JP7798618B2 - secondary battery - Google Patents
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Description
本願は二次電池を開示する。 This application discloses a secondary battery.
特許文献1には、二次電池の正極活物質として、Li0.1K0.2NiO1.9・0.7H2Oで表されるニッケル含有酸化物が開示されている。特許文献2には、二次電池の正極活物質として、AxNi1-zMzO2で表されるニッケル含有層状酸化物が開示されている。特許文献3には、二次電池の正極活物質として、AxNi1-zMzO2・nH2Oで表されるニッケル含有層状酸化物が開示されている。また、特許文献1~3には、上記の正極活物質と組み合わされる電解液として、リチウムイオンを含む非水電解液(カーボネート系溶媒にLiPF6を溶解させたもの)や、ナトリウムイオンを含む水溶液(塩化ナトリウム水溶液)が開示されている。一方で、特許文献4には、水系カリウムイオン電池に用いられる電解液として、水と水に溶解されたピロリン酸カリウムとを含む水系電解液が開示されている。 Patent Document 1 discloses a nickel -containing oxide represented by Li0.1K0.2NiO1.9.0.7H2O as a positive electrode active material for a secondary battery. Patent Document 2 discloses a nickel-containing layered oxide represented by AxNi1 - zMzO2 as a positive electrode active material for a secondary battery. Patent Document 3 discloses a nickel-containing layered oxide represented by AxNi1 -zMzO2.nH2O as a positive electrode active material for a secondary battery. Furthermore, Patent Documents 1 to 3 disclose, as electrolytes to be combined with the above-mentioned positive electrode active materials, nonaqueous electrolytes containing lithium ions ( LiPF6 dissolved in a carbonate -based solvent) and aqueous solutions containing sodium ions (sodium chloride aqueous solution). Meanwhile, Patent Document 4 discloses an aqueous electrolyte containing water and potassium pyrophosphate dissolved in water as an electrolyte for use in an aqueous potassium ion battery.
二次電池の電解液として、非水溶媒にカリウム化合物が溶解された非水電解液を採用した場合、反応性の高い金属カリウムが析出し易いという問題がある。この問題を回避するためには、二次電池において、上記の非水電解液に替えて、水にカリウム化合物が溶解された水系電解液を採用することがあり得る。しかしながら、従来においては、非水系及び水系を問わず、水酸化物以外のカリウム化合物が溶解された電解液において充放電できる正極活物質がほとんど知られておらず、二次電池の設計の自由度が低いという問題がある。この点、水酸化物以外のカリウム化合物が溶解された電解液と正極活物質との組み合わせであって、正極活物質の充放電が可能な新たな組み合わせが求められている。 When a non-aqueous electrolyte solution in which a potassium compound is dissolved in a non-aqueous solvent is used as the electrolyte for a secondary battery, there is a problem in that highly reactive metallic potassium is likely to precipitate. To avoid this problem, secondary batteries may use an aqueous electrolyte solution in which a potassium compound is dissolved in water instead of the non-aqueous electrolyte solution. However, until now, almost no positive electrode active materials have been known that can be charged and discharged in an electrolyte solution in which a potassium compound other than hydroxide is dissolved, whether non-aqueous or aqueous, resulting in a problem of limited flexibility in the design of secondary batteries. In this regard, there is a need for a new combination of an electrolyte solution in which a potassium compound other than hydroxide is dissolved and a positive electrode active material that allows the positive electrode active material to be charged and discharged.
本願は上記課題を解決するための手段の一つとして、
二次電池であって、正極活物質と水系電解液とを有し、
前記正極活物質が、AxKyNi1-zMzO2±δ・nH2Oで表される層状酸化物を含み、
前記Aが、Li、Na、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc及びYからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素であり、
前記Mが、遷移金属元素、2A族元素、3A族元素、2B族元素及び3B族元素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素であり、
0≦x<0.5、0<y≦0.5、0≦z≦0.5、0<n≦2、且つ、(α・x)+y≦0.5なる関係が満たされ、前記αは前記Aの陽イオンの価数であり、
前記水系電解液が、水と前記水に溶解されたピロリン酸カリウムとを含む、
二次電池
を開示する。
As one of the means for solving the above problems, the present application provides:
A secondary battery having a positive electrode active material and an aqueous electrolyte solution,
the positive electrode active material contains a layered oxide represented by A x K y Ni 1-z M z O 2±δ ·nH 2 O;
A is at least one element selected from the group consisting of Li, Na, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, and Y,
M is at least one element selected from the group consisting of transition metal elements, Group 2A elements, Group 3A elements, Group 2B elements, and Group 3B elements;
the relationships 0≦x<0.5, 0<y≦0.5, 0≦z≦0.5, 0<n≦2, and (α x)+y≦0.5 are satisfied, and α is the valence of the cation A;
The aqueous electrolyte solution contains water and potassium pyrophosphate dissolved in the water.
A secondary battery is disclosed.
本開示の二次電池においては、前記ピロリン酸カリウムが、前記水1kgあたり2mol以上の濃度で前記水に溶解されていてもよい。 In the secondary battery disclosed herein, the potassium pyrophosphate may be dissolved in the water at a concentration of 2 mol or more per kg of water.
本開示の二次電池においては、前記ピロリン酸カリウムが、前記水1kgあたり5mol以上の濃度で前記水に溶解されていてもよい。 In the secondary battery disclosed herein, the potassium pyrophosphate may be dissolved in the water at a concentration of 5 mol or more per kg of water.
本開示の二次電池においては、水系電解液が用いられており、反応性の高い金属カリウムが析出し難い。また、本開示の二次電池においては、正極活物質としての所定の層状酸化物と、ピロリン酸カリウムが溶解された水系電解液とが組み合わされており、この組み合わせによって正極活物質の充放電が可能となる。 The secondary battery disclosed herein uses an aqueous electrolyte solution, which makes it difficult for highly reactive metallic potassium to precipitate. Furthermore, the secondary battery disclosed herein combines a specific layered oxide as the positive electrode active material with an aqueous electrolyte solution in which potassium pyrophosphate is dissolved, and this combination enables the positive electrode active material to be charged and discharged.
1.二次電池
本開示の二次電池は、正極活物質と水系電解液とを有する。前記正極活物質は、AxKyNi1-zMzO2±δ・nH2Oで表される層状酸化物を含む。ここで、前記Aは、Li、Na、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc及びYからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素であり、前記Mは、遷移金属元素、2A族元素、3A族元素、2B族元素及び3B族元素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素であり、0≦x<0.5、0<y≦0.5、0≦z≦0.5、0<n≦2、且つ、(α・x)+y≦0.5なる関係が満たされる。尚、前記αは前記Aの陽イオンの価数である。また、前記水系電解液は、水と前記水に溶解されたピロリン酸カリウムとを含む。
1. Secondary Battery The secondary battery of the present disclosure includes a positive electrode active material and an aqueous electrolyte. The positive electrode active material includes a layered oxide represented by AxKyNi1-zMzO2 ± δ · nH2O . Here, A is at least one element selected from the group consisting of Li, Na, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, and Y, and M is at least one element selected from the group consisting of transition metal elements, Group 2A elements, Group 3A elements, Group 2B elements, and Group 3B elements, and the relationships 0≦x<0.5, 0<y≦0.5, 0≦z≦0.5, 0<n≦2, and (α·x)+y≦0.5 are satisfied. The α is the valence of the cation of A. The aqueous electrolyte includes water and potassium pyrophosphate dissolved in the water.
1.1 正極活物質
本開示の二次電池は、正極活物質としての層状酸化物を有する。層状酸化物は、AxKyNi1-zMzO2±δ・nH2Oで表されるものである。層状酸化物は、Ni、M及びOを主体とする層間に、K及び任意にAと、H2Oとが存在するものといえる。
1.1 Positive Electrode Active Material The secondary battery of the present disclosure has a layered oxide as a positive electrode active material. The layered oxide is expressed as A x K y Ni 1-z M z O 2±δ ·nH 2 O. The layered oxide can be said to be composed of Ni, M, and O as the main components, with K, optionally A, and H 2 O present between layers.
