JP7723953B2 - Positive electrode active material for secondary battery and fluoride ion secondary battery using said positive electrode active material - Google Patents
Positive electrode active material for secondary battery and fluoride ion secondary battery using said positive electrode active materialInfo
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Description
本発明は、二次電池用正極活物質および前記正極活物質を用いたフッ化物イオン二次電池に関する。 The present invention relates to a positive electrode active material for a secondary battery and a fluoride ion secondary battery using the positive electrode active material.
リチウムイオン二次電池は、単セル当たりの電圧が高く、また、エネルギー密度が高いことから、携帯用電子機器、電気自動車、電力貯蔵用電池など幅広い用途に用いられている。
リチウムイオン二次電池は、リチウムイオンと正極活物質との反応、および、リチウムイオンと負極活物質との反応を利用した二次電池である。同様にアルカリ金属イオンをキャリアとして使用したカチオンベースの電池として、リチウムと同じアルカリ金属であるナトリウムおよびカリウムを用いて、ナトリウムイオン二次電池およびカリウムイオン二次電池の開発が進められている。
リチウムイオン二次電池においては、正極と負極の2つの電極の間を行き来するリチウムイオンを収容するために、電極にインターカレーション反応と呼ばれる原理が使われている。インターカレーション反応型では、活物質の結晶構造の隙間にリチウムイオンが挿入され、蓄えられる。充電と放電を繰り返しても電極自体はあまり変化しないので、従来の電極溶解型二次電池で生じていた充放電の繰り返しによる電極の変形などの現象が抑制される。電極の変形を考慮して、必要以上に大きく設定されていた電極間距離を小さくできるので、電池自体をコンパクトな設計とすることができる。
Lithium-ion secondary batteries have a high voltage per cell and a high energy density, and are therefore used in a wide range of applications, including portable electronic devices, electric vehicles, and power storage batteries.
Lithium-ion secondary batteries are secondary batteries that utilize the reaction between lithium ions and a positive electrode active material and the reaction between lithium ions and a negative electrode active material. Similarly, development of sodium-ion secondary batteries and potassium-ion secondary batteries is underway as cation-based batteries that use alkali metal ions as carriers, using sodium and potassium, which are alkali metals like lithium.
In lithium-ion secondary batteries, a principle known as the intercalation reaction is used in the electrodes to accommodate the lithium ions that move back and forth between the two electrodes, the positive and negative electrodes. In intercalation reaction batteries, lithium ions are inserted and stored in the gaps in the crystalline structure of the active material. Because the electrodes themselves do not change significantly even with repeated charging and discharging, phenomena such as electrode deformation caused by repeated charging and discharging, which occurred in conventional electrode-dissolving secondary batteries, are suppressed. The distance between the electrodes, which was previously set larger than necessary to account for electrode deformation, can now be reduced, allowing for a more compact battery design.
[リチウムイオン二次電池とシアノ金属酸塩]
リチウムイオン二次電池、ナトリウムイオン二次電池およびカリウムイオン二次電池の正極においてインターカレーションを実現する材料として、金属イオンがシアノ基で架橋された金属錯体(以下、シアノ金属酸塩)は有望な候補である。なぜならば、金属イオンがシアノ基で架橋されることにより、図1(A)で示すジャングルジムのような三次元構造が形成され、該ジャングルジム構造の隙間に電荷キャリアを挿入することが可能となるからである。
[ Lithium-ion secondary batteries and cyanometallates ]
Metal complexes in which metal ions are bridged with cyano groups (hereinafter referred to as cyanometallates) are promising candidates for intercalation in the positive electrodes of lithium-ion, sodium-ion, and potassium-ion secondary batteries. This is because the bridged metal ions form a three-dimensional structure resembling a jungle gym (see Figure 1(A)), allowing charge carriers to be inserted into the gaps in the jungle gym structure.
例えば、特許文献1は、鉄基シアノ金属酸塩からなる一般式AxMn[Fe(CN)6]y・zH2Oで表される電池用正極材を開示している。ここで、Aはアルカリカチオンおよびアルカリ土類のカチオン、x=1~2、y=0.5~1、z=0~3.5である。さらに特許文献1には、当該AxMn[Fe(CN)6]y・zH2Oを含む正極と、Aを含む有機電解液および、負極を用いて製作した二次電池の充放電特性が記載されている。それによれば、充電および放電特性には出力電圧がほぼ一定である単一のプラトー放電曲線が存在し、当該単一のプラトー放電曲線は、全放電容量の85%~15%の領域をカバーしていた。放電特性においては、前記単一プラトー曲線の85%の点において、当該二次電池は正極活物質1グラムあたり90ミリアンペア時(mAh/g)を超える放電容量を有していた。Aをナトリウムとし、NaxMn[Fe(CN)6]y・zH2Oを正極活物質として用い、有機電解液および負極を含む二次電池を試作したところ、1グラムあたり170ミリアンペア時(mAh/g)の大きな放電容量が得られ、このとき出力電圧は2~4.2Vであった。 For example, Patent Document 1 discloses a battery cathode material composed of an iron-based cyanometallate salt, represented by the general formula A x Mn[Fe(CN) 6 ]y·zH 2 O. Here, A represents an alkali cation and an alkaline earth cation, x = 1 to 2, y = 0.5 to 1, and z = 0 to 3.5. Patent Document 1 also describes the charge and discharge characteristics of a secondary battery fabricated using a cathode containing A x Mn[Fe(CN) 6 ]y·zH 2 O, an organic electrolyte containing A, and a negative electrode. According to the document, the charge and discharge characteristics exhibit a single plateau discharge curve, where the output voltage is nearly constant, and this single plateau discharge curve covers a range of 85% to 15% of the total discharge capacity. In terms of discharge characteristics, at the 85% point of the single plateau curve, the secondary battery had a discharge capacity exceeding 90 milliampere-hours per gram of cathode active material (mAh/g). When a secondary battery was fabricated using sodium as A, Na x Mn[Fe(CN) 6 ] y.zH 2 O as the positive electrode active material, an organic electrolyte solution, and a negative electrode, a large discharge capacity of 170 milliampere-hours per gram (mAh/g) was obtained, and the output voltage was 2 to 4.2 V.
[リチウムイオン二次電池の高出力電圧化:リチウムイオン二次電池の第一の問題点]
電池のエネルギー密度を高めるためには、出力電圧をさらに高めることが有効な手段である。理論的にみれば、高い出力電圧を得るためには、正極と負極に用いられる材料の酸化還元電位の差をさらに大きくすればよい。これは、負極に酸化還元電位が低い酸化還元反応を示す物質を使用し、一方正極には酸化還元電位が高い酸化還元反応を示す物質を使用することで実現される。
[ Increasing the output voltage of lithium-ion secondary batteries: The first problem with lithium-ion secondary batteries ]
Increasing the output voltage is an effective way to increase the energy density of a battery. In theory, a higher output voltage can be obtained by increasing the difference in redox potential between the materials used in the positive and negative electrodes. This can be achieved by using a material with a low redox potential for the negative electrode and a material with a high redox potential for the positive electrode.
特許文献1に開示された発明では、シアノ基が配位した鉄錯イオン、もしくはマンガン錯イオンの下記酸化還元反応が正極活物質として使用され、充放電反応を担っている。
[MIII(CN)6]3- + e- ⇔ [MII(CN)6]4- (ここで、MはFe、Mnである)
この反応において、M(CN)6の酸化還元電位は高いほどよい。しかしながら、非特許文献1に開示されているとおり、Mが鉄Feの場合、酸化還元電位は+0.355V(対標準水素電極電位)、MがマンガンMnの場合-0.240V(対標準水素電極電位)であり、この電位は他のシアノ金属酸塩のそれと比べて決して高いとはいえない。
In the invention disclosed in Patent Document 1, the following oxidation-reduction reaction of iron complex ions or manganese complex ions coordinated with a cyano group is used as a positive electrode active material, and is responsible for the charge-discharge reaction.
[M III (CN) 6 ] 3- + e - ⇔ [M II (CN) 6 ] 4- (where M is Fe or Mn)
In this reaction, the higher the redox potential of M(CN) 6 , the better. However, as disclosed in Non-Patent Document 1, when M is iron (Fe), the redox potential is +0.355 V (vs. standard hydrogen electrode potential), and when M is manganese (Mn), the redox potential is −0.240 V (vs. standard hydrogen electrode potential), which is not particularly high compared to that of other cyanometallates.
上記酸化還元電位を改善するために、MをモリブデンMoとすることが考えられる。その理由は、下式で表されるシアノ基が配位したモリブデン錯イオンの酸化還元反応
[MoV(CN)8]3- + e- ⇔ [MoIV(CN)8]4-
の酸化還元電位は+0.725V(対標準水素電極電位)であることが非特許文献2に開示されており、前記鉄錯イオンやマンガン錯イオンの酸化還元電位と比較して高い電位であるからである。それゆえ、MにモリブデンMoを用いれば、鉄FeやマンガンMnを用いた場合に比べて、二次電池の出力電圧を高めることができ、結果としてエネルギー密度が高い二次電池が得られる可能性がある。
したがって、AxMn[Mo(CN)8]y・zH2Oのような材料(AはリチウムLi,ナトリウムNa,カリウムKのようなアルカリカチオンおよびアルカリ土類のカチオン)を合成することができれば、これをそのまま特許文献1に示された構成の二次電池に適用することで、出力電圧の向上を期待することができる。出願人はこのような材料の探索を鋭意行なったが、[Mo(CN)8]という構造を含み、AかつMnを含むような物質を発見することはできなかった。
In order to improve the redox potential, it is considered to use molybdenum Mo for M. The reason for this is that the redox reaction of the molybdenum complex ion coordinated with a cyano group, represented by the following formula, [ MoV (CN) 8 ] 3- + e- ⇔ [ MoIV (CN) 8 ] 4-
This is because, as disclosed in Non-Patent Document 2, the oxidation-reduction potential of the iron complex ion (Mo) is +0.725 V (vs. standard hydrogen electrode potential), which is higher than the oxidation-reduction potentials of the iron complex ion and manganese complex ion. Therefore, if molybdenum (Mo) is used for M, the output voltage of the secondary battery can be increased compared to when iron (Fe) or manganese (Mn) is used, and as a result, a secondary battery with a high energy density can be obtained.
Therefore, if it were possible to synthesize a material such as A x Mn[Mo(CN) 8 ] y.zH 2 O (where A is an alkali cation such as lithium Li, sodium Na, or potassium K, or an alkaline earth cation), it would be possible to expect an improvement in output voltage by applying this directly to a secondary battery having the configuration shown in Patent Document 1. The applicant has diligently searched for such a material, but has not been able to find a substance that has the structure of [Mo(CN) 8 ] and contains both A and Mn.
ただし、非特許文献3には、5価のモリブデンを含んだシアノ酸塩の例として、[Mn(H2O)][Mn(HCOO)2/3(H2O)2/3]3/4[Mo(CN)8]・H2Oが開示され、該物質にリチウムイオンやナトリウムイオンが可逆的に挿入脱離することが示されている。非特許文献3には、二次電池の試作例は示されていないが、当該物質には出力電圧向上の鍵となるモリブデン錯イオン骨格[Mo(CN)8]の構造が含まれ、リチウムイオンやナトリウムイオンのインターカレーション反応が可能であることから、当該モリブデン基シアノ酸塩を特許文献1に示された構成の二次電池に適用すれば、高い出力電圧を有するリチウムイオン二次電池が実現できる可能性がある。 However, Non-Patent Document 3 discloses [Mn(H 2 O)] [Mn(HCOO) 2/3 (H 2 O) 2/3 ] 3/4 [Mo(CN) 8 ]·H 2 O as an example of a cyano acid salt containing pentavalent molybdenum, and shows that lithium ions and sodium ions can be reversibly inserted and extracted into and from this substance. Although Non-Patent Document 3 does not show any prototype secondary battery examples, this substance contains a molybdenum complex ion framework [Mo(CN) 8 ] structure, which is key to improving output voltage, and is capable of intercalation reactions of lithium ions and sodium ions. Therefore, if this molybdenum-based cyano acid salt is applied to a secondary battery with the configuration shown in Patent Document 1, it may be possible to realize a lithium ion secondary battery with a high output voltage.
しかし、非特許文献3に開示された[Mn(H2O)][Mn(HCOO)2/3(H2O)2/3]3/4[Mo(CN)8]・H2Oには、欠点がある。第一に、一般にモリブデン基シアノ酸塩の原料は4価のモリブデンを含んだ化合物として得られるため、5価のモリブデンを含んだシアノ酸塩はあらかじめ酸化処理を施した原料物質を用いるなど煩雑な合成手順を要する。第二に、上記物質はリチウムイオン、ナトリウムイオンおよびカリウムイオンを物質製造時に含んでいないので、上記モリブデン基シアノ酸塩を正極活物質として使用した場合、必然的に初回の反応は、リチウムイオン、ナトリウムイオンおよびカリウムイオンを物質内に挿入させ、同時にモリブデンは電子を電極側から受け入れて5価から4価([MoV(CN)8]3- → [MoIV(CN)8]4-)へ還元される反応となる。これは初回の反応が放電であることを意味する。この場合、負極は同じく放電可能状態(還元状態)としておく必要がある。放電可能な負極材料として、例えば、リチウムイオン、ナトリウムイオンおよびカリウムイオンを吸蔵したグラファイトなどが例示できる。しかしこのような化合物は市場で通常入手できず、かつ、大気中で不安定である。市場で通常入手できる負極活物質は酸化状態(充電可能状態)の物質に限られる。したがって、非特許文献3に開示された[Mn(H2O)][Mn(HCOO)2/3(H2O)2/3]3/4[Mo(CN)8]・H2Oを用いて、リチウムイオン二次電池を作製することは困難である。 However, the [Mn(H 2 O)] [Mn(HCOO) 2/3 (H 2 O) 2/3 ] 3/4 [Mo(CN) 8 ]·H 2 O disclosed in Non-Patent Document 3 has drawbacks. First, because the raw material for molybdenum-based cyanate salts is generally obtained as a compound containing tetravalent molybdenum, cyanate salts containing pentavalent molybdenum require a complicated synthesis procedure, such as using raw materials that have been pre-oxidized. Second, since the above material does not contain lithium ions, sodium ions, or potassium ions during production, when the above molybdenum-based cyanate salt is used as a positive electrode active material, the initial reaction inevitably involves the insertion of lithium ions, sodium ions, and potassium ions into the material, while at the same time, molybdenum accepts electrons from the electrode side and is reduced from pentavalent to tetravalent ([Mo V (CN) 8 ] 3− → [Mo IV (CN) 8 ] 4− ). This means that the initial reaction is discharge. In this case, the negative electrode must also be in a dischargeable state (reduced state). Examples of dischargeable negative electrode materials include graphite absorbing lithium ions, sodium ions, and potassium ions. However, such compounds are not commonly available on the market and are unstable in the atmosphere. Negative electrode active materials commonly available on the market are limited to materials in an oxidized state (rechargeable state). Therefore, it is difficult to fabricate a lithium-ion secondary battery using [Mn(H 2 O)] [Mn(HCOO) 2/3 (H 2 O) 2/3 ] 3/4 [Mo(CN) 8 ]·H 2 O, as disclosed in Non-Patent Document 3.
上記のように、モリブデン錯イオン骨格を含んだシアノ酸塩を正極活物質として用いたリチウムイオン二次電池は、理論的には作製可能と考えられる。
しかしながら、現実に作製するためには入手が困難で大気中で不安定な負極材料を要するなど、課題が多い。
As described above, it is believed that it is theoretically possible to fabricate a lithium ion secondary battery using a cyano acid salt containing a molybdenum complex ion skeleton as a positive electrode active material.
However, there are many challenges to actually producing such a battery, such as the need for anode materials that are difficult to obtain and unstable in the atmosphere.
モリブデン錯イオン骨格[Mo(CN)8]を使用すればリチウムイオン二次電池の高電圧化が実現できる可能性が知られているにも関わらず、これが実現できないことが、リチウムイオン二次電池における「第一の問題点」である。 Although it is known that the use of a molybdenum complex ion framework [Mo(CN) 8 ] may enable the realization of high voltage lithium ion secondary batteries, the fact that this has not yet been realized is the "first problem" with lithium ion secondary batteries.
[リチウムイオン二次電池の安全性:リチウムイオン二次電池の第二の問題点]
さらに、リチウムイオン二次電池に関して、構造上そして物性上どうしても避けられない「安全性が低い」という問題点がある。この問題は、リチウムイオン二次電池には、有機系の電解液を使用しなければならず、有機系の電解液は発火する可能性があることに起因している。
[ Safety of Lithium-ion Secondary Batteries: The Second Problem with Lithium-ion Secondary Batteries ]
Furthermore, lithium-ion secondary batteries have the unavoidable problem of low safety due to their structure and physical properties. This problem stems from the fact that they must use organic electrolytes, which can be flammable.
リチウムイオン二次電池には本質的に有機系の電解液しか使用できない。これは、水系電解液を用いた場合、リチウムイオンが還元されて負極に吸蔵される反応よりも、水が還元されて水素が発生する反応の方が起こりやすいため、リチウムが負極に吸蔵されず、リチウムイオンを用いた電荷のやり取りが電極と電解液の間でできなくなるためである。 Essentially, only organic electrolytes can be used in lithium-ion secondary batteries. This is because when an aqueous electrolyte is used, the reaction in which water is reduced and hydrogen is generated is more likely to occur than the reaction in which lithium ions are reduced and absorbed into the negative electrode. As a result, lithium is not absorbed into the negative electrode, and charge cannot be transferred between the electrode and the electrolyte using lithium ions.
次に有機電解液の発火する原因を述べる。リチウムイオン二次電池が過充電されると、負極内に吸蔵しきれなくなった金属リチウムが負極上に析出する現象が生じることがある。金属リチウムがセパレータを横切って成長して正極に到達した場合、電池内で内部短絡が引き起こされ、この内部短絡により発熱が起こる。この発熱により、有機系の電解液が発火しうる。 Next, we will explain the causes of organic electrolyte ignition. When a lithium-ion secondary battery is overcharged, metallic lithium that can no longer be absorbed in the negative electrode can precipitate on the negative electrode. If metallic lithium grows across the separator and reaches the positive electrode, an internal short circuit occurs within the battery, which generates heat. This heat can cause the organic electrolyte to ignite.
さらに、正極活物質に酸化物系材料を用いた場合、高温時に正極活物質中の酸素原子が放出されることが知られている。放出された酸素原子は高活性であり、有機電解液と反応して燃焼を引き起こすことがある。 Furthermore, when oxide-based materials are used as the positive electrode active material, it is known that oxygen atoms in the positive electrode active material are released at high temperatures. The released oxygen atoms are highly reactive and can react with the organic electrolyte, causing combustion.
このように、リチウムイオン二次電池は、非常に高い性能を有するにもかかわらず、安全性に関し、避けることのできない問題点を有している。 Thus, despite their extremely high performance, lithium-ion secondary batteries have unavoidable safety issues.
[アニオンベース二次電池:第一および第二の問題を同時に解決する方法]
本出願人は、従来のリチウムイオン二次電池が抱えてきた上記の2つの問題について鋭意検討を行なった結果、第一の問題と第二の問題を同時に解決する方法を見出すに至った。
[ Anion-based secondary batteries: a method to simultaneously solve the first and second problems ]
The present applicant has conducted extensive research into the above two problems that have been associated with conventional lithium ion secondary batteries, and as a result has discovered a method for simultaneously solving the first and second problems.
すなわち、キャリアをカチオンではなくアニオンとし、水系の電解液を用いることである。 In other words, the carrier is an anion instead of a cation, and an aqueous electrolyte is used.
第一の問題は、初回の反応が放電となる点である。電荷キャリアが正極に挿入される反応が、二次電池にとって充電となるためには、電荷キャリアをカチオンではなくアニオンとすればよい。 The first problem is that the initial reaction results in discharging. In order for the reaction in which charge carriers are inserted into the positive electrode to result in charging for a secondary battery, the charge carriers must be anions rather than cations.
第二の問題は、リチウムイオン二次電池の安全性が低い点である。これは電荷キャリアがカチオンであることに由来している。すなわち電荷キャリアがカチオンであった場合、電荷キャリアはリチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオンなどであるため、必然的に電解液に有機溶媒を用いる必要があり、有機溶媒が燃える、といった危険性が存在する。
キャリアをカチオンではなくアニオンの中から選択し、かつ水系の電解液を用いることができれば、電解液の発火を回避できる可能性がある。
The second problem is the low safety of lithium-ion secondary batteries. This is due to the fact that the charge carriers are cations. In other words, when the charge carriers are cations, the charge carriers are lithium ions, sodium ions, potassium ions, etc., so organic solvents must be used in the electrolyte, which poses a risk of burning organic solvents.
If the carrier is selected from anions rather than cations and an aqueous electrolyte can be used, it may be possible to avoid the electrolyte from igniting.
[フッ化物イオン二次電池]
アニオンを電荷キャリアとするアニオンベースの二次電池として、フッ化物イオンの反応を利用したフッ化物イオン二次電池が研究されてきた。一般にアニオンはイオン半径が大きくインターカレーション反応には適さないとされてきたが、安定アニオンの中で最小のフッ化物イオンは、ナトリウムイオンやカリウムイオンと同程度の小さい原子半径を有しているため、インターカレーション型電極が有する分子構造の隙間に唯一自由に出入りできる。フッ化物イオンを用いることで、アニオンベースのインターカレーション型電極が実現できる可能性がある。
[ Fluoride ion secondary battery ]
Fluoride ion secondary batteries, which utilize the reaction of fluoride ions, have been studied as anion-based secondary batteries that use anions as charge carriers. Generally, anions have a large ionic radius and are considered unsuitable for intercalation reactions. However, fluoride ions, the smallest stable anions, have an atomic radius comparable to that of sodium and potassium ions, making them the only anions that can freely enter and exit the gaps in the molecular structure of intercalation electrodes. The use of fluoride ions may enable the realization of anion-based intercalation electrodes.
特許文献2では、アルカリ金属、アルカリ土類金属、スカンジウム、イットリウム、およびランタノイドからなる群より選択される少なくとも1種の金属と、第1の遷移金属と、前記第1の遷移金属とは異なる第2の遷移金属と、フッ素と、を含有する金属フッ化物ならびに金属酸フッ化物が、フッ化物イオン電池の正極材料として示されている。特許文献2には、このような正極活物質を用いた場合、1グラムあたり165ミリアンペア時(mAh/g)の大きな放電容量を得られたこと、およびキャリア収納のメカニズムとして、インターカレーション反応が電極において生じているのではないかという推測が記載されている。 Patent Document 2 discloses metal fluorides and metal oxyfluorides containing at least one metal selected from the group consisting of alkali metals, alkaline earth metals, scandium, yttrium, and lanthanides, a first transition metal, a second transition metal different from the first transition metal, and fluorine as positive electrode materials for fluoride ion batteries. Patent Document 2 also describes that when such a positive electrode active material is used, a large discharge capacity of 165 milliampere-hours per gram (mAh/g) is obtained, and speculates that an intercalation reaction may be occurring in the electrode as the carrier storage mechanism.
また特許文献3では、層状ペロブスカイト構造を有する金属酸フッ化物An+1BnO3n+1-αFxからなる電池用正極材が開示されている。ここで、Aはアルカリ土類金属元素・希土類元素の少なくとも一方、Bは、Mn、Co、Ti、Cr、Fe、Cu、Zn、V、Ni、Zr、Nb、Mo、Ru、Pd、W、Re、Bi、Sbの少なくとも一つ、nは1又は2、0≦α≦3.5、0≦x≦5.5である。
特許文献3では、上記活物質には、充電によりフッ化物イオンがインターカレーション反応により挿入され、さらにその後、充電を続けると一部のO元素がF元素に置換され、その結果、高電位の新たな電極反応が生じること、さらに、この2段階の電極反応の結果、充電容量は1グラムあたり225ミリアンペア時(mAh/g)になることが開示されている。
Patent Document 3 discloses a battery cathode material made of a metal oxyfluoride A n+1 B n O 3n+1-α F x having a layered perovskite structure, where A is at least one of an alkaline earth metal element and a rare earth element, B is at least one of Mn, Co, Ti, Cr, Fe, Cu, Zn, V, Ni, Zr, Nb, Mo, Ru, Pd, W, Re, Bi, and Sb, n is 1 or 2, 0≦α≦3.5, and 0≦x≦5.5.
Patent Document 3 discloses that when the active material is charged, fluoride ions are inserted by an intercalation reaction, and when charging is continued, some of the O elements are replaced by F elements, resulting in a new high-potential electrode reaction, and further that as a result of this two-stage electrode reaction, the charge capacity becomes 225 milliampere-hours per gram (mAh/g).
特許文献2および3にかかる二次電池は、インターカレーション反応によってフッ化物イオンが正極に挿入されることは記載されているが、正極はシアノ金属酸塩を含んでおらず、当然のことながらモリブデン錯イオン骨格[Mo(CN)8]の使用による出力電圧の改善もなされるには至っていない。 The secondary batteries disclosed in Patent Documents 2 and 3 disclose that fluoride ions are inserted into the positive electrode by an intercalation reaction, but the positive electrode does not contain a cyanometallate, and naturally, the output voltage is not improved by using a molybdenum complex ion framework [Mo(CN) 8 ].
また、特許文献2および3にかかる二次電池は、金属フッ化物を正極活物質として用いているが、これらは空気中で吸湿して容易に分解してしまうという使用上の欠点、さらに、該物質を合成する上で、フッ素気流あるいは不活性雰囲気中での燃焼を要するなど工程が多くなるという製造上の欠点を含む。 Furthermore, the secondary batteries disclosed in Patent Documents 2 and 3 use metal fluorides as the positive electrode active material, which has the disadvantage of being easily decomposed by absorbing moisture in the air. Furthermore, the synthesis of the material requires numerous steps, such as combustion in a fluorine gas stream or in an inert atmosphere.
特に、特許文献3に開示された金属酸フッ化物においては、酸素を含むこと、さらに、電解液には有機溶媒を用いることから燃焼、爆発の原因となり得る。すなわち、上述した第二の問題点の解決について認識されていない。 In particular, the metal oxyfluoride disclosed in Patent Document 3 contains oxygen, and furthermore, an organic solvent is used in the electrolyte, which can cause combustion and explosion. In other words, no solution to the second problem mentioned above is recognized.
このように、従来の技術にかかる二次電池においては、フッ化物イオンを電荷キャリアとして用いたインターカレーション型の二次電池は開示されているものの、いずれも上記第一の問題点および第二の問題点を同時に解決するものではない。 As such, while intercalation-type secondary batteries that use fluoride ions as charge carriers have been disclosed in prior art secondary batteries, none of them simultaneously solve both the first and second problems mentioned above.
本願発明者は鋭意研究した結果、モリブデン錯イオン骨格[Mo(CN)8]を含むモリブデン基シアノ金属酸塩を含む正極を用いるとともに、フッ化物イオンをキャリアとして用いることにより、上記第一の問題と第二の問題を解決することに成功した。すなわち、満足できる高い出力電圧が得られ、製造直後の状態で充電が可能であり、よって市場で入手可能である負極材料を用いて構成することができ、電解液の発火を回避できる高い安全性を有する正極活物質および当該正極活物質を用いたフッ化物イオン二次電池を提供することに成功した。 As a result of extensive research, the present inventors have succeeded in solving the first and second problems by using a positive electrode containing a molybdenum-based cyanometallate having a molybdenum complex ion framework [Mo(CN) 8 ] and using fluoride ions as a carrier. That is, they have succeeded in providing a positive electrode active material that can obtain a satisfactorily high output voltage, can be charged in a state immediately after manufacture, can be constructed using commercially available negative electrode materials, and has high safety by preventing the electrolyte from igniting, as well as a fluoride ion secondary battery that uses the positive electrode active material.
請求項1による発明は、一般式がMxMo(CN)8・yH2Oで表される金属錯体であって、前記一般式においてMは、Fe,Co,Ni,Znからなる群から選択される1種であり、xおよびyは、それぞれ1.95<x<2.05および0≦y≦9の関係を満たし、フッ化物イオンを挿入種とする電気化学反応において酸化可能状態、すなわち充電可能状態にあることを特徴とする二次電池用正極活物質に関する。 The invention according to claim 1 relates to a positive electrode active material for a secondary battery, characterized in that it is a metal complex represented by the general formula MxMo (CN) 8.yH2O , in which M is one element selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, and Zn, x and y satisfy the relationships 1.95<x<2.05 and 0≦y≦9, respectively, and is in an oxidizable state, i.e., a chargeable state, in an electrochemical reaction using a fluoride ion as an intercalating species.
請求項2による発明は、請求項1に記載の二次電池用正極活物質を用いたフッ化物イオン二次電池であって、当該フッ化物イオン二次電池は、正極と、負極と、電解液と、セパレータとを備え、前記正極は、前記二次電池用正極活物質を含み、前記電解液は、フッ化物塩を溶解させた水溶液であり、前記セパレータは、前記正極と前記負極の間に設けられている、ことを特徴とするフッ化物イオン二次電池に関する。 The invention according to claim 2 relates to a fluoride ion secondary battery using the positive electrode active material for secondary batteries described in claim 1, characterized in that the fluoride ion secondary battery comprises a positive electrode, a negative electrode, an electrolyte, and a separator, the positive electrode containing the positive electrode active material for secondary batteries, the electrolyte being an aqueous solution in which a fluoride salt is dissolved, and the separator is provided between the positive electrode and the negative electrode.
請求項3による発明は、前記電解液が前記セパレータに浸潤されて調製された密閉型電池であることを特徴とする請求項2に記載のフッ化物イオン二次電池に関する。 The invention of claim 3 relates to the fluoride ion secondary battery described in claim 2, characterized in that it is a sealed battery prepared by impregnating the separator with the electrolyte.
請求項4による発明は、前記フッ化物塩は、フッ化リチウム、フッ化ナトリウム、フッ化カリウム、フッ化ルビジウム、フッ化セシウムから選択される1種以上であることを特徴とする、請求項2または3に記載のフッ化物イオン二次電池に関する。 The invention according to claim 4 relates to the fluoride ion secondary battery according to claim 2 or 3, characterized in that the fluoride salt is one or more selected from the group consisting of lithium fluoride, sodium fluoride, potassium fluoride, rubidium fluoride, and cesium fluoride.
請求項1に係る発明によれば、一般式がMxMo(CN)8・yH2Oで表される金属錯体であって、前記一般式においてMは、Fe,Co,Ni,Znからなる群から選択される1種であり、xおよびyは、それぞれ1.95<x<2.05および0≦y≦9の関係を満たし、フッ化物イオンを挿入種とする電気化学反応において酸化可能状態、すなわち充電可能状態にあることを特徴とする二次電池用正極活物質を含む正極を用いてフッ化物イオン二次電池を作製することで、従来のリチウムイオン二次電池が有していた、前記第一の問題と第二の問題を解決することができる。すなわち、満足できる高い出力電圧が得られ、当該フッ化物イオン二次電池の正極は製造直後に充電可能であり、よって市場で入手可能である負極材料を用いて負極を構成することができ、かつ爆発的な燃焼や、電解液の発火を回避できる高い安全性を有する二次電池を作製するのに必要な正極活物質を提供することができる。
本発明において、正極活物質が「充電可能状態である」とは正極活物質の酸化反応に伴う電荷補償反応のために、正極活物質中の結晶構造の空隙部に、フッ化物イオンなどの陰イオン(アニオン)が挿入できる余剰部が存在することを言う。
According to the invention of claim 1, a fluoride ion secondary battery is produced using a positive electrode containing a positive electrode active material for a secondary battery, characterized in that the positive electrode active material is a metal complex represented by the general formula MxMo (CN)8.yH2O, wherein M is one element selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, and Zn, and x and y satisfy the relationships 1.95<x<2.05 and 0≦y≦9, respectively, and is in an oxidizable state, i.e., a chargeable state, in an electrochemical reaction in which a fluoride ion serves as an insertion species. This solves the first and second problems of conventional lithium ion secondary batteries. That is, a satisfactorily high output voltage can be obtained, the positive electrode of the fluoride ion secondary battery is chargeable immediately after production, and therefore the negative electrode can be constructed using commercially available negative electrode materials. Furthermore, a positive electrode active material necessary for producing a secondary battery with high safety, capable of avoiding explosive combustion and ignition of the electrolyte, can be provided.
In the present invention, the positive electrode active material being "in a chargeable state" means that there are surplus portions in which negative ions (anions) such as fluoride ions can be inserted into voids in the crystal structure of the positive electrode active material due to a charge compensation reaction accompanying the oxidation reaction of the positive electrode active material.
請求項2に係る構成のフッ化物イオン二次電池は、正極と、負極と、電解液と、セパレータとを備え、前記正極は、前記二次電池用正極活物質を含むため、満足できる高い電圧を出力することができ、また、前記電解液はフッ化物塩を溶解させているため、初回の反応が充電となる。よって市場で入手可能である負極材料を用いて構成することができる。さらに、請求項2に係るフッ化物イオン二次電池は、溶媒に水を使用するため、有機電解液をはじめとする非水系の電解液を使用する必要はない。したがって万が一、発熱が生じた場合であっても、電解液が発火することは無く安全性が高い。 The fluoride ion secondary battery according to claim 2 comprises a positive electrode, a negative electrode, an electrolyte, and a separator. Because the positive electrode contains the secondary battery's positive electrode active material, it can output a satisfactorily high voltage. Furthermore, because the electrolyte dissolves fluoride salt, the initial reaction is charging. Therefore, it can be constructed using commercially available negative electrode materials. Furthermore, because the fluoride ion secondary battery according to claim 2 uses water as a solvent, there is no need to use a non-aqueous electrolyte, such as an organic electrolyte. Therefore, even if heat is generated, the electrolyte will not ignite, making it highly safe.
請求項3に係る発明によれば、前記電解液が前記セパレータに浸潤されて調製された密閉型電池であることを特徴とする、実用性の高いコンパクトなフッ化物イオン二次電池が提供される。 According to claim 3, a highly practical, compact fluoride ion secondary battery is provided, characterized in that it is a sealed battery prepared by impregnating the separator with the electrolyte.
請求項4に係る発明によれば、前記電解液のフッ化物塩は、フッ化リチウム、フッ化ナトリウム、フッ化カリウム、フッ化ルビジウム、フッ化セシウムから選択される1種以上である。これらのフッ化物塩は市場で容易に入手でき、大気中で安定である。 According to the invention of claim 4, the fluoride salt of the electrolyte is one or more selected from lithium fluoride, sodium fluoride, potassium fluoride, rubidium fluoride, and cesium fluoride. These fluoride salts are readily available on the market and are stable in air.
以下、本発明に係る正極活物質および前記正極活物質を用いたフッ化物イオン二次電池の実施形態について、添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。 Embodiments of the positive electrode active material according to the present invention and a fluoride ion secondary battery using the positive electrode active material will be described in detail below with reference to the accompanying drawings.
[実施の形態]
<1.正極活物質>
図1(A)は、本実施形態に係る一般式 MxMo(CN)8・yH2Oで表される金属錯体(5)の分子構造を示す模式図である。該金属錯体にはMイオン(3)、モリブデンイオン(2)、シアノ基(4)が含まれる。電荷キャリアであるフッ化物イオン(1)は当該金属錯体(5)のジャングルジムのような立体(3次元)構造の隙間に挿入される。
一般的にアニオンはカチオンよりもイオン半径が大きいため、化合物中への挿入脱離は容易ではないが、フッ化物イオン(1)はカリウムイオンと同等のイオン半径であることから化合物中に挿入が可能である。
[Embodiment]
<1. Cathode active material>
1A is a schematic diagram showing the molecular structure of a metal complex (5) according to this embodiment, represented by the general formula MxMo (CN) 8.yH2O . The metal complex contains an M ion (3), a molybdenum ion ( 2 ), and a cyano group (4). Fluoride ions (1), which are charge carriers, are inserted into gaps in the three-dimensional, jungle-gym-like structure of the metal complex (5).
Generally, anions have a larger ionic radius than cations, making it difficult for them to be inserted into or removed from compounds. However, the fluoride ion (1) has an ionic radius similar to that of a potassium ion, making it possible for it to be inserted into compounds.
図1(B)は、本実施形態に係る二次電池用正極活物質を含む正極の動作を模式的に示した図である。一般式MxMo(CN)8・yH2Oで表される金属錯体中のモリブデン(2)が電子(6)を電極側に放出し4価から5価(Mo4+→Mo5+)へと酸化されるとともに、金属錯体中にフッ化物イオンが挿入される。 1B is a diagram showing the operation of a positive electrode containing the positive electrode active material for a secondary battery according to this embodiment. Molybdenum (2) in a metal complex represented by the general formula MxMo (CN) 8.yH2O releases electrons ( 6 ) to the electrode and is oxidized from a tetravalent to a pentavalent (Mo4 + → Mo5 + ), and fluoride ions are inserted into the metal complex.
<2.フッ化物イオン二次電池におけるキャリアの流れ>
図2(A)は、外部回路を含めた電荷キャリアの流れを示す図である。正極(11)から電子(6)が外部回路に流出すると同時にフッ化物イオン(1)が正極活物質に挿入される。正極(11)から放出された電子(6)は、正極(11)から外部回路に流出し、さらに外部回路を介して負極(12)に流入する。電子(6)が正極(11)から負極(12)に移動しているということは、電流(15)は負極(12)から正極(11)に流れていることを意味する。これは外部電源(16)を用いて二次電池を充電している状態に相当する。
2. Carrier flow in fluoride ion secondary batteries
FIG. 2(A) shows the flow of charge carriers, including the external circuit. Electrons (6) flow out of the positive electrode (11) into the external circuit, and simultaneously, fluoride ions (1) are inserted into the positive electrode active material. Electrons (6) released from the positive electrode (11) flow out of the positive electrode (11) into the external circuit and then flow into the negative electrode (12) via the external circuit. The movement of electrons (6) from the positive electrode (11) to the negative electrode (12) means that current (15) flows from the negative electrode (12) to the positive electrode (11). This corresponds to the state in which the secondary battery is being charged using an external power source (16).
図2(A)に示すフッ化物イオン二次電池において、負極(12)には一般的な金属亜鉛電極を使用している。外部回路から負極(12)に流入した電子(6)は負極(12)において電解液中の亜鉛イオン(17)、または負極(12)の表面に析出しているフッ化亜鉛ZnF2(19)から放出された亜鉛イオンと結合し亜鉛Znとなる。このとき、同時に、フッ化物イオン(1)が溶液中に放出される。 In the fluoride ion secondary battery shown in Figure 2(A), a common metal zinc electrode is used as the negative electrode (12). Electrons (6) flowing into the negative electrode (12) from an external circuit combine with zinc ions (17) in the electrolyte or with zinc ions released from zinc fluoride ZnF2 ( 19 ) deposited on the surface of the negative electrode (12) to form zinc Zn. At the same time, fluoride ions (1) are released into the solution.
図2(B)は、外部回路を含めた電荷キャリアの流れを示す図である。負極(12)から放出された電子(6)は、負極(12)から外部回路に流出し、さらに外部回路を介して正極に流入する。電子が負極(12)から正極(11)に移動しているということは、電流は正極(11)から負極(12)に流れていることを意味する。これは二次電池から負荷(18)に電流が流れている状態に相当する。 Figure 2 (B) shows the flow of charge carriers, including the external circuit. Electrons (6) emitted from the negative electrode (12) flow out of the negative electrode (12) into the external circuit and then flow into the positive electrode via the external circuit. The movement of electrons from the negative electrode (12) to the positive electrode (11) means that current is flowing from the positive electrode (11) to the negative electrode (12). This corresponds to a state in which current is flowing from the secondary battery to the load (18).
図2(B)に示すフッ化物イオン二次電池において、負極(12)の金属亜鉛電極からは電子(6)が外部回路に出ていくと同時に、溶液中に亜鉛は亜鉛イオン(17)となって溶出する。溶出した亜鉛イオン(17)は直ちに、溶液中のフッ化物イオン(1)と結合してフッ化亜鉛ZnF2(19)となって負極表面に析出する。フッ化亜鉛(19)の溶解度は極めて低いため、この反応は直ちに起こる。 In the fluoride ion secondary battery shown in Figure 2(B), electrons (6) are released from the metallic zinc electrode of the negative electrode (12) into the external circuit, and at the same time, zinc dissolves into the solution as zinc ions (17). The dissolved zinc ions (17) immediately combine with fluoride ions (1) in the solution to form zinc fluoride ZnF2 (19), which precipitates on the surface of the negative electrode. Because the solubility of zinc fluoride (19) is extremely low, this reaction occurs immediately.
<3.密閉型のフッ化物イオン二次電池>
図4に、密閉型のフッ化物イオン二次電池(20)の概略図を示す。密閉型のフッ化物イオン二次電池は、正極(11)、負極(12)およびセパレータ(13)から成る。上部に正極(11)、下部に負極(12)が配され、正極(11)と負極(12)の間にはセパレータ(13)が存在している。セパレータ(13)には電解液(図示せず)が浸潤されている。前記正極(11)と前記負極(12)は、前記セパレータ(13)を介して接しており、前記正極(11)と、前記負極(12)と、前記電解液と、前記セパレータ(13)は同一領域に外装体(14)により密閉されている。
3. Sealed Fluoride Ion Secondary Battery
FIG. 4 shows a schematic diagram of a sealed fluoride ion secondary battery (20). The sealed fluoride ion secondary battery consists of a positive electrode (11), a negative electrode (12), and a separator (13). The positive electrode (11) is arranged at the top and the negative electrode (12) at the bottom, with a separator (13) between the positive electrode (11) and the negative electrode (12). The separator (13) is impregnated with an electrolyte (not shown). The positive electrode (11) and the negative electrode (12) are in contact with each other via the separator (13), and the positive electrode (11), the negative electrode (12), the electrolyte, and the separator (13) are sealed in the same area by an exterior body (14).
<3-1.正極>
正極(11)は導電用基材に正極合材を固定したものである。該正極合材は、本実施形態に係る一般式MxMo(CN)8・yH2Oで表される金属錯体を含む正極活物質と、導電助剤および結着剤から作製される。
<3-1. Positive electrode>
The positive electrode (11) is a conductive substrate to which a positive electrode mixture is fixed. The positive electrode mixture is made from a positive electrode active material containing a metal complex represented by the general formula MxMo(CN)8.yH2O according to this embodiment, a conductive additive, and a binder.
<3-2.導電助剤>
本実施形態に用いられる導電助剤としては、カーボンブラック類、黒鉛類、カーボンナノチューブ(CNT)、気相成長炭素繊維(VGCF)などの炭素材料が好適に挙げられる。カーボンブラック類としては、アセチレンブラック、オイルファーネス、ケッチェンブラックなどが挙げられる。導電助剤は、1種単独で使用しても、2種以上を併用してもよい。正極活物質と導電助剤との混合比は、特に制限はないが、正極における導電助剤の含有量は、正極に含まれる正極活物質の全質量に対し、1質量%~500質量%であることが好ましく、1質量%~300質量%であることがより好ましく、1質量%~200質量%であることがさらに好ましく、1質量%~150質量%であることが特に好ましい。
<3-2. Conductive additive>
Suitable examples of the conductive additive used in this embodiment include carbon materials such as carbon blacks, graphites, carbon nanotubes (CNTs), and vapor-grown carbon fibers (VGCFs). Examples of carbon blacks include acetylene black, oil furnace black, and ketjen black. The conductive additive may be used alone or in combination with two or more. The mixing ratio of the positive electrode active material and the conductive additive is not particularly limited. However, the content of the conductive additive in the positive electrode is preferably 1% by mass to 500% by mass, more preferably 1% by mass to 300% by mass, even more preferably 1% by mass to 200% by mass, and particularly preferably 1% by mass to 150% by mass, relative to the total mass of the positive electrode active material contained in the positive electrode.
<3-3.結着剤>
結着剤は、特に制限はなく、公知の結着剤として、高分子化合物が挙げられ、フッ素樹脂、ポリオレフィン樹脂、ゴム状重合体、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂(ポリアミドイミドなど)、および、セルロースエーテルなどが好ましく使用可能である。
<3-3. Binder>
The binder is not particularly limited, and examples of known binders include polymer compounds, and preferred examples include fluororesins, polyolefin resins, rubber polymers, polyamide resins, polyimide resins (such as polyamideimides), and cellulose ethers.
