JP7728006B2 - Positive electrode material, its manufacturing method, and all-solid-state fluoride ion shuttle battery - Google Patents
Positive electrode material, its manufacturing method, and all-solid-state fluoride ion shuttle batteryInfo
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Description
本開示は、全固体型フッ化物イオンシャトル電池用正極材料、その製造方法、及び、当該正極材料を用いた全固体型フッ化物イオンシャトル電池に関する。 This disclosure relates to a positive electrode material for an all-solid-state fluoride ion shuttle battery, a method for producing the same, and an all-solid-state fluoride ion shuttle battery using the positive electrode material.
近年、リチウム以外のイオンを正負極間でシャトルさせることによって作動する高エネルギー密度の二次電池が種々検討されている。このうち、フッ化物イオンをシャトルさせることで作動するフッ化物イオンシャトル電池(FIB)では、CuF2、BiF3等の金属フッ化物を正極活物質、Ceを負極活物質として用いる全固体型電池が高容量を示すと報告され注目されている(例えば、非特許文献1参照)。 In recent years, various high-energy density secondary batteries that operate by shuttling ions other than lithium between positive and negative electrodes have been investigated. Among these, fluoride ion shuttle batteries (FIB), which operate by shuttling fluoride ions, have attracted attention because they have been reported to exhibit high capacity when all-solid-state batteries using metal fluorides such as CuF2 and BiF3 as the positive electrode active material and Ce as the negative electrode active material (see, for example, Non-Patent Document 1).
また、FIBの高容量な正極材料として、電子伝導性及びフッ化物イオン伝導性を有するグラファイト等の炭素材料や、フッ素-グラファイト層間化合物(CxF)等も提案されている(例えば、特許文献1及び非特許文献2参照)。これらの材料は、飽和組成までフッ化物イオンを導入できれば、2232mAh/gという高容量を示すことが期待される。 Furthermore, carbon materials such as graphite, which have electronic conductivity and fluoride ion conductivity, and fluorine-graphite intercalation compounds (C x F) have also been proposed as high-capacity positive electrode materials for FIB (see, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 2). These materials are expected to exhibit a high capacity of 2232 mAh/g if fluoride ions can be introduced into them up to a saturated composition.
しかしながら、非特許文献1に記載されたCuF2、BiF3等の金属フッ化物を正極活物質とする場合、容量は最大でも843mAh/g(Cuの場合)である。また、充電により生成するフッ化物は、電子電導性やフッ化物イオン伝導性を有していない場合が多く、正極には活物質ととともにこれらの性質を補う材料を加える必要がある。さらに、充放電に伴う構造変化が大きいため、出力密度やサイクル特性にも問題があった。 However, when metal fluorides such as CuF 2 and BiF 3 described in Non-Patent Document 1 are used as the positive electrode active material, the maximum capacity is 843 mAh/g (in the case of Cu). Furthermore, the fluorides generated by charging often lack electronic conductivity or fluoride ion conductivity, so it is necessary to add a material to the positive electrode that compensates for these properties in addition to the active material. Furthermore, due to the large structural changes that occur during charging and discharging, there are problems with output density and cycle characteristics.
また、特許文献1では、炭素材料は正極材料としての可能性が指摘されているのみであり、実際に充放電が行われた例は未だ報告されていない。 Furthermore, Patent Document 1 only points out the possibility of carbon materials as positive electrode materials, and no examples of actual charging and discharging have yet been reported.
そして、非特許文献2に記載されたCxFは、ステージ1型のCxFであり、CuF2を添加することにより充放電可能になるが、比較的多量のCuF2を必要とする問題や、理論上の放電電圧よりも大幅に低い放電電圧しか得られないという問題があり、改善の余地があった。また、ステージ1型のCxFは、原料となるグラファイトに触媒存在下低温でフッ素ガスを用いてフッ素を挿入することにより得られるが、反応に長時間を要するとともに、コスト面においても問題があった。 The C x F described in Non-Patent Document 2 is a stage 1 type C x F, which can be charged and discharged by adding CuF 2 , but there are problems such as the need for a relatively large amount of CuF 2 and the fact that only a discharge voltage significantly lower than the theoretical discharge voltage can be obtained, leaving room for improvement. Furthermore, stage 1 type C x F can be obtained by inserting fluorine into graphite as a raw material using fluorine gas at a low temperature in the presence of a catalyst, but the reaction takes a long time and there are also problems in terms of cost.
そこで本開示では、より高電圧、高容量及び高サイクル特性を示し得るとともに、容易且つ低コストで製造可能な全固体型フッ化物イオンシャトル電池用正極材料、その製造方法、及び、当該正極材料を用いた全固体型フッ化物イオンシャトル電池を提供する。 This disclosure provides a positive electrode material for an all-solid-state fluoride ion shuttle battery that can exhibit higher voltage, higher capacity, and higher cycle characteristics, and that can be manufactured easily and at low cost; a method for manufacturing the same; and an all-solid-state fluoride ion shuttle battery that uses the positive electrode material.
上記の課題を解決するために、ここに開示する正極材料の一態様は、全固体型フッ化物イオンシャトル電池に用いられる正極材料であって、前記正極材料に含まれる正極活物質は、ステージ1型のフッ素-グラファイト層間化合物よりもフッ素の含有量が低い炭素材料と、金属フッ化物及びHFの少なくとも一方であるフッ化物触媒と、よりなることを特徴とする。 In order to solve the above problems, one aspect of the cathode material disclosed herein is a cathode material for use in an all-solid-state fluoride ion shuttle battery, characterized in that the cathode active material contained in the cathode material comprises a carbon material with a lower fluorine content than a stage 1 fluorine-graphite intercalation compound, and a fluoride catalyst that is at least one of a metal fluoride and HF.
炭素材料は、酸化されにくいためにフッ化物イオンの挿入には高い電圧が必要である。また、強固なC-F結合を生成するため、炭素材料表面にフッ化物絶縁層が形成され、不動態化されやすい。 Carbon materials are resistant to oxidation, so a high voltage is required to insert fluoride ions. Furthermore, because strong C-F bonds are formed, an insulating fluoride layer is formed on the surface of the carbon material, making it prone to passivation.
ここに、非特許文献2には、CuF2を添加することにより、ステージ1型のCxFの放電反応が進行することが記載されている。このメカニズムは、以下の通りと考えられる。すなわち、CxFの表面には上述のフッ化物絶縁層が形成されているものの、CuF2の放電により生成したCuが、CxF表面のフッ化物絶縁層を還元分解することにより、当該フッ化物絶縁層が除去され、CxFの放電反応が進行すると考えられる。 Here, Non-Patent Document 2 describes that the addition of CuF2 advances the discharge reaction of stage 1 type C x F. The mechanism behind this is thought to be as follows: Although the above-mentioned fluoride insulating layer is formed on the surface of C x F, Cu generated by the discharge of CuF2 reduces and decomposes the fluoride insulating layer on the surface of C x F, thereby removing the fluoride insulating layer and allowing the discharge reaction of C x F to advance.
本願発明者らは、上記CxFの放電反応に関するメカニズムに基づき、ステージ1型のCxFよりもフッ素の含有量(モル比)が低い例えばグラファイト等の炭素材料においても、フッ化物絶縁層の形成により充電反応が進行しない可能性があるという考えに至った。そして、このような炭素材料においても、金属フッ化物及びHFの少なくとも一方であるフッ化物触媒を添加することにより、充電反応が進行することを見出した。 Based on the mechanism of the discharge reaction of C x F , the present inventors have come to the conclusion that the formation of a fluoride insulating layer may prevent the charging reaction from proceeding even in carbon materials such as graphite that have a lower fluorine content (molar ratio) than Stage 1 C x F. They have also found that the charging reaction can proceed in such carbon materials by adding a fluoride catalyst, which is at least one of a metal fluoride and HF.
すなわち、本構成によれば、ステージ1型のCxFよりもフッ素の含有量が低い炭素材料と上記フッ化物触媒とを正極活物質とする正極材料を用いることにより、従来の金属フッ化物を正極活物質とするFIBよりも高電圧、高容量及び高サイクル特性を示し得るFIBをもたらすことができる。また、ステージ1型のCxFよりもフッ素の含有量が低い炭素材料は、ステージ1型のCxFのようにフッ化物イオンを導入する処理が施されていない、もしくは強力に施されていないから、ステージ1型のCxFと比べて、表面に形成されたフッ化物絶縁層の量がもともと少ない。そうすると、表面のフッ化物絶縁層を除去する必要がないから、ステージ1型のCxFを正極活物質として使用する場合と比べて、フッ化物触媒の添加量を抑制できるとともに、放電電圧を向上できる可能性がある。さらに、ステージ1型のCxFよりもフッ素の含有量が低い炭素材料は、ステージ1型のCxFと比較して、容易且つ低コストで準備可能であるから、FIBの製造も容易となり且つコスト面でも有利となる。 That is, according to this configuration, by using a carbon material having a lower fluorine content than Stage 1 CxF and the above-mentioned fluoride catalyst as a cathode active material, a FIB can be produced that can exhibit higher voltage, higher capacity, and better cycle characteristics than a FIB using a conventional metal fluoride as a cathode active material. Furthermore, a carbon material having a lower fluorine content than Stage 1 CxF is not subjected to a treatment to introduce fluoride ions, or the treatment is not performed as intensively as in Stage 1 CxF , and therefore the amount of fluoride insulating layer formed on the surface is originally smaller than that of Stage 1 CxF . This eliminates the need to remove the surface fluoride insulating layer, which may reduce the amount of fluoride catalyst added and improve the discharge voltage compared to when Stage 1 CxF is used as the cathode active material. Furthermore, a carbon material having a lower fluorine content than Stage 1 CxF can be prepared more easily and at lower cost than Stage 1 CxF, which makes the manufacture of the FIB easier and more cost-effective.
