JP7027363B2 - Lithium-zinc rechargeable batteries, battery packs, vehicles and stationary power supplies - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、リチウム亜鉛二次電池、電池パック、車両及び定置用電源に関する。 Embodiments of the present invention relate to lithium zinc secondary batteries, battery packs, vehicles and stationary power supplies.

近年、高エネルギー密度型の二次電池として、リチウムイオン二次電池のような非水溶媒を用いた電池が開発されている。リチウムイオン二次電池は、鉛蓄電池及びニッケル水素二次電池と比較して、エネルギー密度及びサイクル特性に優れており、ハイブリッド自動車及び電気自動車といった車両用電源などの大型蓄電用電源として期待されている。リチウムイオン二次電池の電解質としては、広い電位窓を持つという観点から、例えばエチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、プロピレンカーボネートなどの非水溶媒を使用する。これらの溶媒は可燃性であることから安全性に課題がある。これを水系電解質に置き換えることが出来れば、この課題を根本的に解決することができる。また、水系電解質は非水溶媒系電解質と比較して安価である上、製造プロセスを不活性雰囲気とする必要が無くなる。それ故、非水溶媒系電解質を水系電解質に置き換えることによって大幅なコスト低減が期待できる。しかしながら、リチウムイオン二次電池において水系電解質を用いることには、大きな課題がある。それは、水の化学平衡により計算される理論分解電圧が1.23Vであるため、それを超える設計電圧で電池を構成すると、正極では酸素が発生し、負極では水素が発生することである。これを解決するためには、酸化側(正極側)では酸素過電圧を、還元側(負極側)では水素過電圧を大きくし、速度論の観点から電池の設計を改善することがされている。 In recent years, as a high energy density type secondary battery, a battery using a non-aqueous solvent such as a lithium ion secondary battery has been developed. Lithium-ion secondary batteries are superior in energy density and cycle characteristics to lead-acid batteries and nickel-hydrogen secondary batteries, and are expected as power sources for large-scale storage such as power sources for vehicles such as hybrid vehicles and electric vehicles. .. As the electrolyte of the lithium ion secondary battery, a non-aqueous solvent such as ethylene carbonate, diethyl carbonate, or propylene carbonate is used from the viewpoint of having a wide potential window. Since these solvents are flammable, there is a problem in safety. If this can be replaced with an aqueous electrolyte, this problem can be fundamentally solved. In addition, the water-based electrolyte is cheaper than the non-aqueous solvent-based electrolyte, and the manufacturing process does not need to have an inert atmosphere. Therefore, a significant cost reduction can be expected by replacing the non-aqueous solvent-based electrolyte with an aqueous electrolyte. However, there is a big problem in using an aqueous electrolyte in a lithium ion secondary battery. That is, since the theoretical decomposition voltage calculated by the chemical equilibrium of water is 1.23V, if the battery is configured with a design voltage exceeding that, oxygen is generated at the positive electrode and hydrogen is generated at the negative electrode. In order to solve this, the oxygen overvoltage is increased on the oxidation side (positive electrode side) and the hydrogen overvoltage is increased on the reduction side (negative electrode side) to improve the battery design from the viewpoint of kinetics.

水溶液を用いるリチウムイオン二次電池において、正極の充放電は比較的容易であり、例えばLiCoO2、LiMn24、LiFePO4といった正極活物質における報告例が多数存在する。一方で、負極酸化物としてはLiTi2(PO43、TiP27、VO2(B)といったリチウム吸蔵・放出電位が-0.5V(vs.SHE)程度の活物質の報告例があるものの、それよりも卑な電位で作動する活物質を用いた報告例が少ない。これは、負極において水素発生が進行するために充放電が困難なことによる。負極活物質として、例えば上記の活物質を用いても、電池を構成した時の平均作動電位が2V未満となる。この場合、電池の高エネルギー密度化が難しく、鉛蓄電池及びニッケル水素二次電池を超えるエネルギー密度を有する水溶液系二次電池が存在しないのが現状である。 In a lithium ion secondary battery using an aqueous solution, charging and discharging of the positive electrode is relatively easy, and there are many reported examples of positive electrode active materials such as LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , and LiFePO 4 . On the other hand, as negative electrode oxides, there are reports of active materials such as LiTi 2 (PO 4 ) 3 , Tip 2 O 7 , and VO 2 (B) whose lithium occlusion / release potential is about -0.5 V (vs. SHE). However, there are few reports using active materials that operate at lower potentials. This is because charging and discharging are difficult due to the progress of hydrogen generation at the negative electrode. Even if the above-mentioned active material is used as the negative electrode active material, the average operating potential when the battery is configured is less than 2 V. In this case, it is difficult to increase the energy density of the battery, and there is no aqueous secondary battery having an energy density higher than that of the lead storage battery and the nickel hydrogen secondary battery.

そこで、水溶液系リチウムイオン二次電池においては、正極にリチウムを吸蔵・放出する酸化物材料を用い、負極に亜鉛の金属を用いるリチウム‐亜鉛二次電池が注目されている。亜鉛金属の理論容量は820 mAh/gと大きく、亜鉛金属を用いた負極を正極としてリチウムを吸蔵・放出する正極とを組み合わせたリチウム‐亜鉛二次電池は、水溶液を用いた二次電池におけるエネルギー密度の高い二次電池の候補の一つとして期待されている。しかしながら、亜鉛の溶解・析出反応時においてデンドライトが電極表面に析出するため、充放電時に過電圧が大きくなることによって寿命特性が低下するという課題がある。 Therefore, in an aqueous solution-based lithium ion secondary battery, a lithium-zinc secondary battery in which an oxide material that occludes and releases lithium is used for the positive electrode and a zinc metal is used for the negative electrode is attracting attention. The theoretical capacity of zinc metal is as large as 820 mAh / g, and a lithium-zinc secondary battery that combines a negative electrode using zinc metal as a positive electrode with a positive electrode that stores and releases lithium is the energy of a secondary battery using an aqueous solution. It is expected to be one of the candidates for high-density secondary batteries. However, since dendrites are deposited on the electrode surface during the zinc dissolution / precipitation reaction, there is a problem that the life characteristics are deteriorated due to an increase in overvoltage during charging / discharging.

特開2018-32646号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2018-32646 国際公開第2017/135323号International Publication No. 2017/135323

本発明が解決しようとする課題は、優れたサイクル寿命性能を持つことができる二次電池、電池パック、車両及び定置用電源を提供することである。 An object to be solved by the present invention is to provide a secondary battery, a battery pack, a vehicle and a stationary power source capable of having excellent cycle life performance.

実施形態のリチウム亜鉛二次電池は、正極と、亜鉛の溶解及び析出が行われ、亜鉛を備える金属体及び前記金属体の表面の少なくとも一部に酸化物を備える負極と、亜鉛及びリチウム塩を含む水系電解質と、正極と負極との間に存在するセパレータと、を備える二次電池であり、酸化物は-1.4 V(vs. SCE)以上-1.0 V(vs. SCE)以下の電位領域でリチウムを吸蔵放出し、かつ酸化物の比表面積が10m2/g以上350 m2/g以下であり、水系電解質に含まれる亜鉛とリチウムとのmol濃度比Zn/Liが1.0×10-5以上0.3以下である。 The lithium-zinc secondary battery of the embodiment has a positive electrode, a metal body in which zinc is dissolved and precipitated, and a negative electrode having an oxide on at least a part of the surface of the metal body, and zinc and a lithium salt. It is a secondary battery equipped with an aqueous electrolyte containing and a separator existing between the positive and negative electrodes, and the oxide is in the potential region of -1.4 V (vs. SCE) or more and -1.0 V (vs. SCE) or less. Lithium is absorbed and released, the specific surface area of the oxide is 10 m 2 / g or more and 350 m 2 / g or less, and the mol concentration ratio Zn / Li of zinc and lithium contained in the aqueous electrolyte is 1.0 × 10 -5 or more. It is 0.3 or less.

他の実施形態によれば、上記実施形態に係る二次電池を含む電池パックが提供される。 According to another embodiment, a battery pack including the secondary battery according to the above embodiment is provided.

さらに他の実施形態によれば、上記実施形態に係る電池パックを含む車両が提供される。 According to still another embodiment, a vehicle including the battery pack according to the above embodiment is provided.

ことさらに他の実施形態によれば、上記実施形態に係る電池パックを含む定置用電源が提供される。 According to still another embodiment, a stationary power source including the battery pack according to the above embodiment is provided.

第1の実施形態に係る二次電池の一例を示す部分切欠断面図。A partial cutaway sectional view showing an example of a secondary battery according to the first embodiment. 図1の電池についての側面図。The side view about the battery of FIG. 第1の実施形態に係る二次電池の他の例を示す部分切欠斜視図。The partial cut-out perspective view which shows the other example of the secondary battery which concerns on 1st Embodiment. 図3のA部の拡大断面図。FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of part A in FIG. 第2の実施形態に係る組電池の一例を示す斜視図。The perspective view which shows an example of the assembled battery which concerns on 2nd Embodiment. 第3の実施形態に係る電池パックの一例を示す斜視図。The perspective view which shows an example of the battery pack which concerns on 3rd Embodiment. 第3の実施形態に係る電池パックの他の例の分解斜視図。An exploded perspective view of another example of the battery pack according to the third embodiment. 図7の電池パックの電気回路を示すブロック図。The block diagram which shows the electric circuit of the battery pack of FIG. 第4の実施形態に係る一例の車両を概略的に示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing an example vehicle according to a fourth embodiment. 第4の実施形態に係る他の例の車両を概略的に示した図。The figure schematically showing the vehicle of another example which concerns on 4th Embodiment. 第5実施形態に係る定置用電源を含むシステムの一例を示すブロック図。The block diagram which shows an example of the system including the stationary power source which concerns on 5th Embodiment.

以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施の形態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は実施の形態の説明とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術とを参酌して、適宜設計変更することができる。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. It should be noted that the same reference numerals are given to the common configurations throughout the embodiments, and duplicate description will be omitted. In addition, each figure is a schematic diagram for explaining the embodiment and promoting its understanding, and the shape, dimensions, ratio, etc. are different from those of the actual device, but these are described below and known techniques. The design can be changed as appropriate by taking into consideration.

(第1の実施形態)
第1の実施形態に係るリチウム亜鉛二次電池は、正極と、亜鉛の溶解及び析出が行われ、亜鉛を備える金属体及び金属体の表面の少なくとも一部に複数の酸化物を備える負極と、亜鉛及びリチウム塩を含む水系電解質と、正極と負極の間に存在するセパレータと、を備える二次電池であり、複数の酸化物は-1.4 V(vs. SCE)以上-1.0 V(vs. SCE)以下の電位領域でリチウムを吸蔵放出し、かつ酸化物の比表面積が10 m2/g以上350 m2/g以下であり、水系電解質に含まれる亜鉛とリチウムのmol濃度比Zn/Liが1.0×10-5以上0.3以下である。なお、リチウム亜鉛二次電池を二次電池とも称する。
(First Embodiment)
The lithium-zinc secondary battery according to the first embodiment has a positive electrode, a metal body in which zinc is dissolved and precipitated, and a negative electrode having a plurality of oxides on at least a part of the surface of the metal body. It is a secondary battery equipped with an aqueous electrolyte containing zinc and lithium salt and a separator existing between the positive electrode and the negative electrode, and multiple oxides are -1.4 V (vs. SCE) or more and -1.0 V (vs. SCE). ) Lithium is absorbed and released in the potential region below, the specific surface area of the oxide is 10 m 2 / g or more and 350 m 2 / g or less, and the mol concentration ratio Zn / Li of zinc and lithium contained in the aqueous electrolyte is 1.0 × 10 -5 or more and 0.3 or less. The lithium zinc secondary battery is also referred to as a secondary battery.

正極は、正極集電体と、正極集電体上に配置されている正極合材層とを含む。正極合材層は、正極集電体の少なくとも1つの面上に配置されている。負極は、亜鉛を備える金属体と、負極酸化物層とを備える。負極酸化物層には、酸化物を少なくとも備える。亜鉛を備える金属体とは、亜鉛から構成されるものや、任意の金属体の表面の少なくとも一部に亜鉛が存在するものいう。亜鉛を備える金属体の表面の少なくとも一部には、単種または複数種の酸化物を備える。また、亜鉛を備える金属体の表面には、酸化物とともに亜鉛が存在してもよい。この亜鉛は、粒子状で亜鉛を備える金属体の表面に存在し得る。酸化物は、例えば、粒子状で亜鉛を備える金属体の表面に存在する。酸化物は、例えば、酸化チタンや酸化タングステンである。本実施形態に係る二次電池の備える負極は、酸化物として酸化チタン及び酸化タングステンからなる群より選択される少なくとも1つを含むことが好ましい。 The positive electrode includes a positive electrode current collector and a positive electrode mixture layer arranged on the positive electrode current collector. The positive electrode mixture layer is arranged on at least one surface of the positive electrode current collector. The negative electrode includes a metal body containing zinc and a negative electrode oxide layer. The negative electrode oxide layer includes at least an oxide. A metal body containing zinc means a metal body composed of zinc or a metal body having zinc present at least a part of the surface of any metal body. At least a portion of the surface of a metal body containing zinc comprises a single or multiple oxides. Further, zinc may be present together with the oxide on the surface of the metal body containing zinc. This zinc can be present on the surface of a metal body that is particulate and contains zinc. The oxide is present, for example, on the surface of a metal body containing zinc in the form of particles. The oxide is, for example, titanium oxide or tungsten oxide. The negative electrode included in the secondary battery according to the present embodiment preferably contains at least one selected from the group consisting of titanium oxide and tungsten oxide as the oxide.

亜鉛とは、亜鉛の金属単体、酸化物、塩化物、硝酸塩、硫酸塩、塩基性炭酸化合物、及び水酸化物からなる群より選択される少なくとも1種を示し、また2種以上を示す場合もある。 Zinc refers to at least one selected from the group consisting of elemental zinc metals, oxides, chlorides, nitrates, sulfates, basic carbonate compounds, and hydroxides, and may also indicate two or more. be.

負極に備えられる亜鉛を備える金属体は、集電体と活物質としての働きをすることができる。 The zinc-containing metal body provided in the negative electrode can serve as a current collector and an active material.

負極酸化物層に含まれる酸化物は、充電時においてリチウムを吸蔵する。この際、リチウムの放出を伴った自己放電反応が進行する。電解質が亜鉛を含まない場合、二次電池の自己放電反応では水の分解による水素発生を伴った反応が進行することが課題となっている。そこで、本実施形態における酸化物のようなLi吸蔵・放出の電位領域が亜鉛の溶解・析出電位近傍に存在するものを適用することにより、水素発生よりも優先して亜鉛の析出が進行することが出来る。この亜鉛が析出することで、負極の酸化物の表面の少なくとも一部に亜鉛が存在することができ、リチウムの脱離に伴う水素発生を抑制することができる。例えば、本実施形態の一例として、支持塩として塩化リチウムを用いた場合には、自己放電に伴って以下(式1)に示した反応が生じるため、リチウムの吸蔵・放出についての負極の活物質である酸化チタンや酸化タングステンといった酸化物の表面に亜鉛の析出が進行する。なお、酸化チタンや酸化タングステンには、リチウムが挿入・脱離される。 The oxide contained in the negative electrode oxide layer occludes lithium during charging. At this time, the self-discharge reaction accompanied by the release of lithium proceeds. When the electrolyte does not contain zinc, the problem is that the self-discharge reaction of the secondary battery proceeds with the generation of hydrogen due to the decomposition of water. Therefore, by applying an oxide having a potential region of Li storage / release near the dissolution / precipitation potential of zinc in the present embodiment, zinc precipitation proceeds in preference to hydrogen generation. Can be done. By precipitating this zinc, zinc can be present on at least a part of the surface of the oxide of the negative electrode, and hydrogen generation due to desorption of lithium can be suppressed. For example, when lithium chloride is used as the supporting salt as an example of the present embodiment, the reaction shown in the following (Equation 1) occurs with self-discharge, so that the active material of the negative electrode for the occlusion / release of lithium occurs. Precipitation of zinc progresses on the surface of oxides such as titanium oxide and tungsten oxide. Lithium is inserted and removed from titanium oxide and tungsten oxide.

Figure 0007027363000001
Figure 0007027363000001

亜鉛が酸化物の表面に存在するとき、亜鉛はデンドライトのような形状ではなく、亜鉛が酸化物の表面の少なくとも一部を被覆する形で存在する。従って、本実施形態に係る二次電池のように、(式1)のような自己放電を介した亜鉛の溶解析出反応を生じさせることで、酸化物表面でのデンドライトの析出を抑制することができる。さらに、亜鉛が酸化物表面に被覆する形で存在することによって、水素発生を抑制することが可能となる。そのため、本実施形態に係る二次電池は自己放電に伴う水素発生を抑制し、かつ充電時の負極表面への亜鉛のデンドライトの析出を抑制することができることで、負極での二次電池の短絡を防ぐことができる。そのため、安定した充放電が可能となる。さらに、充放電反応は亜鉛の溶解及び析出とリチウムの酸化物粒子内への吸蔵及び放出反応の混成反応となることから、亜鉛の溶解及び析出電位よりも卑な電位領域での充放電を行うことができ、セルの電池作動電圧も向上させることができる。 When zinc is present on the surface of the oxide, it is not in the shape of a dendrite, but in the form of zinc covering at least a portion of the surface of the oxide. Therefore, unlike the secondary battery according to the present embodiment, it is possible to suppress the precipitation of dendrites on the oxide surface by causing the dissolution-precipitation reaction of zinc via self-discharge as in (Equation 1). can. Furthermore, the presence of zinc in the form of covering the oxide surface makes it possible to suppress hydrogen generation. Therefore, the secondary battery according to the present embodiment can suppress the generation of hydrogen due to self-discharge and the precipitation of zinc dendrite on the surface of the negative electrode during charging, so that the secondary battery is short-circuited at the negative electrode. Can be prevented. Therefore, stable charging / discharging is possible. Further, since the charge / discharge reaction is a mixed reaction of the dissolution and precipitation of zinc and the occlusion and release reaction into the oxide particles of lithium, the charge / discharge is performed in a potential region lower than the dissolution and precipitation potential of zinc. It is possible to improve the battery operating voltage of the cell.

また、この亜鉛の析出は、後述する負極の導電剤、結着剤やタブ、リードといった集電部、並びに亜鉛を備える金属体のうち酸化物により覆われていない部分にも生じるため、負極の導電剤や亜鉛を備える金属体の表面も、亜鉛により少なくとも一部被覆される場合がある。 In addition, this zinc precipitation also occurs in the conductive agent of the negative electrode, which will be described later, the current collecting part such as the binder, the tab, and the lead, and the portion of the metal body containing zinc that is not covered with the oxide. The surface of the metal body containing the conductive agent or zinc may also be at least partially covered with zinc.

第1の実施例に係る二次電池において用いることができる各部材の材料について詳しく説明する。 The material of each member that can be used in the secondary battery according to the first embodiment will be described in detail.

1)負極
負極は、亜鉛を備える金属体と、亜鉛を備える金属体上に配置されている負極酸化物層とを含む。負極酸化物層は、亜鉛を備える金属体の少なくとも1つの面上に配置されている。例えば、亜鉛を備える金属体上の1つの面に負極酸化物層が配置されていてもよく、または亜鉛を備える金属体上の1つの面とその裏面とに負極酸化物層が配置されていてもよい。
1) Negative electrode The negative electrode includes a metal body containing zinc and a negative electrode oxide layer arranged on the metal body containing zinc. The negative electrode oxide layer is arranged on at least one surface of the metal body containing zinc. For example, the negative electrode oxide layer may be arranged on one surface on the metal body containing zinc, or the negative electrode oxide layer may be arranged on one surface on the metal body containing zinc and its back surface. May be good.

負極酸化物層は、酸化物として酸化チタンと酸化タングステンとの少なくとも一方を含むことが好ましい。これら酸化物は1種類で用いることもできるし、複数種類を用いても良い。これらの酸化物では、飽和カロメル電極(Saturated Calomel Electrode)に対し-1.4 V(vs. SCE)以上-1.0 V(vs. SCE)以下の電位領域でリチウムの吸蔵放出反応が起こる。そのため、これら酸化物を用いた場合には、充放電に伴う体積膨張収縮変化が小さいことから長寿命を実現することができる。 The negative electrode oxide layer preferably contains at least one of titanium oxide and tungsten oxide as the oxide. These oxides may be used alone or in combination of two or more. In these oxides, the lithium uptake and release reaction occurs in the potential region of -1.4 V (vs. SCE) or more and -1.0 V (vs. SCE) or less with respect to the saturated calomel electrode (Saturated Calomel Electrode). Therefore, when these oxides are used, a long life can be realized because the change in volume expansion / contraction due to charge / discharge is small.

亜鉛を備える金属体は、例えば、金属箔である。また、亜鉛を備える金属体は、例えばGa、In、Bi、Tl、Sn、Pb、Ti、及びAlから成る群より選択される少なくとも1種の金属元素Aを含んだ合金からなる箔である。このような箔は、亜鉛以外に例えば上記元素Aを1種または2種以上含み得る。亜鉛を備える金属体の形状としては、箔以外にも、例えばメッシュや多孔体などが挙げられる。エネルギー密度や出力向上のためには、体積が小さく、表面積が大きい箔の形状が望ましい。 The metal body provided with zinc is, for example, a metal foil. Further, the metal body containing zinc is a foil made of an alloy containing at least one metal element A selected from the group consisting of, for example, Ga, In, Bi, Tl, Sn, Pb, Ti, and Al. Such a foil may contain, for example, one or more of the above elements A in addition to zinc. Examples of the shape of the metal body containing zinc include a mesh and a porous body in addition to the foil. In order to improve energy density and output, a foil shape with a small volume and a large surface area is desirable.

