JP7669722B2 - Sodium Transition Metal Polyanions - Google Patents
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Description
本開示は、新規のナトリウム遷移金属ポリアニオンとその製造方法に関する。 This disclosure relates to novel sodium transition metal polyanions and methods for producing them.
ナトリウム二次電池は、レアメタルであるリチウムを使用しないため、ポストリチウム二次電池として注目を集めている。ナトリウム二次電池の正極活物質として、遷移金属酸化物、ポリアニオン又はフッ化物などの対アニオンとナトリウムとを含有するナトリウム遷移金属含有材料が検討されている。ナトリウム遷移金属含有材料の中でもナトリウム含有遷移金属ポリアニオンは、高い充放電容量の発現が期待されている。 Sodium secondary batteries are attracting attention as post-lithium secondary batteries because they do not use lithium, a rare metal. Sodium transition metal-containing materials that contain sodium and a counter anion such as a transition metal oxide, polyanion, or fluoride are being considered as positive electrode active materials for sodium secondary batteries. Among sodium transition metal-containing materials, sodium-containing transition metal polyanions are expected to exhibit high charge/discharge capacity.
例えば、オリビン構造を有するナトリウム含有遷移金属リン酸化合物であるナトリウムリン酸鉄(NaFePO4)などは、Naカチオンの可逆的な挿入脱離反応を行うことが報告されている(例えば、特許文献1)。しかしながら、得られる放電容量は60mAh/g程度の低い容量に留まっている。 For example, sodium iron phosphate (NaFePO 4 ), a sodium-containing transition metal phosphate compound having an olivine structure, has been reported to undergo reversible insertion and desorption reactions of Na cations (see, for example, Patent Document 1). However, the discharge capacity obtained remains low at around 60 mAh/g.
本開示は、新規のナトリウム遷移金属ポリアニオン、これを含む正極活物質及びナトリウム二次電池、並びに、これらの製造方法の少なくともいずれかを提供することを目的とする。 The present disclosure aims to provide at least one of a novel sodium transition metal polyanion, a positive electrode active material and a sodium secondary battery containing the same, and a method for producing the same.
本開示では新規なナトリウム遷移金属ポリアニオンを見出し、これがナトリウム二次電池の正極活物質として使用できること、更には当該ナトリウム遷移金属ポリアニオンを正極材とするナトリウム二次電池が、従来のナトリウム二次電池より高い放電容量を発現することを見出した。 In this disclosure, we have discovered a new sodium transition metal polyanion that can be used as a positive electrode active material in sodium secondary batteries, and further discovered that a sodium secondary battery using this sodium transition metal polyanion as a positive electrode material exhibits a higher discharge capacity than conventional sodium secondary batteries.
すなわち、本発明は特許請求の記載のとおりであり、また、本開示の要旨は以下のとおりである。
[1] 一般式Na3M3(PO4)4(但し、MはFe、Mn、Ni及びCoの群から選ばれる1以上)で表される粉末X線回折パターンを有し、結晶構造が単斜晶であり、なおかつ、格子定数が、それぞれ、
aが19.45Å以上19.75Å以下、
bが6.30Å以上6.45Å以下、及び、
cが10.45Å以上10.75Å以下、
βが90.1°以上93.3°以下であることを特徴とするナトリウム遷移金属ポリアニオン。
[2] 前記格子定数が、aが19.63Å以下、bが6.38Å以下又はβが91.5°以下である上記[1]に記載のナトリウム遷移金属ポリアニオン。
[3] 前記単斜晶が、空間群C2/cに属する単斜晶である、上記[1]又は[2]に記載のナトリウム遷移金属ポリアニオン。
[4] 前記ナトリウム遷移金属ポリアニオンが、マンガン、ニッケル及びコバルトの群から選ばれる1以上と、鉄と、を含む上記[1]乃至[3]のいずれかひとつに記載のナトリウム遷移金属ポリアニオン。
[5] 前記ナトリウム遷移金属ポリアニオンの粉末X線回折パターンに占める、前記ナトリウム遷移金属ポリアニオンの粉末X線回折パターンに占める、一般式Na3M3(PO4)4(但し、MはFe、Mn、Ni及びCoの群から選ばれる1以上)で表される粉末X線回折パターンの割合が、80%以上である、上記[1]乃至[4]の少なくともいずれかに記載のナトリウム遷移金属ポリアニオン。
[6] 被覆層を含む上記[1]乃至[5]のいずれかひとつに記載のナトリウム遷移金属ポリアニオン。
[7] ナトリウム源、遷移金属源、リン酸源及び水を含有し、pHが4.0以上11.0以下である組成物を140℃以上250℃以下で水熱処理する工程、を有することを特徴とする上記[1]乃至[6]のいずれかひとつに記載のナトリウム遷移金属ポリアニオンの製造方法。
[8] 前記pHが6.0以上9.0以下である、上記[7]に記載の製造方法。
[9] 前記遷移金属源が、Fe、Mn、Ni及びCoの群から選ばれる1以上を含む酸化物、水酸化物、オキシ水酸化物、リン酸塩、亜硫酸塩、硫酸塩、硝酸塩、塩化物、酢酸塩、臭化物又はフッ化物の群から選ばれる1以上である、上記[7]又は[8]に記載の製造方法。
[10] 上記[1]乃至[6]のいずれかひとつに記載のナトリウム遷移金属ポリアニオンを含む正極活物質。
[11] 上記[1]乃至[6]のいずれかひとつに記載のナトリウム遷移金属ポリアニオンを含む正極と、負極及び電解液を備えることを特徴とするナトリウム二次電池。
[12] 前記負極が、少なくともNaTi2(PO4)3を含む上記[11]に記載のナトリウム二次電池。
[13] 前記電解液が、少なくともNaClO4を含む上記[11]又は[12]に記載のナトリウム二次電池。
[14] 前記電解液が、水系電解液である上記[11]乃至[13]のいずれかひとつに記載のナトリウム二次電池。
[15] 前記電解液が、非水系電解液である上記[11]乃至[13]のいずれかひとつに記載のナトリウム二次電池。
That is, the present invention is as described in the claims, and the gist of the present disclosure is as follows.
[1] A powder X-ray diffraction pattern represented by the general formula Na 3 M 3 (PO 4 ) 4 (wherein M is one or more selected from the group consisting of Fe, Mn, Ni, and Co), a monoclinic crystal structure, and lattice constants of:
a is 19.45 Å or more and 19.75 Å or less;
b is 6.30 Å or more and 6.45 Å or less; and
c is 10.45 Å or more and 10.75 Å or less;
A sodium transition metal polyanion, characterized in that β is 90.1° or more and 93.3° or less.
[2] The sodium transition metal polyanion according to the above [1], wherein the lattice constants are a: 19.63 Å or less, b: 6.38 Å or less, or β: 91.5° or less.
[3] The sodium transition metal polyanion according to the above [1] or [2], wherein the monoclinic crystal is a monoclinic crystal belonging to the space group C2/c.
[4] The sodium transition metal polyanion according to any one of the above [1] to [3], which contains one or more elements selected from the group consisting of manganese, nickel and cobalt, and iron.
[5] The sodium transition metal polyanion according to at least any one of the above [1] to [4], wherein the proportion of a powder X-ray diffraction pattern represented by the general formula Na 3 M 3 (PO 4 ) 4 (wherein M is one or more selected from the group consisting of Fe, Mn, Ni, and Co) in a powder X-ray diffraction pattern of the sodium transition metal polyanion is 80% or more.
[6] The sodium transition metal polyanion according to any one of [1] to [5] above, which comprises a coating layer.
[7] A method for producing a sodium transition metal polyanion according to any one of [1] to [6] above, comprising a step of subjecting a composition containing a sodium source, a transition metal source, a phosphate source, and water and having a pH of 4.0 or more and 11.0 or less to hydrothermal treatment at 140° C. or more and 250° C. or less.
[8] The method according to the above [7], wherein the pH is 6.0 or more and 9.0 or less.
[9] The method according to the above [7] or [8], wherein the transition metal source is one or more selected from the group consisting of oxides, hydroxides, oxyhydroxides, phosphates, sulfites, sulfates, nitrates, chlorides, acetates, bromides, and fluorides containing one or more selected from the group consisting of Fe, Mn, Ni, and Co.
[10] A positive electrode active material comprising the sodium transition metal polyanion according to any one of [1] to [6] above.
[11] A sodium secondary battery comprising a positive electrode containing the sodium transition metal polyanion according to any one of [1] to [6] above, a negative electrode, and an electrolyte.
[12] The sodium secondary battery according to the above [11], wherein the negative electrode contains at least NaTi 2 (PO 4 ) 3 .
[13] The sodium secondary battery according to the above [11] or [12], wherein the electrolytic solution contains at least NaClO4 .
[14] The sodium secondary battery according to any one of the above [11] to [13], wherein the electrolytic solution is an aqueous electrolytic solution.
[15] The sodium secondary battery according to any one of the above [11] to [13], wherein the electrolytic solution is a non-aqueous electrolytic solution.
本開示により、新規のナトリウム遷移金属ポリアニオン、これを含む正極活物質、ナトリウム二次電池及びこれらの製造方法の少なくともいずれか提供することができる。 The present disclosure provides at least one of a novel sodium transition metal polyanion, a positive electrode active material containing the same, a sodium secondary battery, and a method for producing the same.
<ナトリウム遷移金属ポリアニオン>
以下、本開示のナトリウム遷移金属ポリアニオンについて実施形態の一例を示して説明する。
Sodium Transition Metal Polyanions
The sodium transition metal polyanion of the present disclosure will be described below with reference to an example of an embodiment.
本実施形態のナトリウム遷移金属ポリアニオンは、一般式Na3M3(PO4)4(MはFe、Mn、Ni及びCoの群から選ばれる1以上)で表される粉末X線回折パターンを有し、結晶構造が単斜晶であり、なおかつ、格子定数が、それぞれ、aが19.45Å以上19.75Å以下、bが6.30Å以上6.45Å以下、及び、cが10.45Å以上10.75Å以下、βが90.1°以上93.3°以下であることを特徴とするナトリウム遷移金属ポリアニオンである。 The sodium transition metal polyanion of this embodiment is a sodium transition metal polyanion having a powder X-ray diffraction pattern represented by the general formula Na3M3 ( PO4 ) 4 (M is one or more selected from the group consisting of Fe, Mn, Ni, and Co), a monoclinic crystal structure, and lattice constants a of 19.45 Å to 19.75 Å, b of 6.30 Å to 6.45 Å, c of 10.45 Å to 10.75 Å, and β of 90.1° to 93.3°, respectively.
本実施形態において「ナトリウム遷移金属ポリアニオン(Sodium Transition-Metal Polyanion;以下、「NaTP」ともいい、遷移金属が鉄である場合等は、それぞれ、「ナトリウム鉄ポリアニオン」又は「NaFeP」等ともいう。)」は、ナトリウム(Na)、遷移金属及び2以上のアニオンからなる化合物であり、人工的に合成された化合物、すなわち合成ナトリウム遷移金属ポリアニオン、であることが好ましい。 In this embodiment, the "sodium transition metal polyanion (hereinafter also referred to as "NaTP" and, when the transition metal is iron, also referred to as "sodium iron polyanion" or "NaFeP")" is a compound consisting of sodium (Na), a transition metal, and two or more anions, and is preferably an artificially synthesized compound, i.e., a synthetic sodium transition metal polyanion.
