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JP6068257B2 - Active material and secondary battery using the same - Google Patents
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Description

本発明は、活物質およびそれを用いた二次電池に関する。   The present invention relates to an active material and a secondary battery using the active material.

近年、二次電池は、携帯電話やノートPCだけでなく、電気自動車用バッテリーや住宅・店舗用蓄電池としてもその用途を広げている。   In recent years, secondary batteries have been used not only as mobile phones and notebook PCs, but also as electric vehicle batteries and residential / store storage batteries.

二次電池は、一般に正極と負極と電解液(質)とから構成されており、正極には例えば遷移金属とアルカリ金属の酸化物が、負極には例えば黒鉛やハードカーボンなどの炭素系材料や、合金系材料、酸化物材料が、そして電解液には溶媒として有機系(非水系)溶媒や水系溶媒が用いられている。このような電池の代表例としては、リチウムイオン電池や鉛電池が挙げられる。   A secondary battery is generally composed of a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte solution (quality). The positive electrode includes, for example, transition metal and alkali metal oxides, and the negative electrode includes, for example, carbon-based materials such as graphite and hard carbon. An alloy material, an oxide material, and an organic (non-aqueous) solvent or an aqueous solvent are used as a solvent in the electrolytic solution. Typical examples of such batteries include lithium ion batteries and lead batteries.

リチウムイオン電池は、エネルギー密度が高いことから、今後、電気自動車用や家庭用の蓄電池だけでなく、風力や太陽光発電などの電圧安定化や貯蔵、夜間に蓄電した電力を日中に供給して電力負荷を平準化するなどの目的に利用する、数KWから数MWの大容量を有する定置用の大型蓄電池としても期待されている。しかしながらリチウムイオン電池では電極材料にLiやCo、Niなどのレアメタルが用いられており、地球上に存在する量、いわゆるクラーク数が小さく、今後リチウムイオン電池の需要が増えればさらに単価の高騰が懸念される。   Since lithium-ion batteries have a high energy density, they will not only supply storage batteries for electric vehicles and households, but also provide voltage stabilization and storage, such as wind power and solar power generation, and power stored at night during the day. It is also expected as a stationary large storage battery having a large capacity of several KW to several MW, which is used for the purpose of leveling the electric power load. However, in lithium ion batteries, rare metals such as Li, Co, and Ni are used as electrode materials, and the amount existing on the earth, the so-called Clark number, is small. If the demand for lithium ion batteries increases in the future, there is a concern that the unit price will rise further. Is done.

そこで近年、リチウムイオン電池に替わり、Naイオンにより充放電を行うナトリウムイオン電池が研究・開発されており、その電極活物質として複合酸化物やリン酸塩が検討されている。Naイオンはイオン半径がLiイオンと比べて大きいため、たとえば層状構造を有するマンガン複合酸化物の場合、リチウムとの複合酸化物は化合物として不安定であるがナトリウムとの複合酸化物(NaMnO)は化合物として安定であり、ナトリウムイオン電池の電極活物質として好適に用いることができる。一方、ナトリウムを含むリン酸塩の場合は、リチウムを含むリン酸塩においてLiFePOなどで知られるオリビン型の結晶構造よりも、斜方晶のマリサイト型の結晶構造のほうが安定となる。しかし、マリサイト型の結晶構造ではNaイオンの伝導経路がほとんど無いことが一般に知られており、活物質としてはほとんど検討が進んでいない。 In recent years, sodium ion batteries that charge and discharge with Na ions have been researched and developed in place of lithium ion batteries, and complex oxides and phosphates have been studied as electrode active materials. Since Na ions have a larger ionic radius than Li ions, for example, in the case of a manganese composite oxide having a layered structure, a composite oxide with lithium is unstable as a compound, but a composite oxide with sodium (NaMnO 2 ) Is stable as a compound and can be suitably used as an electrode active material for sodium ion batteries. On the other hand, in the case of a phosphate containing sodium, an orthorhombic marisite crystal structure is more stable than a olivine crystal structure known as LiFePO 4 or the like in a phosphate containing lithium. However, it is generally known that there is almost no Na ion conduction path in the marisite crystal structure, and the active material is hardly studied.

ナトリウムを含むリン酸塩については、例えば、特許文献1では、マリサイト型のNaMn(1−x)PO(式中、MはFe、Co、およびNiのいずれかで、xは0≦x≦1である)を正極の活物質として提案している。また、特許文献2では、オリビン型結晶構造のリン酸−遷移金属−ナトリウムを正極の活物質として用いることを提案している。 Regarding a phosphate containing sodium, for example, in Patent Document 1, a marisite-type NaMn x M (1-x) PO 4 (wherein M is any one of Fe, Co, and Ni, and x is 0). ≦ x ≦ 1) is proposed as the positive electrode active material. Patent Document 2 proposes to use phosphoric acid-transition metal-sodium having an olivine type crystal structure as an active material of the positive electrode.

特開2008−260666号公報JP 2008-260666 A 特開2011−034963号公報JP 2011-034963 A

しかしながら、ナトリウムを含むリン酸塩において、斜方晶のマリサイト型の結晶構造(以下、単にマリサイト型構造またはマリサイト型という場合もある)を有するものは上
述のようにNaイオンの伝導経路がほとんど無く、電気化学的にほとんど不活性である(たとえば、K. Zaghib et al. J. Power Sources 2011, 196, 9612-9617を参照)。これは結晶構造に起因する構造的な課題であり、マリサイト型構造を有するナトリウム含有リン酸塩を二次電池の電極に用いる活物質として使用することは難しい。
However, a phosphate containing sodium having an orthorhombic marisite crystal structure (hereinafter sometimes simply referred to as a marisite structure or a marisite type) has a Na ion conduction path as described above. Is almost electrochemically inert (see, for example, K. Zaghib et al. J. Power Sources 2011, 196, 9612-9617). This is a structural problem due to the crystal structure, and it is difficult to use a sodium-containing phosphate having a marisite structure as an active material used for an electrode of a secondary battery.

一方、オリビン型の結晶構造(以下、単にオリビン型構造またはオリビン型という場合もある)を有するナトリウム含有リン酸塩では、マリサイト型構造の場合とは異なり、Naイオンが伝導しやすい構造を有しているため高いイオン伝導度が期待できる。しかし、化学式LiMPO(ただし、Mは遷移金属元素)などで表されるリン酸塩系の活物質は、電子伝導性が低いことが知られており、電極用活物質として用いるためにはリン酸塩の粒子の表面に導電性の被覆などを付与して電子伝導性を補う必要がある。これはナトリウム含有リン酸塩においても同様であり、導電性の被覆としてはカーボンコートなどが用いられる。カーボンコートは一般に高温で処理するほど電子伝導性が向上するが、ナトリウム含有リン酸塩は400℃以上でオリビン型構造からマリサイト型構造に相転移するため(たとえば、K. T. Lee et al. Chem. Mater. 2011, 23, 3593-3600を参照)、オリビン
型構造を維持しつつカーボンコートを行うためには熱処理を400℃以下で行う必要があり、十分な電子伝導性を有するカーボンコートが得られない懸念がある。
On the other hand, a sodium-containing phosphate having an olivine-type crystal structure (hereinafter sometimes referred to simply as an olivine-type structure or an olivine-type) has a structure in which Na ions easily conduct, unlike the case of a marisite-type structure. Therefore, high ionic conductivity can be expected. However, phosphate-based active materials represented by the chemical formula LiMPO 4 (where M is a transition metal element) are known to have low electron conductivity, and are not suitable for use as electrode active materials. It is necessary to supplement the electron conductivity by providing a conductive coating or the like on the surface of the acid salt particles. The same applies to sodium-containing phosphates, and a carbon coat or the like is used as the conductive coating. Carbon coats generally improve their electronic conductivity as they are processed at higher temperatures, but sodium-containing phosphates undergo a phase transition from an olivine-type structure to a marisite-type structure above 400 ° C. (see, for example, KT Lee et al. Chem. Mater. 2011, 23, 3593-3600), in order to perform carbon coating while maintaining the olivine type structure, it is necessary to perform heat treatment at 400 ° C. or less, and a carbon coating having sufficient electron conductivity can be obtained. There is no concern.

