0となるように、前記遷移金属化合物と前記ナトリウム化合物とを配合した後、混合して前記複合体を得る工程を有するナトリウムイオン二次電池の正極材料の製造方法。 - 酸化ナトリウムおよび炭酸ナトリウムの少なくとも一種であるナトリウム化合物と、酸化マンガンである遷移金属化合物とを有する複合体を含有するナトリウムイオン二次電池の正極材料の製造方法であって、
前記酸化マンガン中のマンガンの物質量Aに対する前記ナトリウム化合物中のナトリウムの物質量Bの比(B/A)が0.5~3.0となるように、前記酸化マンガンと前記ナトリウム化合物とを配合した後、混合して前記複合体を得る工程を有するナトリウムイオン二次電池の正極材料の製造方法。 - 過酸化ナトリウムであるナトリウム化合物と、酸化マンガンである遷移金属化合物とを有する複合体を含有するナトリウムイオン二次電池の正極材料の製造方法であって、
前記酸化マンガン中のマンガンの物質量Aに対する前記過酸化ナトリウム中のナトリウムの物質量Bの比(B/A)が0.5~1となるように、前記酸化マンガンと前記過酸化ナトリウムとを配合した後、混合して前記複合体を得る工程を有するナトリウムイオン二次電池の正極材料の製造方法。 - 請求項12から14のいずれかにおいて、
前記配合前の前記遷移金属化合物が、結晶子サイズ50nm~90nmの粒子であり、
前記複合体に含まれる前記ナトリウム化合物および前記遷移金属化合物が、粒径100nm~3μmの粒子であるナトリウムイオン二次電池の正極材料の製造方法。 - 請求項12において、
前記ナトリウム化合物が過酸化ナトリウムであるナトリウムイオン二次電池の正極材料の製造方法。 - 請求項12において、
前記ナトリウム化合物が、硫酸ナトリウムおよびリン酸ナトリウムの少なくとも一方であるナトリウムイオン二次電池の正極材料の製造方法。 - 硫酸リチウムと、硫酸鉄とを有する複合体を含有するリチウムイオン二次電池の正極材料の製造方法であって、
硫酸鉄中の鉄の物質量Aに対する硫酸リチウム中のリチウムの物質量Cの比(C/A)が0.5~3.0となるように、硫酸鉄と硫酸リチウムとを配合した後、混合して前記複合体を得る工程を有するリチウムイオン二次電池の正極材料の製造方法。 - 酸化リチウムと、酸化マンガンとを有する複合体を含有するリチウムイオン二次電池の正極材料の製造方法であって、
酸化マンガン中のマンガンの物質量Aに対する酸化リチウム中のリチウムの物質量Cの比(C/A)が0.5~3.0となるように、酸化マンガンと酸化リチウムとを配合した後、混合して前記複合体を得る工程を有するリチウムイオン二次電池の正極材料の製造方法。 - 請求項19において、
前記配合前の酸化マンガンが、結晶子サイズ50nm~90nmの粒子であり、
前記複合体に含まれる酸化リチウムおよび酸化マンガンが、粒径100nm~3μmの粒子であるリチウムイオン二次電池の正極材料の製造方法。
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