亜鉛を備える金属体には、元素Aを含むことが好ましい。これらの元素は、これらの1種類で用いることもできるし、複数種類の元素を用いても良く、金属または金属合金として含むことができる。このような金属および金属合金は、単独で含まれていてもよく、或いは2種以上を混合して含んでいてもよい。これらの元素Aを、亜鉛を備える金属体が含んだ場合、亜鉛を備える金属体の機械的強度が高められ、加工性能が向上する。さらに、水系溶媒の電気分解を抑制し、水素発生を抑制させる効果が増加する。上記元素のなかでも、Pb、Ti、Alがより好ましい。 The metal body containing zinc preferably contains the element A. These elements may be used in one of these elements, or a plurality of types of elements may be used, and may be contained as a metal or a metal alloy. Such metals and metal alloys may be contained alone or may be contained in combination of two or more. When these elements A are contained in the metal body containing zinc, the mechanical strength of the metal body containing zinc is increased, and the processing performance is improved. Further, the effect of suppressing the electrolysis of the aqueous solvent and suppressing the generation of hydrogen is increased. Among the above elements, Pb, Ti and Al are more preferable.

また、亜鉛を備える金属体は、亜鉛や元素Aとは異なる金属を含んだ基板を含むことができる。このような場合、この基板の表面の少なくとも一部に亜鉛や、元素Aを含む化合物が存在することで、水素発生を抑制できる。表面に存在する亜鉛や、元素Aを含む化合物は、負極酸化物層と接するように配置されていることが望ましい。例えば、基板に亜鉛や元素Aのメッキを施して、基板の表面に亜鉛や元素Aを存在させることができる。または、基板の表面に亜鉛や元素Aを含む合金を用いたメッキ処理を施すことができる。 Further, the metal body containing zinc can include a substrate containing zinc or a metal different from the element A. In such a case, the presence of zinc or a compound containing the element A on at least a part of the surface of the substrate can suppress hydrogen generation. It is desirable that the zinc present on the surface and the compound containing the element A are arranged so as to be in contact with the negative electrode oxide layer. For example, the substrate can be plated with zinc or element A so that zinc or element A can be present on the surface of the substrate. Alternatively, the surface of the substrate can be plated with an alloy containing zinc or element A.

基板は、Al、Fe、Cu、Ni、Tiから成る群より選択される少なくとも1種の金属を含むことが好ましい。これらの金属は、合金として含むこともできる。また、基板は、このような金属および金属合金を単独で含むことができ、或いは2種以上を混合して含むことができる。軽量化の観点から、基板がAl、Ti、またはこれらの合金を含むことが好ましい。 The substrate preferably contains at least one metal selected from the group consisting of Al, Fe, Cu, Ni and Ti. These metals can also be included as alloys. Further, the substrate may contain such a metal and a metal alloy alone, or may contain two or more kinds in a mixture. From the viewpoint of weight reduction, it is preferable that the substrate contains Al, Ti, or an alloy thereof.

亜鉛を備える金属体は、元素Aからなる群より選択される少なくとも1種の化合物を含んでいてもよい。これら元素Aの酸化物、および/または元素Aの水酸化物、および/または元素Aの塩基性炭酸化合物、および/または元素Aの硫酸化合物などは、亜鉛を備える金属体の表面上に、さらにコーティングしても良い。コーティングする場合は、金属体表面を均一に被覆し、膜厚は1nm以上100μm以下であることが好ましい。 The metal body containing zinc may contain at least one compound selected from the group consisting of element A. These oxides of element A, and / or hydroxides of element A, and / or basic carbonic acid compounds of element A, and / or sulfuric acid compounds of element A, and the like can be further added on the surface of the metal body containing zinc. It may be coated. When coating, it is preferable that the surface of the metal body is uniformly covered and the film thickness is 1 nm or more and 100 μm or less.

なお、亜鉛の酸化物の例としてはZnO、亜鉛の水酸化物の例としてはZn(OH)、亜鉛の塩基性炭酸化合物の例としては2ZnCO・3Zn(OH)、亜鉛の硫酸化合物の例としては、ZnSO・7HOなどが挙げられる。 An example of zinc oxide is ZnO, an example of zinc hydroxide is Zn (OH) 2 , an example of zinc basic carbonate compound is 2ZnCO 3.3 Zn (OH) 2 , and a zinc sulfate compound. Examples of the above include ZnSO 4.7H 2 O and the like.

亜鉛を備える金属体の表面に元素Aの酸化物、元素Aの水酸化物、元素Aの塩基性炭酸化合物、および元素Aの硫酸化合物の何れかが少なくとも1種存在すると、水素発生を抑制することができる。また、これらの化合物が亜鉛を備える金属体の表面に存在すると、亜鉛を備える金属体と酸化物との密着性が向上し、電子伝導のパスを増やすことができることからサイクル特性の向上と、低抵抗化が可能である。 When at least one of an oxide of element A, a hydroxide of element A, a basic carbonic acid compound of element A, and a sulfuric acid compound of element A is present on the surface of a metal body containing zinc, hydrogen generation is suppressed. be able to. Further, when these compounds are present on the surface of the metal body containing zinc, the adhesion between the metal body containing zinc and the oxide can be improved, and the path of electron conduction can be increased, so that the cycle characteristics are improved and the value is low. Resistance is possible.

亜鉛を備える金属体に元素Aを含む化合物を含んでいるかどうかは、下記のとおり電池を分解し、その後、例えば誘導結合プラズマ(Inductively Coupled Plasma;ICP)発光分析を行うことで、調べることができる。 Whether or not the metal body containing zinc contains a compound containing the element A can be investigated by disassembling the battery as described below and then performing, for example, inductively coupled plasma (ICP) emission analysis. ..

電池は、次のように分解できる。例えば、初回充電を実施済みの電池を放電した後、この電池を解体して負極を取り出す。取り出した負極を純水で30分間洗浄した後、80℃の温度環境下で24時間真空乾燥させる。乾燥後、温度を25℃に戻し、負極を取り出す。 The battery can be disassembled as follows. For example, after discharging the battery that has been charged for the first time, the battery is disassembled and the negative electrode is taken out. The removed negative electrode is washed with pure water for 30 minutes and then vacuum dried in a temperature environment of 80 ° C. for 24 hours. After drying, the temperature is returned to 25 ° C. and the negative electrode is taken out.

亜鉛を備える金属体の厚さは適宜設定することができる。 The thickness of the metal body containing zinc can be appropriately set.

酸化物は酸化チタン、酸化タングステンから選ばれるいずれか一つであることが好ましい。このような酸化物は-1.4 V(vs. SCE)以上-1.0 V(vs. SCE)以下の電位領域でリチウムを吸蔵放出することから、亜鉛の溶解及び析出電位に近い。このためリチウムの吸蔵及び放出と亜鉛の溶解及び析出の混成反応を行うことが出来る。酸化タングステンは、例えば、単斜晶型構造を有し、組成式WO3-x(0≦x≦0.2)で表される化合物である。酸化チタンは、例えば、組成式TiO2-x(0≦x≦0.2)で表される化合物であり、酸化チタンには、例えば、単斜晶構造の酸化チタン、ルチル構造の酸化チタン、アナターゼ構造の酸化チタンが含まれる。各結晶構造の酸化チタンは、充電前の組成をTiO、充電後の組成をLiTiO(xは0≦x≦1)と表すこともできる。また、単斜晶構造の酸化チタンの充電前構造をTiO(B)と表すことができる。アナターゼ型酸化チタンを用いると、リチウム吸蔵・放出時における容量が大きいため自己放電反応量も増やすことが可能となることから、亜鉛の析出量が向上し負極容量を高めることが出来るため、より好ましい。 The oxide is preferably any one selected from titanium oxide and tungsten oxide. Since such an oxide occludes and releases lithium in a potential region of -1.4 V (vs. SCE) or more and -1.0 V (vs. SCE) or less, it is close to the dissolution and precipitation potential of zinc. Therefore, a hybrid reaction of lithium occlusion and release and zinc dissolution and precipitation can be performed. Tungsten trioxide is, for example, a compound having a monoclinic structure and represented by the composition formula WO 3-x (0 ≦ x ≦ 0.2). Titanium oxide is, for example, a compound represented by the composition formula TiO 2-x (0 ≦ x ≦ 0.2), and examples of titanium oxide include titanium oxide having a monoclinic structure and titanium oxide having a rutile structure. Includes titanium oxide with anatase structure. The composition of titanium oxide having each crystal structure can be expressed as TiO 2 before charging and Li x TiO 2 (x is 0 ≦ x ≦ 1) after charging. Further, the pre-charging structure of titanium oxide having a monoclinic structure can be expressed as TiO 2 (B). It is more preferable to use anatase-type titanium oxide because it has a large capacity during lithium storage and release, so that the self-discharge reaction amount can be increased, and the zinc precipitation amount can be improved to increase the negative electrode capacity. ..

酸化物の電位領域は次のように測定する。 The potential region of the oxide is measured as follows.

リチウムの吸蔵・放出電位は、参照極を飽和カロメル電極とする三電極式のセルを構成し、サイクリックボルタンメトリー測定(CV測定)を行うことによりリチウムの吸蔵・放出電位に帰属されるピークの位置を確認することにより、測定することが出来る。測定条件は、例えば、電解質は二次電池にて構成する電解質濃度と同一のリチウムのモル濃度とし、支持塩としてLiCl塩、掃引速度10 mV/secの条件で実施する。 The occlusion / release potential of lithium constitutes a three-electrode cell with a reference electrode as a saturated calomel electrode, and the position of the peak assigned to the occlusion / release potential of lithium by performing cyclic voltammetry measurement (CV measurement). It can be measured by confirming. The measurement conditions are, for example, that the electrolyte has a molar concentration of lithium that is the same as the concentration of the electrolyte composed of the secondary battery, the LiCl salt is used as the supporting salt, and the sweep rate is 10 mV / sec.

また、前述の酸化チタン又は/及び酸化タングステンに加え、リチウムチタン酸化物およびリチウムチタン複合酸化物からなる群より選択される1種類又は2種類以上の化合物も含んでいてもよい。リチウムチタン酸化物やリチウムチタン複合酸化物は、亜鉛の溶解析出の電位領域よりも卑な電位領域でリチウム吸蔵・放出反応が進行する。このため、酸化チタン及び酸化タングステンと混合することにより、例えば、充電時の負極側の過充電による急峻な電位変化を制御することに用いることが期待出来るからである。 Further, in addition to the above-mentioned titanium oxide and / and tungsten oxide, one kind or two or more kinds of compounds selected from the group consisting of lithium titanium oxide and lithium titanium composite oxide may be contained. In the lithium titanium oxide and the lithium titanium composite oxide, the lithium occlusion / release reaction proceeds in a potential region lower than the potential region of dissolution and precipitation of zinc. Therefore, by mixing with titanium oxide and tungsten oxide, for example, it can be expected to be used for controlling a steep potential change due to overcharging on the negative electrode side during charging.

リチウムチタン複合酸化物の例に、ニオブチタン酸化物およびナトリウムニオブチタン酸化物が含まれる。これらの化合物のリチウム吸蔵電位は、1V(vs.Li/Li)以上3V(vs.Li/Li)以下の範囲であることが望ましい。 Examples of lithium-titanium composite oxides include niobium-titanium oxide and sodium niobium-titanium oxide. The lithium occlusion potential of these compounds is preferably in the range of 1 V (vs. Li / Li + ) or more and 3 V (vs. Li / Li + ) or less.

リチウムチタン酸化物の例に、スピネル構造リチウムチタン酸化物(例えば一般式Li4+xTi12(xは-1≦x≦3))、ラムスデライト構造のリチウムチタン酸化物(例えば、Li2+xTi(-1≦x≦3))、Li1+xTi(0≦x≦1)、Li1.1+xTi1.8(0≦x≦1)、Li1.07+xTi1.86(0≦x≦1)、LiTiO(0<x≦1)などが含まれる。また、リチウムチタン酸化物は、例えばこれらスピネル構造またはラムスデライト構造のリチウムチタン酸化物に異種元素が導入されているリチウムチタン複合酸化物を含む。 Examples of lithium titanium oxides include spinel-structured lithium titanium oxides (for example, the general formula Li 4 + x Ti 5 O 12 (x is -1 ≦ x ≦ 3)) and rams delite structure lithium titanium oxides (for example, Li 2 + x Ti). 3 O 7 (-1 ≤ x ≤ 3)), Li 1 + x Ti 2 O 4 (0 ≤ x ≤ 1), Li 1.1 + x Ti 1.8 O 4 (0 ≤ x ≤ 1), Li 1.07 + x Ti 1.86 O 4 (0 ≦ x ≦ 1), Li x TiO 2 (0 <x ≦ 1) and the like are included. Further, the lithium titanium oxide includes, for example, a lithium titanium composite oxide in which a different element is introduced into the lithium titanium oxide having a spinel structure or a rams delight structure.

ニオブチタン酸化物の例に、LiTiMNb2±β7±σ(0≦a≦5、0≦b≦0.3、0≦β≦0.3、0≦σ≦0.3、MはFe、V、Mo及びTaよりなる群から選択される少なくとも1種の元素)で表されるものが含まれる。 Examples of niobium titanium oxides include Li a TiM b Nb 2 ± β O 7 ± σ (0 ≦ a ≦ 5, 0 ≦ b ≦ 0.3, 0 ≦ β ≦ 0.3, 0 ≦ σ ≦ 0.3, M includes those represented by at least one element selected from the group consisting of Fe, V, Mo and Ta).

ナトリウムニオブチタン酸化物の例に、一般式Li2+vNa2-wM1Ti6-y-zNbM214+δ(0≦v≦4、0<w<2、0≦x<2、0<y<6、0≦z<3、y+z<6、-0.5≦δ≦0.5、M1はCs、K、Sr、Ba、Caより選択される少なくとも1つを含み、M2はZr、Sn、V、Ta、Mo、W、Fe、Co、Mn、Alより選択される少なくとも1つを含む)で表される斜方晶型Na含有ニオブチタン複合酸化物が含まれる。 An example of sodium niobium titanium oxide is the general formula Li 2 + v Na 2-w M1 x Ti 6-y-z Nby M2 z O 14 + δ (0 ≦ v ≦ 4, 0 <w <2, 0 ≦ x <2, 0 <y <6, 0 ≦ z <3, y + z <6, −0.5 ≦ δ ≦ 0.5, M1 contains at least one selected from Cs, K, Sr, Ba, Ca, and M2 is Includes an orthodox Na-containing niobium-titanium composite oxide represented by (including at least one selected from Zr, Sn, V, Ta, Mo, W, Fe, Co, Mn, Al).

前述の酸化チタン及び酸化タングステンに加えて含むことのできる酸化物として、より好ましい化合物にスピネル構造のリチウムチタン酸化物が挙げられる。スピネル構造のリチウムチタン酸化物は、リチウム吸蔵電位が1.4V(vs.Li/Li)以上2V(vs.Li/Li)以下の範囲であるため、例えば正極活物質としてのリチウムマンガン酸化物と組み合わせることで、高い起電力を得ることができ、さらに充放電反応による体積変化が極めて少ないため、より好ましい。 Examples of the oxide that can be contained in addition to the above-mentioned titanium oxide and tungsten oxide include lithium titanium oxide having a spinel structure as a more preferable compound. Since the lithium titanium oxide having a spinel structure has a lithium occlusion potential in the range of 1.4 V (vs. Li / Li + ) or more and 2 V (vs. Li / Li + ) or less, for example, lithium manganese oxidation as a positive electrode active material. It is more preferable to combine it with an object because a high electromotive force can be obtained and the volume change due to the charge / discharge reaction is extremely small.

負極に含まれる酸化物の組成は、ICP発光分光法により測定することができる。酸化物の組成をICP発光分光法により測定するには、具体的には以下の手順により行う。 The composition of the oxide contained in the negative electrode can be measured by ICP emission spectroscopy. To measure the composition of the oxide by ICP emission spectroscopy, the procedure is specifically as follows.

まず、先に説明した手順により、二次電池から、負極を取り出し、洗浄する。洗浄した負極を適切な溶媒中に入れて超音波を照射する。例えば、ガラスビーカー中に入れたエチルメチルカーボネートに負極を入れ、超音波洗浄機中で振動させることで、亜鉛を備える金属体から負極酸化物層を剥離することができる。次に、減圧乾燥を行い、剥離した負極酸化物層を乾燥する。得られた負極酸化物層を乳鉢などで粉砕することで、対象とする酸化物、導電剤、結着剤などを含む粉末となる。この粉末を、酸で溶解することで、酸化物を含む液体サンプルを作製できる。このとき、酸としては塩酸、硝酸、硫酸、フッ化水素などを使用できる。この液体サンプルをICP発光分光分析に供することで、酸化物の組成を特定することができる。 First, the negative electrode is taken out from the secondary battery and cleaned by the procedure described above. The washed negative electrode is placed in a suitable solvent and irradiated with ultrasonic waves. For example, the negative electrode oxide layer can be peeled off from the metal body containing zinc by putting the negative electrode in the ethyl methyl carbonate put in the glass beaker and vibrating it in the ultrasonic cleaner. Next, vacuum drying is performed to dry the peeled negative electrode oxide layer. By pulverizing the obtained negative electrode oxide layer with a mortar or pestle, a powder containing the target oxide, a conductive agent, a binder and the like can be obtained. By dissolving this powder with an acid, a liquid sample containing an oxide can be prepared. At this time, hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, hydrogen fluoride and the like can be used as the acid. By subjecting this liquid sample to ICP emission spectroscopic analysis, the composition of the oxide can be specified.

また、酸化物が酸化チタンと酸化タングステンとの少なくとも一つを含むかどうかは、X線回折測定(X-ray diffraction)によりピーク位置を観察し、ピーク位置についてX線回折データベースにおける酸化チタン、酸化タングステンの結晶構造に由来するピーク位置との整合を確認することで調べることが出来る。 To determine whether the oxide contains at least one of titanium oxide and tungsten oxide, observe the peak position by X-ray diffraction, and check the peak position of titanium oxide and oxidation in the X-ray diffraction database. It can be investigated by confirming the matching with the peak position derived from the crystal structure of tungsten.

酸化物は、粒子の形態で負極酸化物層に含有され得る。負極酸化物は、単独の一次粒子、一次粒子の凝集体である二次粒子、あるいは、単独の一次粒子と二次粒子の混合物であり得る。粒子の形状は、特に限定されるものではなく、例えば、球状、楕円形状、扁平形状、繊維状等にすることができる。 The oxide can be contained in the negative electrode oxide layer in the form of particles. The negative electrode oxide can be a single primary particle, a secondary particle which is an aggregate of the primary particles, or a mixture of a single primary particle and a secondary particle. The shape of the particles is not particularly limited, and may be, for example, spherical, elliptical, flat, fibrous, or the like.

酸化物の二次粒子の平均粒子径(直径)が、3μm以上であることが好ましい。より好ましくは5μm以上20μm以下である。この範囲であると、酸化物の表面積が小さいため、水素発生を抑制する効果を高めることができる。 The average particle size (diameter) of the secondary particles of the oxide is preferably 3 μm or more. More preferably, it is 5 μm or more and 20 μm or less. Within this range, the surface area of the oxide is small, so that the effect of suppressing hydrogen generation can be enhanced.

二次粒子の平均粒子径が3μm以上の負極酸化物は、例えば、次の方法で得られる。先ず、酸化物原料を反応合成して平均粒子径1μm以下の酸化物前駆体を作製する。その後、酸化物前駆体に対し焼成処理を行い、ボールミルやジェトミルなどの粉砕機を用いて粉砕処理を施す。次いで焼成処理において、酸化物前駆体を凝集して粒子径の大きい二次粒子に成長させる。 Negative electrode oxides having an average particle size of secondary particles of 3 μm or more can be obtained, for example, by the following method. First, an oxide raw material is reacted and synthesized to prepare an oxide precursor having an average particle diameter of 1 μm or less. After that, the oxide precursor is fired and then crushed using a crusher such as a ball mill or a jet mill. Then, in the calcination process, the oxide precursor is aggregated and grown into secondary particles having a large particle size.

負極中に含まれる酸化物の平均一次粒子径は0.01μm以上0.1μm以下であることが好ましい。酸化物の平均一次粒子径がこの範囲内にあることで、亜鉛のデンドライトの析出径を微小化することが可能であり、デンドライトの析出による過電圧の増加や短絡を抑制することが可能となる。また、酸化物の結晶子径を1 nm以上50 nm以下とすることにより、非晶質に近い状態となり、電位集中を抑制することができるためデンドライトの析出をさらに抑制することが可能となる。結晶子径は酸化物の粉末あるいは電極において広角X線散乱測定において観察されるメインピークから算出されるシェラー式(Scherrer equation)により算出することが出来る。 The average primary particle size of the oxide contained in the negative electrode is preferably 0.01 μm or more and 0.1 μm or less. When the average primary particle size of the oxide is within this range, it is possible to reduce the precipitation diameter of zinc dendrites, and it is possible to suppress an increase in overvoltage and a short circuit due to dendrite precipitation. Further, by setting the crystallite diameter of the oxide to 1 nm or more and 50 nm or less, the state becomes close to amorphous, and the potential concentration can be suppressed, so that the precipitation of dendrite can be further suppressed. The crystallite diameter can be calculated by the Scherrer equation calculated from the main peak observed in the wide-angle X-ray scattering measurement on the oxide powder or the electrode.