本発明は、上記の課題を鑑みてなされたもので、オリビン型の結晶構造を有するナトリウム含有リン酸塩を用い、二次電池の正極として有用な活物質、およびそれを用いた二次電池を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems. An active material useful as a positive electrode of a secondary battery using a sodium-containing phosphate having an olivine type crystal structure, and a secondary battery using the same The purpose is to provide.

本発明の活物質は、遷移金属元素から選ばれる少なくとも1種の元素およびナトリウムを含み、オリビン型の結晶構造を有するリン酸塩と、該リン酸塩の結晶の表面および表面近傍の少なくともいずれかに、Ni、FeおよびMnからなる元素群のうち少なくともいずれか一種を含むリン化物と、を備えることを特徴とする。 The active material of the present invention contains at least one element selected from transition metal elements and sodium, has a olivine-type crystal structure, and at least one of the surface of the phosphate crystal and the vicinity of the surface to, Ni, characterized in that it comprises a phosphorus compound containing at least any one kind of the element group consisting of Fe and Mn.

本発明の二次電池は、正極と、負極と、電解液とを備え、前記正極が上述の活物質を含むことを特徴とする。   The secondary battery of the present invention includes a positive electrode, a negative electrode, and an electrolytic solution, and the positive electrode includes the active material described above.

本発明によれば、オリビン型の結晶構造を有するナトリウム含有リン酸塩を用い、二次電池の正極として有用な活物質、およびそれを用いた二次電池を提供できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the active material useful as a positive electrode of a secondary battery using a sodium containing phosphate which has an olivine type crystal structure, and a secondary battery using the same can be provided.

本発明の一実施形態である二次電池の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the secondary battery which is one Embodiment of this invention. 二次電池の外観を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the external appearance of a secondary battery. 実施例において合成したオリビン型結晶構造を有するNaMnPOのX線回折(XRD)測定結果を示す図である。Is a diagram showing an X-ray diffraction (XRD) measurement results of NaMnPO 4 having synthesized olivine type crystal structure in the examples. 実施例において作製した活物質(試料No.5)の結晶粒子表面の透過型電子顕微鏡(TEM)写真である。It is a transmission electron microscope (TEM) photograph of the crystal particle surface of the active material (sample No. 5) produced in the Example.

本発明の一実施形態である二次電池について、図1に基づいて説明する。本実施形態の二次電池は、正極1と負極3との間に電解質層2を有し、これらは発電要素4を構成している。また、正極1および負極3の電解質層2に面する側とは反対側の面には、それぞれ正極側集電層5Pおよび負極側集電層5Nが設けられている。図1に示した発電要素4を、図2に示すような電池ケースに収納することにより二次電池が形成される。電池ケースの形態はラミネートタイプや円筒型、コイン型、箱型など多種多様であるが、いずれの形
態であっても良い。図2に示す6Pおよび6Nは、それぞれ外部回路と正極1および負極3とを電気的に接続する正極端子および負極端子であり、7は自動車用鉛蓄電池などに使用される箱型タイプのケースである。8は過充電時に電気分解にて発生する水素や酸素を放出するための安全弁である。電解質層2としては、セパレータに電解液を含浸させたものを用いる。
A secondary battery according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The secondary battery of this embodiment has an electrolyte layer 2 between the positive electrode 1 and the negative electrode 3, and these constitute a power generation element 4. Further, on the surface opposite to the side facing the electrolyte layer 2 of the positive electrode 1 and the negative electrode 3, a positive electrode side current collecting layer 5P and a negative electrode side current collecting layer 5N are provided, respectively. A secondary battery is formed by housing the power generation element 4 shown in FIG. 1 in a battery case as shown in FIG. There are various types of battery cases such as a laminate type, a cylindrical type, a coin type, and a box type, but any form may be used. 6P and 6N shown in FIG. 2 are a positive electrode terminal and a negative electrode terminal for electrically connecting the external circuit, the positive electrode 1 and the negative electrode 3, respectively, and 7 is a box type case used for a lead storage battery for automobiles and the like. is there. 8 is a safety valve for releasing hydrogen and oxygen generated by electrolysis during overcharge. As the electrolyte layer 2, a separator impregnated with an electrolytic solution is used.

正極1には、ナトリウムと、遷移金属元素から選ばれる少なくとも1種の元素とを含むリン酸塩(以下、単にナトリウム系リン酸塩ともいう)であって、オリビン型の結晶構造を有する活物質を用いる。リン酸塩は酸素原子を中心にリン原子を各頂点とする四面体構造をとるため、酸素原子とリン原子との結合が強く、酸素を放出しにくいことから安全性の高い材料であるとともに、オリビン型構造のナトリウム系リン酸塩はNaイオンが移動し易い構造を有しているため、マリサイト型構造と比較して高く、安定したイオン伝導性を有する活物質となる。   The positive electrode 1 is a phosphate containing sodium and at least one element selected from transition metal elements (hereinafter also simply referred to as sodium phosphate), and has an olivine type crystal structure Is used. Phosphate is a highly safe material because it has a tetrahedral structure centered on oxygen atoms, with phosphorus atoms at the vertices, so the bonds between oxygen atoms and phosphorus atoms are strong and it is difficult to release oxygen. Since the olivine-type sodium phosphate has a structure in which Na ions easily migrate, it is higher than the marisite structure and becomes an active material having stable ion conductivity.

また、本実施形態では、オリビン型構造を有するナトリウム系リン酸塩の結晶の表面および表面近傍の少なくともいずれかに、Fe、NiおよびMnからなる元素群のうち少なくともいずれか1種と、Pとを含む金属化合物を備えている。ナトリウム系リン酸塩は電子伝導性が低いため、オリビン型構造を有するものであっても、表面に導電性被覆を有していない状態では活物質として使用するのは困難である。そのため、オリビン型構造を有するナトリウム系リン酸塩の結晶の表面および表面近傍の少なくともいずれかに、Fe、NiおよびMnからなる元素群のうち少なくともいずれか1種と、Pとを含む金属化合物のような電子伝導性を有する物質が存在することにより、活物質であるオリビン型構造を有するナトリウム系リン酸塩の電子伝導性の低さが補われ、二次電池の正極活物質として用いることができる。その中でも、NiP、FeP、MnP(n=1〜3)等の遷移金属リン化物は電子伝導性が高く、電気化学的にも安定であることから特に好ましい。 In the present embodiment, at least one of the element group consisting of Fe, Ni, and Mn, at least one of the surface of the sodium phosphate crystal having an olivine structure and the vicinity of the surface, P, The metal compound containing is provided. Since sodium phosphate has low electronic conductivity, even if it has an olivine structure, it is difficult to use it as an active material in a state where the surface does not have a conductive coating. Therefore, a metal compound containing P and at least one element group consisting of Fe, Ni, and Mn on at least one of the surface of the sodium phosphate crystal having an olivine structure and the vicinity of the surface. The presence of such an electron-conducting substance compensates for the low electronic conductivity of the sodium phosphate having an olivine structure, which is an active material, and can be used as a positive electrode active material for a secondary battery. it can. Among these, transition metal phosphides such as Ni n P, Fe n P, and Mn n P (n = 1 to 3) are particularly preferable because they have high electron conductivity and are electrochemically stable.

