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JP7807776B2 - Mg-based alloy negative electrode material, Mg negative electrode material, and Mg secondary battery using the same - Google Patents
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JP7807776B2 - Mg-based alloy negative electrode material, Mg negative electrode material, and Mg secondary battery using the same - Google Patents

Mg-based alloy negative electrode material, Mg negative electrode material, and Mg secondary battery using the same

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JP7807776B2 JP2021132315A JP2021132315A JP7807776B2 JP 7807776 B2 JP7807776 B2 JP 7807776B2 JP 2021132315 A JP2021132315 A JP 2021132315A JP 2021132315 A JP2021132315 A JP 2021132315A JP 7807776 B2 JP7807776 B2 JP 7807776B2
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Description

本発明は、電気化学特性に優れたMg基合金負極材及びこのMg基合金負極材を用いたMg二次電池に関する。また、本発明は、電気化学特性に優れたMg負極材及びこのMg負極材を用いたMg二次電池に関する。 The present invention relates to an Mg-based alloy negative electrode material with excellent electrochemical properties and an Mg secondary battery using this Mg-based alloy negative electrode material. The present invention also relates to an Mg negative electrode material with excellent electrochemical properties and an Mg secondary battery using this Mg negative electrode material.

Mg金属負極は、実用金属内において高い理論容量密度を示すとともに、電析時にデンドライド状の析出部を形成しないことから、高エネルギー密度蓄電池のための負極材として注目を浴びている。しかし、Li(リチウム)金属負極やNa(ナトリウム)金属負極と異なり、Mg(マグネシウム)金属負極は、負極電解液界面にイオン伝導性の被膜を形成しにくく、不動態化しやすいため、可逆な溶解析出挙動が起こりにくいことが問題とされている。 Mg metal anodes exhibit a high theoretical capacity density among practical metals and do not form dendritic deposits during electrodeposition, making them attractive as a potential anode material for high-energy density batteries. However, unlike Li (lithium) and Na (sodium) metal anodes, Mg (magnesium) metal anodes are less likely to form an ionically conductive film at the anode electrolyte interface and are more likely to become passivated, making them less susceptible to reversible dissolution-precipitation behavior.

通常、二次電池をはじめとする蓄電池は、負極材、正極活物質と電解液によって構成される。前述の問題を解決すべく、例えば、特許文献1や2、非特許文献1に開示するように、Mg二次電池に有効な正極活物質と電解液がある。翻って、負極材には、Mg金属負極材(およびMg基合金負極材)と、Mgを含有する金属間化合物の二種類に大別できる。特許文献3、4では、Mg-Bi金属間化合物(MgBi)やMg-Sn金属間化合物(MgSn)を活用することで、これらの問題の解決を図っている。しかし、金属間化合物負極は、Mg金属負極(およびMg基合金負極材)と比較して電位が高くなり、容量密度も低下する問題がある。また、これらの金属間化合物を形成させるためには、Mgと比較して密度の高いBi(ビスマス)やSn(スズ)を高濃度に添加する必要があり、重量低減の観点から望ましくない。 Typically, storage batteries, including secondary batteries, are composed of a negative electrode material, a positive electrode active material, and an electrolyte. To address the aforementioned issues, there are positive electrode active materials and electrolytes that are effective for Mg secondary batteries, as disclosed in, for example, Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Document 1. Conversely, negative electrode materials can be broadly divided into two types: Mg metal negative electrode materials (and Mg-based alloy negative electrode materials) and Mg-containing intermetallic compounds. Patent Documents 3 and 4 attempt to address these issues by utilizing Mg-Bi intermetallic compounds (Mg 3 Bi 2 ) and Mg-Sn intermetallic compounds (Mg 2 Sn). However, intermetallic compound negative electrodes have the problems of higher potential and lower capacity density compared to Mg metal negative electrodes (and Mg-based alloy negative electrode materials). Furthermore, forming these intermetallic compounds requires the addition of high concentrations of Bi (bismuth) or Sn (tin), which have higher densities than Mg, which is undesirable from the perspective of weight reduction.

