JP7086937B2 - 複合金属酸化物、正極活物質、正極、ナトリウム二次電池、及び複合金属酸化物の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、複合金属酸化物、正極活物質、正極、ナトリウム二次電池、及び複合金属酸化物の製造方法に関する。
本願は、2017年3月29日に、日本に出願された特願2017-065248号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
近年、二次電池としてリチウム二次電池が実用化され、用途が拡大している。しかしながら、リチウム二次電池で使用されているリチウムは、資源的に豊富とは言えず、将来的には、リチウム資源の枯渇が懸念される。
一方、同じアルカリ金属に属するナトリウムは、リチウムに比べて資源的にも豊富に存在し、リチウムより1桁安価である。また、ナトリウムは標準電位も比較的高いことから、ナトリウム二次電池は高容量な二次電池になり得ると考えられている。
現行のリチウム二次電池の代わりに、ナトリウム二次電池を使用することができれば、資源枯渇の心配なしに、例えば、車載用二次電池や分散型電力貯蔵用二次電池などの大型二次電池を大量に生産することが可能となる。
例えば、特許文献1には高いエネルギー密度を有するナトリウム二次電池を与えることのできる複合金属酸化物が提案されている。特許文献1に記載の活物質は、ナトリウム、マンガン及び銅を含む複合金属酸化物から構成されている。特許文献1では、複合金属酸化物中の銅の含有量を特定量以下とすることにより、酸化銅等の結晶相の生成を抑制している。
特開2014-10973号公報
しかしながら、特許文献1に記載のナトリウム含有複合金属酸化物は耐水性が十分ではない。すなわち、ナトリウム含有複合金属酸化物は、大気中の水分や電極作成時に用いる溶媒に含まれる僅かな水分と反応して、ナトリウム含有複合金属酸化物中のナトリウムを放出することにより、劣化することがある。その結果、特許文献1に記載のナトリウム含有複合金属酸化物を正極活物質として用いたナトリウム二次電池は、放電容量が低下することがある。
また、特許文献1に記載のナトリウム含有複合金属酸化物中のナトリウムは、水分と反応すると、水酸化ナトリウムとして放出される。そのため、ナトリウム含有化合物を電極活物質として含む電極合剤ペーストを作製した場合、合剤ペーストを構成する材料と水酸化ナトリウムとが反応して、電極合剤ペーストのゲル化が生じ、塗工が困難になることがある。
本発明は上記事情を鑑みてなされたものであって、十分な耐水性を有するナトリウム二次電池用正極活物質等に好適に使用される複合金属酸化物、その製造方法、ナトリウム二次電池用電極及びナトリウム二次電池を提供することを課題とする。
本発明は、以下の[1]~[10]を包含する。
[1]α-NaFeO型の結晶構造を有し、下記式(1)で表される複合金属酸化物であって、粉末X線回折で測定される(104)面のピーク半値幅が2θで0.250°以下である複合金属酸化物。
Na (FeNiMn1-y-z-w)O2±δ・・・(1)(式(1)中、MはB、Si、V、Ti、Co、Mo、Pd、Re、Pb及びBiからなる群から選ばれるいずれか1種以上の元素であり、MはMg及びCaからなる群から選ばれるいずれか1種以上の元素であり、0≦r≦0.1であり、0.5≦x≦1.0であり、0.1≦y≦0.5であり、0<z<0.4であり、0<w<0.4であり、0≦δ≦0.05であり、y+z+w≦1である。)
[2]粉末X線回折で測定される(104)面のピーク半値幅が2θで0.200°未満である[1]に記載の複合金属酸化物。
[3]前記yは0.2以上0.5以下であり、前記zは0.15を越え0.4未満であり、前記wは0.15を越え0.4未満である[1]又は[2]に記載の複合金属酸化物。
[4][1]~[3]のいずれか1つに記載の複合金属酸化物を含有する正極活物質。
[5][4]に記載の正極活物質を含有する正極。
[6][5]に記載の正極を有するナトリウム二次電池。
[7]α-NaFeO型の結晶構造を有し、粉末X線回折で測定される(104)面のピーク半値幅が2θで0.250°以下である複合金属酸化物を製造する方法であり、ナトリウム含有化合物、鉄含有化合物、ニッケル含有化合物、マンガン含有化合物及び融点が800℃以下のM含有化合物(MはB、Si、V、Ti、Co、Mo、Pd、Re、Pb及びBiからなる群から選ばれるいずれか1種以上の元素である)を、混合し、混合物を得る混合工程と、前記混合物を含む粉末を焼成する焼成工程と、を含み、前記焼成工程が第1焼成工程と第2焼成工程とを有し、前記第2焼成工程は、前記第1焼成工程よりも高い温度で行う、複合金属酸化物の製造方法。
[8]前記第1焼成工程は、500℃以上900℃以下の保持温度で行い、前記第2焼成工程は750℃以上1000℃以下の保持温度で行い、前記第2焼成工程は、前記第1焼成工程よりも高い保持温度で行う、[7]に記載の複合金属酸化物の製造方法。
[9]前記M含有化合物は、融点が前記第1焼成工程の保持温度以下である化合物を含む、[7]又は[8]に記載の複合金属酸化物の製造方法。
[10]前記M含有化合物がBを含む[7]~[9]のいずれか1つに記載の複合金属酸化物の製造方法。
本発明により、耐水性の高いナトリウム二次電池用正極活物質、ナトリウム二次電池用正極及びナトリウム二次電池を提供することができる。
本発明のナトリウム二次電池用正極活物質は耐水性が高いため、大気中の水分と反応し難く、ナトリウムの溶出に起因する放電容量の低下を抑制できる。また、大気中の水分と反応してゲル化の原因となる水酸化ナトリウムの発生を抑制できるため、ゲル化しにくく、電極ペーストを塗工する際の塗工性を良好なものとすることができる。
ナトリウム二次電池の一例を示す概略構成図である。 ナトリウム二次電池の一例を示す概略構成図である。 実施例1の複合金属酸化物のXRDチャートである。 実施例2の複合金属酸化物のXRDチャートである。 実施例3の複合金属酸化物のXRDチャートである。 実施例4の複合金属酸化物のXRDチャートである。 実施例5の複合金属酸化物のXRDチャートである。 比較例1の複合金属酸化物のXRDチャートである。 比較例2の複合金属酸化物のXRDチャートである。 実施例6の複合金属酸化物のXRDチャートである。 実施例7の複合金属酸化物のXRDチャートである。 実施例8の複合金属酸化物のXRDチャートである。 実施例9の複合金属酸化物のXRDチャートである。 実施例10の複合金属酸化物のXRDチャートである。
<複合金属酸化物>
本実施形態の複合金属酸化物は、α-NaFeO型の結晶構造を有し、下記式(1)で表される複合金属酸化物であって、粉末X線回折で測定される(104)面のピーク半値幅が2θで0.250°以下である。
Na (FeNiMn1-y-z-w)O2±δ・・・(1)(式(1)中、MはB、Si、V、Ti、Co、Mo、Pd、Re、Pb及びBiからなる群から選ばれるいずれか1種以上の元素であり、MはMg及びCaからなる群から選ばれるいずれか1種以上の元素であり、0≦r≦0.1であり、0.5≦x≦1.0であり、0.1≦y≦0.5であり、0<z<0.4であり、0<w<0.4であり、0≦δ≦0.05であり、y+z+w≦1である。)
・粉末X線回折で測定される(104)面のピーク半値幅
本実施形態の複合金属酸化物は、CuKα線を使用した粉末X線回折測定において、(104)面のピークの半値幅が0.250°以下であり、0.229°以下が好ましく、0.200°未満がより好ましい。
本実施形態において、(104)面のピーク半値幅は、CuKαを線源とし、かつ回折角2θの測定範囲を10°以上90°以下とする粉末X線回折測定を行い、(104)面のピークを決定し、その半値幅を算出することにより得ることができる。
