WO2018181461A1 - ナトリウム二次電池用電極活物質、ナトリウム二次電池用電極、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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Abstract

本発明は、複合金属酸化物を含むナトリウム二次電池用電極活物質であって、前記複合金属酸化物は式(1)で表され、粉末X線回折スペクトルの43°付近に観測される、酸化ニッケルの(200)面のピーク強度をI、41°~42.5°付近に観測される下記式(1)で表される複合金属酸化物の(104)面のピーク強度をI0としたとき、IをI0で除して得られるI/I0が0.2以下であることを特徴とする、ナトリウム二次電池用電極活物質に関する。

Description

ナトリウム二次電池用電極活物質、ナトリウム二次電池用電極、ナトリウム二次電池及び複合金属酸化物の製造方法
 本発明は、ナトリウム二次電池用電極活物質、ナトリウム二次電池用電極、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2017-065025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電極活物質、ナトリウム二次電池用電極、ナトリウム二次電池及び複合金属酸化物の製造方法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]複合金属酸化物を含むナトリウム二次電池用電極活物質であって、前記複合金属酸化物は、下記式(1)で表され、粉末X線回折スペクトルの43°付近に観測される、酸化ニッケルの(200)面のピーク強度をI、41°~42.5°付近に観測される下記式(1)で表される複合金属酸化物の(104)面のピーク強度をIとしたとき、IをIで除して得られるI/Iが0.2以下であるナトリウム二次電池用電極活物質。
Na NiSi・・・(1)
(Mは、B、Ti、Mn、Fe及びCoからなる群から選ばれる1種以上の元素を表し、MはMg、Ca及びSr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≦a≦1.0であり、0<c<0.1であり、かつ、0.5<b+c≦1.1であり、0<e≦0.5であり、1.95<d<2.05である。)
[2]前記式(1)中のMがTi、Mn、及びFeからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素を含む[1]に記載のナトリウム二次電池用電極活物質。
[3]前記式(1)で表される複合金属酸化物の結晶構造が層状構造を有する[1]又は[2]に記載のナトリウム二次電池用電極活物質。
[4][1]~[3]のいずれか1つに記載のナトリウム二次電池用電極活物質を含有する電極。
[5][4]に記載の電極を有するナトリウム二次電池。
[6]Na含有化合物、Ni含有化合物、M含有化合物(MはB、Ti、Mn、Fe及びCoからなる群から選ばれるいずれか1種以上の元素)及びSi含有化合物を混合し、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、を含む複合金属酸化物の製造方法であり、前記Na含有化合物、Ni含有化合物及びM含有化合物の総質量を100質量部としたときの、Si含有化合物の質量が0を超え3質量部以下となるように混合する、複合金属酸化物の製造方法。
[7]前記Si含有化合物がケイ素含有酸化物である[6]に記載の複合金属酸化物の製造方法。
[8]前記M含有化合物がTi、Mn及びFeからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素を含む[6]又は[7]に記載の複合金属酸化物の製造方法。
[9]前記焼成工程の焼成温度が800℃以上1000℃以下である[6]~[8]のいずれか1つに記載の複合金属酸化物の製造方法。
[10]前記焼成工程において、800℃以上1000℃以下での保持時間が4時間以上20時間以下である[9]に記載の複合金属酸化物の製造方法。
 本発明により、十分な耐水性を有するナトリウム二次電池用電極活物質、ナトリウム二次電池用電極、ナトリウム二次電池及び複合金属酸化物の製造方法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電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の電極活物質のXRDチャートである。 実施例2の電極活物質のXRDチャートである。 実施例3の電極活物質のXRDチャートである。 実施例4の電極活物質のXRDチャートである。 実施例5の電極活物質のXRDチャートである。 比較例3の電極活物質のXRDチャートである。 実施例5において製造した電極活物質のSEM写真である。 実施例5において製造した電極活物質のSEM-EDX写真である。 実施例6の電極活物質のXRDチャートである。 実施例7の電極活物質のXRDチャートである。 実施例8の電極活物質のXRDチャートである。 実施例9の電極活物質のXRDチャートである。 実施例10の電極活物質のXRDチャートである。
<ナトリウム二次電池用電極活物質>
 本発明は、複合金属酸化物を含むナトリウム二次電池用電極活物質であって、前記複合金属酸化物は、下記式(1)で表され、粉末X線回折スペクトルの43°付近に観測される、酸化ニッケルの(200)面のピーク強度をI、41°~42.5°付近に観測される下記式(1)で表される複合金属酸化物の(104)面のピーク強度をIとしたとき、IをIで除して得られるI/Iが0.2以下であるナトリウム二次電池用電極活物質である。