一方、金属間化合物を活用せずに、Mg金属を負極としたMg金属負極およびMg基合金負極材が、特許文献5に開示されている。Mg-Al系合金、Mg-Zn系合金、Mg-Mn系合金を二次電池負極材とすることを特徴とするが、Mg-6mass%Al合金のみを実施例として挙げている。熱的平衡および金属組織の観点から、Al添加量の高濃度化に起因し、Mg17Al12を代表とする数多くの金属間化合物がMg母相内に高密度に分散する。しかし、金属間化合物そのものの硬さや変形のしやすさは、Mg母相と大きく異なるため、展伸加工時、金属間化合物とMg母相の界面が破壊を引き起こす微小ボイドの起点となり、箔化の観点から望ましくない。また、電気化学特性においても、金属間化合物とMg母相の界面は原子レベルでは不整合であるため、エネルギー差が生じやすくなり、溶解・析出挙動の活性サイトになりやすことが想像できる。 On the other hand, Patent Document 5 discloses Mg metal negative electrodes and Mg-based alloy negative electrode materials in which Mg metal is used as the negative electrode without utilizing intermetallic compounds. While the secondary battery negative electrode materials are characterized by the use of Mg-Al alloys, Mg-Zn alloys, and Mg-Mn alloys, only an Mg-6 mass% Al alloy is cited as an example. From the viewpoint of thermal equilibrium and metal structure, due to the high concentration of Al added, numerous intermetallic compounds, typified by Mg 17 Al 12, are densely dispersed within the Mg matrix. However, since the hardness and ease of deformation of the intermetallic compounds themselves differ significantly from those of the Mg matrix, during wrought processing, the interface between the intermetallic compounds and the Mg matrix becomes the origin of microvoids that cause fracture, which is undesirable from the perspective of foil formation. Furthermore, in terms of electrochemical properties, the interface between the intermetallic compounds and the Mg matrix is inconsistent at the atomic level, which may easily generate energy differences and become active sites for dissolution and precipitation behavior.

また、特許文献6は、Mgを質量比で90%以上含有するMg二次電池に適したMg金属負極およびMg基合金負極材を開示している。副成分は、Al(アルミニウム)、Zn(亜鉛)、Mn(マンガン)、Si(ケイ素)、Ca(カルシウム)、Fe(鉄)、Cu(銅)、Ni(ニッケル)のいずれかであることを特徴としている。しかし、Mgに対して固溶量以上に元素添加することから、特許文献5と同様に、金属間化合物がMg母相内に分散する。そのため、目的とする電気化学特性を得ることができない。勿論、押出や圧延加工に代表される展伸加工法の使用なしでは、バルク材の肉厚を薄くすることができず、二次電池重量低減の観点から好ましくない。なお、Si、Fe、Cu、Niは、Mgに対して最大固溶量が0.01mol%以下であり、力学特性や機能特性に影響を及ぼす固溶量ではないため、通常、不可避的な不純物元素として扱われる。 Patent Document 6 also discloses Mg metal anodes and Mg-based alloy anode materials suitable for Mg secondary batteries containing 90% or more Mg by mass. The auxiliary components are characterized by being one of Al (aluminum), Zn (zinc), Mn (manganese), Si (silicon), Ca (calcium), Fe (iron), Cu (copper), and Ni (nickel). However, because elements are added in amounts greater than the solid solution amount for Mg, intermetallic compounds disperse within the Mg matrix, as in Patent Document 5. As a result, the desired electrochemical properties cannot be achieved. Of course, without using wrought processing techniques such as extrusion and rolling, the thickness of the bulk material cannot be reduced, which is undesirable from the perspective of reducing the weight of secondary batteries. Furthermore, the maximum solid solution amounts of Si, Fe, Cu, and Ni in Mg are 0.01 mol% or less, which is not enough to affect mechanical or functional properties, and therefore they are generally treated as unavoidable impurity elements.

