WO2015194372A1 - ナトリウムイオン二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
前記電解質は、ナトリウムイオンを含む非水電解質であり、
前記正極活物質は、ナトリウムイオンを可逆的に吸蔵および放出するナトリウム含有遷移金属酸化物を含み、
前記負極活物質は、ナトリウムイオンを可逆的に吸蔵および放出する第1材料およびナトリウムと合金化する第2材料からなる群より選択される少なくとも一種を含み、
前記ナトリウム含有遷移金属酸化物は、満充電状態において、遷移金属原子に対するナトリウム原子の比:Na/MTが、Na/MT≦0.3を充足し、
前記正極の可逆容量および不可逆容量の合計Cptに対する、前記負極の可逆容量および不可逆容量の合計Cntの比:Cnt/Cptは、1≦Cnt/Cptを充足する、ナトリウムイオン二次電池に関する。
最初に、本発明の実施形態の内容を列記して説明する。
本発明の一実施形態に係るナトリウムイオン二次電池は、(1)正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極と、正極および負極の間に介在するセパレータと、電解質とを含む。電解質は、ナトリウムイオンを含む非水電解質である。正極活物質は、ナトリウムイオンを可逆的に吸蔵および放出するナトリウム含有遷移金属酸化物を含む。負極活物質は、ナトリウムイオンを可逆的に吸蔵および放出する材料(第1材料)およびナトリウムと合金化する材料(第2材料)からなる群より選択される少なくとも一種を含む。ナトリウム含有遷移金属酸化物は、満充電状態において、遷移金属原子に対するナトリウム原子の比:Na/MTが、Na/MT≦0.3を充足する。また、正極の可逆容量および不可逆容量の合計Cptに対する、負極の可逆容量および不可逆容量の合計Cntの比:Cnt/Cptは、1≦Cnt/Cptを充足する。
なお、Na/MT≦0.3を充足する場合、Na/MT=0となる場合もある。本願において正極活物質に含まれる遷移金属酸化物は、本来的にはナトリウムを含む遷移金属酸化物であるので、充放電によりNa/MTが変動してNa/MT=0となる状態が含まれるとしても、正極活物質に含まれる遷移金属酸化物をナトリウム含有遷移金属酸化物と呼ぶことにする。
正極の可逆容量および不可逆容量の合計Cptは、全てのナトリウム原子が正極から脱離した場合の容量として見積もることができる。本明細書中、正極の不可逆容量は、バッファ分の容量を含む場合がある。
なお、式(1)では充放電により変動する範囲としてx=0の場合も含むが、式(1)で表される化合物はナトリウム含有遷移金属酸化物と呼ぶことにする。また、xは、0<x≦0.67であってもよい。
Ceは、電解質に含まれる全てのナトリウムイオンを吸蔵または合金化する負極(または正極)の容量分に相当する。
本発明の実施形態に係るナトリウムイオン二次電池の具体例を、適宜図面を参照しつつ以下に説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
以下、ナトリウムイオン二次電池の構成要素についてより詳細に説明する。
(正極活物質)
正極に含まれる正極活物質は、ナトリウム含有遷移金属酸化物を含み、このナトリウム含有遷移金属酸化物は、電気化学的にナトリウムイオンを吸蔵および放出(または、挿入および脱離)するファラデー反応により容量を発現するものである。そして、ナトリウム含有遷移金属酸化物は、SOCが100%の状態において、比Na/MTが、Na/MT≦0.3を充足する。比Na/MTは、SOC100%の状態において、ナトリウム含有遷移金属酸化物に含まれる遷移金属原子に対するナトリウム原子の比である。
ナトリウム原子の比率xは、放電時には増加し、充電時には減少する。SOCが100%におけるナトリウム原子の比率xは、上記の、SOCが100%の状態における比Na/MTに相当する(ナトリウム原子の比率xは、遷移金属原子に対するナトリウム原子の比Na/MTに相当する)。
ナトリウム含有遷移金属酸化物は、一種を単独でまたは二種以上を組み合わせて用いてもよい。式(1)の化合物の中でも、不可逆容量が小さく、高エネルギー密度である観点から、NaxTi1/6Ni1/3Mn1/2O2が好ましい。