     Na NiSi・・・(1)
 Mは、 B、Ti、Mn、Fe及びCoからなる群から選ばれる1種以上の元素を表し、MはMg、Ca又はSr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≦a≦1.0であり、0<c<0.1であり、かつ、0.5<b+c≦1.1であり、0<e≦0.5であり、1.95<d<2.05である。
・I/I
 本実施形態のナトリウム二次電池用電極活物質(以下、「電極活物質」と記載する場合がある)が含む複合金属酸化物は、CuKα線を使用した粉末X線回折測定において、43°付近に観測される、副生成物である酸化ニッケルの(200)面のピーク強度をI、41°~42.5°付近に観測される下記式(1)で表される複合金属酸化物の(104)面のピーク強度をIとしたとき、IをIで除して得られるI/Iが0.2以下であり、0.1以下が好ましく、0.07以下がより好ましい。
 本発明の別の側面としては、前記I/Iが0.015以上0.2以下が好ましく、0.015以上0.1以下がより好ましく、0.015以上0.07以下がさらに好ましい。
・式(1)
 本実施形態の電極活物質が含む複合金属酸化物は、下記式(1)で表される。
     Na NiSi・・・(1)(Mは、B、Ti、Mn、Fe及びCoからなる群から選ばれる1種以上の元素を表し、MはMg、Ca及びSr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≦a≦1.0であり、0<c<0.1であり、かつ、0.5<b+c≦1.1であり、0<e≦0.5であり、1.95<d<2.05である。)
〔M〕
 式(1)中、Mは、ホウ素(B)、チタン(Ti)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)及びコバルト(Co)からなる群から選ばれる1種以上の元素を表し、Ti、Mn及びFeからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素を含むことが好ましい。
〔M
 式(1)中、Mは、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)及びストロンチウム(Sr)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。
〔a〕
 上記式(1)において、aが0.5以上であると、得られる電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、aが1.0を超えると、得られる電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、aが1.0以下であると、得られる電極材に炭酸ナトリウム等の不純物が混在しにくいため、ナトリウム電池の抵抗が小さくなり、エネルギー密度が高くなる。
〔c〕
 上記式(1)において、cが0を超えると、耐水性に優れる電極活物質が得られやすくなる。また、cが0.1未満であると、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。
 本実施形態の電極活物質をより耐水性に優れるようにするためには、cは0.001以上が好ましく、0.0015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、cは0.09以下が好ましく、0.05以下がより好ましい。これらc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、c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、cは0.001以上0.09以下が好ましく、0.0015以上0.05以下がより好ましい。
〔b+c〕
 上記式(1)において、b+cが0.5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、b+cが1.1以下であると、α-NaFeO型の結晶構造のみ有する電極活物質が得られやすく、エネルギー密度が高くなる。
〔e〕
 上記式(1)において、eは0を超え、0.5以下であり、0.4以下が好ましく、0.3以下がより好ましい。eは0.1以上が好ましく、0.15以上がより好ましい。
 本発明の別の側面としては、eは0超0.5以下が好ましく、0.1以上0.4以下がより好ましく、0.15以上0.3以下がさらに好ましい。
〔d〕
 上記式(1)において、dが1.95を超えると、得られる電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、dが2.05未満であると、α-NaFeO型の結晶構造のみ有する電極活物質が得られやすい。
〔r〕
 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0.01以上0.05以下が好ましい。
 本明細書においてa、r、b、e、及びcの値は、高周波誘導結合プラズマ発光分析(ICP-AES)により求めることができる。具体的には、電極活物質を塩酸で加熱接触処理することにより溶解させた溶液をICP-AESで測定することにより求めることができる。
 本実施形態の電極活物質は、層状構造であることが好ましく、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ことが好ましい。電極活物質を粉末X線回折スペクトルにより分析することで、層状構造を確認できる。