また一方で、二次電池の総重量の低減や高効率化を図るために、薄肉化した負極材の使用は必要不可欠である。特許文献7では、厚さ400μmの負極に厚さ1μm以上のポリマー層を塗布することで充放電特性の改質を図っている。特許文献8では、バルク材マグネシウムに対して化学メッキ法を活用し、イオン化傾向の高い金属を塗布することで問題を解決しようとしている。また、特許文献9では、厚さ100μmの負極に対し、新生面を生じさせるために表面処理方法を実施し、インピーダンス特性の改善を図っている。いずれも、バルク材に対して、塗布、メッキ、表面処理など付加工程を必要としている。 On the other hand, the use of thinner anode materials is essential to reducing the total weight of secondary batteries and improving their efficiency. Patent Document 7 aims to improve charge/discharge characteristics by applying a polymer layer of 1 μm or more thick to a 400 μm thick anode. Patent Document 8 attempts to solve the problem by applying a metal with a high ionization tendency to bulk magnesium using a chemical plating method. Furthermore, Patent Document 9 aims to improve impedance characteristics by performing a surface treatment method on a 100 μm thick anode to create a new surface. Both methods require additional processes, such as coating, plating, and surface treatment, on the bulk material.

異なる改善策として、負極材板厚の薄肉化が挙げられる。特許文献10では、リチウムを添加することで結晶構造を六方稠密構造から体心立方格子構造にし、厚さ10~100μmからなる電気化学に優れた負極を開示している。しかし、マグネシウムに対するリチウムの高濃度添加は、鋳造時作業上の観点から極めて危険である。 Another improvement is to reduce the thickness of the negative electrode material. Patent Document 10 discloses an electrochemically superior negative electrode with a thickness of 10 to 100 μm, in which the crystal structure is changed from a hexagonal close-packed structure to a body-centered cubic lattice structure by adding lithium. However, adding high concentrations of lithium to magnesium is extremely dangerous from the perspective of casting operations.

これらの先行事例を踏まえて、発明者らは、以下の提案を行っている。圧延加工をはじめとする塑性加工法を活用し、添加した元素が結晶粒界に偏析していることを特徴とした負極材を特許文献11として開示している。元素添加量は各元素の固溶範囲内とし、添加元素は、Al、Ag、Bi、Ca、Sn、Mn、Li、RE(希土類)、ZnのMgに固溶する元素のうち1種類としている。一方で、金属材料の内部微細組織は、温度や変形量をはじめとする塑性加工条件によって大きく変化する。特に、金属材料の母相を構成する結晶粒サイズの違いは、バルク材全体の硬さや強さ、ねばさなどの機械的特性に大きく影響を及ぼすことで知られている。非特許文献1では、Mg母相の結晶粒サイズを微細化することが、電気化学特性向上の可能性を提案しているが、本発明者の知る限りでは、結晶粒サイズ以外に関する内部微細組織と電気化学特性に関連する文献や開示例はない。 Based on these prior examples, the inventors have made the following proposal. Patent Document 11 discloses an anode material characterized by the segregation of added elements at grain boundaries using plastic processing methods such as rolling. The amount of added elements is within the solid solubility range of each element, and the added element is one of the following elements that are solid soluble in Mg: Al, Ag, Bi, Ca, Sn, Mn, Li, RE (rare earth), and Zn. Meanwhile, the internal microstructure of metallic materials varies significantly depending on the plastic processing conditions, including temperature and deformation amount. In particular, differences in the crystal grain size that makes up the parent phase of metallic materials are known to significantly affect the mechanical properties of the entire bulk material, such as hardness, strength, and toughness. Non-Patent Document 1 proposes that reducing the crystal grain size of the Mg parent phase may improve electrochemical properties. However, to the inventors' knowledge, there are no published or disclosed examples relating internal microstructures and electrochemical properties other than those related to crystal grain size.