また、オリビン型構造を有するナトリウム系リン酸塩の結晶の表面に、さらに炭素を含む被覆層を形成しても良い。この被覆層は、Fe、NiおよびMnからなる元素群のうち少なくともいずれか1種とPとの金属化合物(以下、単に遷移金属リン化物という場合もある)の上に設けられたものであってもよいし、この金属化合物と炭素との混合物であってもよい。これにより、オリビン型構造を有するナトリウム系リン酸塩の結晶の表面における電子伝導性をさらに高めることができる。たとえば、オリビン型構造を有するナトリウム系リン酸塩の結晶の表面および表面近傍に形成される遷移金属リン化物の量は、熱処理温度が高いほど多くなるが、ナトリウム系リン酸塩においてオリビン型構造が安定な温度が400℃以下と低いことから、オリビン型構造の維持が可能な温度の熱処理では十分な遷移金属リン化物が形成できなかった場合でも、炭素を含む被覆層を形成することにより、活物質間において十分な電子伝導性を得ることができる。   Further, a coating layer further containing carbon may be formed on the surface of the sodium phosphate crystal having an olivine structure. This coating layer is provided on a metal compound of P and at least any one element group consisting of Fe, Ni, and Mn (hereinafter sometimes simply referred to as transition metal phosphide). Alternatively, it may be a mixture of this metal compound and carbon. Thereby, the electronic conductivity in the surface of the crystal | crystallization of the sodium-type phosphate which has an olivine type structure can further be improved. For example, the amount of transition metal phosphide formed on and near the surface of a sodium phosphate crystal having an olivine structure increases as the heat treatment temperature increases. Since the stable temperature is as low as 400 ° C. or lower, even when a sufficient transition metal phosphide cannot be formed by heat treatment at a temperature capable of maintaining the olivine structure, an active layer is formed by forming a coating layer containing carbon. Sufficient electronic conductivity can be obtained between materials.

なお、被覆層に含まれる炭素は、電気化学的に安定なアセチレンブラック、ケッチェンブラック、黒鉛、グラファイトなどを主体とするものであることが好ましい。また、炭素を含む被覆層は、オリビン型構造を有するナトリウム系リン酸塩の結晶の表面全てを覆っている必要はなく、たとえば表面の1%以上を覆っていればよい。このように、オリビン型構造を有するナトリウム系リン酸塩の結晶の表面の1%以上が炭素を含む被覆層に覆われていることにより、これを正極活物質として用いた際に、活物質間における電子伝導性をより向上することができる。   The carbon contained in the coating layer is preferably mainly composed of electrochemically stable acetylene black, ketjen black, graphite, graphite and the like. The coating layer containing carbon does not need to cover the entire surface of the sodium phosphate crystal having an olivine structure, and may cover, for example, 1% or more of the surface. Thus, when 1% or more of the surface of the sodium phosphate crystal having an olivine structure is covered with a coating layer containing carbon, when this is used as a positive electrode active material, The electron conductivity in can be further improved.

炭素を含む被覆層の平均厚さは、1〜100nmの範囲であることが好ましい。100nmよりも厚くなると、活物質と電解質との間のイオン伝導性が低下し、1nmよりも薄い場合は、炭素を含む被覆層による活物質間の電子伝導性の向上効果が充分に得られない場合がある。   The average thickness of the coating layer containing carbon is preferably in the range of 1 to 100 nm. When the thickness is greater than 100 nm, the ionic conductivity between the active material and the electrolyte is reduced. When the thickness is less than 1 nm, the effect of improving the electronic conductivity between the active materials by the coating layer containing carbon cannot be sufficiently obtained. There is a case.

なお、オリビン型構造を有するナトリウム系リン酸塩の表面または表面近傍に電子伝導性を有する物質が存在することは、ナイキストプロットなどのインピーダンス測定法により確認できる。また、オリビン型構造を有するナトリウム系リン酸塩の表面または表面近傍に存在する物質の種類は、エネルギー分散X線分光法(EDS)により確認できる。炭素を含む被覆層については、透過型電子顕微鏡(TEM)およびエネルギー分散型X線分光(EDS)により確認できる。また、炭素を含む被覆層の厚さは、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて確認すればよい。たとえば電極の断面におけるオリビン型構造を有するナトリウム系リン酸塩の断面写真をTEMにて撮影し、炭素を含む被覆層をEDSにより判別して、その厚さを測定する。炭素を含む被覆層の平均厚さとしては、たとえば5箇所の厚さを測定してその平均値を算出すればよい。   In addition, it can be confirmed by the impedance measurement method such as the Nyquist plot that the substance having electron conductivity exists on the surface of the sodium phosphate having the olivine structure or in the vicinity of the surface. Moreover, the kind of substance which exists in the surface of sodium-type phosphate which has an olivine type structure, or the surface vicinity can be confirmed by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS). The coating layer containing carbon can be confirmed by a transmission electron microscope (TEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS). Moreover, what is necessary is just to confirm the thickness of the coating layer containing carbon using a transmission electron microscope (TEM). For example, a cross-sectional photograph of a sodium phosphate having an olivine structure in the cross section of the electrode is taken with a TEM, a coating layer containing carbon is discriminated by EDS, and its thickness is measured. As the average thickness of the coating layer containing carbon, for example, the thickness may be measured at five locations and the average value may be calculated.

活物質の組成は、ICP発光分光分析などにより確認できる。また、活物質の結晶構造は、X線回折(XRD)測定により得られた回折プロファイルから結晶相を同定することで確認できる。   The composition of the active material can be confirmed by ICP emission spectral analysis or the like. The crystal structure of the active material can be confirmed by identifying the crystal phase from the diffraction profile obtained by X-ray diffraction (XRD) measurement.

このような活物質の製法について説明する。二次電池の電極に用いられる複合酸化物やリン酸塩などの活物質は、通常、固相法により合成することができるが、上述の様にオリビン型構造を有するナトリウム系リン酸塩は、400℃以上で熱処理すると熱力学的に安定なマリサイト型構造に相転移するため、一般的な固相反応により作製することはできない。   A method for producing such an active material will be described. Active materials such as complex oxides and phosphates used for electrodes of secondary batteries can be usually synthesized by a solid phase method, but sodium phosphates having an olivine type structure as described above are When heat treatment is performed at 400 ° C. or higher, the phase transition to a thermodynamically stable marisite structure cannot be made by a general solid phase reaction.