酸化物は、N析出によるBET法での比表面積が10m/g以上350m/g以下の範囲であることが望ましい。これにより、反応面が増加することから、亜鉛の酸化物表面上での析出面積が増えるためにデンドライト状の析出をより抑制することが可能となると共に亜鉛の析出量が増えることから二次電池の容量を増やすことができる。10m/g未満では、亜鉛の溶解析出可能な反応面が少ないため、放電容量が得られずデンドライトが形成しやすくなるため好ましくない。また、350m/gを超えるとアモルファス状となり酸化物の骨格構造が崩れているため、リチウムの吸蔵及び放出が可逆に進行させることが出来なくなるため、好ましくない。また、比表面積のより好ましい範囲は、10m/g以上300m/g以下である。これは亜鉛の析出及び溶解反応を進行させるのに十分な面積をもっており、デンドライトの析出を抑制しながら可逆な亜鉛の析出及び溶解反応を進行させることができるからである。 It is desirable that the specific surface area of the oxide by the BET method by N 2 precipitation is in the range of 10 m 2 / g or more and 350 m 2 / g or less. As a result, since the reaction surface increases, the precipitation area on the zinc oxide surface increases, so that dendrite-like precipitation can be further suppressed, and the zinc precipitation amount increases, so that the secondary battery You can increase the capacity of. If it is less than 10 m 2 / g, since there are few reaction surfaces on which zinc can be dissolved and deposited, a discharge capacity cannot be obtained and dendrites are likely to be formed, which is not preferable. Further, if it exceeds 350 m 2 / g, it becomes amorphous and the skeleton structure of the oxide is collapsed, so that the occlusion and release of lithium cannot proceed reversibly, which is not preferable. Further, a more preferable range of the specific surface area is 10 m 2 / g or more and 300 m 2 / g or less. This is because it has a sufficient area for advancing the zinc precipitation and dissolution reaction, and the reversible zinc precipitation and dissolution reaction can be promoted while suppressing the precipitation of dendrite.

また、負極酸化物層は、亜鉛を備える金属体上に担持された負極酸化物、導電剤及び結着剤を含む多孔質の層であり得る。 Further, the negative electrode oxide layer may be a porous layer containing a negative electrode oxide, a conductive agent and a binder supported on a metal body containing zinc.

酸化物の比表面積の測定は、粉体粒子表面に吸着占有面積が既知である分子を液体窒素の温度で吸着させ、その量から試料の比表面積を求める方法を用いる。最も良く利用されるのが不活性気体の低温低湿物理吸着によるBET法である。このBET法は、単分子層吸着理論であるLangmuir理論を多分子層吸着に拡張した、比表面積の計算方法として最も有名な理論であるBET理論に基づく方法である。これにより求められた比表面積のことを、BET比表面積と称する。 The specific surface area of the oxide is measured by adsorbing a molecule having a known adsorption area on the surface of the powder particles at the temperature of liquid nitrogen and obtaining the specific surface area of the sample from the amount thereof. The most commonly used is the BET method by low-temperature, low-humidity physical adsorption of an inert gas. This BET method is a method based on the BET theory, which is the most famous method for calculating the specific surface area, which is an extension of the Langmuir theory, which is a single-layer adsorption theory, to multi-layer adsorption. The specific surface area obtained by this is referred to as a BET specific surface area.

二次電池の負極から酸化物を取り出して比表面積を確認する際は以下の方法で実施する。まず、二次電池から負極を取り出して十分に洗浄する。次に、取り出した負極から負極酸化物層を剥離する。剥離した負極酸化物層を乳鉢で粉砕し、粉末にする。得られた粉末についてBET法による測定を行う。このとき、導電剤やバインダーの配合量が多いと、負極に含まれている正確な酸化物の比表面積の値が得られない可能性がある。このような場合は、例えばバインダーが可溶な溶媒を用いてバインダーを溶解させ、遠心分離を用いて副部剤を分離して評価を行うことが好ましい。このとき、酸化物の表面形態が変化しないように留意する。分離処理による表面形状の変化や、十分に分離が行われているかの可否は、走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscopy;SEM)及び透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscopy;TEM)を用いて判断することが出来る。 When the oxide is taken out from the negative electrode of the secondary battery and the specific surface area is confirmed, it is carried out by the following method. First, the negative electrode is taken out from the secondary battery and thoroughly washed. Next, the negative electrode oxide layer is peeled off from the removed negative electrode. The peeled negative electrode oxide layer is crushed in a mortar to make a powder. The obtained powder is measured by the BET method. At this time, if the amount of the conductive agent or the binder is large, it may not be possible to obtain an accurate specific surface area value of the oxide contained in the negative electrode. In such a case, it is preferable to dissolve the binder using, for example, a solvent in which the binder is soluble, and separate the accessory agent by centrifugation to perform the evaluation. At this time, care should be taken not to change the surface morphology of the oxide. The change in surface shape due to the separation process and whether or not the separation is sufficient should be determined using a scanning electron microscope (SEM) and a transmission electron microscope (TEM). Can be done.

負極の多孔度(亜鉛を備える金属体を除く)は、20%~50%の範囲にすることが望ましい。これにより、負極と電解質との親和性に優れ、かつ高密度な負極を得ることができる。多孔度のさらに好ましい範囲は、25%~40%である。 The porosity of the negative electrode (excluding the metal body containing zinc) is preferably in the range of 20% to 50%. As a result, it is possible to obtain a negative electrode having excellent affinity between the negative electrode and the electrolyte and having a high density. A more preferred range of porosity is 25% -40%.

導電剤としては、アセチレンブラック、カーボンブラック、コークス、炭素繊維、黒鉛などの炭素材料やニッケル、亜鉛などの金属粉末を挙げることができる。導電剤の種類は1種類または2種類以上にすることができる。炭素材料は、それ自身から水素が発生するため、導電剤には金属粉末を使用することが望ましい。 Examples of the conductive agent include carbon materials such as acetylene black, carbon black, coke, carbon fiber and graphite, and metal powders such as nickel and zinc. The type of the conductive agent can be one type or two or more types. Since hydrogen is generated from the carbon material itself, it is desirable to use a metal powder as the conductive agent.

結着剤としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、フッ素系ゴム、エチレン-ブタジエンゴム、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ポリイミド(PI)、ポリアクリルイミド(PAI)などが挙げられる。結着剤の種類は1種類または2種類以上にすることができる。 Examples of the binder include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), fluorine-based rubber, ethylene-butadiene rubber, polypropylene (PP), polyethylene (PE), carboxymethyl cellulose (CMC), and polyimide ( PI), polyacrylicimide (PAI) and the like can be mentioned. The type of binder may be one type or two or more types.

酸化物、導電剤及び結着剤の負極酸化物層における配合比については、酸化物は70重量%以上95重量%以下、導電剤は3重量%以上20重量%以下、結着剤は2重量%以上10重量%以下の範囲にすることが好ましい。導電剤の配合比が3重量%以上であれば負極の導電性を良好にすることができ、20重量%以下であれば導電剤表面での電解質の分解を低減することができる。結着剤の配合比が2重量%以上であれば十分な電極強度が得られ、10重量%以下であれば電極の絶縁部を減少させることが出来る。 Regarding the compounding ratio of the oxide, the conductive agent and the binder in the negative electrode oxide layer, the oxide is 70% by weight or more and 95% by weight or less, the conductive agent is 3% by weight or more and 20% by weight or less, and the binder is 2% by weight. It is preferably in the range of% or more and 10% by weight or less. When the compounding ratio of the conductive agent is 3% by weight or more, the conductivity of the negative electrode can be improved, and when it is 20% by weight or less, the decomposition of the electrolyte on the surface of the conductive agent can be reduced. When the compounding ratio of the binder is 2% by weight or more, sufficient electrode strength can be obtained, and when it is 10% by weight or less, the insulating portion of the electrode can be reduced.

負極は、例えば次のようにして作製することができる。先ず、酸化物、導電剤及び結着剤を適切な溶媒に分散させてスラリーを調製する。このスラリーを亜鉛を備える金属体に塗布し、塗膜を乾燥させることで亜鉛を備える金属体上に負極酸化物層を形成する。ここで、例えばスラリーを亜鉛を備える金属体上の1つの面に塗布してもよく、またはスラリーを亜鉛を備える金属体上の1つの面とその裏面とに塗布してもよい。次いで、亜鉛を備える金属体と負極酸化物層とに対し、例えば加熱プレスなどのプレスを施すことにより負極を作製することができる。 The negative electrode can be manufactured, for example, as follows. First, an oxide, a conductive agent and a binder are dispersed in an appropriate solvent to prepare a slurry. This slurry is applied to a metal body containing zinc and the coating film is dried to form a negative electrode oxide layer on the metal body containing zinc. Here, for example, the slurry may be applied to one surface on the metal body containing zinc, or the slurry may be applied to one surface on the metal body containing zinc and its back surface. Next, the negative electrode can be produced by applying a press such as a heating press to the metal body containing zinc and the negative electrode oxide layer.

2)正極
この正極は、正極集電体と、正極集電体の片面もしくは両面に担持され、活物質、導電剤および結着剤を含む正極合材層(正極活物質含有層)とを有することができる。
2) Positive electrode This positive electrode has a positive electrode current collector and a positive electrode mixture layer (positive electrode active material-containing layer) supported on one or both sides of the positive electrode current collector and containing an active material, a conductive agent and a binder. be able to.

正極集電体としてはステンレス、Al、Tiなどの金属からなる箔、多孔体、メッシュを用いることが好ましい。集電体と電解質との反応による集電体の腐食を防止するため、集電体表面を異種元素で被覆してもよい。また、亜鉛を含んでいてもよい。 As the positive electrode current collector, it is preferable to use a foil, a porous body, or a mesh made of a metal such as stainless steel, Al, or Ti. In order to prevent corrosion of the current collector due to the reaction between the current collector and the electrolyte, the surface of the current collector may be coated with a different element. It may also contain zinc.

正極活物質には、リチウムやナトリウムを吸蔵放出可能なものが使用され得る。正極は、1種類の正極活物質を含んでも良く、或いは2種類以上の正極活物質を含むことができる。正極活物質の例には、リチウムマンガン複合酸化物、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムコバルトアルミニウム複合酸化物、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物、スピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物、リチウムマンガンコバルト複合酸化物、リチウム鉄酸化物、リチウムフッ素化硫酸鉄、オリビン結晶構造のリン酸化合物(例えば、LiFePO(0≦x≦1)、LiMnPO(0≦x≦1))などが含まれる。オリビン結晶構造のリン酸化合物は、熱安定性に優れている。 As the positive electrode active material, a substance capable of occluding and releasing lithium or sodium can be used. The positive electrode may contain one kind of positive electrode active material, or may contain two or more kinds of positive electrode active materials. Examples of positive electrode active materials include lithium manganese composite oxide, lithium nickel composite oxide, lithium cobalt aluminum composite oxide, lithium nickel cobalt manganese composite oxide, spinel type lithium manganese nickel composite oxide, and lithium manganese cobalt composite oxide. , Lithium iron oxide, lithium fluorinated iron sulfate, phosphoric acid compounds having an olivine crystal structure (for example, Li x FePO 4 (0 ≦ x ≦ 1), Li x MnPO 4 (0 ≦ x ≦ 1)) and the like. .. The phosphoric acid compound having an olivine crystal structure has excellent thermal stability.

高い正極電位の得られる正極活物質の例を以下に記載する。例えばスピネル構造のLiMn(0<x≦1)、LiMnO(0<x≦1)などのリチウムマンガン複合酸化物、例えばLiNi1-yAl(0<x≦1、0<y≦1)などのリチウムニッケルアルミニウム複合酸化物、例えばLiCoO(0<x≦1)などのリチウムコバルト複合酸化物、例えばLiNi1-y-zCoMn(0<x≦1、0<y≦1、0≦z≦1)などのリチウムニッケルコバルト複合酸化物、例えばLiMnCo1-y(0<x≦1、0<y≦1)などのリチウムマンガンコバルト複合酸化物、例えばLiMn2-yNi(0<x≦1、0<y<2)などのスピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物、例えばLiFePO(0<x≦1)、LiFe1-yMnPO(0<x≦1、0≦y≦1)、LiCoPO(0<x≦1)などのオリビン構造を有するリチウムリン酸化物、フッ素化硫酸鉄(例えばLiFeSOF(0<x≦1))が挙げられる。 Examples of positive electrode active materials that can obtain a high positive electrode potential are described below. For example, lithium manganese composite oxides such as Li x Mn 2 O 4 (0 <x ≦ 1) and Li x MnO 2 (0 <x ≦ 1) having a spinel structure, for example, Li x Ni 1-y Ally O 2 (0). Lithium nickel-aluminum composite oxides such as <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1), such as lithium cobalt composite oxides such as Li x CoO 2 (0 <x ≦ 1), such as Li x Ni 1-yz Co. Lithium nickel-cobalt composite oxides such as y Mn z O 2 (0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1), such as Li x Mn y Co 1-y O 2 (0 <x ≦ 1). , 0 <y ≦ 1) and other lithium manganese cobalt composite oxides, for example spinel type lithium manganese nickel composite oxides such as Li x Mn 2-y Ny O 4 (0 <x ≦ 1, 0 <y <2). For example, Li x FePO 4 (0 <x ≦ 1), Li x Fe 1-y Mn y PO 4 (0 <x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1), Li x CoPO 4 (0 <x ≦ 1), etc. Examples thereof include a lithium phosphorus oxide having an olivine structure and iron fluorinated iron sulfate (for example, Li x FeSO 4 F (0 <x ≦ 1)).

また、ナトリウムマンガン複合酸化物、ナトリウムニッケル複合酸化物、ナトリムコバルト複合酸化物、ナトリムニッケルコバルトマンガン複合酸化物、ナトリウム鉄複合酸化物、ナトリウムリン酸化物(例えば、ナトリウムリン酸鉄、ナトリウムリン酸バナジウム)、ナトリウム鉄マンガン複合酸化物、ナトリウムニッケルチタン複合酸化物、ナトリウムニッケル鉄複合酸化物、ナトリウムニッケルマンガン複合酸化物などが含まれる。 In addition, sodium manganese composite oxide, sodium nickel composite oxide, Natrim cobalt composite oxide, Natrim nickel cobalt manganese composite oxide, sodium iron composite oxide, sodium phosphate oxide (for example, iron sodium phosphate, vanadium sodium phosphate). ), Sodium iron manganese composite oxide, sodium nickel titanium composite oxide, sodium nickel iron composite oxide, sodium nickel manganese composite oxide and the like.

好ましい正極活物質の例に、鉄複合酸化物(例えばNaFeO、0≦y≦1)、鉄マンガン複合酸化物(例えばNaFe1-xMn、0<x<1、0≦y≦1)、ニッケルチタン複合酸化物(例えばNaNi1-xTi、0<x<1、0≦y≦1)、ニッケル鉄複合酸化物(例えばNaNi1-xFe、0<x<1、0≦y≦1)、ニッケルマンガン複合酸化物(例えばNaNi1-xMn、0<x<1、0≦y≦1)、ニッケルマンガン鉄複合酸化物(例えばNaNi1-x-zMnFe、0<x<1、0≦y≦1、0<z<1、0<1-x-z<1)、リン酸鉄(例えばNaFePO、0≦y≦1)が含まれる。 Examples of preferred positive electrode active materials include iron composite oxides (eg, Ny FeO 2 , 0 ≦ y ≦ 1), iron manganese composite oxides (eg, Ny Fe 1-x Mn x O 2 , 0 <x <1, 0 ≦ y ≦ 1), nickel-titanium composite oxide (for example, Na y Ni 1-x Ti x O 2 , 0 <x <1, 0 ≦ y ≦ 1), nickel iron composite oxide (for example, Na y Ni 1- ). x Fe x O 2 , 0 <x <1, 0 ≦ y ≦ 1), nickel-manganese composite oxide (eg, Ny Ni 1-x Mn x O 2 , 0 <x <1, 0 ≦ y ≦ 1), Nickel manganese iron composite oxide (for example, Ny Ni 1-x-z Mn x Fe z O 2 , 0 <x <1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 <z <1, 0 <1-x-z <1 ), Iron phosphate (eg, Nay FePO 4 , 0 ≦ y ≦ 1).

正極活物質の粒子は、単独の一次粒子、一次粒子の凝集体である二次粒子、または単独の一次粒子と二次粒子の双方を含むものであり得る。正極活物質の一次粒子の平均粒子径(直径)は10μm以下であることが好ましく、より好ましくは0.1μm~5μmである。正極活物質の二次粒子の平均粒子径(直径)は100μm以下であることが好ましく、より好ましくは10μm~50μmである。 The particles of the positive electrode active material can be single primary particles, secondary particles that are aggregates of primary particles, or both single primary particles and secondary particles. The average particle diameter (diameter) of the primary particles of the positive electrode active material is preferably 10 μm or less, more preferably 0.1 μm to 5 μm. The average particle diameter (diameter) of the secondary particles of the positive electrode active material is preferably 100 μm or less, and more preferably 10 μm to 50 μm.

正極活物質の粒子表面の少なくとも一部が炭素材料で被覆されていることが好ましい。炭素材料は、層構造、粒子構造、あるいは粒子の集合体の形態をとり得る。 It is preferable that at least a part of the particle surface of the positive electrode active material is covered with a carbon material. The carbon material can be in the form of a layered structure, a particle structure, or an aggregate of particles.

正極合材層の電子伝導性を高め、集電体との接触抵抗を抑えるための導電剤としては、例えば、アセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛、平均繊維径1μm以下の炭素繊維等を挙げることができる。導電剤の種類は1種類又は2種類以上にすることができる。 Examples of the conductive agent for increasing the electron conductivity of the positive electrode mixture layer and suppressing the contact resistance with the current collector include acetylene black, carbon black, graphite, and carbon fibers having an average fiber diameter of 1 μm or less. can. The type of the conductive agent can be one type or two or more types.

活物質と導電剤とを結着させるための結着剤は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、フッ素系ゴム、エチレン-ブタジエンゴム(SBR)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ポリイミド(PI)、ポリアクリルイミド(PAI)を含む。結着剤の種類は1種類又は2種類以上にすることができる。 The binder for binding the active material and the conductive agent is, for example, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), fluorine-based rubber, ethylene-butadiene rubber (SBR), polypropylene (PP). , Polyethylene (PE), Carboxymethylcellulose (CMC), Polyimide (PI), Polyacrylicimide (PAI). The type of binder may be one type or two or more types.

正極活物質、導電剤及び結着剤の正極合材層における配合比については、正極活物質は70重量%以上95重量%以下、導電剤は3重量%以上20重量%以下、結着剤は2重量%以上10重量%以下の範囲にすることが好ましい。導電剤の配合比が3重量%以上であれば正極の導電性を良好にすることができ、20重量%以下であれば導電剤表面での電解質の分解を低減することができる。結着剤の配合比が2重量%以上であれば十分な電極強度が得られ、10重量%以下であれば電極の絶縁部を減少させることが出来る。 Regarding the compounding ratio of the positive electrode active material, the conductive agent and the binder in the positive electrode mixture layer, the positive electrode active material is 70% by weight or more and 95% by weight or less, the conductive agent is 3% by weight or more and 20% by weight or less, and the binder is. It is preferably in the range of 2% by weight or more and 10% by weight or less. When the compounding ratio of the conductive agent is 3% by weight or more, the conductivity of the positive electrode can be improved, and when it is 20% by weight or less, the decomposition of the electrolyte on the surface of the conductive agent can be reduced. When the compounding ratio of the binder is 2% by weight or more, sufficient electrode strength can be obtained, and when it is 10% by weight or less, the insulating portion of the electrode can be reduced.

正極は、例えば次のようにして作製することができる。先ず、正極活物質、導電剤及び結着剤を適切な溶媒に分散させてスラリーを調製する。このスラリーを集電体に塗布し、塗膜を乾燥させることで集電体上に正極合材層を形成する。ここで、例えばスラリーを集電体上の1つの面に塗布してもよく、またはスラリーを集電体上の1つの面とその裏面とに塗布してもよい。次いで、集電体と正極合材層とに対し、例えば加熱プレスなどのプレスを施すことにより正極を作製することができる。 The positive electrode can be produced, for example, as follows. First, a positive electrode active material, a conductive agent and a binder are dispersed in an appropriate solvent to prepare a slurry. This slurry is applied to the current collector and the coating film is dried to form a positive electrode mixture layer on the current collector. Here, for example, the slurry may be applied to one surface on the current collector, or the slurry may be applied to one surface on the current collector and its back surface. Next, the positive electrode can be produced by applying a press such as a heating press to the current collector and the positive electrode mixture layer.