 そのため、得られる電極活物質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。
 本実施形態の電極活物質は、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ることが好ましい。また、α-NaFeO型の結晶構造のみ有する単相の電極活物質であることがより好ましい。
<複合金属酸化物の製造方法>
 本実施形態は、ナトリウム(Na)含有化合物、ニッケル(Ni)含有化合物、M含有化合物(MはB、Ti、Mn、Fe、及びCoからなる群から選ばれるいずれか1種以上の元素)及びケイ素(Si)含有化合物を混合し、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工程と、を含む複合金属酸化物の製造方法であり、前記ナトリウム含有化合物、ニッケル含有化合物及びM含有化合物の総質量を100質量部としたときの、ケイ素含有化合物の質量が0を超え3質量部以下である複合金属酸化物の製造方法である。
 本実施形態においては、まず、ナトリウム含有化合物、ニッケル含有化合物、M含有化合物(MはB、Ti、Mn、Fe、及びCoからなる群から選ばれるいずれか1種以上の元素)及びケイ素含有化合物を混合して混合物を得る。このとき、前記ナトリウム含有化合物、ニッケル含有化合物及びM含有化合物の総質量を100質量部としたときのケイ素含有化合物の質量が0を超え3質量部以下となるように混合する。このとき、任意でM含有化合物(MはMg、Ca及びSrからなる群から選ばれるいずれか1種以上の元素)を添加してもよい。また、本発明の効果を失わない範囲で、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、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、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。
 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、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、炭酸ナトリウムは、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、水酸化ナトリウムは、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。
 ・Ni含有化合物
 Ni化合物としては酸化ニッケル(II)(NiO)及び酸化ニッケル(II、III)(Ni)が好ましい。
 ・M含有化合物
 「M含有化合物」とは、MはB、Ti、Mn、Fe、及びCoからなる群から選ばれるいずれか1種以上の元素を含む化合物である。本実施形態においては、M含有化合物は、Ti、Mn、及びFeからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素を含むことが好ましい。ホウ素含有化合物としては酸化ホウ素、ホウ酸が好ましく、Ti含有化合物としては酸化チタン(IV)(TiO)が好ましく、Mn含有化合物としては酸化マンガン(IV)(MnO)が好ましく、Fe化合物としては酸化鉄(II,III)(Fe)、酸化鉄(III)(Fe)が好ましく、Co化合物としては酸化コバルト(II,III)(Co)が好ましい。
 M含有化合物は、所望の金属元素比となるように添加されたものであってもよく、溶融型反応促進剤として添加した金属酸化物に由来する成分であってもよい。
 ・M含有化合物
 「M含有化合物」とは、MはMg、Ca及びSrからなる群から選ばれるいずれか1種以上の元素を含む化合物である。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。Sr含有化合物としては炭酸ストロンチウム、水酸化ストロンチウム、酸化ストロンチウムが好ましい。
・Si含有化合物
 Si含有化合物としては、ケイ酸、ケイ酸塩、酸化ケイ素、ハロゲン化ケイ素、乾式シリカ、テトラアルキルオルトケイ酸エステル及びコロイダルシリカが挙げられ、好ましくは乾式シリカが好ましい。
 本実施形態においては、Si含有化合物はケイ素含有酸化物であることが好ましい。ケイ素含有酸化物としては、ケイ酸、ケイ酸塩、酸化ケイ素、乾式シリカ等が挙げられる。
 本実施形態において、ケイ素含有化合物として乾式シリカを使用する場合、乾式シリカの粒径は、一例を挙げると、15μm以下、10μm以下が挙げられる。
 本実施形態においては、前記Na含有化合物と、前記Ni含有化合物と、前記M含有化合物の総質量100質量部に対し、前記Si含有化合物を、0を超え3質量部以下、好ましくは2.5質量部以下、より好ましくは2.0質量部以下となるように混合する。
 前記Si含有化合物を、上記上限値以下となるように混合することにより、十分な耐水性を有する複合金属酸化物を製造することができる。上限値を超えるSi含有化合物を添加すると、原料として用いる金属含有化合物の反応性が低下し、所望の複合金属酸化物の収率が低くなり、酸化ニッケルが不純物として混在することがある。すなわち、粉末X線回折スペクトルの43°付近に観測される、酸化ニッケルの(200)面のピーク強度Iが大きくなる傾向がある。逆に、Si含有化合物の添加量を上記の範囲とすることで、ピーク強度Iが小さくなる傾向がある。