前記正極材料は、前記正極活物質と、固体電解質と、よりなる合剤であることが好ましい。 The positive electrode material is preferably a mixture consisting of the positive electrode active material and a solid electrolyte.
固体電解質を含む合剤とすることにより、正極材料におけるフッ化物イオン伝導性が向上する。 By using a mixture containing a solid electrolyte, the fluoride ion conductivity of the positive electrode material is improved.
前記合剤に含まれる前記炭素材料の含有量は、10質量%以上50質量%以下であり、前記合剤に含まれる前記フッ化物触媒の含有量は、1質量%以上5質量%以下であることが好ましい。 It is preferable that the content of the carbon material contained in the mixture be 10% by mass or more and 50% by mass or less, and the content of the fluoride catalyst contained in the mixture be 1% by mass or more and 5% by mass or less.
合剤に含まれる炭素材料及びフッ化物触媒の含有量を上記範囲とすることにより、より高容量且つより高サイクル特性のFIBを得ることができる。 By setting the content of carbon material and fluoride catalyst in the mixture within the above ranges, an FIB with higher capacity and better cycle characteristics can be obtained.
前記金属フッ化物は、LiF、AgF、AlF3、CuF2、KF、KHF2及びCaF2からなる群から選択される少なくとも1種であることが好ましい。 The metal fluoride is preferably at least one selected from the group consisting of LiF, AgF, AlF3 , CuF2 , KF, KHF2 and CaF2 .
本構成によれば、炭素材料の充電反応が速やかに進行し得る。 This configuration allows the charging reaction of the carbon material to proceed quickly.
前記炭素材料は、炭素原子と、該炭素原子と共有結合により結合した酸素原子と、を構成元素とする層状化合物を含むことが好ましい。 The carbon material preferably contains a layered compound whose constituent elements are carbon atoms and oxygen atoms covalently bonded to the carbon atoms.
本構成によれば、一部酸化された炭素材料であるために、例えば炭素原子のみからなるグラファイト等に比べて、アニオンの挿入電位が低下する。そうして、フッ化物イオンの挿入が容易になるから、炭素材料の充電反応が進行しやすくなる。 With this configuration, because the carbon material is partially oxidized, the anion insertion potential is lower than, for example, graphite, which is made up of only carbon atoms. This makes it easier to insert fluoride ions, facilitating the charging reaction of the carbon material.
前記層状化合物の層間距離は、グラファイトの層間距離よりも大きいことが好ましい。 The interlayer distance of the layered compound is preferably greater than the interlayer distance of graphite.
グラファイトの層間距離は、一般的に、0.335nmであることが知られている(J. Inamoto, et al, J. Electrochem. Soc., 2021, 168, 010528)。上述の層状化合物は、共有結合性の酸素原子を含むため、層間距離がグラファイトと比較して大きくなる。層間距離が大きいことにより、フッ化物イオンの挿入及び脱離が容易となり、FIBのサイクル特性が向上し得る。 The interlayer distance of graphite is generally known to be 0.335 nm (J. Inamoto, et al., J. Electrochem. Soc., 2021, 168, 010528). The layered compounds described above contain covalently bonded oxygen atoms, resulting in a larger interlayer distance than graphite. The larger interlayer distance facilitates the insertion and desorption of fluoride ions, potentially improving the cycle characteristics of FIBs.
ここに開示する正極材料の製造方法の一態様は、上記の正極材料の製造方法であって、前記炭素材料を準備する準備工程と、前記炭素材料と、前記フッ化物触媒とを混合して、前記正極活物質を得る混合工程と、を備えたことを特徴とする。 One aspect of the method for producing a positive electrode material disclosed herein is a method for producing the above-mentioned positive electrode material, characterized by comprising a preparation step of preparing the carbon material, and a mixing step of mixing the carbon material with the fluoride catalyst to obtain the positive electrode active material.
本構成によれば、炭素材料及びフッ化物触媒を混合することにより、両者の接触面積が増加し、電子伝導性及びフッ化物イオン伝導性に有利になる。 According to this configuration, by mixing the carbon material and the fluoride catalyst, the contact area between the two increases, which is advantageous for electronic conductivity and fluoride ion conductivity.
前記炭素材料は、炭素原子と、該炭素原子と共有結合により結合した酸素原子と、を構成元素とする層状化合物であり、前記準備工程において、グラファイト粉末を酸化後に熱処理を施して前記層状化合物を得ることが好ましい。 The carbon material is a layered compound whose constituent elements are carbon atoms and oxygen atoms covalently bonded to the carbon atoms. In the preparation step, it is preferable to obtain the layered compound by oxidizing graphite powder and then subjecting it to heat treatment.
グラファイト粉末を酸化すると酸化グラファイトが得られる。酸化グラファイトに熱処理を施すと、酸化グラファイト中の一部の酸素原子が除去され、層にナノメートルオーダーの孔が形成される。このようにして得られた層状化合物は、その炭素原子の一部は酸化されているとともに、層が孔を有していることにより、グラファイトに比べてアニオンの挿入電位が低下し、フッ化物イオンの挿入が容易となる。そうして、炭素材料の充電反応が進行しやすくなる。 Graphite oxide is obtained by oxidizing graphite powder. When graphite oxide is subjected to heat treatment, some of the oxygen atoms in the graphite oxide are removed, forming nanometer-sized pores in the layers. The layered compound obtained in this way has some of its carbon atoms oxidized, and the layers have pores, which lowers the anion insertion potential compared to graphite and makes it easier to insert fluoride ions. This makes it easier for the charging reaction of carbon materials to proceed.
ここに開示する全固体型フッ化物イオンシャトル電池の一態様は、正極と、負極と、該正極及び該負極の間に配置された固体電解質と、を備え、前記正極は、上記の正極材料を含むことを特徴とする。 One embodiment of the all-solid-state fluoride ion shuttle battery disclosed herein comprises a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte disposed between the positive electrode and the negative electrode, wherein the positive electrode contains the above-described positive electrode material.
本構成によれば、従来の金属フッ化物を正極活物質とするFIBよりも高電圧、高容量及び高サイクル特性を示し得るFIBをもたらすことができる。また、FIBの製造も容易となり且つコスト面でも有利となる。 This configuration makes it possible to produce an FIB that can exhibit higher voltage, higher capacity, and longer cycle life than conventional FIBs that use metal fluorides as the positive electrode active material. It also makes the FIB easier to manufacture and is more cost-effective.
以上述べたように、本開示によると、ステージ1型のCxFよりもフッ素の含有量が低い炭素材料と上記フッ化物触媒とを正極活物質とする正極材料を用いることにより、従来の金属フッ化物を正極活物質とするFIBよりも高電圧、高容量及び高サイクル特性を示し得るFIBをもたらすことができる。また、ステージ1型のCxFよりもフッ素の含有量が低い炭素材料は、ステージ1型のCxFのようにフッ化物イオンを導入する処理が施されていないから、ステージ1型のCxFと比べて、表面に形成されたフッ化物絶縁層の量がもともと少ない。そうすると、表面のフッ化物絶縁層を除去する必要がないから、ステージ1型のCxFを正極活物質として使用する場合と比べて、フッ化物触媒の添加量を抑えることができるとともに、放電電圧を向上できる可能性がある。さらに、ステージ1型のCxFよりもフッ素の含有量が低い炭素材料は、ステージ1型のCxFと比較して、容易且つ低コストで製造可能であるから、FIBの製造も容易となり且つコスト面でも有利となる。 As described above, according to the present disclosure, by using a carbon material having a lower fluorine content than Stage 1 CxF and the above-mentioned fluoride catalyst as a cathode active material, a FIB can be produced that can exhibit higher voltage, higher capacity, and better cycle characteristics than a FIB using a conventional metal fluoride as a cathode active material. Furthermore, a carbon material having a lower fluorine content than Stage 1 CxF is not treated to introduce fluoride ions like Stage 1 CxF , and therefore has a smaller amount of fluoride insulating layer formed on the surface than Stage 1 CxF . This eliminates the need to remove the surface fluoride insulating layer, potentially reducing the amount of fluoride catalyst added and improving discharge voltage compared to when Stage 1 CxF is used as the cathode active material. Furthermore, a carbon material having a lower fluorine content than Stage 1 CxF can be manufactured more easily and at lower cost than Stage 1 CxF , making the FIB easier to manufacture and more cost-effective.
