JP7591256B2 - Particulate material, its manufacturing method and use - Google Patents
Particulate material, its manufacturing method and use Download PDFInfo
- Publication number
- JP7591256B2 JP7591256B2 JP2020187522A JP2020187522A JP7591256B2 JP 7591256 B2 JP7591256 B2 JP 7591256B2 JP 2020187522 A JP2020187522 A JP 2020187522A JP 2020187522 A JP2020187522 A JP 2020187522A JP 7591256 B2 JP7591256 B2 JP 7591256B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- atoms
- mol
- particulate material
- metal oxide
- spinel
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Landscapes
- Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
- Catalysts (AREA)
- Inert Electrodes (AREA)
- Hybrid Cells (AREA)
Description
本発明は、粒子状材料及びその製造方法、その利用に関する。詳細には、本発明は、金属酸水酸化物粒子塊とスピネル型金属酸化物粒子塊を1粒子中に含む粒子状材料及びその製造方法、その空気極用触媒等への利用に関する。 The present invention relates to a particulate material, a method for producing the same, and uses thereof. In particular, the present invention relates to a particulate material containing a metal oxide hydroxide particle mass and a spinel-type metal oxide particle mass in one particle, a method for producing the same, and uses thereof as an air electrode catalyst, etc.
亜鉛空気二次電池は、現在実用化されているリチウムイオン電池の5倍以上の理論容量を示し、次世代の二次電池として注目されている。亜鉛空気二次電池の実用化のためには様々な課題が山積している。特に空気極における酸素生成反応(OER)、酸素還元反応(ORR)の大きな過電圧が効率を著しく低下させることから、両反応に高い活性を示すバイファンクショナルな空気極触媒の開発が求められている。しかし、現在までに、両反応に高い活性を示す単一の触媒材料は報告されていない。唯一、CoMn2O4とMnOOHを組み合わせたOERとORRの両方に活性を有する触媒の例が知られている(非特許文献1)。 Zinc-air secondary batteries have a theoretical capacity five times that of currently practical lithium-ion batteries, and are attracting attention as the next generation of secondary batteries. There are many challenges to overcome before zinc-air secondary batteries can be put to practical use. In particular, the large overvoltages of the oxygen evolution reaction (OER) and oxygen reduction reaction (ORR) at the air electrode significantly reduce efficiency, so there is a demand for the development of a bifunctional air electrode catalyst that exhibits high activity in both reactions. However, to date, no single catalyst material that exhibits high activity in both reactions has been reported. The only known example is a catalyst that combines CoMn 2 O 4 and MnOOH and is active in both OER and ORR (Non-Patent Document 1).
金属の価格や産出量の観点から第4周期の遷移金属から成る触媒が注目されており、OER触媒として金属酸水酸化物が高い活性を示すことが報告されている(例えば、特許文献1及び非特許文献2)。ORR触媒としてスピネル型の結晶構造を有する金属酸化物が高い活性を示すことが報告されている(例えば、非特許文献3)。 Catalysts made of transition metals from the fourth period have been attracting attention from the viewpoint of metal price and production volume, and it has been reported that metal oxide hydroxides show high activity as ORR catalysts (e.g., Patent Document 1 and Non-Patent Document 2). It has been reported that metal oxides with a spinel-type crystal structure show high activity as ORR catalysts (e.g., Non-Patent Document 3).
しかし、バイファンクショナル空気触媒としては、これらの触媒を単純に混合するだけでは両反応に対して同時に高い活性を得ることは達成できておらず、高性能な空気極触媒を開発するためには、ナノサイズ領域で複合された触媒材料を合成する必要がある。しかしながら、結晶構造の異なる酸水酸化物とスピネル型酸化物がナノサイズ領域で複合された材料の開発方法は未だ確立されていない。 However, simply mixing these catalysts as a bifunctional air catalyst has not been able to achieve high activity for both reactions simultaneously, and in order to develop a high-performance air electrode catalyst, it is necessary to synthesize a composite catalyst material in the nano-sized region. However, a method for developing a material in which an oxyhydroxide and a spinel-type oxide, which have different crystal structures, are composited in the nano-sized region has not yet been established.
そこで本発明の目的は、結晶構造の異なる酸水酸化物とスピネル型酸化物がナノサイズ領域で複合された材料を提供すること、さらにはこの材料を用いた空気極用触媒、金属空気二次電池空気極及び金属空気二次電池を提供することにある。 The object of the present invention is to provide a material in which an oxyhydroxide and a spinel-type oxide, which have different crystal structures, are composited in the nano-sized region, and further to provide an air electrode catalyst, an air electrode for a metal-air secondary battery, and a metal-air secondary battery using this material.
本発明は以下の通りである。
[1]
粒子径が1~100nmの範囲にあるCo、Ni及びFeを含む金属酸水酸化物粒子塊と粒子径が1~100nmの範囲にあるCo、Ni及びFeを含むスピネル型金属酸化物粒子塊を1粒子中に含む粒子状材料。
[2]
前記金属酸水酸化物粒子塊及び前記スピネル型金属酸化物粒子塊の少なくとも一部はそれぞれ粒子状材料の表面に存在する、[1]に記載の粒子状材料。
[3]
前記粒子状材料は、Co原子を60~95モル%、Ni原子を1~25モル%及びFe原子を1~20モル%含有し、かつ、Ni原子及びFe原子の合計含有量が5モル%以上である、但し、Co原子、Ni原子及びFe原子の合計を100モル%とする、[1]または[2]に記載の材料
[4]
前記粒子状材料のCo原子含有量は70~90モル%、Ni原子含有量は4~25モル%及びFe原子含有量は2~14モル%である、[3]に記載の粒子状材料。
[5]
前記金属酸水酸化物粒子塊は、Co原子を60~95モル%、Ni原子を1~25モル%及びFe原子を1~20モル%含有し、Ni原子及びFe原子の合計含有量が5モル%以上であり、
前記スピネル型金属酸化物粒子塊は、Co原子を60~95モル%、Ni原子を1~25モル%及びFe原子を1~20モル%含有し、Ni原子及びFe原子の合計含有量が5モル%以上である、但し、いずれの場合も、Co原子、Ni原子及びFe原子の合計を100モル%とする、[1]~[4]のいずれか1項に記載の粒子状材料。
[6]
前記金属酸水酸化物粒子塊の粒子径は1~20nmの範囲であり、前記スピネル型金属酸化物粒子塊の粒子径は1~20nmの範囲である、[1]~[5]のいずれか1項に記載の粒子状材料。
[7]
少なくとも一部の粒子状材料の粒子径は、0.01~50μmの範囲である、[1]~[6]のいずれか1項に記載の粒子状材料。
[8]
Co、Ni及びFeを含む層状複水酸化物及びCo、Ni及びFeを含む金属水酸化物を含む前駆体を焼成して粒子径が1~100nmの範囲にあるCo、Ni及びFeを含む金属酸水酸化物粒子塊と粒子径が1~100nmの範囲にあるCo、Ni及びFeを含むスピネル型金属酸化物粒子塊を1粒子中に含む粒子状材料を得る、粒子状材料の製造方法。
[9]
前記前駆体は、Co2+を70~98モル%、Ni2+を1~20モル%及びFe3+を1~10モル%含む水溶液にアルカリを添加して製造する、[8]に記載の製造方法。
[10]
焼成は、110~190℃の範囲の温度で行う、[8]又は[9]に記載の製造方法。
[11]
[1]~[7]のいずれか1項に記載の粒子状材料を含む空気極用触媒。
[12]
[1]~[7]のいずれか1項に記載の粒子状材料を含む金属空気二次電池空気極。
[13]
[1]~[7]のいずれか1項に記載の粒子状材料を含む空気極と、負極活物質を含有する負極と、前記空気極及び負極の間に介在する電解質とを有する金属空気二次電池。
The present invention is as follows.
[1]
A particulate material containing, in each particle, a metal oxide hydroxide particle agglomerate containing Co, Ni and Fe and having a particle size in the range of 1 to 100 nm, and a spinel type metal oxide particle agglomerate containing Co, Ni and Fe and having a particle size in the range of 1 to 100 nm.
[2]
The particulate material according to claim 1, wherein at least a portion of the metal oxide hydroxide particle agglomerates and the spinel-type metal oxide particle agglomerates are present on the surface of the particulate material.
[3]
The particulate material contains 60 to 95 mol % Co atoms, 1 to 25 mol % Ni atoms, and 1 to 20 mol % Fe atoms, and the total content of Ni atoms and Fe atoms is 5 mol % or more, provided that the total of Co atoms, Ni atoms, and Fe atoms is 100 mol %. [4] The material according to [1] or [2]
The particulate material according to [3], wherein the particulate material has a Co atomic content of 70 to 90 mol%, a Ni atomic content of 4 to 25 mol%, and a Fe atomic content of 2 to 14 mol%.
[5]
the metal oxide hydroxide particle agglomerates contain 60 to 95 mol % Co atoms, 1 to 25 mol % Ni atoms, and 1 to 20 mol % Fe atoms, the total content of Ni atoms and Fe atoms being 5 mol % or more;
The particulate material according to any one of [1] to [4], wherein the spinel-type metal oxide particle agglomerates contain 60 to 95 mol % Co atoms, 1 to 25 mol % Ni atoms, and 1 to 20 mol % Fe atoms, with the total content of Ni atoms and Fe atoms being 5 mol % or more, provided that in each case, the total of Co atoms, Ni atoms, and Fe atoms is 100 mol %.
[6]
The particulate material according to any one of [1] to [5], wherein the particle diameter of the metal oxide hydroxide particle agglomerates is in the range of 1 to 20 nm, and the particle diameter of the spinel-type metal oxide particle agglomerates is in the range of 1 to 20 nm.
[7]
The particulate material according to any one of [1] to [6], wherein the particle size of at least a portion of the particulate material is in the range of 0.01 to 50 μm.
[8]
A method for producing a particulate material, comprising calcining a precursor containing a layered double hydroxide containing Co, Ni, and Fe, and a metal hydroxide containing Co, Ni, and Fe, to obtain a particulate material containing, in each particle, a metal oxide hydroxide particle agglomerate containing Co, Ni, and Fe, the particle size of which is in the range of 1 to 100 nm, and a spinel-type metal oxide particle agglomerate containing Co, Ni, and Fe, the particle size of which is in the range of 1 to 100 nm.
[9]
The method according to [8], wherein the precursor is produced by adding an alkali to an aqueous solution containing 70 to 98 mol % of Co 2+ , 1 to 20 mol % of Ni 2+ , and 1 to 10 mol % of Fe 3+ .
[10]
The method according to [8] or [9], wherein the calcination is carried out at a temperature in the range of 110 to 190° C.
[11]
[8] A catalyst for an air electrode, comprising the particulate material according to any one of [1] to [7].
[12]
[1] - [7] Any one of the particulate material of the present invention, the metal-air secondary battery air electrode.
[13]
A metal-air secondary battery comprising an air electrode containing the particulate material according to any one of [1] to [7], a negative electrode containing a negative electrode active material, and an electrolyte interposed between the air electrode and the negative electrode.
本発明によれば、結晶構造の異なる酸水酸化物とスピネル型酸化物がナノサイズ領域で複合された材料を提供することができ、この材料はOERとORRの両方の活性が高い触媒となり得る。さらにこの材料を用いた空気極用触媒、金属空気二次電池空気極及び金属空気二次電池を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a material in which an oxyhydroxide and a spinel-type oxide, which have different crystal structures, are composited in the nano-sized region, and this material can be a catalyst with high activity for both OER and ORR. Furthermore, it is possible to provide a catalyst for an air electrode, an air electrode for a metal-air secondary battery, and a metal-air secondary battery using this material.
[粒子状材料]
本発明は、粒子径が1~100nmの範囲にあるCo、Ni及びFeを含む金属酸水酸化物粒子塊と粒子径が1~100nmの範囲にあるCo、Ni及びFeを含むスピネル型金属酸化物粒子塊を1粒子中に含む粒子状材料に関する。
[Particulate material]
The present invention relates to a particulate material containing, in each particle, a metal oxide hydroxide particle agglomerate containing Co, Ni, and Fe and having a particle size in the range of 1 to 100 nm, and a spinel-type metal oxide particle agglomerate containing Co, Ni, and Fe and having a particle size in the range of 1 to 100 nm.