したがって、オリビン型構造を有するナトリウム系リン酸塩を作製する場合は、オリビン型構造が熱力学的に安定となるリチウム系リン酸塩から、電気化学的にLiイオンを脱離させた後にNaイオンを挿入する方法(たとえば、 K. Zaghib et al. J. Power Sources 2011, 196, 9612-9617 を参照)や、中間体を経由した2段階合成(たとえば、 K. T.
Lee et al. Chem. Mater. 2011, 23, 3593-3600 を参照)などの方法を用いる。
Accordingly, when preparing a sodium phosphate having an olivine structure, Na ions are obtained after electrochemically desorbing Li ions from a lithium phosphate in which the olivine structure is thermodynamically stable. (See, for example, K. Zaghib et al. J. Power Sources 2011, 196, 9612-9617) or two-step synthesis via intermediates (eg, KT
Lee et al. Chem. Mater. 2011, 23, 3593-3600).

ここでは、一例として、中間体を経由してオリビン型構造を有するナトリウム系リン酸塩を合成する方法について説明する。まず、リン酸三アンモニウム、硫酸マンガン(II)五水和物、硫酸鉄(II)七水和物、硫酸ニッケル(II)六水和物およびポリエチレングリコール400を素原料として用いて、これらを所望の比率で混合した後、40〜60℃の低温で反応させ、中間体のリン酸アンモニウム化合物を合成する。次に、得られたリン酸アンモニウム化合物と酢酸ナトリウムとを混合し、80〜100℃で熱処理して反応させることにより、オリビン型構造を有するナトリウム系リン酸塩の結晶を得ることができる。   Here, as an example, a method for synthesizing a sodium phosphate having an olivine structure via an intermediate will be described. First, using triammonium phosphate, manganese (II) sulfate pentahydrate, iron (II) sulfate heptahydrate, nickel (II) sulfate hexahydrate and polyethylene glycol 400 as raw materials, these are desired. Then, the mixture is reacted at a low temperature of 40 to 60 ° C. to synthesize an intermediate ammonium phosphate compound. Next, the obtained ammonium phosphate compound and sodium acetate are mixed and subjected to a heat treatment at 80 to 100 ° C., whereby a sodium phosphate crystal having an olivine structure can be obtained.

得られたオリビン型構造を有するナトリウム系リン酸塩の結晶は、必要に応じボールミルやビーズミル等の手法により粉砕するなどして粒度調整を行ってもよい。粒度調整を行う場合、オリビン型構造を有するナトリウム系リン酸塩の粉末の平均粒径を例えば0.5〜1.0μmとすることにより、高出力に対応することができる。粉末の平均粒径は、たとえば回折散乱法による粒度分布測定などにより確認できる。   The obtained sodium phosphate crystals having an olivine type structure may be adjusted in particle size by pulverization by a technique such as a ball mill or a bead mill, if necessary. When adjusting the particle size, the average particle size of the sodium phosphate powder having an olivine structure can be set to 0.5 to 1.0 μm, for example, so that high output can be handled. The average particle size of the powder can be confirmed by, for example, particle size distribution measurement by a diffraction scattering method.

得られたオリビン型構造を有するナトリウム系リン酸塩の結晶の表面に、Ni、FeおよびMnからなる元素群のうち少なくともいずれか一種と、Pとを含む金属化合物を形成するには、たとえば、CVDやスパッタ、蒸着などの方法を用いればよい。   In order to form a metal compound containing P and at least one of element groups consisting of Ni, Fe and Mn on the surface of the obtained sodium phosphate crystal having an olivine structure, for example, A method such as CVD, sputtering, or vapor deposition may be used.

また、ナトリウム系リン酸塩を構成する元素を利用して、その結晶の表面、あるいは表面近傍にPを含む金属化合物を形成することもできる。例えば、得られたナトリウム系リン酸塩を非酸化性雰囲気中で400℃以下の温度で熱処理することにより、ナトリウム系
リン酸塩の結晶粒子の表面または表面近傍において、ナトリウム系リン酸塩を構成する元素を起源として分解反応によりPを含む金属化合物が形成される。また、上述のナトリウム系リン酸塩の合成時に、熱処理を非酸化性雰囲気中で行ってもよく、この場合、より容易にナトリウム系リン酸塩の結晶の表面または表面近傍にPを含む金属化合物を形成することができる。
In addition, a metal compound containing P can be formed on the surface of the crystal or in the vicinity of the surface by using an element constituting sodium phosphate. For example, the obtained sodium phosphate is heat-treated in a non-oxidizing atmosphere at a temperature of 400 ° C. or lower to form sodium phosphate on or near the surface of crystal grains of sodium phosphate. As a result, a metal compound containing P is formed by a decomposition reaction originating from the element to be formed. Further, during the synthesis of the sodium phosphate, the heat treatment may be performed in a non-oxidizing atmosphere. In this case, a metal compound containing P more easily on the surface of the sodium phosphate crystal or in the vicinity thereof. Can be formed.

なお、同様な手法でナトリウム系リン酸塩の構成元素として含まれていない金属の化合物を形成することもできる。例えば、NaMnPOの結晶粒子の表面にNiとPとの金属化合物を形成する場合は、NaMnPOの結晶粒子の表面にNi化合物(たとえばNi(NOなど)を付着させ、非酸化性雰囲気中で熱処理すればよい。 In addition, the metal compound which is not contained as a structural element of sodium-type phosphate can also be formed with the same method. For example, when forming a metal compound of Ni and P on the surface of the crystal grains of NaMnPO 4 is, Ni compounds on the surface of the crystal grains of NaMnPO 4 (e.g. Ni (NO 3) 2, etc.) depositing a non-oxidizing Heat treatment may be performed in an atmosphere.

オリビン型構造を有するナトリウム系リン酸塩の結晶の表面に、さらに炭素を含む被覆層を形成する場合は、結晶表面に金属化合物が形成されたリン酸塩の粉末と、PVAやフェノール樹脂などの炭素源とを、ボールミルなどの周知の方法で混合し、非酸化性雰囲気中で400℃以下の温度で熱処理することで形成できる。また、結晶表面に金属化合物を形成していないリン酸塩の粉末を、炭素源と混合して非酸化性雰囲気中で400℃以下の温度で熱処理することで、金属化合物と炭素を含む被覆層とを同時に形成することもできる。   When a coating layer containing carbon is further formed on the surface of a sodium phosphate crystal having an olivine structure, a phosphate powder in which a metal compound is formed on the crystal surface, PVA, a phenol resin, etc. It can be formed by mixing a carbon source with a known method such as a ball mill and heat-treating it at a temperature of 400 ° C. or lower in a non-oxidizing atmosphere. Moreover, the coating layer containing a metal compound and carbon is obtained by mixing a powder of a phosphate not forming a metal compound on the crystal surface with a carbon source and heat-treating it in a non-oxidizing atmosphere at a temperature of 400 ° C. or lower. Can be formed simultaneously.