以下、本開示の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本開示、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。 Embodiments of the present disclosure are described in detail below with reference to the accompanying drawings. The following description of the preferred embodiment is merely exemplary in nature and is in no way intended to limit the present disclosure, its applications, or its uses.
(実施形態1)
<全固体型フッ化物イオンシャトル電池>
図1に示すように、本開示に係る全固体型フッ化物イオンシャトル電池10は、負極活物質層12(負極)、固体電解質層13(固体電解質)及び正極活物質層14(正極材料、正極)を有する。また、FIB10は、負極活物質層12の集電を行う負極集電体11(負極)、及び、正極活物質層14の集電を行う正極集電体15(正極)を有する。
(Embodiment 1)
<All-solid-state fluoride-ion shuttle battery>
1 , an all-solid-state fluoride ion shuttle battery 10 according to the present disclosure includes an anode active material layer 12 (anode), a solid electrolyte layer 13 (solid electrolyte), and a cathode active material layer 14 (cathode material, cathode). The FIB 10 also includes an anode current collector 11 (anode) that collects current from the anode active material layer 12, and a cathode current collector 15 (cathode) that collects current from the cathode active material layer 14.
集電体の構成材料は、導電性材料であれば特に限定されない。集電体としては、具体的には例えば、アルミニウム(Al)や、公知の二次電池において用いられるその他の金属集電体、導電性樹脂層を有する樹脂集電体等を使用できる。集電体の形状としては、例えば、箔状、メッシュ状、多孔質状が挙げられる。 The constituent material of the current collector is not particularly limited as long as it is a conductive material. Specific examples of current collectors that can be used include aluminum (Al), other metal current collectors used in known secondary batteries, and resin current collectors with a conductive resin layer. Current collectors can be in the form of, for example, foil, mesh, or porous.
また、FIB10は、負極集電体11、負極活物質層12,固体電解質層13、正極活物質層14及び正極集電体15を収納する電池ケース(図示せず)等を有してもよい。電池ケースの材料は、従来公知の材料とすることができる。 The FIB 10 may also include a battery case (not shown) that houses the anode current collector 11, anode active material layer 12, solid electrolyte layer 13, cathode active material layer 14, and cathode current collector 15. The battery case may be made of a conventionally known material.
本開示におけるFIBは、繰り返し充放電可能な二次電池であり、例えば車載用電池、定置用電池、医療用電池、民生用電池等として有用である。本開示におけるFIB10の形状としては、特に限定されるものではなく、例えばコイン型、ラミネート型、円筒型及び角型等の公知の形状を採用できる。 The FIB in this disclosure is a secondary battery that can be repeatedly charged and discharged, and is useful, for example, as an automotive battery, a stationary battery, a medical battery, a consumer battery, etc. The shape of the FIB 10 in this disclosure is not particularly limited, and known shapes such as a coin shape, a laminated shape, a cylindrical shape, and a rectangular shape can be used.
[負極活物質層]
負極活物質層12は、負極活物質を含む負極材料からなる。
[Negative electrode active material layer]
The negative electrode active material layer 12 is made of a negative electrode material containing a negative electrode active material.
負極活物質としては、特に限定されるものではなく、FIBにおいて一般的に採用される公知の材料を採用できる。負極活物質の具体例は、後述する正極活物質よりも低い電位を有する金属単体、合金、金属酸化物、及び、これらのフッ化物であり、例えばLa、LaFx、Mg、MgFx、Pb、PbFx、Al、AlFx、Ce、CeFx、Ca、CaFx(但し、xは0よりも大きい実数)であることが好ましい。負極活物質は、上記材料の一種であってもよく、二種以上であってもよい。 The negative electrode active material is not particularly limited, and known materials generally used in FIB can be used. Specific examples of the negative electrode active material include metals, alloys, metal oxides, and fluorides thereof, each of which has a lower potential than the positive electrode active material described below, and preferably includes, for example, La, LaF x , Mg, MgF x , Pb, PbF x , Al, AlF x , Ce, CeF x , Ca, and CaF x (where x is a real number greater than 0). The negative electrode active material may be one of the above materials, or two or more of them.
負極活物質層12は、必要に応じて、導電助剤、固体電解質及びバインダの少なくとも一つをさらに含有してもよい。導電助剤は、電子伝導性を有する材料であれば特に限定されず、例えばアセチレンブラック、カーボンブラック、グラフェン等のFIBにおいて一般的に公知の材料とすることができる。固体電解質は、後述する固体電解質層13に含まれる固体電解質と同様の材料とすることができる。バインダは、特に限定されず、FIBにおいて一般的に公知の材料とすることができ、例えばポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系バインダとすることができる。 The negative electrode active material layer 12 may further contain at least one of a conductive additive, a solid electrolyte, and a binder, as needed. The conductive additive is not particularly limited as long as it is a material that has electronic conductivity, and can be a material commonly known in FIB, such as acetylene black, carbon black, or graphene. The solid electrolyte can be the same material as the solid electrolyte contained in the solid electrolyte layer 13, which will be described later. The binder is not particularly limited and can be a material commonly known in FIB, such as a fluorine-based binder such as polyvinylidene fluoride or polytetrafluoroethylene.
負極活物質層12における、負極活物質及び導電助剤の含有量は、特に限定されるものではなく、FIBにおいて一般的に公知の量とすることができる。具体的には例えば、負極活物質の含有量は10質量%以上90質量%以下、導電助剤の含有量は20質量%以下とすることができる。 The contents of the negative electrode active material and conductive additive in the negative electrode active material layer 12 are not particularly limited and can be amounts generally known in FIB. Specifically, for example, the content of the negative electrode active material can be 10% by mass or more and 90% by mass or less, and the content of the conductive additive can be 20% by mass or less.
[固体電解質層]
固体電解質層13は、負極活物質層12と正極活物質層14との間に配置されている。固体電解質層13は、フッ化物イオン伝導性を有する固体電解質を含む。
[Solid electrolyte layer]
The solid electrolyte layer 13 is disposed between the negative electrode active material layer 12 and the positive electrode active material layer 14. The solid electrolyte layer 13 contains a solid electrolyte having fluoride ion conductivity.
固体電解質としては、特に限定されるものではなく、FIBに一般的に使用される公知の材料を採用できる。固体電解質は、具体的には例えば、La、Ce等のランタノイド元素のフッ化物、Li、Na、K、Rb、Cs等のアルカリ金属元素のフッ化物、Ca、Sr、Ba等のアルカリ土類元素のフッ化物が挙げられる。また、固体電解質は、La、Ba、Pb、Sn、Ca及びCeの少なくとも一種の金属元素を含有するフッ化物であってもよい。固体電解質の具体例としては、Ba0.03La0.97F2.97、PbSnF4等が挙げられる。固体電解質の形状は、特に限定されないが、例えば粒子状を挙げることができる。 The solid electrolyte is not particularly limited, and known materials commonly used in FIBs can be used. Specific examples of the solid electrolyte include fluorides of lanthanoid elements such as La and Ce, fluorides of alkali metal elements such as Li, Na, K, Rb, and Cs, and fluorides of alkaline earth elements such as Ca, Sr, and Ba. The solid electrolyte may also be a fluoride containing at least one metal element selected from the group consisting of La, Ba, Pb , Sn , Ca, and Ce. Specific examples of the solid electrolyte include Ba0.03La0.97F2.97 and PbSnF4 . The shape of the solid electrolyte is not particularly limited, and may be, for example, particulate.
固体電解質層13は、固体電解質以外のバインダ等を含んでもよい。この場合、固体電解質層13における固体電解質の含有量は、二次電池、特にFIBにおいて一般的に採用される含有量とすることができる。 The solid electrolyte layer 13 may contain a binder or other material in addition to the solid electrolyte. In this case, the solid electrolyte content in the solid electrolyte layer 13 may be the content commonly used in secondary batteries, particularly FIBs.
[正極活物質層]
正極活物質層14は、正極活物質を含む正極材料からなる。
[Cathode active material layer]
The positive electrode active material layer 14 is made of a positive electrode material containing a positive electrode active material.
本開示において、正極活物質は、ステージ1型のCxFよりもフッ素の含有量が低い炭素材料と、金属フッ化物及びHFの少なくとも一方であるフッ化物触媒と、よりなる。 In the present disclosure, the positive electrode active material is composed of a carbon material having a lower fluorine content than Stage 1 C x F, and a fluoride catalyst which is at least one of a metal fluoride and HF.
-炭素材料-
炭素材料は、フッ化物イオンのホスト材料であり、ステージ1型のCxFよりもフッ素の含有量が低い炭素材料であれば、特に限定されない。
- Carbon materials -
The carbon material is not particularly limited as long as it is a host material for fluoride ions and has a lower fluorine content than stage 1 C x F.