特開2012‐150924号公報JP 2012-150924 A 特開2016‐96024号公報JP 2016-96024 A 特開2014‐512637号公報JP 2014-512637 A 特開2015‐515728号公報JP 2015-515728 A 特開2012‐221670号公報JP 2012-221670 A 特開2014‐143170号公報JP 2014-143170 A 特開2015‐115233号公報JP 2015-115233 A WO2017‐187700号公報WO2017-187700 publication 特開2014‐143170号公報JP 2014-143170 A 特開2014‐164901号公報JP 2014-164901 A PCT/JP2021/4058号公報PCT/JP2021/4058 publication

万代、染川、ChemComm 56 (2020) 12122Bandai, Somekawa, ChemComm 56 (2020) 12122

本発明は、二極式セルを用いたサイクル計測において、50回以上のサイクル特性を有する電気化学特性に優れたMg基合金負極材、Mg負極材、及びこれらを用いたMg二次電池を提供することを課題としている。 The objective of the present invention is to provide an Mg-based alloy negative electrode material, an Mg negative electrode material, and an Mg secondary battery using these materials, which have excellent electrochemical properties and can be cycled 50 times or more in cycle measurements using a bipolar cell.

[1] 本発明のMg基合金負極材は、Mgに固溶する元素のうちAl、Ag、Bi、Ca、Sn、Mn、Li、RE(希土類)、Znのうち少なくともいずれか一種類の元素を0.05mol%以上、1mol%以下を含み、残部がMgと不可避的成分からなるMg基合金であって、厚みが7μm以上0.5mm以下である。
Mg基合金負極材の厚みの下限値は、より好ましくは10μm以上、更に好ましくは15μm以上であるとよい。
[1] The Mg-based alloy negative electrode material of the present invention is an Mg-based alloy containing at least one element selected from Al, Ag, Bi, Ca, Sn, Mn, Li, RE (rare earth), and Zn, in an amount of 0.05 mol % or more and 1 mol % or less, among elements that form a solid solution in Mg, with the remainder being Mg and unavoidable components, and has a thickness of 7 μm or more and 0.5 mm or less.
The lower limit of the thickness of the Mg-based alloy negative electrode material is more preferably 10 μm or more, and even more preferably 15 μm or more.

[2] 本発明のMg基合金負極材[1]において、好ましくは、Mg母相内に残留応力が存在しないとよい。
[3] 本発明のMg基合金負極材[1]又は[2]において、好ましくは、切片法によって計測したMg母相の平均結晶粒サイズが5μm以上であるとよい。
[4] 本発明のMg基合金負極材[1]乃至[3]において、好ましくは、切片法によって計測したMg母相結晶粒サイズの標準偏差が、平均結晶粒サイズ以内であるとよい。
[5] 本発明のMg基合金負極材[1]乃至[4]において、好ましくは、Mg母相内に変形双晶が存在しないとよい。
[6] 本発明のMg基合金負極材[1]乃至[5]において、好ましくは、二極式セルを用いたサイクル計測において、50回以上のサイクル特性を示すとよい。
[7] 本発明のMg基合金負極材[1]乃至[6]において、好ましくは、Mg金属の電気化学的析出溶解試験において、過電圧30mV以下の特性を示すとよい。
[8] 本発明のMg基合金負極材[1]乃至[7]において、好ましくは、Mg金属の電気化学的析出溶解試験において、電極電位±0.5Vのときに、±10mAcm-2以上の電流密度を示すとよい。
[2] In the Mg-based alloy negative electrode material [1] of the present invention, it is preferable that no residual stress exists in the Mg matrix.
[3] In the Mg-based alloy negative electrode material [1] or [2] of the present invention, the average crystal grain size of the Mg matrix measured by the intercept method is preferably 5 μm or more.
[4] In the Mg-based alloy negative electrode materials [1] to [3] of the present invention, it is preferable that the standard deviation of the Mg parent phase crystal grain size measured by the intercept method is within the average crystal grain size.
[5] In the Mg-based alloy negative electrode materials [1] to [4] of the present invention, preferably, deformation twins are not present in the Mg matrix.
[6] In the Mg-based alloy negative electrode materials [1] to [5] of the present invention, it is preferable that the negative electrode materials exhibit cycle characteristics of 50 or more cycles in cycle measurements using a bipolar cell.
[7] In the Mg-based alloy negative electrode materials [1] to [6] of the present invention, it is preferable that they exhibit an overvoltage of 30 mV or less in an electrochemical deposition-dissolution test of Mg metal.
[8] In the Mg-based alloy negative electrode materials [1] to [7] of the present invention, it is preferable that they show a current density of ±10 mA cm −2 or more when the electrode potential is ±0.5 V in an electrochemical deposition-dissolution test of Mg metal.