このようにして得られた、電子伝導性を有する金属化合物、および炭素を含む被覆層を備えるナトリウム系リン酸塩を用いて電極を作製する。例えば、活物質としてナトリウム系リン酸塩を70質量%、導電助剤としてアセチレンブラックを25質量%およびバインダーとしてポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を5質量%に、さらに溶媒として水を添加してスラリーを作製する。作製したスラリーを、ドクターブレード法やロールプレスなどの周知の成形法により、例えばTi箔上に塗布し溶剤を乾燥することで、本実施形態の活物質と導電助剤と結着剤(バインダー)を含む電極を作製できる。   An electrode is produced using the sodium-type phosphate provided with the coating layer containing the metal compound which has electronic conductivity, and carbon obtained in this way. For example, 70% by mass of sodium phosphate as an active material, 25% by mass of acetylene black as a conductive additive, 5% by mass of polytetrafluoroethylene (PTFE) as a binder, and water as a solvent are added to form a slurry. Is made. The produced slurry is applied onto a Ti foil, for example, by a known molding method such as a doctor blade method or a roll press, and the solvent is dried, so that the active material, conductive auxiliary agent, and binder (binder) of this embodiment are used. Can be produced.

バインダーは、ポリテトラフルオロエチレン以外にも、たとえばポリフッ化ビニリデン(PVDF)、フッ素系ゴム、スチレンブタジエンゴム、ポリイミド樹脂(PI)、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂など、用途によって適したものを選んで使用できる。また、導電助剤も、アセチレンブラックの代わりにケッチェンブラックやカーボンナノチューブ、黒鉛、ハードカーボン、金属(Ni、金、白金など)の粉末、無機導電性酸化物(酸化インジウムスズ(ITO)ガラス、酸化スズなど)など、使用電圧範囲において化学的に安定で電子伝導性を示すものであればその材料はいずれでも良い。   In addition to polytetrafluoroethylene, a binder selected according to the application, such as polyvinylidene fluoride (PVDF), fluorine rubber, styrene butadiene rubber, polyimide resin (PI), polyamide resin, polyamideimide resin, etc. is used. it can. Also, the conductive auxiliary agent is ketjen black, carbon nanotube, graphite, hard carbon, metal (Ni, gold, platinum, etc.) powder instead of acetylene black, inorganic conductive oxide (indium tin oxide (ITO) glass, Any material may be used as long as it is chemically stable and exhibits electron conductivity in the operating voltage range, such as tin oxide.

また、得られたナトリウム系リン酸塩の粉末を用いて、押し出し成形やロールコンパクション法などの成形法によって圧粉体を作製し、電極を形成してもよい。   Alternatively, the obtained sodium phosphate powder may be used to form an electrode by forming a green compact by a molding method such as extrusion molding or a roll compaction method.

電極中における活物質の粒子の平均粒径は、これを用いる二次電池の電圧範囲や温度などの使用条件に応じて、適正な範囲を選んで調整すればよいが、たとえば、5〜10μmであることが好ましい。活物質粒子の平均粒径が小さすぎると、高出力に対応できるが、電解液との接触面積が大きくなるため、使用条件によっては劣化が早く起こりやすい場合がある。また、テープ成形自体も困難になる。一方、粒子が大きすぎると、テープ成形において突起物が形成されることがあり、電池の出力応答が低下する懸念がある。電極中における活物質の粒子の平均粒径は、たとえば電極の断面において、走査型電子顕微鏡(SEM)と波長分散型X線分析(WDS)により活物質の粒子を判別し、撮影した写真を画像解析して算出するなどして求めることができる。   The average particle size of the active material particles in the electrode may be adjusted by selecting an appropriate range according to the use conditions such as the voltage range and temperature of the secondary battery using the active material. Preferably there is. If the average particle size of the active material particles is too small, it can cope with high output, but the contact area with the electrolytic solution becomes large, so that deterioration may easily occur depending on use conditions. Also, the tape molding itself becomes difficult. On the other hand, if the particles are too large, protrusions may be formed in the tape molding, and there is a concern that the output response of the battery is lowered. The average particle diameter of the active material particles in the electrode is determined by, for example, distinguishing the active material particles in the cross section of the electrode using a scanning electron microscope (SEM) and wavelength dispersive X-ray analysis (WDS), and taking a photograph. It can be obtained by analyzing and calculating.

電解質層2としては、セパレータに電解液を含浸させたものを用いる。電解液を含浸させるセパレータには、イオンを通し、かつ正負極のショートを防止することが求められる
。具体的には、ポリオレフィン繊維性の不織布やポリオレフィン製の微多孔膜、ガラスフィルター、セラミックの多孔質材料などを用いることができる。ここで、ポリオレフィンとしてはポリエチレン、ポリプロピレンを挙げることができ、一般的にリチウムイオン電池などの二次電池に用いられるセパレータが適用可能である。
As the electrolyte layer 2, a separator impregnated with an electrolytic solution is used. The separator impregnated with the electrolytic solution is required to pass ions and prevent positive and negative electrodes from being short-circuited. Specifically, a polyolefin fibrous nonwoven fabric, a polyolefin microporous film, a glass filter, a ceramic porous material, or the like can be used. Here, examples of the polyolefin include polyethylene and polypropylene, and a separator generally used for a secondary battery such as a lithium ion battery is applicable.

電解液としては、水系電解液を用いることが好ましい。水系電解液は、有機電解液と比較して電解液自体のイオン伝導率が高いため、より良好な充放電特性が期待できる。また、水系電解液を用いた二次電池の場合は、有機溶剤を用いた有機電解液とは異なり引火の危険がなく、安全性に優れているという利点もある。   As the electrolytic solution, an aqueous electrolytic solution is preferably used. Since the aqueous electrolyte has a higher ionic conductivity than the organic electrolyte, better charge / discharge characteristics can be expected. In addition, in the case of a secondary battery using an aqueous electrolyte, unlike an organic electrolyte using an organic solvent, there is an advantage that there is no danger of ignition and excellent safety.

水系電解液を用いた二次電池の場合、正極活物質は水が電気分解する電位である3.9Vより卑な電位で充電できるものである必要がある。これは、水が電気分解する電位、すなわちpHが7の場合に酸素が発生する電位が、標準水素電極に対して+0.82V(ネルンストの式から)となり、これはNaの酸化還元電位であるNa/Naの電位差に換算すると3.5Vであり、電圧分を考慮しても3.9V程度となるためである。 In the case of a secondary battery using an aqueous electrolyte, the positive electrode active material needs to be able to be charged at a potential lower than 3.9 V, which is a potential at which water is electrolyzed. This is because the potential at which water is electrolyzed, that is, the potential at which oxygen is generated when the pH is 7, is +0.82 V (from the Nernst equation) with respect to the standard hydrogen electrode, which is the redox potential of Na. This is because it is 3.5 V when converted to the potential difference of Na / Na + and is about 3.9 V even if the voltage is taken into consideration.

化学式NaMPO(ただし、Mは遷移金属元素)で表されるNa系リン酸塩において、3.9Vより卑な電位で充電可能なものとしては、遷移金属元素Mとして、MnやFeを用いたものが挙げられる。特に、MnをMとして用いた場合は、充電電位が水の電気分解電位に近く、高電圧が得られるため好ましい。なお、CoやNiなどをMとして用いた場合は、充電可能な電位が4.2V以上となり、水の電気分解電位よりも高い、すなわち、水が電気分解しない範囲の電位では充電できないため、水系電解液を用いたナトリウムイオン電池に用いる活物質としては使用できない。 In the Na-based phosphate represented by the chemical formula NaMPO 4 (where M is a transition metal element), Mn and Fe were used as the transition metal element M as those that can be charged at a base potential lower than 3.9 V. Things. In particular, when Mn is used as M, the charging potential is close to the electrolysis potential of water and a high voltage is obtained, which is preferable. When Co, Ni, or the like is used as M, the chargeable potential is 4.2 V or higher, which is higher than the electrolysis potential of water, that is, cannot be charged at a potential in a range where water is not electrolyzed. It cannot be used as an active material used for a sodium ion battery using an electrolytic solution.