CxFは、触媒存在下低温でF2と反応させることにより、グラファイトの層間にフッ化物イオンが挿入された化合物である。 C x F is a compound in which fluoride ions are inserted between graphite layers by reacting with F 2 at low temperatures in the presence of a catalyst.
なお、グラファイト層間化合物のステージ構造は、Carbon用語辞典によれば、「挿入化学種(インターカレート)がその濃度に応じてc軸方向に規則的に分布する構造でありステージ数nで表現され」、「nはインターカレート層によって挟まれる炭素層の数を表したもの」と定義されている。 According to the Carbon Glossary, the stage structure of graphite intercalation compounds is defined as "a structure in which intercalated chemical species (intercalates) are regularly distributed in the c-axis direction according to their concentration, and is expressed by the number of stages n," where n represents the number of carbon layers sandwiched between intercalated layers.
すなわち、「ステージ1型のCxF」とは、グラファイトのすべての層間にフッ素層が含まれるCxFを意味する。また、ステージ2型のCxFでは1層おき、ステージ3型のCxFでは2層おきに、フッ素層が含まれる。ステージ1型のCxFではxの値はおよそ4以下である。 That is, "Stage 1 C x F" means C x F containing a fluorine layer between every layer of graphite. Stage 2 C x F contains a fluorine layer between every other layer, and Stage 3 C x F contains a fluorine layer between every third layer. In Stage 1 C x F, the value of x is approximately 4 or less.
従って、ステージ1型のCxFよりもフッ素の含有量が低い炭素材料とは、例えば、上記のようなF2との反応等により積極的にフッ化物イオンが導入されていない炭素材料(充放電が行われる前の初期状態の炭素材料を含む)及びxの値が4を超えるCxFの少なくとも一方をいう。 Therefore, a carbon material having a lower fluorine content than Stage 1 C x F refers to, for example, at least one of a carbon material into which fluoride ions have not been actively introduced by the reaction with F 2 as described above (including a carbon material in its initial state before charging/discharging) and C x F in which the value of x exceeds 4.
上記のようなF2との反応等により積極的にフッ化物イオンが導入されていない炭素材料は、具体的には例えば、後述するグラフェンライクグラファイト(本明細書において、「GLG」ともいう。)、GLGを含む炭素材料、グラファイト、アセチレンブラック、ハードカーボン、ケッチェンブラック、カーボンブラック、グラフェン、カーボンナノチューブ等であり、好ましくはGLG、GLGを含む炭素材料、グラファイト、アセチレンブラック及びハードカーボンからなる群から選択される少なくとも1種である。 Specific examples of the carbon material into which fluoride ions have not been actively introduced by a reaction with F2 or the like include graphene-like graphite (also referred to as "GLG" in this specification) described below, a carbon material containing GLG, graphite, acetylene black, hard carbon, ketjen black, carbon black, graphene, and carbon nanotubes, and is preferably at least one selected from the group consisting of GLG, a carbon material containing GLG, graphite, acetylene black, and hard carbon.
また、xの値が4を超えるCxFは、例えばステージ2型、ステージ3型等の上記nの値が2以上のステージ構造のCxFである。このようなフッ素の含有量が低いCxFは、ステージ1型のCxFと比較して、低圧もしくは短時間でのF2との反応やHF水溶液中での電気分解によって、より容易に合成可能である。 Furthermore, C x F in which the value of x exceeds 4 is C x F of a stage structure in which the value of n is 2 or more, such as stage 2 type or stage 3 type. Such C x F with a low fluorine content can be synthesized more easily than stage 1 type C x F by reaction with F2 at low pressure or in a short time or by electrolysis in an aqueous HF solution.
正極材料中のフッ素含有量(CxFのXの値)は、以下の方法で決定できる。正極材料を固体電解質から分離し、Niメッシュに圧着して乾燥する。これを、例えば、1MのLiPF6溶液(溶媒は、体積比でエチレンカーボネート(EC):ジメチルカーボネート(DMC)=1:1)を電解液、Li金属を対極とした2極式セル中に設置して、定電流放電を行い、1.5Vまでの放電容量を求める。これにより正極材料中のフッ素含有量(CxFのXの値)を決定することが可能となる。 The fluorine content in the positive electrode material (the value of X in C x F) can be determined by the following method. The positive electrode material is separated from the solid electrolyte, pressed onto a Ni mesh, and dried. This is placed in a two-electrode cell using, for example, a 1 M LiPF 6 solution (the solvent is a 1:1 volume ratio of ethylene carbonate (EC):dimethyl carbonate (DMC)) as the electrolyte and Li metal as the counter electrode, and constant current discharge is performed to determine the discharge capacity up to 1.5 V. This makes it possible to determine the fluorine content in the positive electrode material (the value of X in C x F).
図2にGLGの分子構造の一例を示す。図2に示すように、符号20で示すGLGは、炭素原子21と、該炭素原子21と共有結合により結合した酸素原子22と、を構成元素とするとともに、層に形成されたナノメートルオーダーの孔23を有する層状化合物である。GLGは、酸化グラファイトに熱処理を施すことにより調製できる。グラファイトの酸化によりグラファイトの一部の炭素原子が酸素原子に置換され、熱処理により、一部の酸素原子が除去されて孔23が形成されると考えられる。 Figure 2 shows an example of the molecular structure of GLG. As shown in Figure 2, GLG, designated by the reference numeral 20, is a layered compound whose constituent elements are carbon atoms 21 and oxygen atoms 22 covalently bonded to the carbon atoms 21, and which has nanometer-order pores 23 formed in the layer. GLG can be prepared by subjecting graphite oxide to heat treatment. It is believed that oxidation of the graphite replaces some of the carbon atoms with oxygen atoms, and heat treatment removes some of the oxygen atoms, forming the pores 23.
炭素材料は、GLG又はGLGを含む炭素材料であることがより好ましい。GLGを含む炭素材料とは、具体的には例えば、GLGと他の炭素材料との混合物や、外側の層はGLGからなり且つ内側の層はグラファイトからなる層状化合物等が挙げられる。 The carbon material is preferably GLG or a carbon material containing GLG. Specific examples of carbon materials containing GLG include mixtures of GLG with other carbon materials, and layered compounds with an outer layer made of GLG and an inner layer made of graphite.
GLGは、一部酸化された炭素材料であるために、例えば炭素原子のみからなるグラファイト等の炭素材料に比べて、アニオンの挿入電位が低下する。そうして、フッ化物イオンの挿入が容易になるから、炭素材料の充電反応が進行しやすくなる。 Because GLG is a partially oxidized carbon material, its anion insertion potential is lower than that of carbon materials such as graphite, which are made up of only carbon atoms. This makes it easier for fluoride ions to be inserted, facilitating the charging reaction of the carbon material.
炭素材料として、GLG又はGLGを含む炭素材料を用いる場合、GLGの層間距離は、グラファイトの層間距離よりも大きいことが好ましい。上述のごとく、グラファイトの層間距離は、一般的に、0.335nmであることが知られている。GLGは、共有結合性の酸素原子を含むため、層間距離がグラファイトと比較して大きくなる傾向がある。層間距離が大きいことにより、フッ化物イオンの挿入及び脱離が容易となり、FIBのサイクル特性が向上し得る。 When GLG or a carbon material containing GLG is used as the carbon material, the interlayer distance of the GLG is preferably larger than the interlayer distance of graphite. As mentioned above, the interlayer distance of graphite is generally known to be 0.335 nm. Because GLG contains covalently bonded oxygen atoms, the interlayer distance tends to be larger than that of graphite. The larger interlayer distance facilitates the insertion and desorption of fluoride ions, which can improve the cycle characteristics of the FIB.
なお、層状化合物の層間距離は、好ましくは0.335nm超、より好ましくは0.340nm以上、特に好ましくは0.360nm以上である。 The interlayer distance of the layered compound is preferably greater than 0.335 nm, more preferably 0.340 nm or greater, and particularly preferably 0.360 nm or greater.
-フッ化物触媒-
フッ化物触媒は、FIBの充放電時に、炭素材料の表面におけるフッ化物絶縁層の形成を抑制する機能を有し、金属フッ化物及びHFの少なくとも一方である。
- Fluoride catalyst -
The fluoride catalyst has the function of suppressing the formation of a fluoride insulating layer on the surface of the carbon material during charging and discharging of the FIB, and is at least one of a metal fluoride and HF.
金属フッ化物は、フッ化物イオン受容性を有していれば、特に限定されないが、例えばLiF、AgF、AlF3、CuF2、KF、KHF2及びCaF2からなる群から選択される少なくとも1種であることが好ましい。本構成によれば、炭素材料の充電反応が速やかに進行し得る。 The metal fluoride is not particularly limited as long as it has fluoride ion acceptability, but is preferably at least one selected from the group consisting of LiF, AgF, AlF 3 , CuF 2 , KF, KHF 2 and CaF 2. According to this configuration, the charging reaction of the carbon material can proceed quickly.