また、正極合材層には亜鉛を粒子の状態で含んでいても良い。
3)電解質
電解質には、亜鉛と、リチウム塩と、水系溶媒とを含む電解質と、この電解質に高分子材料を複合化したゲル状電解質が挙げられる。この電解質を水系電解質ともいう。前述の高分子材料としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリエチレンオキサイド(PEO)等を挙げることができる。ここでは、電解質について説明する。亜鉛は金属単体であっても良いし、或いは、単体の金属、酸化物、塩化物、硫化物、硝酸塩、硫酸塩、及び水酸化物塩から成る群より選択される1つ、または2つ以上の組合せであっても良い。また、亜鉛は電解質中にイオンでも固体でも存在することができる。
Further, the positive electrode mixture layer may contain zinc in the form of particles.
3) Electrolyte Examples of the electrolyte include an electrolyte containing zinc, a lithium salt, and an aqueous solvent, and a gel-like electrolyte in which a polymer material is compounded with the electrolyte. This electrolyte is also called an aqueous electrolyte. Examples of the above-mentioned polymer material include polyvinylidene fluoride (PVdF), polyacrylonitrile (PAN), polyethylene oxide (PEO) and the like. Here, the electrolyte will be described. Zinc may be a simple substance of metal, or one or more selected from the group consisting of elemental metals, oxides, chlorides, sulfides, nitrates, sulfates, and hydroxide salts. It may be a combination of. Zinc can also be present in the electrolyte as an ion or as a solid.

リチウム塩としては、水系溶媒に溶解したときに解離してアニオンを生じさせるものを用いることができる。特に、Liイオンとアニオンとに解離するリチウム塩が好ましい。このようなリチウム塩としては、例えばLiNO、LiCl、LiSO、LiOHなどを挙げることができる。 As the lithium salt, one that dissociates when dissolved in an aqueous solvent to generate an anion can be used. In particular, a lithium salt that dissociates between Li ions and anions is preferable. Examples of such lithium salts include LiNO 3 , LiCl, Li 2 SO 4 , LiOH and the like.

また、Liイオンとアニオンへと解離するリチウム塩は、水系溶媒における溶解度が比較的高い。そのため、アニオンの濃度が1M-10Mと高く、Liイオン拡散性が良好である電解質を得ることができる。 In addition, the lithium salt that dissociates into Li ions and anions has a relatively high solubility in an aqueous solvent. Therefore, an electrolyte having a high anion concentration of 1M-10M and good Li ion diffusivity can be obtained.

NO 及び/又はCl-を含む電解質は、0.1M-10M程度の幅広いアニオン濃度の範囲で用いることができる。イオン伝導度と、リチウム平衡電位の両立の観点から、これらのアニオンの濃度が3M-12Mと高いことが好ましい。NO またはClを含む電解質のアニオン濃度が8M-12Mであることがより好ましい。 The electrolyte containing NO 3- and / or Cl- can be used in a wide range of anion concentrations of about 0.1M-10M. From the viewpoint of achieving both ionic conductivity and lithium equilibrium potential, the concentration of these anions is preferably as high as 3M-12M. It is more preferable that the anion concentration of the electrolyte containing NO 3- or Cl - is 8M - 12M.

LiSO 及び/又はSO 2-を含む電解質は、0.05M-2.5M程度のアニオン濃度の範囲で用いることができる。イオン伝導度の観点から、これらのアニオンの濃度が1.5M-2.5Mと高いことが好ましい。 The electrolyte containing LiSO 4- and / or SO 4-2- can be used in the range of anion concentration of about 0.05M - 2.5M. From the viewpoint of ionic conductivity, the concentration of these anions is preferably as high as 1.5M-2.5M.

電解質中のOH濃度は、10-10M-0.1Mであることが望ましい。電解質は、NO 、Cl、LiSO 、SO 2-、およびOHからなる群より選択される少なくとも1種のアニオンを含むことができる。電解質中に含まれるこれらのアニオンは、1種でもよく、或いは、2種以上のアニオンが含まれていてもよい。なお、溶液である電解質とゲル状電解質を総称するために用いた電解質と、溶質としての電解質(例えば、リチウム塩)とを区別するために便宜上溶質としての電解質を第1の電解質と称している場合がある。 The OH - concentration in the electrolyte is preferably 10-10 M-0.1 M. The electrolyte can include at least one anion selected from the group consisting of NO 3- , Cl- , LiSO 4-, SO 4 2- , and OH- . These anions contained in the electrolyte may be one kind or may contain two or more kinds of anions. The electrolyte as a solute is referred to as a first electrolyte for convenience in order to distinguish between the electrolyte used to collectively refer to the electrolyte as a solution and the gel-like electrolyte and the electrolyte as a solute (for example, a lithium salt). In some cases.

水系溶媒としては、水を含む溶液を用いることができる。ここで、水を含む溶液とは、純水であってもよく、或いは水と水以外の物質との混合溶液や混合溶媒であってもよい。 As the aqueous solvent, a solution containing water can be used. Here, the solution containing water may be pure water, or may be a mixed solution of water and a substance other than water, or a mixed solvent.

上記電解質は、溶質となる塩1molに対し、水溶媒量(例えば水系溶媒中の水量)が1mol以上であることが好ましい。さらに好ましい形態は、溶質となる塩1molに対する水溶媒量が3.5mol以上である。 The amount of the aqueous solvent (for example, the amount of water in the aqueous solvent) is preferably 1 mol or more with respect to 1 mol of the salt as the solute. A more preferable form is that the amount of the aqueous solvent with respect to 1 mol of the salt as a solute is 3.5 mol or more.

また、電解質はリチウムイオンとナトリウムイオンとの両方を含むことができる。 Also, the electrolyte can contain both lithium and sodium ions.

電解質のpHは、4以上13以下であることが望ましい。pHが4未満であると、電解質が酸性であるため、活物質の分解が進行しやすくなる。pHが13を超えると、正極での酸素発生過電圧が低下するため、水系溶媒の電気分解が進行しやすくなる。 The pH of the electrolyte is preferably 4 or more and 13 or less. When the pH is less than 4, the electrolyte is acidic, so that the decomposition of the active substance is likely to proceed. When the pH exceeds 13, the oxygen evolution overvoltage at the positive electrode decreases, so that the electrolysis of the aqueous solvent easily proceeds.

電解質中の溶質、即ち第1の電解質は、例えばイオンクロマトグラフ法により定性および定量することができる。イオンクロマトグラフ法は、感度が高いため、分析手法として特に好ましい。 The solute in the electrolyte, i.e., the first electrolyte, can be qualitatively and quantified, for example, by ion chromatography. The ion chromatograph method is particularly preferable as an analytical method because of its high sensitivity.

イオンクロマトグラフ法による電解質に含まれる溶質の定性定量分析の具体的な測定条件の例を以下に示す:
システム: Prominence HIC-SP
分析カラム: Shim-pack IC-SA3
ガードカラム: Shim-pack IC-SA3(G)
溶離液: 3.6 mmol/L 炭酸ナトリウム水溶液
流量: 0.8 mL/min
カラム温度: 45℃
注入量: 50μL
検出: 電気伝導度。
An example of specific measurement conditions for qualitative quantitative analysis of the solute contained in the electrolyte by the ion chromatograph method is shown below:
System: Prominence HIC-SP
Analytical column: Shim-pack IC-SA3
Guard column: Shim-pack IC-SA3 (G)
Eluent: 3.6 mmol / L sodium carbonate aqueous solution Flow rate: 0.8 mL / min
Column temperature: 45 ° C
Injection volume: 50 μL
Detection: Electrical conductivity.

電解質中に水が含まれているかは、ガスクロマトグラフィー質量分析(Gas Chromatography - Mass Spectrometry;GC-MS)測定により確認できる。また、電解質中の水含有量の算出は、例えばICPの発光分析などで測定することができる。また電解質の比重を測定することで、溶媒のモル数を算出できる。電解質は正極側と負極側で同じものを用いてもよいし、異なるものを用いてもよい。正極側と負極側で異なる電解質を用いた場合、正極の電解質のpHは1以上7以下であることが好ましい。正極の電解質のpHが8以上となると水の電気分解に起因する酸素発生反応が有利に進み、pH1未満だと活物質の分解が進行するため、好ましくない。負極の電解質はpH7以上であることが好ましく7未満では水の電気分解に起因する水素発生反応が有利に進むため、好ましくない。 Whether or not water is contained in the electrolyte can be confirmed by gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) measurement. Further, the calculation of the water content in the electrolyte can be measured by, for example, ICP emission analysis. In addition, the number of moles of the solvent can be calculated by measuring the specific gravity of the electrolyte. The same electrolyte may be used on the positive electrode side and the negative electrode side, or different electrolytes may be used. When different electrolytes are used on the positive electrode side and the negative electrode side, the pH of the electrolyte on the positive electrode is preferably 1 or more and 7 or less. When the pH of the electrolyte of the positive electrode is 8 or more, the oxygen evolution reaction caused by the electrolysis of water proceeds advantageously, and when the pH is less than 1, the decomposition of the active substance proceeds, which is not preferable. The pH of the electrolyte of the negative electrode is preferably 7 or more, and if it is less than 7, the hydrogen generation reaction caused by the electrolysis of water proceeds advantageously, which is not preferable.

電解質には添加剤を添加することもできる。たとえば、亜鉛を含む金属を添加することができる。亜鉛を含む金属を電解質への添加剤(添加金属)として用いる場合、電解質中に含まれる金属の濃度が過剰になると、自己放電を伴う亜鉛の析出反応よりも電析による亜鉛析出反応が増加するため、電解質中の金属濃度が過剰にならないように注意する。添加剤を添加するには、負極のスラリーを作製する際に単体の金属あるいは酸化物粉末として加えるか、電解質に添加するか、あるいはその両方を同時に用いてもよい。また、集電体や後述する容器に亜鉛を含ませた場合も同様に、添加剤とともに用いてもよい。添加する金属の形態は、金属単体であっても良いし、酸化物、塩化物、硫化物、硝酸塩、硫酸塩、水酸化物塩から成る群より選択されるどれか一つであってもよい。または、添加金属の形態は、これらのうち2つ以上の組み合わせであっても良い。また、添加金属は電解質中にイオンでも固体でも存在することができる。添加金属はICPにより調べることができる。 Additives can also be added to the electrolyte. For example, a metal containing zinc can be added. When a metal containing zinc is used as an additive (additional metal) to the electrolyte, if the concentration of the metal contained in the electrolyte becomes excessive, the zinc precipitation reaction by electrodeposition increases more than the zinc precipitation reaction accompanied by self-discharge. Therefore, be careful not to make the metal concentration in the electrolyte excessive. To add the additive, it may be added as a simple substance metal or oxide powder when the slurry of the negative electrode is prepared, added to the electrolyte, or both may be used at the same time. Further, when zinc is contained in the current collector or the container described later, it may be used together with the additive in the same manner. The form of the metal to be added may be a single metal or any one selected from the group consisting of oxides, chlorides, sulfides, nitrates, sulfates and hydroxide salts. .. Alternatively, the form of the added metal may be a combination of two or more of these. In addition, the added metal can be present in the electrolyte as an ion or a solid. The added metal can be examined by ICP.

電解質では、水系電解質に含まれる亜鉛とリチウムとのmol濃度比Zn/Liが1.0×10-5以上0.3以下である。Zn/Li=0.3以下であることで、充電過程において亜鉛析出よりもリチウム吸蔵が優先的に起こる。このために自己放電過程に伴う亜鉛の析出がデンドライト形状よりも被覆物のような形状で優先的に進行するため、亜鉛デンドライトの析出を抑制することが可能となる。より好ましい亜鉛とリチウムのmol濃度比Zn/Liは1.0×10-4以上0.1以下である。mol濃度比Zn/Liが1.0×10-5未満の場合は亜鉛濃度がリチウム濃度に対し少なすぎることから、亜鉛の溶解・析出を円滑にすすめることが困難となる。また、mol濃度比Zn/Liが0.3より大きい場合は、亜鉛濃度がリチウム濃度に対し多すぎることから、亜鉛の電析によりデンドライトが析出しやすい状況となり、好ましくない。 In the electrolyte, the mol concentration ratio Zn / Li of zinc and lithium contained in the aqueous electrolyte is 1.0 × 10-5 or more and 0.3 or less. When Zn / Li = 0.3 or less, lithium occlusion occurs preferentially over zinc precipitation in the charging process. For this reason, the precipitation of zinc accompanying the self-discharge process proceeds preferentially in the shape of a coating rather than the shape of the dendrite, so that the precipitation of zinc dendrite can be suppressed. The more preferable molar concentration ratio Zn / Li of zinc to lithium is 1.0 × 10 -4 or more and 0.1 or less. When the mol concentration ratio Zn / Li is less than 1.0 × 10-5 , the zinc concentration is too low with respect to the lithium concentration, and it becomes difficult to smoothly dissolve and precipitate zinc. Further, when the mol concentration ratio Zn / Li is larger than 0.3, the zinc concentration is too high with respect to the lithium concentration, and the zinc electrodeposition tends to cause dendrite to be deposited, which is not preferable.

二次電池の充電時の電流値の上限は1C以下、より好ましくは0.5C以下とすることが好ましい。1Cを超える電流値においては、Li挿入と自己放電に伴う亜鉛の析出のバランスを維持することが出来ず、Li挿入が一方的に進行する。しかし、電流値を低く設定することによって充電時の自己放電反応の量を増やすことによって充電時に負極自己放電に伴って析出される亜鉛を増加させることが可能となる。この結果負極の亜鉛析出による充電容量を高めることが可能となる。 The upper limit of the current value at the time of charging the secondary battery is preferably 1 C or less, more preferably 0.5 C or less. At a current value exceeding 1C, the balance between Li insertion and zinc precipitation associated with self-discharge cannot be maintained, and Li insertion proceeds unilaterally. However, by setting the current value low, it is possible to increase the amount of self-discharge reaction during charging to increase the amount of zinc deposited due to the negative electrode self-discharge during charging. As a result, it is possible to increase the charge capacity due to zinc precipitation on the negative electrode.

4)セパレータ
正極と負極との間にはセパレータを配置することができる。セパレータを絶縁材料で構成することで、正極と負極とが電気的に接触することを防止することができる。また、正極と負極との間を電解質が移動可能な形状のものを使用することが望ましい。セパレータの例に、不織布、フィルム、紙などが含まれる。セパレータの構成材料の例に、ポリエチレンやポリプロピレンなどのポリオレフィン、セルロースが含まれる。好ましいセパレータの例に、セルロース繊維を含む不織布、ポリオレフィン繊維を含む多孔質フィルムを挙げることができる。セパレータの気孔率は60%以上にすることが好ましい。また、繊維径は10μm以下が好ましい。繊維径を10μm以下にすることで、電解質に対するセパレータの親和性が向上するので電池抵抗を小さくすることができる。繊維径のより好ましい範囲は3μm以下である。気孔率が60%以上のセルロース繊維含有不織布は、電解質の含浸性が良く、低温から高温まで高い出力性能を出すことができる。また、長期充電保存、フロート充電、過充電においても負極と反応せず、リチウム金属のデンドライト析出による負極と正極の短絡が発生しない。より好ましい範囲は62%~80%である。
4) Separator A separator can be placed between the positive electrode and the negative electrode. By forming the separator with an insulating material, it is possible to prevent the positive electrode and the negative electrode from electrically contacting each other. Further, it is desirable to use a shape in which the electrolyte can move between the positive electrode and the negative electrode. Examples of separators include non-woven fabrics, films, paper and the like. Examples of the constituent materials of the separator include polyolefins such as polyethylene and polypropylene, and cellulose. Examples of preferred separators include non-woven fabrics containing cellulose fibers and porous films containing polyolefin fibers. The porosity of the separator is preferably 60% or more. The fiber diameter is preferably 10 μm or less. By setting the fiber diameter to 10 μm or less, the affinity of the separator with respect to the electrolyte is improved, so that the battery resistance can be reduced. A more preferable range of the fiber diameter is 3 μm or less. A cellulose fiber-containing non-woven fabric having a porosity of 60% or more has good impregnation property of an electrolyte and can exhibit high output performance from low temperature to high temperature. In addition, it does not react with the negative electrode even during long-term charge storage, float charging, and overcharging, and a short circuit between the negative electrode and the positive electrode does not occur due to dendrite precipitation of the lithium metal. A more preferable range is 62% to 80%.

また、セパレータとして、固体電解質を使用することもできる。固体電解質としてはリチウムイオン導電性を有するNASICON型骨格を有するLATP(Li1+xAlTi2-x(PO)3;0.1≦x≦0.4)、アモルファス状のLIPON(Li2.9PO3.30.46)、ガーネット型のLLZ(LiLaZr12)などの酸化物が好ましい。このような固体電解質を含むことにより、セパレータ強度を保つことが可能であり、デンドライト析出による内部短絡を抑制することが可能であることから寿命をより高めることが可能となる。 Further, a solid electrolyte can also be used as the separator. As the solid electrolyte, LATP (Li 1 + x Al x Ti 2-x (PO 4 ) 3; 0.1 ≦ x ≦ 0.4) having a NASICON type skeleton having lithium ion conductivity and amorphous LIPON (Li 2. Oxides such as 9 PO 3.3 N 0.46 ) and garnet-type LLZ (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) are preferred. By including such a solid electrolyte, it is possible to maintain the strength of the separator and suppress an internal short circuit due to dendrite precipitation, so that the life can be further extended.

また、βアルミナ、Na1+xZrSi3-x12(0≦x≦3)、NaAlSiなどもあげることができる。 Further, β-alumina, Na 1 + x Zr 2 Si x P 3-x O 12 (0 ≦ x ≦ 3), NaAlSi 3 O 8 and the like can also be mentioned.

セパレータは、厚さが20μm以上200μm以下、密度が0.2g/cm以上0.9g/cm以下であることが好ましい。この範囲であると、機械的強度と電池抵抗の軽減のバランスを取ることができ、高出力で内部短絡が抑制された二次電池を提供することができる。また、高温環境下でのセパレータの熱収縮が少なく、良好な高温貯蔵性能を出すことが出来る。 The separator preferably has a thickness of 20 μm or more and 200 μm or less and a density of 0.2 g / cm 3 or more and 0.9 g / cm 3 or less. Within this range, a balance between mechanical strength and reduction of battery resistance can be achieved, and a secondary battery having high output and suppressed internal short circuit can be provided. In addition, the separator has little heat shrinkage in a high temperature environment, and good high temperature storage performance can be obtained.

5)容器
正極、負極及び電解質が収容される容器には、金属製容器や、ラミネートフィルム製容器、ポリエチレンやポリプロピレンなどの樹脂容器を使用することができる。
5) Container As the container in which the positive electrode, the negative electrode and the electrolyte are housed, a metal container, a laminated film container, or a resin container such as polyethylene or polypropylene can be used.

金属製容器としては、ニッケル、鉄、ステンレス、亜鉛などからなる金属缶で角形、円筒形の形状のものが使用できる。 As the metal container, a metal can made of nickel, iron, stainless steel, zinc or the like and having a square or cylindrical shape can be used.

樹脂製容器、金属製容器それぞれの板厚は、1mm以下にすることが望ましく、さらに好ましい範囲は0.5mm以下である。さらに好ましい範囲は0.3mm以下である。また、板厚の下限値は、0.05mmにすることが望ましい。 The plate thickness of each of the resin container and the metal container is preferably 1 mm or less, and a more preferable range is 0.5 mm or less. A more preferable range is 0.3 mm or less. Further, it is desirable that the lower limit of the plate thickness is 0.05 mm.

ラミネートフィルムとしては、例えば、金属層を樹脂層で被覆した多層フィルムなどを挙げることができる。金属層の例に、ステンレス箔、アルミニウム箔、アルミニウム合金箔が含まれる。樹脂層には、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、ナイロン、ポリエチレンテレフタレート(PET)などの高分子を用いることができる。ラミネートフィルムの厚さの好ましい範囲は、0.5mm以下である。より好ましい範囲は0.2mm以下である。また、ラミネートフィルムの厚さの下限値は、0.01mmにすることが望ましい。 Examples of the laminated film include a multilayer film in which a metal layer is coated with a resin layer. Examples of metal layers include stainless steel foils, aluminum foils, aluminum alloy foils. As the resin layer, a polymer such as polypropylene (PP), polyethylene (PE), nylon, or polyethylene terephthalate (PET) can be used. The preferred range of thickness of the laminated film is 0.5 mm or less. A more preferable range is 0.2 mm or less. Further, it is desirable that the lower limit of the thickness of the laminated film is 0.01 mm.

また、容器に亜鉛を含ませてもよい。ここでいう含ませるとは、例えば、容器を亜鉛そのものにすることや、容器を亜鉛を含む合金とすることや、容器の内部に亜鉛を塗布することや、容器の内部に亜鉛のコーティングを行うこと等により、電解質と接することができるようにしたもの等のことである。 In addition, zinc may be contained in the container. Including here means, for example, making the container zinc itself, making the container an alloy containing zinc, applying zinc to the inside of the container, or coating the inside of the container with zinc. By doing so, it is possible to come into contact with the electrolyte.

実施形態に係る二次電池は、角形、円筒形、扁平型、薄型、コイン型等の様々な形態の二次電池に適用することが可能である。さらにバイポーラ構造を有する二次電池であることが好ましい。これにより複数直列のセルを1個のセルで作製できる利点がある。 The secondary battery according to the embodiment can be applied to various types of secondary batteries such as a square type, a cylindrical type, a flat type, a thin type, and a coin type. Further, it is preferable that the secondary battery has a bipolar structure. This has the advantage that a plurality of series of cells can be produced by one cell.

実施形態に係る二次電池の一例を図1~図4を参照して説明する。 An example of the secondary battery according to the embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 4.