金属酸水酸化物は、MOOH(M:3価の金属)の組成式で示される化合物であり、Mで表される3価の金属は、2以上の3価金属で構成されることができる。たとえばM、M’及びM’’の3種類の金属を含む場合は、MxM’yM’’(1-x-y)OOHとの組成になる。式中のx、y及びzは、M、M’、及びM’’の個数を表し、1以下の数値である。例えば、M、M’及びM’’のCo、Ni及びFeであり、それぞれの個数が0.6、0.3及び0.1の場合、Co0.6Ni0.3Fe0.1OOHと表記される。金属酸水酸化物は、アニオンの組成比が若干ずれても構造は維持できる。例えば、CoO(OH)0.99などの組成比も可能である。即ち、MO(OH)pで表示すると、pは1未満または1超であっても酸水酸化物の結晶構造を維持していればよい。本発明における金属酸水酸化物は、金属としてCo、Ni及びFeを含む酸水酸化物であり、β-CoOOH型結晶構造と同一の結晶構造を有する。金属酸水酸化物であるか否かの同定は、XRDデータにおいてβ-CoOOH型結晶と対比することで行うことができる。本発明の粒子状材料を金属空気二次電池空気極の触媒として使用する際に、金属酸水酸化物は主にOER活性を提示する。 A metal oxide hydroxide is a compound represented by the composition formula MOOH (M: trivalent metal), and the trivalent metal represented by M can be composed of two or more trivalent metals. For example, when it contains three types of metals, M, M', and M'', it has a composition of M x M' y M'' (1-xy) OOH. In the formula, x, y, and z represent the number of M, M', and M'', and are values of 1 or less. For example, when M, M', and M'' are Co, Ni, and Fe, and the respective numbers are 0.6, 0.3, and 0.1, it is expressed as Co 0.6 Ni 0.3 Fe 0.1 OOH. A metal oxide hydroxide can maintain its structure even if the composition ratio of anions is slightly shifted. For example, a composition ratio such as CoO(OH) 0.99 is also possible. That is, when expressed as MO(OH) p , it is sufficient that p is less than 1 or more than 1 as long as the crystal structure of the oxide hydroxide is maintained. The metal oxide hydroxide in the present invention is an oxide hydroxide containing Co, Ni and Fe as metals, and has the same crystal structure as the β-CoOOH type crystal structure. Identification of whether or not it is a metal oxide hydroxide can be performed by comparing with the β-CoOOH type crystal in XRD data. When the particulate material of the present invention is used as a catalyst for the air electrode of a metal-air secondary battery, the metal oxide hydroxide mainly exhibits OER activity.
スピネル型金属酸化物は、AB2O4(A:2価の金属、B:3価の金属)の組成式で示され、A及びBは共に2種類以上の金属が共存できる。AとBには2種類以上の金属が共存できるため、例えば、(Ni0.1Co0.9)(Fe0.4Co1.6)O4などの組成のスピネル型金属酸化物となり得る。ただし、元素の比率が若干ずれてもスピネル構造は維持できるため、例えば、NiCo2O3.99などの組成比のスピネル酸化物の報告もある。本発明におけるスピネル型金属酸化物は、金属としてCo、Ni及びFeを含む酸化物であり、結晶構造としてスピネル型構造を有する。スピネル型金属酸化物であるか否かの同定は、XRDデータにおいてCo3O4結晶と対比することで行うことができる。 The spinel metal oxide is represented by the composition formula AB2O4 (A: divalent metal, B: trivalent metal ), and two or more metals can coexist in both A and B. Since two or more metals can coexist in A and B, the spinel metal oxide can have a composition such as ( Ni0.1Co0.9 )( Fe0.4Co1.6 ) O4 . However, since the spinel structure can be maintained even if the ratio of elements is slightly different, there are also reports of spinel oxides with a composition ratio such as NiCo2O3.99 . The spinel metal oxide in the present invention is an oxide containing Co, Ni, and Fe as metals, and has a spinel structure as a crystal structure. Identification of whether or not it is a spinel metal oxide can be performed by comparing with Co3O4 crystal in XRD data.
本発明の粒子状材料は、粒子径が1~100nmの範囲にあるCo、Ni及びFeを含む金属酸水酸化物粒子塊と粒子径が1~100nmの範囲にあるCo、Ni及びFeを含むスピネル型金属酸化物粒子塊を1粒子中に含む。金属酸水酸化物粒子塊とスピネル型金属酸化物粒子塊を1粒子中に含むことは、TEM像を観察することで判断することができる。本発明の粒子状材料は、上記金属酸水酸化物粒子塊とスピネル型金属酸化物粒子塊を1粒子中に含むことで、OERとORRの両方の活性が高い触媒を得ることができる。金属酸水酸化物粒子塊は、粒子径が1~100nmの範囲であり、好ましくは1~50nmの範囲、より好ましくは1~20nmの範囲である。スピネル型金属酸化物粒子塊は、粒子径が1~100nmの範囲であり、好ましくは1~50nmの範囲、より好ましくは1~20nmの範囲である。本発明の粒子状材料を金属空気二次電池空気極の触媒として使用する際に、スピネル型金属酸化物は主にORR活性を提示する。 The particulate material of the present invention contains, in one particle, a metal oxide hydroxide particle agglomerate containing Co, Ni, and Fe, the particle diameter of which is in the range of 1 to 100 nm, and a spinel-type metal oxide particle agglomerate containing Co, Ni, and Fe, the particle diameter of which is in the range of 1 to 100 nm. The presence of a metal oxide hydroxide particle agglomerate and a spinel-type metal oxide particle agglomerate in one particle can be determined by observing a TEM image. The particulate material of the present invention contains the above-mentioned metal oxide hydroxide particle agglomerate and a spinel-type metal oxide particle agglomerate in one particle, thereby making it possible to obtain a catalyst having high activity in both OER and ORR. The metal oxide hydroxide particle agglomerate has a particle diameter in the range of 1 to 100 nm, preferably in the range of 1 to 50 nm, and more preferably in the range of 1 to 20 nm. The spinel-type metal oxide particle agglomerate has a particle diameter in the range of 1 to 100 nm, preferably in the range of 1 to 50 nm, and more preferably in the range of 1 to 20 nm. When the particulate material of the present invention is used as a catalyst for the air electrode of a metal-air secondary battery, the spinel-type metal oxide primarily exhibits ORR activity.
本発明の粒子状材料は、好ましくは金属酸水酸化物粒子塊及び前記スピネル型金属酸化物粒子塊の少なくとも一部はそれぞれ粒子状材料の表面に存在する。金属酸水酸化物粒子塊及びスピネル型金属酸化物粒子塊の少なくとも一部がそれぞれ粒子状材料の表面に存在することは、TEM像を観察することで判断することができる。OER活性は主に金属酸水酸化物粒子塊において生じ、ORR活性は主にスピネル型金属酸化物粒子塊において生じていると考えられることから、両者の少なくとも一部がそれぞれ粒子状材料の表面に存在することで、OERとORRの両方の活性が高い触媒を得ることができる。 In the particulate material of the present invention, preferably, at least a portion of the metal oxide hydroxide particle agglomerates and the spinel type metal oxide particle agglomerates are present on the surface of the particulate material. The presence of at least a portion of the metal oxide hydroxide particle agglomerates and the spinel type metal oxide particle agglomerates on the surface of the particulate material can be determined by observing a TEM image. Since it is believed that OER activity occurs mainly in the metal oxide hydroxide particle agglomerates and ORR activity occurs mainly in the spinel type metal oxide particle agglomerates, a catalyst with high activity in both OER and ORR can be obtained by having at least a portion of both of them present on the surface of the particulate material.
本発明の粒子状材料は、Co原子、Ni原子及びFe原子を含み、Co原子、Ni原子及びFe原子の含有量がそれぞれ、例えば、60~95モル%、1~25モル%、1~20モル%であり、かつNi原子及びFe原子の合計含有量が5モル%以上であることが適当である。但し、Co原子、Ni原子及びFe原子の合計を100モル%とする。粒子状材料がこの含有量を有することで、OERとORRの両方の活性が高い触媒を得ることができる。粒子状材料のCo原子、Ni原子及びFe原子の含有量は、OERとORRの両方の活性がより高い触媒であるという観点から、Co原子、Ni原子及びFe原子がそれぞれ70~95モル%、4~25モル%、2~20モル%であることが好ましく、70~85モル%、5~15モル%、3~15モル%であることがより好ましい。また、Ni原子及びFe原子の合計含有量は、好ましくは10~35モル%、より好ましくは15~30モル%の範囲である。本発明の粒子状材料には、Co、Ni及びFe以外の金属原子が、不純物として不可避的に含有されても良い。あるいは、本発明の粒子状材料には、Co、Ni及びFe以外の金属原子、例えば、Si、Na、Mg、Ca、Zn、Al、Pb、Cu、Mn等の原子を、本発明の効果を損なわれない範囲において添加してもよい。但し、Co、Ni及びFe以外の金属原子を含む場合であっても、粒子状材料におけるCo原子、Ni原子及びFe原子の含有量(モル%表示)は、Co原子、Ni原子及びFe原子の合計を100モル%とする。 The particulate material of the present invention contains Co atoms, Ni atoms and Fe atoms, and the contents of Co atoms, Ni atoms and Fe atoms are, for example, 60 to 95 mol%, 1 to 25 mol%, and 1 to 20 mol%, respectively, and the total content of Ni atoms and Fe atoms is 5 mol% or more. However, the total of Co atoms, Ni atoms and Fe atoms is 100 mol%. By having the particulate material have this content, a catalyst with high activity in both OER and ORR can be obtained. From the viewpoint of a catalyst with high activity in both OER and ORR, the contents of Co atoms, Ni atoms and Fe atoms of the particulate material are preferably 70 to 95 mol%, 4 to 25 mol%, and 2 to 20 mol%, respectively, and more preferably 70 to 85 mol%, 5 to 15 mol%, and 3 to 15 mol%. The total content of Ni atoms and Fe atoms is preferably in the range of 10 to 35 mol%, more preferably 15 to 30 mol%. Metal atoms other than Co, Ni, and Fe may be inevitably contained as impurities in the particulate material of the present invention. Alternatively, metal atoms other than Co, Ni, and Fe, such as atoms of Si, Na, Mg, Ca, Zn, Al, Pb, Cu, Mn, etc., may be added to the particulate material of the present invention within a range that does not impair the effects of the present invention. However, even if the particulate material contains metal atoms other than Co, Ni, and Fe, the content (in mol%) of Co atoms, Ni atoms, and Fe atoms in the particulate material is 100 mol% of the total of Co atoms, Ni atoms, and Fe atoms.
金属酸水酸化物粒子塊及びスピネル型金属酸化物粒子塊におけるCo原子、Ni原子及びFe原子の含有量は、粒子状材料のCo原子、Ni原子及びFe原子の含有量(モル%表示)とほぼ同様である。金属酸水酸化物粒子塊のCo原子、Ni原子及びFe原子の含有量は、それぞれ、例えば、60~95モル%、1~25モル%、1~20モル%であり、Ni原子及びFe原子の合計含有量が5モル%以上である。スピネル型金属酸化物粒子塊は、Co原子、Ni原子及びFe原子の含有量は、例えば、それぞれ60~95モル%、1~25モル%、1~20モル%の範囲であり、Ni原子及びFe原子の合計含有量が5モル%以上であることが適当である。金属酸水酸化物粒子塊及びスピネル型金属酸化物粒子塊のいずれか、または両方が、Co、Ni及びFe以外の金属原子、例えば、Si、Na、Mg、Ca、Zn、Al、Pb、Cu、Mn等の原子を、不可避的な不純物として、あるいは本発明の効果を損なわれない範囲において添加物として含んでもよい。この場合も、粒子状材料の場合と同様に、Co原子、Ni原子及びFe原子の含有量(モル%表示)は、Co原子、Ni原子及びFe原子の合計を100モル%とする。 The contents of Co atoms, Ni atoms, and Fe atoms in the metal oxide hydroxide particle agglomerates and spinel-type metal oxide particle agglomerates are approximately the same as the contents of Co atoms, Ni atoms, and Fe atoms (expressed in mol%) in the particulate material. The contents of Co atoms, Ni atoms, and Fe atoms in the metal oxide hydroxide particle agglomerates are, for example, 60 to 95 mol%, 1 to 25 mol%, and 1 to 20 mol%, respectively, and the total content of Ni atoms and Fe atoms is 5 mol% or more. The contents of Co atoms, Ni atoms, and Fe atoms in the spinel-type metal oxide particle agglomerates are, for example, in the ranges of 60 to 95 mol%, 1 to 25 mol%, and 1 to 20 mol%, respectively, and the total content of Ni atoms and Fe atoms is suitably 5 mol% or more. Either or both of the metal oxide hydroxide particle mass and the spinel-type metal oxide particle mass may contain metal atoms other than Co, Ni, and Fe, such as atoms of Si, Na, Mg, Ca, Zn, Al, Pb, Cu, Mn, etc., as unavoidable impurities or as additives within a range that does not impair the effects of the present invention. In this case, as in the case of the particulate material, the content (expressed in mol%) of Co atoms, Ni atoms, and Fe atoms is 100 mol% in total of Co atoms, Ni atoms, and Fe atoms.
本発明の粒子状材料は、少なくとも一部の粒子状材料の粒子径が、例えば、0.01~50μmの範囲であることができ、好ましくは0.01~20μmの範囲、より好ましくは0.01~10μmの範囲である。但し、粒子状材料の粒子径は、粉砕や分級をすることで適宜調整することができる。 At least a portion of the particulate material of the present invention may have a particle size in the range of, for example, 0.01 to 50 μm, preferably in the range of 0.01 to 20 μm, and more preferably in the range of 0.01 to 10 μm. However, the particle size of the particulate material can be appropriately adjusted by crushing or classification.