1.1.1 元素A及びK
層状酸化物において、Aは、Li、Na、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc及びYからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素である。ただし、層状酸化物には、Aは必ずしも含まれていなくてもよい。一方で、層状酸化物には、Kが必須で含まれる。層状酸化物において、AやKは、Ni、M及びOを主体とする層間に存在し得るもので、酸素間に挟まれて陽イオン状態で存在し得る。層間にAやKが存在することで、層間距離が大きくなり、キャリアイオンを収容し易くなる。例えば、層間にKが存在することで、キャリアイオンとしてカリウムイオンが収容し易くなるものと考えられる。
1.1.1 Elements A and K
In the layered oxide, A is at least one element selected from the group consisting of Li, Na, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, and Y. However, the layered oxide does not necessarily contain A. On the other hand, the layered oxide must contain K. In the layered oxide, A and K can exist between layers mainly composed of Ni, M, and O, and can exist in a cationic state sandwiched between oxygen atoms. The presence of A and K between layers increases the interlayer distance, making it easier to accommodate carrier ions. For example, it is thought that the presence of K between layers makes it easier to accommodate potassium ions as carrier ions.
層状酸化物の層間にAやKが陽イオンとして存在することで、層間の水を安定させて構造を保つことが容易となる。ここで、層状酸化物においては、Aの陽イオンの価数をαとした場合、後述するように(α・x)+y≦0.5なる関係が満たされる必要があるところ、(α・x)ができるだけ小さいほうが、上記の関係が満たされ易くなる。例えば、Aの陽イオン価数が1又は2である場合に、α・xの値を小さくし易い。この点、Aは、Li、Na、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr及びBaからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素であってもよく、Li、Na、Rb及びCsからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素であってもよい。 The presence of A or K as a cation between layers of a layered oxide stabilizes the water between the layers, making it easier to maintain the structure. Here, in a layered oxide, when the valence of the cation A is α, the relationship (α x) + y ≦ 0.5 must be satisfied, as described below. The smaller (α x) is, the more likely this relationship is satisfied. For example, when the cation valence of A is 1 or 2, it is easier to reduce the value of α x. In this regard, A may be at least one element selected from the group consisting of Li, Na, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, and Ba, or at least one element selected from the group consisting of Li, Na, Rb, and Cs.
1.1.2 Ni及び元素M
層状酸化物においてNiは2~4価の価数を採り得る。本開示の二次電池においては、層状酸化物におけるNiの価数が変化することで、キャリアイオンが吸蔵又は放出されて、正極活物質としての機能が発揮されるものと考えられる。ここで、層状酸化物においては、Niの一部がMによって置換されていてもよい。Niの一部がMで置換されることで、可逆性や熱安定性や保存性の向上等が期待できる。ただし、層状酸化物においては、Mは必ずしも含まれていなくてもよい。Mは、遷移金属元素、2A族元素、3A族元素、2B族元素及び3B族元素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素である。Mは、Niのイオン半径に近いイオン半径を有するものであってもよく、例えば、Al、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co及びGaからなる群より選ばれる少なくとも1種以上の元素であってもよい。
1.1.2 Ni and element M
In the layered oxide, Ni can have a valence of 2 to 4. It is believed that in the secondary battery of the present disclosure, a change in the valence of Ni in the layered oxide causes carrier ions to be absorbed or released, thereby functioning as a positive electrode active material. Here, in the layered oxide, a portion of Ni may be substituted with M. By substituting a portion of Ni with M, improvements in reversibility, thermal stability, and storage stability can be expected. However, M does not necessarily need to be contained in the layered oxide. M is at least one element selected from the group consisting of transition metal elements, Group 2A elements, Group 3A elements, Group 2B elements, and Group 3B elements. M may have an ionic radius close to the ionic radius of Ni, and may be, for example, at least one element selected from the group consisting of Al, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, and Ga.
1.1.3 H2O
層状酸化物の層間には水が存在し得る。上記の通り、層間に陽イオンとしてのAやKが存在することで、層間における水が一層安定して存在できるものと考えられる。また、本開示の二次電池においては、電解液として後述の水系電解液が採用され、これに起因して層状酸化物の層間から水が離脱し難く、正極活物質の充放電中や充放電後においても、層間に水が保持され易いものと考えられる。層間に水が存在することによって層間距離がさらに大きくなり、キャリアイオンを収容可能な空間がさらに大きくなるものと考えられる。
1.1.3 H2O
Water may exist between the layers of the layered oxide. As described above, the presence of A or K as cations between the layers is thought to enable the water to exist more stably between the layers. Furthermore, in the secondary battery of the present disclosure, an aqueous electrolyte solution, which will be described later, is used as the electrolyte solution. This makes it difficult for water to escape from between the layers of the layered oxide, and it is thought that water is easily retained between the layers during and after charge/discharge of the positive electrode active material. The presence of water between the layers is thought to further increase the interlayer distance, further increasing the space available for accommodating carrier ions.
1.1.4 組成比
層状酸化物の化学組成における組成比x、y及びzについては、0≦x<0.5、0<y≦0.5、0≦z≦0.5、0<n≦2、且つ、(α・x)+y≦0.5なる関係が満たされるものであればよい。ここで、αはAの陽イオンの価数である。また、酸素の組成比については2に限定されず、ある程度の変動が許容される。例えば、δは0.5、0.3又は0.1であってもよい。
1.1.4 Composition Ratio The composition ratios x, y, and z in the chemical composition of the layered oxide may satisfy the relationships 0≦x<0.5, 0<y≦0.5, 0≦z≦0.5, 0<n≦2, and (α x) + y≦0.5. Here, α is the valence of the cation A. Furthermore, the oxygen composition ratio is not limited to 2 and some variation is allowed. For example, δ may be 0.5, 0.3, or 0.1.
層状酸化物においてAは任意元素であることから、xの下限は0である。xの上限は、yとの関係において(α・x)+y≦0.5なる関係が満たされればよく、自ずと0.5未満となる。xは0.4以下、0.3以下又は0.2以下であってもよい。 Since A is an optional element in layered oxides, the lower limit of x is 0. The upper limit of x is naturally less than 0.5 as long as the relationship between x and y satisfies (α x) + y ≦ 0.5. x may be 0.4 or less, 0.3 or less, or 0.2 or less.
層状酸化物においてKは必須で含まれることから、yの下限は0超である。yの上限は、xとの関係において(α・x)+y≦0.5なる関係が満たされればよく、自ずと0.5以下となる。yは0.4以下、0.3以下又は0.2以下であってもよい。 Since K is an essential element in layered oxides, the lower limit of y is greater than 0. The upper limit of y is naturally 0.5 or less, as long as the relationship between y and x satisfies (α x) + y ≦ 0.5. y may also be 0.4 or less, 0.3 or less, or 0.2 or less.
層状酸化物においてMは任意元素であることから、zの下限は0である。一方で、zが大き過ぎると、相対的にNiが少なくなり過ぎるため、十分な容量が確保され難くなる虞がある。この点、zの上限は0.5以下であり、0.4以下、0.3以下、0.2以下又は0.1以下であってもよい。 Since M is an optional element in the layered oxide, the lower limit of z is 0. On the other hand, if z is too large, the amount of Ni will be relatively too small, which may make it difficult to ensure sufficient capacity. In this regard, the upper limit of z is 0.5 or less, and may also be 0.4 or less, 0.3 or less, 0.2 or less, or 0.1 or less.
層状酸化物の層間に水がまったく存在しない場合、層間が狭くなり、キャリアイオンが収容され難くなる虞がある。この点、nの下限は0超であり、0.1以上、0.2以上、0.3以上、0.4以上、0.5以上、0.6以上又は0.7以上であってもよい。一方、層状酸化物の層間における水の量が多過ぎると、電池反応に関与しない部分が多くなり、エネルギー密度が低下する虞がある。この点、nの上限は2.0以下であり、1.8以下、1.6以下、1.4以下、1.2以下又は1.0以下であってもよい。 If no water is present between the layers of the layered oxide, the spacing between the layers may become narrow, making it difficult to accommodate carrier ions. In this regard, the lower limit of n is greater than 0, and may be 0.1 or greater, 0.2 or greater, 0.3 or greater, 0.4 or greater, 0.5 or greater, 0.6 or greater, or 0.7 or greater. On the other hand, if the amount of water between the layers of the layered oxide is too great, many portions will not participate in the battery reaction, and the energy density may decrease. In this regard, the upper limit of n is 2.0 or less, and may be 1.8 or less, 1.6 or less, 1.4 or less, 1.2 or less, or 1.0 or less.
層状酸化物においてAやKが過剰に含まれる場合、すなわち、(α・x)+yが過度に大きい場合、層状酸化物におけるNiの価数が小さくなり、十分な容量が得られなくなる虞があり、また、層状構造を維持できなくなる虞もある。(α・x)+yが0.5以下であることで、上記の問題が回避され易くなる。(α・x)+yは0.4以下、0.3以下又は0.2以下であってもよい。 If the layered oxide contains excessive amounts of A or K, i.e., if (α x) + y is excessively large, the valence of Ni in the layered oxide will be small, which may result in insufficient capacity and may also make it impossible to maintain the layered structure. By keeping (α x) + y at 0.5 or less, the above problems can be easily avoided. (α x) + y may be 0.4 or less, 0.3 or less, or 0.2 or less.