図1及び図2に、金属製容器を用いた二次電池の一例を示す。 1 and 2 show an example of a secondary battery using a metal container.

図1は、実施形態に係る二次電池の部分切欠断面図である。図2は、図1の電池についての側面図である。より具体的には、図2は、図1に示す角型二次電池のII-II線に沿った断面図である。 FIG. 1 is a partially cutaway sectional view of a secondary battery according to an embodiment. FIG. 2 is a side view of the battery of FIG. More specifically, FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II-II of the square secondary battery shown in FIG.

電極群1は、矩形筒状の金属製容器2内に収納されている。電極群1は、正極3及び負極4をその間にセパレータ5を介在させて偏平形状となるように渦巻き状に捲回した構造を有する。電解質(図示しない)は、電極群1に保持されている。図2に示すように、電極群1の端面に位置する正極3の端部の複数個所それぞれに帯状の正極リード6が電気的に接続されている。また、この端面に位置する負極4の端部の複数個所それぞれに帯状の負極リード7が電気的に接続されている。この複数ある正極リード6は、一つに束ねられた状態で正極導電タブ8と電気的に接続されている。正極リード6と正極導電タブ8から正極端子が構成されている。また、負極リード7は、一つに束ねられた状態で負極導電タブ9と接続されている。負極リード7と負極導電タブ9から負極端子が構成されている。金属製の封口板10は、金属製容器2の開口部に溶接等により固定されている。正極導電タブ8及び負極導電タブ9は、それぞれ、封口板10に設けられた取出穴から外部に引き出されている。封口板10の各取出穴の内周面には、正極導電タブ8及び負極導電タブ9との接触による短絡を回避するために、それぞれ正極ガスケット18及び負極ガスケット19が配置されている。正極ガスケット18及び負極ガスケット19を配置することで、角型二次電池の気密性を維持できる。 The electrode group 1 is housed in a rectangular tubular metal container 2. The electrode group 1 has a structure in which a positive electrode 3 and a negative electrode 4 are spirally wound so as to have a flat shape with a separator 5 interposed therebetween. The electrolyte (not shown) is held in the electrode group 1. As shown in FIG. 2, band-shaped positive electrode leads 6 are electrically connected to each of a plurality of ends of the positive electrode 3 located on the end face of the electrode group 1. Further, strip-shaped negative electrode leads 7 are electrically connected to each of a plurality of ends of the negative electrode 4 located on the end face. The plurality of positive electrode leads 6 are electrically connected to the positive electrode conductive tab 8 in a bundled state. The positive electrode terminal is composed of the positive electrode lead 6 and the positive electrode conductive tab 8. Further, the negative electrode leads 7 are connected to the negative electrode conductive tab 9 in a bundled state. The negative electrode terminal is composed of the negative electrode lead 7 and the negative electrode conductive tab 9. The metal sealing plate 10 is fixed to the opening of the metal container 2 by welding or the like. The positive electrode conductive tab 8 and the negative electrode conductive tab 9 are each drawn out from the take-out hole provided in the sealing plate 10. A positive electrode gasket 18 and a negative electrode gasket 19 are arranged on the inner peripheral surface of each take-out hole of the sealing plate 10 in order to avoid a short circuit due to contact with the positive electrode conductive tab 8 and the negative electrode conductive tab 9, respectively. By arranging the positive electrode gasket 18 and the negative electrode gasket 19, the airtightness of the square secondary battery can be maintained.

封口板10には制御弁22(安全弁)が配置されている。水系溶媒の電気分解により発生したガスに起因して電池セルにおける内圧が高まった場合には、制御弁22から発生ガスを外部へと放散できる。制御弁22としては、例えば内圧が設定値よりも高くなった場合に作動し、内圧が低下すると封止栓として機能する復帰式のものを使用することができる。或いは、一度作動すると封止栓としての機能が回復しない非復帰式の制御弁を使用してもよい。図1では、制御弁22が封口板10の中央に配置されているが、制御弁22の位置は封口板10の端部であってもよい。制御弁22は省略してもよい。 A control valve 22 (safety valve) is arranged on the sealing plate 10. When the internal pressure in the battery cell increases due to the gas generated by the electrolysis of the aqueous solvent, the generated gas can be dissipated from the control valve 22 to the outside. As the control valve 22, for example, a return type valve that operates when the internal pressure becomes higher than the set value and functions as a sealing plug when the internal pressure drops can be used. Alternatively, a non-return type control valve may be used in which the function as a sealing plug is not restored once it is operated. In FIG. 1, the control valve 22 is arranged in the center of the sealing plate 10, but the position of the control valve 22 may be the end of the sealing plate 10. The control valve 22 may be omitted.

また、封口板10には注液口23が設けられている。電解質は、この注液口23を介して注液され得る。注液口23は、電解質が注液された後、封止栓24により塞がれている。注液口23及び封止栓24は省略してもよい。 Further, the sealing plate 10 is provided with a liquid injection port 23. The electrolyte can be injected through the injection port 23. The liquid injection port 23 is closed by the sealing plug 24 after the electrolyte is injected. The liquid injection port 23 and the sealing plug 24 may be omitted.

図3及び図4に、ラミネートフィルム製外装部材を用いた二次電池の一例を示す。 3 and 4 show an example of a secondary battery using a laminated film exterior member.

積層型電極群1は、2枚の樹脂フィルムの間に金属層を介在したラミネートフィルムからなる袋状容器2内に収納されている。積層型電極群1は、図4に示すように正極3と負極4とをその間にセパレータ5を介在させながら交互に積層した構造を有する。正極3は複数枚存在し、それぞれが集電体3aと、集電体3aの両面に形成された正極活物質含有層3bとを備える。負極4は複数枚存在し、それぞれが亜鉛を備える金属体4aと、亜鉛を備える金属体4aの両面に形成された負極酸化物含有層4bとを備える。各負極4の亜鉛を備える金属体4aは、一辺が正極3から突出している。突出した亜鉛を備える金属体4aは、帯状の負極端子12に電気的に接続されている。帯状の負極端子12の先端は、容器2から外部に引き出されている。また、図示しないが、正極3の集電体3aは、亜鉛を備える金属体4aの突出辺と反対側に位置する辺が負極4から突出している。負極4から突出した集電体3aは、帯状の正極端子13に電気的に接続されている。帯状の正極端子13の先端は、負極端子12とは反対側に位置し、容器2の辺から外部に引き出されている。 The laminated electrode group 1 is housed in a bag-shaped container 2 made of a laminated film having a metal layer interposed between two resin films. As shown in FIG. 4, the laminated electrode group 1 has a structure in which a positive electrode 3 and a negative electrode 4 are alternately laminated with a separator 5 interposed therebetween. There are a plurality of positive electrodes 3, each of which comprises a current collector 3a and a positive electrode active material-containing layer 3b formed on both sides of the current collector 3a. There are a plurality of negative electrodes 4, each of which includes a metal body 4a containing zinc and a negative electrode oxide-containing layer 4b formed on both sides of the metal body 4a containing zinc. One side of the metal body 4a including zinc of each negative electrode 4 protrudes from the positive electrode 3. The metal body 4a provided with the protruding zinc is electrically connected to the strip-shaped negative electrode terminal 12. The tip of the strip-shaped negative electrode terminal 12 is pulled out from the container 2. Further, although not shown, in the current collector 3a of the positive electrode 3, a side located on the opposite side of the protruding side of the metal body 4a containing zinc protrudes from the negative electrode 4. The current collector 3a protruding from the negative electrode 4 is electrically connected to the band-shaped positive electrode terminal 13. The tip of the strip-shaped positive electrode terminal 13 is located on the side opposite to the negative electrode terminal 12, and is drawn out from the side of the container 2.

図3及び図4に示す二次電池には、容器内に発生した水素ガスを外部に放出させるための安全弁を設けることができる。安全弁は、内圧が設定値よりも高くなった場合に作動し、内圧が低下すると封止栓として機能する復帰式、一度作動すると封止栓としての機能が回復しない非復帰式のいずれでも使用可能である。また、図1~図4に示す二次電池は、密閉式であるが、水素ガスを水に戻す循環システムを備える場合には開放系とすることが可能である。 The secondary battery shown in FIGS. 3 and 4 may be provided with a safety valve for releasing the hydrogen gas generated in the container to the outside. The safety valve can be used with either a return type that operates when the internal pressure rises above the set value and functions as a sealing plug when the internal pressure drops, or a non-returning type that does not recover the function as a sealing plug once it operates. Is. Further, although the secondary batteries shown in FIGS. 1 to 4 are closed type, they can be an open system when provided with a circulation system for returning hydrogen gas to water.

以上説明した実施形態によれば、リチウム亜鉛二次電池は、正極と、亜鉛の溶解及び析出が行われ、亜鉛を備える金属体及び金属体の表面の少なくとも一部に酸化物を備える負極と、亜鉛及びリチウム塩を含む水系電解質と、正極と負極の間に存在するセパレータと、を備える二次電池であり、酸化物は-1.4 V(vs. SCE)以上-1.0 V(vs. SCE)以下の電位領域でリチウムを吸蔵放出し、かつ酸化物の比表面積が10m2/g以上350m2/g以下であり、電解質に含まれる亜鉛とリチウムのmol濃度比Zn/Liが1.0×10-5以上0.3以下である。このような二次電池であることで、自己放電に伴う水素発生を抑制し、且つ充電時の負極表面への亜鉛のデンドライトの析出を抑制することができることで、負極での二次電池の短絡を防ぐことができる。そのため、安定した充放電が可能となり、サイクル寿命性能の高い二次電池を提供することができる。 According to the embodiment described above, the lithium zinc secondary battery has a positive electrode, a metal body in which zinc is dissolved and precipitated, and a negative electrode having an oxide on at least a part of the surface of the metal body. It is a secondary battery equipped with an aqueous electrolyte containing zinc and lithium salt and a separator existing between the positive and negative electrodes, and the oxide is -1.4 V (vs. SCE) or more and -1.0 V (vs. SCE) or less. Lithium is absorbed and released in the potential region of, and the specific surface area of the oxide is 10 m 2 / g or more and 350 m 2 / g or less, and the mol concentration ratio Zn / Li of zinc and lithium contained in the electrolyte is 1.0 × 10 -5 . It is more than 0.3 and less than. With such a secondary battery, it is possible to suppress the generation of hydrogen due to self-discharge and the precipitation of zinc dendrite on the surface of the negative electrode during charging, so that the secondary battery is short-circuited at the negative electrode. Can be prevented. Therefore, stable charging / discharging is possible, and a secondary battery having high cycle life performance can be provided.

(第2の実施形態)
第2の実施形態によれば、二次電池を単位セルとする組電池を提供することができる。二次電池には、第1の実施形態に係るリチウム亜鉛二次電池を用いることができる。
(Second embodiment)
According to the second embodiment, it is possible to provide an assembled battery having a secondary battery as a unit cell. As the secondary battery, the lithium zinc secondary battery according to the first embodiment can be used.

組電池の例には、電気的に直列又は並列に接続された複数の単位セルを構成単位として含むもの、電気的に直列接続された複数の単位セルからなるユニットまたは電気的に並列接続された複数の単位セルからなるユニットを含むもの等を挙げることができる。 Examples of assembled batteries include a plurality of unit cells electrically connected in series or in parallel as a constituent unit, a unit consisting of a plurality of electrically connected unit cells connected in series, or electrically connected in parallel. Examples include those including a unit composed of a plurality of unit cells.

組電池は、筐体に収容されていても良い。筐体は、アルミニウム合金、鉄、ステンレスなどからなる金属缶、プラスチック容器等が使用できる。また、容器の板厚は、0.5mm以上にすることが望ましい。 The assembled battery may be housed in a housing. As the housing, a metal can made of aluminum alloy, iron, stainless steel, etc., a plastic container, or the like can be used. Further, it is desirable that the plate thickness of the container is 0.5 mm or more.

二次電池の複数個を電気的に直列又は並列接続する形態の例には、それぞれが容器を備えた複数の二次電池を電気的に直列又は並列接続するもの、共通の筐体内に収容された複数の電極群を電気的に直列又は並列接続するものが含まれる。前者の具体例は、複数個の二次電池の正極端子と負極端子を金属製のバスバー(例えば、アルミニウム、ニッケル、銅)で接続するものである。後者の具体例は、1個の筐体内に複数個の電極群を隔壁により電気化学的に絶縁した状態で収容し、これら電極群を電気的に直列接続するものである。電気的に直列接続する電池個数を5~7の範囲にすることにより、鉛蓄電池との電圧互換性が良好になる。鉛蓄電池との電圧互換性をより高くするには、単位セルを5個または6個直列接続した構成が好ましい。 Examples of the form in which a plurality of secondary batteries are electrically connected in series or in parallel include those in which a plurality of secondary batteries each having a container are electrically connected in series or in parallel, and are housed in a common housing. This includes those in which a plurality of electrodes are electrically connected in series or in parallel. A specific example of the former is to connect the positive electrode terminal and the negative electrode terminal of a plurality of secondary batteries with a metal bus bar (for example, aluminum, nickel, copper). A specific example of the latter is to accommodate a plurality of electrode groups in a single housing in a state where they are electrochemically insulated by a partition wall, and these electrode groups are electrically connected in series. By setting the number of batteries electrically connected in series in the range of 5 to 7, the voltage compatibility with the lead storage battery is improved. In order to improve the voltage compatibility with the lead storage battery, a configuration in which 5 or 6 unit cells are connected in series is preferable.

組電池の一例を図5を参照して説明する。図5に示す組電池31は、第1の実施形態に係る角型の二次電池(例えば図1、図2)32~32を単位セルとして複数備える。電池32の正極導電タブ8と、その隣に位置する電池32の負極導電タブ9とが、リード33によって電気的に接続されている。さらに、この電池32の正極導電タブ8とその隣に位置する電池32の負極導電タブ9とが、リード33によって電気的に接続されている。このように電池32~32間が直列に接続されている。 An example of the assembled battery will be described with reference to FIG. The assembled battery 31 shown in FIG. 5 includes a plurality of square secondary batteries (for example, FIGS. 1 and 2) 32 1 to 325 according to the first embodiment as unit cells. The positive electrode conductive tab 8 of the battery 32 1 and the negative electrode conductive tab 9 of the battery 322 located next to the positive electrode conductive tab 8 are electrically connected by a lead 33. Further, the positive electrode conductive tab 8 of the battery 322 and the negative electrode conductive tab 9 of the battery 323 located next to the positive electrode conductive tab 8 are electrically connected by the lead 33. In this way, the batteries 32 1 to 325 are connected in series.

第2の実施形態に係る組電池によれば、第1の実施形態に係る二次電池を含んでいるため、サイクル寿命性能の高い組電池を提供することができる。 According to the assembled battery according to the second embodiment, since the secondary battery according to the first embodiment is included, it is possible to provide an assembled battery having a high cycle life performance.

(第3の実施形態)
第3の実施形態によれば、電池パックが提供される。この電池パックは、第1の実施形態に係るリチウム亜鉛二次電池を具備している。
(Third embodiment)
According to the third embodiment, a battery pack is provided. This battery pack comprises the lithium-zinc secondary battery according to the first embodiment.

第3の実施形態に係る電池パックは、先に説明した第1の実施形態に係る二次電池(単位セル)を1個または複数個具備することができる。第3の実施形態に係る電池パックに含まれ得る複数の二次電池は、電気的に直列、並列、又は直列および並列を組み合わせて接続されることができる。また、複数の二次電池は、電気的に接続された組電池を構成することもできる。複数の二次電池から組電池を構成する場合、第2の実施形態に係る組電池を使用することができる。 The battery pack according to the third embodiment may include one or a plurality of secondary batteries (unit cells) according to the first embodiment described above. The plurality of secondary batteries that can be included in the battery pack according to the third embodiment can be electrically connected in series, in parallel, or in combination of series and parallel. Further, the plurality of secondary batteries can also form an electrically connected assembled battery. When the assembled battery is composed of a plurality of secondary batteries, the assembled battery according to the second embodiment can be used.

第3の実施形態に係る電池パックは、保護回路をさらに具備することができる。保護回路は、二次電池の充放電を制御するものである。或いは、電池パックを電源として使用する装置(例えば、電子機器、自動車のような車両等)に含まれる回路を、電池パックの保護回路として使用することができる。 The battery pack according to the third embodiment may further include a protection circuit. The protection circuit controls the charging and discharging of the secondary battery. Alternatively, a circuit included in a device that uses the battery pack as a power source (for example, an electronic device, a vehicle such as an automobile, etc.) can be used as a protection circuit for the battery pack.

また、第3の実施形態に係る電池パックは、通電用の外部端子をさらに具備することもできる。通電用の外部端子は、二次電池からの電流を外部に出力するため、及び/又は単位セルに電流を入力するためのものである。言い換えれば、電池パックを電源として使用する際、電流が通電用の外部端子を通して外部に供給される。また、電池パックを充電する際、充電電流(自動車などの車両の動力の回生エネルギーを含む)は通電用の外部端子を通して電池パックに供給される。 Further, the battery pack according to the third embodiment may further include an external terminal for energization. The external terminal for energization is for outputting the current from the secondary battery to the outside and / or for inputting the current to the unit cell. In other words, when the battery pack is used as a power source, current is supplied to the outside through an external terminal for energization. Further, when charging the battery pack, the charging current (including the regenerative energy of the power of a vehicle such as an automobile) is supplied to the battery pack through an external terminal for energization.

第3の実施形態に係る電池パックの例を、図6を参照して説明する。図6は、電池パックの一例を示す模式的な斜視図である。 An example of the battery pack according to the third embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a schematic perspective view showing an example of a battery pack.

電池パック40は、例えば、図3、4に示す二次電池からなる組電池を備える。電池パック40は、筐体41と、筐体41内に収容された組電池42とを含む。組電池42は、複数(例えば5個)の二次電池43~43が電気的に直列に接続されたものである。二次電池43~43は、厚さ方向に積層されている。筐体41は、上部及び4つの側面それぞれに開口部44を有している。二次電池43~43の正負極端子12、13が突出している側面が、筐体41の開口部44に露出している。組電池42の出力用正極端子45は、帯状をなし、一端が二次電池43~43のいずれかの正極端子13と電気的に接続され、かつ他端が筐体41の開口部44から突出して筐体41の上部から突き出ている。一方、組電池42の出力用負極端子46は、帯状をなし、一端が二次電池43~43のいずれかの負極端子12と電気的に接続され、かつ他端が筐体41の開口部44から突出して筐体41の上部から突き出ている。 The battery pack 40 includes, for example, an assembled battery composed of the secondary batteries shown in FIGS. 3 and 4. The battery pack 40 includes a housing 41 and an assembled battery 42 housed in the housing 41. The assembled battery 42 is formed by electrically connecting a plurality of (for example, five ) secondary batteries 431 to 435 in series. The secondary batteries 43 1 to 435 are laminated in the thickness direction. The housing 41 has openings 44 on each of the upper portion and the four side surfaces. The side surface of the secondary batteries 43 1 to 435 from which the positive and negative terminals 12 and 13 project is exposed to the opening 44 of the housing 41. The output positive electrode terminal 45 of the assembled battery 42 has a band shape, one end of which is electrically connected to the positive electrode terminal 13 of any of the secondary batteries 431 to 435 , and the other end of which is the opening 44 of the housing 41. It protrudes from the upper part of the housing 41. On the other hand, the output negative electrode terminal 46 of the assembled battery 42 has a band shape, one end of which is electrically connected to the negative electrode terminal 12 of any of the secondary batteries 431 to 435, and the other end of which is an opening of the housing 41. It protrudes from the portion 44 and protrudes from the upper part of the housing 41.

第3の実施形態に係る電池パックの別の例を図7および図8を参照して詳細に説明する。図7は、第3の実施形態に係る他の例の電池パックの分解斜視図である。図8は、図7の電池パックの電気回路を示すブロック図である。 Another example of the battery pack according to the third embodiment will be described in detail with reference to FIGS. 7 and 8. FIG. 7 is an exploded perspective view of a battery pack of another example according to the third embodiment. FIG. 8 is a block diagram showing an electric circuit of the battery pack of FIG. 7.

扁平型の二次電池から構成される複数の単位セル51は、外部に延出した負極端子52および正極端子53が同じ向きに揃えられるように積層され、粘着テープ54で締結することにより組電池55を構成している。これらの単位セル51は、図8に示すように互いに電気的に直列に接続されている。 A plurality of unit cells 51 composed of a flat secondary battery are laminated so that the negative electrode terminals 52 and the positive electrode terminals 53 extending to the outside are aligned in the same direction, and are fastened with an adhesive tape 54 to form an assembled battery. It constitutes 55. These unit cells 51 are electrically connected in series with each other as shown in FIG.

プリント配線基板56は、負極端子52および正極端子53が延出する単位セル51側面と対向して配置されている。プリント配線基板56には、図8に示すようにサーミスタ57、保護回路58及び通電用の外部端子59が搭載されている。なお、組電池55と対向するプリント配線基板56の面には組電池55の配線と不要な接続を回避するために絶縁板(図示せず)が取り付けられている。 The printed wiring board 56 is arranged so as to face the side surface of the unit cell 51 in which the negative electrode terminal 52 and the positive electrode terminal 53 extend. As shown in FIG. 8, the printed wiring board 56 is equipped with a thermistor 57, a protection circuit 58, and an external terminal 59 for energization. An insulating plate (not shown) is attached to the surface of the printed wiring board 56 facing the assembled battery 55 in order to avoid unnecessary connection with the wiring of the assembled battery 55.