本発明の粒子状材料の一例のTEM像及びSTEM像を図13-1及び図14-1に示す。図13-1に示すTEM像は、実施例1で調製した150℃焼成したCo73Ni13Fe14試料のTEM像である。図14-1に示すSTEM像は、実施例2で調製した150℃焼成したCo80Ni6Fe14試料のSTEM像である。これらの像から分かるように、本発明の粒子状材料は、スピネル型金属酸化物粒子塊と酸水酸化物粒子塊と1つの粒子に含むことが分かる。これらの粒子のTEM-EDX分析及びSTEM-EDX分析は、図13-2及び図14-2に示すように、スピネル型金属酸化物は、金属としてCo、Ni及びFeを含み、金属酸水酸化物も金属としてCo、Ni及びFeを含むことを示した。 TEM and STEM images of an example of the particulate material of the present invention are shown in Figures 13-1 and 14-1. The TEM image shown in Figure 13-1 is a TEM image of a Co73Ni13Fe14 sample prepared in Example 1 and calcined at 150°C. The STEM image shown in Figure 14-1 is a STEM image of a Co80Ni6Fe14 sample prepared in Example 2 and calcined at 150°C. As can be seen from these images, the particulate material of the present invention contains spinel-type metal oxide particle clusters and oxyhydroxide particle clusters in one particle. TEM-EDX analysis and STEM-EDX analysis of these particles showed that the spinel-type metal oxide contains Co, Ni, and Fe as metals, and the metal oxyhydroxide also contains Co, Ni, and Fe as metals, as shown in Figures 13-2 and 14-2.
さらに、図13-1、図14-1に示すTEM像またはSTEM像からスピネル型酸化物粒子塊と酸水酸化物粒子塊とは、少なくとも一部の領域で、それぞれ粒子状材料の表面に存在することが分かる。 Furthermore, the TEM and STEM images shown in Figures 13-1 and 14-1 show that spinel-type oxide particle agglomerates and oxyhydroxide particle agglomerates are present on the surface of the particulate material in at least some regions.
[粒子状材料の製造方法]
本発明は、Co、Ni及びFeを含む層状複水酸化物及びCo、Ni及びFeを含む金属水酸化物を含む前駆体を焼成してCo、Ni及びFeを含む金属酸水酸化物粒子塊とCo、Ni及びFeを含むスピネル型金属酸化物粒子塊を1粒子中に含む粒子状材料を得る、粒子状材料の製造方法を包含する。本発明の粒子状材料は、この方法で製造することができる。
[Method of producing particulate material]
The present invention includes a method for producing a particulate material, which comprises calcining a precursor containing a layered double hydroxide containing Co, Ni, and Fe and a metal hydroxide containing Co, Ni, and Fe to obtain a particulate material containing a metal oxide hydroxide particle mass containing Co, Ni, and Fe and a spinel-type metal oxide particle mass containing Co, Ni, and Fe in each particle. The particulate material of the present invention can be produced by this method.
本発明の製造方法において用いる前駆体は、Co、Ni及びFeを含む層状複水酸化物及びCo、Ni及びFeを含む金属水酸化物を含む。 The precursors used in the manufacturing method of the present invention include a layered double hydroxide containing Co, Ni, and Fe, and a metal hydroxide containing Co, Ni, and Fe.
金属水酸化物は、M(OH)2(M:2価の金属)の組成式で示され、Mは複数の2価金属で構成されることができる。Co、Ni及びFeを含む金属水酸化物は、金属としてCo、Ni及びFeを含むので、CoxNiyFe(1-x-y)(OH)2という組成になり、x、y及びzは、前駆体調製に用いる原料中のCo、Ni及びFeの比によって変化する。アニオンの組成比が若干ずれても構造は維持できる。金属水酸化物は、六方晶系の水酸化カドミウム型構造(ヨウ化カドミウム構造)またはブルーサイト型結晶構造で特定できる。 Metal hydroxides are represented by the formula M(OH) 2 (M: divalent metal), where M can be composed of multiple divalent metals. Metal hydroxides containing Co, Ni, and Fe contain Co, Ni, and Fe as metals, and therefore have a composition of CoxNiyFe (1-xy) (OH) 2 , where x, y , and z vary depending on the ratio of Co, Ni, and Fe in the raw materials used to prepare the precursor. The structure can be maintained even if the composition ratio of the anions is slightly shifted. Metal hydroxides can be specified by a hexagonal cadmium hydroxide type structure (cadmium iodide structure) or a brucite type crystal structure.
層状複水酸化物は、[M1-xM’x(OH)2][Ax/n・yH2O]の組成式で示される不定比化合物である。Mは1価または2価の金属であり、M’は3価または4価の金属である。MとM’には2種類以上の金属が共存できる。Co、Ni及びFeを含む層状複水酸化物は、x=0.2の場合、[Co0.6Ni0.2Co0.1Fe0.1(OH)2][(CO3)0.2・0.5H2O]と表記される。MとM’の価数の組み合わせは、M-M’=1-3、2-3、2-4価があるが、ほとんどの場合はM-M’=2-3である。Aは、1価または2価のアニオンである。一般的にx=0.2-0.33、nはアニオンの価数である。M1-xM’x(OH)2の組成で構成されるシート層の層間にアニオンAと水分子が挿入された層状構造を有する。 Layered double hydroxides are non-stoichiometric compounds with the formula [M 1-x M' x (OH) 2 ][A x/ n.yH 2 O]. M is a monovalent or divalent metal, and M' is a trivalent or tetravalent metal. Two or more metals can coexist as M and M'. Layered double hydroxides containing Co, Ni, and Fe are expressed as [Co 0.6 Ni 0.2 Co 0.1 Fe 0.1 (OH) 2 ][(CO 3 ) 0.2.0.5H 2 O] when x=0.2. The combination of valences of M and M' includes M-M'=1-3, 2-3, and 2-4, but in most cases M-M'=2-3. A is a monovalent or divalent anion. Generally, x=0.2-0.33, and n is the valence of the anion. The sheet has a layered structure in which anion A and water molecules are inserted between the layers of the sheet having a composition of M 1-x M' x (OH) 2 .
前記前駆体は、例えば、Co2+を70~98モル%、Ni2+を1~20モル%及びFe3+を1~10モル%含む水溶液にアルカリを添加して製造することができる。この組成の金属イオンを含有する水溶液にアルカリを添加することで、Co、Ni及びFeを含む層状複水酸化物及びCo、Ni及びFeを含む金属水酸化物の両方を含む前駆体が沈殿する。Co、Ni及びFeの原料は、これらの金属の塩であることができ、例えば、硝酸塩、酢酸塩、クエン酸塩等であることができる。アルカリは、特に制限はないが、例えば、アルカリ金属水酸化物、アンモニア水などであることができ、アルカリ金属水酸化物としては、例えば、水酸化カリウムを用いることができる。沈殿は常法により固液分離して、得られた固体は適宜洗浄及び乾燥することができる。洗浄は水洗及びアルコール(例えば、エタノール)で洗浄して、原料やアルカリを除去した後に乾燥することが好ましい。 The precursor can be produced, for example, by adding an alkali to an aqueous solution containing 70 to 98 mol% Co 2+ , 1 to 20 mol% Ni 2+ , and 1 to 10 mol% Fe 3+ . By adding an alkali to an aqueous solution containing metal ions of this composition, a precursor containing both a layered double hydroxide containing Co, Ni, and Fe and a metal hydroxide containing Co, Ni, and Fe is precipitated. The raw materials of Co, Ni, and Fe can be salts of these metals, such as nitrates, acetates, citrates, etc. The alkali is not particularly limited, but can be, for example, an alkali metal hydroxide, ammonia water, etc., and potassium hydroxide can be used as the alkali metal hydroxide. The precipitate is separated into solid and liquid by a conventional method, and the obtained solid can be washed and dried appropriately. It is preferable to wash with water and alcohol (e.g., ethanol) to remove the raw materials and alkali, and then dry.
前駆体は、層状複水酸化物及び金属水酸化物の両方を含むことで、後述する焼成によって、層状複水酸化物はスピネル型金属酸化となり、金属水酸化物は、金属酸水酸化物になる。前述のように、Co2+を70~98モル%、Ni2+を1~20モル%及びFe3+を1~10モル%含む水溶液にアルカリを添加して製造することで、層状複水酸化物及び金属水酸化物の両方が適量含まれた前駆体が得られる。水溶液のCo2+、Ni2+及びFe3+組成比は、層状複水酸化物及び金属水酸化物の両方が適量含まれるように適宜調整することができる。この方法で製造される前駆体は、例えば、Co原子、Ni原子及びFe原子の含有量がそれぞれ60~95モル%、1~25モル%、1~20モル%の範囲である。前駆体におけるCo原子、Ni原子及びFe原子の含有量(モル%表示)は、Co原子、Ni原子及びFe原子の合計を100モル%とする。 The precursor contains both the layered double hydroxide and the metal hydroxide, and the layered double hydroxide becomes a spinel-type metal oxide and the metal hydroxide becomes a metal oxyhydroxide by firing, which will be described later. As described above, a precursor containing both the layered double hydroxide and the metal hydroxide in appropriate amounts is obtained by adding an alkali to an aqueous solution containing 70 to 98 mol% Co 2+, 1 to 20 mol% Ni 2+ , and 1 to 10 mol% Fe 3+ . The composition ratio of Co 2+ , Ni 2+, and Fe 3+ in the aqueous solution can be appropriately adjusted so that both the layered double hydroxide and the metal hydroxide are contained in appropriate amounts. The precursor produced by this method has, for example, the contents of Co atoms, Ni atoms, and Fe atoms in the ranges of 60 to 95 mol%, 1 to 25 mol%, and 1 to 20 mol%, respectively. The contents (expressed in mol %) of Co atoms, Ni atoms and Fe atoms in the precursor are such that the total of Co atoms, Ni atoms and Fe atoms is 100 mol %.
前駆体の焼成は、金属酸水酸化物粒子塊とスピネル型金属酸化物粒子塊を1粒子中に含む粒子状材料を得るという観点から、前駆体におけるCo、Ni及びFeの比率にもよるが、例えば、110~190℃の範囲の温度で行うことが適当である。前駆体の焼成は、好ましくは120~180℃の範囲、より好ましくは130~170℃の範囲である。前駆体の焼成時間は、焼成により得られる粒子状材料が金属酸水酸化物粒子塊とスピネル型金属酸化物粒子塊を含むものになる条件であれば特に制限はなく、温度によっても変化するが、例えば、1時間~24時間であることができる。焼成の雰囲気は、酸素含有雰囲気であればよく、操作が容易であるという観点からは大気中で実施することが適当である。焼成によって得られた粒子状材料はそのまま、又は適宜粉砕及び分級などして触媒として用いることができる。 From the viewpoint of obtaining a particulate material containing metal oxide hydroxide particle agglomerates and spinel-type metal oxide particle agglomerates in one particle, the calcination of the precursor is suitably carried out at a temperature in the range of, for example, 110 to 190°C, although this depends on the ratio of Co, Ni, and Fe in the precursor. The calcination of the precursor is preferably carried out in the range of 120 to 180°C, more preferably in the range of 130 to 170°C. The calcination time of the precursor is not particularly limited as long as the particulate material obtained by calcination contains metal oxide hydroxide particle agglomerates and spinel-type metal oxide particle agglomerates, and although it varies depending on the temperature, it can be, for example, 1 hour to 24 hours. The calcination atmosphere may be an oxygen-containing atmosphere, and from the viewpoint of ease of operation, it is suitable to carry out the calcination in the air. The particulate material obtained by calcination can be used as a catalyst as it is, or after appropriate crushing and classification.
<電極用触媒>
本発明は、本発明の粒子状材料を含む空気極用触媒を包含する。
<Electrode catalyst>
The present invention includes a cathode catalyst comprising the particulate material of the present invention.
本発明の粒子状材料を含む空気極用触媒及び水電解陽極用触媒は、表面積が例えば、1~100m2/gの範囲であることができ、好ましくは、10~100m2/gの範囲である。但し、この範囲に限定される意図ではない。 The surface area of the air electrode catalyst and water electrolysis anode catalyst containing the particulate material of the present invention can be, for example, in the range of 1 to 100 m 2 /g, and is preferably in the range of 10 to 100 m 2 /g, although it is not intended to be limited to this range.
本発明の粒子状材料は、空気極用として極めて有用であり、光水分解による水素製造や、次世代型高容量二次電池として期待されている金属空気二次電池の空気極として極めて有望である。 The particulate material of the present invention is extremely useful as an air electrode, and is extremely promising for hydrogen production by photochemical water splitting, and as an air electrode for metal-air secondary batteries, which are expected to be the next generation of high-capacity secondary batteries.