本実施形態の複合金属酸化物は、(104)面のピーク半値幅が上記上限値以下であるため結晶性が高い。このため本実施形態の複合金属酸化物は、ナトリウムの溶出が生じ難く、水共存下でも水酸化ナトリウムを形成し難いと推察され、耐水性が高いと考えられる。
本明細書において、「結晶性が高い」とは、複合金属酸化物中の結晶内に空隙が少なく、原子間距離にばらつきが少ない結晶の含有率が高いことを意味する。
本実施形態において、上記(104)面のピーク半値幅の下限値は特に限定されないが、一例を挙げると、0.100°以上、又は0.120°以上が挙げられる。
上記半値幅の上限値と下限値は任意に組み合わせることができる。
本発明の別の側面としては、(104)面のピーク半値幅は0.100°以上0.250°以下が好ましく、0.100°以上0.229°以下がより好ましく、0.120°以上0.200°未満がさらに好ましい。
・式(1)
本実施形態の複合金属酸化物は、α-NaFeO型の結晶構造を有し、下記式(1)で表される。
Na (FeNiMn1-y-z-w)O2±δ・・・(1)(式(1)中、MはB、Si、V、Ti、Co、Mo、Pd、Re、Pb及びBiからなる群から選ばれるいずれか1種以上の元素であり、MはMg及びCaからなる群から選ばれるいずれか1種以上の元素であり、0≦r≦0.1であり、0.5≦x≦1.0であり、0.1≦y≦0.5であり、0<z<0.4であり、0<w<0.4であり、0≦δ≦0.05であり、y+z+w≦1である。)
〔x〕
上記式(1)において、xが0.5以上であると、得られる正極材を含有するナトリウム二次電池の容量が大きく、エネルギー密度が高くなる。また、xが1.0を超えると、得られる正極材に炭酸ナトリウム等の不純物が混在しやすく、これを含有するナトリウム電池の抵抗が大きく、エネルギー密度が低くなる。すなわち、xが1.0以下であると、得られる正極材に炭酸ナトリウム等の不純物が混在しにくく、これを含有するナトリウム電池の抵抗が小さく、エネルギー密度が高くなる。
〔y〕
上記式(1)において、yが0.1以上であると、α-NaFeO型の結晶構造のみ有する複合金属酸化物が得られやすく、エネルギー密度が高くなる。また、yが0.5以下であると、得られるナトリウム二次電池用正極活物質を含有するナトリウム二次電池において、放電容量が大きくなる。
本実施形態の複合金属酸化物の、エネルギー密度をより高めるためには、yは0.15以上が好ましく、0.2以上がより好ましい。また、得られるナトリウム二次電池用正極活物質を含有するナトリウム二次電池において、放電容量を大きくするためには、yは0.48以下が好ましく、0.47以下がより好ましい。これらyの上限値及び下限値は、任意に組み合わせることができる。
本実施形態においては、前記式(1)において、yは0.2以上0.5以下が好ましい。
本発明の別の側面としては、yは、0.1以上0.5以下が好ましく、0.15以上0.48以下がより好ましく、0.2以上0.47以下がさらに好ましい。
〔z〕
上記式(1)において、zが0を超えると、得られるナトリウム二次電池用正極活物質を含有するナトリウム二次電池において、放電容量が大きくなる。また、zが0.4未満であると、α-NaFeO型の結晶構造のみ有する複合金属酸化物が得られやすく、エネルギー密度が高くなる。
本実施形態のナトリウム二次電池用正極活物質が、α-NaFeO型の結晶構造のみ有する複合金属酸化物を得て、エネルギー密度をより高めるためには、zは0.3以下が好ましい。また、得られるナトリウム二次電池用正極活物質を含有するナトリウム二次電池において、放電容量を大きくするためには、zは0.2以上が好ましい。
本実施形態においては、zは0.15を越え0.4未満が好ましい。
本発明の別の側面としては、zは、0超0.4未満が好ましく、0.2以上0.3以下がより好ましい。
〔w〕
上記式(1)において、wが0を超えると、得られる正極材を含有するナトリウム二次電池の容量が大きく、エネルギー密度が高くなる。また、wが0.4未満であると、α-NaFeO型の結晶構造のみ有する複合金属酸化物が得られやすい。
本実施形態においては、wは0.15を越え0.4未満であることが好ましい。
本実施形態において、前記yは0.2以上0.5以下であり、前記zは0.15を越え0.4未満であり、前記wは0.15を越え0.4未満であることが好ましい。また、zはw以下であることが好ましい。zがw以下になることで得られる正極材の耐水性が向上することがある。
〔r〕
また、rが0以上であると、エネルギー密度が高くなることがあり、0.1以下であると、放電容量が大きくなる。本実施形態において、rは0以上0.1以下が好ましく、0.01以上0.05以下がより好ましい。
〔δ〕
また、δは複合金属酸化物が中性となるように適宜定まる値であり、本実施形態においては、0以上0.05以下である。
本実施形態の複合金属酸化物は、層状岩塩型の結晶構造であるα-NaFeO型結晶構造を有している。そのため、得られる複合金属酸化物を含有するナトリウム二次電池において、駆動時にナトリウムイオンを良好にドープ及び脱ドープすることができる。
本実施形態の複合金属酸化物は、酸化ニッケルなどの不純物相及び不純物化合物を有する場合があるが、結晶内にα-NaFeO型の結晶構造を有していればよい。また、α-NaFeO型の結晶構造のみ有する単相の複合金属酸化物であることが好ましい。
本実施形態の複合金属酸化物は、上記の構成としたことにより結晶性が高いことを特徴とする。これにより大気中の水分と反応し難く、ナトリウムの溶出に起因する放電容量の低下を抑制できる。また、大気中の水分と反応してゲル化の原因となる水酸化ナトリウムの発生を抑制できるため、ゲル化しにくく、電極ペーストを塗工する際の塗工性を良好なものとすることができる。
<複合金属酸化物の製造方法>
本実施形態においては、まず、ナトリウム(Na)含有化合物、鉄(Fe)含有化合物、ニッケル(Ni)含有化合物、マンガン(Mn)含有化合物及び融点が800℃以下であるM含有化合物(MはB、Si、V、Ti、Co、Mo、Pd、Re、Pb及びBiからなる群から選ばれるいずれか1種以上の元素)を、混合して混合物を得る。
このとき、任意でM含有化合物(MはMg及びCaからなる群から選ばれるいずれか1種以上の元素である)及び融点が800℃を越えるM含有化合物(MはB、Si、V、Ti、Co、Mo、Pd、Re、Pb及びBiからなる群から選ばれるいずれか1種以上の元素である)からなる群から選ばれる1種以上の化合物を添加してもよい。また、必要に応じて、本発明の効果を損なわない範囲で、その他の化合物を添加してもよい。
次に、前記混合物を焼成することによって、α-NaFeO型の結晶構造を有する複合金属酸化物を製造する。
具体的には、まず、目的とする複合金属酸化物に含まれる金属元素を、前記金属元素を含有する金属含有化合物として用意する。
次いで、この金属含有化合物を、所望の金属元素比と対応した組成となるように秤量し、さらに溶融型反応促進剤を添加し、混合して混合物を得る。また、後述するようにM含有化合物を溶融型反応促進剤として添加する場合は、金属含有化合物と溶融型反応促進剤の合計として、所望の金属元素比と対応した組成となるように秤量し、混合して混合物を得る。
次いで、得られた混合物を焼成することで、複合金属酸化物を製造することができる。
例えば好ましい複合金属酸化物として、金属元素比がNa:Fe:Ni:Mn:Ti=1:0.4:0.3:0.15:0.15であるものを挙げることができる。このような複合金属酸化物は、炭酸ナトリウム(NaCO)、酸化鉄(II、III)(Fe)、酸化ニッケル(II、III)(Ni)、酸化マンガン(IV)(MnO)、酸化チタン(IV)(TiO)の各原料を、Na:Fe:Ni:Mn:Tiのモル比が1:0.4:0.3:0.15:0.15となるように秤量し、さらに溶融型反応促進剤として酸化鉛(II、III)三酸化二鉛(Pb)を添加し、それらを混合し、得られた混合物を650℃で保持した後、900℃で保持する条件で焼成することによって製造できる。