フッ化物触媒としてHFを用いる場合は、空気中に含まれる水に由来するHFを利用してもよいし、HFを積極的に添加してもよい。空気中に含まれる水に由来するHFを利用する場合は、例えば、電極の乾燥を抑制して、水を残留させること等により、水がセル中で酸化されて生じるHFを利用すればよい。 When using HF as the fluoride catalyst, HF derived from water contained in the air may be used, or HF may be actively added. When using HF derived from water contained in the air, for example, the electrodes may be prevented from drying out, leaving water behind, and the HF produced when water is oxidized in the cell may be used.
なお、本開示のフッ化物触媒は、CxFを含まない。CxFの表面には、フッ化物絶縁層が形成されているから、CxFを添加しても、触媒として機能する可能性は低いと考えられる。 It should be noted that the fluoride catalyst of the present disclosure does not contain C x F. Since a fluoride insulating layer is formed on the surface of C x F, it is considered unlikely that C x F will function as a catalyst even if added.
-合剤-
正極材料は、正極活物質と、固体電解質と、を含む合剤とすることが好ましく、正極活物質と、固体電解質と、よりなる合剤とすることがより好ましい。
-Combination drug-
The positive electrode material is preferably a mixture containing a positive electrode active material and a solid electrolyte, and more preferably a mixture consisting of a positive electrode active material and a solid electrolyte.
固体電解質を含む合剤とすることにより、正極材料におけるフッ化物イオン伝導性が向上する。合剤に含まれる固体電解質は、固体電解質層13に含有される固体電解質と同種であってもよいし、異種であってもよいが、同種であることが好ましい。 By including a solid electrolyte in the mixture, the fluoride ion conductivity of the positive electrode material is improved. The solid electrolyte contained in the mixture may be the same as or different from the solid electrolyte contained in the solid electrolyte layer 13, but it is preferable that they are the same.
なお、合剤に含まれる炭素材料の含有量は、質量比で、合剤に含まれるフッ化物触媒の含有量よりも多いことが好ましい。 It is preferable that the content of the carbon material contained in the mixture be greater, by mass, than the content of the fluoride catalyst contained in the mixture.
具体的には、合剤に含まれる炭素材料の含有量は、10質量%以上50質量%以下であることが好ましく、12質量%以上48質量%以下であることがより好ましく、15質量%以上45質量%以下であることが特に好ましい。 Specifically, the content of the carbon material in the mixture is preferably 10% by mass or more and 50% by mass or less, more preferably 12% by mass or more and 48% by mass or less, and particularly preferably 15% by mass or more and 45% by mass or less.
合剤に含まれる炭素材料の含有量が下限値未満では、十分な容量を得ることが困難となる。一方、当該含有量が上限値を超えると、固体電解質の量が不足することにより、十分なフッ化物イオン伝導性を確保することが困難となる。 If the content of carbon material in the mixture is below the lower limit, it will be difficult to obtain sufficient capacity. On the other hand, if the content exceeds the upper limit, the amount of solid electrolyte will be insufficient, making it difficult to ensure sufficient fluoride ion conductivity.
また、合剤に含まれるフッ化物触媒の含有量は、1質量%以上5質量%以下であることが好ましく、1.5質量%以上4.5質量%以下であることがより好ましく、2質量%以上4質量%以下であることが特に好ましい。 Furthermore, the content of the fluoride catalyst contained in the mixture is preferably 1% by mass or more and 5% by mass or less, more preferably 1.5% by mass or more and 4.5% by mass or less, and particularly preferably 2% by mass or more and 4% by mass or less.
合剤に含まれるフッ化物触媒の含有量が下限値未満では、充電反応が進行せず、FIBの充放電ができないおそれがある。一方、当該含有量が上限値を超えると、固体電解質の量が不足することにより、十分なフッ化物イオン伝導性を確保することが困難となる。 If the content of the fluoride catalyst in the mixture is below the lower limit, the charging reaction may not proceed, making it impossible to charge and discharge the FIB. On the other hand, if the content exceeds the upper limit, the amount of solid electrolyte will be insufficient, making it difficult to ensure sufficient fluoride ion conductivity.
合剤に含まれる炭素材料及びフッ化物触媒の含有量を上記範囲とすることにより、より高容量且つより高サイクル特性のFIBを得ることができる。 By setting the content of carbon material and fluoride catalyst in the mixture within the above ranges, an FIB with higher capacity and better cycle characteristics can be obtained.
合剤は、このまま成形して正極活物質層14としてもよいし、導電助剤、バインダ等と混合されて正極活物質層14を形成してもよい。導電助剤、バインダ等としては、負極活物質層12と同様の材料を採用できる。正極活物質層14に導電助剤、バインダ等が配合される場合、これらの含有量は、負極活物質層12と同様とすることができる。 The mixture may be molded as is to form the positive electrode active material layer 14, or may be mixed with a conductive additive, binder, etc. to form the positive electrode active material layer 14. The conductive additive, binder, etc. may be the same materials as those used in the negative electrode active material layer 12. When a conductive additive, binder, etc. is blended into the positive electrode active material layer 14, the content of these may be the same as that of the negative electrode active material layer 12.
-作用効果-
炭素材料は、酸化されにくいためにフッ化物イオンの挿入には高い電圧が必要である。しかしながら、高い電圧を印加してフッ化物イオンを挿入しようとすると、炭素材料の表面の炭素原子とフッ化物イオンとの間で、強固なC-F結合が形成される。そして、炭素材料の表面にフッ化物絶縁層が形成され、不動態化される。そうして、炭素材料内部へのフッ化物イオンの挿入が抑制され、充電反応が進行しなくなるため、充放電ができない状態となる。
-Action and effect-
Carbon materials are resistant to oxidation, so a high voltage is required to insert fluoride ions. However, when a high voltage is applied to insert fluoride ions, a strong C—F bond is formed between the carbon atoms on the surface of the carbon material and the fluoride ions. Then, a fluoride insulating layer is formed on the surface of the carbon material, causing passivation. This inhibits the insertion of fluoride ions into the carbon material, preventing the charging reaction from proceeding, making charging and discharging impossible.
一方、炭素材料にフッ化物触媒を添加すると、炭素材料の炭素原子とフッ化物触媒のカチオンとの間でフッ化物イオンを取り合うような形となり、炭素材料の表面の炭素原子とフッ化物イオンとの間での強固なC-F結合の形成が抑制される。そして、炭素材料表面におけるフッ化物絶縁層の形成が抑制されるから、炭素材料内部にフッ化物イオンが挿入され、充電反応が進行すると考えられる。また、フッ化物触媒の存在が、炭素材料表面におけるフッ化物絶縁層の形成を抑制するから、炭素材料内部からのフッ化物イオンの脱離反応も可能となり、全体として充放電が可能となると考えられる。 On the other hand, when a fluoride catalyst is added to a carbon material, the carbon atoms of the carbon material and the cations of the fluoride catalyst compete for fluoride ions, suppressing the formation of strong C-F bonds between the carbon atoms on the surface of the carbon material and the fluoride ions. This suppresses the formation of a fluoride insulating layer on the surface of the carbon material, allowing fluoride ions to be inserted into the carbon material, allowing the charging reaction to proceed. Furthermore, the presence of the fluoride catalyst suppresses the formation of a fluoride insulating layer on the surface of the carbon material, enabling the fluoride ions to be released from the carbon material, making charging and discharging possible overall.
すなわち、本開示の構成によれば、ステージ1型のCxFよりもフッ素の含有量が低い炭素材料とフッ化物触媒とを正極活物質とする正極材料を用いることにより、従来の金属フッ化物を正極活物質とするFIBよりも高電圧、高容量及び高サイクル特性を示し得るFIBをもたらすことができる。また、ステージ1型のCxFよりもフッ素の含有量が低い炭素材料は、ステージ1型のCxFのようにフッ化物イオンを導入する処理が施されていないから、ステージ1型のCxFと比べて、表面に形成されたフッ化物絶縁層の量がもともと少ない。そうすると、表面のフッ化物絶縁層を除去する必要がないから、ステージ1型のCxFを正極活物質として使用する場合と比べて、フッ化物触媒の添加量を抑えることができるとともに、放電電圧を向上できる可能性がある。さらに、ステージ1型のCxFよりもフッ素の含有量が低い炭素材料は、ステージ1型のCxFと比較して、容易且つ低コストで製造可能であるから、FIBの製造も容易となり且つコスト面でも有利となる。 That is, according to the configuration of the present disclosure, by using a cathode material containing a carbon material with a lower fluorine content than Stage 1 CxF and a fluoride catalyst as cathode active materials, a FIB can be produced that can exhibit higher voltage, higher capacity, and better cycle characteristics than FIBs that use conventional metal fluorides as cathode active materials. Furthermore, a carbon material with a lower fluorine content than Stage 1 CxF is not treated to introduce fluoride ions like Stage 1 CxF , and therefore the amount of fluoride insulating layer formed on the surface is originally smaller than that of Stage 1 CxF . This eliminates the need to remove the surface fluoride insulating layer, which may reduce the amount of fluoride catalyst added and improve discharge voltage compared to when Stage 1 CxF is used as the cathode active material. Furthermore, a carbon material with a lower fluorine content than Stage 1 CxF can be manufactured more easily and at lower cost than Stage 1 CxF, which makes FIB manufacturing easier and more cost-effective.