本発明の粒子状材料は、ORRに対する触媒活性にも優れる。ORR反応は下記の反応式で表される。
O2+4H++4e-→2H2O(中性から酸性)
O2+2H2O+4e-→4OH-(塩基性)
本発明の粒子状材料はOER活性及びORR活性の両者が優れたものであり、二次電池における空気極として、極めて有用である。
The particulate material of the present invention also has excellent catalytic activity for the ORR reaction. The ORR reaction is represented by the following reaction formula:
O2 + 4H + + 4e- → 2H2O (neutral to acidic)
O 2 +2H 2 O+4e - →4OH - (basic)
The particulate material of the present invention has excellent both OER activity and ORR activity and is extremely useful as an air electrode in a secondary battery.
<空気極>
空気極は、正極として機能する。空気極は、通常、多孔質構造を有し、酸素反応触媒の他、導電性材料を含む。また、空気極は、必要に応じて、バインダー等を含んでいてもよい。空気極は、本発明の粒子状材料以外のOER触媒又はORR触媒、その両者を含むこともできる。二次電池における空気極には、充電時の機能としてOER触媒活性と、放電時の機能としてORR触媒活性を有することを要する。本発明の触媒はOERとORRの両方の触媒であるので、単独で空気極の触媒とすることができる。空気極における充電及び放電時の化学式を以下に示す。
<Air electrode>
The air electrode functions as a positive electrode. The air electrode usually has a porous structure and contains an oxygen reaction catalyst as well as a conductive material. The air electrode may also contain a binder, etc., as necessary. The air electrode may contain an OER catalyst or an ORR catalyst, or both, other than the particulate material of the present invention. The air electrode in a secondary battery is required to have OER catalytic activity as a function during charging and ORR catalytic activity as a function during discharging. The catalyst of the present invention is a catalyst for both OER and ORR, and therefore can be used alone as a catalyst for the air electrode. The chemical formulas of the air electrode during charging and discharging are shown below.
空気極における本発明の触媒の含有量は、特に限定されないが、空気極の酸素反応性能及び酸素還元性能を高める観点から、例えば、1~90質量%であることが好ましく、特に10~80質量%であることが好ましく、30~60質量%であることがより好ましい。 The content of the catalyst of the present invention in the air electrode is not particularly limited, but from the viewpoint of improving the oxygen reaction performance and oxygen reduction performance of the air electrode, it is preferably, for example, 1 to 90 mass%, particularly preferably 10 to 80 mass%, and more preferably 30 to 60 mass%.
本発明の粒子状材料以外のOER触媒としては、特に制限はない。OER触媒は、例えば、WO2015/115592に記載のブラウンミラーライト型遷移金属酸化物であることができる。但し、これらに限定される意図ではない。 There are no particular limitations on the OER catalyst other than the particulate material of the present invention. The OER catalyst can be, for example, a Brownmillerite-type transition metal oxide described in WO2015/115592. However, it is not intended to be limited thereto.
本発明の粒子状材料以外のORR触媒の例としては、特に制限はないが、例えば、PtまたはPt系材料(例えば、PtCo、PtCoCr、Pt-W2C、Pt-RuOxなど)、Pd系材料(例えば、PdTi、PdCr、PdCo、PdCoAuなど)、金属酸化物(例えば、ZrO2-x、TiOx、TaNxOy、IrMOxなど)、錯体系(Co-ポルフィリン錯体)、その他(PtMoRuSeOx、RuSeなど)を挙げることができる。さらに、Suntivichらが高活性と報告しているLaNiO3(Nat.Chem.3,546(2011))、Liらが報告しているCoO/N-doped CNT(Nat.Commun.4,1805(2013))なども例示できる。但し、これらに限定される意図ではない。また、各触媒の性能や性質を考慮して複数の触媒を組み合わせて用いることもできる。さらに上記触媒には、助触媒(例えば、TiOx、RuO2、SnO2など)を組み合わせて用いる事もできる。追加のORR触媒を併用する場合の含有量は、ORR触媒の種類や触媒活性等を考慮して適宜決定することができ、例えば、1~90質量%であることができる。但し、この数値範囲に限定される意図ではない。 Examples of ORR catalysts other than the particulate material of the present invention are not particularly limited, but include, for example, Pt or Pt-based materials (e.g., PtCo, PtCoCr, Pt- W2C , Pt-RuOx, etc.), Pd-based materials (e.g., PdTi, PdCr, PdCo, PdCoAu, etc.), metal oxides (e.g., ZrO2 -x , TiOx , TaNxOy , IrMOx , etc.), complex systems (Co-porphyrin complexes), and others ( PtMoRuSeOx , RuSe, etc.). Further examples include LaNiO 3 (Nat. Chem. 3, 546 (2011)) reported by Suntivich et al. as being highly active, and CoO/N-doped CNT (Nat. Commun. 4, 1805 (2013)) reported by Li et al. However, it is not intended to be limited to these. In addition, a combination of multiple catalysts can be used in consideration of the performance and properties of each catalyst. Furthermore, the above catalyst can be used in combination with a co-catalyst (e.g., TiO x , RuO 2 , SnO 2 , etc.). The content when an additional ORR catalyst is used in combination can be appropriately determined in consideration of the type and catalytic activity of the ORR catalyst, and can be, for example, 1 to 90 mass %. However, it is not intended to be limited to this numerical range.
導電性材料としては、特に限定されず、導電助剤として一般的に使用可能なものであればよいが、好適なものとして導電性カーボンが挙げられる。具体的には、メソポーラスカーボン、グラファイト、アセチレンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンファイバー等が挙げられる。導電性材料としては、さらに、WO2019/039538に記載の炭素六角網面のプレートレット構造を有し、ファイバーの側面に露出した炭素六角網面のエッジの少なくとも一部が、近接する炭素六角網面のエッジとの間でのループ構造を有するpCNF(ループエッジ-pCNF(lpe-pCNF))を含む酸素発生電極用導電助剤を用いることもできる。空気極において多くの反応場を提供することから、比表面積が大きい導電性カーボンが好ましい。具体的には、比表面積が1~3000m2/g、特に500~1500m2/gである導電性カーボンが好ましい。空気極の触媒は、導電性材料に担持させてもよい。 The conductive material is not particularly limited, and may be any material that can be generally used as a conductive assistant, but a suitable example is conductive carbon. Specific examples include mesoporous carbon, graphite, acetylene black, carbon nanotubes, and carbon fibers. As the conductive material, a conductive assistant for oxygen generating electrodes containing pCNF (loop edge-pCNF (lpe-pCNF)) having a platelet structure of a carbon hexagonal mesh surface described in WO2019/039538, in which at least a part of the edge of the carbon hexagonal mesh surface exposed on the side surface of the fiber has a loop structure between the edge of the adjacent carbon hexagonal mesh surface, can also be used. Since it provides many reaction fields at the air electrode, conductive carbon with a large specific surface area is preferred. Specifically, conductive carbon with a specific surface area of 1 to 3000 m 2 /g, particularly 500 to 1500 m 2 /g is preferred. The catalyst of the air electrode may be supported on a conductive material.
空気極における導電性材料の含有量は、特に限定されないが、放電容量を高める観点から、例えば、10~99質量%であることが好ましく、特に20~80質量%であることが好ましく、20~60質量%であることがより好ましい。 The amount of conductive material contained in the air electrode is not particularly limited, but from the viewpoint of increasing the discharge capacity, it is preferably, for example, 10 to 99 mass%, more preferably 20 to 80 mass%, and even more preferably 20 to 60 mass%.
空気極にバインダーを含有させることで、触媒や導電性材料を固定化し、電池のサイクル特性を向上させることができる。バインダーとしては特に限定されず、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)及びその共重合体、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)及びその共重合体、スチレンブタジエンゴム(SBR)等が挙げられる。空気極におけるバインダーの含有量は、特に限定されないが、カーボン(導電性材料)と触媒との結着力の観点から、例えば、1~40質量%であることが好ましく、特に5~35質量%であることが好ましく、10~35質量%であることがより好ましい。 By incorporating a binder into the air electrode, the catalyst and conductive material can be immobilized, improving the cycle characteristics of the battery. There are no particular limitations on the binder, and examples include polyvinylidene fluoride (PVDF) and its copolymers, polytetrafluoroethylene (PTFE) and its copolymers, and styrene butadiene rubber (SBR). The content of the binder in the air electrode is not particularly limited, but from the viewpoint of the binding strength between the carbon (conductive material) and the catalyst, it is preferably, for example, 1 to 40 mass%, particularly preferably 5 to 35 mass%, and more preferably 10 to 35 mass%.
空気極は、例えば、上記した空気極構成材料を適当な溶媒に分散させて調製したスラリーを基材上に塗布、乾燥することで形成することができる。溶媒としては、特に限定されず、例えば、アセトン、N,N-ジメチルホルムアミド、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)等が挙げられる。空気極構成材料と溶媒との混合は、通常、3時間以上、好ましくは4時間行うことが好ましい。混合方法は特に限定されず、一般的な方法を採用することができる。 The air electrode can be formed, for example, by dispersing the air electrode constituent materials in a suitable solvent to prepare a slurry, which is then applied to a substrate and dried. The solvent is not particularly limited, and examples include acetone, N,N-dimethylformamide, and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP). The air electrode constituent materials and the solvent are usually mixed for 3 hours or more, and preferably 4 hours. There are no particular limitations on the mixing method, and a general method can be used.
スラリーを塗布する基材は、特に限定されず、ガラス板、テフロン(登録商標)板等が挙げられる。これら基材は、スラリーの乾燥後、得られた空気極から剥離される。或いは、空気極の集電体や、固体電解質層を、上記基材として扱うこともできる。この場合、基材は剥離せずに、金属空気二次電池の構成部材としてそのまま利用する。 The substrate to which the slurry is applied is not particularly limited, and examples include a glass plate, a Teflon (registered trademark) plate, etc. These substrates are peeled off from the resulting air electrode after the slurry is dried. Alternatively, the current collector of the air electrode or the solid electrolyte layer can be treated as the substrate. In this case, the substrate is not peeled off and is used as it is as a component of the metal-air secondary battery.
スラリーの塗布方法、乾燥方法は、特に限定されず、一般的な方法を採用することができる。例えば、スプレー法、ドクターブレード法、グラビア印刷法等の塗布方法、加熱乾燥、減圧乾燥等の乾燥方法を採用することができる。 The method of applying the slurry and the method of drying are not particularly limited, and any common method can be used. For example, application methods such as spraying, doctor blade, and gravure printing, and drying methods such as heat drying and reduced pressure drying can be used.
空気極の厚さは、特に限定されず、金属空気二次電池の用途等に応じて適宜設定すればよいが、通常、5~100μm、10~80μm、特に20~70μmであることが好ましい。 The thickness of the air electrode is not particularly limited and may be set appropriately depending on the application of the metal-air secondary battery, but is usually preferably 5 to 100 μm, 10 to 80 μm, and particularly preferably 20 to 70 μm.
空気極には、通常、空気極の集電を行う空気極集電体が接続される。空気極集電体の材料、形状は特に限定されない。空気極集電体の材料としては、例えば、ステンレス、アルミニウム、鉄、ニッケル、チタン、炭素(カーボン)等が挙げられる。また、空気極集電体の形状としては、箔状、板状、メッシュ(グリッド状)、繊維状等が挙げられ、中でもメッシュ状等の多孔質形状であることが好ましい。多孔質形状の集電体は、空気極への酸素供給効率に優れているからである。 An air electrode current collector that collects current from the air electrode is usually connected to the air electrode. The material and shape of the air electrode current collector are not particularly limited. Examples of materials for the air electrode current collector include stainless steel, aluminum, iron, nickel, titanium, and carbon. The shape of the air electrode current collector can be foil, plate, mesh (grid), fiber, etc., and among these, a porous shape such as a mesh is preferable. This is because a porous current collector has excellent oxygen supply efficiency to the air electrode.
<金属空気二次電池>
本発明の金属空気二次電池は、上記本発明の粒子状材料を含む触媒を含有する空気極と、負極活物質を含有する負極と、空気極と負極との間に介在する電解質と、を有する。本発明の金属空気二次電池の空気極には、本発明の粒子状材料を含む触媒が含有され、この触媒は優れたOER触媒及びORR触媒特性を示す。従って、この触媒を用いた空気極を用いることで、充電に必要な過電圧を低減し、放電時における電池の起電力を向上させ、高い効率を達成することができるので、本発明の金属空気二次電池は、充放電電圧に優れたものとなる。
<Metal-air secondary battery>
The metal-air secondary battery of the present invention has an air electrode containing a catalyst including the particulate material of the present invention, a negative electrode containing a negative electrode active material, and an electrolyte interposed between the air electrode and the negative electrode. The air electrode of the metal-air secondary battery of the present invention contains a catalyst including the particulate material of the present invention, and this catalyst exhibits excellent OER catalyst and ORR catalyst properties. Therefore, by using an air electrode using this catalyst, the overvoltage required for charging can be reduced, the electromotive force of the battery during discharge can be improved, and high efficiency can be achieved, so that the metal-air secondary battery of the present invention has excellent charge and discharge voltages.
また、空気極は前記のようにOER触媒活性を有する触媒又はORR触媒活性を有する触媒を共存させることもできる。 The air electrode can also contain a catalyst having OER catalytic activity or a catalyst having ORR catalytic activity, as described above.