混合物の総質量に対する溶融型反応促進剤の添加量は0.3~1.5質量%が好ましく、0.5~1.0質量%がより好ましい。
金属含有化合物の例としては、酸化物、水酸化物、炭酸塩、硝酸塩、ハロゲン化物及びシュウ酸塩など、自身が含有する酸素原子や雰囲気中の酸素分子などと結合することで、高温で酸化物に変化し得る化合物が挙げられる。
・Na含有化合物
本実施形態において原料として用いられるNa含有化合物の例としては、水酸化ナトリウム(NaOH)、塩化ナトリウム(NaCl)、硝酸ナトリウム(NaNO)、過酸化ナトリウム(NaO)、硫酸ナトリウム(NaSO)、炭酸水素ナトリウム(NaHCO)、シュウ酸ナトリウム(Na)及び炭酸ナトリウム(NaCO)からなる群より選ばれる1種以上の化合物が挙げられる。これらの化合物は水和物であってもよい。
これらの中でも、NaCOは、吸湿性が低く取り扱いが容易であるために好ましい。また、NaOHは、低温での反応性が高く比較的低い焼成温度で焼成できることから、製造コストを低廉にすることができ好ましい。
・Mn含有化合物
本実施形態において原料として用いられるMn含有化合物としてはMnOが好ましい。
・Fe含有化合物、Ni含有化合物
本実施形態において原料として用いられるFe含有化合物としては酸化鉄(III)(Fe)及び四酸化三鉄(Fe)が好ましく、Ni含有化合物としては酸化ニッケル(II)(NiO)及び三酸化二ニッケル(Ni)が好ましい。さらに、金属含有化合物は、目的とするナトリウム二次電池用正極活物質の複合金属酸化物に含まれる金属元素を2種以上含むものを用いることとしてもよい。
・融点800℃以下のM含有化合物
融点800℃以下の「M含有化合物」とは、Mとして、ホウ素(B)、ケイ素(Si)、バナジウム(V)、チタン(Ti)、コバルト(Co)、モリブデン(Mo)、パラジウム(Pd)、レニウム(Re)、鉛(Pb)及びビスマス(Bi)からなる群から選ばれるいずれか1種以上を含む化合物である。
本実施形態において、M含有化合物はホウ素を含む融点800℃以下の化合物であることが好ましく、酸化ホウ素(B)、酸化バナジウム(V)(V)、酸化モリブデン(VI)(MoO)、酸化レニウム(VII)(Re)、酸化鉛(IV)(PbO)、三酸化二鉛(Pb)硫化ビスマス(III)(Bi)等であることが好ましく、酸化ホウ素(B)であることが、より好ましい。また、後述する焼成工程において融点800℃以下のM含有化合物に変換される化合物(例えばホウ酸等)を、融点800℃以下のM含有化合物に代えて、又は融点800℃以下のM含有化合物と共に用いてもよい。
融点800℃以下のM含有化合物に変換される化合物の添加量は、Na含有化合物、Mn含有化合物、Fe含有化合物、及びNi含有化合物の総質量に対して0.2~3質量%が好ましく、0.5~2質量%がより好ましく、0.5~1.5質量%がさらに好ましい。
本実施形態においては、M含有化合物は融点が800℃以下であるため、溶融型反応促進剤として作用できる。M含有化合物を溶融型反応促進剤として添加することで、得られる複合金属酸化物の、粉末X線回折で測定される(104)面のピーク半値幅が狭くなる傾向がある。
本実施形態において、前記M含有化合物は、融点が後述する第1焼成工程の保持温度以下である化合物を含むことが好ましい。
・M含有化合物
本実施形態において、M含有化合物はマグネシウム含有化合物及びカルシウム含有化合物からなる群から選ばれるいずれか1種以上の化合物である。Mg含有化合物としては炭酸マグネシウム、水酸化マグネシウム、酸化マグネシウムが好ましい。Ca含有化合物としては炭酸カルシウム、水酸化カルシウム、酸化カルシウムが好ましい。
・融点800℃を越えるM含有化合物
融点800℃を越える「M含有化合物」とは、Mとして、ホウ素(B)、ケイ素(Si)、バナジウム(V)、チタン(Ti)、コバルト(Co)、モリブデン(Mo)、パラジウム(Pd)、レニウム(Re)、鉛(Pb)及びビスマス(Bi)からなる群から選ばれるいずれか1種以上を含む化合物である。例えば、チタン化合物として、酸化チタン(TiO)が、ケイ素化合物として、酸化ケイ素(SiO)が、コバルト化合物として、酸化コバルト(III)(Co)、酸化コバルト(II,III)(Co)が、パラジウム化合物として、酸化パラジウム(II)(PdO)が、ビスマス化合物として、酸化ビスマス(II、III)(Bi)が挙げられる。
また、金属含有化合物のうち、ナトリウム含有化合物、融点800℃以下のM含有化合物及びM含有化合物以外については、共沈法により得られたものを用いることもできる。以下の説明では、ナトリウム含有化合物以外の金属含有化合物であって、共沈法で得られる金属含有化合物について、便宜的に「遷移金属含有化合物」と称する。
具体的には、まず、Mn、Fe及びNiの塩化物、硝酸塩、酢酸塩、蟻酸塩、シュウ酸塩又は硫酸塩等の化合物並びに必要に応じて融点800℃を越えるM含有化合物を水に溶解して、混合水溶液を得る。
混合水溶液の総質量に対する前述の全化合物の濃度は、0.1mol/kg以上2mol/kg以下、好ましくは0.4mol/kg以上1.6mol/kg以下である。
次いで、前記水溶液を沈殿剤と接触させることで、目的とする遷移金属含有化合物を含有する沈殿物を得ることができる。
遷移金属含有化合物の原料として用いられる化合物の中では、塩化物又は硫酸塩が好ましい。また、遷移金属含有化合物の原料として、水に溶解し難い化合物、例えば、酸化物、水酸化物、金属材料を用いる場合には、これらを、塩酸、硫酸、硝酸等の酸又は硫酸、硝酸等の水溶液に溶解させて、水溶液を得ることとしてもよい。
遷移金属含有化合物の調製で用いられる沈殿剤の例としては、水酸化リチウム(LiOH)、水酸化ナトリウム(NaOH)、水酸化カリウム(KOH)、炭酸リチウム(LiCO)、炭酸ナトリウム(NaCO)、炭酸カリウム(KCO)、炭酸アンモニウム((NHCO)及び尿素((NHCO)からなる群より選ばれる1種以上の化合物が挙げられる。これらの沈殿剤はそれぞれ水和物であってもよく、化合物と水和物とが併用されてもよい。
また、これらの沈殿剤は、水に溶解し水溶液として用いる(以下、「沈殿剤水溶液」と称する)ことが好ましい。沈殿剤水溶液の総容積に対する沈殿剤の濃度は、0.5mol/L以上10mol/L以下、好ましくは1mol/L以上8mol/L以下である。沈殿剤は好ましくはKOH又はNaOHであり、沈殿剤水溶液は好ましくはKOH水溶液又はNaOH水溶液である。また、沈殿剤水溶液として、アンモニア水を挙げることもできる。アンモニア水と沈殿剤水溶液とを併用してもよい。
混合水溶液を沈殿剤と接触させる方法の例としては、(1)混合水溶液に、沈殿剤及び沈殿剤水溶液のいずれか一方又は両方を添加する方法、(2)沈殿剤水溶液に、混合水溶液を添加する方法、(3)水に、混合水溶液と、沈殿剤及び沈殿剤水溶液のいずれか一方又は両方を添加する方法が挙げられる。
(1)から(3)の方法では、攪拌を伴うことが好ましい。上記の方法の中では、(2)沈殿剤水溶液に、混合水溶液を添加する方法が好ましい。この方法によれば、操作中に沈殿剤水溶液のpHを高く保ちやすく、得られる沈殿物の粒径を制御しやすい。(2)の方法においては、沈殿剤水溶液に、混合水溶液を添加していくに従い、pHが低下していく傾向にある。本実施形態においては、pHが9以上、好ましくは10以上となるように調整しながら、混合水溶液を添加することが好ましい。pHの調整は、沈殿剤水溶液の添加によって行うことができる。
(1)から(3)の方法による共沈法において、操作時の雰囲気は、不純物生成抑制のために、好ましくは窒素又はアルゴンである。