結着剤として具体的には、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ビニリデンフルオライド-ヘキサフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF-HFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-ヘキサフルオロプロピレン-テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF-HFP-TFE系フッ素ゴム)、ポリエチレン、芳香族ポリアミド、セルロース、スチレン-ブタジエンゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、エチレン-プロピレンゴム、スチレン-ブタジエン-スチレンブロック共重合体、その水素添加物、スチレン-エチレン-ブタジエン-スチレン共重合体、スチレン-イソプレン-スチレンブロック共重合体、その水素添加物、シンジオタクチック-1,2-ポリブタジエン、エチレン-酢酸ビニル共重合体、プロピレン-α-オレフィン(炭素数2~12)共重合体、デンプン、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、カルボキシメチルヒドロキシエチルセルロース、ニトロセルロース、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリアクリロニトリルなどが挙げられる。 Specific examples of binders include polyvinylidene fluoride (PVDF), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene fluororubber (VDF-HFP fluororubber), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene fluororubber (VDF-HFP-TFE fluororubber), polyethylene, aromatic polyamide, cellulose, styrene-butadiene rubber, isoprene rubber, butadiene rubber, ethylene-propylene rubber, styrene-butadiene-styrene block copolymers, their hydrogenated products, and styrene-ethylene-butadiene. -styrene copolymers, styrene-isoprene-styrene block copolymers, their hydrogenated products, syndiotactic 1,2-polybutadiene, ethylene-vinyl acetate copolymers, propylene-α-olefin (carbon number 2 to 12) copolymers, starch, methyl cellulose, carboxymethyl cellulose, hydroxymethyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, carboxymethylhydroxyethyl cellulose, nitrocellulose, polyacrylic acid, sodium polyacrylate, polyacrylonitrile, etc.
結着剤は、1種単独で使用しても、2種以上を併用してもよい。 The binder may be used alone or in combination with two or more types.
正極活物質と結着剤との混合比は、特に制限はないが、正極における結着剤の含有量は、正極に含まれる正極活物質の全質量に対し、1質量%~50質量%であることが好ましく、1質量%~25質量%であることがさらに好ましい。 There are no particular restrictions on the mixing ratio between the positive electrode active material and the binder, but the content of the binder in the positive electrode is preferably 1% to 50% by mass, and more preferably 1% to 25% by mass, relative to the total mass of the positive electrode active material contained in the positive electrode.
<3-4.正極集電体>
正極集電体としては、カーボンペーパー、ニッケル、ステンレス(SUS)などの導電性の材料を用いた箔、メッシュ、エキスパンドグリッド(エキスパンドメタル)、パンチドメタル、不織布、多孔体などが挙げられる。目開き、線径、メッシュ数、気孔率などは特に限定されず、従来公知のものを使用できる。
<3-4. Positive electrode current collector>
Examples of the positive electrode current collector include foils, meshes, expanded grids (expanded metals), punched metals, nonwoven fabrics, porous bodies, etc., made of conductive materials such as carbon paper, nickel, and stainless steel (SUS). The mesh size, wire diameter, number of meshes, porosity, etc. are not particularly limited, and conventionally known current collectors can be used.
正極集電体の形状は、特に制限はなく、所望の正極の形状に合わせて選択すればよい。例えば、箔状、板状などが挙げられる。 There are no particular restrictions on the shape of the positive electrode current collector, and it can be selected to match the desired shape of the positive electrode. Examples include foil and plate shapes.
<3-5.負極>
負極(12)は正極活物質よりも卑な電位で酸化還元するものであればよい。例えば、亜鉛Zn、スズSn、鉛Pbから成る群から選択される一種以上の金属を含む金属フッ化物が挙げられる。
<3-5. Negative electrode>
The negative electrode (12) may be any material that undergoes oxidation and reduction at a potential lower than that of the positive electrode active material, such as a metal fluoride containing one or more metals selected from the group consisting of zinc (Zn), tin (Sn), and lead (Pb).
<3-6.セパレータ>
セパレータ(13)は、正極と負極とを物理的に隔絶して、内部短絡を防止する役割を果たす。セパレータ(13)には電解質が含浸され、電池反応を確保するために、フッ化物イオン透過性を有する。
<3-6. Separator>
The separator (13) serves to physically separate the positive electrode and the negative electrode to prevent internal short circuits. The separator (13) is impregnated with an electrolyte and has fluoride ion permeability to ensure the battery reaction.
セパレータ(13)としては、例えば、樹脂製の多孔膜の他、不織布などが使用できる。セパレータは、多孔膜の層または不織布の層だけで形成してもよく、組成や形態の異なる複数の層の積層体で形成してもよい。積層体としては、組成の異なる複数の樹脂多孔層を有する積層体、多孔膜の層と不織布の層とを有する積層体などが好適に用いられるが、これに限られない。 As the separator (13), for example, a resin porous membrane or a nonwoven fabric can be used. The separator may be formed of only a porous membrane layer or a nonwoven fabric layer, or may be formed as a laminate of multiple layers with different compositions and forms. Suitable laminates include, but are not limited to, laminates having multiple resin porous layers with different compositions, and laminates having a porous membrane layer and a nonwoven fabric layer.
セパレータ(13)の材質は、電池の使用温度、電解質の組成などを考慮して選択できる。 The material of the separator (13) can be selected taking into consideration the battery's operating temperature, electrolyte composition, etc.
多孔膜および不織布を形成する繊維に含まれる樹脂としては、例えば、セルロースやニトロセルロースなどの誘導体;ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン-プロピレン共重合体などのポリオレフィン樹脂;ポリフェニレンサルファイド、ポリフェニレンサルファイドケトンなどのポリフェニレンサルファイド樹脂;芳香族ポリアミド樹脂(アラミド樹脂など)などのポリアミド樹脂;ポリイミド樹脂から成る群から選択される一種以上が採用される。ここで、当該樹脂は親水化処理が施されていてもよい。 The resin contained in the fibers forming the porous membrane and nonwoven fabric may be one or more selected from the group consisting of derivatives such as cellulose and nitrocellulose; polyolefin resins such as polyethylene, polypropylene, and ethylene-propylene copolymer; polyphenylene sulfide resins such as polyphenylene sulfide and polyphenylene sulfide ketone; polyamide resins such as aromatic polyamide resins (such as aramid resin); and polyimide resins. The resin may be hydrophilized.
セパレータ(13)の形状や大きさは、特に限定されず、所望の電池の形状などに合わせて適宜選択すればよい。 The shape and size of the separator (13) are not particularly limited and can be selected appropriately to suit the desired battery shape, etc.
<3-7.電解液>
電解液は、水にフッ化物塩を溶解させることにより作製される。水はイオン交換水や超純水など不純物を除去した水が好ましい。電解液はフッ化物イオンを含むこと、正極活物質が溶解しない中性から弱アルカリ性であることが必要である。フッ化物塩は、フッ化リチウム、フッ化ナトリウム、フッ化カリウム、フッ化ルビジウム、フッ化セシウムの少なくとも1つを含み得る。濃度は、1mol/L~13.5mol/Lであることが好ましく、5mol/L~13mol/Lであることがより好ましく、10mol/L~13mol/Lであることがさらに好ましい。また、負極活物質が電解液に溶出する場合は、あらかじめ負極活物質化合物を飽和させておいてもよい。
<3-7. Electrolyte>
The electrolyte solution is prepared by dissolving a fluoride salt in water. The water is preferably water from which impurities have been removed, such as ion-exchanged water or ultrapure water. The electrolyte solution must contain fluoride ions and must be neutral to weakly alkaline so that the positive electrode active material does not dissolve. The fluoride salt may contain at least one of lithium fluoride, sodium fluoride, potassium fluoride, rubidium fluoride, and cesium fluoride. The concentration is preferably 1 mol/L to 13.5 mol/L, more preferably 5 mol/L to 13 mol/L, and even more preferably 10 mol/L to 13 mol/L. Furthermore, if the negative electrode active material dissolves in the electrolyte solution, the negative electrode active material compound may be saturated in advance.
上記フッ化物塩はリチウムイオン二次電池などで用いられるヘキサフルオロリン酸塩(LiPF6,NaPF6,KPF6)やテトラフルオロほう酸塩(LiBF4,NaBF4,KBF4)などと比較して、市場での入手性が高く、大気中での安定性が高い。 The above-mentioned fluoride salts are more readily available on the market and more stable in the atmosphere than hexafluorophosphates (LiPF 6 , NaPF 6 , KPF 6 ) and tetrafluoroborates (LiBF 4 , NaBF 4 , KBF 4 ) used in lithium ion secondary batteries and the like.
本実施形態に係るフッ化物イオン二次電池は、溶媒に水を使用する。有機電解液をはじめとする非水系の電解液を使用する必要はない。したがって万が一、発熱が生じた場合であっても、電解液が発火することは無いので安全性が高い。 The fluoride ion secondary battery according to this embodiment uses water as a solvent. There is no need to use a non-aqueous electrolyte solution, such as an organic electrolyte solution. Therefore, even if heat is generated, the electrolyte solution will not ignite, making it highly safe.
<実施例1:正極活物質の作製>
正極活物質(Zn2Mo(CN)8)を下記のように合成した。
Example 1: Preparation of positive electrode active material
A positive electrode active material (Zn 2 Mo(CN) 8 ) was synthesized as follows.
自製のオクタシアノモリブデン酸カリウムK4Mo(CN)8・2H2O、10gを超純水200mLに溶解させたモリブデン源溶液と、硫酸亜鉛(ZnSO4・7H2O、キシダ化学)60gを超純水200mLに溶解させた亜鉛源溶液とを混和し、得られた沈殿を水洗、濾過、乾燥させて正極活物質を合成した。本工程をZn工程とする。 A molybdenum source solution prepared by dissolving 10 g of homemade potassium octacyanomolybdate ( K4Mo (CN) 8.2H2O ) in 200 mL of ultrapure water was mixed with a zinc source solution prepared by dissolving 60 g of zinc sulfate ( ZnSO4.7H2O , Kishida Chemical) in 200 mL of ultrapure water. The resulting precipitate was washed with water, filtered, and dried to synthesize a positive electrode active material. This process is referred to as the Zn process.
上記Zn工程において、硫酸亜鉛ZnSO4・7H2Oを、硫酸鉄FeSO4・7H2Oに変えることにより、Fe2Mo(CN)8を合成した。 In the above Zn step, zinc sulfate ZnSO 4 ·7H 2 O was converted to iron sulfate FeSO 4 ·7H 2 O to synthesize Fe 2 Mo(CN) 8 .
上記Zn工程において、硫酸亜鉛ZnSO4・7H2Oを、硫酸コバルトCoSO4・7H2Oに変えることにより、Co2Mo(CN)8を合成した。 In the above Zn step, zinc sulfate ZnSO 4 ·7H 2 O was changed to cobalt sulfate CoSO 4 ·7H 2 O to synthesize Co 2 Mo(CN) 8 .
上記Zn工程において、硫酸亜鉛ZnSO4・7H2Oを、硫酸ニッケルNiSO4・6H2Oに変えることにより、Ni2Mo(CN)8を合成した。 In the above Zn step, zinc sulfate ZnSO 4 ·7H 2 O was changed to nickel sulfate NiSO 4 ·6H 2 O to synthesize Ni 2 Mo(CN) 8 .
<実施例2:正極活物質Zn2Mo(CN)8を含む正極の評価>
実施例1において作製されたZn2Mo(CN)8のサイクリックボルタモグラムを実施した。正極を作用極とし、白金対極と、鉛|フッ化鉛参照極(以下、Pb|Pb2+と表記)から構成される3極式電気化学セルに、電解液として10mol/Lのフッ化カリウム水溶液を満たし、仏国BioLogic社製ポテンシオスタットを用いてサイクリックボルタモグラムを行い、1.0V(Pb|Pb2+)から1.6または1.65Vの電圧範囲における酸化還元応答を調べることで充放電特性を評価した。
結果を図3(A)において実線で示す。
Example 2: Evaluation of positive electrode containing positive electrode active material Zn 2 Mo(CN) 8
Cyclic voltammograms were performed on the Zn2Mo (CN) 8 prepared in Example 1. A three-electrode electrochemical cell consisting of a positive electrode as the working electrode, a platinum counter electrode, and a lead | lead fluoride reference electrode (hereinafter referred to as Pb|Pb2 + ) was filled with a 10 mol/L potassium fluoride aqueous solution as the electrolyte, and cyclic voltammograms were performed using a potentiostat manufactured by BioLogic (France). The charge-discharge characteristics were evaluated by examining the redox response in the voltage range from 1.0 V (Pb|Pb2 + ) to 1.6 or 1.65 V.
The results are shown by the solid line in FIG.
約1.46Vと約1.31Vに対となる酸化ピークおよび還元ピークを確認した。この化合物が可逆的に酸化還元されること、すなわち充放電を行えることが判った。 Paired oxidation and reduction peaks were confirmed at approximately 1.46 V and 1.31 V. This indicates that this compound is reversibly oxidized and reduced, meaning it can be charged and discharged.
<比較例1:正極活物質を含まない正極の評価>
正極活物質Zn2Mo(CN)8を含まない正極合材スラリーをカーボンペーパーに塗布し正極を作製した。その他は、実施例2と同様な構成の評価装置にて前記正極のサイクリックボルタモグラムを実施した。
結果を図3(A)において破線で示す。
Comparative Example 1: Evaluation of Positive Electrode Not Containing Positive Electrode Active Material
A positive electrode was prepared by applying a positive electrode mixture slurry that did not contain the positive electrode active material Zn 2 Mo(CN) 8 to carbon paper. A cyclic voltammogram of the positive electrode was performed using an evaluation apparatus with the same configuration as in Example 2.
The results are shown by the dashed line in FIG.
本結果において、酸化ピーク、還元ピークのいずれも確認されず、実施例2で確認された酸化ピークおよび還元ピークは、正極活物質Zn2Mo(CN)8によるものであることが判った。 In this result, neither an oxidation peak nor a reduction peak was confirmed, and it was found that the oxidation peak and reduction peak confirmed in Example 2 were due to the positive electrode active material Zn 2 Mo(CN) 8 .
<比較例2:正極活物質Zn2Mo(CN)8を含む正極(電解液が硫酸カリウム水溶液の場合)の評価>
電解液に飽和硫酸カリウム水溶液を使用すること、参照極に水銀|酸化水銀電極を用いることの他は、実施例2と同様な構成の評価装置にてサイクリックボルタモグラムを実施した。
結果を図3(B)に示す。
Comparative Example 2: Evaluation of a positive electrode containing Zn 2 Mo(CN) 8 as a positive electrode active material (when the electrolyte was an aqueous potassium sulfate solution)
Cyclic voltammograms were performed using an evaluation device with the same configuration as in Example 2, except that a saturated potassium sulfate aqueous solution was used as the electrolyte and a mercury/mercury oxide electrode was used as the reference electrode.
The results are shown in Figure 3(B).
本結果において、水の酸化にともなう微弱な酸化波は確認されたものの、対となる還元波が確認されなかった。これより、実施例2で確認された酸化ピークおよび、還元ピークにはフッ化物イオンの存在が必須であることが判った。 In these results, a weak oxidation wave associated with the oxidation of water was observed, but no corresponding reduction wave was observed. This indicates that the presence of fluoride ions is essential for the oxidation peak and reduction peak observed in Example 2.
<比較例3:正極活物質ZnFe(CN)6を含む正極の評価>
本願発明の課題の一つは、高い二次電池の出力電圧を得ることであり、そのためにシアノ基が配位したモリブデン錯イオン骨格[Mo(CN)8]を選んだのは前述のとおりである。そこで実施例2で得られた酸化ピークおよび還元ピークの電位が、当該モリブデン骨格に起因するものであるか否かを検証する必要がある。
この検証のため、比較例として、シアノ基が配位したモリブデン錯イオン骨格[Mo(CN)8]の代わりにシアノ基が配位した鉄錯イオン骨格[Fe(CN)6]からなるZnFe(CN)6を合成した。次に、正極活物質Zn2Mo(CN)8をZnFe(CN)6に変更した他は、その他の測定条件および評価装置は実施例2と同じにしてサイクリックボルタモグラムを実施した。
結果を図3(C)に示す。
Comparative Example 3: Evaluation of positive electrode containing positive electrode active material ZnFe(CN) 6
One of the objectives of the present invention is to obtain a high output voltage of a secondary battery, and as mentioned above, the molybdenum complex ion framework [Mo(CN) 8 ] coordinated with a cyano group was selected for this purpose. Therefore, it is necessary to verify whether the oxidation peak and reduction peak potentials obtained in Example 2 are attributable to the molybdenum framework.
For this verification, as a comparative example, ZnFe(CN)6 was synthesized, which consisted of an iron complex ion framework [Fe(CN) 6 ] coordinated with a cyano group instead of the molybdenum complex ion framework [Mo(CN) 8 ] coordinated with a cyano group. Next, a cyclic voltammogram was performed using the same measurement conditions and evaluation equipment as in Example 2, except that the positive electrode active material Zn2Mo (CN) 8 was changed to ZnFe(CN) 6 .
The results are shown in Figure 3(C).
1.09Vと0.95Vに対となる酸化ピークおよび還元ピークを確認した。正極活物質Zn2Mo(CN)8を用いた場合(実施例2)に比べて、酸化ピークおよび還元ピークの電位は両者とも0.36V低いことが判った。実施例2で得られた酸化ピークおよび還元ピークの電位はシアノ基が配位したモリブデン錯イオン骨格[Mo(CN)8]の寄与を含むことを示している。
すなわち、Zn2Mo(CN)8を主構造とする化合物を用いることで、ZnFe(CN)6を主構造とする化合物を用いた場合に比べて、正極の酸化還元電位を0.36V引き上げることができる。
さらに本実験結果は、当該モリブデン錯イオン骨格を用いた場合、他のシアノ配位錯イオン骨格を用いた場合に比べて、実際に高い二次電池の出力電圧が得られることを示している。
Paired oxidation and reduction peaks were observed at 1.09 V and 0.95 V. Compared to the case where the positive electrode active material Zn2Mo (CN) 8 was used (Example 2), both the oxidation and reduction peak potentials were found to be 0.36 V lower. The oxidation and reduction peak potentials obtained in Example 2 indicate that the molybdenum complex ion framework [Mo(CN) 8 ] coordinated with cyano groups contributes to the oxidation and reduction peak potentials.
That is, by using a compound having Zn 2 Mo(CN) 8 as the main structure, the redox potential of the positive electrode can be increased by 0.36 V compared to when a compound having ZnFe(CN) 6 as the main structure is used.
Furthermore, the results of this experiment show that when this molybdenum complex ion framework is used, a higher output voltage of the secondary battery can actually be obtained compared to when other cyano-coordinated complex ion frameworks are used.