以下、本発明の金属空気二次電池の一構成例について説明する。尚、本発明の金属空気二次電池は、以下の構成に限定されるものではない。図16は、本発明の金属空気二次電池の一形態例を示す断面図である。金属空気二次電池1は、酸素を活物質とする正極である空気極2、負極活物質を含有する負極3、空気極2及び負極3の間でイオン伝導を担う電解質4、空気極2の集電を行う空気極集電体5、及び負極3の集電を行う負極集電体6からなり、これらが図示しない電池ケースに収容されている。空気極2には、該空気極2の集電を行う空気極集電体5が電気的に接続され、空気極集電体5は、空気極2への酸素供給が可能な多孔質構造を有している。負極3には、該負極3の集電を行う負極集電体6が電気的に接続され、空気極集電体5及び負極集電体6の端部のうち一方は、電池ケースから突出している。それぞれ、正極端子(図示せず)、負極端子(図示せず)として機能する。 An example of the configuration of the metal-air secondary battery of the present invention will be described below. The metal-air secondary battery of the present invention is not limited to the following configuration. FIG. 16 is a cross-sectional view showing an example of the metal-air secondary battery of the present invention. The metal-air secondary battery 1 is composed of an air electrode 2, which is a positive electrode using oxygen as an active material, a negative electrode 3 containing a negative electrode active material, an electrolyte 4 that is responsible for ion conduction between the air electrode 2 and the negative electrode 3, an air electrode current collector 5 that collects current from the air electrode 2, and a negative electrode current collector 6 that collects current from the negative electrode 3, and these are housed in a battery case (not shown). The air electrode 2 is electrically connected to the air electrode current collector 5 that collects current from the air electrode 2, and the air electrode current collector 5 has a porous structure that can supply oxygen to the air electrode 2. The negative electrode 3 is electrically connected to the negative electrode current collector 6 that collects current from the negative electrode 3, and one of the ends of the air electrode current collector 5 and the negative electrode current collector 6 protrudes from the battery case. They function as a positive electrode terminal (not shown) and a negative electrode terminal (not shown), respectively.
(負極)
負極は、負極活物質を含有する。負極活物質としては、一般的な空気電池の負極活物質を用いることができ、特に限定されるものではない。負極活物質は、通常、金属イオンを吸蔵・放出することができるものである。具体的な負極活物質としては、例えば、Li、Na、K、Mg、Ca、Zn、Al、及びFe等の金属、これら金属の合金、酸化物及び窒化物、並びに炭素材料等が挙げられる。
(Negative electrode)
The negative electrode contains a negative electrode active material. The negative electrode active material may be a general air battery negative electrode active material, and is not particularly limited. The negative electrode active material is usually capable of absorbing and releasing metal ions. Specific examples of the negative electrode active material include metals such as Li, Na, K, Mg, Ca, Zn, Al, and Fe, alloys, oxides, and nitrides of these metals, and carbon materials.
中でも、亜鉛-空気二次電池は安全面において優れており、次世代の二次電池として期待されている。尚、高電圧高出力という観点からはリチウム-空気二次電池及びマグネシウム空気二次電池が有望である。
亜鉛-空気二次電池の例を以下に説明すると、反応式は以下の通りである。
An example of a zinc-air secondary battery will be explained below. The reaction formula is as follows:
本発明の亜鉛-空気二次電池において、負極としては、亜鉛イオンを吸蔵・放出可能な材料を用いる。このような負極としては、金属亜鉛のほかに、亜鉛合金を用いることもできる。亜鉛合金としては、例えば、アルミニウム、インジウム、マグネシウム、スズ、チタン、銅、から選択される一種または二種以上の元素を含有する亜鉛合金を挙げることができる。 In the zinc-air secondary battery of the present invention, a material capable of absorbing and releasing zinc ions is used as the negative electrode. In addition to metallic zinc, a zinc alloy can also be used as such a negative electrode. Examples of zinc alloys include zinc alloys containing one or more elements selected from aluminum, indium, magnesium, tin, titanium, and copper.
リチウム-空気二次電池の負極活物質としては、例えば金属リチウム;リチウムアルミニウム合金、リチウムスズ合金、リチウム鉛合金、リチウムケイ素合金等のリチウム合金;スズ酸化物、ケイ素酸化物、リチウムチタン酸化物、ニオブ酸化物、タングステン酸化物等の金属酸化物;スズ硫化物、チタン硫化物等の金属硫化物;リチウムコバルト窒化物、リチウム鉄窒化物、リチウムマンガン窒化物等の金属窒化物;並びにグラファイト等の炭素材料等を挙げることができ、中でも金属リチウムが好ましい。 Examples of negative electrode active materials for lithium-air secondary batteries include metallic lithium; lithium alloys such as lithium aluminum alloys, lithium tin alloys, lithium lead alloys, and lithium silicon alloys; metal oxides such as tin oxide, silicon oxide, lithium titanium oxide, niobium oxide, and tungsten oxide; metal sulfides such as tin sulfide and titanium sulfide; metal nitrides such as lithium cobalt nitride, lithium iron nitride, and lithium manganese nitride; and carbon materials such as graphite, with metallic lithium being preferred.
さらに、マグネシウム-空気二次電池の負極活物質としては、マグネシウムイオンを吸蔵・放出可能な材料を用いる。このような負極としては、金属マグネシウムのほかに、マグネシウムアルミニウム、マグネシウムシリコン、マグネシウムガリウムなどのマグネシウム合金などを用いることができる。 Furthermore, a material capable of absorbing and releasing magnesium ions is used as the negative electrode active material for magnesium-air secondary batteries. In addition to metallic magnesium, magnesium alloys such as magnesium aluminum, magnesium silicon, and magnesium gallium can also be used for such negative electrodes.
箔状や板状の金属や合金等を負極活物質として用いる場合には、該箔状や板状の負極活物質を負極そのものとして使用することができる。 When a foil- or plate-shaped metal, alloy, or the like is used as the negative electrode active material, the foil- or plate-shaped negative electrode active material can be used as the negative electrode itself.
負極は、少なくとも負極活物質を含有してればよいが、必要に応じて、負極活物質を固定化する結着材を含有していてもよい。結着材の種類、使用量等については、上述した空気極と同様であるため、ここでの説明は省略する。 The negative electrode needs to contain at least the negative electrode active material, but may contain a binder to fix the negative electrode active material if necessary. The type and amount of binder used are the same as those for the air electrode described above, so a description of them will be omitted here.
負極には、通常、負極の集電を行う負極集電体が接続される。負極集電体の材料、形状は特に限定されない。負極集電体の材料としては、例えば、ステンレス、銅、ニッケル等が挙げられる。また、負極集電体の形状としては、箔状、板状、メッシュ(グリッド状)等が挙げられる。 A negative electrode current collector that collects current from the negative electrode is usually connected to the negative electrode. The material and shape of the negative electrode current collector are not particularly limited. Examples of materials for the negative electrode current collector include stainless steel, copper, nickel, etc. Also, examples of shapes of the negative electrode current collector include foil, plate, mesh (grid), etc.
(電解質)
電解質は、空気極と負極との間に配置される。電解質を介して、負極と空気極との間の金属イオン伝導が行われる。電解質の形態は、特に限定されるものではなく、液体電解質、ゲル電解質、固体電解質等を挙げることができる。
(Electrolytes)
The electrolyte is disposed between the air electrode and the negative electrode. Metal ion conduction between the negative electrode and the air electrode occurs via the electrolyte. The form of the electrolyte is not particularly limited, and examples thereof include a liquid electrolyte, a gel electrolyte, and a solid electrolyte.
電解液は、負極が亜鉛又はその合金の場合を例に挙げれば、酸化亜鉛を含む水酸化カリウム水溶液や水酸化ナトリウム水溶液などのアルカリ水溶液を用いてもよいし、塩化亜鉛や過塩素酸亜鉛を含む水溶液を用いてもよいし、過塩素酸亜鉛を含む非水系溶媒や亜鉛ビス(トリフルオロメチルスルフォニル)イミドを含む非水系溶媒を用いてもよい。また、負極がマグネシウム又はその合金の場合を例に挙げれば、過塩素酸マグネシウムやマグネシウムビス(トリフルオロメチルスルフォニル)イミドを含む非水系溶媒を用いてもよい。ここで、非水系溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、γ-ブチロラクトン(γ-BL)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)など従来の二次電池やキャパシタに使われる有機溶媒が挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、複数を混合して用いてもよい。あるいは、N,N-ジエチル-N-メチル-N-(2-メトキシエチル)アンモニウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド(am)などのイオン性液体を用いることもできる。 For example, when the negative electrode is zinc or an alloy thereof, the electrolyte may be an alkaline aqueous solution such as an aqueous potassium hydroxide solution or an aqueous sodium hydroxide solution containing zinc oxide, an aqueous solution containing zinc chloride or zinc perchlorate, or a non-aqueous solvent containing zinc perchlorate or a non-aqueous solvent containing zinc bis(trifluoromethylsulfonyl)imide. For example, when the negative electrode is magnesium or an alloy thereof, a non-aqueous solvent containing magnesium perchlorate or magnesium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide may be used. Here, examples of non-aqueous solvents include organic solvents used in conventional secondary batteries and capacitors, such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), γ-butyrolactone (γ-BL), diethyl carbonate (DEC), and dimethyl carbonate (DMC). These may be used alone or in combination. Alternatively, an ionic liquid such as N,N-diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (am) can be used.
本発明の二次電池において、電解液は、デンドライト生成防止剤を含むことが好ましい。デンドライト生成防止剤は、充電時に負極表面に吸着して結晶面間のエネルギー差を小さくし、優先配向を防ぐことによりデンドライトの発生を抑制すると考えられる。デンドライト生成防止剤については特に限定はないが、例えば、ポリアルキレンイミン類、ポリアリルアミン類及び非対称ジアルキルスルフォン類からなる群より選ばれた少なくとも1種のものであることができる(例えば、特開2009-93983号公報参照)。また、デンドライト生成防止剤の使用量は、特に限定されるものではないが、例えば常温常圧で電解液に飽和する量だけ用いてもよいし、溶媒として用いてもよい。 In the secondary battery of the present invention, the electrolyte preferably contains a dendrite formation inhibitor. The dendrite formation inhibitor is believed to suppress the generation of dendrites by adsorbing to the negative electrode surface during charging, reducing the energy difference between crystal planes, and preventing preferred orientation. There are no particular limitations on the dendrite formation inhibitor, but it can be, for example, at least one selected from the group consisting of polyalkyleneimines, polyallylamines, and asymmetric dialkylsulfones (see, for example, JP 2009-93983 A). The amount of the dendrite formation inhibitor used is also not particularly limited, but it may be used in an amount that saturates the electrolyte at room temperature and normal pressure, or it may be used as a solvent.
リチウム-空気二次電池の場合、リチウムイオン伝導性を有する液体電解質は、通常、リチウム塩及び非水溶媒を含有する非水電解液である。上記リチウム塩としては、例えばLiPF6、LiBF4、LiClO4及びLiAsF6等の無機リチウム塩;並びにLiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、LiC(CF3SO2)3等の有機リチウム塩等を挙げることができる。 In the case of a lithium-air secondary battery, the liquid electrolyte having lithium ion conductivity is usually a non-aqueous electrolyte solution containing a lithium salt and a non-aqueous solvent. Examples of the lithium salt include inorganic lithium salts such as LiPF6 , LiBF4 , LiClO4 , and LiAsF6 , and organic lithium salts such as LiCF3SO3 , LiN( CF3SO2 ) 2 , LiN ( C2F5SO2 ) 2 , and LiC ( CF3SO2 ) 3 .
上記非水溶媒としては、例えばエチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ブチレンカーボネート、γ-ブチロラクトン、スルホラン、アセトニトリル、1,2-ジメトキシメタン、1,3-ジメトキシプロパン、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフラン及びこれらの混合物等を挙げることができる。非水溶媒としては、イオン液体を用いることもできる。 Examples of the non-aqueous solvent include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), butylene carbonate, γ-butyrolactone, sulfolane, acetonitrile, 1,2-dimethoxymethane, 1,3-dimethoxypropane, diethyl ether, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, and mixtures thereof. Ionic liquids can also be used as the non-aqueous solvent.
非水電解液におけるリチウム塩の濃度は、特に限定されないが、例えば0.1mol/L~3mol/Lの範囲内であることが好ましく、好ましくは1mol/Lである。尚、本発明においては、非水電解液として、例えばイオン性液体等の低揮発性液体を用いてもよい。 The concentration of the lithium salt in the non-aqueous electrolyte is not particularly limited, but is preferably within the range of 0.1 mol/L to 3 mol/L, and is preferably 1 mol/L. In the present invention, a low-volatility liquid such as an ionic liquid may be used as the non-aqueous electrolyte.