上記(1)から(3)の方法により、遷移金属含有化合物を含有する沈殿物を調製することができる。
混合水溶液と沈殿剤とを混合すると、沈殿物を含有するスラリーが得られる。得られるスラリーを固液分離し、沈殿物を回収することで遷移金属含有化合物を含有する沈殿物が得られる。固液分離はいかなる方法によってもよい。
操作が容易であるため、固液分離は濾過が好ましい。また、加熱乾燥、送風乾燥、真空乾燥や噴霧乾燥など、スラリーから液体分を揮発させる方法を用いてもよい。
回収された沈殿物は、洗浄液で洗浄した後に乾燥させてもよい。固液分離後に得られる沈殿物には、過剰量の沈殿剤が付着していることがあるが、洗浄により付着した沈殿剤を減らすことができる。洗浄に用いる洗浄液は、好ましくは水や、アルコール、アセトンなどの水溶性有機溶媒であり、より好ましくは水である。
沈殿物を乾燥させる方式の例としては、加熱乾燥、送風乾燥、真空乾燥又はこれらの組み合わせ等が挙げられる。加熱乾燥は、50℃以上300℃以下が好ましく、100℃以上200℃以下がより好ましい。
これらの洗浄及び乾燥は、洗浄液による洗浄と沈殿物の乾燥とを合わせて1回としたとき、2回以上行ってもよい。
ナトリウム含有化合物、マンガン含有化合物、鉄含有化合物、ニッケル含有化合物及び融点800℃以下のM含有化合物の混合、又はナトリウム含有化合物と遷移金属含有化合物と融点800℃以下のM含有化合物との混合において、混合方法の例としては、乾式混合、湿式混合が挙げられる。中でも、操作が簡便であるため、乾式混合が好ましい。
混合装置の例としては、攪拌混合装置、V型混合機、W型混合機、リボン混合機、ドラムミキサー及びボールミルが挙げられる。
また、さらにM含有化合物を混合するときも同様の混合方法で行うことができる。
上記方法で得られた混合物を焼成することで、複合金属酸化物を得ることができる。
焼成工程は、第1焼成工程と第2焼成工程とを有し、前記第2焼成工程は、前記第1焼成工程よりも高い温度で行う。具体的には第1焼成工程の焼成装置の設定温度と第2焼成工程の焼成装置の設定温度とを比べたときに第2焼成工程の焼成装置設定温度の方が高い温度となる。異なる設定温度の2段階の工程を有する焼成工程で焼成することで、得られる複合金属酸化物の、粉末X線回折で測定される(104)面のピーク半値幅が狭くなり、耐水性に優れる傾向がある。第1焼成工程及び第2焼成工程においては、一定時間、一定の温度で保持することが好ましい。本実施形態において一定の温度は、焼成装置において、一定時間、特定の設定温度で保持することであり、実際の温度は、多少変化しても構わない。
第1焼成工程は、保持温度の下限値が500℃以上であることが好ましく、550℃以上であることがより好ましい。また上限値は、900℃以下であることが好ましく、800℃以下であることがより好ましい。
第1焼成工程の上限値と下限値は任意に組み合わせることができる。
本発明の別の側面としては、第1焼成工程の保持温度は、500℃以上900℃以下であることが好ましく、550℃以上800℃以下であることがより好ましい。
第2焼成工程は、保持温度の下限値が750℃以上であることが好ましく、800℃以上であることがより好ましい。また、上限値は1000℃以下であることが好ましく、950℃以下がより好ましい。
第2焼成工程の上限値及び下限値は任意に組み合わせることができる。
本発明の別の側面としては、第2焼成工程の保持温度は、750℃以上1000℃以下であることが好ましく、800℃以上950℃以下であることがより好ましい。
本明細書において「保持温度」とは、焼成装置の設定温度を意味する。
第1焼成工程における保持時間は、0.1時間以上10時間以下が好ましく、1時間以上8時間以下がより好ましく、2時間以上6時間以下が特に好ましい。
第2焼成工程における保持時間は、5時間以上20時間以下が好ましく、7時間以上18時間以下がより好ましく、8時間以上15時間以下が特に好ましい。
昇温開始から第1焼成工程における目的とする保持温度及び第1焼成工程終了から第2焼成工程における目的とする保持温度までの昇温速度は、50℃/時間以上400℃/時間以下が好ましく、第2焼成工程終了からから室温までの降温速度は、10℃/時間以上400℃/時間以下が好ましい。
焼成時の雰囲気の例としては、大気、酸素、窒素、アルゴン又はそれらの混合ガスが挙げられる。雰囲気制御の容易さの観点では大気が好ましく、焼成後試料の安定性の観点では酸素、窒素、アルゴン又はこれらの混合ガスが好ましい。
なお、前記溶融型反応促進剤に加え、金属含有化合物として、フッ化物、塩化物等のハロゲン化物を適量用いることによって、生成する複合金属酸化物の結晶性を高くすることができる。
また、上記焼成で得られる生成物(複合金属酸化物)を、任意にボールミル、ジェットミル、振動ミル等の工業的に通常用いられる装置を用いて、粉砕してもよいし、洗浄、分級してもよい。
<ナトリウム二次電池用正極及びその製造方法>
本実施形態のナトリウム二次電池用正極は、上述した本実施形態の複合金属酸化物を正極活物質として含有する。ナトリウム二次電池用正極の総質量に対する正極活物質の含有量は、80~97質量%であることが好ましく、85~97質量%であることがさらに好ましい。
ナトリウム二次電池用正極は、正極活物質、導電材及びバインダーを含む正極合剤を、正極集電体に担持させることで製造できる。
正極活物質の総質量に対する導電材の含有量は、0.1~12質量%であることが好ましく、0.2~10質量%であることがさらに好ましい。
正極活物質の総質量に対するバインダーの含有量は、0.5~12質量%であることが好ましく、1~8質量%であることがさらに好ましい。
導電材としては、天然黒鉛、人造黒鉛、コークス類、カーボンブラックなどの炭素材料が挙げられる。
バインダーとしては、熱可塑性樹脂が挙げられる。熱可塑性樹脂の例として、具体的には、ポリフッ化ビニリデン(以下、PVDFということがある。)、ポリテトラフルオロエチレン(以下、PTFEということがある。)、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン・フッ化ビニリデン系共重合体、六フッ化プロピレン・フッ化ビニリデン系共重合体、四フッ化エチレン・パーフルオロビニルエーテル系共重合体などのフッ素樹脂;及びポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂が挙げられる。これらの2種以上を用いてもよい。
正極集電体としては、アルミニウム金属、ニッケル金属、ステンレスなどが挙げられる。薄膜に加工しやすく、安価であるという観点で、アルミニウム金属が好ましい。正極集電体の形状としては、例えば、箔状、平板状、メッシュ状、ネット状、ラス状及びパンチング状であるもの並びにこれらを組み合わせたもの(例えば、メッシュ状平板など)等が挙げられる。正極集電体の表面にエッチング処理やエンボス加工により凹凸を形成したものでもよい。
正極集電体に正極合剤を担持させる方法の例としては、加圧成型することで正極合剤を集電体に固着する方法が挙げられる。
また、正極合剤に有機溶媒をさらに加えて正極合剤ペーストとし、この正極合剤ペーストを正極集電体に塗工し乾燥させることで、正極合剤を正極集電体に固着する方法を採用することもできる。この方法においては、正極合剤を正極集電体に固着させて得られるシートをプレスすることにより、正極合剤を正極集電体に強固に固着させてもよい。
正極合剤ペーストに用いられる有機溶媒の例としては、N,N-ジメチルアミノプロピルアミン、ジエチレントリアミン等のアミン系溶媒;テトラヒドロフラン等のエーテル系溶媒;メチルエチルケトン等のケトン系溶媒;酢酸メチル等のエステル系溶媒;ジメチルアセトアミド、N-メチル-2-ピロリドン等(以下、NMPということがある。)のアミド系溶媒等が挙げられる。