本実施形態のNaTPに含まれる遷移金属は、鉄(Fe)、マンガン(Mn)、ニッケル(Ni)及びコバルト(Co)の群から選ばれる1以上であり、鉄、マンガン及びニッケルの群から選ばれる1以上、更には鉄及びマンガンの少なくともいずれか、また更には鉄である。本実施形態のNaTPは、鉄を含んでいることが好ましく、マンガン、ニッケル及びコバルトの群から選ばれる1以上と、鉄と、を含んでいてもよく、マンガン及びコバルトの少なくともいずれかと、鉄と、を含んでいてもよい。更には、本実施形態のNaTPは、少なくとも、マンガン、ニッケル及びコバルトの群から選ばれる1以上を含んでいてもよい。 The transition metal contained in the NaTP of this embodiment is one or more selected from the group of iron (Fe), manganese (Mn), nickel (Ni) and cobalt (Co), one or more selected from the group of iron, manganese and nickel, at least one of iron and manganese, or even iron. The NaTP of this embodiment preferably contains iron, and may contain one or more selected from the group of manganese, nickel and cobalt and iron, or may contain at least one of manganese and cobalt and iron. Furthermore, the NaTP of this embodiment may contain at least one or more selected from the group of manganese, nickel and cobalt.
アニオンはリン酸イオン(PO4 3-)であることが好ましい。 The anion is preferably a phosphate ion (PO 4 3− ).
本実施形態のNaTPは、リン酸水素イオン(HPO4 2-)水酸化物イオン(OH-)、塩化物イオン(Cl-)、臭化物イオン(Br-)、硫酸イオン(SO4 2-)及び硝酸イオン(NO3 -)の群から選ばれる1以上のアニオンを含まないことが好ましく、塩化物イオンを含まないことがより好ましい。 The NaTP of the present embodiment preferably does not contain one or more anions selected from the group consisting of hydrogen phosphate ion (HPO 4 2− ), hydroxide ion (OH − ), chloride ion (Cl − ), bromide ion (Br − ), sulfate ion (SO 4 2− ), and nitrate ion (NO 3 − ), and more preferably does not contain chloride ion.
本実施形態のNaTPは、一般式Na3M3(PO4)4(MはFe、Mn、Ni及びCoの群から選ばれる1以上)で表される粉末X線回折パターン(以下、「XRDパターン」ともいう。)を有する。XRDパターンは、一般的な粉末X線回折装置を使用して測定すればよい。XRDパターンの好ましい測定条件として、以下の条件が例示できる。
線源 : CuKα線(λ=1.5405Å)
測定モード : ステップスキャン
スキャン条件 : 20°/分
計測時間 : 3秒
2θ : 5°から90°
The NaTP of this embodiment has a powder X-ray diffraction pattern (hereinafter also referred to as "XRD pattern") represented by the general formula Na3M3 ( PO4 ) 4 (M is one or more selected from the group consisting of Fe, Mn, Ni, and Co). The XRD pattern may be measured using a general powder X-ray diffractometer. The following conditions can be exemplified as preferred measurement conditions for the XRD pattern.
Radiation source: CuKα radiation (λ=1.5405Å)
Measurement mode: Step scan
Scan condition: 20°/min
Measurement time: 3 seconds
2θ: 5° to 90°
一般式Na3M3(PO4)4(MはFe、Mn、Ni及びCoの群から選ばれる1以上)で表されるXRDパターン(以下、「メインXRDパターン」ともいう。)は、シミュレーションにより得られるメインXRDパターン(以下、「シミュレーションパターン」ともいう。)と、測定された本実施形態のNaTPのXRDパターンと、のRietveld解析による対比(フィッティング)によって、その存在及び存在割合を確認すればよい。シミュレーションパターンは、Na3Fe3(PO4)4、又は、Na3Fe3(PO4)4のFeを任意の遷移金属(M、すなわち、Fe、Mn、Ni及びCoの群から選ばれる1以上)に置換した化合物の計算により求まるXRDパターンであればよい。本実施形態のNaTPのフィッティングで使用する好ましいシミュレーションパターンとして、Materials Research Bulletin 37 (2002) 2407-2416(以下、「参照文献」ともいう。)に記載のNa3Fe3(PO4)4のXRDパターン、が挙げられる。本実施形態において、該XRDパターンは、少なくともFeを含むNaTPのフィッティングにおけるシミュレーションパターンとして使用することができる。 The presence and the proportion of the XRD pattern (hereinafter also referred to as the "main XRD pattern") represented by the general formula Na3M3 ( PO4 ) 4 (M is one or more selected from the group consisting of Fe, Mn, Ni, and Co) can be confirmed by comparing (fitting) the main XRD pattern (hereinafter also referred to as the "simulation pattern") obtained by simulation with the measured XRD pattern of NaTP of this embodiment by Rietveld analysis. The simulation pattern may be an XRD pattern obtained by calculation of Na3Fe3 ( PO4 ) 4 or a compound in which the Fe in Na3Fe3 ( PO4 ) 4 is replaced with any transition metal (M, i.e., one or more selected from the group consisting of Fe, Mn, Ni, and Co). A preferred simulation pattern for use in fitting NaTP in this embodiment is the XRD pattern of Na 3 Fe 3 (PO 4 ) 4 described in Materials Research Bulletin 37 (2002) 2407-2416 (hereinafter also referred to as the "reference document"). In this embodiment, the XRD pattern can be used as a simulation pattern in fitting NaTP containing at least Fe.
本実施形態のNaTPにおいて「メインXRDパターンを有する」とは、本実施形態のNaTPをXRD測定して得られるXRDパターンにおいて、メインXRDパターンが確認できること、すなわちメインXRDパターンが含まれていること、である。 In the case of NaTP of this embodiment, "having a main XRD pattern" means that the main XRD pattern can be confirmed in the XRD pattern obtained by XRD measurement of NaTP of this embodiment, i.e., the main XRD pattern is included.
本実施形態のNaTPは、そのXRDパターンに占める、メインXRDパターンの割合(以下、「純度」ともいう。)が80%以上であり、90%以上であることが好ましく、99%以上であることがより好ましい。本実施形態のNaTPのXRDパターンが、メインXRDパターンのみである場合、純度は100%となる。本実施形態のNaTPは微量の副生相、すなわちナトリウムの脱離及び挿入を阻害しない程度の副生相、を含むことは許容さる。そのため、純度は100%以下、更には100%未満であればよい。本実施形態おける純度は、参照強度比(以下、「RIR」ともいう。)法から求めることができる。具体的には、XRDパターンと、上述のシミュレーションパターンとのRietveld解析による対比における面積強度の割合によって、純度を求めればよい。 In the present embodiment, the proportion of the main XRD pattern in the XRD pattern of NaTP (hereinafter also referred to as "purity") is 80% or more, preferably 90% or more, and more preferably 99% or more. When the XRD pattern of NaTP of the present embodiment is only the main XRD pattern, the purity is 100%. It is acceptable for NaTP of the present embodiment to contain a small amount of by-product phase, that is, a by-product phase to an extent that does not inhibit the desorption and insertion of sodium. Therefore, the purity may be 100% or less, or even less than 100%. The purity in the present embodiment can be determined by the reference intensity ratio (hereinafter also referred to as "RIR") method. Specifically, the purity can be determined by the ratio of area intensities in the comparison between the XRD pattern and the above-mentioned simulation pattern by Rietveld analysis.
本実施形態のNaTPは結晶構造が単斜晶であり、空間群C2/cに属する単斜晶であることが好ましい。単斜晶は、格子定数a、b及びcがそれぞれ異なる値であり、なおかつ、α、γがいずれも90°でありβが異なる値(すなわち90°以外)となる結晶構造である。 The NaTP of this embodiment has a monoclinic crystal structure, and is preferably a monoclinic crystal belonging to the space group C2/c. A monoclinic crystal is a crystal structure in which the lattice constants a, b, and c are all different values, and α and γ are all 90°, and β is a different value (i.e., other than 90°).
本実施形態のNaTPの格子定数は、それぞれ、aが19.45Å以上19.75Å以下、好ましくは19.55Å以上19.65Å以下、bが6.30Å以上6.45Å以下、好ましくは6.35Å以上6.40Å以下、及び、cが10.45Å以上10.75Å以下、好ましくは10.55Å以上10.65Å以下であり、なおかつ、βが90.1°以上93.3°以下、好ましくは90.3°以上93.3°以下、より好ましくは91.3°以上92.3°以下である。例えば、本実施形態のNaTP、更には本実施形態のFeを含むNaTPは、格子定数が、aが19.63Å以下、bが6.38Å以下又はβが91.5°以下であることが挙げられる。 The lattice constants of NaTP of this embodiment are a 19.45 Å to 19.75 Å, preferably 19.55 Å to 19.65 Å, b 6.30 Å to 6.45 Å, preferably 6.35 Å to 6.40 Å, and c 10.45 Å to 10.75 Å, preferably 10.55 Å to 10.65 Å, and β 90.1° to 93.3°, preferably 90.3° to 93.3°, more preferably 91.3° to 92.3°. For example, the lattice constants of NaTP of this embodiment, and further NaTP containing Fe of this embodiment, are a 19.63 Å or less, b 6.38 Å or less, or β 91.5° or less.
例えば、本実施形態のNaFeP(ナトリウム鉄ポリアニオン)の格子定数は、
aが、19.50Å以上、19.60Å以上又は19.61Å以上であり、かつ、19.75Å以下又は19.63Å以下であり、
bが、6.30Å以上又は6.31Å以上であり、かつ、6.40Å以下又は6.38Å以下であり、
cが、10.50Å以上又は10.52Å以上であり、かつ、10.70Å以下、10.60Å以下又は10.57Å以下であり、なおかつ、
βが、90.1°以上、90.2°以上又は90.3°以上であり、かつ、92.0°以下、91.5°以下又は91.0°以下であること、が挙げられる。本実施形態のNaFeP(ナトリウム鉄ポリアニオン)の格子定数は、aが19.63Å以下、bが6.38Å以下又はβが91.5°以下であることが挙げられる。
For example, the lattice constant of NaFeP (sodium iron polyanion) in this embodiment is
a is 19.50 Å or more, 19.60 Å or more, or 19.61 Å or more, and 19.75 Å or less, or 19.63 Å or less;
b is 6.30 Å or more or 6.31 Å or more, and 6.40 Å or less or 6.38 Å or less;
c is 10.50 Å or more, or 10.52 Å or more, and 10.70 Å or less, 10.60 Å or less, or 10.57 Å or less, and
β is 90.1° or more, 90.2° or more, or 90.3° or more, and 92.0° or less, 91.5° or less, or 91.0° or less. The lattice constant of NaFeP (sodium iron polyanion) of this embodiment is a is 19.63 Å or less, b is 6.38 Å or less, or β is 91.5° or less.