<正極材料の製造方法>
正極材料は、限定する意図ではないが、例えば以下の手順で製造できる。
<Method of manufacturing positive electrode material>
The positive electrode material can be produced, for example, by the following procedure, although this is not intended to be limiting.
すなわち、正極材料の製造方法の一例は、炭素材料を準備する準備工程と、炭素材料と、フッ化物触媒とを混合して、正極活物質を得る混合工程と、を備える。 That is, one example of a method for manufacturing a positive electrode material includes a preparation step of preparing a carbon material, and a mixing step of mixing the carbon material with a fluoride catalyst to obtain a positive electrode active material.
準備工程では、市販の炭素材料、又は、必要な場合には合成により炭素材料を準備する。 In the preparation process, a commercially available carbon material is prepared, or if necessary, a carbon material is synthesized.
例えば、炭素材料がGLGの場合には、準備工程において、グラファイト粉末を酸化後に熱処理を施してGLGを得る。 For example, if the carbon material is GLG, in the preparation process, graphite powder is oxidized and then heat-treated to obtain GLG.
グラファイトの酸化方法は、特に限定されず、公知の方法を用いることができる。公知の方法としては、例えば、発煙硝酸とKClO3を用いるBrodie法、H2SO4、NaNO3、KMnO4を用いるHummers法、H2SO4、HNO3、KClO3を用いるStaudenmeier法等が挙げられる。なお、グラファイトの酸化方法は、GLGの酸素含有量及び層間距離に影響がある。 The method for oxidizing graphite is not particularly limited, and known methods can be used, such as the Brodie method using fuming nitric acid and KClO3 , the Hummers method using H2SO4 , NaNO3 , and KMnO4 , and the Staudenmeier method using H2SO4 , HNO3 , and KClO3 . The graphite oxidation method affects the oxygen content and interlayer distance of the GLG.
酸化グラファイトの熱処理温度も、GLGの酸素含有量及び層間距離に影響がある。熱処理温度は、例えば100℃以上1000℃以下、好ましくは200℃以上900℃以下、より好ましくは300℃以上500℃以下である。 The heat treatment temperature of graphite oxide also affects the oxygen content and interlayer distance of the GLG. The heat treatment temperature is, for example, 100°C or higher and 1000°C or lower, preferably 200°C or higher and 900°C or lower, and more preferably 300°C or higher and 500°C or lower.
酸化グラファイトの熱処理時間は、限定する意図ではないが、例えば2時間以上、好ましくは3時間以上10時間以下、より好ましくは4時間以上8時間以下とすることができる。 The heat treatment time for graphite oxide is not intended to be limited, but can be, for example, 2 hours or more, preferably 3 hours or more and 10 hours or less, and more preferably 4 hours or more and 8 hours or less.
酸化グラファイトの熱処理は、さらなる酸化を抑制する観点から、真空下もしくは不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。 The heat treatment of graphite oxide is preferably carried out under vacuum or in an inert gas atmosphere to prevent further oxidation.
混合工程では、炭素材料及びフッ化物触媒を混合する。また、混合工程では、炭素材料と、フッ化物触媒と、固体電解質と、を混合して、合剤を得ることが好ましい。本構成により、炭素材料、フッ化物触媒、及び添加する場合は固体電解質における互いの接触面積が増加し、電子伝導性及びフッ化物イオン伝導性に有利になる。混合方法は、特に限定されるものではなく、例えば乳鉢等を用いた手動による混合、ミキサ等の公知の方法を採用できる。 In the mixing step, the carbon material and the fluoride catalyst are mixed. Preferably, in the mixing step, the carbon material, the fluoride catalyst, and the solid electrolyte are mixed to obtain a mixture. This configuration increases the contact area between the carbon material, the fluoride catalyst, and, if added, the solid electrolyte, which is advantageous for electronic conductivity and fluoride ion conductivity. The mixing method is not particularly limited, and known methods such as manual mixing using a mortar or a mixer can be used.
<FIBの製造方法>
FIBの製造方法は、上記の正極材料、固体電解質及び負極材料を使用する限り、特に限定されるものではなく、公知の方法を用いることができる。
<FIB manufacturing method>
The FIB manufacturing method is not particularly limited as long as the above-mentioned cathode material, solid electrolyte, and anode material are used, and any known method can be used.
次に、具体的に実施した実施例について説明する。 Next, we will explain specific examples that were implemented.
表1に、実施例1~9及び比較例1の正極活物質の構成を示している。 Table 1 shows the composition of the positive electrode active materials for Examples 1 to 9 and Comparative Example 1.
<実施例1>
正極活物質について、炭素材料としてGLG、フッ化物触媒としてフッ化リチウム(LiF)を用いた。また、正極材料の固体電解質としてフッ化バリウムランタン(Ba0.03La0.97F2.97、以下「BLF」ともいう。)を用いた。
Example 1
The positive electrode active material used was GLG as a carbon material, lithium fluoride (LiF) as a fluoride catalyst, and barium lanthanum fluoride (Ba 0.03 La 0.97 F 2.97 , hereinafter also referred to as “BLF”) as a solid electrolyte of the positive electrode material.
負極としては、Pb及びPbSnF4、固体電解質層の固体電解質としては、BLFを用いた。 Pb and PbSnF 4 were used as the negative electrode, and BLF was used as the solid electrolyte of the solid electrolyte layer.
[材料の調製]
-GLG-
グラファイト粉末(伊藤黒鉛工業株式会社製Z-5F、平均粒径5μm)10gを500mLビーカーに入れ、200mLの発煙硝酸を加えて60℃に加熱した。その後、撹拌しながら80gの塩素酸カリウムをゆっくりと加え、3時間保持した。その後、反応溶液を2Lの水に移し、吸引ろ過し、純水でpHが5以上になるまで洗浄して酸化グラファイトを得た(Brodie法)。
[Material preparation]
-GLG-
10 g of graphite powder (Z-5F manufactured by Ito Graphite Industries Co., Ltd., average particle size 5 μm) was placed in a 500 mL beaker, 200 mL of fuming nitric acid was added, and the mixture was heated to 60°C. 80 g of potassium chlorate was then slowly added with stirring, and the mixture was maintained for 3 hours. The reaction solution was then transferred to 2 L of water, suction filtered, and washed with pure water until the pH reached 5 or higher, to obtain graphite oxide (Brodie method).
得られた酸化グラファイトを60℃で一晩乾燥した。この酸化グラファイト粉末をアルミナ容器に入れ、真空下、1℃/分で熱処理温度300℃まで昇温した後、5時間保持することにより、GLGを得た。 The resulting graphite oxide was dried overnight at 60°C. This graphite oxide powder was placed in an alumina container and heated to a heat treatment temperature of 300°C at a rate of 1°C/min under vacuum, then held for 5 hours to obtain GLG.
なお、GLGの同定及び層間距離の測定は、X線回折法(Bruker製 D2 Phaser、CuKα)を用いて行った。 The GLG was identified and the interlayer distance was measured using X-ray diffraction (Bruker D2 Phaser, CuKα).
また、GLG中に含まれる酸素の含有量は、元素分析(ThermoFischer Scientific製 Flash Smart)により決定した。 The oxygen content in the GLG was determined by elemental analysis (Flash Smart, manufactured by ThermoFischer Scientific).
-LiF-
市販のLiF(Nacalai Tesque株式会社製)を使用した。
-LiF-
Commercially available LiF (manufactured by Nacalai Tesque Co., Ltd.) was used.
-BLF-
BaF2(Apollo Science)とLaF3(関東化学)を7:93の割合で混合し、Φ1mmのジルコニアボール60gとともに、ジルコニアのカップ(45mL)に入れ、フリッチュ製premiumline P7によって500rpmで5分間ボールミルを行った後、5分休止のサイクルを72回繰り返すことでBLFを得た。
-BLF-
BaF 2 (Apollo Science) and LaF 3 (Kanto Chemical) were mixed in a ratio of 7:93, placed in a zirconia cup (45 mL) together with 60 g of 1 mm diameter zirconia balls, and ball milled at 500 rpm for 5 minutes using a Fritsch Premiumline P7. This cycle of 5 minutes of rest was repeated 72 times to obtain a BLF.
-PbSnF4-
PbF2及びSnF2をアルゴン下200℃で熱処理することにより、PbSnF4を調製した。
-PbSnF4-
PbSnF4 was prepared by heat treating PbF2 and SnF2 at 200 °C under argon.