1.1.5 形状
層状酸化物の形状は、電池の正極活物質として一般的な形状であればよい。層状酸化物は、例えば、粒子状であってもよい。この場合の粒子径は特に限定されず、電池の設計に応じて適切な大きさが選択されればよい。層状酸化物は、その一次粒子径が1nm以上、5nm以上、10nm以上又は50nm以上であってもよく、500μm以下、100μm以下、50μm以下、30μm以下又は10μm以下であってもよい。また、層状酸化物は1次粒子同士が集合して2次粒子を形成していてもよい。この場合、2次粒子の粒子径は、特に限定されるものではないが、例えば、100nm以上、500nm以上又は1μm以上であってよく、1000μm以下、500μm以下、100μm以下、50μm以下、30μm以下又は20μm以下であってもよい。
1.1.5 Shape The shape of the layered oxide may be any shape commonly used as a positive electrode active material for a battery. The layered oxide may be, for example, particulate. In this case, the particle size is not particularly limited, and an appropriate size may be selected depending on the battery design. The layered oxide may have a primary particle size of 1 nm or more, 5 nm or more, 10 nm or more, or 50 nm or more, and may be 500 μm or less, 100 μm or less, 50 μm or less, 30 μm or less, or 10 μm or less. Furthermore, the layered oxide may be formed by aggregation of primary particles to form secondary particles. In this case, the particle size of the secondary particles is not particularly limited, but may be, for example, 100 nm or more, 500 nm or more, or 1 μm or more, and may be 1000 μm or less, 500 μm or less, 100 μm or less, 50 μm or less, 30 μm or less, or 20 μm or less.
1.1.6 その他の正極活物質
本開示の二次電池は、目的に応じて、上記の層状酸化物とともに、その他の正極活物質を有していてもよい。本開示の二次電池においては、正極活物質の全体を基準(100質量%)として、上記の層状酸化物が、50質量%以上、60質量%以上、70質量%以上、80質量%以上、90質量%以上又は95質量%以上を占めていてもよい。
1.1.6 Other Positive Electrode Active Materials The secondary battery of the present disclosure may contain other positive electrode active materials in addition to the layered oxides described above, depending on the purpose. In the secondary battery of the present disclosure, the layered oxides may account for 50% by mass or more, 60% by mass or more, 70% by mass or more, 80% by mass or more, 90% by mass or more, or 95% by mass or more of the total positive electrode active material (100% by mass).
1.2 水系電解液
本開示の二次電池において、水系電解液は、水と水に溶解されたピロリン酸カリウムとを含む。
1.2 Aqueous Electrolyte In the secondary battery of the present disclosure, the aqueous electrolyte contains water and potassium pyrophosphate dissolved in the water.
1.2.1 溶媒
水系電解液は溶媒として水を含む。溶媒は主成分として水を含んでいる。すなわち、電解液を構成する溶媒の全量を基準(100mol%)として、50mol%以上、70mol%以上、90mol%以上又は95mol%以上を水が占めている。一方、溶媒に占める水の割合の上限は特に限定されない。溶媒は水のみからなっていてもよい。
1.2.1 Solvent Aqueous electrolytes contain water as a solvent. The solvent contains water as a main component. That is, based on the total amount of the solvent constituting the electrolyte (100 mol%), water accounts for 50 mol% or more, 70 mol% or more, 90 mol% or more, or 95 mol% or more. On the other hand, there is no particular upper limit on the proportion of water in the solvent. The solvent may consist of only water.
溶媒は、水に加えて水以外の溶媒を含んでいてもよい。水以外の溶媒によって、例えば、活物質の表面にSEI(Solid Electrolyte Interphase)が形成される場合がある。水以外の溶媒としては、例えば、エーテル類、カーボネート類、ニトリル類、アルコール類、ケトン類、アミン類、アミド類、硫黄化合物類及び炭化水素類から選ばれる1種以上の有機溶媒が挙げられる。水以外の溶媒は、電解液を構成する溶媒の全量を基準(100mol%)として、50mol%以下、30mol%以下、10mol%以下又は5mol%以下を占めていてもよい。 The solvent may contain a solvent other than water in addition to water. For example, a solid electrolyte interphase (SEI) may be formed on the surface of the active material by the solvent other than water. Examples of the solvent other than water include one or more organic solvents selected from ethers, carbonates, nitriles, alcohols, ketones, amines, amides, sulfur compounds, and hydrocarbons. The solvent other than water may account for 50 mol% or less, 30 mol% or less, 10 mol% or less, or 5 mol% or less, based on the total amount of solvents constituting the electrolyte (100 mol%).
1.2.2 電解質
水系電解液には、電解質として、ピロリン酸カリウムが溶解されている。ここで、「溶解されたピロリン酸カリウム」は、水系電解液において、カリウムイオンとピロリン酸イオンとに完全に電離していなくてもよい。すなわち、水系電解液において、「溶解されたピロリン酸カリウム」は、K+、P2O7
4-、KP2O7
3-、K2P2O7
2-、K3P2O7
-といったイオンや、これらイオンの会合体として存在していてもよい。また、水系電解液において、「溶解されたピロリン酸カリウム」は、カリウムとピロリン酸との塩(K4P2O7)に由来するもの(水にK4P2O7を添加して得られたもの)でなくともよい。例えば、水にカリウムイオン源(KOHやCH3COOK等)とピロリン酸イオン源(H4P2O7等)とを別々に添加して溶解し、その結果として水中に上記のイオンや会合体が形成されたものも、上記の水系電解液に含まれる。
1.2.2 Electrolyte The aqueous electrolyte contains dissolved potassium pyrophosphate as an electrolyte. The "dissolved potassium pyrophosphate" does not have to be completely ionized into potassium ions and pyrophosphate ions in the aqueous electrolyte. That is, the "dissolved potassium pyrophosphate" may exist in the form of ions such as K + , P 2 O 7 4− , KP 2 O 7 3− , K 2 P 2 O 7 2− , or K 3 P 2 O 7 − , or as an association of these ions. Furthermore, the "dissolved potassium pyrophosphate" in the aqueous electrolyte does not have to be derived from a salt of potassium and pyrophosphate (K 4 P 2 O 7 ) (obtained by adding K 4 P 2 O 7 to water). For example, a solution obtained by separately adding and dissolving a potassium ion source (such as KOH or CH3COOK ) and a pyrophosphate ion source (such as H4P2O7 ) in water, resulting in the formation of the above ions and associated complexes in the water, is also included in the above aqueous electrolyte solution.
水系電解液におけるピロリン酸カリウムの濃度は、特に限定されるものではなく、目的とする電池の性能に応じて適宜選択されればよい。水系電解液においては、ピロリン酸カリウムが、水1kgあたり2mol以上又は5mol以上の濃度で水に溶解されていてもよい。本発明者の新たな知見によれば、水系電解液におけるピロリン酸カリウムの濃度が高くなるほど、正極活物質の充放電時のヒステリシスが小さくなり、二次電池として高い性能が得られ易い。また、水系電解液におけるピロリン酸カリウムの濃度が高くなるほど、過電圧が低くなり、良好な充放電プラトーが発現され易い。さらに、水系電解液におけるピロリン酸カリウムの濃度が高くなるほど、ピロリン酸イオンとカリウムイオンとが近接して会合体を形成し易いものと考えられる。そのため、例えば二次電池の充電時にピロリン酸イオンがカリウムイオンに引き摺られるようにして負極側に移動し易いものと考えられる。負極に到達したピロリン酸イオンは、負極の表面の高仕事関数部位において分解し、負極表面に被膜が形成されるものと考えられ、結果として、水系電解液と負極の表面の高仕事関数部位との直接接触が抑制され、水系電解液の電気分解が抑制され易い。 The concentration of potassium pyrophosphate in the aqueous electrolyte is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the desired battery performance. In the aqueous electrolyte, potassium pyrophosphate may be dissolved in water at a concentration of 2 mol or more or 5 mol or more per kg of water. According to the inventor's new findings, the higher the potassium pyrophosphate concentration in the aqueous electrolyte, the smaller the hysteresis during charge and discharge of the positive electrode active material, making it easier to achieve high performance as a secondary battery. Furthermore, the higher the potassium pyrophosphate concentration in the aqueous electrolyte, the lower the overvoltage and the more likely a favorable charge and discharge plateau is to be achieved. Furthermore, the higher the potassium pyrophosphate concentration in the aqueous electrolyte, the more likely it is that pyrophosphate ions and potassium ions will come into close proximity to form an association complex. Therefore, for example, during charging of the secondary battery, pyrophosphate ions are likely to migrate toward the negative electrode, dragged by potassium ions. It is believed that pyrophosphate ions that reach the negative electrode decompose at the high work function sites on the surface of the negative electrode, forming a coating on the surface of the negative electrode. As a result, direct contact between the aqueous electrolyte and the high work function sites on the surface of the negative electrode is suppressed, making it easier to suppress electrolysis of the aqueous electrolyte.