本実施形態のNaFeMnP(ナトリウム鉄マンガンポリアニオン)の格子定数として、aが19.65Å以上19.75Å以下、bが6.35Å以上6.45Å以下、cが10.63Å以上10.73Å以下であり、なおかつ、βが90.3°以上91.0°以下であることが例示できる。 The lattice constants of NaFeMnP (sodium iron manganese polyanion) in this embodiment can be exemplified as follows: a is 19.65 Å or more and 19.75 Å or less, b is 6.35 Å or more and 6.45 Å or less, c is 10.63 Å or more and 10.73 Å or less, and β is 90.3° or more and 91.0° or less.
本実施形態のNaFeCoP(ナトリウム鉄コバルトポリアニオン)の格子定数として、aが19.65Å以上19.75Å以下、bが6.40Å以上6.45Å以下、cが10.60Å以上10.80Å以下であり、なおかつ、βが90.3°以上90.6°以下であること、が例示できる。 The lattice constants of NaFeCoP (sodium iron cobalt polyanion) in this embodiment can be exemplified as follows: a is 19.65 Å or more and 19.75 Å or less, b is 6.40 Å or more and 6.45 Å or less, c is 10.60 Å or more and 10.80 Å or less, and β is 90.3° or more and 90.6° or less.
格子定数は、本実施形態のNaTPのXRDパターンと、シミュレーションパターンとのRietveld解析による対比(フィッティング)によって、求めることができる。 The lattice constant can be determined by comparing (fitting) the XRD pattern of NaTP in this embodiment with the simulation pattern using Rietveld analysis.
本実施形態のNaTPは、このような純度及び結晶構造を兼備することで、従来のNaTPと比べて、ナトリウムイオンの挿入及び脱離が容易に生じやすくなること、これによる高い充放電特性を発現することが期待できる。 The NaTP of this embodiment has both this purity and crystal structure, which makes it easier for sodium ions to be inserted and removed compared to conventional NaTP, and is therefore expected to exhibit high charge/discharge characteristics.
本実施形態のNaTPの結晶子径は、20Å以上1500Å以下であることが好ましく、例えば、Feを含むNaTPの結晶子径として20Å以上又は40Å以上であり、また、200Å以下又は150Å以下であることが挙げられる。純度が80%以上であり、なおかつ、結晶子径がこの範囲であることで、本実施形態のNaTPは、ナトリウムの挿入及び脱離がより効率的に進行しやすくなり、ナトリウム二次電池の正極活物質として高い充放電容量の発現が期待できる。 The crystallite diameter of the NaTP of this embodiment is preferably 20 Å or more and 1500 Å or less, and for example, the crystallite diameter of NaTP containing Fe is 20 Å or more or 40 Å or more, and 200 Å or less or 150 Å or less. With a purity of 80% or more and a crystallite diameter in this range, the NaTP of this embodiment is more likely to facilitate efficient insertion and desorption of sodium, and is expected to exhibit high charge and discharge capacity as a positive electrode active material for sodium secondary batteries.
本実施形態において「結晶子径」は、一般式Na3M3(PO4)4(MはFe、Mn、Ni及びCoの群から選ばれる1以上)のXRDパターンに帰属される2以上のXRDピークから、Williamson-Hall法により求まる径(以下、「WH径」ともいう。)である。具体的には、一般式Na3M3(PO4)4(MはFe、Mn、Ni及びCoの群から選ばれる1以上)に帰属できる2以上のXRDピーク、更には一般式Na3M3(PO4)4(MはFe、Mn、Ni及びCoの群から選ばれる1以上)に帰属できる全てのXRDピークについて、それぞれ、以下のプロットを行う。得られる複数点のプロットの最小二乗法により以下の一次近似式を求め、該一次近似式のy切片の逆数が結晶子径である。 In this embodiment, the "crystallite size" is a size ( hereinafter also referred to as "WH size") determined by the Williamson-Hall method from two or more XRD peaks belonging to the XRD pattern of the general formula Na 3 M 3 ( PO 4 ) 4 (M is one or more selected from the group consisting of Fe, Mn, Ni, and Co). Specifically, the following plots are made for two or more XRD peaks belonging to the general formula Na 3 M 3 (PO 4 ) 4 (M is one or more selected from the group consisting of Fe, Mn, Ni, and Co), and further for all XRD peaks belonging to the general formula Na 3 M 3 (PO 4 ) 4 (M is one or more selected from the group consisting of Fe, Mn, Ni, and Co). The following linear approximation equation is determined by the least squares method of the obtained plot of multiple points, and the reciprocal of the y-intercept of the linear approximation equation is the crystallite size.
<プロット>
Y=(β・sinθ)/λ
X=sinθ/λ
<一次近似式>
Y=2η・X+(1/ε) ・・・(1式)
これらの式において、βは半値幅(°)、θは回折角(°)、λは線源の波長(nm)、ηは不均一歪及びεは結晶子径(Å)であり、なおかつ、一次近似式における1/εがy切片である。なお、本実施形態におけるWH径の算出に当たり、使用するXRDピークには特に制限はなく、例えば、NaTPに帰属される全てのXRDピークを使用すればよい。
<Plot>
Y=(β・sinθ)/λ
X = sin θ / λ
<First-order approximation formula>
Y=2η・X+(1/ε) ...(1 formula)
In these formulas, β is half-width (°), θ is diffraction angle (°), λ is the wavelength of radiation source (nm), η is non-uniform distortion, and ε is crystallite diameter (Å), and 1/ε in the first-order approximation formula is y-intercept. In addition, in the present embodiment, there is no particular limitation on the XRD peak used for calculating WH diameter, and for example, all XRD peaks that belong to NaTP may be used.
本実施形態のNaTPは、表面の一部又は全部に金属、フッ素、フッ化物、リン、リン化合物、金属酸化物、炭素、炭素を含む化合物及び導電性高分子の群から選ばれる1以上の層(以下、「被覆層」ともいう。)を有していてもよい。被覆層により、NaTPの導電性が高くなりやすい。被覆層は、炭素を含む化合物、炭素及び導電性高分子の群から選ばれる1以上の層であることが好ましく、炭素の層であることがより好ましい。被覆層はNaTPの全面を覆っていなくてもよい。 The NaTP of this embodiment may have one or more layers (hereinafter also referred to as "coating layers") selected from the group consisting of metals, fluorine, fluoride, phosphorus, phosphorus compounds, metal oxides, carbon, compounds containing carbon, and conductive polymers on a part or all of the surface. The coating layer tends to increase the conductivity of NaTP. The coating layer is preferably one or more layers selected from the group consisting of compounds containing carbon, carbon, and conductive polymers, and is more preferably a carbon layer. The coating layer does not have to cover the entire surface of NaTP.
本実施形態のNaTPの形状は任意であり、粉末、顆粒及び成形体の群から選ばれる1以上が例示でき、粉末であることが好ましい。 The shape of the NaTP in this embodiment may be any shape, and may be one or more selected from the group consisting of powder, granules, and molded body, with powder being preferred.
本実施形態のNaTPは、ナトリウムイオン(Na+)の挿入及び脱離が容易に進行するため、吸着剤、イオン交換体、水素イオン伝導体、固体電解質、電池材料などに使用することができ、更には、電気化学デバイスの活物質、特にナトリウム二次電池の正極活物質、更には水系ナトリウム二次電池の正極活物質、として使用することができる。
<ナトリウム遷移金属ポリアニオンの製造方法>
以下、本実施形態のナトリウム遷移金属ポリアニオンの製造方法について説明する。
Since the NaTP of this embodiment easily undergoes insertion and desorption of sodium ions (Na + ), it can be used as an adsorbent, ion exchanger, hydrogen ion conductor, solid electrolyte, battery material, etc., and further can be used as an active material for electrochemical devices, in particular as a positive electrode active material for sodium secondary batteries, and further as a positive electrode active material for aqueous sodium secondary batteries.
Method for Producing Sodium Transition Metal Polyanions
The method for producing the sodium transition metal polyanion of this embodiment will be described below.
本実施形態のNaTPは、ナトリウム源、遷移金属源、リン酸源及び水を含有し、pHが4.0以上11.0以下である組成物を140℃以上250℃以下で水熱処理する工程、を有することを特徴とする製造方法、により得ることができる。 The NaTP of this embodiment can be obtained by a production method characterized by comprising a step of subjecting a composition containing a sodium source, a transition metal source, a phosphate source, and water and having a pH of 4.0 to 11.0 to hydrothermal treatment at 140°C to 250°C.
ナトリウム源、遷移金属源、リン酸源及び水を含有し、pHが4.0以上11.0以下である組成物(以下、「原料組成物」ともいう。)を水熱処理する工程(以下、「水熱処理工程」ともいう。)により、副生相の生成を著しく抑制することができ、本実施形態のNaTPを得ることができる。 By subjecting a composition (hereinafter also referred to as the "raw material composition") that contains a sodium source, a transition metal source, a phosphate source, and water and has a pH of 4.0 or more and 11.0 or less to a hydrothermal treatment process (hereinafter also referred to as the "hydrothermal treatment process"), it is possible to significantly suppress the generation of by-product phases and obtain the NaTP of this embodiment.
ナトリウム源は、ナトリウム(Na)を含む化合物又はナトリウムの少なくともいずれかであり、水溶性のナトリウム塩であることが好ましい。好ましいナトリウム源として、フッ化ナトリウム、塩化ナトリウム、リン酸ナトリウム、リン酸水素二ナトリウム、リン酸二水素ナトリウム、亜硫酸ナトリウム、硫酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム及び炭酸ナトリウムの群から選ばれる1以上、又は、リン酸ナトリウム、リン酸水素二ナトリウム、リン酸二水素ナトリウム、亜硫酸ナトリウム、硫酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム及び炭酸ナトリウムの群から選ばれる1以上、更には、リン酸ナトリウム、リン酸水素ナトリウム及びリン酸水素二ナトリウムの群から選ばれる1以上が例示できる。 The sodium source is at least one of a compound containing sodium (Na) or sodium, and is preferably a water-soluble sodium salt. Preferred sodium sources include one or more selected from the group consisting of sodium fluoride, sodium chloride, sodium phosphate, disodium hydrogen phosphate, sodium dihydrogen phosphate, sodium sulfite, sodium sulfate, sodium bicarbonate, and sodium carbonate, or one or more selected from the group consisting of sodium phosphate, disodium hydrogen phosphate, sodium dihydrogen phosphate, sodium sulfite, sodium sulfate, sodium bicarbonate, and sodium carbonate, and further one or more selected from the group consisting of sodium phosphate, sodium hydrogen phosphate, and disodium hydrogen phosphate.
リン酸源は、リン酸イオンを含む化合物であり、水溶性のリン酸及びリン酸塩の少なくともいずれかが好ましい。好ましいリン酸源として、オルトリン酸、リン酸ナトリウム、リン酸水素二ナトリウム、リン酸アンモニウム、リン酸リチウム及びリン酸カリウムの群から選ばれる1以上、更には、オルトリン酸、リン酸ナトリウム、リン酸水素ナトリウム及びリン酸水素二ナトリウムの群から選ばれる1以上が例示できる。 The phosphate source is a compound containing phosphate ions, and is preferably at least one of water-soluble phosphoric acid and phosphate salts. Preferred phosphate sources include one or more selected from the group consisting of orthophosphoric acid, sodium phosphate, disodium hydrogen phosphate, ammonium phosphate, lithium phosphate, and potassium phosphate, and further, one or more selected from the group consisting of orthophosphoric acid, sodium phosphate, sodium hydrogen phosphate, and disodium hydrogen phosphate.