正極合剤ペーストの調製時の混練方法は特に限定されないが、混練に用いられる混合機としては、高い剪断力を有するものが好ましい。具体的にはプラネタリーミキサー、ニーダー、押し出し式混練機、薄膜旋回式高速攪拌機などを挙げることができる。
混合順序においては、正極活物質と導電材とバインダーと溶媒とを一括混合してもよいし、溶媒にバインダー、正極活物質、導電材を順に混合してもよい。この順は特に限定されないし、正極活物質及び導電材の混合物を、徐々に加えるなどしてもよい。また、溶媒とバインダーをあらかじめ混合、溶解させておいてもよい。
正極合剤ペーストを正極集電体へ塗工する方法としては、例えばスリットダイ塗工法、スクリーン塗工法、カーテン塗工法、ナイフ塗工法、グラビア塗工法及び静電スプレー法が挙げられる。
以上により、本実施形態の正極を製造することができる。
以上のような構成のナトリウム二次電池用正極は、上述した本実施形態のナトリウム二次電池用正極活物質を有しているため、ナトリウム二次電池の作成に用いた場合、エネルギー密度の高いナトリウム二次電池を与えることができる。
<ナトリウム二次電池>
本実施形態のナトリウム二次電池は、上述した本実施形態の正極、負極及び非水電解質を有する。
(負極)
負極は、正極よりも低い電位で、ナトリウムイオンでドープされることができかつ脱ドープされることができる。負極としては、負極材料を含む負極合剤が負極集電体に担持された電極、又は負極材料単独からなる電極が挙げられる。負極材料としては、炭素材料、カルコゲン化合物(酸化物、硫化物など)、窒化物、金属又は合金で、正極よりも低い電位で、ナトリウムイオンでドープされることができかつ脱ドープされることができる材料が挙げられる。これらの負極材料は混合されてもよい。
負極材料の具体例を以下に示す。炭素材料の例として、具体的には、天然黒鉛、人造黒鉛等の黒鉛、コークス類、カーボンブラック、熱分解炭素類、炭素繊維、高分子焼成体などの中で、正極よりも低い電位で、ナトリウムイオンでドープされることができかつ脱ドープされることができる材料が挙げられる。これらの炭素材料、酸化物、硫化物、窒化物は、併用してもよく、結晶質又は非晶質のいずれでもよい。これらの炭素材料、酸化物、硫化物、窒化物は、主に、負極集電体に担持されて、負極として用いられる。金属の例として、具体的には、ナトリウム金属、シリコン金属、スズ金属が挙げられる。合金の例としては、ナトリウム-アルミニウム合金、ナトリウム-ニッケル合金、ナトリウム-シリコン合金などのナトリウム合金;シリコン-亜鉛合金などのシリコン合金;スズ-マンガン合金、スズ-コバルト合金、スズ-ニッケル合金、スズ-銅合金、スズ-ランタン合金、スズ-ニッケル-ランタン合金などのスズ合金;銅-アンチモン合金などの合金が挙げられる。これらの金属、合金は、主に、単独で電極として用いられる(例えば箔状で用いられる。)。さらに酸化物の例としては、酸化チタンリチウム(LiTi12)等の酸化物が挙げられる。
負極合剤は、必要に応じて、バインダーを含有してもよい。バインダーとしては、熱可塑性樹脂が挙げられる。熱可塑性樹脂の例として、具体的には、PVDF、熱可塑性ポリイミド、カルボキシメチルセルロース、ポリエチレン、ポリプロピレンなどが挙げられる。電解液が後述のエチレンカーボネートを含有せず、かつ負極合剤がポリエチレンカーボネートを含有する場合、得られる電池のサイクル特性と大電流放電特性とが向上することがある。
負極集電体の例としては、銅金属、ニッケル金属、ステンレス、アルミニウム金属などが挙げられる。ナトリウムと合金を作り難く、薄膜に加工しやすいという観点で、銅金属又はアルミニウム金属が好ましい。負極集電体に負極合剤を担持させる方法は、正極と同様に、加圧成型する方法;有機溶媒などをさらに用いて負極合剤ペーストを得て、前記ペーストを負極集電体に塗工し乾燥してシートを得て、得られたシートをプレスすることにより、負極合剤を集電体に固着する方法が挙げられる。
(非水電解質)
本実施形態のナトリウム二次電池で用いることができる非水電解質としては、過塩素酸ナトリウム(NaClO)、ヘキサフルオロリン酸ナトリウム(NaPF)、ヘキサフルオロヒ酸ナトリウム(NaAsF)、ヘキサフルオロアンチモン酸ナトリウム(NaSbF)、テトラフルオロホウ酸ナトリウム(NaBF)、トリフルオロメタンスルホン酸ナトリウム(NaCFSO)、ナトリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(NaN(SOCF)、低級脂肪族カルボン酸ナトリウム塩、テトラクロロアルミン酸ナトリウム(NaAlCl)が挙げられる。これらの2種以上の混合物を使用してもよい。電解質は、NaPF、NaAsF、NaSbF、NaBF、NaCFSO及びNaN(SOCFからなる群より選ばれる少なくとも1種のフッ素含有ナトリウム塩を含むことが好ましい。
また、上記非水電解質は、有機溶媒に溶解して非水電解液として使用することができる。
非水電解液の総質量に対する非水電解質の含有量は、0.3~2.5mol%であることが好ましく、0.5~2mol%であることがさらに好ましい。
非水電解液における有機溶媒としては、例えば、
プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、イソプロピルメチルカーボネート、ビニレンカーボネート、4-トリフルオロメチル-1,3-ジオキソラン-2-オン、1,2-ジ(メトキシカルボニルオキシ)エタンなどのカーボネート類;
1,2-ジメトキシエタン、1,3-ジメトキシプロパン、ペンタフルオロプロピルメチルエーテル、2,2,3,3-テトラフルオロプロピルジフルオロメチルエーテル、テトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフランなどのエーテル類;
ギ酸メチル、酢酸メチル、γ-ブチロラクトンなどのエステル類;
アセトニトリル、ブチロニトリルなどのニトリル類;N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミドなどのアミド類;
3-メチル-2-オキサゾリドンなどのカーバメート類;
スルホラン、ジメチルスルホキシド、1,3-プロパンスルトンなどの含硫黄化合物;
上記の有機溶媒にさらにフッ素置換基を導入した、フッ素置換基を有する有機溶媒;を用いることができる。
非水電解液における有機溶媒の一部には、フッ素置換基を有する有機溶媒が含まれることが好ましい。
フッ素置換基を有する有機溶媒としては、例えば4-フルオロ-1,3-ジオキソラン-2-オン(以下、FEC又はフルオロエチレンカーボネートということがある。)、トランス又はシス-4,5-ジフルオロ-1、3-ジオキソラン-2-オン(以下、DFEC又はジフルオロエチレンカーボネートということがある。)等が挙げられる。
フッ素置換基を有する有機溶媒として、好ましくは4-フルオロ-1,3-ジオキソラン-2-オンである。
これらのフッ素置換基を有する有機溶媒は1種類で使用してもよいが、フッ素置換基を有さない有機溶媒と組み合わせた混合溶媒として使用することが好ましい。非水電解液中の有機溶媒の一部に、フッ素置換基を有する有機溶媒が含まれる場合、非水電解液の総体積に対するフッ素置換基を有する有機溶媒の割合は0.01体積%以上10体積%以下の範囲であり、好ましくは0.1体積%以上8体積%以下であり、より好ましくは0.5体積%以上5体積%以下である。
上述の非水電解質は、高分子化合物に前記非水電解液を保持させた状態、すなわち、ゲル状電解質として用いることもできる。
また、本実施形態のナトリウム二次電池で用いることができる非水電解質としては、固体電解質を用いることもできる。