リチウムイオン伝導性を有するゲル電解質は、例えば、上記非水電解液にポリマーを添加してゲル化することで得ることができる。具体的には、上記非水電解液に、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリビニリデンフルオライド(PVDF、Arkema社製商品名Kynarなど)ポリアクリロニトリル(PAN)またはポリメチルメタクリレート(PMMA)等のポリマーを添加することにより、ゲル化を行うことができる。 A gel electrolyte having lithium ion conductivity can be obtained, for example, by adding a polymer to the non-aqueous electrolyte solution and gelling it. Specifically, gelling can be achieved by adding a polymer such as polyethylene oxide (PEO), polyvinylidene fluoride (PVDF, such as Kynar, a product of Arkema), polyacrylonitrile (PAN), or polymethyl methacrylate (PMMA) to the non-aqueous electrolyte solution.
リチウムイオン伝導性を有する固体電解質としては、特に限定されず、リチウム金属空気二次電池で使用可能な一般的な固体電解質を用いることができる。例えば、Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3等の酸化物固体電解質;Li2S-P2S5化合物、Li2S-SiS2化合物、Li2S-GeS2化合物等硫化物固体電解質;を挙げることができる。 The solid electrolyte having lithium ion conductivity is not particularly limited, and may be any general solid electrolyte that can be used in lithium metal air secondary batteries, such as oxide solid electrolytes such as Li1.5Al0.5Ge1.5 ( PO4 ) 3 , and sulfide solid electrolytes such as Li2S - P2S5 compound, Li2S - SiS2 compound , and Li2S - GeS2 compound.
電解質の厚さは、電池の構成によって大きく異なるものであるが、例えば10μm~5000μmの範囲内であることが好ましい。 The thickness of the electrolyte varies greatly depending on the battery configuration, but it is preferably within the range of 10 μm to 5000 μm, for example.
(付属構成)
本発明の金属空気二次電池において、空気極と負極との間には、これら電極間の電気的絶縁を確実に行うために、セパレータが配置されることが好ましい。セパレータは、空気極と負極との間の電気的絶縁が確保可能であると共に、空気極と負極との間に電解質が介在することが可能な構造を有していれば特に限定されない。
(Additional components)
In the metal-air secondary battery of the present invention, a separator is preferably disposed between the air electrode and the negative electrode in order to ensure electrical insulation between these electrodes. The separator is not particularly limited as long as it has a structure that can ensure electrical insulation between the air electrode and the negative electrode and allows an electrolyte to be interposed between the air electrode and the negative electrode.
セパレータとしては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、セルロース、ポリフッ化ビニリデン、ガラスセラミックス等の多孔膜;及び樹脂不織布、ガラス繊維不織布等の不織布等を挙げることができる。中でも、ガラスセラミックス製のセパレータが好ましい。 Examples of separators include porous membranes such as polyethylene, polypropylene, cellulose, polyvinylidene fluoride, and glass ceramics; and nonwoven fabrics such as resin nonwoven fabrics and glass fiber nonwoven fabrics. Among these, separators made of glass ceramics are preferred.
また、金属空気二次電池を収納する電池ケースとしては、一般的な金属空気二次電池の電池ケースを用いることができる。電池ケースの形状としては、上述した空気極、負極、及び電解質を保持することができれば特に限定されるものではないが、具体的にはコイン型、平板型、円筒型、ラミネート型等を挙げることができる。 As a battery case for housing the metal-air secondary battery, a battery case for a general metal-air secondary battery can be used. The shape of the battery case is not particularly limited as long as it can hold the air electrode, negative electrode, and electrolyte described above, but specific examples include a coin type, a flat type, a cylindrical type, and a laminate type.
本発明の金属空気二次電池は、空気極に活物質である酸素が供給されることにより、放電が可能となる。酸素供給源としては、空気の他、酸素ガス等が挙げられ、好ましくは酸素ガスである。供給する空気又は酸素ガスの圧力は特に限定されず、適宜設定すればよい。 The metal-air secondary battery of the present invention is capable of discharging when oxygen, which is an active material, is supplied to the air electrode. Examples of oxygen supply sources include air and oxygen gas, and oxygen gas is preferred. There are no particular limitations on the pressure of the air or oxygen gas supplied, and it may be set appropriately.
以下、本発明を実施例に基づいて更に詳細に説明する。但し、実施例は本発明の例示であって、本発明は実施例に限定される意図ではない。 The present invention will be described in more detail below with reference to examples. However, the examples are merely illustrative of the present invention, and the present invention is not intended to be limited to the examples.
(1)粒子状材料の合成
鉄族金属(Fe、Co、Ni)の硝酸塩を表1に示す所定のモル比で溶解させた水溶液150ml(金属の合計濃度が0.1M)に1M水酸化カリウム水溶液15mlを添加し、前駆体を合成した。前駆体をO2雰囲気下、100、150、200℃で12時間焼成することにより触媒を合成した。
(1) Synthesis of particulate material A precursor was synthesized by adding 15 ml of 1 M potassium hydroxide aqueous solution to 150 ml of an aqueous solution (total metal concentration 0.1 M) in which nitrates of iron group metals (Fe, Co, Ni) were dissolved in the molar ratios shown in Table 1. The precursor was calcined in an O2 atmosphere at 100, 150, and 200 °C for 12 hours to synthesize a catalyst.
(2)電気化学測定
得られた粉末試料をアセチレンブラック(AB)及びNafionと、試料:AB:Nafion=5:1:1の重量比になるようにエタノール中に分散させ、グラッシーカーボン(GC)電極に酸化物触媒量が10mgcm-2になるよう塗布した。電気化学測定は、VersaStat4(AMETEC社製)、回転リングディスク電極装置(PineReaserch社製)を用い、参照電極をHg/HgO電極、対極をPt線として、4M KOH水溶液中において行った。
(2) Electrochemical Measurement The obtained powder sample was dispersed in ethanol with acetylene black (AB) and Nafion in a weight ratio of sample:AB:Nafion = 5:1:1, and applied to a glassy carbon (GC) electrode in an amount of oxide catalyst of 10 mg cm -2 . Electrochemical measurements were performed in a 4M KOH aqueous solution using a VersaStat4 (manufactured by AMETEC) and a rotating ring-disk electrode device (manufactured by Pine Research) with a Hg/HgO electrode as the reference electrode and a Pt wire as the counter electrode.
東海カーボン製カーボンブラック粉末(TB300)とPTFE分散液をカーボン:PTFE=70:30の比率で混錬し、ロールプレス機で厚み0.3 mm程度のシート状に圧延した。得られたシートをφ12mmの円状に切り抜き、窒素雰囲気下335℃で熱処理することでガス拡散層を作製した。触媒試料をカーボン導電助剤(TB3800またはカーボンナノチップ)及びNafionと、試料:カーボン:Nafion=3:1:1の重量比になるように超純水:イソプロパノール=1:1の溶媒に分散させ、触媒層として酸化物触媒量が10mgcm-2になるようにガス拡散層に塗布した。触媒層を塗布したガス拡散層をニッケルメッシュと共に130℃、0.7tでホットプレスし、空気極を作製した。空気極をPFA製のセルに設置し、4M KOH水溶液を電解質として、40℃で空気極評価を行った。 Carbon black powder (TB300) manufactured by Tokai Carbon and PTFE dispersion liquid were mixed in a ratio of carbon:PTFE = 70:30, and rolled into a sheet of about 0.3 mm thickness using a roll press. The obtained sheet was cut into a circle of φ12 mm and heat-treated at 335 ° C under a nitrogen atmosphere to prepare a gas diffusion layer. The catalyst sample was dispersed in a solvent of ultrapure water:isopropanol = 1: 1 with a carbon conductive assistant (TB3800 or carbon nanochip) and Nafion so that the weight ratio of sample:carbon:Nafion = 3:1:1, and the catalyst was applied to the gas diffusion layer so that the amount of oxide catalyst was 10 mg cm -2 as a catalyst layer. The gas diffusion layer to which the catalyst layer was applied was hot pressed together with a nickel mesh at 130 ° C and 0.7 t to prepare an air electrode. The air electrode was placed in a PFA cell, and the air electrode was evaluated at 40 ° C using a 4 M KOH aqueous solution as an electrolyte.
(3)原料及び生成物中の元素比
合成した触媒試料の合成時における仕込比と得られた試料(150℃焼成物)をSEM-EDX(Sigma-500、Carl Zeiss社)で元素分析し、各金属原子の含有量を表1に示す。いずれの試料においても、Fe,Niの含有比率は仕込比率よりも大きい値を示した。以後、試料(焼成物)名に関しては、各元素の比の数値(x,y,z)を用いてCoxNiyFezと表記する。
(3) Elemental ratios in raw materials and products The feed ratios during synthesis of the synthesized catalyst samples and the obtained samples (calcined at 150°C) were subjected to elemental analysis using SEM-EDX (Sigma-500, Carl Zeiss), and the contents of each metal atom are shown in Table 1. In all samples, the content ratios of Fe and Ni were greater than the feed ratios. Hereinafter, the names of the samples (calcined products) will be expressed as CoxNiyFez, using the numerical values (x, y, z) of the ratios of each element.
実施例1
Co73Ni13Fe14試料における前駆体と100℃、150℃または200℃焼成触媒のXRDパターンを図1に示す。前駆体は、LDH(層状複水酸化物)と水酸化物に由来するピークを示したことから、これらの結晶構造を有する粒子の複合体であることがわかった。前駆体を100℃で焼成した触媒は、水酸化物のピークが消失し、LDHと酸水酸化物のピークを示した。150℃で焼成した触媒は、LDHのピークが消失し、酸水酸化物とスピネル型酸化物のピークを示した。200℃で焼成した触媒においては、酸水酸化物のピークが消失し、スピネル型酸化物のピークのみを示した。
Example 1
The XRD patterns of the precursor and the catalyst calcined at 100°C, 150°C or 200°C in the Co73Ni13Fe14 sample are shown in FIG. 1. The precursor showed peaks derived from LDH (layered double hydroxide) and hydroxide, and was found to be a composite of particles having these crystal structures. The catalyst calcined from the precursor at 100°C showed the peaks of hydroxide disappeared and the peaks of LDH and oxyhydroxide. The catalyst calcined at 150°C showed the peaks of LDH disappeared and the peaks of oxyhydroxide and spinel oxide. The catalyst calcined at 200°C showed the peaks of oxyhydroxide disappeared and only the peaks of spinel oxide.
Co73Ni13Fe14試料における前駆体および各温度で焼成した試料のORR、OER活性評価の結果を図2に示す。前駆体は、CFCOと同程度のORR活性と、CFCOよりも高いOER活性を示した。CFCOはWO2015/115592の実施例1で調製したCa2FeCoO5である。また、100℃焼成触媒は、前駆体と同程度の活性を示した。前駆体および100℃試料の結晶構造であるLDH、水酸化物、酸水酸化物は、ORR活性は低いが、高いOER活性を示す材料として知られており、本試料においても同様に低いORR活性と高いOER活性を示したものと考えられる。150℃焼成試料は、100℃焼成試料よりもORR活性が向上し、CFCOよりも高いORR活性を示した。また、100℃焼成試料よりもOER活性は低下し、CFCOと同程度のOER活性を示した。200℃試料は、150℃焼成試料よりもORR活性が向上し、OER活性は著しく低下した。150℃以上の焼成試料で見られたスピネル型酸化物は、一般的にORRに高活性な材料として知られているが、OER活性は、LDH、水酸化物、酸水酸化物よりも低い。本試料において、100℃焼成試料で見られたLDH、酸水酸化物が、150℃で部分的にスピネル型酸化物に変化したことでORR活性が向上し、OER活性が低下したと考えられる。200℃においては、試料全体がスピネル構造に変化したため、ORR活性は向上したものの、OER活性は著しく低下したと考えられる。以上より、バイファンクショナル触媒として最適な温度は、例えば、125-175℃程度と考えられる。 The results of ORR and OER activity evaluation of the precursor and samples calcined at each temperature in the Co73Ni13Fe14 sample are shown in FIG. 2. The precursor showed the same ORR activity as CFCO and higher OER activity than CFCO. CFCO is Ca2FeCoO5 prepared in Example 1 of WO2015/115592. The 100°C calcined catalyst also showed activity similar to that of the precursor. The LDH, hydroxide, and oxyhydroxide , which are the crystal structures of the precursor and the 100°C sample, are known as materials that show low ORR activity but high OER activity, and it is considered that this sample also showed low ORR activity and high OER activity. The 150°C calcined sample showed improved ORR activity than the 100°C calcined sample and showed higher ORR activity than CFCO. The OER activity was also lower than that of the 100°C calcined sample, and showed the same OER activity as CFCO. The 200°C sample had improved ORR activity and significantly decreased OER activity compared to the 150°C calcined sample. The spinel-type oxides found in the samples calcined at 150°C or higher are generally known as materials with high ORR activity, but their OER activity is lower than that of LDH, hydroxide, and oxyhydroxide. In this sample, the LDH and oxyhydroxide found in the 100°C calcined sample were partially converted to spinel-type oxides at 150°C, which is thought to have improved the ORR activity and decreased the OER activity. At 200°C, the entire sample was converted to a spinel structure, which is thought to have improved the ORR activity but significantly decreased the OER activity. From the above, it is thought that the optimal temperature for a bifunctional catalyst is, for example, about 125-175°C.