原料組成物は、リン酸及びナトリウム源として、リン酸ナトリウムを含むことが好ましい。 The raw material composition preferably contains sodium phosphate as a phosphoric acid and sodium source.
遷移金属源は、鉄(Fe)、マンガン(Mn)、ニッケル(Ni)又はコバルト(Co)の群から選ばれる1以上を含む化合物、鉄、マンガン及びニッケルの少なくともいずれかを含む化合物、鉄又はマンガンの少なくともいずれかを含む化合物、若しくは、鉄を含む化合物である。遷移金属源は、鉄、マンガン、ニッケル及びコバルトの群から選ばれる1以上を含む酸化物、水酸化物、オキシ水酸化物、亜硫酸塩、硫酸塩、リン酸塩、炭酸塩、硝酸塩、塩化物及び酢酸塩の群から選ばれる1以上であることが好ましく、硫酸塩、リン酸塩、又は炭酸塩の少なくともいずれかであることがより好ましく、リン酸塩であることがより好ましい。好ましい遷移金属源として、少なくとも鉄を含む硫酸塩、リン酸塩及び炭酸塩の群から選ばれる1以上、更には少なくとも鉄を含むリン酸塩が例示できる。また、遷移金属源は、少なくとも、マンガン、ニッケル及びコバルトの群から選ばれる1以上を含んでいてもよい。 The transition metal source is a compound containing one or more selected from the group consisting of iron (Fe), manganese (Mn), nickel (Ni) or cobalt (Co), a compound containing at least one of iron, manganese and nickel, a compound containing at least one of iron or manganese, or a compound containing iron. The transition metal source is preferably one or more selected from the group consisting of oxides, hydroxides, oxyhydroxides, sulfites, sulfates, phosphates, carbonates, nitrates, chlorides and acetates containing one or more selected from the group consisting of iron, manganese, nickel and cobalt, more preferably at least one of sulfates, phosphates or carbonates, and more preferably phosphates. Examples of preferred transition metal sources include one or more selected from the group consisting of sulfates, phosphates and carbonates containing at least iron, and further phosphates containing at least iron. The transition metal source may also contain at least one selected from the group consisting of manganese, nickel and cobalt.
遷移金属源に含まれる遷移金属は、鉄、マンガン、ニッケル及びコバルトの群から選ばれる1以上であり、鉄、マンガン及びニッケルの群から選ばれる1以上であることが好ましく、鉄又はマンガンの少なくともいずれかであることが好ましく、鉄であることが更に好ましい。 The transition metal contained in the transition metal source is one or more selected from the group consisting of iron, manganese, nickel and cobalt, preferably one or more selected from the group consisting of iron, manganese and nickel, preferably at least one of iron or manganese, more preferably iron.
鉄を含む原料組成物は、リン酸源及び遷移金属源として、少なくとも鉄のリン酸塩を含むことが好ましい。 It is preferable that the iron-containing raw material composition contains at least iron phosphate as a phosphate source and a transition metal source.
水は、純水、イオン交換水、他の原料に由来する水(例えば、水和物、構造水又は水溶液など)が例示できる。 Examples of water include pure water, ion-exchanged water, and water derived from other raw materials (e.g., hydrates, structured water, or aqueous solutions).
原料組成物はナトリウム源、遷移金属源及びリン酸源の各原料、並びに、水に加えて添加剤を含んでいてもよい。添加剤は、シュウ酸、アスコルビン酸、亜硫酸、亜硫酸ナトリウム、チオ硫酸、チオ硫酸ナトリウム、一硫化水素ナトリウム、ヒドラジン及び次亜塩素酸ナトリウムの群から選ばれる1以上、又は、アスコルビン酸、亜硫酸、亜硫酸ナトリウム、チオ硫酸、チオ硫酸ナトリウム、一硫化水素ナトリウム及び次亜塩素酸ナトリウムの群から選ばれる1以上が例示できる。 The raw material composition may contain additives in addition to the sodium source, transition metal source, and phosphate source raw materials, and water. The additives may be one or more selected from the group consisting of oxalic acid, ascorbic acid, sulfurous acid, sodium sulfite, thiosulfate, sodium thiosulfate, sodium hydrogen monosulfide, hydrazine, and sodium hypochlorite, or one or more selected from the group consisting of ascorbic acid, sulfurous acid, sodium sulfite, thiosulfate, sodium thiosulfate, sodium hydrogen monosulfide, and sodium hypochlorite.
原料組成物のpHは4.0以上11.0以下であり、好ましくは5.0以上10以下、より好ましくは6.0以上9.0以下である。鉄を含む原料組成物のpHとして6.0以上又は6.1以上であり、また、8.0以下、7.5以下又は7.0以下であることが例示できる。 The pH of the raw material composition is 4.0 or more and 11.0 or less, preferably 5.0 or more and 10 or less, and more preferably 6.0 or more and 9.0 or less. The pH of the raw material composition containing iron is, for example, 6.0 or more or 6.1 or more, and 8.0 or less, 7.5 or less, or 7.0 or less.
原料組成物は、その組成が均一となるように混合することで得られ、これらの原料、水及び必要に応じて添加剤を、任意の方法で混合することで得られる。 The raw material composition is obtained by mixing the raw materials so that the composition is uniform, and is obtained by mixing these raw materials, water, and additives as necessary, by any method.
水熱処理は原料組成物を反応容器に充填して行うことが好ましい。反応容器は本実施形態において使用する原料組成物および水熱処理工程で使用できるものであれば特に制限はなく、例えば、テフロン(登録商標)樹脂或いはフッ素樹脂で内表面を被覆した密閉耐圧容器が例示できる。 The hydrothermal treatment is preferably carried out by filling the raw material composition into a reaction vessel. There are no particular limitations on the reaction vessel as long as it can be used in the raw material composition and hydrothermal treatment process used in this embodiment, and an example of such a reaction vessel is a sealed pressure-resistant vessel whose inner surface is coated with Teflon (registered trademark) resin or fluororesin.
水熱処理温度は140℃以上250℃以下であり、更には150℃以上250℃以下、また更には170℃以上250℃以下であり、また更には180℃を超え250℃以下であり、好ましくは190℃以上230℃以下である。また、鉄を含む原料組成物の水熱処理温度として150℃以上又は170℃以上であり、かつ、200℃以下又は180℃以下であることが例示できる。 The hydrothermal treatment temperature is 140°C or higher and 250°C or lower, further 150°C or higher and 250°C or lower, further 170°C or higher and 250°C or lower, further more than 180°C and 250°C or lower, and preferably 190°C or higher and 230°C or lower. Examples of the hydrothermal treatment temperature for the iron-containing raw material composition include 150°C or higher or 170°C or higher, and 200°C or lower or 180°C or lower.
好ましい水熱処理条件、特に鉄を含む原料組成物の水熱処理条件、として、水熱処理温度が140℃以上230℃以下であり、なおかつ、pHが5.5以上7.5以下であることが例示できる。
水熱処理の時間は水熱処理温度に依存する。例えば、水熱処理温度が100℃以下である場合は10時間以上200時間以下、また、水熱処理温度が100℃を超える場合は、3時間以上100時間以下、が挙げられる。さらに、鉄を含む原料組成物の水熱処理の時間として3時間以上又は5時間以上であり、また、50時間以下、20時間以下又は10時間以下であることが例示できる。
Preferred hydrothermal treatment conditions, particularly for the iron-containing raw material composition, include a hydrothermal treatment temperature of 140° C. or higher and 230° C. or lower and a pH of 5.5 or higher and 7.5 or lower.
The time for the hydrothermal treatment depends on the hydrothermal treatment temperature. For example, when the hydrothermal treatment temperature is 100° C. or lower, the time can be 10 hours or more and 200 hours or less, and when the hydrothermal treatment temperature exceeds 100° C., the time can be 3 hours or more and 5 hours or more, and can be 50 hours or less, 20 hours or less, or 10 hours or less.
本実施形態の製造方法は、洗浄工程、分離工程及び乾燥工程の群から選ばれる少なくとも1つを含んでいてもよい。 The manufacturing method of this embodiment may include at least one step selected from the group consisting of a washing step, a separation step, and a drying step.
洗浄工程は、NaTPから不純物を除去する工程である。洗浄方法は任意であるが、十分量の純水にNaTPを分散させる処理が例示できる。当該処理は複数回行ってもよい。 The washing process is a process for removing impurities from NaTP. Any washing method can be used, but an example is a process in which NaTP is dispersed in a sufficient amount of pure water. This process may be carried out multiple times.
分離工程は、NaTPと溶媒とを分離する工程である。分離方法は任意であり、例えば、遠心沈降、ろ過及びフィルタープレスの群から選ばれる1以上を挙げることができる。 The separation process is a process for separating NaTP from the solvent. Any separation method may be used, and examples of the method include one or more methods selected from the group consisting of centrifugal sedimentation, filtration, and filter press.
乾燥工程は、NaTPに吸着した水分の除去を行う工程である。乾燥方法は任意であり、大気中又は真空中、80℃以上120℃以下で1時間以上24時間以下処理することが挙げられ、真空中で処理することが好ましい。 The drying process is a process for removing moisture adsorbed to NaTP. Any drying method can be used, including treatment in air or in vacuum at 80°C to 120°C for 1 hour to 24 hours, and treatment in vacuum is preferred.
さらに、本実施形態の製造方法は、NaTPに被覆層を形成、被覆工程を有していてもよい。NaTPに被覆層を形成する方法は特に制限はないが、例えば、被覆層の前駆体とNaTPを、メカニカルミリング処理する方法や、熱分解する方法が例示できる。また、NaTPの表面に被覆層として炭素の層を形成する場合、NaTPとアセチレンブラックを、不活性雰囲気下でメカニカルミリング処理する方法や、NaTPとスクロース(C12H22O11)を混合した後、不活性雰囲気下で熱処理を施すことが例示できる。 Furthermore, the manufacturing method of this embodiment may have a coating step of forming a coating layer on NaTP. There is no particular limitation on the method of forming a coating layer on NaTP, but for example, a method of mechanically milling the precursor of the coating layer and NaTP, or a method of pyrolysis can be exemplified. In addition, when forming a carbon layer as a coating layer on the surface of NaTP, a method of mechanically milling NaTP and acetylene black under an inert atmosphere, or a method of mixing NaTP and sucrose (C 12 H 22 O 11 ) and then subjecting it to heat treatment under an inert atmosphere can be exemplified.
<正極活物質>
次に、本開示のナトリウム遷移金属ポリアニオンを含む正極活物質について実施形態の一例を示して説明する。
本実施形態において「正極活物質」とは、電気化学デバイスを構成する電極のうち電位の高い極の電極活物質であり、特にナトリウム二次電池の正極の電極活物質である。
<Positive electrode active material>
Next, a positive electrode active material containing the sodium transition metal polyanion of the present disclosure will be described with reference to an example of an embodiment.