 ケイ素含有化合物の混合量の下限値は特に限定されないが、一例を挙げると、0.1質量部以上、0.2質量部以上、0.3質量部以上が挙げられる。
 本発明の別の側面としては、前記Na含有化合物と、前記Ni含有化合物と、前記M含有化合物の総質量100質量部に対し、前記Si含有化合物を、好ましくは0.1質量部以上3.0質量部以下、より好ましくは0.2質量部以上2.5質量部以下、さらに好ましくは0.3質量部以上2.0質量部以下となるように混合する。
 また、金属含有化合物のうち、M含有化合物については、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、M含有化合物であって、共沈法で得られるM含有化合物について、便宜的に「M含有共沈法生成物」と称する。
 具体的には、まず、Ti、Mn、Fe、及びCo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M含有共沈法生成物を含有する沈殿物を得ることができる。
 M含有共沈法生成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。
 M含有共沈法生成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、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸アンモニウム及び尿素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水酸化カリウム又は水酸化ナトリウムであり、沈殿剤水溶液は好ましくは水酸化カリウム水溶液又は水酸化ナトリウム水溶液である。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、混合水溶液及び沈殿剤又は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が、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、M含有共沈法生成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M含有共沈法生成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、固液分離方法は濾過が好ましい。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。
 Na含有化合物、Ni含有化合物、M含有化合物及びSi含有化合物、又はNa含有化合物、Ni含有化合物、M含有共沈法生成物及びSi素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。
 焼成工程における、焼成温度の下限値は800℃以上が好ましく、850℃以上がより好ましい。焼成温度の上限値は1000℃以下が好ましく、950℃以下がより好ましい。上記上限値及び下限値は任意に組み合わせることができる。
 上記の組み合わせの中でも、本実施形態においては、800℃以上1000℃以下の温度が好ましく、850℃以上950℃以下の温度がより好ましい。
 焼成工程は上記の温度で4時間以上20時間以下保持することが好ましく、6時間以上15時間以下保持することがより好ましい。
 本明細書において、焼成工程における焼成温度は、焼成装置の設定温度を意味する。
 焼成工程において、昇温開始から前記焼成温度までの昇温速度は、50℃/時間以上400℃/時間以下であり、前記焼成温度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、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や融点が800℃以下の酸化物、炭酸塩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や、複合金属酸化物を構成する粒子の平均粒径を制御することができる。
 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。
 本実施形態により製造される複合金属酸化物は、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。
<電極及びナトリウム二次電池>
 本実施形態の電極及びこれを含有するナトリウム二次電池は、上述した本発明により製造した複合金属酸化物を電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、グラビア塗工法およ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。
 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、ヘキサフルオロリン酸ナトリウム、ヘキサフルオロヒ酸ナトリウム、ヘキサフルオロアンチモン酸ナトリウム、テトラフルオロホウ酸ナトリウム、トリフルオロメタンスルホン酸ナトリウム及びナトリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド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B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、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
 前記粉末X線回折測定によって得られた粉末X線回折スペクトルの43°付近に観測される、副生NiOの(200)面のピーク強度をI、41~42.5°付近に観測される複合金属酸化物Na NiSi(Mは、B、Ti、Mn、Fe及びCoからなる群から選ばれる1種以上の元素を表し、MはMg、Ca及びSr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≦a≦1.0であり、0<c<0.1であり、かつ、0.5<b+c≦1.1であり、0<e≦0.5であり、1.95<d<2.05である。)の(104)面のピーク強度をIとし、IをIで除して得られるI/Iの値を決定した。
(2)pH測定
 pHは、電極活物質粉末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1~4のそれぞれの電極活物質と、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(質量比)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、電極活物質:導電剤:バインダー:NMP=90:5:5:100(質量比)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、5,000rpm、3分間とした。下記表2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。
(4)高周波誘導結合プラズマ発光分析(ICP-AES)
 ビーカーに電極活物質を約500mg秤量し、(1+1)塩酸10mLを加えた後、過酸化水素を0.1mLずつ3回加えて静置した。さらに(1+1)塩酸10mLを加え、時計皿でフタをしてホットプレート上で加熱溶解した。試料が溶解した溶液を0.2μmのメンブレンフィルター(オムニポアTMメンブレン、PTFE)を用いてろ過した。ろ液は100mL定容とし、セイコーインスツルメンツ性ICP-AES装置SPS3000を用いて検量線法で溶液中の元素量比を測定した。溶液中の元素量を固溶した元素量とし、Na NiSi(Mは、B、Ti、Mn、Fe及びCoからなる群から選ばれる1種以上の元素を表し、MはMg、Ca及びSr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)において、b+cが1であり、dが2であると仮定して組成式を算出した。
≪実施例1≫
 143.1mgのシリカ(SiO)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(II、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15.3g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電極活物質1を得た。電極活物質1を塩酸中に溶解し、ICP発光分析により組成を分析したところ、溶解成分のNa:Ca:Mn:Fe:Ni:Siのモル比は0.98:0.02:0.30:0.41:0.28:0.01(Na0.98Ca0.02Mn0.30Fe0.41Ni0.28Si0.01)であった。電極活物質1の粉末X線回折測定の結果、電極活物質1の結晶構造は、層状構造に帰属された(図2)。副生NiOの(200)面のピーク強度をI、前記式(1)で表される複合金属酸化物のピーク強度をIとし、IをIで除して得られるI/Iの値は0.033であった。電極活物質1のpH測定の結果、12.5であった。
 ナトリウム含有化合物、ニッケル含有化合物及びM含有化合物の総質量を100質量部としたときの、ケイ素含有化合物の質量を表1に記載する。
≪実施例2≫
 214.7mgのシリカ(SiO)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(II、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15.3g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電極活物質2を得た。電極活物質2を塩酸中に溶解し、ICP発光分析により組成を分析したところ、溶解成分のNa:Ca:Mn:Fe:Ni:Siのモル比は0.97:0.02:0.30:0.40:0.27:0.02(Na0.97Ca0.02Mn0.30Fe0.40Ni0.27Si0.02)であった。電極活物質2の粉末X線回折測定の結果、電極活物質2の結晶構造は、層状構造に帰属された(図3)。副生NiOの(200)面のピーク強度をI、前記式(1)で表される複合金属酸化物のピーク強度をIとし、IをIで除して得られるI/Iの値は0.032であった。電極活物質2のpH測定の結果、12.4であった。
 ナトリウム含有化合物、ニッケル含有化合物及びM含有化合物の総質量を100質量部としたときの、ケイ素含有化合物の質量を表1に記載する。
≪実施例3≫
 286.6mgのシリカ(SiO)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(II、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15.3g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電極活物質3を得た。電極活物質3を塩酸中に溶解し、ICP発光分析により組成を分析したところ、溶解成分のNa:Ca:Mn:Fe:Ni:Siのモル比は0.98:0.02:0.30:0.41:0.28:0.02(Na0.98Ca0.02Mn0.30Fe0.41Ni0.28Si0.01)であった。電極活物質3の粉末X線回折測定の結果、電極活物質3の結晶構造は、層状構造に帰属された(図4)。副生NiOの(200)面のピーク強度をI、前記式(1)で表される複合金属酸化物のピーク強度をIとし、IをIで除して得られるI/Iの値は0.045であった。電極活物質3のpH測定の結果、12.3であった。
 ナトリウム含有化合物、ニッケル含有化合物及びM含有化合物の総質量を100質量部としたときの、ケイ素含有化合物の質量を表1に記載する。
≪実施例4≫
 357.8mgのシリカ(SiO)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(II、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15.3g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電極活物質4を得た。電極活物質4を塩酸中に溶解し、ICP発光分析により組成を分析したところ、溶解成分のNa:Ca::Mn:Fe:Ni:Siのモル比は0.97:0.02:0.30:0.41:0.27:0.02(Na0.97Ca0.02Mn0.30Fe0.41Ni0.27Si0.02)であった。電極活物質4の粉末X線回折測定の結果、電極活物質4の結晶構造は、層状構造に帰属された(図5)。副生NiOの(200)面のピーク強度をI、前記式(1)で表される複合金属酸化物のピーク強度をIとし、IをIで除して得られるI/Iの値は0.068であった。電極活物質4のpH測定の結果、12.5であった。
 ナトリウム含有化合物、ニッケル含有化合物及びM含有化合物の総質量を100質量部としたときの、ケイ素含有化合物の質量を表1に記載する。
≪実施例5≫
 286.1mgのシリカ(SiO)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(II、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15.3g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電極活物質5を得た。電極活物質5を塩酸中に溶解し、ICP発光分析により組成を分析したところ、溶解成分のNa:Mn:Fe:Ni:Siのモル比は0.98:0.30:0.42:0.27:0.01(Na0.98Mn0.30Fe0.42Ni0.27Si0.01)であった。電極活物質5の粉末X線回折測定の結果、電極活物質5の結晶構造は、層状構造に帰属された(図6)。副生NiOの(200)面のピーク強度をI、前記式(1)で表される複合金属酸化物のピーク強度をIとし、IをIで除して得られるI/Iの値は0.053であった。電極活物質5のpH測定の結果、12.4であった。
 ナトリウム含有化合物、ニッケル含有化合物及びM含有化合物の総質量を100質量部としたときの、ケイ素含有化合物の質量を表1に記載する。
≪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15.3g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電極活物質6(Na0.99Mn0.31Fe0.41Ni0.28)を得た。電極活物質6のpH測定の結果、12.9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(II、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15.3g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電極活物質7(Na0.99Ca0.02Mn0.31Fe0.41Ni0.28)を得た。電極活物質7のpH測定の結果、13.0であった。
≪比較例3≫
 728.8mgのシリカ(SiO)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1.07:0.31:0.41:0.28となるように合計15.3g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電極活物質8を得た。電極活物質8を塩酸中に溶解し、ICP発光分析により組成を分析したところ、溶解成分のNa:Mn:Fe:Ni:Siのモル比は1.04:0.30:0.42:0.27:0.01(Na1.04Mn0.30Fe0.42Ni0.27Si0.01)であった。電極活物質8の粉末X線回折測定の結果、電極活物質8の結晶構造は、層状構造に帰属された(図7)。副生NiOの(200)面のピーク強度をI、前記式(1)で表される複合金属酸化物のピーク強度をIとし、IをIで除して得られるI/Iの値は0.215であった。電極活物質8のpH測定の結果、12.8であった。
 ナトリウム含有化合物、ニッケル含有化合物及びM含有化合物の総質量を100質量部としたときの、ケイ素含有化合物の質量を表1に記載する。
≪比較例4≫
 77.8mgのチタニア(TiO)、26.4mgの酸化亜鉛(ZnO)及び32.0mgのアルミナ(Al)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:Mn:Fe:Niのモル比が0.99:0.03:0.31:0.41:0.28となるように合計15.4g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電極活物質9(Na0.98Ca0.03Mn0.30Fe0.41Ni0.27Ti0.01Zn0.003Al0.002)を得た。電極活物質9のpH測定の結果、12.7であった。
≪実施例6≫
 292.2mgのシリカ(SiO)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(II、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0.99:0.02:0.35:0.30:0.35となるように合計15.3g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電極活物質10を得た。電極活物質10を塩酸中に溶解し、ICP発光分析により組成を分析したところ、溶解成分のNa:Ca:Mn:Fe:Ni:Siのモル比は0.99:0.02:0.35:0.30:0.35:0.003(Na0.98Ca0.02Mn0.35Fe0.30Ni0.35Si0.003)であった。電極活物質10の粉末X線回折測定の結果、電極活物質10の結晶構造は、層状構造に帰属された(図9)。副生NiOの(200)面のピーク強度をI、前記式(1)で表される複合金属酸化物のピーク強度をIとし、IをI0で除して得られるI/Iの値は0.080であった。電極活物質10のpH測定の結果、12.4であった。
 ナトリウム含有化合物、ニッケル含有化合物及びM含有化合物の総質量を100質量部としたときの、ケイ素含有化合物の質量を表1に記載する。
≪実施例7≫
 291.2mgのシリカ(SiO)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(II、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15.3g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電極活物質11を得た。電極活物質11を塩酸中に溶解し、ICP発光分析により組成を分析したところ、溶解成分のNa:Ca:Mn:Fe:Ni:Siのモル比は1.00:0.02:0.31:0.41:0.28:0.001(Na1.00Ca0.02Mn0.31Fe0.41Ni0.28Si0.001)であった。電極活物質11の粉末X線回折測定の結果、電極活物質11の結晶構造は、層状構造に帰属された(図10)。副生NiOの(200)面のピーク強度をI、前記式(1)で表される複合金属酸化物のピーク強度をIとし、IをIで除して得られるI/Iの値は0.050であった。電極活物質11のpH測定の結果、12.2であった。
 ナトリウム含有化合物、ニッケル含有化合物及びM含有化合物の総質量を100質量部としたときの、ケイ素含有化合物の質量を表1に記載する。
≪実施例8≫
 291.1mgのシリカ(SiO)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)、水酸化マグネシウム(Mg(OH))、酸化マンガン(IV)(MnO)、酸化鉄(II、III)(Fe)、及び酸化ニッケル(II)(NiO)を用い、Na:Mg: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15.3g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電極活物質12を得た。電極活物質12を塩酸中に溶解し、ICP発光分析により組成を分析したところ、溶解成分のNa:Mg:Mn:Fe:Ni:Siのモル比は0.99:0.02:0.30:0.41:0.28:0.005(Na0.99Mg0.02Mn0.30Fe0.41Ni0.28Si0.005)であった。電極活物質12の粉末X線回折測定の結果、電極活物質12の結晶構造は、層状構造に帰属された(図11)。副生NiOの(200)面のピーク強度をI、前記式(1)で表される複合金属酸化物のピーク強度をIとし、IをIで除して得られるI/Iの値は0.075であった。電極活物質12のpH測定の結果、12.4であった。
 ナトリウム含有化合物、ニッケル含有化合物及びM含有化合物の総質量を100質量部としたときの、ケイ素含有化合物の質量を表1に記載する。
≪実施例9≫
 290.8mgのシリカ(SiO)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(II、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0.99:0.02:0.25:0.50:0.25となるように合計15.3g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電極活物質13を得た。電極活物質13を塩酸中に溶解し、ICP発光分析により組成を分析したところ、溶解成分のNa:Ca:Mn:Fe:Ni:Siのモル比は0.99:0.02:0.25:0.50:0.25:0.001(Na0.99Ca0.02Mn0.25Fe0.50Ni0.25Si0.001)であった。電極活物質13の粉末X線回折測定の結果、電極活物質13の結晶構造は、層状構造に帰属された(図12)。副生NiOの(200)面のピーク強度をI、前記式(1)で表される複合金属酸化物のピーク強度をIとし、IをIで除して得られるI/Iの値は0.055であった。電極活物質13のpH測定の結果、12.3であった。
 ナトリウム含有化合物、ニッケル含有化合物及びM含有化合物の総質量を100質量部としたときの、ケイ素含有化合物の質量を表1に記載する。
≪実施例10≫