[電池の製造]
大気下において、GLG、LiF及びBLFを質量比8:1:30で乳鉢に入れ、混合した。金型(直径20mm)に1.5gのPbSnF4、0.3gのBLFをこの順に入れた後、GLG、LiF及びBLFの混合物を入れ、圧力240MPaで10分間プレスすることにより3層ペレットを得た。この3層ペレットを、負極集電体としてのPb板を含むセル(有限会社日本トムセル製)に、Pb板がPbSnF4側に配置されるように装着した。
[Battery manufacturing]
GLG, LiF, and BLF were mixed in a mortar in a mass ratio of 8:1:30 under atmospheric pressure. 1.5 g of PbSnF4 and 0.3 g of BLF were placed in a mold (diameter 20 mm), in that order, and the mixture of GLG, LiF, and BLF was then added and pressed at a pressure of 240 MPa for 10 minutes to obtain a three-layer pellet. This three-layer pellet was installed in a cell (manufactured by Nippon Tomcell Co., Ltd.) containing a Pb plate as a negative electrode current collector, with the Pb plate positioned on the PbSnF4 side.
[充放電測定]
上記セルについて、ポテンショスタット/ガルバノスタット(北斗電工株式会社製)を用いて、75℃、3mV/分で、開回路電圧から2.6Vまで電圧走査した後、2.6Vで10時間保持して充電を行った。その後、放電時50μA、充電時100μAの定電流で充放電操作を行った。カットオフ電圧は下限0.0V、上限2.4Vとした。充放電曲線を図3に示す。
[Charge/discharge measurement]
The cell was charged using a potentiostat/galvanostat (Hokuto Denko Corporation) by voltage scanning from the open circuit voltage to 2.6 V at 75°C at 3 mV/min, followed by holding at 2.6 V for 10 hours. Charge and discharge operations were then performed at a constant current of 50 μA during discharge and 100 μA during charge. The cutoff voltage had a lower limit of 0.0 V and an upper limit of 2.4 V. The charge and discharge curves are shown in Figure 3.
<実施例2>
GLGの調製時における熱処理温度を400℃とし、充放電測定時のカットオフ電圧の上限を2.0Vとした以外は、実施例1と同様の条件及び手順で電池を作製し、充放電測定を行った。充放電曲線を図4に示す。
Example 2
A battery was fabricated and subjected to charge-discharge measurements under the same conditions and procedures as in Example 1, except that the heat treatment temperature during preparation of GLG was set to 400° C. and the upper limit of the cutoff voltage during charge-discharge measurements was set to 2.0 V. The charge-discharge curves are shown in FIG.
<実施例3>
GLGの調製時における熱処理温度を500℃とし、充放電測定時のカットオフ電圧の上限を2.0Vとした以外は、実施例1と同様の条件及び手順で電池を作製し、充放電測定を行った。充放電曲線を図5に示す。
Example 3
A battery was fabricated and subjected to charge-discharge measurements under the same conditions and procedures as in Example 1, except that the heat treatment temperature during preparation of GLG was set to 500° C. and the upper limit of the cutoff voltage during charge-discharge measurements was set to 2.0 V. The charge-discharge curves are shown in FIG.
<実施例4>
グラファイト5g、硝酸ナトリウム2.5g及び硫酸115mLの溶液に過マンガン酸カリウム30gを添加してグラファイトを酸化するHummers法により酸化グラファイトを得たとともに、充放電測定時のカットオフ電圧の上限を2.0Vとした以外は、実施例1と同様の条件及び手順で電池を作製し、充放電測定を行った。充放電曲線を図6に示す。
Example 4
Graphite oxide was obtained by the Hummers method, in which 30 g of potassium permanganate was added to a solution of 5 g of graphite, 2.5 g of sodium nitrate, and 115 mL of sulfuric acid to oxidize the graphite, and a battery was fabricated and subjected to charge-discharge measurements under the same conditions and procedures as in Example 1, except that the upper limit of the cutoff voltage during charge-discharge measurements was set to 2.0 V. The charge-discharge curves are shown in FIG.
<実施例5>
フッ化物触媒として、LiFに代えて、AgFを使用した以外は、実施例1と同様の条件及び手順で電池を作製し、充放電測定を行った。充放電曲線を図7に示す。
Example 5
A battery was fabricated under the same conditions and procedures as in Example 1, except that AgF was used as the fluoride catalyst instead of LiF, and charge/discharge measurements were carried out. The charge/discharge curves are shown in FIG.
<実施例6>
フッ化物触媒として、LiFに代えて、KHF2を使用した以外は、実施例1と同様の条件及び手順で電池を作製し、充放電測定を行った。充放電曲線を図8に示す。
Example 6
A battery was fabricated under the same conditions and procedures as in Example 1, except that KHF2 was used as the fluoride catalyst instead of LiF, and charge/discharge measurements were carried out. The charge/discharge curves are shown in Figure 8.
<実施例7>
炭素材料として、GLGに代えて、市販のアセチレンブラック(株式会社デンカ製)を使用した以外は、実施例1と同様の条件及び手順で電池を作製し、充放電測定を行った。充放電曲線を図9に示す。
Example 7
A battery was fabricated under the same conditions and procedures as in Example 1, except that commercially available acetylene black (manufactured by Denka Corporation) was used as the carbon material instead of GLG, and charge/discharge measurements were carried out. The charge/discharge curves are shown in FIG.
<実施例8>
炭素材料として、GLGに代えて、GLGの原料であるグラファイト粉末を使用した以外は、実施例1と同様の条件及び手順で電池を作製し、充放電測定を行った。充放電曲線を図10に示す。
Example 8
A battery was fabricated under the same conditions and procedures as in Example 1, except that graphite powder, which is a raw material for GLG, was used as the carbon material instead of GLG, and charge/discharge measurements were carried out. The charge/discharge curves are shown in FIG.
<実施例9>
炭素材料として、GLGに代えて、市販のハードカーボン(株式会社クレハ製)を使用した以外は、実施例1と同様の条件及び手順で電池を作製し、充放電測定を行った。充放電曲線を図11に示す。
Example 9
A battery was fabricated under the same conditions and procedures as in Example 1, except that commercially available hard carbon (manufactured by Kureha Corporation) was used as the carbon material instead of GLG, and charge/discharge measurements were carried out. The charge/discharge curves are shown in FIG.
<比較例1>
フッ化物触媒であるLiFを添加しなかった以外は、実施例1と同様の条件及び手順で電池を作製し、充放電測定を行った。充放電曲線を図12に示す。
<Comparative Example 1>
A battery was fabricated under the same conditions and procedures as in Example 1, except that the fluoride catalyst LiF was not added, and charge/discharge measurements were carried out. The charge/discharge curves are shown in FIG.
<充放電特性>
図12に示すように、フッ化物触媒であるLiFを添加していない比較例1のセルでは、充放電操作を行っても、容量はほとんどゼロであった。
<Charge/discharge characteristics>
As shown in FIG. 12, in the cell of Comparative Example 1 in which no fluoride catalyst LiF was added, the capacity was almost zero even after charge and discharge operations.
一方、図3に示すように、フッ化物触媒であるLiFを添加した実施例1のセルでは、1サイクル目の放電時の電圧は0.9V付近から緩やかに低下し始め、0.6V付近からやや急速に低下して、放電容量は93.3mAh/gに達した。一方、充電時には、0.8V付近から電圧がなだらかに上昇し、1.7V以上で急激に上昇した。このときの充電容量は170mAh/gであった。2サイクル目以降では、放電曲線は1サイクル目とほぼ同様で、10サイクル目においても放電容量は90.7mAh/gであり、初期容量の97.2%を維持していた。また、充電初期の電圧は少し低下し、1.5V以上の容量がサイクル毎に徐々に減少した。 On the other hand, as shown in Figure 3, in the cell of Example 1, which contained the fluoride catalyst LiF, the voltage during discharge in the first cycle began to decrease gradually from around 0.9 V, then decreased somewhat more rapidly from around 0.6 V, and the discharge capacity reached 93.3 mAh/g. Meanwhile, during charge, the voltage increased gradually from around 0.8 V and then increased sharply above 1.7 V. The charge capacity at this point was 170 mAh/g. From the second cycle onwards, the discharge curve was almost the same as that of the first cycle, and even at the 10th cycle, the discharge capacity was 90.7 mAh/g, maintaining 97.2% of the initial capacity. Furthermore, the voltage decreased slightly at the beginning of charge, and the capacity above 1.5 V gradually decreased with each cycle.