固体電解質としては、例えばポリエチレンオキサイド系の高分子化合物、ポリオルガノシロキサン鎖若しくはポリオキシアルキレン鎖の少なくとも1種以上を含む高分子化合物などの高分子電解質を用いることができる。また、固体電解質として、硫化ナトリウム-硫化ケイ素(NaS-SiS)、硫化ナトリウム-硫化ゲルマニウム(NaS-GeS)、硫化ナトリウム-硫化リン(NaS-P)、硫化ナトリウム-硫化ホウ素(NaS-B)などの硫化物電解質、又は硫化ナトリウム-硫化ケイ素-リン酸ナトリウム(NaS-SiS-NaPO)、NaS-SiS-NaSOなどの硫化物を含む無機化合物電解質、リン酸ジルコニウムナトリウム(NaZr(PO)などのNASICON型電解質を用いると、安全性をより高めることができることがある。
また、本実施形態のナトリウム二次電池において、固体電解質を用いる場合には、固体電解質が後述のセパレータの役割を果たす場合もある。その場合には、セパレータを必要としないこともある。
(セパレータ)
本実施形態のナトリウム二次電池は、正極と負極との間に配置されるセパレータを有していてもよい。セパレータの形態としては、例えば、多孔質フィルム、不織布、織布などが挙げられる。
セパレータの形成材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂、フッ素樹脂、含窒素芳香族重合体などの材料を挙げることができる。また、これらの材質を2種以上用いた単層又は積層セパレータとしてもよい。
セパレータとしては、例えば特開2000-30686号公報、特開平10-324758号公報等に記載のセパレータを挙げることができる。
セパレータの厚みは、電池の体積エネルギー密度が上がり、内部抵抗が小さくなるという点で、機械的強度が保たれる限り薄いほど好ましい。セパレータの厚みは一般に、5μm以上200μm以下が好ましく、5μm以上40μm以下がより好ましい。
セパレータは、好ましくは、熱可塑性樹脂を含有する多孔質フィルムを有する。ナトリウム二次電池においては、正極-負極間の短絡等が原因で電池内に異常電流が流れた際に、電流を遮断して、過大電流が流れることを阻止する(シャットダウンする)ことが好ましい。
セパレータが、熱可塑性樹脂を含有する多孔質フィルムを有する場合、シャットダウンは、短絡により短絡箇所のセパレータが過熱され、予め想定された(通常の)使用温度を越えた場合に、セパレータにおける多孔質フィルムが軟化又は融解して微細孔を閉塞することによりなされる。そして、セパレータは、シャットダウンした後、ある程度の高温まで電池内の温度が上昇しても、その温度により破膜することなく、シャットダウンした状態を維持する程度に耐熱性が高いことが好ましい。
セパレータとして、耐熱樹脂を含有する耐熱多孔層と熱可塑性樹脂を含有する多孔質フィルムとが積層された積層多孔質フィルムからなるセパレータを用いることにより、熱破膜をより防ぐことが可能となる。ここで、耐熱多孔層は、多孔質フィルムの両面に積層されていてもよい。
(ナトリウム二次電池の製造方法)
図1A及び図1Bは、本実施形態のナトリウム二次電池の一例を示す模式図である。本実施形態の円筒型のナトリウム二次電池10は、次のようにして製造する。
まず、図1Aに示すように、帯状を呈する一対のセパレータ1、一端にリード21を有する帯状の正極2、及び一端にリード31を有する帯状の負極3を、セパレータ1、正極2、セパレータ1、負極3の順に積層し、巻回することにより電極群4とする。
次いで、図1Bに示すように、電池缶5に電極群4及び不図示のインシュレーターを収容した後、缶底を封止し、電極群4に電解液6を含浸させ、正極2と負極3との間に電解質を配置する。さらに、電池缶5の上部をトップインシュレーター7及び封口体8で封止することで、ナトリウム二次電池10を製造することができる。
電極群4の形状としては、例えば、電極群4を巻回の軸に対して垂直方向に切断したときの断面形状が、円、楕円、長方形、角を丸めた長方形となるような柱状の形状を挙げることができる。
また、このような電極群4を有するナトリウム二次電池の形状としては、国際電気標準会議(IEC)が定めた電池に対する規格であるIEC60086、又はJIS C 8500で定められる形状を採用することができる。例えば、円筒型、角型などの形状を挙げることができる。
さらに、ナトリウム二次電池は、上記巻回型の構成に限らず、正極、セパレータ、負極、セパレータの積層構造を繰り返し重ねた積層型の構成であってもよい。積層型のナトリウム二次電池としては、いわゆるコイン型電池、ボタン型電池、ペーパー型(又はシート型)電池を例示することができる。
以上のような構成のナトリウム二次電池は、上述した本実施形態のナトリウム二次電池用正極を有しているため、製造時にナトリウムが溶出しにくく、エネルギー密度が高いものとなる。
以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施の形態例について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
以下、実施例及び比較例によって本発明を説明する。
[測定・評価方法]
(1)粉末X線回折測定
粉末X線回折測定は、PANalytical製の粉末X線回折測定装置X’pertPRO MPDを用い、以下の条件で行った。
X線:CuKα
電圧-電流:45kV-40mA
測定角度範囲:2θ=10~90°
ステップ:0.02°
スキャンスピード:4°/分
粉末X線回折スペクトルの解析は、リガク製の粉末X線回折パターン総合解析ソフトウェア JADE5.0を用いて行い、(104)面のピーク半値幅は、ピークサーチコマンドを、バックグラウンド決定の範囲0.6、バックグラウンド平均化のポイント数9の条件で実行することで行った。
(2)pH測定
pHは、複合金属酸化物粉末1gに対して20mLの純水を加え、室温で5分間撹拌させた後、30秒間静置させた溶液を堀場製作所製pH計D-52で測定した。
(3)塗工性評価
実施例1~10、及び比較例1~2のそれぞれの複合金属酸化物と、導電材としてアセチレンブラック(HS100、電気化学工業株式会社製)、バインダーとしてPVDF(TA5130、ソルベイ社製)、有機溶媒としてNMP(リチウムバッテリーグレード、キシダ化学株式会社製)を用いた。上記PVDFを、PVDF:NMP=6:94(重量比)となるように秤量し、攪拌、溶解させ、バインダー液を得た。前記バインダー液に対し、複合金属酸化物:導電剤:バインダー:NMP=90:5:5:100(重量比)の組成となるように秤量し、T.K.フィルミックス30-25型(プライミクス株式会社製)を用い攪拌、混合することで、電極合剤ペーストを得た。回転ホイールの回転条件は、7,000rpm、3分間とした。下記表1中、電極合剤ペーストがゲル化又は硬化し、塗工不可であった場合を「×」とし、問題なく塗工できた場合を「○」とした。
≪実施例1≫
153.7mgのホウ酸(HBO)をメノウ乳鉢に仕込み、金属含有化合物として、炭酸ナトリウム(NaCO)、酸化マンガン(IV)(MnO)、酸化鉄(III)(Fe)、及び酸化ニッケル(II)(NiO)を用い、Na:Mn:Fe:Niのモル比が0.99:0.35:0.30:0.35となるように合計15gを秤量し、メノウ乳鉢に仕込んだ後、乾式混合して混合物を得た。
得られた混合物を、アルミナ製のるつぼに充填し、電気炉を用いて空気雰囲気において加熱して第1焼成工程として650℃で4時間にわたって保持した後、第2焼成工程として900℃で12時間にわたって保持することで、前記混合物を焼成し、室温まで冷却することで複合金属酸化物1(Na0.99Mn0.35Fe0.30Ni0.35)を得た。複合金属酸化物1の粉末X線回折測定の結果、複合金属酸化物1の結晶構造は、α-NaFeO型の結晶構造に帰属された(図2)。このα-NaFeO型結晶構造の(104)面のピーク半値幅は2θで0.160であった。複合金属酸化物1のpH測定の結果、12.5であった。