[9] 本発明のMg二次電池は、上記Mg基合金負極材[1]乃至[8]と、電解質と正極によって構成されたMg二次電池である。 [9] The Mg secondary battery of the present invention is an Mg secondary battery composed of any of the above Mg-based alloy negative electrode materials [1] to [8], an electrolyte, and a positive electrode.

[10] 本発明のMg負極材は、Mgと不可避的成分からなるMgであって、厚みが7μm以上0.5mm以下である。
Mg負極材の厚みの下限値は、より好ましくは10μm以上、更に好ましくは15μm以上であるとよい。
[10] The Mg negative electrode material of the present invention is composed of Mg and unavoidable components, and has a thickness of 7 μm or more and 0.5 mm or less.
The lower limit of the thickness of the Mg negative electrode material is more preferably 10 μm or more, and even more preferably 15 μm or more.

[11] 本発明のMg負極材[10]において、好ましくは、Mg母相内に残留応力が存在しないとよい。
[12] 本発明のMg負極材[10]又は[11]において、好ましくは、切片法によって計測したMg母相の平均結晶粒サイズが5μm以上であるとよい。
[13] 本発明のMg負極材[10]乃至[12]において、好ましくは、切片法によって計測したMg母相結晶粒サイズの標準偏差が、平均結晶粒サイズ以内であるとよい。
[14] 本発明のMg負極材[10]乃至[13]において、好ましくは、Mg母相内に変形双晶が存在しないとよい。
[15] 本発明のMg負極材[10]乃至[14]において、好ましくは、二極式セルを用いたサイクル計測において、50回以上のサイクル特性を示すとよい。
[16] 本発明のMg負極材[10]乃至[15]において、好ましくは、Mg金属の電気化学的析出溶解試験において、過電圧30mV以下の特性を示すとよい。
[17] 本発明のMg負極材[10]乃至[16]において、好ましくは、Mg金属の電気化学的析出溶解試験において、電極電位±0.5Vのときに、±10mAcm-2以上の電流密度を示すとよい。
[11] In the Mg negative electrode material [10] of the present invention, preferably, there is no residual stress in the Mg matrix.
[12] In the Mg negative electrode material [10] or [11] of the present invention, the average crystal grain size of the Mg matrix measured by the intercept method is preferably 5 μm or more.
[13] In the Mg negative electrode materials [10] to [12] of the present invention, it is preferable that the standard deviation of the Mg parent phase crystal grain size measured by the intercept method is within the average crystal grain size.
[14] In the Mg negative electrode materials [10] to [13] of the present invention, preferably, deformation twins are not present in the Mg matrix.
[15] In the Mg negative electrode materials [10] to [14] of the present invention, it is preferable that the negative electrode materials exhibit cycle characteristics of 50 or more cycles in cycle measurements using a bipolar cell.
[16] In the Mg negative electrode materials [10] to [15] of the present invention, it is preferable that they exhibit an overvoltage of 30 mV or less in an electrochemical deposition-dissolution test of Mg metal.
[17] In the Mg negative electrode materials [10] to [16] of the present invention, it is preferable that they show a current density of ±10 mA cm −2 or more when the electrode potential is ±0.5 V in an electrochemical deposition-dissolution test of Mg metal.

[18] 本発明のMg二次電池は、上記Mg負極材[10]乃至[17]と、電解質と正極によって構成されたMg二次電池である。 [18] The Mg secondary battery of the present invention is an Mg secondary battery composed of any of the above Mg negative electrode materials [10] to [17], an electrolyte, and a positive electrode.

圧延加工後の外観写真を示している。The photograph shows the appearance after rolling. 本発明の一実施例を示すMg基合金負極材の微細組織観察例で、電子線後方散乱回折手法によって取得した画像をKAM像として示している。1 is an example of microstructure observation of an Mg-based alloy negative electrode material according to an embodiment of the present invention, and shows an image obtained by electron backscatter diffraction as a KAM image. 本発明の一比較例を示すMg合金負極材の微細組織観察例で、電子線後方散乱回折手法によって取得した画像をKAM像として示している。This is an example of microstructure observation of an Mg alloy negative electrode material, which shows a comparative example of the present invention, and an image obtained by electron backscatter diffraction is shown as a KAM image. 本発明の一実施例を示すMg合金負極材の微細組織観察例で、光学顕微鏡によって取得した画像を示している。1 shows an example of microstructure observation of an Mg alloy negative electrode material according to an embodiment of the present invention, and shows an image obtained by an optical microscope. 本発明の一実施例と比較例を示すMg基合金負極材の電気化学的析出溶解試験例で、サイクル電圧電流結果を示している。1 shows cycle voltage-current results in an example of electrochemical deposition-dissolution test of an Mg-based alloy negative electrode material showing an example of the present invention and a comparative example. 本発明の一実施例と比較例を示すMg基合金負極材のクーロン効率結果を示している。1 shows the results of coulombic efficiency of an Mg-based alloy negative electrode material showing an example of the present invention and a comparative example. 本発明のMg基合金負極材が使用されるMg二次電池の概略的な構成を示す模式図である。1 is a schematic diagram showing a general configuration of an Mg secondary battery in which the Mg-based alloy negative electrode material of the present invention is used.

本発明の効果を得るためのMg基合金素材は、Mg-Amol%Xからなり、XはMgに対して0.05mol%以上固溶する元素を対象とし、X=Al、Ag、Bi、Ca、Sn、Mn、Li、RE(希土類)、Znのうち少なくともいずれか一種類の元素である。希土類は、Y(イットリウム)、Gd(ガドリニウム)、Ce(セリウム)、Sc(スカンジウム)などの同族元素を意味する。Aの値は、Mgに対して最大固溶値以下であり、好ましくは0.02mol%以上、1mol%以下、より好ましくは0.02mol%以上、0.5mol%以下、更により好ましくは0.02mol%以上、0.3mol%以下である。Aが0.02mol%未満の場合、添加した溶質元素は、力学特性や電気化学特性に影響を及ぼさず、不純物元素として存在する。また、純MgをMg基合金素材として扱う場合、鉄やニッケル、シリコン、銅をはじめとする不可避的成分と残部がMgからなり、通常、Mgの純度が99%以上であることが望ましい。 The Mg-based alloy material for achieving the effects of the present invention consists of Mg-A mol% X, where X is an element that dissolves in Mg at 0.05 mol% or more, and X is at least one of Al, Ag, Bi, Ca, Sn, Mn, Li, RE (rare earth), and Zn. Rare earth refers to homologous elements such as Y (yttrium), Gd (gadolinium), Ce (cerium), and Sc (scandium). The value of A is equal to or less than the maximum solubility value in Mg, preferably 0.02 mol% to 1 mol%, more preferably 0.02 mol% to 0.5 mol%, and even more preferably 0.02 mol% to 0.3 mol%. When A is less than 0.02 mol%, the added solute element does not affect the mechanical or electrochemical properties and exists as an impurity element. Furthermore, when pure Mg is used as an Mg-based alloy material, it consists of inevitable components such as iron, nickel, silicon, and copper, with the remainder being Mg, and it is generally desirable for the purity of the Mg to be 99% or higher.