水系電解液としては、たとえば1〜2mol/Lの硫酸ナトリウム水溶液を用いればよ
い。電解質としては、硫酸ナトリウム、硝酸ナトリウム、塩化ナトリウムの他に、硫酸リチウム、硝酸リチウム、塩化リチウムなどを用いてもよく、水に溶解するナトリウム塩およびリチウム塩であればいずれも使用することができる。このように、本実施形態の活物質は、水溶液を電解液として用いた水系二次電池の正極用として用いることで、安全性に優れた二次電池とすることができる。
As the aqueous electrolyte, for example, a 1-2 mol / L sodium sulfate aqueous solution may be used. As the electrolyte, in addition to sodium sulfate, sodium nitrate, and sodium chloride, lithium sulfate, lithium nitrate, lithium chloride, and the like may be used, and any sodium salt and lithium salt that dissolves in water can be used. . Thus, the active material of this embodiment can be used as a secondary battery excellent in safety by using it as a positive electrode for an aqueous secondary battery using an aqueous solution as an electrolyte.

負極3に用いる活物質としては、たとえば、活性炭やNaTi(PO、LiTi(PO、Tiなどを用いることができる。特に、NaTi(POおよびLiTi(POのいずれかを用いることで高いエネルギー密度を有する二次電池とすることができる。 As the active material used for the negative electrode 3, for example, activated carbon, NaTi 2 (PO 4 ) 3 , LiTi 2 (PO 4 ) 3 , Ti 2 P 2 O 7 or the like can be used. In particular, a secondary battery having a high energy density can be obtained by using any one of NaTi 2 (PO 4 ) 3 and LiTi 2 (PO 4 ) 3 .

正極側集電層5Pには、正極の電位において溶解や酸素の発生がない、耐食性を有する材料を用いればよい。このような材料としては、たとえば、ニッケル、チタン、ステンレス、金、白金、グラファイトシートなどが挙げられる。その中でもチタン、ニッケルは容易に入手でき、コスト的にも比較的入手しやすい価格であることから好ましい。特にチタンは貴な電位においても耐食性に優れる点から好ましい。   For the positive current collecting layer 5P, a material having no corrosion and no generation of oxygen at the potential of the positive electrode may be used. Examples of such a material include nickel, titanium, stainless steel, gold, platinum, and a graphite sheet. Among these, titanium and nickel are preferable because they are readily available and are relatively easily available in terms of cost. In particular, titanium is preferable because it is excellent in corrosion resistance even at a noble potential.

負極側集電層5Nには、負極の電位において、Naとの合金化などの副反応が発生しない材料を用いればよい。このような材料としては、たとえば、ニッケル、チタン、ステンレス等を含む金属材料や合金、黒鉛、ハードカーボン、ガラス状炭素等の炭素質材料などが挙げられる。特に、導電性が高く比較的安価な点から、チタンまたはニッケルを用いることが好ましい。   A material that does not cause side reactions such as alloying with Na at the potential of the negative electrode may be used for the negative current collecting layer 5N. Examples of such materials include metal materials and alloys including nickel, titanium, stainless steel and the like, carbonaceous materials such as graphite, hard carbon, and glassy carbon. In particular, it is preferable to use titanium or nickel from the viewpoint of high conductivity and relatively low cost.

正極側集電層5Pおよび負極側集電層5Nは、これらの金属材料からなる金属箔やメッシュを用いてもよいし、金属材料、炭素質材料またはITOガラスや酸化すずなどの無機
導電性酸化物材料などをフィラーとした導電性インクなどを電極材料表面に塗布し、乾燥させたものを用いてもよい。
The positive electrode side current collecting layer 5P and the negative electrode side current collecting layer 5N may use a metal foil or mesh made of these metal materials, or an inorganic conductive oxide such as a metal material, a carbonaceous material, ITO glass or tin oxide. A conductive ink or the like using a material material as a filler may be applied to the electrode material surface and dried.

なお、金属箔またはメッシュを用いる場合、その厚みは5〜40μmとすることが好ましい。また、金属箔を使用する場合は、電極材料との接着力向上のために、金属箔の表面を粗面化処理したものを用いてもよい。この場合、金属箔の表面粗さは、算術平均粗さ(Ra)にして0.5〜2μmであることが好ましい。金属箔の表面粗さは、触針式、光干渉式等の表面粗さ計や、レーザー顕微鏡、原子間力顕微鏡(AFM)等を用いて測定する。一般的に使用される触針式表面粗さ計を用いる場合は、JIS B0601に基づいて、たとえば、触針先端径を2μm、測定長を4.8mm、カットオフ値を0.8mmという条件で測定すればよい。   In addition, when using metal foil or a mesh, it is preferable that the thickness shall be 5-40 micrometers. Moreover, when using metal foil, you may use what roughened the surface of metal foil in order to improve the adhesive force with electrode material. In this case, the surface roughness of the metal foil is preferably 0.5 to 2 μm in terms of arithmetic average roughness (Ra). The surface roughness of the metal foil is measured using a surface roughness meter such as a stylus type or a light interference type, a laser microscope, an atomic force microscope (AFM), or the like. When using a stylus-type surface roughness meter that is generally used, based on JIS B0601, for example, on the condition that the stylus tip diameter is 2 μm, the measurement length is 4.8 mm, and the cutoff value is 0.8 mm Just measure.

以上、本実施形態の二次電池について説明したが、本発明は本実施形態に限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲で種々変更したものにも適用することができる。   The secondary battery of the present embodiment has been described above, but the present invention is not limited to the present embodiment, and can be applied to various modifications without departing from the present invention.

以下、本発明の二次電池について、実施例に基づき詳細に説明する。まず、正極活物質となる、遷移金属を含むオリビン型ナトリウム系リン酸塩を、中間体を経由した2段階合成の手法により合成した。素原料として、リン酸三アンモニウム三水和物(関東化学製)、硫酸マンガン(II)五水和物(関東化学製)、硫酸鉄(II)七水和物(関東化学製)、ポリエチレングリコール400(和光純薬製)および酢酸ナトリウム三水和物(関東化学製)を使用した。   Hereinafter, the secondary battery of this invention is demonstrated in detail based on an Example. First, an olivine-type sodium phosphate containing a transition metal, which becomes a positive electrode active material, was synthesized by a two-step synthesis method via an intermediate. As raw materials, triammonium phosphate trihydrate (manufactured by Kanto Chemical), manganese (II) sulfate pentahydrate (manufactured by Kanto Chemical), iron (II) sulfate heptahydrate (manufactured by Kanto Chemical), polyethylene glycol 400 (manufactured by Wako Pure Chemical Industries) and sodium acetate trihydrate (manufactured by Kanto Chemical) were used.

まず、リン酸三アンモニウム三水和物と、硫酸マンガン(II)五水和物および硫酸鉄(II)七水和物とを、リン酸と表1に示す遷移金属とが1:1当量比となるように配合し、さらに、リン酸三アンモニウム三水和物に対して40質量%のポリエチレングリコール400を添加して乳鉢で混合した。混合物を40℃で48時間静置した後、水洗して乾燥することにより、中間体の粉末を得た。得られた粉末は、CuKα線を用いたX線回折(XRD)測定および元素分析(ICP発光分光分析)によりリン酸アンモニウム化合物の水和物であることを確認した。   First, triammonium phosphate trihydrate, manganese sulfate (II) pentahydrate and iron (II) sulfate heptahydrate, and 1: 1 equivalent ratio of phosphoric acid to the transition metal shown in Table 1 Further, 40% by mass of polyethylene glycol 400 was added to triammonium phosphate trihydrate and mixed in a mortar. The mixture was allowed to stand at 40 ° C. for 48 hours, then washed with water and dried to obtain an intermediate powder. The obtained powder was confirmed to be a hydrate of an ammonium phosphate compound by X-ray diffraction (XRD) measurement using CuKα rays and elemental analysis (ICP emission spectroscopic analysis).

次に、得られた中間体の粉末と、酢酸ナトリウム三水和物とを、リン酸とナトリウムとが1:3当量比となるように配合して乳鉢で混合した後、100℃で48時間静置し、反応させた。得られた塊状の固体を水洗して乾燥した後、窒素雰囲気中において400℃で1時間の熱処理を行い、ナトリウム系リン酸塩を得た。得られたナトリウム系リン酸塩は、CuKα線を用いたX線回折(XRD)測定により結晶構造を確認し、結果を表1に示した。一例として、合成したオリビン型リン酸マンガンナトリウム(NaMnPO)のX線回折(XRD)測定結果を図3に示す。 Next, the obtained intermediate powder and sodium acetate trihydrate were mixed so that phosphoric acid and sodium were in a 1: 3 equivalent ratio and mixed in a mortar, and then at 100 ° C. for 48 hours. Let stand and react. The obtained massive solid was washed with water and dried, and then heat-treated at 400 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere to obtain sodium phosphate. The obtained sodium phosphate confirmed the crystal structure by X-ray diffraction (XRD) measurement using CuKα rays, and the results are shown in Table 1. As an example, the X-ray diffraction (XRD) measurement result of the synthesized olivine type sodium manganese phosphate (NaMnPO 4 ) is shown in FIG.

得られたナトリウム系リン酸塩の結晶粒子の表面または表面近傍に、NiまたはFeと、Pとを含む金属化合物を形成する処理は、以下のように行った。まず、得られたナトリウム系リン酸塩を、IPAを溶媒とし、ZrOボールを粉砕メディアとして使用して遊星ミルで2時間粉砕した。粉砕したナトリウム系リン酸塩の粉末を、エタノールに溶解したNi(NOまたはFeCl(いずれも関東化学製)と混合し、超音波洗浄装置を用いて混合溶液の超音波分散を10分間行い、懸濁液を作製した。この時、Ni(NOまたはFeClが、ナトリウム系リン酸塩に対して質量比にして0.08〜0.12となるように調整した。この懸濁液を、90℃で1時間乾燥することで、Ni(NOまたはFeClが結晶粒子の表面に付加されたナトリウム系リン酸塩の粉末を得た。 The treatment for forming a metal compound containing Ni or Fe and P on or near the surface of the obtained sodium phosphate crystal particles was performed as follows. First, the obtained sodium phosphate was pulverized in a planetary mill for 2 hours using IPA as a solvent and ZrO 2 balls as pulverization media. The ground sodium phosphate powder is mixed with Ni (NO 3 ) 2 or FeCl 3 (both manufactured by Kanto Chemical) dissolved in ethanol, and ultrasonic dispersion of the mixed solution is performed using an ultrasonic cleaning device. The suspension was made for a minute. At this time, the mass ratio of Ni (NO 3 ) 2 or FeCl 3 was adjusted to 0.08 to 0.12 with respect to the sodium phosphate. This suspension was dried at 90 ° C. for 1 hour to obtain a sodium phosphate powder in which Ni (NO 3 ) 2 or FeCl 3 was added to the surface of the crystal particles.

得られた粉末を、12%のHを含む窒素雰囲気中、400℃(昇温速度:300℃/h)で1時間の熱処理を行った。熱処理後の粉末を、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて観察した結果、結晶粒子の表面に微粒子が付着していることを確認した。一例として、試料No.5の透過型電子顕微鏡(TEM)写真を図4に示す。 The obtained powder was heat-treated at 400 ° C. (temperature increase rate: 300 ° C./h) for 1 hour in a nitrogen atmosphere containing 12% H 2 . As a result of observing the heat-treated powder using a transmission electron microscope (TEM), it was confirmed that fine particles were adhered to the surface of the crystal particles. As an example, sample no. A transmission electron microscope (TEM) photograph of No. 5 is shown in FIG.

また図4に図示した#1〜#5の測定箇所において、エネルギー分散X線分光法(EDS)により元素分析を行った結果、結晶粒子表面に存在する微粒子(#2、#4)は、他の領域(#1、#3)よりも酸素の検出量が少なかったことから、金属化合物が形成されていると考えられる。なお、結晶粒子表面に見られるやや大きい粒子(#5)からはZrが多く検出されており、粉砕時に使用したZrOボールを起源とするものと考えられる。各試料の結晶粒子の表面に微粒子が存在するか否か、およびその構成元素を表2に示す。 In addition, as a result of elemental analysis by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) at the measurement points # 1 to # 5 illustrated in FIG. 4, fine particles (# 2, # 4) existing on the crystal particle surface are Since the detected amount of oxygen was smaller than that in the regions (# 1, # 3), it is considered that a metal compound was formed. Note that a large amount of Zr was detected from the slightly larger particles (# 5) seen on the surface of the crystal particles, which is considered to originate from the ZrO 2 balls used during pulverization. Table 2 shows whether or not fine particles are present on the surface of the crystal grains of each sample and the constituent elements.

得られたナトリウム系リン酸塩の結晶粒子の表面に炭素を含む被覆層を形成する処理は、以下のようにして行った。まず、炭素を含む被覆層の炭素源として、ポリビニルアルコールまたはクエン酸を用いた。炭素源は、熱処理後の被覆層に含まれる炭素量がナトリウム系リン酸塩に対して3質量%となるように配合し、さらに適量の蒸留水を加え、加熱しながら乳鉢で混合した。混合粉末を12%のHを含む窒素雰囲気中、400℃(昇温速度:300℃/h)で1時間の熱処理を行った。作製した粉末の結晶粒子の表面に炭素が存在するか否かは、透過型電子顕微鏡(TEM)およびエネルギー分散型X線分光(EDS)により確認し、結果を表2に示した。 The treatment for forming a coating layer containing carbon on the surface of the obtained sodium phosphate crystal particles was performed as follows. First, polyvinyl alcohol or citric acid was used as a carbon source for the coating layer containing carbon. The carbon source was blended so that the amount of carbon contained in the coating layer after the heat treatment was 3% by mass with respect to the sodium phosphate, and an appropriate amount of distilled water was added and mixed in a mortar while heating. The mixed powder was heat-treated at 400 ° C. (heating rate: 300 ° C./h) for 1 hour in a nitrogen atmosphere containing 12% H 2 . Whether or not carbon is present on the surface of the produced powder crystal particles was confirmed by a transmission electron microscope (TEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS). The results are shown in Table 2.

なお、金属化合物の形成と、炭素を含む被覆層の形成とは、一度の熱処理で同時に行ってもよい。   Note that the formation of the metal compound and the formation of the coating layer containing carbon may be simultaneously performed by a single heat treatment.

作製した粉末を用いて、ナトリウム系リン酸塩が70質量%、導電助剤としてアセチレンブラックが25質量%、およびバインダーとしてポリテトラフルオロエチレンが5質量%となるように配合・混合し、ロールプレスにより厚さが200μmのシート状に成形した後、直径15mmの円板状に加工して正極とした。なお、ポリテトラフルオロエチレンは、あらかじめ水に60質量%の固形分濃度で分散したものを用いた。   Using the prepared powder, a sodium press is mixed and mixed so that 70% by mass of phosphine, 25% by mass of acetylene black as a conductive auxiliary agent, and 5% by mass of polytetrafluoroethylene as a binder. Was formed into a sheet shape having a thickness of 200 μm, and then processed into a disk shape having a diameter of 15 mm to obtain a positive electrode. The polytetrafluoroethylene used was previously dispersed in water at a solid content concentration of 60% by mass.

負極は次のような方法で作製した。活性炭を80質量%、導電助材としてアセチレンブラックを15質量%、およびバインダーとしてポリテトラフルオロエチレン5質量%を乳鉢で混合し、メッシュパスした後、プレス成形により直径15mm、厚さ3mmの円板状の負極を作製した。ポリテトラフルオロエチレンは、正極と同様のものを用いた。   The negative electrode was produced by the following method. 80% by mass of activated carbon, 15% by mass of acetylene black as a conductive additive, and 5% by mass of polytetrafluoroethylene as a binder were mixed in a mortar, passed through a mesh, and then a disk having a diameter of 15 mm and a thickness of 3 mm by press molding. A negative electrode was prepared. The same polytetrafluoroethylene as that for the positive electrode was used.

作製した正極および負極には、それぞれTiおよびNiメッシュを圧着して集電層とした。これらを用い、電池評価セル内部に正極、セパレータ、負極をこの順に配置して組立て、電解液を注入した。セパレータとしては、ナイロンメッシュを用い、電解液は、純水
に硫酸ナトリウムを溶解させた1mol/L水溶液を使用した。また、参照電極にはAg/AgCl電極を用いた。
Ti and Ni meshes were pressure bonded to the prepared positive and negative electrodes, respectively, to form current collecting layers. Using these, a positive electrode, a separator, and a negative electrode were arranged in this order inside the battery evaluation cell and assembled, and an electrolytic solution was injected. A nylon mesh was used as the separator, and a 1 mol / L aqueous solution in which sodium sulfate was dissolved in pure water was used as the electrolyte. An Ag / AgCl electrode was used as the reference electrode.

作製したセルの充放電試験は、以下のような条件で行った。   The charge / discharge test of the manufactured cell was performed under the following conditions.

充放電電位 :上限0.89V、下限−0.41V(対Ag/AgCl)
充放電レート :0.05C(定電流充放電)
測定温度 :25℃
Charge / discharge potential: Upper limit 0.89V, lower limit -0.41V (vs. Ag / AgCl)
Charging / discharging rate: 0.05C (constant current charging / discharging)
Measurement temperature: 25 ° C

試料No.2〜8は、オリビン型構造を有するナトリウム系リン酸塩を正極活物質とし、活物質の表面にNi、FeおよびMnのいずれかおよびPを含む金属化合物を備えることから、水系電解液を用いた場合に二次電池として充放電を行うことができた。一方、結晶の表面に金属化合物を備えていない試料No.1は充放電ができなかった。   Sample No. In Nos. 2 to 8, a sodium-based phosphate having an olivine structure is used as a positive electrode active material, and the surface of the active material is provided with a metal compound containing any of Ni, Fe and Mn and P. In this case, the secondary battery could be charged and discharged. On the other hand, sample no. No. 1 could not be charged / discharged.

また、NaTi(POを負極活物質として、上述の正極と同様な方法で負極を作製し、試料No.5に用いた正極と組み合わせて充放電試験を行ったところ、活性炭を負極活物質として用いた場合と比較して小さい体積の発電要素で、22mAh/gの初期放電容量を示した。 A negative electrode was prepared in the same manner as the above positive electrode using NaTi 2 (PO 4 ) 3 as the negative electrode active material. When a charge / discharge test was performed in combination with the positive electrode used in No. 5, the initial discharge capacity was 22 mAh / g with a power generation element having a small volume compared to the case where activated carbon was used as the negative electrode active material.

1・・・・正極
2・・・・電解質層
3・・・・負極
4・・・・発電要素
5N・・・負極側集電層
5P・・・正極側集電層
6N・・・負極端子
6P・・・正極端子
7・・・・ケース
8・・・・安全弁
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 .... Positive electrode 2 .... Electrolyte layer 3 .... Negative electrode 4 .... Electric power generation element 5N ... Negative electrode side current collecting layer 5P ... Positive electrode side current collecting layer 6N ... Negative electrode terminal 6P ... Positive terminal 7 ... Case 8 ... Safety valve

Claims (6)

遷移金属元素から選ばれる少なくとも1種の元素およびナトリウムを含み、オリビン型の結晶構造を有するリン酸塩と、
該リン酸塩の結晶の表面および表面近傍の少なくともいずれかに、Ni、FeおよびMnからなる元素群のうち少なくともいずれか一種を含むリン化物と、を備えることを特徴とする活物質。
A phosphate containing at least one element selected from transition metal elements and sodium and having an olivine type crystal structure;
On at least one surface and near surface of the crystals of the phosphate, active material, characterized in that and a phosphide containing at least any one kind of the element group consisting of Ni, Fe and Mn.
前記リン酸塩が、マンガンを含むことを特徴とする請求項1に記載の活物質。   The active material according to claim 1, wherein the phosphate contains manganese. 前記リン酸塩の結晶の表面の少なくとも一部に、炭素を含む被覆層を備えることを特徴とする請求項1または2に記載の活物質。   The active material according to claim 1, further comprising a coating layer containing carbon on at least a part of a surface of the phosphate crystal. 正極と、負極と、電解液とを備え、前記正極が請求項1乃至3のいずれかに記載の活物質を含むことを特徴とする二次電池。   A secondary battery comprising: a positive electrode; a negative electrode; and an electrolyte solution, wherein the positive electrode includes the active material according to claim 1. 前記電解液が、水系の電解液であることを特徴とする請求項4に記載の二次電池。   The secondary battery according to claim 4, wherein the electrolytic solution is an aqueous electrolytic solution. 前記負極が、活物質としてNaTi(POおよびLiTi(POのうち少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項4または5に記載の二次電池。 The secondary battery according to claim 4, wherein the negative electrode contains at least one of NaTi 2 (PO 4 ) 3 and LiTi 2 (PO 4 ) 3 as an active material.
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