In this embodiment, the "positive electrode active material" refers to an electrode active material of an electrode having a higher potential among the electrodes constituting an electrochemical device, and in particular, an electrode active material of a positive electrode of a sodium secondary battery.
本実施形態の正極活物質は、本実施形態のNaTPを含んでいればよく、本実施形態のNaTPのみからなっていてもよいが、本実施形態のNaTP以外のナトリウム遷移金属化合物を含んでいてもよい。本実施形態の正極活物質の質量に対するNaTPの質量割合は、80質量%以上100質量%以下、好ましくは90質量%以上100質量%以下、より好ましくは100質量%(正極活物質がNaTPのみであること)である。
本実施形態の正極活物質は、炭素層その他、正極活物質の表面の一部又は全部に被覆層、好ましくは導電性を有する被覆層、を有していてもよい。
The positive electrode active material of this embodiment may contain only the NaTP of this embodiment, or may contain a sodium transition metal compound other than the NaTP of this embodiment. The mass ratio of NaTP to the mass of the positive electrode active material of this embodiment is 80 mass% or more and 100 mass% or less, preferably 90 mass% or more and 100 mass% or less, and more preferably 100 mass% (the positive electrode active material is only NaTP).
The positive electrode active material of this embodiment may have a coating layer, such as a carbon layer, on a part or the whole of the surface of the positive electrode active material, preferably a coating layer having electrical conductivity.
<ナトリウム二次電池>
次に、本開示のナトリウム遷移金属ポリアニオンを含む正極と、負極及び電解液を備えることを特徴とするナトリウム二次電池について、実施形態の一例を示して説明する。
<Sodium secondary battery>
Next, a sodium secondary battery comprising a positive electrode containing the sodium transition metal polyanion of the present disclosure, a negative electrode, and an electrolyte solution will be described with reference to an example of an embodiment.
本実施形態において「ナトリウム二次電池」とは、ナトリウムイオン(Na+)の挿入脱離により充放電が生じる電気化学デバイスであり、ナトリウム二次電池、ナトリウムイオン二次電池、ナトリウムイオン電池、ナトリウム蓄電池、Na二次電池、Naイオン電池又はNa蓄電池等と同義である。 In this embodiment, a "sodium secondary battery" is an electrochemical device in which charging and discharging occurs by the insertion and removal of sodium ions (Na + ), and is synonymous with a sodium secondary battery, a sodium ion secondary battery, a sodium ion battery, a sodium storage battery, a Na secondary battery, a Na ion battery, or a Na storage battery.
「非水系電解液」は溶媒として非水溶媒を含む電解液であり、「水系電解液」は溶媒として水溶媒を含む電解液である。 A "nonaqueous electrolyte" is an electrolyte that contains a nonaqueous solvent as a solvent, and an "aqueous electrolyte" is an electrolyte that contains an aqueous solvent as a solvent.
「非水系ナトリウム二次電池」は、電解液として非水系電解液を備えるナトリウム二次電池であり、「水系ナトリウム二次電池」は、電解液として水系電解液を備えるナトリウム二次電池である。 A "non-aqueous sodium secondary battery" is a sodium secondary battery that uses a non-aqueous electrolyte as the electrolyte, and an "aqueous sodium secondary battery" is a sodium secondary battery that uses an aqueous electrolyte as the electrolyte.
<正極>
正極は、本開示のNaTP含む正極活物質を含む正極合剤と、集電体とを備えていればよい。
正極合剤は、正極活物質、バインダー及び導電材、並びに、必要に応じて添加剤、を含む。バインダー、導電材及び添加剤は、それぞれ、公知のものを使用することができる。
<Positive electrode>
The positive electrode may include a positive electrode mixture containing a positive electrode active material including NaTP according to the present disclosure, and a current collector.
The positive electrode mixture contains a positive electrode active material, a binder, a conductive material, and, if necessary, an additive. The binder, the conductive material, and the additive may each be a known material.
バインダーは、フッ素樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、SBR材料及びイミド材料の群から選ばれる1以上、更にはポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)及びエチレンテトラフルオロエチレン(ETFE)の群から選ばれる1以上が例示できる。 The binder may be one or more selected from the group consisting of fluororesin, polyethylene, polypropylene, SBR material, and imide material, as well as one or more selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), and ethylene tetrafluoroethylene (ETFE).
導電材は、炭素材料、金属繊維などの導電性繊維、銅、銀、ニッケル、アルミニウムなどの金属粉末、ポルフェニレン誘導体等の有機導電性材料から選ばれる1以上が例示できる。好ましい炭素材料として、黒鉛、ソフトカーボン、ハードカーボン、カーボンブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、グラファイト、活性炭、カーボンナノチューブ、カーボンファイバー、メソポーラスカーボンが例示できる。 The conductive material may be one or more selected from the group consisting of carbon materials, conductive fibers such as metal fibers, metal powders such as copper, silver, nickel, and aluminum, and organic conductive materials such as porphenylene derivatives. Preferred carbon materials include graphite, soft carbon, hard carbon, carbon black, ketjen black, acetylene black, graphite, activated carbon, carbon nanotubes, carbon fibers, and mesoporous carbon.
正極合剤は公知の方法で製造すればよく、正極活物質、バインダー及び導電材を所望の比率で混合すればよい。 The positive electrode mixture may be produced by a known method, by mixing the positive electrode active material, binder, and conductive material in the desired ratio.
<負極>
負極は、負極活物質を含む負極合剤と集電体、必要に応じて添加剤を備えていればよい。
負極合剤は、負極活物質、バインダー及び導電材、並びに、必要に応じて添加剤、を含む。
<Negative Electrode>
The negative electrode may include a negative electrode mixture containing a negative electrode active material, a current collector, and, if necessary, an additive.
The negative electrode mixture contains a negative electrode active material, a binder, a conductive material, and, if necessary, an additive.
負極活物質は、正極活物質のナトリウムイオンの挿入脱離を妨げない材料を含んでいればよく、白金、亜鉛、炭素材料、ナトリウムと合金を形成する材料、ナトリウム含有遷移金属酸化物、及び、ナトリウム含有ポリアニオン材料の群から選ばれる1以上が例示できる。好ましい負極活物質として、炭素材料、ポリイミド、遷移金属含有シアノ化合物及び遷移金属含有ポリアニオン化合物の群から選ばれる1以上が例示できる。負極活物質は、活性炭、Na2Mn[Mn(CN)6]及びNaTi2(PO4)3の群から選ばれる1以上であることが好ましく、NaTi2(PO4)3であることがより好ましい。 The negative electrode active material may contain a material that does not prevent the insertion and removal of sodium ions from the positive electrode active material, and may be one or more selected from the group consisting of platinum, zinc, carbon materials, materials that form an alloy with sodium, sodium-containing transition metal oxides, and sodium-containing polyanion materials. Preferred negative electrode active materials may be one or more selected from the group consisting of carbon materials, polyimides, transition metal-containing cyano compounds, and transition metal-containing polyanion compounds. The negative electrode active material is preferably one or more selected from the group consisting of activated carbon, Na 2 Mn [Mn (CN) 6 ], and NaTi 2 (PO 4 ) 3, and more preferably NaTi 2 (PO 4 ) 3 .
バインダー及び導電材は公知のものであればよく、上記の正極合剤で使用できるバインダー及び導電材と同様である。 The binder and conductive material may be any known material, and are the same as the binder and conductive material that can be used in the positive electrode mixture described above.
負極合剤は公知の方法で製造すればよく、負極活物質、バインダー及び導電材を所望の比率で混合すればよい。 The negative electrode mixture may be produced by a known method, by mixing the negative electrode active material, binder, and conductive material in the desired ratio.
<電解液>
電解液は、非水系電解液又は水系電解液のいずれかであり、水系電解液であることが好ましい。
電解質は、ナトリウム塩であり、可溶性のナトリウム塩が好ましい。好ましい電解質として、NaCl、Na2SO4、NaNO3、NaClO4、NaOH及びNa2Sの群から選ばれる1以上が例示できる。取り扱いの容易性から、電解質はNaCl、Na2SO4、NaNO3及びNaClO4の群から選ばれる1つ以上が好ましく、NaClO4を含むことが好ましい。
<Electrolyte>
The electrolyte is either a non-aqueous electrolyte or an aqueous electrolyte, and is preferably an aqueous electrolyte.
The electrolyte is a sodium salt, and a soluble sodium salt is preferable. Preferred electrolytes include one or more selected from the group consisting of NaCl, Na2SO4 , NaNO3 , NaClO4 , NaOH, and Na2S . From the viewpoint of ease of handling, the electrolyte is preferably one or more selected from the group consisting of NaCl, Na2SO4 , NaNO3 , and NaClO4 , and preferably contains NaClO4 .
電解液中の電解質濃度は特に制限はないが、ナトリウム二次電池としてのエネルギー密度を高くする観点から、電解液における電解質濃度(ナトリウム塩濃度)は高いことが好ましく、ナトリウム塩濃度として1mol/kg(1m)以上、飽和溶解度以下の濃度、が例示できる。 There are no particular limitations on the electrolyte concentration in the electrolyte solution, but from the perspective of increasing the energy density of the sodium secondary battery, it is preferable that the electrolyte concentration (sodium salt concentration) in the electrolyte solution is high, and an example of a sodium salt concentration is a concentration of 1 mol/kg (1 m) or more and less than the saturated solubility.
電解液は添加剤を含んでいてもよい。添加剤は、特に限定されないが、コハク酸、グルタミン酸、マレイン酸、シトラコン酸、グルコン酸、イタコン酸、ジグリコール、シクロヘキサンジカルボン酸、シクロペンタンテトラカルボン酸、1,3‐プロパンスルトン、1,4‐ブタンスルトン、メタンスルホン酸メチル、スルホラン、ジメチルスルホン及びN,N‐ジメチルメタンスルホンアミドの群から選ばれる1以上が例示できる。添加剤の含有量は、電解液の質量に対する添加剤の質量割合として0.01質量%以上10質量%以下であることが例示できる。
<その他の構成>
正極及び負極の集電体、セパレータなどの他の構成要素は、ナトリウム二次電池やリチウム二次電池で使用される公知のものが使用できる。
The electrolyte may contain an additive. The additive is not particularly limited, but may be one or more selected from the group consisting of succinic acid, glutamic acid, maleic acid, citraconic acid, gluconic acid, itaconic acid, diglycol, cyclohexanedicarboxylic acid, cyclopentanetetracarboxylic acid, 1,3-propane sultone, 1,4-butane sultone, methyl methanesulfonate, sulfolane, dimethyl sulfone, and N,N-dimethylmethanesulfonamide. The content of the additive may be, for example, 0.01% by mass or more and 10% by mass or less as a mass ratio of the additive to the mass of the electrolyte.
<Other configurations>
Other components such as the positive and negative electrode current collectors and the separator may be any known components used in sodium secondary batteries or lithium secondary batteries.