実施例2
Co80Ni6Fe14試料における前駆体と100℃または150℃焼成触媒のXRDパターンを図3に示す。Co80Ni6Fe14試料は、Co73Ni13Fe14試料と同様の結晶構造の変化を示した、すなわち、前駆体は、LDHと水酸化物のピーク、100℃で焼成した触媒は、水酸化物のピークが消失してLDHと酸水酸化物のピークを示し、150℃で焼成した触媒は、LDHのピークが消失して酸水酸化物とスピネル型酸化物のピークを示した。
Example 2
The XRD patterns of the precursor and the catalyst calcined at 100°C or 150°C for the Co80Ni6Fe14 sample are shown in Figure 3. The Co80Ni6Fe14 sample showed similar changes in crystal structure to the Co73Ni13Fe14 sample, i.e., the precursor showed LDH and hydroxide peaks, the catalyst calcined at 100°C showed LDH and oxyhydroxide peaks with the disappearance of the hydroxide peak, and the catalyst calcined at 150°C showed oxyhydroxide and spinel oxide peaks with the disappearance of the LDH peak.
Co80Ni6Fe14試料における前駆体および各温度で焼成した試料のORR、OER活性評価の結果を図4に示す。Co80Ni6Fe14試料はCo73Ni13Fe14試料と同様の傾向を示した。前駆体と100℃焼成試料においては、CFCOと同程度のORR、OER活性を示した。150℃試料においては、ORR活性が向上し、OER活性の低下がみられた。 Figure 4 shows the results of ORR and OER activity evaluation of the precursor and samples fired at each temperature for the Co80Ni6Fe14 sample. The Co80Ni6Fe14 sample showed a similar trend to the Co73Ni13Fe14 sample. The precursor and the sample fired at 100°C showed ORR and OER activity at the same level as CFCO. The 150°C sample showed improved ORR activity and a decrease in OER activity.
実施例3
Co84Ni12Fe4試料における前駆体と150℃焼成触媒のXRDパターンを図5に示す。Co84Ni12Fe4試料は、Co73Ni13Fe14試料の場合と類似した結晶構造の変化を示した、すなわち、前駆体は、LDHと水酸化物のピーク、150℃で焼成した触媒は、酸水酸化物とスピネル型酸化物のピークを示した。
Example 3
The XRD patterns of the precursor and 150°C calcined catalyst for the Co84Ni12Fe4 sample are shown in Figure 5. The Co84Ni12Fe4 sample showed similar crystal structure changes as the Co73Ni13Fe14 sample, i.e., the precursor showed LDH and hydroxide peaks, and the catalyst calcined at 150°C showed oxyhydroxide and spinel oxide peaks.
Co84Ni12Fe4試料における前駆体および各温度で焼成した試料のORR、OER活性評価の結果を図6に示す。前駆体試料においては、CFCOと同程度のORR活性を示し、OERにおいてはCFCOよりも低い活性を示した。150℃試料においては、ORR活性が向上し、OERにおいてはほぼ同程度の活性を示した。 Figure 6 shows the results of ORR and OER activity evaluation of the precursor and samples fired at each temperature for the Co84Ni12Fe4 sample. The precursor sample showed ORR activity similar to that of CFCO, but lower activity in OER than CFCO. The 150°C sample showed improved ORR activity and almost the same activity in OER.
参考例1
Co72Ni6Fe22試料における前駆体と100℃または150℃焼成触媒のXRDパターンを図7に示す。前駆体はLDHと水酸化物のピークを示した。100℃焼成試料においては、水酸化物のピークが消失し、酸水酸化物とスピネル型酸化物に由来するピークを示した。150℃焼成試料においては、LDHと酸水酸化物のピークが消失し、スピネル型酸化物のピークのみを示した。
Reference Example 1
The XRD patterns of the precursor and the catalyst calcined at 100°C or 150°C for the Co72Ni6Fe22 sample are shown in Figure 7. The precursor showed peaks of LDH and hydroxide. In the sample calcined at 100°C, the hydroxide peak disappeared, and peaks due to oxyhydroxide and spinel oxide were shown. In the sample calcined at 150°C, the LDH and oxyhydroxide peaks disappeared, and only the peak of spinel oxide was shown.
Co72Ni6Fe22試料における前駆体および各温度で焼成した試料のORR、OER活性評価の結果を図8に示す。前駆体、100℃焼成試料においては、CFCOと同様の低いORR活性とCFCOよりも高いOER活性を示した。150℃試料においては、若干のORR活性の向上が見られたが、150℃焼成Co73Ni13Fe14試料、150℃焼成Co80Ni6Fe14試料より低いORR活性を示した。150℃試料のOER活性は、前駆体、100℃焼成試料の活性よりも低くCFCOと同程度のOER活性を示した。 Figure 8 shows the results of ORR and OER activity evaluation of the precursor and samples fired at each temperature for the Co72Ni6Fe22 sample. The precursor and the sample fired at 100°C showed low ORR activity similar to that of CFCO, and higher OER activity than CFCO. The 150°C sample showed a slight improvement in ORR activity, but showed lower ORR activity than the 150°C fired Co73Ni13Fe14 sample and the 150°C fired Co80Ni6Fe14 sample. The OER activity of the 150°C sample was lower than that of the precursor and the 100°C fired sample, and showed the same level of OER activity as CFCO.
150℃焼成Co72Ni6Fe22試料はスピネル構造のみを示すことから、高いORR活性を示すことが予想されるが、実際には低いORR活性を示した。また、上記の4つの組成の150℃焼成触媒におけるORR活性を比較するとFeの含有率が高い試料ほど低いORR活性を示した。このことから、Fe比が大きいほどスピネル型酸化物のORR活性は低下すると考えられる。一方で、Fe比率が大きいほどOER活性が高いことがわかった。 The 150°C calcined Co72Ni6Fe22 sample exhibits only a spinel structure, and so is expected to exhibit high ORR activity, but in reality it exhibited low ORR activity. In addition, when comparing the ORR activity of the 150°C calcined catalysts of the above four compositions, the samples with a higher Fe content exhibited lower ORR activity. From this, it is believed that the higher the Fe ratio, the lower the ORR activity of the spinel-type oxide. On the other hand, it was found that the higher the Fe ratio, the higher the OER activity.
参考例2
Co65Ni20Fe15試料における前駆体と150℃焼成触媒のXRDパターンを図9に示す。Co65Ni20Fe15試料は、前駆体はLDHのみのピークを示し、150℃で焼成した触媒は、スピネル型酸化物のみのピークを示した。
Reference Example 2
The XRD patterns of the precursor and the catalyst calcined at 150° C. in the Co65Ni20Fe15 sample are shown in Figure 9. In the Co65Ni20Fe15 sample, the precursor showed a peak only for LDH, and the catalyst calcined at 150° C. showed a peak only for spinel-type oxide.
Co65Ni20Fe15試料における前駆体および各温度で焼成した試料のORR、OER活性評価の結果を図10に示す。前駆体試料は、CFCOと同程度のORR、OER活性を示した。150℃試料においては、若干のORR活性の向上が見られたが、150℃焼成Co73Ni13Fe14試料、150℃焼成Co80Ni6Fe14試料、150℃焼成Co84Ni12Fe4試料より低いORR活性を示した。OERにおいては、前駆体よりも低い活性を示した。 Figure 10 shows the results of ORR and OER activity evaluation of the precursor and samples fired at each temperature for the Co65Ni20Fe15 sample. The precursor sample showed ORR and OER activity comparable to that of CFCO. The 150°C sample showed a slight improvement in ORR activity, but showed lower ORR activity than the 150°C fired Co73Ni13Fe14 sample, the 150°C fired Co80Ni6Fe14 sample, and the 150°C fired Co84Ni12Fe4 sample. In OER, it showed lower activity than the precursor.
参考例3
Co50Ni36Fe14試料における前駆体と100℃または150℃焼成触媒のXRDパターンを図11に示す。Co50Ni36Fe14試料は、前駆体および焼成試料共にLDHのピークのみを示した。
Reference Example 3
The XRD patterns of the precursor and the catalyst calcined at 100° C. or 150° C. in the Co50Ni36Fe14 sample are shown in Figure 11. Both the precursor and the calcined sample of the Co50Ni36Fe14 sample showed only the LDH peak.
Co50Ni36Fe14試料における前駆体および各温度で焼成した試料のORR、OER活性評価の結果を図12に示す。Co65Ni5Fe10試料においては、前駆体、焼成試料共にほぼ同様の活性を示し、CFCOと同程度の低いORR活性と、CFCOよりも高いOER活性を示した。LDHはOERに高い活性を示す材料であり、焼成処理後も結晶構造が同じであったことから、ほぼ同様の活性を示したと考えられる。 Figure 12 shows the results of ORR and OER activity evaluation of the precursor and samples calcined at each temperature for the Co50Ni36Fe14 sample. For the Co65Ni5Fe10 sample, both the precursor and the calcined sample showed almost the same activity, with low ORR activity similar to that of CFCO and higher OER activity than CFCO. LDH is a material that shows high activity in OER, and since the crystal structure was the same even after calcination, it is believed to have shown almost the same activity.
[TEM像]
実施例1において、150℃焼成したCo73Ni13Fe14試料のTEM像を図13-1に示す。TEMは、JEM-2000FX(日本電子株式会社)である。試料は、粒径10nm程度の一次粒子が凝集した粒径数百nmの二次粒子の状態であることがわかった。高倍率TEM観察による一次粒子(金属酸水酸化物粒子塊及びスピネル型金属酸化物粒子塊)の格子間隔より結晶構造を同定したところ、二次粒子である粒子状材料はスピネル酸化物の一次粒子であるスピネル型金属酸化物粒子塊と酸水酸化物の一次粒子である金属酸水酸化物粒子塊が高度に分散した状態で複合化された状態であることがわかった。スピネル型酸化物粒子塊の平均粒径は5.1nm、酸水酸化物粒子塊の平均粒径は4.9nmであった。また、TEM-EDX分析より、スピネル型酸化物における金属含有量はCo原子60-85モル%、Ni原子7-20モル%、Fe原子3-18モル%であり、酸水酸化物における金属含有量はCo原子64-85モル%、Ni原子8-24モル%、Fe原子5-20モル%であることがわかり、いずれのナノ粒子も3種類全ての金属元素を含み、同程度の比率の分布があることがわかった。TEM-EDX分析の結果を図13-2に示す。
[TEM image]
FIG. 13-1 shows a TEM image of the Co73Ni13Fe14 sample sintered at 150°C in Example 1. The TEM was a JEM-2000FX (JEOL Ltd.). It was found that the sample was in a state of secondary particles with a particle size of several hundred nm, which were formed by agglomeration of primary particles with a particle size of about 10 nm. When the crystal structure was identified from the lattice spacing of the primary particles (metal oxide hydroxide particle agglomerates and spinel-type metal oxide particle agglomerates) observed with a high magnification TEM, it was found that the particulate material, which is a secondary particle, is in a state in which spinel-type metal oxide particle agglomerates, which are primary particles of spinel oxide, and metal oxide hydroxide particle agglomerates, which are primary particles of oxide hydroxide, are highly dispersed and composited. The average particle size of the spinel-type oxide particle agglomerates was 5.1 nm, and the average particle size of the oxide hydroxide particle agglomerates was 4.9 nm. In addition, TEM-EDX analysis revealed that the metal contents in the spinel oxide were 60-85 mol% Co atoms, 7-20 mol% Ni atoms, and 3-18 mol% Fe atoms, while the metal contents in the oxyhydroxide were 64-85 mol% Co atoms, 8-24 mol% Ni atoms, and 5-20 mol% Fe atoms, indicating that all nanoparticles contained all three metal elements with similar ratios. The results of the TEM-EDX analysis are shown in Figure 13-2.
[STEM像]
実施例2において、150℃焼成したCo80Ni6Fe14試料のSTEM像を図14-1に示す。STEMは、JEM-ARM200F(日本電子株式会社)である。試料は、実施例1と同様に、粒径10nm程度の一次粒子が凝集した粒径数百nmの粒子塊であることがわかった。高倍率STEM観察による一次粒子の格子間隔より結晶構造を同定したところ、粒子塊はスピネル型酸化物と酸水酸化物の一次粒子で高分散に複合された状態であることがわかった。スピネル酸化物粒子塊の平均粒径は6.3nm、酸水酸化物粒子塊の平均粒径は5.9nmであることがわかった。また、STEM-EDX分析より、スピネル型酸化物における金属含有量はCo:71-87モル%、Ni:4-13モル%、Fe:6-20モル%であり、酸水酸化物における金属含有量はCo:69-90モル%、Ni:5-16モル%、Fe:6-18モル%であることがわかり、いずれのナノ粒子も3種類全ての金属元素を含み、同程度の比率の分布があることがわかった。STEM-EDX分析の結果を図14-2に示す。
[STEM image]
FIG. 14-1 shows an STEM image of the Co80Ni6Fe14 sample sintered at 150° C. in Example 2. The STEM was a JEM-ARM200F (JEOL Ltd.). As in Example 1, the sample was found to be a particle mass having a particle size of several hundred nm, which was formed by agglomeration of primary particles having a particle size of about 10 nm. When the crystal structure was identified from the lattice spacing of the primary particles by high-magnification STEM observation, it was found that the particle mass was in a state where primary particles of spinel oxide and oxyhydroxide were highly dispersed and composited. It was found that the average particle size of the spinel oxide particle mass was 6.3 nm, and the average particle size of the oxyhydroxide particle mass was 5.9 nm. In addition, the STEM-EDX analysis showed that the metal contents in the spinel oxide were Co: 71-87 mol%, Ni: 4-13 mol%, and Fe: 6-20 mol%, and the metal contents in the oxyhydroxide were Co: 69-90 mol%, Ni: 5-16 mol%, and Fe: 6-18 mol%, indicating that all nanoparticles contained all three metal elements with the same ratio distribution. The results of the STEM-EDX analysis are shown in Figure 14-2.