 291.6mgのシリカ(SiO)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)(MnO2)、酸化鉄(III)(Fe)、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:Ca: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15.3g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電極活物質14を得た。電極活物質14を塩酸中に溶解し、ICP発光分析により組成を分析したところ、溶解成分のNa:Ca:Mn:Fe:Ni:Ti:Siのモル比は0.99:0.02:0.26:0.41:0.28:0.05:0.003(Na0.99Ca0.02Mn0.26Fe0.41Ni0.28Ti0.05Si0.003)であった。電極活物質14の粉末X線回折測定の結果、電極活物質14の結晶構造は、層状構造に帰属された(図13)。副生NiOの(200)面のピーク強度をI、前記式(1)で表される複合金属酸化物のピーク強度をIとし、IをIで除して得られるI/Iの値は0.062であった。電極活物質14のpH測定の結果、12.2であった。
 ナトリウム含有化合物、ニッケル含有化合物及びM含有化合物の総質量を100質量部としたときの、ケイ素含有化合物の質量を表1に記載する。
 下記表1~2に、実施例1~10、及び比較例1~4の結果をまとめて記載する。下記表1中、「ケイ素含有化合物の混合質量」とは、ナトリウム含有化合物、ニッケル含有化合物及びM含有化合物の総質量100質量部に対するケイ素含有化合物の混合量(質量部)である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 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1~2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。ケイ素含有化合物の添加量を本発明の範囲よりも多くした比較例3は、I/Iの値が高い、即ち電極活物質の表面に酸化ニッケルが多く発生してしまった。ケイ素含有化合物の代わりに、アルミナを用いた比較例4は、実施例1~10よりもpHが高く、塗工性が「×」であった。
 図8Aに実施例5のSEM写真を、図8Bに実施例5のSEM-EDX写真を示す。図8B中、矢印で示す細かい黒点は、均一に分散したケイ素である。図8Bに示す通り、本発明により製造した複合金属酸化物には、ケイ素が均一に分散していた。
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.  複合金属酸化物を含むナトリウム二次電池用電極活物質であって、
     前記複合金属酸化物は、下記式(1)で表され、
     粉末X線回折スペクトルの43°付近に観測される、酸化ニッケルの(200)面のピーク強度をI、41°~42.5°付近に観測される下記式(1)で表される複合金属酸化物の(104)面のピーク強度をIとしたとき、IをIで除して得られるI/Iが0.2以下であるナトリウム二次電池用電極活物質。
    Na NiSi・・・(1)
    (Mは、B、Ti、Mn、Fe及びCoからなる群から選ばれる1種以上の元素を表し、MはMg、Ca及びSr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≦a≦1.0であり、0<c<0.1であり、かつ、0.5<b+c≦1.1であり、0<e≦0.5であり、1.95<d<2.05である。)
  2.  前記式(1)中のMがTi、Mn、及びFeからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素を含む請求項1に記載のナトリウム二次電池用電極活物質。
  3.  前記式(1)で表される複合金属酸化物の結晶構造が層状構造を有する請求項1又は2に記載のナトリウム二次電池用電極活物質。
  4.  請求項1~3のいずれか1項に記載のナトリウム二次電池用電極活物質を含有する電極。
  5.  請求項4に記載の電極を有するナトリウム二次電池。
  6.  Na含有化合物、Ni含有化合物、M含有化合物(MはB、Ti、Mn、Fe及びCoからなる群から選ばれるいずれか1種以上の元素)及びSi含有化合物を混合し、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、を含む複合金属酸化物の製造方法であり、前記Na含有化合物、Ni含有化合物及びM含有化合物の総質量を100質量部としたときの、Si含有化合物の質量が0を超え3質量部以下となるように混合する、複合金属酸化物の製造方法。
  7.  前記Si含有化合物がケイ素含有酸化物である請求項6に記載の複合金属酸化物の製造方法。
  8.  前記M含有化合物がTi、Mn及びFeからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素を含む請求項6又は7に記載の複合金属酸化物の製造方法。
  9.  前記焼成工程の焼成温度が800℃以上1000℃以下である請求項6~8のいずれか1項に記載の複合金属酸化物の製造方法。
  10.  前記焼成工程において、800℃以上1000℃以下での保持時間が4時間以上20時間以下である請求項9に記載の複合金属酸化物の製造方法。
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