本開示のナトリウム二次電池の他の実施形態として、一般式Na3M3(PO4)4(MはFe、Mn、Ni及びCoの群から選ばれる1以上)で表されるナトリウム遷移金属ポリアニオンを含む正極と、負極及び電解液を備え、
前記負極が少なくともNaTi2(PO4)3を含み、
前記電解液が少なくともNaClO4を含むナトリウム二次電池、が挙げられる。
Another embodiment of the sodium secondary battery of the present disclosure is a battery comprising a positive electrode containing a sodium transition metal polyanion represented by the general formula Na 3 M 3 (PO 4 ) 4 (wherein M is at least one selected from the group consisting of Fe, Mn, Ni, and Co), a negative electrode, and an electrolyte solution,
The negative electrode comprises at least NaTi2 ( PO4 ) 3 ;
A sodium secondary battery in which the electrolyte contains at least NaClO4 .
本開示のナトリウム二次電池の他の実施形態として、一般式Na3M3(PO4)4で表されるナトリウム遷移金属ポリアニオンを含む正極と、負極及び電解液を備え、 前記負極が少なくともNaTi2(PO4)3を含み、
前記電解液が少なくともNaClO4を含む水系電解液であるナトリウム二次電池、が挙げられる。
Another embodiment of the sodium secondary battery of the present disclosure includes a positive electrode containing a sodium transition metal polyanion represented by the general formula Na3M3 ( PO4 ) 4 , a negative electrode, and an electrolyte, wherein the negative electrode contains at least NaTi2 ( PO4 ) 3 ,
A sodium secondary battery in which the electrolyte is an aqueous electrolyte containing at least NaClO4 .
本実施形態のNaTPを含む正極を備えたナトリウム二次電池は、従来のナトリウム二次電池、特に従来の水系ナトリウム二次電池と比べ、高い充放電容量を示す。 A sodium secondary battery having a positive electrode containing NaTP of this embodiment exhibits a higher charge/discharge capacity than conventional sodium secondary batteries, particularly conventional aqueous sodium secondary batteries.
以下、実施例を挙げて本開示を具体的に説明する。しかしながら、本開示はこれらの実施例に限定されるものではない。
<結晶相の同定と組成分析>
実施例で得られたNaTPの結晶相は、粉末X線回折により測定した。粉末X線回折は、一般的なX線回折装置(装置名:SmartLab、リガク社製)を使用し、以下の条件で測定した。
The present disclosure will be specifically described below with reference to examples. However, the present disclosure is not limited to these examples.
<Crystal phase identification and composition analysis>
The crystal phase of NaTP obtained in the examples was measured by powder X-ray diffraction. Powder X-ray diffraction was measured using a general X-ray diffraction device (device name: SmartLab, manufactured by Rigaku Corporation) under the following conditions.
線源 : CuKα線(λ=1.5405Å)
測定モード : ステップスキャン
スキャン条件 : 20°/分
計測時間 : 3秒
測定範囲 : 2θ=5°から90°
遷移金属とナトリウム金属の組成比は、X線回折装置に付属のデータ処理ソフト(製品名:PDXL-2)により、Rietvelt解析を行い、生成物の結晶相を同定した。Rietvelt解析におけるシミュレーションパターンは、Na3Fe3(PO4)4のXRDパターン、又は、Na3Fe3(PO4)4のFeを任意のMに置換したXRDパターンを計算し、当該シミュレーションパターンと、測定されたXRDパターンとを対比することで同定した。なお、実施例1乃至6におけるシュミレーションパターンは、参照文献の記載のNa3Fe3(PO4)4のXRDパターンを使用した。また、NaTPの純度はRIR法によってメインXRDパターンの存在割合(面積強度比)から求めた。
Radiation source: CuKα radiation (λ=1.5405Å)
Measurement mode: Step scan
Scan condition: 20°/min
Measurement time: 3 seconds
Measurement range: 2θ=5° to 90°
The composition ratio of transition metal and sodium metal was determined by Rietvelt analysis using data processing software (product name: PDXL-2) attached to the X-ray diffraction device, and the crystal phase of the product was identified. The simulation pattern in the Rietvelt analysis was determined by calculating the XRD pattern of Na 3 Fe 3 (PO 4 ) 4 , or the XRD pattern of Na 3 Fe 3 (PO 4 ) 4 in which Fe was replaced with any M, and comparing the simulation pattern with the measured XRD pattern. Note that the simulation pattern in Examples 1 to 6 was the XRD pattern of Na 3 Fe 3 (PO 4 ) 4 described in the reference literature. The purity of NaTP was determined from the abundance ratio (area intensity ratio) of the main XRD pattern by the RIR method.
また、NaTPに帰属される全てのXRDピークを使用したWH径を求め、結晶子径とした。 The WH diameter was also calculated using all XRD peaks attributed to NaTP, and this was taken as the crystallite diameter.
実施例1
リン酸鉄(FePO4・n水和物。n=7)、リン酸ナトリウム12水和物(Na3PO4・12H2O)を混合した後、これに85%オルトリン酸(H3PO4)と純水(H2O)を加えて以下の組成を有する組成物を得た。
Example 1
Iron phosphate ( FePO4.n -hydrate, n=7) and sodium phosphate dodecahydrate ( Na3PO4.12H2O ) were mixed, and then 85% orthophosphoric acid ( H3PO4 ) and pure water ( H2O ) were added to obtain a composition having the following composition.
リン酸鉄 : 4.72g
リン酸ナトリウム12水和物: 4.80g
85%オルトリン酸 : 0.72g
純水 : 15g
当該組成物のpHは7.5であった。
Iron phosphate: 4.72g
Sodium phosphate dodecahydrate: 4.80 g
85% orthophosphoric acid: 0.72g
Pure water: 15g
The pH of the composition was 7.5.
当該組成物を、テフロン(登録商標)樹脂性の蓋付き容器に充填及び密閉した後、これを恒温槽に設置し、以下の条件で水熱処理を施した。 The composition was filled into a Teflon (registered trademark) resin container with a lid and sealed, then placed in a thermostatic chamber and subjected to hydrothermal treatment under the following conditions.
水熱処理温度 :200℃
水熱処理時間 :16時間
水熱処理圧力 :自生圧下
水熱処理後、生成物を純水で洗浄及びろ過した後、真空雰囲気下、120℃で4時間乾燥した後、粉砕して粉末状のナトリウム鉄ポリアニオンを得た。
Hydrothermal treatment temperature: 200°C
Hydrothermal treatment time: 16 hours Hydrothermal treatment pressure: autogenous pressure After the hydrothermal treatment, the product was washed with pure water, filtered, and then dried at 120°C for 4 hours under a vacuum atmosphere, and then pulverized to obtain powdered sodium iron polyanion.
図1にXRDパターンを示す。得られたナトリウム鉄ポリアニオンは純度が100%(すなわち、ナトリウム鉄ポリアニオンのXRDパターンが、Na3Fe(PO4)4で表されるXRDパターンのみ)であり、結晶構造は空間群C2/cで帰属される単斜晶であった。格子定数はそれぞれ、aが19.601(0)Å、bが6.387(0)Å、及び、cが10.575(0)Åでβが91.810(0)°であり、結晶子径は54Åであった。 The XRD pattern is shown in Figure 1. The obtained sodium iron polyanion had a purity of 100% (i.e., the XRD pattern of the sodium iron polyanion was only the XRD pattern represented by Na3Fe(PO4)4 ) , and the crystal structure was a monoclinic crystal assigned to the space group C2/c. The lattice constants were a = 19.601(0) Å, b = 6.387(0) Å, and c = 10.575(0) Å, β = 91.810(0)°, and the crystallite size was 54 Å.
実施例2
原料組成物を以下の組成としたこと以外は実施例1と同様な方法で本実施例のナトリウム鉄ポリアニオンを得た。
Example 2
The sodium iron polyanion of this example was obtained in the same manner as in Example 1, except that the raw material composition was changed to the following composition.
リン酸鉄 : 4.72g
リン酸ナトリウム12水和物: 4.80g
85%オルトリン酸 : 1.44g
純水 : 15g
当該組成物のpHは7.0であった。
Iron phosphate: 4.72g
Sodium phosphate dodecahydrate: 4.80 g
85% orthophosphoric acid: 1.44g
Pure water: 15g
The pH of the composition was 7.0.
図2にXRDパターンを示す。得られたナトリウム鉄ポリアニオンは純度が100%であり、結晶構造は空間群C2/cで帰属される単斜晶であった。格子定数はそれぞれ、aが19.716(8)Å、bが6.378(7)Å、及び、cが10.666(7)Åでβが90.297(0)°であり、結晶子径は135Åであった。 The XRD pattern is shown in Figure 2. The obtained sodium iron polyanion had a purity of 100% and a monoclinic crystal structure assigned to the space group C2/c. The lattice constants were a 19.716(8) Å, b 6.378(7) Å, and c 10.666(7) Å, β 90.297(0)°, and the crystallite size was 135 Å.
実施例3
リン酸鉄(FePO4・n水和物。n=7)、7%リン酸ナトリウム(Na3PO4)水溶液を混合した後、これに85%オルトリン酸(H3PO4)を加えて以下の組成を有する組成物を得た。
Example 3
Iron phosphate ( FePO4.n hydrate, n=7) and a 7% aqueous solution of sodium phosphate ( Na3PO4 ) were mixed, and then 85% orthophosphoric acid ( H3PO4 ) was added thereto to obtain a composition having the following composition.
リン酸鉄 : 3.30g
7%リン酸ナトリウム水溶液 : 40.0g
85%オルトリン酸 : 2.06g
当該組成物のpHは6.0であった。
Iron phosphate: 3.30g
7% sodium phosphate aqueous solution: 40.0 g
85% orthophosphoric acid: 2.06 g
The pH of the composition was 6.0.
当該組成物を、テフロン(登録商標)樹脂性の蓋付き容器に充填及び密閉した後、これを恒温槽に設置し、20rpmの一定速度で回転させながら以下の条件で水熱処理を施した。 The composition was filled into a Teflon (registered trademark) resin container with a lid and sealed, then placed in a thermostatic chamber and subjected to hydrothermal treatment under the following conditions while rotating at a constant speed of 20 rpm.
水熱処理温度 :175℃
水熱処理時間 :9時間
水熱処理圧力 :自生圧下
水熱処理後、生成物を純水で洗浄及びろ過した後、真空雰囲気下、120℃で4時間乾燥した後、粉砕して粉末状のナトリウム鉄ポリアニオンを得た。
Hydrothermal treatment temperature: 175°C
Hydrothermal treatment time: 9 hours Hydrothermal treatment pressure: autogenous pressure After the hydrothermal treatment, the product was washed with pure water, filtered, dried at 120°C for 4 hours under a vacuum atmosphere, and then pulverized to obtain a powdered sodium iron polyanion.
得られたナトリウム鉄ポリアニオンは純度が100%(すなわち、ナトリウム鉄ポリアニオンのXRDパターンが、Na3Fe(PO4)4で表されるXRDパターンのみ)であり、結晶構造は空間群C2/cで帰属される単斜晶であった。格子定数はそれぞれ、aが19.623(4)Å、bが6.392(7)Å、及び、cが10.646(1)Åでβが92.081(3)°であり、結晶子径は35Åであった。 The resulting sodium iron polyanion had a purity of 100% (i.e., the only XRD pattern of the sodium iron polyanion was that of Na3Fe(PO4)4 ) , and the crystal structure was a monoclinic crystal assigned to the space group C2/c. The lattice constants were a = 19.623(4) Å, b = 6.392(7) Å, and c = 10.646(1) Å, β = 92.081(3)°, and the crystallite size was 35 Å.
実施例4
原料組成物を以下の組成としたこと、水熱処理温度を150℃としたこと以外は実施例3と同様な方法で本実施例のナトリウム鉄ポリアニオンを得た。
Example 4
The sodium iron polyanion of this example was obtained in the same manner as in Example 3, except that the raw material composition was as follows and the hydrothermal treatment temperature was 150°C.
リン酸鉄 : 3.39g
7%リン酸ナトリウム水溶液 : 40.0g
85%オルトリン酸 : 1.98g
当該組成物のpHは6.0であった。
Iron phosphate: 3.39g
7% sodium phosphate aqueous solution: 40.0 g
85% orthophosphoric acid: 1.98g
The pH of the composition was 6.0.
得られたナトリウム鉄ポリアニオンは純度が100%(すなわち、ナトリウム鉄ポリアニオンのXRDパターンが、Na3Fe(PO4)4で表されるXRDパターンのみ)であり、結晶構造は空間群C2/cで帰属される単斜晶であった。格子定数はそれぞれ、aが19.471(8)Å、bが6.313(2)Å、及び、cが10.543(2)Åでβが90.518(6)°であり、結晶子径は117Åであった。 The resulting sodium iron polyanion had a purity of 100% (i.e., the only XRD pattern of the sodium iron polyanion was that of Na3Fe (PO4) 4 ), and the crystal structure was a monoclinic crystal assigned to the space group C2/c. The lattice constants were a = 19.471(8) Å, b = 6.313(2) Å, and c = 10.543(2) Å, β = 90.518(6)°, and the crystallite size was 117 Å.
実施例5
リン酸鉄(FePO4・n水和物。n=7)、リン酸マンガン(MnPO4・n水和物)、7%リン酸ナトリウム(Na3PO4)水溶液を混合した後、これに85%オルトリン酸(H3PO4)を加えて以下の組成を有する組成物を得たこと以外は実施例3と同様な方法で、、鉄とマンガンをFe:Mn=3:1で含む、本実施例のナトリウム鉄マンガンポリアニオンを得た。
Example 5
The sodium iron manganese polyanion of this example, containing iron and manganese in a ratio of Fe:Mn=3 : 1 , was obtained in the same manner as in Example 3, except that iron phosphate (FePO4.n-hydrate, n=7), manganese phosphate ( MnPO4.n -hydrate), and a 7% aqueous solution of sodium phosphate ( Na3PO4 ) were mixed, and then 85% orthophosphoric acid ( H3PO4 ) was added thereto to obtain a composition having the following composition.
リン酸鉄 : 2.48g
リン酸マンガン : 1.02g
7%リン酸ナトリウム水溶液 : 40.0g
85%オルトリン酸 : 1.96g
当該組成物のpHは6.3であった。
Iron phosphate: 2.48g
Manganese phosphate: 1.02g
7% sodium phosphate aqueous solution: 40.0 g
85% orthophosphoric acid: 1.96 g
The pH of the composition was 6.3.
得られたナトリウム鉄マンガンポリアニオンは純度が100%(すなわち、XRDパターンが、Na3Fe3(PO4)4で表されるXRDパターンと同等のXRDパターンのみ)であり、結晶構造は空間群C2/cで帰属される単斜晶であった。格子定数はそれぞれ、aが19.732(3)Å、bが6.398(0)Å、及び、cが10.684(3)Åでβが90.395(4)°結晶子径は37Åであった。 The resulting sodium iron manganese polyanion had a purity of 100% (i.e., only an XRD pattern equivalent to that of Na3Fe3 (PO4) 4 ) and a monoclinic crystal structure assigned to the space group C2/c. The lattice constants were a=19.732(3) Å, b=6.398(0) Å, and c=10.684(3) Å, β=90.395(4)°, and the crystallite size was 37 Å.
実施例6
リン酸鉄(FePO4・n水和物。n=7)、リン酸コバルト(Co3PO4・8水和物)、7%リン酸ナトリウム(Na3PO4)水溶液を混合した後、これに85%オルトリン酸(H3PO4)を加えて以下の組成を有する組成物を得たこと以外は実施例3と同様な方法で、鉄とコバルトをFe:Co=3:1で含む、本実施例のナトリウム鉄マンガンポリアニオンを得た。
Example 6
The sodium iron manganese polyanion of this example, containing iron and cobalt in a ratio of Fe:Co=3 : 1, was obtained in the same manner as in Example 3, except that iron phosphate ( FePO4.n -hydrate, n= 7 ), cobalt phosphate ( Co3PO4.octahydrate ), and a 7% aqueous solution of sodium phosphate ( Na3PO4 ) were mixed, and then 85% orthophosphoric acid ( H3PO4 ) was added thereto to obtain a composition having the following composition.
リン酸鉄 : 2.48g
リン酸コバルト8水和物 : 2.17g
7%リン酸ナトリウム水溶液 : 40.0g
85%オルトリン酸 : 1.96g
当該組成物のpHは6.2であった。
Iron phosphate: 2.48g
Cobalt phosphate octahydrate: 2.17g
7% sodium phosphate aqueous solution: 40.0 g
85% orthophosphoric acid: 1.96 g
The pH of the composition was 6.2.
得られたナトリウム鉄コバルトポリアニオンは純度が100%(すなわち、XRDパターンが、Na3Fe3(PO4)4で表されるXRDパターンと同等のXRDパターンのみ)であり、結晶構造は空間群C2/cで帰属される単斜晶であった。格子定数はそれぞれ、aが19.743(7)Å、bが6.433(1)Å、及び、cが10.743(6)Åでβが90.415(8)°であり、結晶子径は189Åであった。 The resulting sodium iron cobalt polyanion had a purity of 100% (i.e., only an XRD pattern equivalent to that of Na3Fe3 (PO4) 4 ) and a monoclinic crystal structure assigned to the space group C2/c. The lattice constants were a=19.743(7) Å, b=6.433(1) Å, and c=10.743(6) Å, β=90.415(8)°, and the crystallite size was 189 Å.
測定例1(非水系ナトリウム二次電池の評価)
(被覆層の形成)
実施例1又は2で得られたNaTPを使用し、NaTPのモル比に対するアセチレンブラックの質量比が70:30になるようにアセチレンブラックを混合した。混合は遊星ボールミルを使用し、400rpm、1時間、アルゴン雰囲気で処理を行い、NaTPの表面に炭素からなる被覆層(炭素層)を形成し、炭素層を有するNaTPを得た。
(非水系ナトリウム二次電池特性の評価)
炭素層を有するNaTPと導電性バインダー(製品名:TAB-2,宝泉株式会社製)を重量比2:1となるように秤量し、これをメノウ乳鉢で混合して正極合剤とした。得られた正極合剤を直径8mmのSUS製メッシュ(SUS316)上に配置し、これを1ton/cm2で一軸プレスすることで正極合剤ペレットとした。正極合剤ペレットを150℃、2時間の減圧乾燥し、これを正極とした。
Measurement Example 1 (Evaluation of Non-Aqueous Sodium Secondary Battery)
(Formation of coating layer)
The NaTP obtained in Example 1 or 2 was used, and acetylene black was mixed so that the mass ratio of acetylene black to the molar ratio of NaTP was 70: 30. Mixing was performed using a planetary ball mill at 400 rpm for 1 hour in an argon atmosphere to form a coating layer made of carbon (carbon layer) on the surface of NaTP, thereby obtaining NaTP having a carbon layer.
(Evaluation of non-aqueous sodium secondary battery characteristics)
NaTP having a carbon layer and a conductive binder (product name: TAB-2, manufactured by Hosen Co., Ltd.) were weighed out to a weight ratio of 2:1, and mixed in an agate mortar to prepare a positive electrode mixture. The obtained positive electrode mixture was placed on a SUS mesh (SUS316) having a diameter of 8 mm, and uniaxially pressed at 1 ton/ cm2 to prepare a positive electrode mixture pellet. The positive electrode mixture pellet was dried under reduced pressure at 150°C for 2 hours to prepare a positive electrode.
得られた正極を用い、以下の構成を備えた非水系ナトリウム二次電池を作製した。 Using the obtained positive electrode, a nonaqueous sodium secondary battery with the following configuration was fabricated.
試験極 :正極
対極 :金(Ag)線
参照極 :銀/硝酸銀(Ag/AgNO3)電極
電解液
:(電解質)NaPF6 1mol/dm3
(溶媒)エチレンカーボネート(EC):ジメチルカーボネート(DMC)
=1:1(体積比)
Test electrode: Positive electrode Counter electrode: Gold (Ag) wire Reference electrode: Silver/silver nitrate (Ag/ AgNO3 ) electrode Electrolyte: (Electrolyte) NaPF6 1 mol/ dm3
(Solvent) Ethylene carbonate (EC): Dimethyl carbonate (DMC)
= 1:1 (volume ratio)
非水系ナトリウム二次電池を用いて、定電流充放電試験の評価を行った。評価条件は以下のとおりである。
温度 :室温(24.5±2.5℃22~27℃)
電極電位 :-1.63V~1.52V(銀/硝酸銀電極基準)
電流値 :0.4mA/cm2の一定電流値
充放電回数 :10サイクル
上記の銀/硝酸銀電極基準の電位はナトリウム電極基準の1.50~4.65Vに相当する。
A constant current charge/discharge test was performed using the nonaqueous sodium secondary battery under the following conditions:
Temperature: Room temperature (24.5±2.5℃22-27℃)
Electrode potential: -1.63V to 1.52V (based on silver/silver nitrate electrode)
Current value: constant current value of 0.4 mA/ cm2 Number of charge/discharge cycles: 10 cycles The above potential based on the silver/silver nitrate electrode corresponds to 1.50 to 4.65 V based on the sodium electrode.
放電容量の測定結果、1サイクル目の放電容量は、それぞれ、正極活物質として実施例1のNaTPを備えた非水系ナトリウム二次電池が147mAh/g、及び、正極活物質として実施例2のNaTPを備えた非水系ナトリウム二次電池が145mAh/gであった。 As a result of measuring the discharge capacity, the discharge capacity at the first cycle was 147 mAh/g for the nonaqueous sodium secondary battery having NaTP of Example 1 as the positive electrode active material, and 145 mAh/g for the nonaqueous sodium secondary battery having NaTP of Example 2 as the positive electrode active material.
測定例2(水系ナトリウム二次電池の評価)
(被覆層の形成)
実施例1及び2で得られたNaTPを使用し、測定例1と同様な方法でNaTPの表面に炭素層(被覆層)を形成し、炭素層を有するNaTPを得た。
(水系ナトリウム電池特性の評価)
炭素層を有するNaTPを正極活物質とし、これと、AB及びPTFEを、重量比60:30:10で混合して直径4mmのペレット状の正極合剤を得た。作用極(正極)に正極合剤、対極(負極)に板状の亜鉛金属(Zn)、参照極に塩化銀電極(Ag/AgCl)、電解液に電解質濃度(NaClO4濃度)15.5mのNaClO4水溶液を備えた水系ナトリウム二次電池を作製した。当該水系ナトリウム二次電池を、以下の条件で充放電させ、その放電容量を測定した。
Measurement Example 2 (Evaluation of Water-Based Sodium Secondary Battery)
(Formation of coating layer)
The NaTP obtained in Examples 1 and 2 was used, and a carbon layer (coating layer) was formed on the surface of the NaTP in the same manner as in Measurement Example 1, to obtain NaTP having a carbon layer.
(Evaluation of aqueous sodium battery characteristics)
NaTP with a carbon layer was used as the positive electrode active material, and this was mixed with AB and PTFE in a weight ratio of 60:30:10 to obtain a pellet-shaped positive electrode mixture with a diameter of 4 mm. An aqueous sodium secondary battery was produced, which was equipped with a positive electrode mixture as the working electrode (positive electrode), a plate-shaped zinc metal (Zn) as the counter electrode (negative electrode), a silver chloride electrode (Ag/AgCl) as the reference electrode, and an aqueous NaClO4 solution with an electrolyte concentration ( NaClO4 concentration) of 15.5 m as the electrolyte. The aqueous sodium secondary battery was charged and discharged under the following conditions, and its discharge capacity was measured.
電流密度 :2mA/cm2
電圧 :-1.2V~1.3V( vs Ag/AgCl参照極)
充放電温度:室温
1サイクル目の放電容量は、それぞれ、実施例1のNaTPを備えた水系ナトリウム二次電池が131mAh/g、及び、実施例2のNaTPを備えた水系ナトリウム二次電池が128mAh/gであった。
Current density: 2mA/ cm2
Voltage: -1.2V to 1.3V (vs Ag/AgCl reference electrode)
Charge/discharge temperature: room temperature. The discharge capacity at the first cycle was 131 mAh/g for the aqueous sodium secondary battery including NaTP of Example 1, and 128 mAh/g for the aqueous sodium secondary battery including NaTP of Example 2.
測定例3(水系ナトリウム二次電池の評価)
実施例1及び2のNaTPを使用したこと、及び、負極としてPechini法で合成されたNaTi2(PO4)3を負極活物質とする負極を使用したこと以外は測定例2と同様な方法で、水系ナトリウム電池特性を評価した。負極の作製方法を以下に示す。
(負極の作製)
過酸化水素30%溶液にTi(OCH2CH2CH2CH3)4を溶解した溶液40mlと、28%アンモニア水15ml、Na2CO3及びTiの2倍モル量のクエン酸の硝酸溶液10ml、NH4H2PO4水溶液10ml、並びにエチレングリコールを混合してえられた混合溶液を、80℃で1~2時間で蒸発乾固させた。その後、大気中、140℃で加熱して茶色のゲル状組成物を得た。これを大気中、350℃で焼成した後、大気中、800℃で焼成することでNaTi2(PO4)3を得た。
Measurement Example 3 (Evaluation of Water-Based Sodium Secondary Battery)
The aqueous sodium battery characteristics were evaluated in the same manner as in Measurement Example 2, except that NaTP of Examples 1 and 2 was used, and that a negative electrode having NaTi2 ( PO4 ) 3 synthesized by the Pechini method as a negative electrode active material was used. The method for producing the negative electrode is shown below.
(Preparation of negative electrode)
A mixed solution obtained by mixing 40 ml of a solution in which Ti(OCH 2 CH 2 CH 2 CH 3 ) 4 was dissolved in a 30% hydrogen peroxide solution, 15 ml of 28% ammonia water, 10 ml of a nitric acid solution of Na 2 CO 3 and citric acid in a molar amount twice that of Ti, 10 ml of an aqueous NH 4 H 2 PO 4 solution, and ethylene glycol was evaporated to dryness at 80°C for 1 to 2 hours. The mixture was then heated in air at 140°C to obtain a brown gel composition. This was then baked in air at 350°C, and then baked in air at 800°C to obtain NaTi 2 (PO 4 ) 3 .
得られたNaTi2(PO4)3とアセチレンブラック(AB)を重量比が70:30となるように混合し後、遊星ボールミルを使用して、400rpm、1時間、Ar雰囲気下の条件で処理することで、NaTi2(PO4)3をカーボンコーティングし、これを負極活物質とした。得られた負極活物質とPTFEを重量比90:10で混合し、直径4mmのペレット状に成型したものを負極合剤とした。
(水系ナトリウム二次電池評価)
水系ナトリウム二次電池評価の結果、1サイクル目の放電容量は、それぞれ、実施例1のNaTPを備えた水系ナトリウム二次電池が127mAh/g、及び、実施例2のNaTPを備えた水系ナトリウム二次電池が127mAh/gであった。
The obtained NaTi 2 (PO 4 ) 3 and acetylene black (AB) were mixed in a weight ratio of 70:30, and then treated in a planetary ball mill at 400 rpm for 1 hour under an Ar atmosphere to carbon-coat the NaTi 2 (PO 4 ) 3 , which was used as the negative electrode active material. The obtained negative electrode active material and PTFE were mixed in a weight ratio of 90:10, and molded into pellets with a diameter of 4 mm to use as the negative electrode mixture.
(Aqueous sodium secondary battery evaluation)
As a result of the evaluation of the aqueous sodium secondary batteries, the discharge capacity at the first cycle was 127 mAh/g for the aqueous sodium secondary battery including NaTP of Example 1, and 127 mAh/g for the aqueous sodium secondary battery including NaTP of Example 2.
測定例4
(被覆層の形成)
実施例3乃至6で得られたNaTPを使用し、測定例1と同様な方法でNaTPの表面に炭素層(被覆層)を形成し、炭素層を有するNaTPを得た。
(水系ナトリウム二次電池評価)
得られた炭素層を有するNaTPを使用したこと、及び、負極としてPechini法で合成されたNaTi2(PO4)3を負極活物質とする負極を使用したこと以外は測定例2と同様な方法で、水系ナトリウム電池特性を評価した。
Measurement Example 4
(Formation of coating layer)
The NaTP obtained in Examples 3 to 6 was used, and a carbon layer (coating layer) was formed on the surface of the NaTP in the same manner as in Measurement Example 1, to obtain NaTP having a carbon layer.
(Aqueous sodium secondary battery evaluation)
The aqueous sodium battery characteristics were evaluated in the same manner as in Measurement Example 2, except that the obtained NaTP having a carbon layer was used, and that a negative electrode having NaTi 2 (PO 4 ) 3 synthesized by the Pechini method as the negative electrode active material was used.
水系ナトリウム二次電池評価の結果、1サイクル目の放電容量は、それぞれ、実施例3のNaTPを備えた水系ナトリウム二次電池が122mAh/g、及び、実施例4のNaTPを備えた水系ナトリウム二次電池が126mAh/g、実施例5のNaTPを備えた水系ナトリウム二次電池が127mAh/g、及び、実施例6のNaTPを備えた水系ナトリウム二次電池が127mAh/gであった。 As a result of the evaluation of the aqueous sodium secondary batteries, the discharge capacity at the first cycle was 122 mAh/g for the aqueous sodium secondary battery with NaTP of Example 3, 126 mAh/g for the aqueous sodium secondary battery with NaTP of Example 4, 127 mAh/g for the aqueous sodium secondary battery with NaTP of Example 5, and 127 mAh/g for the aqueous sodium secondary battery with NaTP of Example 6.
比較測定例(非水系ナトリウムイオン二次電池)
特開2009-206085号公報の実施例1に準じた方法により、オリビン構造を有するナトリウム含有遷移金属リン酸化合物(NaFePO4)を合成した。得られたNaFePO4を正極活物質としたこと以外は測定例2と同様な方法で、ペレット状の正極合剤を得た。
Comparative measurement example (non-aqueous sodium ion secondary battery)
A sodium-containing transition metal phosphate compound (NaFePO 4 ) having an olivine structure was synthesized according to a method in accordance with Example 1 of JP 2009-206085 A. A pellet-shaped positive electrode mixture was obtained in the same manner as in Measurement Example 2, except that the obtained NaFePO 4 was used as the positive electrode active material.
得られた正極合剤を使用したこと以外は測定例2と同様な方法で、非水系ナトリウム二次電池を作製し、充放電試験を行った。その結果、1サイクル目の放電容量は60mAh/gであった。 A non-aqueous sodium secondary battery was fabricated and subjected to a charge-discharge test in the same manner as in Measurement Example 2, except that the obtained positive electrode mixture was used. As a result, the discharge capacity in the first cycle was 60 mAh/g.
これらの結果より、本実施例のNaTPは、オリビン系のナトリウム含有遷移金属リン酸化合物と比較して、非水系ナトリウム二次電池の正極活物質としては2倍以上の放電容量を示すことが確認できる。さらに、測定例1乃至3より、非水系ナトリウム二次電池と比べ、水系ナトリウム二次電池においては、正極活物質の放電容量が低下することが分かる。それにも関わらず、本実施例のNaTPは、これを水系ナトリウム二次電池の正極活物質としても、従来のオリビン系のナトリウム含有遷移金属リン酸化合物を正極活物質とする非水系ナトリウム二次電池と同等以上の放電容量を示すことが確認できた。 From these results, it can be confirmed that the NaTP of this embodiment exhibits more than twice the discharge capacity as a positive electrode active material for a non-aqueous sodium secondary battery, compared to an olivine-based sodium-containing transition metal phosphate compound. Furthermore, from Measurement Examples 1 to 3, it can be seen that the discharge capacity of the positive electrode active material is lower in an aqueous sodium secondary battery, compared to a non-aqueous sodium secondary battery. Nevertheless, it was confirmed that the NaTP of this embodiment, even when used as the positive electrode active material for an aqueous sodium secondary battery, exhibits a discharge capacity equal to or greater than that of a non-aqueous sodium secondary battery that uses a conventional olivine-based sodium-containing transition metal phosphate compound as the positive electrode active material.
本開示のナトリウム遷移金属ポリアニオンは、吸着剤、イオン交換体、水素イオン伝導体、固体電解質、電池材料、特に、電気化学デバイスの活物質、更にはナトリウム二次電池の正極活物質として好適に使用できる。 The sodium transition metal polyanion disclosed herein can be suitably used as an adsorbent, an ion exchanger, a hydrogen ion conductor, a solid electrolyte, a battery material, in particular an active material for electrochemical devices, and further as a positive electrode active material for sodium secondary batteries.
Claims (13)
前記ナトリウム遷移金属ポリアニオンの粉末X線回折パターンに占める、一般式Na3M3(PO4)4(但し、MはFeのみ、または、Feと、MnまたはCoのいずれかとの組み合わせ)で表される粉末X線回折パターンの割合が、80%以上である、請求項1又は2に記載のナトリウム遷移金属ポリアニオン。
3. The sodium transition metal polyanion according to claim 1, wherein the proportion of a powder X-ray diffraction pattern represented by the general formula Na3M3 ( PO4 ) 4 (wherein M is Fe only , or M is a combination of Fe with either Mn or Co ) in the powder X-ray diffraction pattern of the sodium transition metal polyanion is 80% or more.
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