上記のMg基合金素材に対し,圧延加工をはじめとする展伸加工を活用して内部微細組織と厚さを制御する。ここでは、圧延加工を例示しているが、押出加工やプレス加工など、素材にひずみを付与できる手法であればいずれでも良い。勿論、展伸加工に限らず、急冷凝固法や双ロールキャスト法に代表されるように、凝固時に内部組織が制御され、厚さも同時に調整できる手法であればいずれであっても良い。これらの手法によって創製したMg基合金(純MgおよびMg二元系合金)の厚さは、0.5mm以下であることが好ましい。より好ましくは、0.3mm以下、さらに好ましくは0.15mm以下である。負極材として使用する場合、電解液に接する表面積が大きいほど電気化学効率に優れるため、厚さが0.5mmを超えると、その効率低下を引き起こす。また、二次電池の重量が大きくなり、軽量化のメリットが低減する。 The internal microstructure and thickness of the above Mg-based alloy material are controlled using rolling and other wrought processes. While rolling is used as an example here, any method capable of imparting strain to the material, such as extrusion or pressing, is acceptable. Of course, wrought processes are not the only option; any method capable of controlling the internal structure and simultaneously adjusting thickness during solidification, such as rapid solidification and twin-roll casting, is also acceptable. The thickness of Mg-based alloys (pure Mg and binary Mg alloys) created using these methods is preferably 0.5 mm or less, more preferably 0.3 mm or less, and even more preferably 0.15 mm or less. When used as a negative electrode material, the greater the surface area in contact with the electrolyte, the greater the electrochemical efficiency; therefore, a thickness exceeding 0.5 mm will result in a decrease in efficiency. Furthermore, the weight of the secondary battery increases, reducing the benefits of weight reduction.

次に、厚さを0.5mm以下に箔化したMg基合金の内部微細組織の特徴について記載する。Mg母相の平均結晶粒サイズは、好ましくは5μm以上、より好ましくは10μm以上、さらに好ましくは20μm以上である。金属冶金学および電気化学学において、優れた電気化学特性を得るためには、結晶粒界を大量に導入する結晶粒微細化が望ましく、結晶粒サイズが微細であるほど、好ましい。しかし、試料厚さが薄い箔材の場合、断面(=厚さ)方向に存在する結晶粒が数個から数十個程度であり、50回以上のサイクル特性を確保するためには、結晶粒界の局所溶解を懸念する必要がある。また、結晶粒サイズの標準偏差は、平均結晶粒サイズと同サイズ以下(100%以下)であること好ましく、より好ましくは75%以下であり、さらに好ましくは50%以下である。
粗大な結晶粒と微細な結晶粒が混在する場合、負極表面全域で均一に充放電サイクルが起こりにくく、粗大または微細な結晶粒サイズからなる不均質な微細組織域が析出・溶解の短絡サイトになりやすく、所定のサイクル特性や電気化学特性を得ることができない。なお、結晶粒サイズの測定は、JIS規格に基づいた切片法(切断法ともいう。JIS H0501、G0551参照)を使用することが望ましい。ただし、結晶粒サイズが微細な場合や、結晶粒界が不鮮明な場合、切片法の使用が困難であるため、透過型電子顕微鏡によって得られる明視野像や電子線後方散乱回折像を用いて、測定してもかまわない。
Next, we describe the characteristics of the internal microstructure of Mg-based alloys foiled to a thickness of 0.5 mm or less. The average grain size of the Mg matrix is preferably 5 μm or more, more preferably 10 μm or more, and even more preferably 20 μm or more. In metallurgy and electrochemistry, grain refinement by introducing a large number of grain boundaries is desirable to obtain excellent electrochemical properties, and the finer the grain size, the better. However, in the case of thin foil samples, the number of grains present in the cross-sectional (i.e., thickness) direction is limited to a few to several tens. To ensure cycle performance of 50 or more cycles, local dissolution of the grain boundaries must be considered. Furthermore, the standard deviation of the grain size is preferably the same size or less (100% or less) as the average grain size, more preferably 75% or less, and even more preferably 50% or less.
When coarse and fine crystal grains are mixed, charge/discharge cycling is difficult to occur uniformly across the entire negative electrode surface, and heterogeneous microstructure regions consisting of coarse or fine crystal grain sizes are likely to become short-circuit sites for precipitation and dissolution, making it impossible to obtain the desired cycle characteristics and electrochemical characteristics. It is desirable to measure the crystal grain size using the section method (also known as the intercept method; see JIS H0501 and G0551) based on JIS standards. However, when the crystal grain size is small or the crystal grain boundaries are unclear, it is difficult to use the section method. Therefore, measurement can be performed using bright-field images or electron backscatter diffraction images obtained by a transmission electron microscope.