尚、水系電解液において「溶解されたピロリン酸カリウム」の濃度は以下のようにして特定することができる。例えば、元素分析やイオン分析によって水系電解液に含まれる元素やイオンを特定し、水系電解液におけるカリウムイオン濃度やピロリン酸イオン濃度等を特定し、特定したイオン濃度をピロリン酸カリウムの濃度に換算する。或いは、水系電解液から溶媒を除去し、固形分を化学的に分析して、ピロリン酸カリウムの濃度に換算する。 The concentration of "dissolved potassium pyrophosphate" in an aqueous electrolyte can be determined as follows. For example, the elements and ions contained in the aqueous electrolyte are identified by elemental analysis or ion analysis, the potassium ion concentration or pyrophosphate ion concentration in the aqueous electrolyte is determined, and the identified ion concentration is converted to the potassium pyrophosphate concentration. Alternatively, the solvent is removed from the aqueous electrolyte, the solid content is chemically analyzed, and the result is converted to the potassium pyrophosphate concentration.
水系電解液においては、電解液に含まれるカリウムイオンの全体が「溶解されたピロリン酸カリウム」として換算されなくてもよい。すなわち、水系電解液には、ピロリン酸カリウムとして換算可能な濃度よりも多くのカリウムイオンが含まれていてもよい。例えば、水系電解液を製造する際、水にピロリン酸カリウム源とともにピロリン酸カリウム源以外のカリウムイオン源(例えばKOHやCH3COOKやK3PO4等)を添加して溶解させた場合、水系電解液には、ピロリン酸カリウムとして換算可能な濃度よりも多くのカリウムイオンが含まれることとなる。 In an aqueous electrolyte, the entire amount of potassium ions contained in the electrolyte does not have to be calculated as "dissolved potassium pyrophosphate." That is, the aqueous electrolyte may contain more potassium ions than can be calculated as potassium pyrophosphate. For example, when producing an aqueous electrolyte, if a potassium ion source other than the potassium pyrophosphate source (e.g., KOH, CH3COOK , K3PO4 , etc. ) is added and dissolved in water together with the potassium pyrophosphate source, the aqueous electrolyte will contain more potassium ions than can be calculated as potassium pyrophosphate.
水系電解液には、カリウムイオン以外のカチオンが含まれていてもよい。例えば、カリウムイオン以外のアルカリ金属イオンや、アルカリ土類金属イオンや、遷移金属イオン等が含まれていてもよい。また、水系電解液には、ピロリン酸イオン(上記の通り、P2O7 4-のほか、KP2O7 3-、K2P2O7 2-、K3P2O7 -等、カチオンと結びついた状態で存在していてもよい)以外のアニオンが含まれていてもよい。例えば、後述するその他の電解質に由来するアニオン等が含まれていてもよい。 The aqueous electrolyte may contain cations other than potassium ions. For example, it may contain alkali metal ions other than potassium ions, alkaline earth metal ions, transition metal ions, etc. Furthermore, the aqueous electrolyte may contain anions other than pyrophosphate ions (which may exist in a state bound to a cation, such as P 2 O 7 4− , KP 2 O 7 3− , K 2 P 2 O 7 2− , K 3 P 2 O 7 − , etc., as described above). For example, it may contain anions derived from other electrolytes, as described below.
本開示の水系電解液には、その他の電解質が溶解されていてもよい。例えば、KPF6、KBF4、K2SO4、KNO3、CH3COOK、(CF3SO2)2NK、KCF3SO3、(FSO2)2NK、K2HPO4、KH2PO4等が溶解されていてもよい。その他の電解質は、電解液に溶解している電解質の全量を基準(100mol%)として、50mol%以下、30mol%以下、10mol%以下、5mol%以下又は1mol%以下を占めていてもよい。 The aqueous electrolyte solution of the present disclosure may contain other electrolytes dissolved therein. For example, KPF6 , KBF4 , K2SO4, KNO3 , CH3COOK , ( CF3SO2 ) 2NK , KCF3SO3 , ( FSO2 ) 2NK , K2HPO4 , KH2PO4 , etc. The other electrolytes may account for 50 mol% or less, 30 mol% or less , 10 mol% or less , 5 mol% or less, or 1 mol% or less of the total amount of electrolytes dissolved in the electrolyte solution (100 mol%).
1.2.3 その他の成分
水系電解液は、上記の溶媒や電解質の他、水系電解液のpHを調整するための酸や水酸化物等を含んでいてもよく、また、各種添加剤を含んでいてもよい。水系電解液のpHは、特に限定されるものではない。ただし、pHが高すぎると、水系電解液の酸化側電位窓が狭くなる虞がある。この点、水系電解液のpHは13以下又は12以下であってもよい。pHは3以上、4以上、5以上、6以上又は7以上であってもよい。
1.2.3 Other Components In addition to the above-mentioned solvents and electrolytes, the aqueous electrolyte may contain an acid, hydroxide, or the like to adjust the pH of the aqueous electrolyte, and may also contain various additives. The pH of the aqueous electrolyte is not particularly limited. However, if the pH is too high, the oxidation-side potential window of the aqueous electrolyte may be narrowed. In this regard, the pH of the aqueous electrolyte may be 13 or less or 12 or less. The pH may be 3 or more, 4 or more, 5 or more, 6 or more, or 7 or more.
1.3 その他の構成
本開示の二次電池は、上記の正極活物質及び水系電解液を有するものであればよく、その他の構成については特に限定されるものではない。本開示の二次電池は、上記の正極活物質が水系電解液に接触するように構成されればよい。図1は、一実施形態に係る二次電池100の構成を概略的に示している。図1に示されるように、二次電池100は、正極10と電解質層20と負極30とを備えるものであってもよい。また、正極10は、正極活物質層11と正極集電体12とを備えるものであってもよく、負極30は、負極活物質層31と負極集電体32とを備えるものであってもよい。この場合、正極活物質層11が上記の正極活物質を含み得る。また、正極10、電解質層20及び負極30が、ともに、上記の水系電解液を含み得る。
1.3 Other Configurations The secondary battery of the present disclosure may include the above-described positive electrode active material and aqueous electrolyte solution, and other configurations are not particularly limited. The secondary battery of the present disclosure may be configured so that the above-described positive electrode active material is in contact with the aqueous electrolyte solution. FIG. 1 schematically illustrates the configuration of a secondary battery 100 according to one embodiment. As illustrated in FIG. 1, the secondary battery 100 may include a positive electrode 10, an electrolyte layer 20, and an anode 30. Furthermore, the positive electrode 10 may include a positive electrode active material layer 11 and a positive electrode current collector 12, and the anode 30 may include an anode active material layer 31 and an anode current collector 32. In this case, the positive electrode active material layer 11 may include the above-described positive electrode active material. Furthermore, the positive electrode 10, the electrolyte layer 20, and the anode 30 may all include the above-described aqueous electrolyte solution.
1.3.1 正極
正極10は、上記の正極活物質や水系電解液を含むこと以外は、公知の構成を採り得る。例えば、正極10は、正極活物質層11と正極集電体12とを備えていてもよい。
1.3.1 Positive Electrode The positive electrode 10 may have a known configuration except for containing the above-described positive electrode active material and aqueous electrolyte solution. For example, the positive electrode 10 may include a positive electrode active material layer 11 and a positive electrode current collector 12.
正極活物質層11は、上記の正極活物質を含み、さらに、任意に導電助剤やバインダー等を含んでいてもよい。正極活物質層11の厚さは、特に限定されるものではないが、例えば、0.1μm以上又は1μm以上であってもよく、1mm以下又は100μm以下であってもよい。 The positive electrode active material layer 11 contains the above-mentioned positive electrode active material and may further contain, optionally, a conductive additive, a binder, etc. The thickness of the positive electrode active material layer 11 is not particularly limited, but may be, for example, 0.1 μm or more or 1 μm or more, or 1 mm or less or 100 μm or less.