≪実施例2≫
153.6mgのホウ酸(HBO)をメノウ乳鉢に仕込み、金属含有化合物として、炭酸ナトリウム(NaCO)、酸化マンガン(IV)(MnO)、酸化鉄(III)(Fe)、及び酸化ニッケル(II)(NiO)を用い、Na:Mn:Fe:Niのモル比が0.99:0.30:0.40:0.30となるように合計15gを秤量し、メノウ乳鉢に仕込んだ後、乾式混合して混合物を得た。
得られた混合物を、アルミナ製のるつぼに充填し、電気炉を用いて空気雰囲気において加熱して第1焼成工程として650℃で4時間にわたって保持した後、第2焼成工程として900℃で12時間にわたって保持することで、前記混合物を焼成し、室温まで冷却することで複合金属酸化物2(Na0.99Mn0.30Fe0.40Ni0.30)を得た。複合金属酸化物2の粉末X線回折測定の結果、複合金属酸化物2の結晶構造は、α-NaFeO型の結晶構造に帰属された(図3)。このα-NaFeO型結晶構造の(104)面のピーク半値幅は2θで0.156であった。複合金属酸化物2のpH測定の結果、12.4であった。
≪実施例3≫
153.2mgのホウ酸(HBO)をメノウ乳鉢に仕込み、金属含有化合物として、炭酸ナトリウム(NaCO)、酸化マンガン(IV)(MnO)、酸化鉄(III)(Fe)、及び酸化ニッケル(II)(NiO)を用い、Na:Mn:Fe:Niのモル比が0.99:0.31:0.41:0.28となるように合計15gを秤量し、メノウ乳鉢に仕込んだ後、乾式混合して混合物を得た。
得られた混合物を、アルミナ製のるつぼに充填し、電気炉を用いて空気雰囲気において加熱して第1焼成工程として650℃で4時間にわたって保持した後、第2焼成工程として900℃で12時間にわたって保持することで、前記混合物を焼成し、室温まで冷却することで複合金属酸化物3(Na0.99Mn0.31Fe0.41Ni0.28)を得た。複合金属酸化物3の粉末X線回折測定の結果、複合金属酸化物3の結晶構造は、α-NaFeO型の結晶構造に帰属された(図4)。このα-NaFeO型結晶構造の(104)面のピーク半値幅は2θで0.168であった。複合金属酸化物3のpH測定の結果、12.1であった。
≪実施例4≫
153.3mgのホウ酸(HBO)をメノウ乳鉢に仕込み、金属含有化合物として、炭酸ナトリウム(NaCO)、水酸化カルシウム(Ca(OH))、酸化マンガン(IV)(MnO)、酸化鉄(III)(Fe)、及び酸化ニッケル(II)(NiO)を用い、Na:Ca:Mn:Fe:Niのモル比が0.99:0.02:0.31:0.41:0.28となるように合計15gを秤量し、メノウ乳鉢に仕込んだ後、乾式混合して混合物を得た。
得られた混合物を、アルミナ製のるつぼに充填し、電気炉を用いて空気雰囲気において加熱して第1焼成工程として650℃で4時間にわたって保持した後、第2焼成工程として900℃で12時間にわたって保持することで、前記混合物を焼成し、室温まで冷却することで複合金属酸化物4(Na0.99Ca0.02Mn0.31Fe0.41Ni0.28)を得た。複合金属酸化物4の粉末X線回折測定の結果、複合金属酸化物4の結晶構造は、α-NaFeO型の結晶構造に帰属された(図5)。このα-NaFeO型結晶構造の(104)面のピーク半値幅は2θで0.175であった。複合金属酸化物4のpH測定の結果、12.1であった。
≪実施例5≫
153.5mgのホウ酸(HBO)をメノウ乳鉢に仕込み、金属含有化合物として、炭酸ナトリウム(NaCO)、酸化マンガン(IV)(MnO)、酸化鉄(III)(Fe)、及び酸化ニッケル(II)(NiO)を用い、Na:Mn:Fe:Niのモル比が0.99:0.25:0.50:0.25となるように合計15gを秤量し、メノウ乳鉢に仕込んだ後、乾式混合して混合物を得た。
得られた混合物を、アルミナ製のるつぼに充填し、電気炉を用いて空気雰囲気において加熱して第1焼成工程として650℃で4時間にわたって保持した後、第2焼成工程として900℃で12時間にわたって保持することで、前記混合物を焼成し、室温まで冷却することで複合金属酸化物5(Na0.99Mn0.25Fe0.50Ni0.25)を得た。複合金属酸化物5の粉末X線回折測定の結果、複合金属酸化物5の結晶構造は、α-NaFeO型の結晶構造に帰属された(図6)。このα-NaFeO型結晶構造の(104)面のピーク半値幅は2θで0.167であった。複合金属酸化物5のpH測定の結果、12.5であった。
≪比較例1≫
金属含有化合物として、炭酸ナトリウム(NaCO)、酸化マンガン(IV)(MnO)、酸化鉄(III)(Fe)、及び酸化ニッケル(II)(NiO)を用い、Na:Mn:Fe:Niのモル比が0.99:0.31:0.41:0.28となるように合計15gを秤量し、メノウ乳鉢に仕込んだ後、乾式混合して混合物を得た。
得られた混合物を、アルミナ製のるつぼに充填し、電気炉を用いて空気雰囲気において加熱して900℃で12時間にわたって保持することで、前記混合物を焼成し、室温まで冷却することで複合金属酸化物6(Na0.99Mn0.31Fe0.41Ni0.28)を得た。複合金属酸化物6の粉末X線回折測定の結果、複合金属酸化物6の結晶構造は、α-NaFeO型の結晶構造に帰属された(図7)。このα-NaFeO型結晶構造の(104)面のピーク半値幅は2θで0.303であった。複合金属酸化物6のpH測定の結果、13.0であった。
≪比較例2≫
金属含有化合物として、炭酸ナトリウム(NaCO)、水酸化カルシウム(Ca(OH))、酸化マンガン(IV)(MnO)、酸化鉄(III)(Fe)、及び酸化ニッケル(II)(NiO)を用い、Na:Ca:Mn:Fe:Niのモル比が0.99:0.02:0.31:0.41:0.28となるように合計15gを秤量し、メノウ乳鉢に仕込んだ後、乾式混合して混合物を得た。
得られた混合物を、アルミナ製のるつぼに充填し、電気炉を用いて空気雰囲気において加熱して900℃で12時間にわたって保持することで、前記混合物を焼成し、室温まで冷却することで複合金属酸化物7(Na0.99Ca0.02Mn0.31Fe0.41Ni0.28)を得た。複合金属酸化物7の粉末X線回折測定の結果、複合金属酸化物7の結晶構造は、α-NaFeO型の結晶構造に帰属された(図8)。このα-NaFeO型結晶構造の(104)面のピーク半値幅は2θで0.271であった。複合金属酸化物7のpH測定の結果、12.9であった。
≪実施例6≫
153.6mgのホウ酸(HBO)をメノウ乳鉢に仕込み、金属含有化合物として、炭酸ナトリウム(NaCO)、酸化マンガン(IV)(MnO)、酸化鉄(III)(Fe)、及び酸化ニッケル(II)(NiO)を用い、Na:Mn:Fe:Niのモル比が0.98:0.31:0.41:0.28となるように合計15gを秤量し、メノウ乳鉢に仕込んだ後、乾式混合して混合物を得た。
得られた混合物を、アルミナ製のるつぼに充填し、電気炉を用いて空気雰囲気において加熱して第1焼成工程として650℃で4時間にわたって保持した後、第2焼成工程として900℃で12時間にわたって保持することで、前記混合物を焼成し、室温まで冷却することで複合金属酸化物8(Na0.98Mn0.31Fe0.41Ni0.28)を得た。複合金属酸化物8の粉末X線回折測定の結果、複合金属酸化物8の結晶構造は、α-NaFeO型の結晶構造に帰属された(図9)。このα-NaFeO型結晶構造の(104)面のピーク半値幅は2θで0.157であった。複合金属酸化物8のpH測定の結果、11.7であった。
≪実施例7≫
76.8mgのホウ酸(HBO)をメノウ乳鉢に仕込み、金属含有化合物として、炭酸ナトリウム(NaCO)、水酸化カルシウム(Ca(OH))、酸化マンガン(IV)(MnO)、酸化鉄(III)(Fe)、及び酸化ニッケル(II)(NiO)を用い、Na:Ca:Mn:Fe:Niのモル比が0.99:0.02:0.31:0.41:0.28となるように合計15gを秤量し、メノウ乳鉢に仕込んだ後、乾式混合して混合物を得た。
得られた混合物を、アルミナ製のるつぼに充填し、電気炉を用いて空気雰囲気において加熱して第1焼成工程として650℃で4時間にわたって保持した後、第2焼成工程として900℃で12時間にわたって保持することで、前記混合物を焼成し、室温まで冷却することで複合金属酸化物9(Na0.99Ca0.02Mn0.31Fe0.41Ni0.28)を得た。複合金属酸化物9の粉末X線回折測定の結果、複合金属酸化物9の結晶構造は、α-NaFeO型の結晶構造に帰属された(図10)。このα-NaFeO型結晶構造の(104)面のピーク半値幅は2θで0.184であった。複合金属酸化物9のpH測定の結果、12.2であった。
≪実施例8≫
153.7mgのホウ酸(HBO)をメノウ乳鉢に仕込み、金属含有化合物として、炭酸ナトリウム(NaCO)、水酸化カルシウム(Ca(OH))、酸化マンガン(IV)(MnO)、酸化鉄(III)(Fe)、及び酸化ニッケル(II)(NiO)を用い、Na:Ca:Mn:Fe:Niのモル比が1.00:0.02:0.31:0.41:0.28となるように合計15gを秤量し、メノウ乳鉢に仕込んだ後、乾式混合して混合物を得た。
得られた混合物を、アルミナ製のるつぼに充填し、電気炉を用いて空気雰囲気において加熱して第1焼成工程として650℃で4時間にわたって保持した後、第2焼成工程として900℃で12時間にわたって保持することで、前記混合物を焼成し、室温まで冷却することで複合金属酸化物10(Na1.00Ca0.02Mn0.31Fe0.41Ni0.28)を得た。複合金属酸化物10の粉末X線回折測定の結果、複合金属酸化物10の結晶構造は、α-NaFeO型の結晶構造に帰属された(図11)。このα-NaFeO型結晶構造の(104)面のピーク半値幅は2θで0.164であった。複合金属酸化物10のpH測定の結果、12.2であった。
≪実施例9≫
153.6mgのホウ酸(HBO)をメノウ乳鉢に仕込み、金属含有化合物として、炭酸ナトリウム(NaCO)、水酸化カルシウム(Ca(OH))、酸化マンガン(IV)(MnO)、酸化鉄(III)(Fe)、及び酸化ニッケル(II)(NiO)を用い、Na:Ca:Mn:Fe:Niのモル比が0.98:0.02:0.265:0.47:0.265となるように合計15gを秤量し、メノウ乳鉢に仕込んだ後、乾式混合して混合物を得た。
得られた混合物を、アルミナ製のるつぼに充填し、電気炉を用いて空気雰囲気において加熱して第1焼成工程として650℃で4時間にわたって保持した後、第2焼成工程として900℃で12時間にわたって保持することで、前記混合物を焼成し、室温まで冷却することで複合金属酸化物11(Na0.98Ca0.02Mn0.265Fe0.47Ni0.265)を得た。複合金属酸化物11の粉末X線回折測定の結果、複合金属酸化物11の結晶構造は、α-NaFeO型の結晶構造に帰属された(図12)。このα-NaFeO型結晶構造の(104)面のピーク半値幅は2θで0.179であった。複合金属酸化物11のpH測定の結果、12.4であった。
≪実施例10≫
154.1mgのホウ酸(HBO)をメノウ乳鉢に仕込み、金属含有化合物として、炭酸ナトリウム(NaCO)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化マンガン(IV)(MnO)、酸化鉄(III)(Fe)、及び酸化ニッケル(II)(NiO)、及び酸化チタン(IV)(アナターゼ、TiO)を用い、Na:Mg:Mn:Fe:Ni:Tiのモル比が0.99:0.02:0.26:0.41:0.28:0.05となるように合計15gを秤量し、メノウ乳鉢に仕込んだ後、乾式混合して混合物を得た。
得られた混合物を、アルミナ製のるつぼに充填し、電気炉を用いて空気雰囲気において加熱して第1焼成工程として650℃で4時間にわたって保持した後、第2焼成工程として900℃で12時間にわたって保持することで、前記混合物を焼成し、室温まで冷却することで複合金属酸化物12(Na0.99Mg0.02Mn0.26Fe0.41Ni0.28Ti0.05)を得た。複合金属酸化物12の粉末X線回折測定の結果、複合金属酸化物12の結晶構造は、α-NaFeO型の結晶構造に帰属された(図13)。このα-NaFeO型結晶構造の(104)面のピーク半値幅は2θで0.161であった。複合金属酸化物12のpH測定の結果、12.2であった。
下記表1に、実施例1~10、及び比較例1~2の結果をまとめて記載する。
Figure 0007086937000001
上記結果に記載のとおり、実施例1~10は、塗工性がすべて「○」であった。これに対し、比較例1及び2は塗工性が「×」であった。比較例1~2は、pHの結果が高かったことから、耐水性が低いために大気中の水分と反応して水酸化ナトリウムが形成されたと推察できる。
1…セパレータ、2…正極、3…負極、4…電極群、5…電池缶、6…電解液、7…トップインシュレーター、8…封口体、10…ナトリウム二次電池、21…リード、31…リード

Claims (10)

  1. α-NaFeO型の結晶構造を有し、下記式(1)で表される複合金属酸化物であって、粉末X線回折で測定される(104)面のピーク半値幅が2θで0.250°以下である複合金属酸化物。
    Na (FeNiMn1-y-z-w)O2±δ・・・(1)
    (式(1)中、MはB、Si、V、Co、Mo、Pd、Re、Pb及びBiからなる群から選ばれるいずれか1種以上の元素であり、MはMg及びCaからなる群から選ばれるいずれか1種以上の元素であり、0≦r≦0.1であり、0.5≦x≦1.0であり、0.1≦y≦0.5であり、0<z<0.4であり、0<w<0.4であり、0≦δ≦0.05であり、y+z+w≦1である。)
  2. 粉末X線回折で測定される(104)面のピーク半値幅が2θで0.200°未満である請求項1に記載の複合金属酸化物。
  3. 前記yは0.2以上0.5以下であり、前記zは0.15を越え0.4未満であり、前記wは0.15を越え0.4未満である請求項1又は2に記載の複合金属酸化物。
  4. 請求項1~3のいずれか1項に記載の複合金属酸化物を含有する正極活物質。
  5. 請求項4に記載の正極活物質を含有する正極。
  6. 請求項5に記載の正極を有するナトリウム二次電池。
  7. α-NaFeO型の結晶構造を有し、粉末X線回折で測定される(104)面のピーク半値幅が2θで0.250°以下である複合金属酸化物を製造する方法であり、ナトリウム含有化合物、鉄含有化合物、ニッケル含有化合物、マンガン含有化合物及び融点が800℃以下のM含有化合物(MはB、Si、V、Co、Mo、Pd、Re、Pb及びBiからなる群から選ばれるいずれか1種以上の元素である)を、混合し、混合物を得る混合工程と、前記混合物を含む粉末を焼成する焼成工程と、を含み、前記焼成工程が第1焼成工程と第2焼成工程とを有し、前記第2焼成工程は、前記第1焼成工程よりも高い温度で行う、複合金属酸化物の製造方法。
  8. 前記第1焼成工程は、500℃以上900℃以下の保持温度で行い、前記第2焼成工程は750℃以上1000℃以下の保持温度で行い、前記第2焼成工程は、前記第1焼成工程よりも高い保持温度で行う、請求項7に記載の複合金属酸化物の製造方法。
  9. 前記M含有化合物は、融点が前記第1焼成工程の保持温度以下である化合物を含む、請求項7又は8に記載の複合金属酸化物の製造方法。
  10. 前記M含有化合物がBを含む請求項7~9のいずれか1項に記載の複合金属酸化物の製造方法。
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