正極リード60は、組電池55の最下層に位置する正極端子53に接続され、その先端はプリント配線基板56の正極コネクタ61に挿入されて電気的に接続されている。負極リード62は、組電池55の最上層に位置する負極端子52に接続され、その先端はプリント配線基板56の負極側コネクタ63に挿入されて電気的に接続されている。これらのコネクタ61、63は、プリント配線基板56に形成された配線64、65を通して保護回路58に接続されている。 The positive electrode lead 60 is connected to a positive electrode terminal 53 located at the bottom layer of the assembled battery 55, and its tip is inserted into a positive electrode connector 61 of a printed wiring board 56 and electrically connected. The negative electrode lead 62 is connected to the negative electrode terminal 52 located on the uppermost layer of the assembled battery 55, and the tip thereof is inserted into the negative electrode side connector 63 of the printed wiring board 56 and electrically connected. These connectors 61 and 63 are connected to the protection circuit 58 through the wirings 64 and 65 formed on the printed wiring board 56.

サーミスタ57は、単位セル51の温度を検出し、その検出信号は保護回路58に送信される。保護回路58は、所定の条件で保護回路58と通電用の外部端子59との間のプラス配線(正極側配線)66aおよびマイナス配線(負極側配線)66bを遮断できる。所定の条件とは、例えばサーミスタ57の検出温度が所定温度以上になったときである。また、所定の条件とは単位セル51の過充電、過放電、過電流等を検出したときである。この過充電等の検出は、個々の単位セル51もしくは組電池55について行われる。個々の単位セル51を検出する場合、電池電圧を検出してもよいし、正極電位もしくは負極電位を検出してもよい。後者の場合、個々の単位セル51中に参照極として用いるリチウム電極が挿入される。図7および図8の場合、単位セル51それぞれに電圧検出のための配線67を接続し、これら配線67を通して検出信号が保護回路58に送信される。 The thermistor 57 detects the temperature of the unit cell 51, and the detection signal is transmitted to the protection circuit 58. The protection circuit 58 can cut off the positive wiring (positive electrode side wiring) 66a and the negative wiring (negative electrode side wiring) 66b between the protection circuit 58 and the external terminal 59 for energization under predetermined conditions. The predetermined condition is, for example, when the detection temperature of the thermistor 57 becomes equal to or higher than the predetermined temperature. Further, the predetermined condition is when overcharge, overdischarge, overcurrent, etc. of the unit cell 51 are detected. The detection of this overcharge or the like is performed on each unit cell 51 or the assembled battery 55. When detecting the individual unit cells 51, the battery voltage may be detected, or the positive electrode potential or the negative electrode potential may be detected. In the latter case, a lithium electrode used as a reference electrode is inserted into each unit cell 51. In the case of FIGS. 7 and 8, a wiring 67 for voltage detection is connected to each of the unit cells 51, and a detection signal is transmitted to the protection circuit 58 through these wiring 67.

正極端子53および負極端子52が突出する側面を除く組電池55の三側面には、ゴムもしくは樹脂からなる保護シート68がそれぞれ配置されている。 A protective sheet 68 made of rubber or resin is arranged on each of the three side surfaces of the assembled battery 55 except for the side surface on which the positive electrode terminal 53 and the negative electrode terminal 52 protrude.

組電池55は、各保護シート68およびプリント配線基板56と共に収納容器69内に収納される。すなわち、収納容器69の長辺方向の両方の内側面と短辺方向の内側面それぞれに保護シート68が配置され、短辺方向の反対側の内側面にプリント配線基板56が配置される。組電池55は、保護シート68およびプリント配線基板56で囲まれた空間内に位置する。蓋70は、収納容器69の上面に取り付けられている。 The assembled battery 55 is housed in the storage container 69 together with the protective sheet 68 and the printed wiring board 56. That is, the protective sheet 68 is arranged on both inner side surfaces in the long side direction and the inner side surface in the short side direction of the storage container 69, and the printed wiring board 56 is arranged on the inner side surface on the opposite side in the short side direction. The assembled battery 55 is located in a space surrounded by the protective sheet 68 and the printed wiring board 56. The lid 70 is attached to the upper surface of the storage container 69.

なお、組電池55の固定には粘着テープ54に代えて、熱収縮テープを用いてもよい。この場合、組電池の両側面に保護シートを配置し、熱収縮テープを周回させた後、熱収縮テープを熱収縮させて組電池を結束させる。 A heat-shrinkable tape may be used instead of the adhesive tape 54 to fix the assembled battery 55. In this case, protective sheets are arranged on both side surfaces of the assembled battery, the heat-shrinkable tape is circulated, and then the heat-shrinkable tape is heat-shrinked to bind the assembled battery.

図7、図8では単位セル51を直列接続した形態を示したが、電池容量を増大させるためには並列に接続してもよい。或いは、直列接続と並列接続とを組み合わせてもよい。さらに、組み上がった電池パックを直列および/または並列に接続することもできる。 Although FIGS. 7 and 8 show a form in which the unit cells 51 are connected in series, they may be connected in parallel in order to increase the battery capacity. Alternatively, a series connection and a parallel connection may be combined. In addition, the assembled battery packs can be connected in series and / or in parallel.

また、電池パックの態様は用途により適宜変更される。電池パックの用途としては、大電流での充放電が望まれるものが好ましい。具体的には、デジタルカメラの電源用や、二輪乃至四輪のハイブリッド電気自動車、二輪乃至四輪の電気自動車、アシスト自転車、鉄道用車両等の車両の車載用、並びに定置用電池としての用途が挙げられる。特に、車載用が好適である。 In addition, the mode of the battery pack is appropriately changed depending on the application. The battery pack is preferably used for charging and discharging with a large current. Specifically, it is used as a power source for digital cameras, in-vehicle vehicles such as two-wheeled to four-wheeled hybrid electric vehicles, two-wheeled to four-wheeled electric vehicles, assisted bicycles, and railway vehicles, and as stationary batteries. Can be mentioned. In particular, it is suitable for in-vehicle use.

第3の実施形態に係る電池パックを搭載した自動車等の車両において、電池パックは、例えば車両の動力の回生エネルギーを回収するものである。車両は、この車両の運動エネルギーを回生エネルギーに変換する機構を含んでいてもよい。 In a vehicle such as an automobile equipped with the battery pack according to the third embodiment, the battery pack recovers, for example, the regenerative energy of the power of the vehicle. The vehicle may include a mechanism for converting the kinetic energy of the vehicle into regenerative energy.

以上説明した第3の実施形態に係る電池パックによれば、第1の実施形態の二次電池を含むためサイクル寿命性能の高い電池パックを提供することができる。 According to the battery pack according to the third embodiment described above, it is possible to provide a battery pack having a high cycle life performance because the secondary battery of the first embodiment is included.

(第4の実施形態)
第4の実施形態によると、車両が提供される。この車両は、第3の実施形態に係る電池パックを搭載している。
(Fourth Embodiment)
According to the fourth embodiment, a vehicle is provided. This vehicle is equipped with the battery pack according to the third embodiment.

第4の実施形態に係る車両において、電池パックは、例えば、車両の動力の回生エネルギーを回収するものである。第4の実施形態に係る車両は、この車両の運動エネルギーを回生エネルギーに変換する機構(リジェネレーター)を含んでいてもよい。 In the vehicle according to the fourth embodiment, the battery pack recovers, for example, the regenerative energy of the power of the vehicle. The vehicle according to the fourth embodiment may include a mechanism (regenerator) that converts the kinetic energy of the vehicle into regenerative energy.

第4の実施形態に係る車両の例としては、例えば、二輪乃至四輪のハイブリッド電気自動車、二輪乃至四輪の電気自動車、アシスト自転車、及び鉄道用車両が挙げられる。 Examples of the vehicle according to the fourth embodiment include, for example, a two-wheel to four-wheel hybrid electric vehicle, a two-wheel to four-wheel electric vehicle, an assisted bicycle, and a railroad vehicle.

第4の実施形態に係る車両における電池パックの搭載位置は、特には限定されない。例えば、電池パックを車両の例として自動車に搭載する場合、電池パックは、車両のエンジンルーム、車体後方又は座席の下に搭載することができる。 The mounting position of the battery pack in the vehicle according to the fourth embodiment is not particularly limited. For example, when the battery pack is mounted in an automobile as an example of a vehicle, the battery pack can be mounted in the engine room of the vehicle, behind the vehicle body, or under the seat.

次に、第4の実施形態に係る車両の一例について、図面を参照しながら説明する。 Next, an example of the vehicle according to the fourth embodiment will be described with reference to the drawings.

図9は、第4の実施形態に係る車両の一例を概略的に示す断面図である。 FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing an example of the vehicle according to the fourth embodiment.

図9に示す車両200は、車両本体201と、電池パック202とを含んでいる。電池パック202は、第3の実施形態に係る電池パックであり得る。 The vehicle 200 shown in FIG. 9 includes a vehicle body 201 and a battery pack 202. The battery pack 202 may be the battery pack according to the third embodiment.

図9に示す車両200は、四輪の自動車である。車両200としては、例えば、二輪乃至四輪のハイブリッド電気自動車、二輪乃至四輪の電気自動車、アシスト自転車、及び鉄道用車両を用いることができる。 The vehicle 200 shown in FIG. 9 is a four-wheeled vehicle. As the vehicle 200, for example, a two-wheel to four-wheel hybrid electric vehicle, a two-wheel to four-wheel electric vehicle, an assisted bicycle, and a railroad vehicle can be used.

この車両200は、複数の電池パック202を搭載してもよい。この場合、電池パック202は、直列に接続されてもよく、並列に接続されてもよく、直列接続及び並列接続を組み合わせて接続されてもよい。 The vehicle 200 may be equipped with a plurality of battery packs 202. In this case, the battery pack 202 may be connected in series, may be connected in parallel, or may be connected in combination of series connection and parallel connection.

電池パック202は、車両本体201の前方に位置するエンジンルーム内に搭載されている。電池パック202の搭載位置は、特に限定されない。電池パック202は、車両本体201の後方又は座席の下に搭載してもよい。この電池パック202は、車両200の電源として用いることができる。また、この電池パック202は、車両200の動力の回生エネルギーを回収することができる。 The battery pack 202 is mounted in an engine room located in front of the vehicle body 201. The mounting position of the battery pack 202 is not particularly limited. The battery pack 202 may be mounted behind the vehicle body 201 or under the seat. The battery pack 202 can be used as a power source for the vehicle 200. Further, the battery pack 202 can recover the regenerative energy of the power of the vehicle 200.

次に、図10を参照しながら、第4の実施形態に係る車両の実施態様について説明する。 Next, an embodiment of the vehicle according to the fourth embodiment will be described with reference to FIG. 10.

図10は、第4の実施形態に係る車両の他の例を概略的に示した図である。図10に示す車両300は、電気自動車である。 FIG. 10 is a diagram schematically showing another example of the vehicle according to the fourth embodiment. The vehicle 300 shown in FIG. 10 is an electric vehicle.

図10に示す車両300は、車両本体301と、車両用電源302と、車両用電源302の上位制御手段である車両ECU(ECU:Electric Control Unit;電気制御装置)380と、外部端子(外部電源に接続するための端子)370と、インバータ340と、駆動モータ345とを備えている。 The vehicle 300 shown in FIG. 10 includes a vehicle main body 301, a vehicle power supply 302, a vehicle ECU (Electric Control Unit) 380 which is an upper control means of the vehicle power supply 302, and an external terminal (external power supply). (Terminal for connecting to) 370, an inverter 340, and a drive motor 345 are provided.

車両300は、車両用電源302を、例えばエンジンルーム、自動車の車体後方又は座席の下に搭載している。なお、図10に示す、車両300では、車両用電源302の搭載箇所については概略的に示している。 The vehicle 300 mounts a vehicle power supply 302, for example, in the engine room, behind the vehicle body, or under the seat. In the vehicle 300 shown in FIG. 10, the mounting location of the vehicle power supply 302 is schematically shown.

車両用電源302は、複数(例えば3つ)の電池パック312a、312b及び312cと、電池管理装置(BMU:Battery Management Unit)311と、通信バス310と、を備えている。 The vehicle power supply 302 includes a plurality of (for example, three) battery packs 312a, 312b and 312c, a battery management unit (BMU) 311 and a communication bus 310.

3つの電池パック312a、312b及び312cは、電気的に直列に接続されている。電池パック312aは、組電池314aと組電池監視装置(VTM:Voltage Temperature Monitoring)313aと、を備えている。電池パック312bは、組電池314bと組電池監視装置313bと、を備えている。電池パック312cは、組電池314cと組電池監視装置313cと、を備えている。電池パック312a、312b、及び312cは、それぞれ独立して取り外すことが可能であり、別の電池パックと交換することができる。 The three battery packs 312a, 312b and 312c are electrically connected in series. The battery pack 312a includes an assembled battery 314a and an assembled battery monitoring device (VTM: Voltage Temperature Monitoring) 313a. The battery pack 312b includes an assembled battery 314b and an assembled battery monitoring device 313b. The battery pack 312c includes an assembled battery 314c and an assembled battery monitoring device 313c. The battery packs 312a, 312b, and 312c can be removed independently and replaced with another battery pack.

組電池314a~314cのそれぞれは、直列に接続された複数の単電池を備えている。複数の単電池の少なくとも1つは、第1の実施形態に係る二次電池である。組電池314a~314cは、それぞれ、正極端子316及び負極端子317を通じて充放電を行う。 Each of the assembled batteries 314a to 314c includes a plurality of cells connected in series. At least one of the plurality of cell cells is the secondary battery according to the first embodiment. The assembled batteries 314a to 314c are charged and discharged through the positive electrode terminal 316 and the negative electrode terminal 317, respectively.

電池管理装置311は、車両用電源302の保全に関する情報を集めるために、組電池監視装置313a~313cとの間で通信を行い、車両用電源302に含まれる組電池314a~314cに含まれる単電池の電圧、及び温度などに関する情報を収集する。 The battery management device 311 communicates with the assembled battery monitoring devices 313a to 313c in order to collect information on the maintenance of the vehicle power supply 302, and is included in the assembled batteries 314a to 314c included in the vehicle power supply 302. Collect information about battery voltage, temperature, etc.

電池管理装置311と組電池監視装置313a~313cとの間には、通信バス310が接続されている。通信バス310は、1組の通信線を複数のノード(電池管理装置と1つ以上の組電池監視装置と)で共有するように構成されている。通信バス310は、例えばCAN(Control Area Network)規格に基づいて構成された通信バスである。 A communication bus 310 is connected between the battery management device 311 and the assembled battery monitoring devices 313a to 313c. The communication bus 310 is configured to share a set of communication lines with a plurality of nodes (a battery management device and one or more set battery monitoring devices). The communication bus 310 is, for example, a communication bus configured based on the CAN (Control Area Network) standard.

組電池監視装置313a~313cは、電池管理装置311からの通信による指令に基づいて、組電池314a~314cを構成する個々の単電池の電圧及び温度を計測する。ただし、温度は1つの組電池につき数箇所だけで測定することができ、全ての単電池の温度を測定しなくてもよい。 The assembled battery monitoring devices 313a to 313c measure the voltage and temperature of the individual cells constituting the assembled batteries 314a to 314c based on a command by communication from the battery management device 311. However, the temperature can be measured only at a few points per set battery, and it is not necessary to measure the temperature of all the cells.

車両用電源302は、正極端子316と負極端子317との間の電気的な接続を入り切りするための電磁接触器(例えば図10に示すスイッチ装置333)を有することもできる。スイッチ装置333は、組電池314a~314cへの充電が行われるときにオンするプリチャージスイッチ(図示せず)、及び組電池314a~314cからの出力が負荷へ供給されるときにオンするメインスイッチ(図示せず)を含んでいる。プリチャージスイッチおよびメインスイッチは、スイッチ素子の近傍に配置されたコイルに供給される信号によりオン又はオフされるリレー回路(図示せず)を備えている。 The vehicle power supply 302 may also have an electromagnetic contactor (eg, switch device 333 shown in FIG. 10) for turning on and off the electrical connection between the positive electrode terminal 316 and the negative electrode terminal 317. The switch device 333 is a precharge switch (not shown) that is turned on when the assembled batteries 314a to 314c are charged, and a main switch that is turned on when the output from the assembled batteries 314a to 314c is supplied to the load. (Not shown) is included. The precharge switch and the main switch include a relay circuit (not shown) that is turned on or off by a signal supplied to a coil located near the switch element.

インバータ340は、入力された直流電圧を、モータ駆動用の3相の交流(AC)の高電圧に変換する。インバータ340の3相の出力端子は、駆動モータ345の各3相の入力端子に接続されている。インバータ340は、電池管理装置311あるいは車両300の全体動作を制御するための車両ECU380からの制御信号に基づいて、出力電圧を制御する。 The inverter 340 converts the input direct current voltage into a high voltage of three-phase alternating current (AC) for driving the motor. The three-phase output terminals of the inverter 340 are connected to the input terminals of each of the three phases of the drive motor 345. The inverter 340 controls the output voltage based on the control signal from the battery management device 311 or the vehicle ECU 380 for controlling the overall operation of the vehicle 300.

駆動モータ345は、インバータ340から供給される電力により回転する。この回転は、例えば差動ギアユニットを介して車軸および駆動輪Wに伝達される。 The drive motor 345 is rotated by the electric power supplied from the inverter 340. This rotation is transmitted to the axle and drive wheels W, for example, via a differential gear unit.

また、図示はしていないが、車両300は、回生ブレーキ機構(即ち、リジェネレーター)を備えている。回生ブレーキ機構は、車両300を制動した際に駆動モータ345を回転させ、運動エネルギーを電気エネルギーとしての回生エネルギーに変換する。回生ブレーキ機構で回収した回生エネルギーは、インバータ340に入力され、直流電流に変換される。直流電流は、車両用電源302に入力される。 Although not shown, the vehicle 300 is provided with a regenerative braking mechanism (that is, a regenerator). The regenerative braking mechanism rotates the drive motor 345 when the vehicle 300 is braked, and converts kinetic energy into regenerative energy as electrical energy. The regenerative energy recovered by the regenerative braking mechanism is input to the inverter 340 and converted into a direct current. The direct current is input to the vehicle power supply 302.

車両用電源302の負極端子317には、接続ラインL1の一方の端子が、電池管理装置311内の電流検出部(図示せず)を介して接続されている。接続ラインL1の他方の端子は、インバータ340の負極入力端子に接続されている。 One terminal of the connection line L1 is connected to the negative electrode terminal 317 of the vehicle power supply 302 via a current detection unit (not shown) in the battery management device 311. The other terminal of the connection line L1 is connected to the negative electrode input terminal of the inverter 340.

車両用電源302の正極端子316には、接続ラインL2の一方の端子が、スイッチ装置333を介して接続されている。接続ラインL2の他方の端子は、インバータ340の正極入力端子に接続されている。 One terminal of the connection line L2 is connected to the positive electrode terminal 316 of the vehicle power supply 302 via the switch device 333. The other terminal of the connection line L2 is connected to the positive electrode input terminal of the inverter 340.

外部端子370は、電池管理装置311に接続されている。外部端子370は、例えば、外部電源に接続することができる。 The external terminal 370 is connected to the battery management device 311. The external terminal 370 can be connected to, for example, an external power source.

車両ECU380は、運転者などの操作入力に応答して他の装置とともに電池管理装置311を協調制御して、車両全体の管理を行なう。電池管理装置311と車両ECU380との間では、通信線により、車両用電源302の残容量など、車両用電源302の保全に関するデータ転送が行われる。 The vehicle ECU 380 manages the entire vehicle by coordinating and controlling the battery management device 311 together with other devices in response to an operation input from the driver or the like. Data transfer related to maintenance of the vehicle power supply 302, such as the remaining capacity of the vehicle power supply 302, is performed between the battery management device 311 and the vehicle ECU 380 via a communication line.

第4の実施形態に係る車両は、第3の実施形態に係る電池パックを具備している。即ち、寿命性能の高い電池パックを備えているため、第4の実施形態に係る車両はサイクル寿命性能に優れおり、且つ電池パックが寿命性能に優れているため、信頼性が高い車両を提供することができる。 The vehicle according to the fourth embodiment includes the battery pack according to the third embodiment. That is, since the vehicle has a battery pack having a high life performance, the vehicle according to the fourth embodiment has an excellent cycle life performance, and the battery pack has an excellent life performance, so that a highly reliable vehicle is provided. be able to.

(第5の実施形態)
第5の実施形態によると、定置用電源が提供される。この定置用電源は、第3の実施形態に係る電池パックを搭載している。なお、この定置用電源は、第3の実施形態に係る電池パックの代わりに、第2の実施形態に係る組電池又は第1の実施形態に係るリチウム亜鉛二次電池を搭載していてもよい。
(Fifth Embodiment)
According to the fifth embodiment, a stationary power supply is provided. This stationary power supply is equipped with the battery pack according to the third embodiment. The stationary power supply may be equipped with the assembled battery according to the second embodiment or the lithium zinc secondary battery according to the first embodiment instead of the battery pack according to the third embodiment. ..

第5の実施形態に係る定置用電源は、第3の実施形態に係る電池パックを搭載している。したがって、第5の実施形態に係る定置用電源は、長寿命を実現することができる。 The stationary power supply according to the fifth embodiment is equipped with the battery pack according to the third embodiment. Therefore, the stationary power supply according to the fifth embodiment can realize a long life.

図11は、第5実施形態に係る定置用電源を含むシステムの一例を示すブロック図である。図11は、第3の実施形態に係る電池パック40A、40Bの使用例として、定置用電源112、123への適用例を示す図である。図11に示す一例では、定置用電源112,123が用いられるシステム110が示される。システム110は、発電所111、定置用電源112、需要家側電力系統113及びエネルギー管理システム(EMS)115を備える。また、システム110には、電力網116及び通信網117が形成され、発電所111、定置用電源112、需要家側電力系統113及びEMS115は、電力網116及び通信網117を介して、接続される。EMS115は、電力網116及び通信網117を活用して、システム110全体を安定化させる制御を行う。 FIG. 11 is a block diagram showing an example of a system including a stationary power supply according to a fifth embodiment. FIG. 11 is a diagram showing an application example to the stationary power supplies 112 and 123 as an example of using the battery packs 40A and 40B according to the third embodiment. In the example shown in FIG. 11, the system 110 in which the stationary power supplies 112 and 123 are used is shown. The system 110 includes a power plant 111, a stationary power supply 112, a consumer-side power system 113, and an energy management system (EMS) 115. Further, a power network 116 and a communication network 117 are formed in the system 110, and the power plant 111, the stationary power supply 112, the consumer side power system 113 and the EMS 115 are connected via the power network 116 and the communication network 117. The EMS 115 utilizes the power grid 116 and the communication network 117 to control the entire system 110 to be stabilized.

発電所111は、火力及び原子力等の燃料源によって、大容量の電力を生成する。発電所111からは、電力網116等を通して電力が供給される。また、定置用電源112には、電池パック40Aが搭載される。電池パック40Aは、発電所111から供給される電力等を蓄電できる。また、定置用電源112は、電池パック40Aに蓄電された電力を、電力網116等を通して供給できる。システム110には、電力変換装置118が設けられる。電力変換装置118は、コンバータ、インバータ及び変圧器等を含む。したがって、電力変換装置118は、直流と交流との間の変換、互いに対して周波数が異なる交流の間の変換、及び、変圧(昇圧及び降圧)等を行うことができる。このため、電力変換装置118は、発電所111からの電力を、電池パック40Aへ蓄電可能な電力に変換できる。 The power plant 111 produces a large amount of electric power from fuel sources such as thermal power and nuclear power. Power is supplied from the power plant 111 through the power grid 116 and the like. Further, a battery pack 40A is mounted on the stationary power supply 112. The battery pack 40A can store electric power and the like supplied from the power plant 111. Further, the stationary power supply 112 can supply the electric power stored in the battery pack 40A through the power grid 116 or the like. The system 110 is provided with a power converter 118. The power converter 118 includes a converter, an inverter, a transformer and the like. Therefore, the power conversion device 118 can perform conversion between direct current and alternating current, conversion between alternating current having different frequencies with respect to each other, transformation (step-up and step-down), and the like. Therefore, the power conversion device 118 can convert the power from the power plant 111 into the power that can be stored in the battery pack 40A.

需要家側電力系統113には、工場用の電力系統、ビル用の電力系統、及び、家庭用の電力系統等が、含まれる。需要家側電力系統113は、需要家側EMS121、電力変換装置122及び定置用電源123を備える。定置用電源123には、電池パック40Bが搭載される。需要家側EMS121は、需要家側電力系統113を安定化させる制御を行う。 The consumer-side power system 113 includes a factory power system, a building power system, a household power system, and the like. The consumer-side power system 113 includes a consumer-side EMS 121, a power conversion device 122, and a stationary power supply 123. The battery pack 40B is mounted on the stationary power supply 123. The consumer-side EMS 121 controls to stabilize the consumer-side power system 113.

需要家側電力系統113には、発電所111からの電力、及び、電池パック40Aからの電力が、電力網116を通して供給される。電池パック40Bは、需要家側電力系統113に供給された電力を蓄電できる。また、電力変換装置122は、電力変換装置118と同様に、コンバータ、インバータ及び変圧器等を含む。したがって、電力変換装置122は、直流と交流との間の変換、互いに対して周波数が異なる交流の間の変換、及び、変圧(昇圧及び降圧)等を行うことができる。このため、電力変換装置122は、需要家側電力系統113に供給された電力を、電池パック40Bへ蓄電可能な電力に変換できる。 The electric power from the power plant 111 and the electric power from the battery pack 40A are supplied to the electric power system 113 on the consumer side through the electric power grid 116. The battery pack 40B can store the electric power supplied to the consumer side electric power system 113. Further, the power conversion device 122 includes a converter, an inverter, a transformer, and the like, similarly to the power conversion device 118. Therefore, the power conversion device 122 can perform conversion between direct current and alternating current, conversion between alternating current having different frequencies with respect to each other, transformation (step-up and step-down), and the like. Therefore, the power conversion device 122 can convert the power supplied to the consumer side power system 113 into power that can be stored in the battery pack 40B.

なお、電池パック40Bに蓄電された電力は、例えば、電気自動車等の車両の充電等に用いることができる。また、システム110には、自然エネルギー源が設けられてもよい。この場合、自然エネルギー源は、風力及び太陽光等の自然エネルギーによって、電力を生成する。そして、発電所111に加えて自然エネルギー源からも、電力網116を通して、電力が供給される。 The electric power stored in the battery pack 40B can be used, for example, for charging a vehicle such as an electric vehicle. Further, the system 110 may be provided with a natural energy source. In this case, the renewable energy source generates electric power by natural energy such as wind power and solar power. Then, power is supplied from the natural energy source in addition to the power plant 111 through the power grid 116.

以下に実施例を説明するが、実施形態は、以下に掲載される実施例に限定されるものではない。 Examples will be described below, but the embodiments are not limited to the examples described below.

[実施例]
以下、実施例に基づいて上記実施形態をさらに詳細に説明するが、本発明の主旨を超えない限り、本発明は以下に記載される実施例に限定されるものではない。
[Example]
Hereinafter, the above-described embodiment will be described in more detail based on the examples, but the present invention is not limited to the examples described below as long as the gist of the present invention is not exceeded.

(実施例1)
正極として、正極活物質に、スピネル構造のリチウムマンガン酸化物(LiMn)粒子を用いた。LiMn粒子は、一次粒子と二次粒子が混在しており、LiMn粒子の平均二次粒子径は5μmであった。正極活物質に、導電剤として正極全体に対して繊維径0.1μmの気相成長の炭素繊維を3重量%、黒鉛粉末を5重量%、結着剤として正極全体に対して5重量%のポリテトラフルオロエチレン(PTFE)をそれぞれ配合し、それらをN-メチル-2-ピロリドンに分散してスラリーを調製した。得られたスラリーを厚さ10μmのチタン箔の両面に塗布、乾燥し、プレス工程を経て、片面当たりの正極活物質含有層の厚さが43μm、電極密度2.2g/cmの正極を作製した。
(Example 1)
As the positive electrode, lithium manganese oxide (LiMn 2 O 4 ) particles having a spinel structure were used as the positive electrode active material. The LiMn 2 O 4 particles were a mixture of primary particles and secondary particles, and the average secondary particle diameter of the LiMn 2 O 4 particles was 5 μm. The positive electrode active material contains 3% by weight of carbon fiber having a gas phase growth with a fiber diameter of 0.1 μm as a conductive agent, 5% by weight of graphite powder, and 5% by weight as a binder with respect to the entire positive electrode. Polytetrafluoroethylene (PTFE) was blended and dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone to prepare a slurry. The obtained slurry was applied to both sides of a titanium foil having a thickness of 10 μm, dried, and subjected to a pressing process to prepare a positive electrode having a thickness of a positive electrode active material-containing layer per side of 43 μm and an electrode density of 2.2 g / cm 3 . did.

負極として、厚さ200μmの亜鉛単体の金属体上にアナターゼ型酸化チタンを酸化物として含むスラリーを、亜鉛金属体に露出部がないように両面に均一に塗布した後、圧延させ亜鉛金属体上に密着させた酸化物を含む亜鉛負極を使用した。 As a negative electrode, a slurry containing anatase-type titanium oxide as an oxide is uniformly applied to both sides of the zinc metal body so that there are no exposed parts on the metal body of zinc alone having a thickness of 200 μm, and then rolled onto the zinc metal body. A zinc negative electrode containing an oxide that was brought into close contact with the metal was used.

電解質には、リチウム支持塩をLiCl(12M)とし、亜鉛支持塩をZnCl(0.1M)とする水溶液を使用した。 As the electrolyte, an aqueous solution having LiCl (12M) as the lithium-supported salt and ZnCl 2 (0.1M) as the zinc-supporting salt was used.

実施例1で用いた負極酸化物、セパレータや電解質に含まれるリチウム支持塩及び亜鉛支持塩については表1に記載した。表1には後述する実施例2~19、比較例1~5、7~9についても記載した。 Table 1 shows the lithium-supported salt and the zinc-supported salt contained in the negative electrode oxide, the separator and the electrolyte used in Example 1. Table 1 also describes Examples 2 to 19, Comparative Examples 1 to 5, and 7 to 9, which will be described later.

このように作製した負極に対して、酸化物の平均一次粒子径測定、酸化物の比表面積、酸化物の結晶子径をそれぞれ測定し、また上記のように作製した正極、負極、電解質とセパレータを用い、参照極として飽和カロメル電極を用いた三電極式のセルを構成し、充放電評価試験を実施した。セルの外装部はアルミニウムとした。三電極式のセルの放電容量及び放電時平均作動電位を測定した。それぞれの測定結果は表2に記載した。 For the negative electrode prepared in this way, the average primary particle size of the oxide, the specific surface area of the oxide, and the crystallite diameter of the oxide were measured, respectively, and the positive electrode, the negative electrode, the electrolyte and the separator prepared as described above were measured. A three-electrode cell using a saturated calomel electrode as a reference electrode was constructed using the above, and a charge / discharge evaluation test was carried out. The exterior of the cell is made of aluminum. The discharge capacity of the three-electrode cell and the average operating potential at the time of discharge were measured. The results of each measurement are shown in Table 2.

(酸化物の平均一次粒子径測定)
酸化物の平均一次粒子径は、二次電池から負極を取り出し、負極表面を、TEMを用いて観察する。負極表面から任意の酸化物を10個抽出し、平均一次粒子径を算出した。
(Measurement of average primary particle size of oxide)
For the average primary particle size of the oxide, the negative electrode is taken out from the secondary battery and the surface of the negative electrode is observed using TEM. Ten arbitrary oxides were extracted from the surface of the negative electrode, and the average primary particle size was calculated.

(酸化物の比表面積)
負極表面から酸化物を含む層を剥離し、乳鉢で粉砕して粉状にした後、Nガスを使用したガス吸着法によるBET法を用いて比表面積の算出を行った。
(Specific surface area of oxide)
The layer containing the oxide was peeled off from the surface of the negative electrode, pulverized in a mortar to form a powder, and then the specific surface area was calculated by using the BET method by the gas adsorption method using N2 gas.

(酸化物の結晶子径)
負極を無反射ガラス試料板に位置ずれ無く乗せて、電極表面において広角X線散乱測定を実施した。アナターゼ型酸化チタン粒子に帰属される2θ=25.34°のメインピークから、シェラー式により結晶子径を算出した。
(Oxide crystallite diameter)
The negative electrode was placed on the non-reflective glass sample plate without any positional deviation, and wide-angle X-ray scattering measurement was performed on the electrode surface. The crystallite diameter was calculated by the Scherrer equation from the main peak of 2θ = 25.34 ° attributed to the anatase-type titanium oxide particles.

(充放電試験)
上記した三電極式のセルに対して、充放電条件は、充電時において電位-1.4V(vs.SCE)、容量終止1.5(mAh/cm)とする定電流試験、放電時において電位-0.8V(vs.SCE)、容量終止1.5(mAh/cm)とする定電流試験を行った。10サイクル後の容量(mAh/cm2)を100%とし、亜鉛の溶解・析出を繰り替えしたときに容量が80%になったときか、あるいはデンドライト析出により短絡により充放電が不可能となった時までの充放電回数を寿命(回)と定義した。
(Charging / discharging test)
For the above-mentioned three-electrode cell, the charge / discharge conditions are a potential of -1.4 V (vs. SCE) during charging, a constant current test with a capacity termination of 1.5 (mAh / cm 2 ), and during discharge. A constant current test was performed with a potential of −0.8 V (vs. SCE) and a capacitance termination of 1.5 (mAh / cm 2 ). The capacity (mAh / cm 2 ) after 10 cycles was set to 100%, and when the capacity became 80% when zinc was repeatedly dissolved and deposited, or due to dendrite precipitation, charging and discharging became impossible due to a short circuit. The number of charge / discharge cycles up to the hour was defined as the life (times).

(亜鉛濃度とリチウム濃度測定)
充放電試験後、作製したビーカーセルから、電解質を取り出した。電解質中の亜鉛濃度とリチウム濃度をICP分析により定量し、mol濃度比Zn/Liを算出した。
(Measurement of zinc concentration and lithium concentration)
After the charge / discharge test, the electrolyte was taken out from the prepared beaker cell. The zinc concentration and lithium concentration in the electrolyte were quantified by ICP analysis, and the mol concentration ratio Zn / Li was calculated.

後述する実施例2~18及び比較例1~5及び7~9についての測定結果についても表2に記載した。 The measurement results of Examples 2 to 18 and Comparative Examples 1 to 5 and 7 to 9 described later are also shown in Table 2.

(実施例2)
セパレータとして、厚さ0.2μmのリチウムイオン導電性の固体電解質の板を用いた以外は、実施例1と同様の方法により二次電池を構成し、測定を行った。固体電解質には、NASICON型骨格を有するLATP (組成:Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3)を用いた。
(Example 2)
A secondary battery was constructed by the same method as in Example 1 except that a plate of a lithium ion conductive solid electrolyte having a thickness of 0.2 μm was used as a separator, and measurement was performed. As the solid electrolyte, LATP (composition: Li 1.3 Al 0.3 Ti 1.7 (PO 4 ) 3 ) having a NASICON type skeleton was used.

(実施例3)
酸化物として酸化タングステン(組成式:WO3)を用いた以外は、実施例1と同様の方法で二次電池を作製し、測定を行った。
(Example 3)
A secondary battery was prepared and measured by the same method as in Example 1 except that tungsten oxide (composition formula: WO 3 ) was used as the oxide.

(実施例4)
酸化物としてルチル型酸化チタンを用いた以外は、実施例1と同様の方法で二次電池を作製し、測定を行った。
(Example 4)
A secondary battery was prepared and measured by the same method as in Example 1 except that rutile-type titanium oxide was used as the oxide.

(実施例5)
酸化物として単斜晶型酸化チタンを用いた以外は、実施例1と同様の方法で二次電池を作製し、測定を行った。
(Example 5)
A secondary battery was prepared and measured by the same method as in Example 1 except that monoclinic titanium oxide was used as the oxide.

(実施例6)
酸化物として、アナターゼ型酸化チタンと、酸化タングステンを1:1のモル比で混合して用いた以外は、実施例1と同様の方法で二次電池を作製し、測定を行った。
(Example 6)
A secondary battery was prepared and measured by the same method as in Example 1 except that anatase-type titanium oxide and tungsten oxide were mixed and used as an oxide in a molar ratio of 1: 1.

(実施例7及び8)
亜鉛支持塩としての塩化亜鉛(組成式:ZnCl)の電解質への溶解量を変更し、電解質のZn/Li比を調整したこと以外は、実施例1と同様の方法で二次電池を作製し、測定を行った。
(Examples 7 and 8)
A secondary battery was prepared by the same method as in Example 1 except that the amount of zinc chloride (composition formula: ZnCl 2 ) dissolved in the electrolyte as a zinc supporting salt was changed and the Zn / Li ratio of the electrolyte was adjusted. And the measurement was performed.

(実施例9)
リチウム支持塩としてLiNO3を用いて溶解量を調整し、亜鉛の支持塩を用いなかったこと以外は、実施例1と同様の方法で二次電池を作製し、測定を行った。
(Example 9)
The dissolution amount was adjusted using LiNO 3 as the lithium supporting salt, and a secondary battery was prepared and measured by the same method as in Example 1 except that the zinc supporting salt was not used.

(実施例10)
リチウム支持塩としてLi2SO4を用いて溶解量を調整し、亜鉛塩をZnSOに変更して溶解量を調整したこと以外は、実施例1と同様の方法で二次電池を作製し、測定を行った。
(Example 10)
A secondary battery was prepared by the same method as in Example 1 except that the dissolution amount was adjusted using Li 2 SO 4 as the lithium supporting salt and the dissolution amount was adjusted by changing the zinc salt to ZnSO 4 . Measurements were made.

(実施例11)
電解質にリチウム支持塩として、LiCl(12M)に加え、さらにLiOH(1M)を添加したこと以外は、実施例1と同様の方法で二次電池を作製し、測定を行った。
(Example 11)
A secondary battery was prepared and measured by the same method as in Example 1 except that LiCl (12M) and LiOH (1M) were further added to the electrolyte as a lithium supporting salt.

(実施例12)
亜鉛塩を電解質の支持塩として用いなかったこと以外は、実施例1と同様の方法で二次電池を作製し、測定を行った。表1のZn/Li比で示したように、実施例12は負極から亜鉛が電解質に溶出しているために亜鉛が検出された。
(Example 12)
A secondary battery was prepared and measured by the same method as in Example 1 except that the zinc salt was not used as the supporting salt of the electrolyte. As shown by the Zn / Li ratio in Table 1, in Example 12, zinc was detected because zinc was eluted from the negative electrode into the electrolyte.

(実施例13)
亜鉛単体の金属をチタンに変更し、セルの外装部に亜鉛金属を用いた以外は実施例12と同様の方法で二次電池を作製し、測定を行った。表1のZn/Li比で示したように、実施例13は負極から亜鉛が電解質に溶出しているために亜鉛が検出された。
(Example 13)
A secondary battery was prepared and measured by the same method as in Example 12 except that the metal of zinc alone was changed to titanium and zinc metal was used for the exterior portion of the cell. As shown by the Zn / Li ratio in Table 1, in Example 13, zinc was detected because zinc was eluted from the negative electrode into the electrolyte.

(実施例14)
電解質の亜鉛支持塩として亜鉛塩をZnSOに変更し、溶解量を調整したこと以外は、実施例1と同様の方法で二次電池を作製し、測定を行った。
(Example 14)
A secondary battery was prepared and measured by the same method as in Example 1 except that the zinc salt was changed to ZnSO 4 as the zinc supporting salt of the electrolyte and the dissolution amount was adjusted.

(実施例15~17)
酸化物としてのアナターゼ型酸化チタンの一次粒子径、比表面積、結晶子径を表1に記載の通りに変更した以外は、実施例1と同様の方法で二次電池を作製し、測定を行った。
(Examples 15 to 17)
A secondary battery was prepared and measured in the same manner as in Example 1 except that the primary particle diameter, specific surface area, and crystallite diameter of anatase-type titanium oxide as an oxide were changed as shown in Table 1. rice field.

(実施例18)
液状水溶液電解質にポリアクリロニトリルを10wt.%混合して、ゲル状にした電解質を用いた以外は、実施例17と同様の方法で二次電池を作製し、測定を行った。
(Example 18)
Add 10 wt. Polyacrylonitrile to the liquid aqueous solution electrolyte. A secondary battery was prepared and measured in the same manner as in Example 17 except that the electrolyte was mixed and gelled.

(実施例19)
セパレータとして用いた固体電解質として厚さ200μmのガーネット型LiLaZr12(LLZ)を用いたこと以外は、実施例2と同様の方法で二次電池を作製し、測定を行った。
(Example 19)
A secondary battery was prepared and measured by the same method as in Example 2 except that a garnet-type Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (LLZ) having a thickness of 200 μm was used as the solid electrolyte used as the separator. ..

(比較例1)
負極として酸化物材料を塗布せず、亜鉛負極のみを用い、電解質の支持塩の組合せをLiCl(12M)+ZnCl(4M)とした以外は、実施例1と同様の方法で二次電池を作製し、測定を行った。
(Comparative Example 1)
A secondary battery was produced by the same method as in Example 1 except that the oxide material was not applied as the negative electrode, only the zinc negative electrode was used, and the combination of the supporting salts of the electrolyte was LiCl (12M) + ZnCl 2 (4M). And the measurement was performed.

(比較例2)
負極として酸化物材料を塗布せず、亜鉛負極のみを用い、電解質の支持塩の組合せをLiCl(12M)+ZnCl(4M)とした以外は、実施例2と同様の方法で二次電池を作製し、測定を行った。
(Comparative Example 2)
A secondary battery was produced by the same method as in Example 2 except that the oxide material was not applied as the negative electrode, only the zinc negative electrode was used, and the combination of the supporting salts of the electrolyte was LiCl (12M) + ZnCl 2 (4M). And the measurement was performed.

(比較例3及び4)
塩化亜鉛(組成式:ZnCl)の電解質への溶解量を変更し、電解質のZn/Li比を調整したこと以外は、実施例1と同様の方法で二次電池を作製し、測定を行った。
(Comparative Examples 3 and 4)
A secondary battery was prepared and measured by the same method as in Example 1 except that the amount of zinc chloride (composition formula: ZnCl 2 ) dissolved in the electrolyte was changed and the Zn / Li ratio of the electrolyte was adjusted. rice field.

(比較例5及び7)
酸化物粒子としてのアナターゼ型酸化チタンの一次粒子径、比表面積、結晶子径を表1に記載の通りに変更した以外は、実施例1と同様の方法で二次電池を作製し、測定を行った。
(Comparative Examples 5 and 7)
A secondary battery was prepared in the same manner as in Example 1 except that the primary particle diameter, specific surface area, and crystallite diameter of anatase-type titanium oxide as oxide particles were changed as shown in Table 1, and measurement was performed. went.

(比較例8)
酸化物としてチタン酸リチウム(組成式:Li4Ti5O12)を用いた以外は、実施例1と同様の方法で二次電池を作製し、測定を行った。
(Comparative Example 8)
A secondary battery was prepared and measured by the same method as in Example 1 except that lithium titanate (composition formula: Li 4 Ti 5 O 12 ) was used as the oxide.

(比較例9)
酸化物としてバナジウム酸リチウム(組成式:LiV3O8)を用いた以外は、実施例1と同様の方法で二次電池を作製し、測定を行った。
(Comparative Example 9)
A secondary battery was prepared and measured by the same method as in Example 1 except that lithium vanadium acid (composition formula: LiV 3 O 8 ) was used as the oxide.

Figure 0007027363000002
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Figure 0007027363000003
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表2より、単純な亜鉛の溶解及び析出反応のみを用いた比較例1では、放電容量が高く得られているものの、デンドライト析出に伴う短絡により寿命性能は100回だった。また、固体電解質を用いた比較例2は短絡が防止されたものの、デンドライト析出に伴う過電圧により容量劣化し、寿命性能は200回だった。しかし、実施例1はリチウム吸蔵放出と亜鉛の溶解析出の混成反応により作動電位が卑になると共に、デンドライトの析出が抑制されることで寿命性能が向上していることが分かる。また、固体電解質を用いた実施例2は実施例1と比べ、デンドライトの析出がさらに抑制されることによって寿命性能が向上していることが分かる。 From Table 2, in Comparative Example 1 using only a simple zinc dissolution and precipitation reaction, although a high discharge capacity was obtained, the life performance was 100 times due to a short circuit due to dendrite precipitation. Further, in Comparative Example 2 using the solid electrolyte, although the short circuit was prevented, the capacity deteriorated due to the overvoltage accompanying the dendrite precipitation, and the service life performance was 200 times. However, in Example 1, it can be seen that the operating potential becomes low due to the mixed reaction of lithium occlusion and release and the dissolution and precipitation of zinc, and the precipitation of dendrite is suppressed, so that the life performance is improved. Further, it can be seen that the life performance of Example 2 using the solid electrolyte is improved by further suppressing the precipitation of dendrites as compared with Example 1.

実施例3~6は酸化物を実施例1から変更した例であるが、酸化物の形状の変化により比表面積及び平均一次粒子径、結晶子径が変化しているものの、比較例1及び2と比較して良好な放電容量と寿命が得られていることが分かる。 Examples 3 to 6 are examples in which the oxide is changed from Example 1, and although the specific surface area, the average primary particle diameter, and the crystallite diameter are changed due to the change in the shape of the oxide, Comparative Examples 1 and 2 It can be seen that a good discharge capacity and a long life are obtained as compared with the above.

比較例8~9は酸化物を実施例1から変更した例である。酸化物粒子としてチタン酸リチウムを用いた比較例8は、リチウム吸蔵放出電位が-1.4 V(vs. SCE)を下回る場合であるが、亜鉛の溶解析出の電位領域とは重ならないためにリチウムの吸蔵放出と伴って、水素の発生が見られた。この結果、放電容量は亜鉛の析出を含まないために低く、水素発生による気泡発生のため過電圧増加により実施例よりも寿命は低かった。 Comparative Examples 8 to 9 are examples in which the oxide is changed from Example 1. In Comparative Example 8 in which lithium titanate is used as the oxide particles, the lithium occlusion / release potential is lower than -1.4 V (vs. SCE), but since it does not overlap with the potential region of the dissolution and precipitation of zinc, lithium is used. Generation of hydrogen was observed with the release of occlusion. As a result, the discharge capacity was low because it did not contain zinc precipitation, and the life was shorter than in the examples due to the increase in overvoltage due to the generation of bubbles due to the generation of hydrogen.

バナジウム酸リチウムを用いた比較例9では、リチウム吸蔵放出電位が-1.0 V(vs. SCE)を上回る。水素発生が少ないためリチウム吸蔵及び放出の可逆性が良く寿命性能が良好であるものの、亜鉛の溶解析出の電位領域とは重ならないため、亜鉛の析出を含まない。そのため放電容量は実施例に比べて低かった。 In Comparative Example 9 using lithium vanadium, the lithium occlusion / release potential exceeds -1.0 V (vs. SCE). Since the amount of hydrogen generated is small, the reversibility of lithium occlusion and release is good and the life performance is good, but since it does not overlap with the potential region of zinc dissolution precipitation, zinc precipitation is not included. Therefore, the discharge capacity was lower than that of the examples.

実施例7及び8と比較例3及び4は、支持塩として塩化亜鉛ZnClの電解質への溶解量を実施例1から変更して、Zn/Li比を調整した例である。実施例7及び8の放電容量及び寿命回数は良好である。一方、Zn/Liが高い比較例3はデンドライトが析出しやすくなって寿命性能が得られなかった。また、Zn/Liが低い比較例4は、亜鉛の充放電が進行せず十分な放電容量が得られないと共に、水素発生による自己放電が発生するために、セル内に気泡が溜まることで液枯れによる過電圧により寿命特性が低下した。 Examples 7 and 8 and Comparative Examples 3 and 4 are examples in which the amount of zinc chloride ZnCl 2 dissolved in the electrolyte as a supporting salt was changed from Example 1 to adjust the Zn / Li ratio. The discharge capacities and the number of lifespans of Examples 7 and 8 are good. On the other hand, in Comparative Example 3 having a high Zn / Li, dendrites tended to precipitate and the life performance could not be obtained. Further, in Comparative Example 4 in which Zn / Li is low, zinc charging / discharging does not proceed and a sufficient discharge capacity cannot be obtained, and self-discharge occurs due to hydrogen generation. Life characteristics deteriorated due to overvoltage due to withering.

実施例9~11はリチウム支持塩を実施例1から変更した例であるが、その場合においても比較例と比べて良好な放電容量と寿命特性が得られている。特に、水酸化リチウムを添加することで、亜鉛の溶解及び析出形態が変化して寿命特性はより良好となった。放電時平均作動電位が変化したが、これは塩濃度の変化によるものである。 Examples 9 to 11 are examples in which the lithium supporting salt is changed from Example 1, and even in that case, good discharge capacity and life characteristics are obtained as compared with Comparative Examples. In particular, the addition of lithium hydroxide changed the dissolution and precipitation morphology of zinc, resulting in better life characteristics. The average operating potential during discharge changed due to the change in salt concentration.

実施例12及び13は電解質に亜鉛塩を用いなかった例であるが、表1にも記載しているが、電解質中のZn/Li比を測定した結果、1.0x10-5という値が検出された。実施例12では、亜鉛金属体からの溶出により電解質中に亜鉛を含んでいるため、比較例と比べて良好な放電容量と寿命特性を得た。実施例13は負極が亜鉛を含まず、外装部に亜鉛を用いた場合であるが、同様に亜鉛金属が溶出することで電解質中に亜鉛を含んでいるため、比較例と比べて良好な放電容量と寿命特性を得ている。 Examples 12 and 13 are examples in which a zinc salt was not used as the electrolyte, and as shown in Table 1, as a result of measuring the Zn / Li ratio in the electrolyte, a value of 1.0 × 10 -5 was detected. rice field. In Example 12, since zinc was contained in the electrolyte due to elution from the zinc metal body, good discharge capacity and life characteristics were obtained as compared with the comparative example. Example 13 is a case where the negative electrode does not contain zinc and zinc is used for the exterior portion. Similarly, since zinc metal is eluted and zinc is contained in the electrolyte, the discharge is better than that of the comparative example. Obtained capacity and life characteristics.

実施例14は亜鉛の支持塩のみを実施例1から変更した例であるが、アニオンが混在する場合においても比較例と比べて良好な放電容量と寿命特性を得ている。 Example 14 is an example in which only the supporting salt of zinc is changed from Example 1, but even when anions are mixed, good discharge capacity and life characteristics are obtained as compared with Comparative Example.

実施例15~17及び比較例5及び7は酸化物の平均一次粒子径、比表面積、結晶子径を実施例1から変更した例であるが、実施例15~17では比較例と比べて良好な放電容量と寿命特性を得ている。特に、結晶子径が1nm以上50 nm以下であることで特性がさらに改善している。一方で、比表面積が10 m2/gより小さく、平均一次粒子径が0.1 μmより大きい比較例5及び比較例7は、亜鉛の被覆面が減り放電容量が低下するとともに、デンドライト析出により寿命特性が低下している。 Examples 15 to 17 and Comparative Examples 5 and 7 are examples in which the average primary particle diameter, specific surface area, and crystallite diameter of the oxide are changed from Example 1, but Examples 15 to 17 are better than Comparative Examples. Excellent discharge capacity and life characteristics are obtained. In particular, the characteristics are further improved when the crystallite diameter is 1 nm or more and 50 nm or less. On the other hand, in Comparative Example 5 and Comparative Example 7 in which the specific surface area is smaller than 10 m 2 / g and the average primary particle diameter is larger than 0.1 μm, the zinc coating surface is reduced, the discharge capacity is lowered, and the life characteristics are due to dendrite precipitation. Is declining.

実施例18は実施例1で用いた電解質をゲル状にした例であるが、電解質をゲル状にすることで亜鉛のデンドライト形成が抑制され寿命性能は改善した。実施例19では実施例2の固体電解質の種類をLATPからLLZに変更した例であるが、他の実施例と同様の結果が得られており、化学的に安定であり、Li伝導度が比較的良好な固体電解質であれば適用することが可能と言える。 Example 18 is an example in which the electrolyte used in Example 1 is in the form of a gel. By making the electrolyte in the form of a gel, the formation of dendrites in zinc is suppressed and the life performance is improved. Example 19 is an example in which the type of the solid electrolyte of Example 2 is changed from LATP to LLZ, but the same results as those of other examples are obtained, it is chemically stable, and the Li conductivity is compared. It can be said that any good solid electrolyte can be applied.

以上説明した1以上の実施形態及び実施例により、リチウム亜鉛二次電池が正極と、亜鉛の溶解及び析出が行われ、亜鉛を備える金属体及び金属体の表面の少なくとも一部に酸化物を備える負極と、亜鉛及びリチウム塩を含む水系電解質と、正極と負極の間に存在するセパレータと、を備える二次電池であり、酸化物は-1.4 V(vs. SCE)以上-1.0 V(vs. SCE)以下の電位領域でリチウムを吸蔵放出し、かつ酸化物の比表面積が10 m2/g以上350 m2/g以下であり、水系電解質に含まれる亜鉛とリチウムのmol濃度比Zn/Liが1.0×10-5以上0.3以下であることで、優れたサイクル特性を持つことができることがわかる。 According to one or more embodiments and examples described above, the lithium zinc secondary battery dissolves and precipitates the positive electrode and zinc, and the metal body containing zinc and at least a part of the surface of the metal body are provided with an oxide. It is a secondary battery equipped with a negative electrode, an aqueous electrolyte containing zinc and a lithium salt, and a separator existing between the positive electrode and the negative electrode, and the oxide is -1.4 V (vs. SCE) or more and -1.0 V (vs. SCE) Lithium is absorbed and released in the potential region below, the specific surface area of the oxide is 10 m 2 / g or more and 350 m 2 / g or less, and the mol concentration ratio of zinc and lithium contained in the aqueous electrolyte is Zn / Li. It can be seen that excellent cycle characteristics can be obtained when the value is 1.0 × 10 -5 or more and 0.3 or less.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although some embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other embodiments, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and variations thereof are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the scope of the invention described in the claims and the equivalent scope thereof.

1…電極群、2…容器(外装部材)、3…正極、3a…正極集電体、3b…正極活物質含有層、4…負極、4a…亜鉛を備える金属体、4b…負極酸化物含有層、5…セパレータ、6…正極リード、7…負極リード、8…正極導電タブ、9…負極導電タブ、10…封口板、12…負極端子、13…正極端子、18…正極ガスケット、19…負極ガスケット、22…制御弁、23…注液口、24…封止栓、31…組電池、32~32、43~43…二次電池、33…リード、40、40A、40B…電池パック、41…筐体、42…組電池、44…開口部、45…出力用正極端子、46…出力用負極端子、51…単位セル、55…組電池、56…プリント配線基板、57…サーミスタ、58…保護回路、59…通電用の外部端子、60…正極リード、61、63…コネクタ、62…負極リード、64、65…配線、66a…プラス配線、66b…マイナス配線、67…配線、68…保護シート、69…収納容器、70…蓋、110…システム、111…発電所、112…定置用電源、113…需要家側電力系統、115…エネルギー管理システム、116…電力網、117…通信網、118…電力変換装置、121…需要家側EMS、122…電力変換装置、123…定置用電源、200…車両、201…車両本体、202…電池パック、300…車両、301…車両本体、302…車両用電源、310…通信バス、311…電池管理装置、312a~312c…電池パック、313a~313c…組電池監視装置、314a~314c…組電池、316…正極端子、317…負極端子、333…スイッチ装置、340…インバータ、345…駆動モータ、370…外部端子、380…車両ECU、L1、L2…接続ライン、W…駆動輪。 1 ... Electrode group, 2 ... Container (exterior member), 3 ... Positive electrode, 3a ... Positive electrode current collector, 3b ... Positive electrode active material-containing layer, 4 ... Negative electrode, 4a ... Metal body with zinc, 4b ... Negative electrode oxide containing Layers 5 ... Separator, 6 ... Positive electrode lead, 7 ... Negative electrode lead, 8 ... Positive electrode conductive tab, 9 ... Negative electrode conductive tab, 10 ... Seal plate, 12 ... Negative electrode terminal, 13 ... Positive electrode terminal, 18 ... Positive electrode gasket, 19 ... Negative electrode gasket, 22 ... control valve, 23 ... liquid injection port, 24 ... sealing plug, 31 ... assembled battery, 32 1 to 32 5 , 43 1 to 435 ... secondary battery, 33 ... lead, 40, 40A, 40B ... Battery pack, 41 ... Housing, 42 ... Assembly battery, 44 ... Opening, 45 ... Positive electrode terminal for output, 46 ... Negative electrode terminal for output, 51 ... Unit cell, 55 ... Assembly battery, 56 ... Printed wiring board, 57 Thermista, 58 ... protection circuit, 59 ... external terminal for energization, 60 ... positive electrode lead, 61, 63 ... connector, 62 ... negative electrode lead, 64, 65 ... wiring, 66a ... plus wiring, 66b ... minus wiring, 67 ... Wiring, 68 ... protective sheet, 69 ... storage container, 70 ... lid, 110 ... system, 111 ... power plant, 112 ... stationary power supply, 113 ... consumer side power system, 115 ... energy management system, 116 ... power network, 117 ... communication network, 118 ... power converter, 121 ... consumer side EMS, 122 ... power converter, 123 ... stationary power supply, 200 ... vehicle, 201 ... vehicle body, 202 ... battery pack, 300 ... vehicle, 301 ... vehicle Main body, 302 ... Vehicle power supply, 310 ... Communication bus, 311 ... Battery management device, 312a to 312c ... Battery pack, 313a to 313c ... Group battery monitoring device, 314a to 314c ... Group battery, 316 ... Positive terminal, 317 ... Negative electrode Terminals, 333 ... Switch devices, 340 ... Inverters, 345 ... Drive motors, 370 ... External terminals, 380 ... Vehicle ECUs, L1, L2 ... Connection lines, W ... Drive wheels.

Claims (17)

正極と、
亜鉛の溶解及び析出が行われ、亜鉛を備える金属体及び前記金属体の表面の少なくとも一部に酸化物を備える負極と、
亜鉛及びリチウム塩を含む水系電解質と、
前記正極と前記負極との間に存在するセパレータと、
を備える二次電池であり、
前記酸化物は-1.4 V(vs. SCE)以上-1.0 V(vs. SCE)以下の電位領域でリチウムを吸蔵放出し、かつ前記酸化物の比表面積が10 m2/g以上350 m2/g以下であり、前記水系電解質に含まれる前記亜鉛と前記リチウムのmol濃度比Zn/Liが1.0×10-5以上0.3以下である、リチウム亜鉛二次電池。
With the positive electrode
A metal body containing zinc and a negative electrode having an oxide on at least a part of the surface of the metal body in which zinc is dissolved and precipitated.
Water-based electrolytes containing zinc and lithium salts,
A separator existing between the positive electrode and the negative electrode,
It is a secondary battery equipped with
The oxide occludes and releases lithium in a potential region of -1.4 V (vs. SCE) or more and -1.0 V (vs. SCE) or less, and the specific surface area of the oxide is 10 m 2 / g or more and 350 m 2 /. A lithium-zinc secondary battery having a g or less and a mol concentration ratio Zn / Li of the zinc and the lithium contained in the aqueous electrolyte of 1.0 × 10 -5 or more and 0.3 or less.
充放電反応が前記亜鉛の溶解及び析出と前記リチウムの酸化物粒子内への吸蔵及び放出反応の混成反応である、請求項1記載のリチウム亜鉛二次電池。 The lithium zinc secondary battery according to claim 1, wherein the charge / discharge reaction is a mixed reaction of the dissolution and precipitation of zinc and the storage and release reaction of the lithium in the oxide particles. 前記金属体は、集電体と活物質として働く、請求項1又は2記載のリチウム亜鉛二次電池。 The lithium-zinc secondary battery according to claim 1 or 2, wherein the metal body acts as a current collector and an active material. 前記酸化物の表面の少なくとも一部に前記亜鉛が存在する請求項1ないし3のいずれか一項に記載のリチウム亜鉛二次電池。 The lithium zinc secondary battery according to any one of claims 1 to 3 , wherein the zinc is present on at least a part of the surface of the oxide. 前記酸化物は酸化チタン及び酸化タングステンからなる群より選択される少なくとも1つ含む、請求項1ないし4のいずれか一項に記載のリチウム亜鉛二次電池。 The lithium zinc secondary battery according to any one of claims 1 to 4, wherein the oxide contains at least one selected from the group consisting of titanium oxide and tungsten oxide. 前記酸化物は酸化タングステンを含む、請求項1ないし4のいずれか一項に記載のリチウム亜鉛二次電池。 The lithium zinc secondary battery according to any one of claims 1 to 4, wherein the oxide contains tungsten oxide. 前記酸化物の平均一次粒子径は0.01 μm以上0.1 μm以下である、請求項1ないしのいずれか一項に記載のリチウム亜鉛二次電池。 The lithium zinc secondary battery according to any one of claims 1 to 6 , wherein the average primary particle size of the oxide is 0.01 μm or more and 0.1 μm or less. 前記酸化物の結晶子径が1nm以上50nm以下である、請求項1ないしのいずれか一項に記載のリチウム亜鉛二次電池。 The lithium-zinc secondary battery according to any one of claims 1 to 7 , wherein the crystallite diameter of the oxide is 1 nm or more and 50 nm or less. 前記水系電解質に含まれる前記亜鉛と前記リチウムとの前記mol濃度比Zn/Liが1.0×10-4以上0.1以下である、請求項1ないしのいずれか一項に記載のリチウム亜鉛二次電池。 The lithium zinc secondary battery according to any one of claims 1 to 8 , wherein the mol concentration ratio Zn / Li of the zinc contained in the aqueous electrolyte is 1.0 × 10 -4 or more and 0.1 or less. .. 前記セパレータはリチウムイオン導電性を有する固体電解質を含む、請求項1ないしのいずれか一項に記載のリチウム亜鉛二次電池。 The lithium-zinc secondary battery according to any one of claims 1 to 9 , wherein the separator contains a solid electrolyte having lithium ion conductivity. 請求項1ないし10のいずれか1項に記載のリチウム亜鉛二次電池を具備する電池パック。 A battery pack comprising the lithium-zinc secondary battery according to any one of claims 1 to 10 . 通電用の外部端子と、
保護回路とをさらに含む、請求項11に記載の電池パック。
External terminal for energization and
The battery pack according to claim 11 , further comprising a protection circuit.
複数の前記リチウム亜鉛二次電池を具備し、前記リチウム亜鉛二次電池が直列、並列、又は直列及び並列を組み合わせて電気的に接続されている、請求項11又は12に記載の電池パック。 The battery pack according to claim 11 or 12 , further comprising the plurality of the lithium-zinc secondary batteries, wherein the lithium-zinc secondary batteries are electrically connected in series, in parallel, or in series and in parallel. 請求項11ないし13のいずれか1項に記載の電池パックを搭載した車両。 A vehicle equipped with the battery pack according to any one of claims 11 to 13 . 前記電池パックは、前記車両の動力の回生エネルギーを回収するものである、請求項14に記載の車両。 The vehicle according to claim 14 , wherein the battery pack recovers the regenerative energy of the power of the vehicle. 前記車両の運動エネルギーを回生エネルギーに変換する機構を含む、請求項14に記載の車両。 The vehicle according to claim 14 , further comprising a mechanism for converting the kinetic energy of the vehicle into regenerative energy. 請求項11ないし13のいずれか1項に記載の電池パックを具備した定置用電源。 A stationary power supply comprising the battery pack according to any one of claims 11 to 13 .
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