正極活物質層11に含まれる正極活物質の種類等については上述した通りである。正極活物質層11に含まれる正極活物質の量は特に限定されるものではない。例えば、正極活物質層11全体を基準(100質量%)として、正極活物質が20質量%以上、40質量%以上、60質量%以上又は70質量%以上含まれていてもよく、99質量%以下、97質量%以下又は95質量%以下含まれていてもよい。 The type of positive electrode active material contained in the positive electrode active material layer 11 is as described above. The amount of positive electrode active material contained in the positive electrode active material layer 11 is not particularly limited. For example, based on the entire positive electrode active material layer 11 (100% by mass), the positive electrode active material may be contained in an amount of 20% by mass or more, 40% by mass or more, 60% by mass or more, or 70% by mass or more, or 99% by mass or less, 97% by mass or less, or 95% by mass or less.
正極活物質層11に任意に含まれる導電助剤は、二次電池において使用される導電助剤として公知のものをいずれも採用可能である。例えば、炭素材料が挙げられる。具体的には、ケッチェンブラック(KB)、気相法炭素繊維(VGCF)、アセチレンブラック(AB)、カーボンナノチューブ(CNT)、カーボンナノファイバー(CNF)、カーボンブラック、コークス、黒鉛等である。或いは、電池の使用時の環境に耐えることが可能な金属材料であってもよい。導電助剤は1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が組み合わされて用いられてもよい。導電助剤の形状は、粉末状、繊維状等、種々の形状が採用され得る。正極活物質層11に含まれる導電助剤の量は特に限定されるものではない。 The conductive additive optionally contained in the positive electrode active material layer 11 can be any of the conductive additives known to be used in secondary batteries. Examples include carbon materials. Specific examples include ketjen black (KB), vapor-grown carbon fiber (VGCF), acetylene black (AB), carbon nanotubes (CNT), carbon nanofibers (CNF), carbon black, coke, and graphite. Alternatively, the conductive additive may be a metal material capable of withstanding the environment in which the battery is used. A single conductive additive may be used alone, or two or more conductive additives may be used in combination. The conductive additive may take various forms, such as powder or fiber. There is no particular limitation on the amount of conductive additive contained in the positive electrode active material layer 11.
正極活物質層11に任意に含まれるバインダーは、二次電池において使用されるバインダーとして公知のものをいずれも採用可能である。例えば、スチレンブタジエンゴム(SBR)系バインダー、カルボキシメチルセルロース(CMC)系バインダー、アクリロニトリルブタジエンゴム(ABR)系バインダー、ブタジエンゴム(BR)系バインダー、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)系バインダー、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)系バインダー等である。バインダーは1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が組み合わされて用いられてもよい。正極活物質層11に含まれるバインダーの量は特に限定されるものではない。 The binder optionally contained in the positive electrode active material layer 11 can be any of the binders known to be used in secondary batteries. Examples include styrene butadiene rubber (SBR)-based binders, carboxymethyl cellulose (CMC)-based binders, acrylonitrile butadiene rubber (ABR)-based binders, butadiene rubber (BR)-based binders, polyvinylidene fluoride (PVDF)-based binders, and polytetrafluoroethylene (PTFE)-based binders. A single binder may be used alone, or two or more binders may be used in combination. There are no particular limitations on the amount of binder contained in the positive electrode active material layer 11.
正極集電体12は、二次電池の正極集電体として使用可能な公知の金属等によって構成されるものであってもよい。そのような金属としては、Cu、Ni、Al、V、Au、Pt、Mg、Fe、Ti、Pb、Co、Cr、Zn、Ge、In、Sn、Zrからなる群から選択される少なくとも1つの元素を含む金属材料が例示される。正極集電体12の形態は特に限定されるものではない。箔状、メッシュ状、多孔質状等、種々の形態を採り得る。基材の表面に上記金属を蒸着・めっきしたものであってもよい。 The positive electrode current collector 12 may be made of a known metal that can be used as a positive electrode current collector for a secondary battery. Examples of such metals include metallic materials containing at least one element selected from the group consisting of Cu, Ni, Al, V, Au, Pt, Mg, Fe, Ti, Pb, Co, Cr, Zn, Ge, In, Sn, and Zr. The shape of the positive electrode current collector 12 is not particularly limited. It can take various forms, such as foil, mesh, or porous. The above metal may also be vapor-deposited or plated onto the surface of a substrate.
1.3.2 電解質層
二次電池100においては、例えば、正極活物質層11と負極活物質層31との間に電解質層20が配置されていてもよい。電解質層20は、セパレータ及び上記の水系電解液によって構成され得る。セパレータとしては、二次電池(例えば、ニッケル水素電池、亜鉛空気電池等)において使用されるセパレータとして公知のものが採用され得る。例えば、セパレータは、セルロースを材料とした不織布等の親水性を有するものであってもよい。セパレータの厚みは特に限定されるものではなく、例えば、5μm以上1mm以下であってもよい。
1.3.2 Electrolyte Layer In the secondary battery 100, for example, an electrolyte layer 20 may be disposed between the positive electrode active material layer 11 and the negative electrode active material layer 31. The electrolyte layer 20 may be composed of a separator and the above-described aqueous electrolyte solution. As the separator, a separator known for use in secondary batteries (e.g., nickel-metal hydride batteries, zinc-air batteries, etc.) may be used. For example, the separator may be a hydrophilic material such as a nonwoven fabric made of cellulose. The thickness of the separator is not particularly limited and may be, for example, 5 μm or more and 1 mm or less.
1.3.3 負極
負極30は二次電池の負極として公知の構成を備えるものであってもよい。例えば、負極30は、負極活物質層31と負極集電体32とを備えていてもよい。
1.3.3 Negative Electrode The negative electrode 30 may have a known structure as a negative electrode for a secondary battery. For example, the negative electrode 30 may include a negative electrode active material layer 31 and a negative electrode current collector 32.
負極活物質層31は負極活物質を含む。また、負極活物質層31は負極活物質以外に導電助剤やバインダーを含んでいてもよい。負極活物質層31の厚さは、特に限定されるものではないが、例えば、0.1μm以上又は1μm以上であってもよく、1mm以下又は100μm以下であってもよい。 The negative electrode active material layer 31 contains a negative electrode active material. The negative electrode active material layer 31 may also contain a conductive additive or binder in addition to the negative electrode active material. The thickness of the negative electrode active material layer 31 is not particularly limited, but may be, for example, 0.1 μm or more or 1 μm or more, or 1 mm or less or 100 μm or less.
負極活物質層31に含まれる負極活物質は、上記の正極活物質よりもキャリアイオンの充放電電位が卑である活物質の中から、水系電解液の電位窓等を考慮して選定されればよい。例えば、カリウム-遷移金属複合酸化物;酸化チタン;Mo6S8等の金属硫化物;単体硫黄;KTi2(PO4)3;NASICON型化合物等である。負極活物質は1種のみが単独で用いられてもよく、2種以上が組み合わされて用いられてもよい。負極活物質の形状は、特に限定されるものではなく、例えば、粒子状であってもよい。この場合の粒子径は特に限定されず、電池の設計に応じて適切な大きさが選択されればよい。負極活物質は、その一次粒子径が1nm以上、5nm以上、10nm以上、50nm以上又は100nm以上であってもよく、500μm以下、100μm以下、50μm以下、30μm以下又は10μm以下であってもよい。また、負極活物質は1次粒子同士が集合して2次粒子を形成していてもよい。この場合、2次粒子の粒子径は、特に限定されるものではないが、例えば、100nm以上、500nm以上又は1μm以上であってよく、1000μm以下、500μm以下、100μm以下、50μm以下、30μm以下又は20μm以下であってもよい。負極活物質層31に含まれる負極活物質の量は特に限定されるものではない。例えば、負極活物質層31全体を基準(100質量%)として、負極活物質が20質量%以上、40質量%以上、60質量%以上又は70質量%以上含まれていてもよく、99質量%以下、97質量%以下又は95質量%以下含まれていてもよい。 The negative electrode active material contained in the negative electrode active material layer 31 may be selected from active materials whose carrier ions have a charge/discharge potential lower than that of the positive electrode active material, taking into consideration the potential window of the aqueous electrolyte. Examples include potassium-transition metal composite oxides; titanium oxide; metal sulfides such as Mo 6 S 8 ; elemental sulfur; KTi 2 (PO 4 ) 3 ; and NASICON-type compounds. Only one type of negative electrode active material may be used alone, or two or more types may be used in combination. The shape of the negative electrode active material is not particularly limited, and may be, for example, particulate. In this case, the particle size is not particularly limited, and an appropriate size may be selected depending on the battery design. The primary particle size of the negative electrode active material may be 1 nm or more, 5 nm or more, 10 nm or more, 50 nm or more, or 100 nm or more, or 500 μm or less, 100 μm or less, 50 μm or less, 30 μm or less, or 10 μm or less. Furthermore, the negative electrode active material may be formed by aggregation of primary particles to form secondary particles. In this case, the particle diameter of the secondary particles is not particularly limited, but may be, for example, 100 nm or more, 500 nm or more, or 1 μm or more, and may be 1000 μm or less, 500 μm or less, 100 μm or less, 50 μm or less, 30 μm or less, or 20 μm or less. The amount of the negative electrode active material contained in the negative electrode active material layer 31 is not particularly limited. For example, based on the entire negative electrode active material layer 31 (100 mass%), the negative electrode active material may be contained in an amount of 20 mass% or more, 40 mass% or more, 60 mass% or more, or 70 mass% or more, or 99 mass% or less, 97 mass% or less, or 95 mass% or less.
負極活物質層31に任意に含まれる導電助剤やバインダーの種類は特に限定されるものではなく、例えば、正極活物質層21に任意に含まれる導電助剤やバインダーとして例示されたものの中から適宜選択して用いることができる。負極活物質層31に含まれる導電助剤やバインダーの量は特に限定されるものではない。 The types of conductive additives and binders optionally contained in the negative electrode active material layer 31 are not particularly limited, and can be appropriately selected from, for example, the conductive additives and binders exemplified as being optionally contained in the positive electrode active material layer 21. The amounts of conductive additives and binders contained in the negative electrode active material layer 31 are not particularly limited.
負極集電体32は、二次電池の負極集電体として使用可能な公知の金属等によって構成されるものであってもよい。そのような金属としては、Cu、Ni、Al、V、Au、Pt、Mg、Fe、Ti、Pb、Co、Cr、Zn、Ge、In、Sn、Zrからなる群から選択される少なくとも1つの元素を含む金属材料が例示される。特に、水系電解液中での安定性等を考慮した場合、負極集電体32は、Al、Ti、Pb、Zn、Sn、Mg、Zr及びInからなる群より選ばれる少なくとも1つの元素を含んでいてもよく、Ti、Pb、Zn、Sn、Mg、Zr及びInからなる群より選ばれる少なくとも1つの元素を含んでいてもよく、Tiを含んでいてもよい。Al、Ti、Pb、Zn、Sn、Mg、Zr及びInはいずれも仕事関数が低く、水系電解液と接触したとしても水気電解液の電気分解が生じ難いものと考えられる。負極集電体32の形態は特に限定されるものではない。箔状、メッシュ状、多孔質状等、種々の形態とすることができる。基材の表面に上記の金属をめっき・蒸着したものであってもよい。 The negative electrode current collector 32 may be composed of a known metal that can be used as a negative electrode current collector in a secondary battery. Examples of such metals include metallic materials containing at least one element selected from the group consisting of Cu, Ni, Al, V, Au, Pt, Mg, Fe, Ti, Pb, Co, Cr, Zn, Ge, In, Sn, and Zr. In particular, considering stability in an aqueous electrolyte, the negative electrode current collector 32 may contain at least one element selected from the group consisting of Al, Ti, Pb, Zn, Sn, Mg, Zr, and In, or may contain at least one element selected from the group consisting of Ti, Pb, Zn, Sn, Mg, Zr, and In, or may contain Ti. Al, Ti, Pb, Zn, Sn, Mg, Zr, and In all have low work functions, and are therefore unlikely to cause electrolysis of the aqueous electrolyte even when in contact with the aqueous electrolyte. The form of the negative electrode current collector 32 is not particularly limited. It can be in various forms, such as foil, mesh, or porous. It may also be a substrate whose surface is plated or vapor-deposited with the above-mentioned metals.
負極集電体32の表面は炭素材料で被覆されていてもよい。すなわち、負極30が、負極集電体32と、負極集電体32の表面のうち水系電解液が配置される側の表面(負極集電体32と負極活物質層31との間)に設けられた被覆層とをさらに備え、当該被覆層が炭素材料を含んでいてもよい。炭素材料としてはケッチェンブラック(KB)、気相法炭素繊維(VGCF)、アセチレンブラック(AB)、カーボンナノチューブ(CNT)、カーボンナノファイバー(CNF)、カーボンブラック、コークス、黒鉛等が挙げられる。被覆層の厚みは特に限定されるものではない。また、被覆層は負極集電体32の表面の全面に設けられていてもよいし、一部に設けられていてもよい。被覆層には炭素材料同士及び炭素材料と負極集電体32とを結着するためのバインダーが含まれていてもよい。負極集電体32の表面に炭素材料を含む被覆層を設けた場合、水系電解液の還元側の耐電圧が向上し易い。炭素材料のエッジ部は高い反応活性を有することから、水系電解液に含まれるピロリン酸イオンの吸着及び分解が生じ易く、被膜が堆積し易いものと考えられる。よって、二次電池100において上記の水系電解液が用いられた場合に、炭素材料のエッジ部が不活性化され、エッジ部における水系電解液の電気分解を抑制することができ、結果として水系電解液の還元側電位窓が拡大するものと考えられる。 The surface of the negative electrode current collector 32 may be coated with a carbon material. That is, the negative electrode 30 may further include the negative electrode current collector 32 and a coating layer provided on the surface of the negative electrode current collector 32 on which the aqueous electrolyte is disposed (between the negative electrode current collector 32 and the negative electrode active material layer 31), and the coating layer may contain a carbon material. Examples of carbon materials include ketjen black (KB), vapor-grown carbon fiber (VGCF), acetylene black (AB), carbon nanotubes (CNT), carbon nanofibers (CNF), carbon black, coke, and graphite. The thickness of the coating layer is not particularly limited. Furthermore, the coating layer may be provided on the entire surface of the negative electrode current collector 32, or on only a portion of the surface. The coating layer may contain a binder for binding the carbon materials together and between the carbon material and the negative electrode current collector 32. When a coating layer containing a carbon material is provided on the surface of the negative electrode current collector 32, the withstand voltage on the reduction side of the aqueous electrolyte is likely to be improved. Because the edge portions of the carbon material have high reactivity, it is believed that they are prone to adsorption and decomposition of pyrophosphate ions contained in the aqueous electrolyte, and that a coating is likely to accumulate. Therefore, when the above-mentioned aqueous electrolyte is used in secondary battery 100, the edge portions of the carbon material are inactivated, suppressing electrolysis of the aqueous electrolyte at the edge portions, and as a result, it is believed that the reduction-side potential window of the aqueous electrolyte is expanded.
二次電池100は、上記の構成の他、端子や電池ケース等といった電池として自明の構成を備え得る。以上の構成を備える二次電池100は、例えば、正極集電体12の表面に乾式又は湿式にて正極活物質層11を形成して正極10を得ること、負極集電体32の表面に乾式又は湿式にて負極活物質層31を形成して負極30を得ること、及び、正極10と負極30との間にセパレータを配置し、これらを水系電解液に含浸させること等を得て製造することができる。 In addition to the above components, the secondary battery 100 may also include other obvious components of a battery, such as terminals and a battery case. A secondary battery 100 having the above components can be manufactured, for example, by forming a positive electrode active material layer 11 on the surface of a positive electrode current collector 12 by a dry or wet method to obtain a positive electrode 10, forming a negative electrode active material layer 31 on the surface of a negative electrode current collector 32 by a dry or wet method to obtain a negative electrode 30, and disposing a separator between the positive electrode 10 and the negative electrode 30 and impregnating them with an aqueous electrolyte solution.
2.正極活物質と水系電解液との組み合わせ
本開示の技術は、正極活物質と水系電解液との組み合わせであって、正極活物質の充放電が可能な新規の組み合わせとしての側面も有する。すなわち、本開示の組み合わせは、正極活物質と水系電解液とを有し、前記正極活物質が、AxKyNi1-zMzO2±δ・nH2Oで表される層状酸化物を含み、前記Aが、Li、Na、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc及びYからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素であり、前記Mが、遷移金属元素、2A族元素、3A族元素、2B族元素及び3B族元素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素であり、0≦x<0.5、0<y≦0.5、0≦z≦0.5、0<n≦2、且つ、(α・x)+y≦0.5なる関係が満たされ、前記αは前記Aの陽イオンの価数であり、前記水系電解液が、水と前記水に溶解されたピロリン酸カリウムとを含む。
2. Combination of Positive Electrode Active Material and Aqueous Electrolyte Solution The technology of the present disclosure is a combination of a positive electrode active material and an aqueous electrolyte solution, and also has an aspect of being a novel combination that enables charging and discharging of the positive electrode active material. That is, the combination disclosed herein includes a cathode active material and an aqueous electrolyte solution, wherein the cathode active material includes a layered oxide represented by AxKyNi1 -zMzO2 ± δ · nH2O , wherein A is at least one element selected from the group consisting of Li, Na, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, and Y, M is at least one element selected from the group consisting of transition metal elements, Group 2A elements, Group 3A elements, Group 2B elements, and Group 3B elements, and the relationships 0≦x<0.5, 0<y≦0.5, 0≦z≦0.5, 0<n≦2, and (α·x)+y≦0.5 are satisfied, wherein α is the valence of a cation of A, and the aqueous electrolyte solution includes water and potassium pyrophosphate dissolved in the water.
3.補足
従来において、非水系及び水系を問わず、水酸化物以外のカリウム化合物が溶解された電解液において充放電できる正極活物質はほとんど知られていない。電解液と正極活物質との組み合わせのうち充放電が可能な最適な組み合わせは、無限に存在する電解液と正極活物質との組み合わせの中のごく一部に限られ、活物質の結晶構造、電解液の成分や電位窓等が少しでも変化すると、充放電ができなくなってしまう。すなわち、電解液と正極活物質とを実際に組み合わせて評価しないと最適な組み合わせを見出すことはできない。本開示の技術は、無限に存在する電解液と正極活物質との組み合わせの中から、数々の試行錯誤を経て、充放電が可能な新規の組み合わせを見出したものであり、従来技術から容易に想到できるものではない。
3. Supplementary Information: Conventionally, few positive electrode active materials are known that can be charged and discharged in an electrolyte solution containing a potassium compound other than hydroxide, whether non-aqueous or aqueous. The optimal combinations of electrolytes and positive electrode active materials that allow charging and discharging are limited to only a small subset of the infinite number of combinations of electrolytes and positive electrode active materials. Even slight changes in the crystal structure of the active material, the electrolyte components, or the potential window can render charging and discharging impossible. In other words, the optimal combination cannot be found without actually combining and evaluating the electrolyte and positive electrode active material. The technology disclosed herein has been developed through numerous trial and error processes to find novel combinations that allow charging and discharging from the infinite number of combinations of electrolytes and positive electrode active materials, and these combinations were not easily conceivable based on conventional technology.
尚、本開示の二次電池において、電池の充放電時に正極活物質中に吸蔵又は放出されるキャリアイオンはカリウムイオンであるものと推定される。すなわち、本開示の二次電池は、カリウムイオン電池として機能する可能性がある。カリウムは安価で豊富に存在することから、電池材料として魅力的なものである。また、キャリアイオンとしてカリウムイオンが採用された場合、イオンとしての特性上、二次電池の高出力化が期待できる。 In the secondary battery disclosed herein, it is presumed that the carrier ions absorbed or released in the positive electrode active material during charging and discharging of the battery are potassium ions. In other words, the secondary battery disclosed herein has the potential to function as a potassium ion battery. Potassium is inexpensive and abundant, making it an attractive battery material. Furthermore, if potassium ions are used as carrier ions, the properties of the ion make it possible to expect higher output from the secondary battery.
以下、実施例を示しつつ、本開示の技術についてさらに詳細に説明するが、本開示の技術は以下の実施例に限定されるものではない。 The technology of the present disclosure will be explained in more detail below using examples, but the technology of the present disclosure is not limited to the following examples.
1.正極活物質の作製
下記に示される手順で、所定の層状酸化物や所定のニッケル複合水酸化物を作製した。
1. Preparation of Positive Electrode Active Material A predetermined layered oxide and a predetermined nickel composite hydroxide were prepared according to the procedure described below.
1.1 層状酸化物
硝酸リチウムと水酸化ニッケルとをモル比でLi:Ni=2:1の割合になるように均一に混合して混合物を得た。当該混合物を700℃、10時間、大気中で固相反応させて粉末を得た。当該粉末を水洗して過剰のアルカリ分を除去し、乾燥することにより、LiNiO2を得た。次に、LiNiO2を、H+/Ni=4の割合で1.2規定の硫酸溶液と混合し、3時間撹拝・反応させ、濾過、水洗、乾燥することによりLi0.1NiO2を得た。さらに、Li0.1NiO2を、K+/Ni=0.5の割合で0.3規定の水酸化カリウム溶液と混合し、3時間撹拌・反応させ、生成物を濾過、水洗、乾燥することにより正極活物質としてLi0.1K0.2NiO2・0.7H2Oで表される層状酸化物を得た。当該正極活物質をX線回折によって解析したところ、六方晶(空間群R-3m)で指数付けすることができ、格子定数はa=2.83(Å)、c=21.09(Å)であり、層間の距離は7.03(Å)であった。
1.1 Layered Oxide Lithium nitrate and nickel hydroxide were uniformly mixed at a molar ratio of Li:Ni = 2:1 to obtain a mixture. This mixture was subjected to a solid-state reaction in air at 700°C for 10 hours to obtain a powder. The powder was washed with water to remove excess alkali and then dried to obtain LiNiO2 . Next, LiNiO2 was mixed with a 1.2N sulfuric acid solution at a H + / Ni ratio of 4, stirred and reacted for 3 hours, filtered, washed with water, and dried to obtain Li0.1NiO2 . Furthermore, Li0.1NiO2 was mixed with a 0.3N potassium hydroxide solution at a K + / Ni ratio of 0.5, stirred and reacted for 3 hours, and the product was filtered, washed with water, and dried to obtain a layered oxide represented by Li0.1K0.2NiO2.0.7H2O as a positive electrode active material. When the positive electrode active material was analyzed by X-ray diffraction, it was found that it could be indexed as a hexagonal crystal (space group R-3m), with lattice constants a = 2.83 (Å) and c = 21.09 (Å), and the interlayer distance was 7.03 (Å).
1.2 ニッケル複合水酸化物
硫酸ニッケル、硫酸アルミニウム及び硫酸イッテルビウムを、ニッケル、アルミニウム及びイッテルビウムが0.8:0.15:0.05のモル比となるように、水に溶解させて第一の溶液を調製した。一方で、水酸化ナトリウム及び水を混合して第二の溶液を調製した。第二の溶液の濃度は32質量%であった。反応槽としてのガラスビーカー中に水1000gを入れ、さらにpHセンサー及びpHコントローラーを用いてpHを10.0に維持するために第二の溶液を適宜添加し、かつヒーターと温度センサー付きコントローラーとを用いて温度を40℃に維持した。この反応槽中に、上記の温度とpHが保持されるように第一の溶液及び第二の溶液を添加して撹拌混合し、これによって沈殿物が生成した。沈殿物が入った混合溶液を、室温まで冷却した後、濾過し、これによって沈殿物を得た。この沈殿物を純水で洗浄して乾燥し、これによって正極活物質としてのニッケル複合水酸化物を得た。なお、誘導結合プラズマ(ICP:Inductively Coupled Plasma)発光分光法による測定では、この複合水酸化物のニッケル、アルミニウム及びイッテルビウムのモル比は、0.8:0.15:0.05であった。また、X線回折による解析の結果、当該ニッケル複合水酸化物は、Ni0.8Al0.15Yb0.05(OH)2.2で表される結晶構造を有するものであった。
1.2 Nickel Composite Hydroxide Nickel sulfate, aluminum sulfate, and ytterbium sulfate were dissolved in water in a molar ratio of 0.8:0.15:0.05 to prepare a first solution. Meanwhile, sodium hydroxide and water were mixed to prepare a second solution. The concentration of the second solution was 32% by mass. 1000 g of water was placed in a glass beaker serving as a reaction vessel, and the second solution was appropriately added to maintain the pH at 10.0 using a pH sensor and a pH controller. The temperature was maintained at 40°C using a heater and a controller with a temperature sensor. The first and second solutions were added to the reaction vessel and stirred to maintain the above temperature and pH, thereby forming a precipitate. The mixed solution containing the precipitate was cooled to room temperature and then filtered, thereby obtaining a precipitate. The precipitate was washed with pure water and dried, thereby obtaining a nickel composite hydroxide as a positive electrode active material. Measurement by inductively coupled plasma (ICP) emission spectroscopy revealed that the molar ratio of nickel, aluminum, and ytterbium in this composite hydroxide was 0.8: 0.15 :0.05. Analysis by X-ray diffraction revealed that the nickel composite hydroxide had a crystal structure expressed as Ni0.8Al0.15Yb0.05 (OH) 2.2 .