比較例1及び実施例1の結果を比較すると、正極活物質としてGLGを単独で用いた場合ではGLGへのフッ化物イオンの挿入は困難であるが、GLGにフッ化物触媒(LiF)を添加することにより、フッ化物イオンのGLGへの挿入が可能となることが判った。これは、以下のメカニズムによると考えられる。すなわち、比較例1のGLG単独の場合、充電操作を行うと、GLG表面の炭素原子とフッ化物イオンとの間で強固なC-F結合が形成される。そして、GLG表面にフッ化物絶縁層が形成され、フッ化物イオンのGLGの層間への挿入が抑制されると考えられる。一方、実施例1のGLGにLiFを添加した場合には、GLGの炭素原子とLiFのリチウムイオンとの間でフッ化物イオンを取り合うような形となり、GLG表面の炭素原子とフッ化物イオンとの間で強固なC-F結合が形成されることが抑制される。そして、GLG表面におけるフッ化物絶縁層の形成が抑制され、GLG内部の層間にフッ化物イオンが挿入されると考えられる。 Comparing the results of Comparative Example 1 and Example 1, it was found that when GLG was used alone as the positive electrode active material, it was difficult to insert fluoride ions into GLG. However, adding a fluoride catalyst (LiF) to GLG made it possible to insert fluoride ions into GLG. This is believed to be due to the following mechanism. Specifically, when GLG alone in Comparative Example 1 was used, charging caused strong C-F bonds to form between the carbon atoms on the GLG surface and the fluoride ions. This formed a fluoride insulating layer on the GLG surface, which is thought to inhibit the insertion of fluoride ions between the GLG layers. On the other hand, when LiF was added to GLG in Example 1, the carbon atoms of GLG and the lithium ions of LiF competed for fluoride ions, inhibiting the formation of strong C-F bonds between the carbon atoms on the GLG surface and the fluoride ions. It is believed that this suppresses the formation of a fluoride insulating layer on the surface of the GLG, and allows fluoride ions to be inserted between the layers inside the GLG.
また、実施例2~4では、表1に示すように、GLGの酸素含有量が実施例1と異なっている。実施例2~4では、図4~図6に示すように、実施例1の図3と同様の充放電曲線が得られた。なお、GLGの酸素含有量は、実施例3、実施例2、実施例1及び実施例4の順に多くなるが、図3~図6に示すように、GLGの酸素含有量が大きくなるに従って、容量も大きくなる傾向があることが判った。 In addition, as shown in Table 1, the oxygen content of the GLG in Examples 2 to 4 differs from that in Example 1. As shown in Figures 4 to 6, charge/discharge curves similar to those in Figure 3 for Example 1 were obtained in Examples 2 to 4. The oxygen content of the GLG increased in the order of Example 3, Example 2, Example 1, and Example 4, and as shown in Figures 3 to 6, it was found that the capacity tended to increase as the oxygen content of the GLG increased.
実施例5、6は、実施例1とはフッ化物触媒が異なるが、図7及び図8に示すように、フッ化物触媒として、LiFに代えて、AgF(実施例5)又はKHF2(実施例6)を使用した場合にも、実施例1の図3と同様の充放電曲線が得られた。なお、実施例5、6のいずれも1サイクル目の放電容量は小さいが、2サイクル目以降は、放電容量が増加し、比較的サイクル特性も良好であることが判った。 Although Examples 5 and 6 differ from Example 1 in the fluoride catalyst, when AgF (Example 5) or KHF 2 (Example 6) was used as the fluoride catalyst instead of LiF, charge-discharge curves similar to those in Figure 3 of Example 1 were obtained, as shown in Figures 7 and 8. Note that in both Examples 5 and 6, the discharge capacity at the first cycle was small, but the discharge capacity increased from the second cycle onwards, and the cycle characteristics were found to be relatively good.
実施例7は、炭素材料としてアセチレンブラックを用いた場合である。図9に示すように、1サイクル目の放電容量は30mAh/gであり小さかったが、充電時には0.5V及び1.6Vに長いプラトーが見られ、その後電圧が急上昇した。そして、2サイクル目の放電はできなかった。実施例7の結果から、アセチレンブラックを炭素材料とした場合にも、フッ化物触媒を添加することにより、充放電可能であることが示された。なお、実施例7の実験条件では、サイクル特性は不十分であったが、実験条件を調整することにより、サイクル特性についても改善の余地があると考えられる。 In Example 7, acetylene black was used as the carbon material. As shown in Figure 9, the discharge capacity in the first cycle was small at 30 mAh/g, but long plateaus were observed at 0.5 V and 1.6 V during charging, followed by a sharp rise in voltage. Discharging in the second cycle was not possible. The results of Example 7 demonstrate that even when acetylene black is used as the carbon material, charge and discharge are possible by adding a fluoride catalyst. Note that, although the cycle characteristics were insufficient under the experimental conditions in Example 7, there is thought to be room for improvement in the cycle characteristics by adjusting the experimental conditions.
実施例8、9は、炭素材料としてそれぞれグラファイト及びハードカーボンを使用した場合である。図10及び図11に示すように、グラファイト(実施例8)又はハードカーボン(実施例9)を使用した場合も、フッ化物触媒を添加することにより、充放電可能であることが示された。サイクル特性についても、実施例7と同様に、実験条件を調整することにより、改善の余地があると考えられる。 Examples 8 and 9 use graphite and hard carbon, respectively, as the carbon material. As shown in Figures 10 and 11, when graphite (Example 8) or hard carbon (Example 9) is used, charge and discharge are possible by adding a fluoride catalyst. As with Example 7, there is likely room for improvement in cycle characteristics by adjusting the experimental conditions.
本開示は、より高電圧、高容量及び高サイクル特性を示し得るとともに、容易且つ低コストで製造可能な全固体型フッ化物イオンシャトル電池用正極材料、その製造方法、及び、当該正極材料を用いた全固体型フッ化物イオンシャトル電池を提供することができるので、極めて有用である。 This disclosure is extremely useful because it provides a positive electrode material for an all-solid-state fluoride ion shuttle battery that can exhibit higher voltage, higher capacity, and higher cycle characteristics and can be manufactured easily and at low cost, a manufacturing method for the same, and an all-solid-state fluoride ion shuttle battery that uses the positive electrode material.
10 全固体型フッ化物イオンシャトル電池
11 負極集電体(負極)
12 負極活物質層(負極)
13 固体電解質層(固体電解質)
14 正極活物質層(正極材料、正極)
15 正極集電体(正極)
20 グラフェンライクグラファイト(層状化合物)
21 炭素原子
22 酸素原子
23 孔
10 All-solid-state fluoride ion shuttle battery 11 Negative electrode current collector (negative electrode)
12 Negative electrode active material layer (negative electrode)
13 Solid electrolyte layer (solid electrolyte)
14 Positive electrode active material layer (positive electrode material, positive electrode)
15 Positive electrode current collector (positive electrode)
20. Graphene-like graphite (layered compound)
21 Carbon atom 22 Oxygen atom 23 Hole
Claims (9)
前記正極材料に含まれる正極活物質は、ステージ1型のフッ素-グラファイト層間化合物よりもフッ素の含有量が低い炭素材料と、金属フッ化物及びHFの少なくとも一方であるフッ化物触媒と、よりなる
ことを特徴とする、正極材料。 A cathode material for use in an all-solid-state fluoride ion shuttle battery, comprising:
The positive electrode material is characterized in that the positive electrode active material contained therein comprises a carbon material having a lower fluorine content than a stage 1 type fluorine-graphite intercalation compound, and a fluoride catalyst which is at least one of a metal fluoride and HF.
ことを特徴とする、請求項1に記載の正極材料。 2. The positive electrode material according to claim 1, wherein the positive electrode material is a mixture containing the positive electrode active material and a solid electrolyte.
前記合剤に含まれる前記フッ化物触媒の含有量は、1質量%以上5質量%以下である
ことを特徴とする、請求項2に記載の正極材料。 the content of the carbon material contained in the mixture is 10% by mass or more and 50% by mass or less,
The cathode material according to claim 2 , wherein the content of the fluoride catalyst contained in the mixture is 1% by mass or more and 5% by mass or less.
ことを特徴とする、請求項1~3のいずれか1項に記載の正極材料。 The positive electrode material according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the metal fluoride is at least one selected from the group consisting of LiF, AgF, AlF 3 , CuF 2 , KF, KHF 2 and CaF 2 .
ことを特徴とする、請求項1~4のいずれか1項に記載の正極材料。 The positive electrode material according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the carbon material contains a layered compound having, as constituent elements, carbon atoms and oxygen atoms covalently bonded to the carbon atoms.
ことを特徴とする、請求項5に記載の正極材料。 The positive electrode material according to claim 5 , wherein the interlayer distance of the layered compound is greater than the interlayer distance of graphite.
前記炭素材料を準備する準備工程と、
前記炭素材料と、前記フッ化物触媒とを混合して、前記正極活物質を得る混合工程と、を備えた
ことを特徴とする、正極材料の製造方法。 A method for producing the positive electrode material according to any one of claims 1 to 6,
a preparation step of preparing the carbon material;
a mixing step of mixing the carbon material with the fluoride catalyst to obtain the positive electrode active material.
前記準備工程において、グラファイト粉末を酸化後に熱処理を施して前記層状化合物を得る
ことを特徴とする、請求項7に記載の正極材料の製造方法。 the carbon material is a layered compound containing carbon atoms and oxygen atoms covalently bonded to the carbon atoms as constituent elements,
8. The method for producing a positive electrode material according to claim 7, wherein in the preparation step, graphite powder is oxidized and then heat-treated to obtain the layered compound.
前記正極は、請求項1~6のいずれか1つに記載された正極材料を含む
ことを特徴とする、全固体型フッ化物イオンシャトル電池。 a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte disposed between the positive electrode and the negative electrode;
An all-solid-state fluoride ion shuttle battery, characterized in that the positive electrode comprises the positive electrode material according to any one of claims 1 to 6.
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