<実施例3:密閉型のフッ化物イオン二次電池の作製>
密閉型のフッ化物イオン二次電池の作製方法を下記に示す。
Example 3: Fabrication of sealed fluoride ion secondary battery
The method for producing a sealed fluoride ion secondary battery is described below.
正極活物質として40重量部のZn2Mo(CN)8と、50重量部の導電助剤としてのデンカブラック(デンカ株式会社)と、10重量部の結着剤としてのポリフッ化ビニリデン(株式会社クレハ、#1100)とを、n-メチルピロリドン溶媒(固形分に対して3重量倍)で混和し、正極合材スラリーを作製した。当該正極合材スラリーを正極集電体であるカーボンペーパー(東レ株式会社、TGP-H090)に塗布、乾燥させて正極を作製した。 A positive electrode mixture slurry was prepared by mixing 40 parts by weight of Zn2Mo (CN) 8 as the positive electrode active material, 50 parts by weight of Denka Black (Denka Co., Ltd.) as a conductive additive, and 10 parts by weight of polyvinylidene fluoride (Kureha Corporation, #1100) as a binder in n-methylpyrrolidone solvent (three times the weight of the solid content). The positive electrode mixture slurry was applied to a carbon paper (Toray Industries, Inc., TGP-H090) positive electrode current collector and dried to prepare a positive electrode.
負極は、亜鉛金属箔を、負極集電体としてカーボンペーパーに固定することによって作製した。 The negative electrode was made by fixing zinc metal foil to carbon paper as the negative electrode current collector.
前記正極作成手順にて作製した正極と負極とを、セパレータの親水化ポリオレフィン不織布を介して積層させ、ラミネートフィルム内に電解液の10mol/Lのフッ化カリウム水溶液(フッ化亜鉛飽和)とともに封入して密閉型のフッ化物イオン二次電池を作製した。
密閉型のフッ化物イオン二次電池の概略図を図4に示す。
The positive electrode and negative electrode prepared by the positive electrode preparation procedure were laminated together with a hydrophilized polyolefin nonwoven fabric separator, and a 10 mol/L aqueous potassium fluoride solution (saturated with zinc fluoride) as an electrolyte was sealed in the laminate film to prepare a sealed fluoride ion secondary battery.
A schematic diagram of a sealed fluoride ion secondary battery is shown in FIG.
ポテンシオスタット(前出)を用いて、得られた密閉型のフッ化物イオン二次電池の充放電試験を行った。
結果を図5に示す。
A charge/discharge test was carried out on the obtained sealed fluoride ion secondary battery using a potentiostat (described above).
The results are shown in Figure 5.
充電曲線より求められる充電の中間電圧は1.6Vであり、放電曲線より求められる放電の中間電圧は1.15Vであり、正極活物質1グラム当たりの放電容量は40mAh/gであった。 The midpoint voltage of charge determined from the charge curve was 1.6 V, the midpoint voltage of discharge determined from the discharge curve was 1.15 V, and the discharge capacity per gram of positive electrode active material was 40 mAh/g.
<実施例4:正極活物質Fe2Mo(CN)8を含む正極の評価>
正極活物質Zn2Mo(CN)8をFe2Mo(CN)8に変更した他は、実施例2と同様な評価装置および条件にてFe2Mo(CN)8のサイクリックボルタモグラムを実施した。
結果を図6に示す。
Example 4: Evaluation of positive electrode containing positive electrode active material Fe2Mo (CN) 8
A cyclic voltammogram of Fe2Mo (CN) 8 was performed using the same evaluation device and conditions as in Example 2, except that the positive electrode active material Zn2Mo (CN) 8 was changed to Fe2Mo (CN) 8 .
The results are shown in Figure 6.
1.37Vに極大を持つ酸化ピークと1.2Vから1.3Vに平坦部を有する還元ピークの対を確認した。Fe2Mo(CN)8が可逆的に酸化還元されること、すなわち充放電を行えることが判った。 A pair of oxidation peaks with a maximum at 1.37 V and reduction peaks with a plateau between 1.2 V and 1.3 V was confirmed. It was found that Fe 2 Mo(CN) 8 was reversibly oxidized and reduced, that is, capable of being charged and discharged.
<実施例5:正極活物質Co2Mo(CN)8を含む正極の評価>
正極活物質Zn2Mo(CN)8をCo2Mo(CN)8に変更した他は、実施例2と同様な評価装置および条件にてCo2Mo(CN)8のサイクリックボルタモグラムを実施した。
結果を図7に示す。
Example 5: Evaluation of positive electrode containing positive electrode active material Co 2 Mo(CN) 8
A cyclic voltammogram of Co2Mo(CN) 8 was performed using the same evaluation device and conditions as in Example 2, except that the positive electrode active material Zn2Mo (CN) 8 was changed to Co2Mo (CN) 8 .
The results are shown in Figure 7.
1.35Vと1.48Vに2つの極大を持つ酸化ピークと1.31Vに極大を持つ還元ピークの対を確認した。Co2Mo(CN)8が可逆的に酸化還元されること、すなわち充放電を行えることが判った。 A pair of oxidation peaks with two maxima at 1.35 V and 1.48 V and a reduction peak with a maximum at 1.31 V were confirmed. It was found that Co 2 Mo(CN) 8 can be reversibly oxidized and reduced, that is, can be charged and discharged.
<実施例6:正極活物質Ni2Mo(CN)8を含む正極の評価>
正極活物質Zn2Mo(CN)8をNi2Mo(CN)8に変更した他は、実施例2と同様な評価装置および条件にてNi2Mo(CN)8のサイクリックボルタモグラムを実施した。
結果を図8に示す。
Example 6: Evaluation of positive electrode containing positive electrode active material Ni 2 Mo(CN) 8
A cyclic voltammogram of Ni 2 Mo(CN) 8 was performed using the same evaluation device and conditions as in Example 2, except that the positive electrode active material Zn 2 Mo(CN) 8 was changed to Ni 2 Mo(CN) 8 .
The results are shown in Figure 8.
1.47Vに極大を持つ酸化ピークと1.39Vに極大を持つ還元ピークの対を確認した。Ni2Mo(CN)8が可逆的に酸化還元されること、すなわち充放電を行えることが判った。 A pair of an oxidation peak having a maximum at 1.47 V and a reduction peak having a maximum at 1.39 V was confirmed. It was found that Ni 2 Mo(CN) 8 was reversibly oxidized and reduced, that is, capable of being charged and discharged.
満足できる高い出力電圧が得られ、製造直後の状態で充電が可能であり、よって市場で入手可能である負極材料を用いて構成することができ、電解液の発火を回避できる高い安全性を有する、正極活物質および当該活物質を用いたフッ化物イオン二次電池とすることができる。 A positive electrode active material and a fluoride ion secondary battery using this active material can be produced that can provide a satisfactorily high output voltage, can be charged immediately after manufacture, can be constructed using commercially available negative electrode materials, and are highly safe, preventing the electrolyte from igniting.
1 フッ化物イオン
2 モリブデンイオン
3 Mイオン
4 シアノ基
5 MxMo(CN)8・yH2Oで表される金属錯体
11 正極
12 負極
13 セパレータ
20 密閉型フッ化物イオン二次電池
REFERENCE SIGNS LIST 1 Fluoride ion 2 Molybdenum ion 3 M ion 4 Cyano group 5 Metal complex represented by MxMo (CN) 8· yH2O 11 Positive electrode 12 Negative electrode 13 Separator 20 Sealed fluoride ion secondary battery
Claims (4)
一般式がMxMo(CN)8・yH2Oで表される金属錯体であって、前記一般式においてMは、Fe,Co,Ni,Znからなる群から選択される1種であり、xおよびyは、それぞれ1.95<x<2.05および0≦y≦9の関係を満たし、フッ化物イオンを挿入種とする電気化学反応において酸化可能状態、すなわち充電可能状態にあることを特徴とする二次電池用正極活物質。 A positive electrode active material for a secondary battery containing an aqueous electrolyte solution,
A positive electrode active material for a secondary battery, characterized in that it is a metal complex represented by the general formula MxMo(CN)8.yH2O , in which M is one element selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, and Zn, and x and y satisfy the relationships 1.95<x<2.05 and 0≦y≦9, respectively, and is in an oxidizable state, i.e., a chargeable state, in an electrochemical reaction using a fluoride ion as an intercalating species.
正極と、負極と、前記水系電解液と、セパレータとを備え、
前記正極は、前記二次電池用正極活物質を含み、
前記水系電解液は、フッ化物塩を溶解させた水溶液であり、
前記セパレータは、前記正極と前記負極の間に設けられている、
ことを特徴とするフッ化物イオン二次電池。 A fluoride ion secondary battery using the positive electrode active material for secondary batteries according to claim 1, wherein the fluoride ion secondary battery comprises:
a positive electrode, a negative electrode, the aqueous electrolyte solution, and a separator;
the positive electrode contains the positive electrode active material for a secondary battery,
the aqueous electrolyte is an aqueous solution in which a fluoride salt is dissolved,
The separator is provided between the positive electrode and the negative electrode.
A fluoride ion secondary battery characterized by:
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