正極の可逆容量および不可逆容量の合計Cptに対する、負極の可逆容量および不可逆容量の合計Cntの比:Cnt/Cptは、1≦Cnt/Cptを充足する。比Cnt/Cptが大きくなると、耐過充電特性は高まる傾向がある。しかし、比Cnt/Cptが過度に大きくなると、正極の不可逆容量分に備えて多くの容量の負極を用いることになり、電池に占める可逆的な充放電(正常な充放電)に利用されない負極の体積が大きくなる。
正極集電体は、金属箔でもよく、金属多孔体(金属繊維の不織布、および/または金属多孔体シートなど)であってもよい。金属多孔体としては、三次元網目状の骨格(特に、中空の骨格)を有する金属多孔体も使用できる。正極集電体の材質としては、特に限定されないが、正極電位での安定性の観点から、アルミニウム、および/またはアルミニウム合金などが好ましい。金属箔の厚みは、例えば10~50μmであり、金属多孔体の厚みは、例えば100~2000μmである。
導電助剤の量は、正極活物質100質量部当たり、例えば、1~25質量部の範囲から適宜選択でき、5~20質量部であってもよい。
負極は、負極活物質を含む。負極は、負極集電体と、負極集電体に担持された負極活物質(または負極合剤)とを含んでもよい。
負極集電体は、正極集電体について記載したような金属箔または金属多孔体であってもよい。負極集電体の材質としては、特に制限されないが、ナトリウムと合金化せず、負極電位で安定であることから、銅、銅合金、ニッケル、ニッケル合金、および/またはステンレス鋼などが好ましい。負極集電体の厚みは、正極集電体の場合について記載した範囲から適宜選択できる。
Ceは、例えば、0.01mAh~1×CptmAhであり、0.1mAh~1mAhまたは0.2mAh~0.8mAhであってもよい。
セパレータとしては、例えば、樹脂製の微多孔膜、および/または不織布などが使用できる。セパレータの材質は、電池の使用温度を考慮して選択できる。微多孔膜または不織布を形成する繊維に含まれる樹脂としては、例えば、ポリオレフィン樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリアミド樹脂(芳香族ポリアミド樹脂など)、および/またはポリイミド樹脂などが例示できる。不織布を形成する繊維は、ガラス繊維などの無機繊維であってもよい。セパレータは、セラミックス粒子などの無機フィラーを含んでもよい。
セパレータの厚みは、特に限定されないが、例えば、10~300μm程度の範囲から選択できる。
電解質としては、ナトリウムイオンを含む非水電解質が使用される。非水電解質としては、例えば、非水溶媒(有機溶媒)にナトリウムイオンとアニオンとの塩(ナトリウム塩)を溶解させた電解質(有機電解質)、およびカチオン(ナトリウムイオンを含むカチオン)とアニオンとを含むイオン液体(溶融塩電解質)などが用いられる。
電解質におけるナトリウム塩またはナトリウムイオンの濃度は、例えば、0.3~10mol/Lの範囲から適宜選択できる。
有機電解質は、非水溶媒(有機溶媒)およびナトリウム塩に加え、イオン液体および/または添加剤などを含むことができるが、電解質中の非水溶媒およびナトリウム塩の含有量の合計は、例えば、60質量%以上、好ましくは75質量%以上、さらに好ましくは85質量%以上である。電解質中の非水溶媒およびナトリウム塩の含有量の合計は、例えば、100質量%以下、または95質量%以下であってもよい。これらの下限値と上限値とは任意に組み合わせることができる。電解質中の非水溶媒およびナトリウム塩の含有量の合計は、例えば、60~100質量%、または75~95質量%であってもよい。
ナトリウム塩は、一種を単独で用いてもよく、第1アニオンの種類が異なるナトリウム塩を二種以上組み合わせて用いてもよい。
電解質として、イオン液体を含む溶融塩電解質を用いる場合、電解質は、カチオンとアニオンとを含むイオン液体に加え、非水溶媒および/または添加剤などを含むことができるが、電解質中のイオン液体の含有量は、70質量%以上であることが好ましい。電解質中のイオン液体の含有量は、70~100質量%であることが好ましく、80~100質量%または90~100質量%であってもよい。本発明の実施形態によれば、このようにイオン液体の含有量が多い場合にも、過充電時のナトリウムの析出を抑制することができる。
窒素含有有機オニウムカチオンのうち、特に、第4級アンモニウムカチオン、および窒素含有ヘテロ環骨格として、ピロリジン、ピリジン、またはイミダゾール骨格を有するカチオンが好ましい。
第3塩の具体例としては、Py13とFSAとの塩(Py13・FSA)、PY13とTFSAとの塩(Py13・TFSA)、Py14とFSAとの塩(Py14・FSA)、PY14とTFSAとの塩(Py14・TFSA)、BMIとFSAとの塩(BMI・FSA)、BMIとTFSAとの塩(BMI・TFSA)、EMIとFSAとの塩(EMI・FSA)、EMIとTFSAとの塩(EMI・TFSA)、TEMAとFSAとの塩(TEMA・FSA)、TEMAとTFSAとの塩(TEMA・TFSA)、TEAとFSAとの塩(TEA・FSA)、およびTEAとTFSAとの塩(TEA・TFSA)などが挙げられる。これらの第3塩は、一種を単独でまたは二種以上を組み合わせて使用できる。
充放電システム100は、ナトリウムイオン二次電池101と、ナトリウムイオン二次電池101の充放電を制御する充放電制御ユニット102と、ナトリウムイオン二次電池101から供給される電力を消費する負荷機器103とを含む。充放電制御ユニット102は、ナトリウムイオン二次電池101を充電する際の電流および/または電圧などを制御する充電制御ユニット102aと、ナトリウムイオン二次電池101を放電する際の電流および/または電圧などを制御する放電制御ユニット102bとを含む。充電制御ユニット102aは、外部電源104およびナトリウムイオン二次電池101と接続しており、放電制御ユニット102bは、ナトリウムイオン二次電池101と接続している。ナトリウムイオン二次電池101には、負荷機器103が接続している。
(付記1)
正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極と、正極および負極の間に介在するセパレータと、電解質とを含み、
前記電解質は、ナトリウムイオンを含む非水電解質であり、
前記正極活物質は、ナトリウムイオンを可逆的に吸蔵および放出するナトリウム含有遷移金属酸化物を含み、
前記負極活物質は、ナトリウムイオンを可逆的に吸蔵および放出する第1材料およびナトリウムと合金化する第2材料からなる群より選択される少なくとも一種を含み、
前記ナトリウム含有遷移金属酸化物は、満充電状態において、遷移金属原子に対するナトリウム原子の比:Na/MTが、Na/MT≦0.3を充足し、
前記正極の可逆容量および不可逆容量の合計Cptに対する、前記負極の可逆容量および不可逆容量の合計Cntの比:Cnt/Cptは、1≦Cnt/Cptを充足する、ナトリウムイオン二次電池。
付記1の電池では、過充電時でも、ナトリウムの析出を抑制することができる。
前記ナトリウム含有遷移金属酸化物は、式(1):NaxTiyNizMn1-y-zO2(xは充放電により変動し、0≦x≦0.67であり、0.15≦y≦0.2であり、0.3≦z≦0.35である)で表される化合物であり、前記比Cnt/Cptは、1≦Cnt/Cpt≦1.3を充足する、付記1に記載のナトリウムイオン二次電池。
このような場合、高い耐過充電性を確保できるとともに、エネルギー密度をさらに高めることができる。
付記1または付記2に記載のナトリウムイオン二次電池と、ナトリウムイオン二次電池の充電を制御する充電制御ユニットと、ナトリウムイオン二次電池の放電を制御する放電制御ユニットとを含む充放電システム。
このような充放電システムでは、ナトリウムイオン二次電池が過充電状態となった場合でも、ナトリウムの析出を抑制することができる。
(1)ナトリウム含有遷移金属酸化物:Na2/3Ti1/6Ni1/3Mn1/2O2の合成
炭酸ナトリウム、水酸化ニッケル、酸化チタンおよび炭酸マンガンを、得られるナトリウム含有遷移金属酸化物が上記の組成となるような割合で混合した。得られた混合物を、大気雰囲気中、900℃で12時間焼成することにより、Na2/3Ti1/6Ni1/3Mn1/2O2を合成した。焼成物の組成は、X線回折スペクトルにより確認した。
上記(1)で得られたNa2/3Ti1/6Ni1/3Mn1/2O2(正極活物質)と、アセチレンブラック(導電助剤)と、ポリフッ化ビニリデン(バインダ)を、NMPとともに混合することにより、正極合剤ペーストを調製した。このとき、正極活物質と、導電助剤と、バインダとの質量比を100:10:5とした。正極合剤ペーストを、厚さ20μmのアルミニウム箔の片面に塗布し、十分に乾燥させ、圧縮して、厚さ約52μmの正極を作製した。正極は、直径12mmのコイン型に打ち抜いた。
ハードカーボン(負極活物質)100質量部およびポリフッ化ビニリデン(バインダ(結着剤))4質量部を、N-メチル-2-ピロリドンとともに混合して、負極合剤ペーストを調製した。得られた負極合剤ペーストを、厚さ20μmの銅箔の片面に塗布し、十分に乾燥させ、圧縮して、厚さ100μmの負極を作製した。負極は、直径12mmのコイン型に打ち抜いた。
コイン型の正極、負極およびセパレータを、0.3Paの減圧下で、90℃以上で加熱して十分に乾燥させた。その後、浅底の円筒型のAl/SUSクラッド製容器に、コイン型の負極を載置し、その上にコイン型のセパレータを介してコイン型の正極を載置し、所定量の溶融塩電解質を容器内に注液した。その後、周縁に絶縁ガスケットを具備する浅底の円筒型のAl/SUSクラッド製封口板で、容器の開口を封口した。これにより、容器底面と封口板との間で、負極、セパレータおよび正極からなる電極群に圧力を印加し、部材間の接触を確保した。こうして、コイン型のナトリウム溶融塩電池A1を作製した。なお、セパレータとしては、ポリオレフィン製微多孔膜(日本板硝子株式会社製、NPS 厚み50μm)を用いた。溶融塩電解質としては、Na・FSAとPy13・FSAとを、40:60のモル比で含むイオン液体(溶融塩電解質中のイオン液体の含有量:100質量%)を0.014g用いた。使用した溶融塩電解質に含まれるナトリウムイオンの総量から、Ceを求めたところ、0.69mAhであった。
(a)Cpt、Cnt/Cpt、およびCnt/(Cpt+Ce)
上記(3)で得られた負極と、対極としてのナトリウム電極とを用いる以外は、上記(3)と同様にして、ナトリウム溶融塩電池(ハーフセル)を作製した。ナトリウム電極としては、アルミニウム箔にナトリウム金属を貼り付けたコイン型電極(厚み50μm、直径12mm)を用いた。得られたハーフセルを25℃に保温し、0.1Cで0.02Vまで充電し、0.1Cで1.5Vまで放電するサイクルを2回繰り返して、負極の可逆容量および不可逆容量をそれぞれ求め、これらの合計Cntを算出した。
Cnt、CptおよびCeの値から、Cnt/Cpt、およびCnt/(Cpt+Ce)を算出した。
上記(4)で得られたナトリウム溶融塩電池を、25℃で保温し、SOCが100%のときの比Na/MTが所定の値(実施例1では、0.3)となるように設定した充電終止電圧(4.0V)まで0.1Cで充電し、0.1Cで2.0Vまで放電する充放電サイクルを1サイクルとして充放電を行った。1サイクル目の放電容量(初期電池容量)を求めた。そして、初期容量(Ah)を正極、負極およびセパレータの合計体積(L)で除することにより、エネルギー密度(Ah/L)を求めた。なお、正極、および負極の体積(見かけ体積)は、それぞれのサイズから算出した。
上記(4)で得られたナトリウム溶融塩電池を、25℃で満充電状態(SOC=100%)になるまで充電した。電池温度を測定しながら、満充電状態から、さらに0.5Cで4時間、電池を過充電した。そして、過充電を行っている間の電池温度の最大値(最高温度)(℃)を求めた。
正極合剤ペーストの塗布量を調整して、正極の厚みを表1に示すように変更する以外は、実施例1と同様にして正極を作製した。得られた正極を用いる以外は、実施例1と同様にしてナトリウム溶融塩電池A2を作製し、評価を行った。ただし、SOCが100%のときの比Na/MTを0.1に変更し、これに伴って、エネルギー密度の評価では、充電終止電圧を4.3Vに設定した。
Na2/3Ti1/6Ni1/3Mn1/2O2に代えて、亜クロム酸ナトリウムを用いる以外は、実施例1と同様にして正極を作製した。得られた正極を用いる以外は、実施例1と同様にして、ナトリウム溶融塩電池B1を作製し、評価を行った。ただし、亜クロム酸ナトリウムの満充電状態での比Na/MTは0.5である。そのため、エネルギー密度の評価では、SOCが100%のときの比Na/MTが0.5となるように充電終止電圧を3.5Vに設定した。なお、作製した正極の可逆的な充放電ができない部分の容量に相当する比Na/MTは、0.5である。
正極合剤ペーストの塗布量を調整して、正極の厚みを表1に示すように変更する以外は、比較例1と同様にして正極を作製した。得られた正極を用いる以外は、比較例1と同様にして、ナトリウム溶融塩電池B2を作製し、評価を行った。
正極合剤ペーストの塗布量を調整して、正極の厚みを表1に示すように変更する以外は、実施例1と同様にして正極を作製した。得られた正極を用いる以外は、実施例1と同様にして、ナトリウム溶融塩電池B3を作製し、評価を行った。
実施例および比較例の結果を表1に示す。
比Cnt/Cptが1未満である比較例の電池B1およびB3では、エネルギー密度がある程度高いが、過充電時の電池温度は180℃よりも高くなり、耐過充電性が顕著に劣る結果となった。比較例の電池B2では、比Cnt/Cptが1以上であるが、満充電時の比Na/MTが0.3を超えており、正極の不可逆容量が大きく、エネルギー密度が低い。また、電池B2では、電池温度が85℃にまで上昇した。
比較例の電池B1~B3において、過充電時の電池温度が高くなったのは、過充電時に、負極にナトリウムが析出したことで、正極と負極との間で内部短絡が起きたためと考えられる。
2:正極
2a:正極リード片
3:負極
3a:負極リード片
7:ナット
8:鍔部
9:ワッシャ
10:電池ケース
12:容器本体
13:蓋体
14:外部正極端子
16:安全弁
100:充放電システム
101:ナトリウムイオン二次電池
102:充放電制御ユニット
102a:充電制御ユニット
102b:放電制御ユニット
103:負荷機器
104:外部電源
Claims (7)
- 正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極と、前記正極および前記負極の間に介在するセパレータと、電解質とを含み、
前記電解質は、ナトリウムイオンを含む非水電解質であり、
前記正極活物質は、ナトリウムイオンを可逆的に吸蔵および放出するナトリウム含有遷移金属酸化物を含み、
前記負極活物質は、ナトリウムイオンを可逆的に吸蔵および放出する第1材料およびナトリウムと合金化する第2材料からなる群より選択される少なくとも一種を含み、
前記ナトリウム含有遷移金属酸化物は、満充電状態において、遷移金属原子に対するナトリウム原子の比:Na/MTが、Na/MT≦0.3を充足し、
前記正極の可逆容量および不可逆容量の合計Cptに対する、前記負極の可逆容量および不可逆容量の合計Cntの比:Cnt/Cptは、1≦Cnt/Cptを充足する、ナトリウムイオン二次電池。 - 前記ナトリウム含有遷移金属酸化物は、前記遷移金属原子として、Ni、TiおよびMnを含む、請求項1に記載のナトリウムイオン二次電池。
- 前記ナトリウム含有遷移金属酸化物は、式(1):NaxTiyNizMn1-y-zO2(xは充放電により変動し、0≦x≦0.67であり、0.15≦y≦0.2であり、0.3≦z≦0.35である)で表される化合物である、請求項1または請求項2に記載のナトリウムイオン二次電池。
- 前記比Cnt/Cptは、1≦Cnt/Cpt≦1.3を充足する、請求項1~請求項3のいずれか1項に記載のナトリウムイオン二次電池。
- 前記電解質に含まれるナトリウムイオンの総量に相当する容量をCeとするとき、前記Cntは、Cnt≧(Cpt+Ce)を充足する、請求項1~請求項4のいずれか1項に記載のナトリウムイオン二次電池。
- 前記電解質は、イオン液体を70質量%以上含み、前記イオン液体は、アニオンとナトリウムイオンとを含む、請求項1~請求項5のいずれか1項に記載のナトリウムイオン二次電池。
- 前記第1材料は、ソフトカーボン、ハードカーボン、およびアルカリ金属含有チタン酸化物からなる群より選択される少なくとも一種であり、
前記第2材料は、亜鉛、インジウム、スズ、ケイ素、リン、アンチモン、鉛、およびビスマスからなる群より選択される少なくとも一種を含む、請求項1~請求項6のいずれか1項に記載のナトリウムイオン二次電池。
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