2.正極の作製
正極活物質としての上記の層状酸化物又はニッケル複合水酸化物と、導電助剤としてのアセチレンブラックと、バインダーとしてのPVDF及びCMCとを、質量比で、85:10:4.5:0.5となるように混合したうえでインクを作製した。ドクターブレードを用いて、Ni箔の表面に当該インクを均一に塗工し、乾燥して、評価用の正極を得た。すなわち、正極は、正極集電体としてのNi箔の表面に、正極活物質等を含む正極合剤層が形成されたものである。
2. Preparation of Positive Electrode The layered oxide or nickel composite hydroxide described above as the positive electrode active material, acetylene black as the conductive additive, and PVDF and CMC as the binder were mixed in a mass ratio of 85:10:4.5:0.5 to prepare an ink. The ink was uniformly applied to the surface of Ni foil using a doctor blade and dried to obtain a positive electrode for evaluation. That is, the positive electrode was a positive electrode in which a positive electrode mixture layer containing the positive electrode active material and the like was formed on the surface of Ni foil as the positive electrode current collector.
3.評価用セルの作製
以下の構成を備える評価用セルを作製した。
セル:VM5(イーシーフロンティア社製)
作用極:上記の正極、開口面積1cm2
対極:Ptメッシュ
参照極:Ag/AgCl
電解液:下記表1に示される水系電解液
3. Preparation of Evaluation Cell An evaluation cell having the following configuration was prepared.
Cell: VM5 (manufactured by EC Frontier)
Working electrode: the above positive electrode, opening area 1 cm 2
Counter electrode: Pt mesh Reference electrode: Ag/AgCl
Electrolyte: Aqueous electrolyte shown in Table 1 below
4.セルの評価
評価用セルに対して以下の条件にて充放電を行い、充電容量に対する放電容量の比(クーロン効率)を測定した。
充放電電流値:0.1mA/cm2
カット電圧:0.25-0.75V vs. Ag/AgCl
測定温度:25℃
4. Cell Evaluation The evaluation cell was charged and discharged under the following conditions, and the ratio of the discharge capacity to the charge capacity (Coulomb efficiency) was measured.
Charge/discharge current value: 0.1 mA/ cm2
Cut voltage: 0.25-0.75 V vs. Ag/AgCl
Measurement temperature: 25℃
5.評価結果
評価結果を下記表1に示す。また、図2に実施例1についての充放電曲線、図3に比較例3についての充放電曲線を示す。
5. Evaluation Results The evaluation results are shown in the following Table 1. In addition, Fig. 2 shows the charge/discharge curve for Example 1, and Fig. 3 shows the charge/discharge curve for Comparative Example 3.
表1、図2及び3に示される結果から明らかなように、正極活物質としての所定の層状酸化物と、K4P2O7を溶解させた水系電解液とを組み合わせた場合(実施例1及び2)、正極活物質の充放電が可能であることが分かる。一方で、水系電解液の電解質をK2SO3に変更した場合(比較例1及び2)や、正極活物質の種類を変更した場合(比較例3)は、正極活物質の充放電が困難となることも分かる。尚、比較例については、正極活物質の充電電位が電解液の分解電位よりも貴である可能性があり、充電反応よりも溶液の酸化分解が優先的に進行した結果、放電容量が得られなかった可能性がある。 As is clear from the results shown in Table 1 and Figures 2 and 3, when a specific layered oxide as the positive electrode active material is combined with an aqueous electrolyte solution containing dissolved K4P2O7 (Examples 1 and 2 ), it is possible to charge and discharge the positive electrode active material. On the other hand, when the electrolyte of the aqueous electrolyte solution is changed to K2SO3 (Comparative Examples 1 and 2) or when the type of positive electrode active material is changed (Comparative Example 3), it is also found that charging and discharging the positive electrode active material becomes difficult. Note that in the comparative examples, the charging potential of the positive electrode active material may be more noble than the decomposition potential of the electrolyte, and as a result, oxidative decomposition of the solution may have proceeded preferentially over the charging reaction, resulting in no discharge capacity being obtained.
以上の通り、正極活物質としての層状酸化物と、K4P2O7を溶解させた水系電解液とを組み合わせた場合に特異的に正極活物質の充放電が可能となることが分かった。尚、上記の実施例では、AxKyNi1-zMzO2±δ・nH2Oで表される層状酸化物において、AとしてLiを含み、Mを含まず、且つ、x、y及びnが所定の値であるものを例示したが、本開示の技術において採用される正極活物質はこれに限定されるものではない。Aの存在の有無、Aの種類、Kの組成比については特に限定されず、また、可逆性や熱安定性や保存性の向上を狙ってNiの一部がMで置換されてもよく、さらに、水分量についても適宜調整可能である。本発明者が確認した限りでは、層状酸化物が以下の化学組成を有する場合に、上記の水系電解液との組み合わせにおいて充放電が可能である。 As described above, it has been found that the combination of a layered oxide as a positive electrode active material with an aqueous electrolyte solution containing dissolved K 4 P 2 O 7 specifically enables charging and discharging of the positive electrode active material. In the above examples, a layered oxide represented by A x K y Ni 1-z M z O 2±δ ·nH 2 O was exemplified, in which A contains Li, M does not contain M, and x, y, and n are predetermined values. However, the positive electrode active material employed in the technology of the present disclosure is not limited to this. The presence or absence of A, the type of A, and the composition ratio of K are not particularly limited. Furthermore, a portion of Ni may be substituted with M to improve reversibility, thermal stability, and storage stability. Furthermore, the water content can also be adjusted as appropriate. As far as the inventors have confirmed, when a layered oxide has the following chemical composition, charging and discharging is possible when combined with the above-mentioned aqueous electrolyte solution.
化学組成:AxKyNi1-zMzO2±δ・nH2O
ここで、Aは、Li、Na、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc及びYからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素であり、Mは、遷移金属元素、2A族元素、3A族元素、2B族元素及び3B族元素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素であり、0≦x<0.5、0<y≦0.5、0≦z≦0.5、0<n≦2、且つ、(α・x)+y≦0.5なる関係が満たされ、αはAの陽イオンの価数である。
Chemical composition: A x K y Ni 1-z M z O 2±δ・nH 2 O
Here, A is at least one element selected from the group consisting of Li, Na, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, and Y; M is at least one element selected from the group consisting of transition metal elements, Group 2A elements, Group 3A elements, Group 2B elements, and Group 3B elements; the relationships 0≦x<0.5, 0<y≦0.5, 0≦z≦0.5, 0<n≦2, and (α x)+y≦0.5 are satisfied; and α is the valence of the cation of A.
10 正極
11 正極活物質層
12 正極集電体
20 電解質層
30 負極
31 負極活物質層
32 負極集電体
100 二次電池
10 Positive electrode 11 Positive electrode active material layer 12 Positive electrode current collector 20 Electrolyte layer 30 Negative electrode 31 Negative electrode active material layer 32 Negative electrode current collector 100 Secondary battery
Claims (3)
前記正極活物質が、AxKyNi1-zMzO2±δ・nH2Oで表される層状酸化物を含み、
前記Aが、Li、Na、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc及びYからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素であり、
前記Mが、遷移金属元素、2A族元素、3A族元素、2B族元素及び3B族元素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素であり、
0≦x<0.5、0<y≦0.5、0≦z≦0.5、0<n≦2、且つ、(α・x)+y≦0.5なる関係が満たされ、前記αは前記Aの陽イオンの価数であり、
前記水系電解液が、水と前記水に溶解されたピロリン酸カリウムとを含む、
二次電池。 A secondary battery having a positive electrode active material and an aqueous electrolyte solution,
the positive electrode active material contains a layered oxide represented by A x K y Ni 1-z M z O 2±δ ·nH 2 O;
A is at least one element selected from the group consisting of Li, Na, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, and Y,
M is at least one element selected from the group consisting of transition metal elements, Group 2A elements, Group 3A elements, Group 2B elements, and Group 3B elements;
the relationships 0≦x<0.5, 0<y≦0.5, 0≦z≦0.5, 0<n≦2, and (α x)+y≦0.5 are satisfied, and α is the valence of the cation A;
The aqueous electrolyte solution contains water and potassium pyrophosphate dissolved in the water.
Secondary battery.
請求項1に記載の二次電池。 The potassium pyrophosphate is dissolved in the water at a concentration of 2 mol or more per 1 kg of the water.
The secondary battery according to claim 1 .
請求項1に記載の二次電池。 The potassium pyrophosphate is dissolved in the water at a concentration of 5 mol or more per kg of the water.
The secondary battery according to claim 1 .
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