[組成比とORR、OER活性の関係]
実施例1~3及び参考例1~3で合成した試料の組成比とORR活性及びOER活性の傾向を検討すると、Ni原子およびFe原子の含有比(モル%表示)が大きいほどOER活性が高いことが分かった。一方で、ORR活性においては、スピネル型酸化物の結晶構造を有している時は、Ni原子含有比が大きく、Fe含有比が小さいほどORR活性が高いことがわかった。合成した試料の組成比と結晶構造の相関を検討すると、Ni原子含有量が25モル%超の場合、前駆体では水酸化物が生成せずにLDHのみが生成し、焼成後においては酸水酸化物が生成せずにスピネル型酸化物のみが生成するかLDHの結晶構造のまま変化しないことがわかった。以上の結果から、Co原子含有量が60~95、Ni原子含有量が1~25モル%、Fe含有量が1~20モル%の範囲において焼成処理により酸水酸化物とスピネル型酸化物が共存するバイファンクショナル触媒が得られることが分かった。特に、150℃焼成したCo73Ni13Fe14試料が、実施例で得られた資料の中では、バイファンクショナル触媒として最も高い活性を示すことがわかった。
[Relationship between composition ratio and ORR, OER activity]
When the composition ratios of the samples synthesized in Examples 1 to 3 and Reference Examples 1 to 3 and the tendency of the ORR activity and the OER activity were examined, it was found that the higher the content ratio of Ni atoms and Fe atoms (in mol%), the higher the OER activity. On the other hand, in the ORR activity, when the crystal structure of a spinel-type oxide is present, the higher the Ni atom content ratio and the lower the Fe content ratio, the higher the ORR activity. When the correlation between the composition ratio and the crystal structure of the synthesized sample was examined, it was found that when the Ni atom content is more than 25 mol%, no hydroxide is generated in the precursor and only LDH is generated, and after calcination, no oxyhydroxide is generated and only spinel-type oxide is generated or the crystal structure of LDH remains unchanged. From the above results, it was found that a bifunctional catalyst in which oxyhydroxide and spinel-type oxide coexist can be obtained by calcination treatment in the range of Co atom content 60 to 95, Ni atom content 1 to 25 mol%, and Fe content 1 to 20 mol%. In particular, it was found that the Co73Ni13Fe14 sample calcined at 150°C exhibited the highest activity as a bifunctional catalyst among the samples obtained in the examples.
[空気極耐久試験結果]
150℃焼成したCo73Ni13Fe14試料(実施例1)をガス拡散電極に適用し、空気極としてサイクル耐久試験を行った。20mAcm-2の定電流条件において1サイクルにつきOERとORRをそれぞれ1時間行った時の、サイクル数の経過に伴う電極電位を図15に示す。試験中、ほぼ一定の安定したOER活性を示し、ORR活性はサイクル数の増加に伴い徐々に向上した。全体の過電圧はサイクル数の増加に伴い減少した。150℃焼成したCo73Ni13Fe14試料は良好なバイファンクショナル性能を示し、空気極触媒として450サイクル(1.5か月)という高い耐久性を示すことが明らかとなった。
[Air electrode durability test results]
The Co73Ni13Fe14 sample (Example 1) calcined at 150°C was applied to a gas diffusion electrode and subjected to a cycle durability test as an air electrode. Figure 15 shows the electrode potential over the number of cycles when OER and ORR were performed for 1 hour each per cycle under a constant current condition of 20 mA cm -2 . During the test, the OER activity was almost constant and stable, and the ORR activity gradually improved with the increase in the number of cycles. The overall overvoltage decreased with the increase in the number of cycles. It was revealed that the Co73Ni13Fe14 sample calcined at 150°C showed good bifunctional performance and showed high durability of 450 cycles (1.5 months) as an air electrode catalyst.
本発明は、二次電池、次世代型高容量二次電池として期待されている金属空気二次電池分野において有用である。 The present invention is useful in the field of secondary batteries, particularly metal-air secondary batteries, which are expected to be the next generation of high-capacity secondary batteries.
1 金属空気二次電池
2 空気極
3 負極
4 電解質4
5 空気極集電体
6 負極集電体6
1 Metal-air secondary battery 2 Air electrode 3 Negative electrode 4 Electrolyte 4
5 Air electrode current collector 6 Negative electrode current collector 6
Claims (11)
Co原子を70~95モル%、Ni原子を1~25モル%及びFe原子を1~20モル%含有し、かつ、Ni原子及びFe原子の合計含有量が5モル%以上であり、但し、Co原子、Ni原子及びFe原子の合計を100モル%とし、前記金属酸水酸化物及び前記スピネル型金属酸化物のピークがXRD測定によって検出される、粒子状材料。 The metal oxide hydroxide particle agglomerate containing Co, Ni and Fe and having a particle size in the range of 1 to 100 nm, and a spinel-type metal oxide particle agglomerate containing Co, Ni and Fe and having a particle size in the range of 1 to 100 nm are contained in one particle,
A particulate material containing 70 to 95 mol % Co atoms, 1 to 25 mol % Ni atoms, and 1 to 20 mol % Fe atoms, with the total content of Ni atoms and Fe atoms being 5 mol % or more, with the proviso that the total of Co atoms, Ni atoms, and Fe atoms is 100 mol %, and peaks of the metal oxide hydroxide and the spinel metal oxide are detected by XRD measurement .
前記スピネル型金属酸化物粒子塊は、Co原子を70~95モル%、Ni原子を1~25モル%及びFe原子を1~20モル%含有し、Ni原子及びFe原子の合計含有量が5モル%以上である、但し、いずれの場合も、Co原子、Ni原子及びFe原子の合計を100モル%とする、請求項1~3のいずれか1項に記載の粒子状材料。 the metal oxide hydroxide particle agglomerates contain 70 to 95 mol % of Co atoms, 1 to 25 mol % of Ni atoms, and 1 to 20 mol % of Fe atoms, the total content of Ni atoms and Fe atoms being 5 mol % or more;
The particulate material according to any one of claims 1 to 3, wherein the spinel-type metal oxide particle agglomerates contain 70 to 95 mol % Co atoms, 1 to 25 mol % Ni atoms, and 1 to 20 mol % Fe atoms, with the total content of Ni atoms and Fe atoms being 5 mol % or more, provided that in each case , the total of Co atoms, Ni atoms, and Fe atoms is 100 mol %.
Co原子を70~95モル%、Ni原子を1~25モル%及びFe原子を1~20モル%含有し、かつ、Ni原子及びFe原子の合計含有量が5モル%以上であり、但し、Co原子、Ni原子及びFe原子の合計を100モル%とし、前記金属酸水酸化物及び前記スピネル型金属酸化物のピークがXRD測定によって検出される粒子状材料を得る、粒子状材料の製造方法。 a precursor containing a layered double hydroxide containing Co, Ni and Fe and a metal hydroxide containing Co, Ni and Fe is fired at a temperature in the range of 110 to 190°C to produce a metal oxide hydroxide particle agglomerate containing Co, Ni and Fe having a particle size in the range of 1 to 100 nm and a spinel type metal oxide particle agglomerate containing Co, Ni and Fe having a particle size in the range of 1 to 100 nm,
A method for producing a particulate material comprising obtaining a particulate material containing 70 to 95 mol % Co atoms, 1 to 25 mol % Ni atoms, and 1 to 20 mol % Fe atoms, with the total content of Ni atoms and Fe atoms being 5 mol % or more, with the proviso that the total of Co atoms, Ni atoms, and Fe atoms is 100 mol %, and in which peaks of the metal oxide hydroxide and the spinel metal oxide are detected by XRD measurement .
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2020187522A JP7591256B2 (en) | 2020-11-10 | 2020-11-10 | Particulate material, its manufacturing method and use |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2020187522A JP7591256B2 (en) | 2020-11-10 | 2020-11-10 | Particulate material, its manufacturing method and use |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2022076882A JP2022076882A (en) | 2022-05-20 |
| JP7591256B2 true JP7591256B2 (en) | 2024-11-28 |
Family
ID=81618242
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2020187522A Active JP7591256B2 (en) | 2020-11-10 | 2020-11-10 | Particulate material, its manufacturing method and use |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP7591256B2 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2024102722A (en) * | 2023-01-19 | 2024-07-31 | 三菱重工業株式会社 | Positive electrode for metal-air battery, metal-air battery including said positive electrode, and method for manufacturing said positive electrode |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2015110509A (en) | 2013-11-08 | 2015-06-18 | 東ソー株式会社 | Nickel-manganese composite oxide, method of producing the same, and application thereof |
| WO2020096022A1 (en) | 2018-11-08 | 2020-05-14 | 国立大学法人北海道大学 | Material for oxygen evolution (oer) electrode catalyst, and use thereof |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH03293703A (en) * | 1989-08-09 | 1991-12-25 | Mitsui Toatsu Chem Inc | Ferromagnetic metallic particle and manufacture thereof |
-
2020
- 2020-11-10 JP JP2020187522A patent/JP7591256B2/en active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2015110509A (en) | 2013-11-08 | 2015-06-18 | 東ソー株式会社 | Nickel-manganese composite oxide, method of producing the same, and application thereof |
| WO2020096022A1 (en) | 2018-11-08 | 2020-05-14 | 国立大学法人北海道大学 | Material for oxygen evolution (oer) electrode catalyst, and use thereof |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2022076882A (en) | 2022-05-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP7573271B2 (en) | Oxygen evolution (OER) electrocatalyst materials and their uses | |
| CN104737352B (en) | Battery | |
| JP6246999B2 (en) | Zinc negative electrode mixture and battery using the zinc negative electrode mixture | |
| KR101562686B1 (en) | Oxycobalt hydroxide particulate powder and manufacturing method therefor, as well as lithium cobaltate particulate powder, manufacturing method therefor, and non-aqueous electrolyte secondary battery using the same | |
| JP5953576B2 (en) | Air electrode catalyst layer for metal-air secondary battery | |
| CN114342121A (en) | Positive electrode active material for lithium ion secondary battery and lithium ion secondary battery | |
| JP6436444B2 (en) | Zinc-air secondary battery air electrode catalyst, Brown mirror light type transition metal oxide as zinc-air secondary battery air electrode catalyst, zinc-air secondary battery air electrode, zinc-air secondary Secondary battery, electrode catalyst for electrolysis, electrode for electrolysis and electrolysis method | |
| JP6731199B2 (en) | Catalyst for oxygen reduction reaction and air electrode for metal-air secondary battery | |
| JP5580931B2 (en) | Cathode catalyst for metal-air secondary battery and metal-air secondary battery | |
| CN113611856B (en) | Cathode material, preparation method thereof and lithium ion battery | |
| CN117501495A (en) | Layered oxide, preparation method thereof, positive electrode sheet, secondary battery, battery module, battery pack and electrical device | |
| CN117716537A (en) | Positive electrode active material, method for producing same, secondary battery, battery module, battery pack, and electric device | |
| WO2020262264A1 (en) | Positive electrode active material for lithium ion secondary batteries, method for producing same, and lithium ion secondary battery | |
| WO2013080515A1 (en) | Negative electrode active material, electrical storage device, and method for producing negative electrode active material | |
| JPWO2019189679A1 (en) | Non-aqueous electrolyte Positive electrode active material for secondary batteries | |
| JP7591256B2 (en) | Particulate material, its manufacturing method and use | |
| JPWO2019093441A1 (en) | Amorphous transition metal oxides and their uses | |
| JP7569299B2 (en) | Positive electrode active material for lithium ion batteries, manufacturing method thereof, and lithium ion battery | |
| JP6059632B2 (en) | Lithium air secondary battery | |
| JP2015069960A (en) | Lithium air secondary battery | |
| JP6957013B2 (en) | Positive electrode material for non-aqueous electrolyte secondary batteries and its manufacturing method | |
| JP6995346B2 (en) | Positive electrode material for lithium secondary batteries and its manufacturing method | |
| WO2022070648A1 (en) | Non-aqueous electrolyte secondary battery | |
| JP2014102893A (en) | Nonaqueous electrolyte secondary battery |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20231006 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20240515 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20240604 |
|
| A601 | Written request for extension of time |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601 Effective date: 20240801 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20240926 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20241105 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20241111 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7591256 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |