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
Description
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。
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。
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。
[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以下であるナトリウム二次電池用電極活物質。
NaaM1 rMbNieSicOd・・・(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、M1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。
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以下であるナトリウム二次電池用電極活物質である。
NaaM1 rMbNieSicOd・・・(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、M1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。
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/I0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。
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。
NaaM1 rMbNieSicOd・・・(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、M1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。)
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。
式(1)中、M1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。
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。
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。
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-NaFeO2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。
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。
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-NaFeO2型の結晶構造のみ有する電極活物質が得られやすい。
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。
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。
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。
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。
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(NaNO3)、過酸化ナトリウム(NaO2)、硫酸ナトリウム(Na2SO4)、炭酸水素ナトリウム(NaHCO3)、シュウ酸ナトリウム(Na2C2O4)及び炭酸ナトリウム(Na2CO3)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。
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)(Ni2O3)が好ましい。
「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)(TiO2)が好ましく、Mn含有化合物としては酸化マンガン(IV)(MnO2)が好ましく、Fe化合物としては酸化鉄(II,III)(Fe3O4)、酸化鉄(III)(Fe2O3)が好ましく、Co化合物としては酸化コバルト(II,III)(Co3O4)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。
「M1含有化合物」とは、M1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。
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。
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。
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。
また、さらにM1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。
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。
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。
以上により、本実施形態の正極を製造することができる。
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。
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(NaClO4)、ヘキサフルオロリン酸ナトリウム(NaPF6)、ヘキサフルオロヒ酸ナトリウム(NaAsF6)、ヘキサフルオロアンチモン酸ナトリウム(NaSbF6)、テトラフルオロホウ酸ナトリウム(NaBF4)、トリフルオロメタンスルホン酸ナトリウム(NaCF3SO3)、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(SO2CF3)2)、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(NaAlCl4)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。
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。
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。
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NaaM1 rMbNieSicOd(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、M1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I0とし、IをI0で除して得られるI/I0の値を決定した。
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。
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。
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、NaaM1 rMbNieSicOd(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、M1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。
143.1mgのシリカ(SiO2)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(Na2CO3)、水酸化カルシウム(Ca(OH)2)、酸化マンガン(IV)(MnO2)、酸化鉄(II、III)(Fe3O4)、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(Na0.98Ca0.02Mn0.30Fe0.41Ni0.28Si0.01O2)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I0とし、IをI0で除して得られるI/I0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。
214.7mgのシリカ(SiO2)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(Na2CO3)、水酸化カルシウム(Ca(OH)2)、酸化マンガン(IV)(MnO2)、酸化鉄(II、III)(Fe3O4)、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(Na0.97Ca0.02Mn0.30Fe0.40Ni0.27Si0.02O2)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I0とし、IをI0で除して得られるI/I0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。
286.6mgのシリカ(SiO2)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(Na2CO3)、水酸化カルシウム(Ca(OH)2)、酸化マンガン(IV)(MnO2)、酸化鉄(II、III)(Fe3O4)、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(Na0.98Ca0.02Mn0.30Fe0.41Ni0.28Si0.01O2)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I0とし、IをI0で除して得られるI/I0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。
357.8mgのシリカ(SiO2)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(Na2CO3)、水酸化カルシウム(Ca(OH)2)、酸化マンガン(IV)(MnO2)、酸化鉄(II、III)(Fe3O4)、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(Na0.97Ca0.02Mn0.30Fe0.41Ni0.27Si0.02O2)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I0とし、IをI0で除して得られるI/I0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。
286.1mgのシリカ(SiO2)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(Na2CO3)、酸化マンガン(IV)(MnO2)、酸化鉄(II、III)(Fe3O4)、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(Na0.98Mn0.30Fe0.42Ni0.27Si0.01O2)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I0とし、IをI0で除して得られるI/I0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。
金属含有化合物として、炭酸ナトリウム(Na2CO3)、酸化マンガン(IV)(MnO2)、酸化鉄(III)(Fe2O3)、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(Na0.99Mn0.31Fe0.41Ni0.28O2)を得た。電極活物質6のpH測定の結果、12.9であった。
金属含有化合物として、炭酸ナトリウム(Na2CO3)、水酸化カルシウム(Ca(OH)2)、酸化マンガン(IV)(MnO2)、酸化鉄(II、III)(Fe3O4)、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(Na0.99Ca0.02Mn0.31Fe0.41Ni0.28O2)を得た。電極活物質7のpH測定の結果、13.0であった。
728.8mgのシリカ(SiO2)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(Na2CO3)、酸化マンガン(IV)(MnO2)、酸化鉄(III)(Fe2O3)、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(Na1.04Mn0.30Fe0.42Ni0.27Si0.01O2)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I0とし、IをI0で除して得られるI/I0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。
77.8mgのチタニア(TiO2)、26.4mgの酸化亜鉛(ZnO)及び32.0mgのアルミナ(Al2O3)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(Na2CO3)、水酸化カルシウム(Ca(OH)2)、酸化マンガン(IV)(MnO2)、酸化鉄(III)(Fe2O3)、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(Na0.98Ca0.03Mn0.30Fe0.41Ni0.27Ti0.01Zn0.003Al0.002O2)を得た。電極活物質9のpH測定の結果、12.7であった。
292.2mgのシリカ(SiO2)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(Na2CO3)、水酸化カルシウム(Ca(OH)2)、酸化マンガン(IV)(MnO2)、酸化鉄(II、III)(Fe3O4)、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(Na0.98Ca0.02Mn0.35Fe0.30Ni0.35Si0.003O2)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I0とし、IをI0で除して得られるI/I0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。
291.2mgのシリカ(SiO2)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(Na2CO3)、水酸化カルシウム(Ca(OH)2)、酸化マンガン(IV)(MnO2)、酸化鉄(II、III)(Fe3O4)、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(Na1.00Ca0.02Mn0.31Fe0.41Ni0.28Si0.001O2)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I0とし、IをI0で除して得られるI/I0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。
291.1mgのシリカ(SiO2)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(Na2CO3)、水酸化マグネシウム(Mg(OH)2)、酸化マンガン(IV)(MnO2)、酸化鉄(II、III)(Fe3O4)、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(Na0.99Mg0.02Mn0.30Fe0.41Ni0.28Si0.005O2)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I0とし、IをI0で除して得られるI/I0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。
290.8mgのシリカ(SiO2)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(Na2CO3)、水酸化カルシウム(Ca(OH)2)、酸化マンガン(IV)(MnO2)、酸化鉄(II、III)(Fe3O4)、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(Na0.99Ca0.02Mn0.25Fe0.50Ni0.25Si0.001O2)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I0とし、IをI0で除して得られるI/I0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。
291.6mgのシリカ(SiO2)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(Na2CO3)、水酸化カルシウム(Ca(OH)2)、酸化マンガン(IV)(MnO2)、酸化鉄(III)(Fe2O3)、酸化ニッケル(II)(NiO)、及び酸化チタン(IV)(アナターゼ、TiO2)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(Na0.99Ca0.02Mn0.26Fe0.41Ni0.28Ti0.05Si0.003O2)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I0とし、IをI0で除して得られるI/I0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。
Claims (10)
- 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以下であるナトリウム二次電池用電極活物質。
NaaM1 rMbNieSicOd・・・(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、M1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。) - 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。
- 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。
- 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。
- 請求項4に記載の電極を有するナトリウム二次電池。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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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