電気化学特性を向上させるためには、Mg母相サイズの微細化が有効である(非特許文献1)。塑性加工法を用いてMg母相を微細にするためには、加工温度を低温化することや、一回あたりに付与する加工ひずみ量を増大させることが極めて有効な手段であり、広く活用されている。しかし、低温加工や大ひずみ付与加工で創製されたバルク材は、塑性加工によって導入された転位が回復せず母相内に残存し、残留応力として存在する。Mg基合金に限らず、金属材料創製上、結晶粒サイズの微細化と残留応力の存在は密接な関係がある。他方、残留応力は格子欠陥の集合体であるため、エネルギー的に不安定である。そのため、充放電時の活性化サイトになりやすく、負の組織因子として作用するため、電気化学特性改質の観点からは好ましくない。そのため、結晶粒サイズ以外の微細組織を制御する必要がある。 Refining the size of the Mg matrix is an effective way to improve electrochemical properties (Non-Patent Document 1). Reducing the processing temperature and increasing the amount of processing strain applied per cycle are extremely effective and widely used methods for refining the Mg matrix using plastic processing. However, in bulk materials created using low-temperature processing or large strain processing, dislocations introduced by the plastic processing do not recover and remain in the matrix, existing as residual stress. In the creation of metallic materials, not just Mg-based alloys, there is a close relationship between grain size refinement and the presence of residual stress. However, residual stress is an aggregate of lattice defects and is therefore energetically unstable. Therefore, it is prone to become an activation site during charge and discharge, acting as a negative structural factor, which is undesirable from the perspective of improving electrochemical properties. Therefore, it is necessary to control the microstructure other than grain size.

残留応力を低減するためには、加工時の温度を高温化し、同時に、一回あたりの付与するひずみ量を小さくすることが有効である。別の方法として、低温または大ひずみ付与条件で創製した残留応力が内在する試料に対し、再結晶温度以上で再加熱処理を実施することも有効である。好ましくは、200℃以上、より好ましくは、300℃以上、更に好ましくは400℃以上である。保持時間は、0.25時間以上、24時間以下であることが好ましい。0.25時間未満であると、残留ひずみの拡散が十分に行われず、所望とする微細組織を得ることが難しい。また、24時間を超えると、長時間保持であり、作業効率の観点から望ましくない。なお、残留応力の計測は、電子線後方散乱回折像を取得し、付属の解析ソフトによりKernel Average Misorientation(KAM)像や転位密度像などを用いることが望ましい。KAM値が小さいほど、残留応力がちいさいことを意味するが、平均KAM値が1度以上を示す場合、残留応力が存在すると考えれば良い。また別の手法として、一つのMg結晶粒に注目し、0.5度以上のKAM値に違いがある場合、残留応力が存在するとも考えて良い。電子線後方散乱回折法による観察が難しい時は、X線回折法を基にしたWilamson-Hall法にて評価してもかまわない。 To reduce residual stress, it is effective to increase the processing temperature while simultaneously reducing the amount of strain applied per processing. Alternatively, it is effective to reheat samples with inherent residual stress created under low-temperature or large-strain conditions at temperatures above the recrystallization temperature. This is preferably 200°C or higher, more preferably 300°C or higher, and even more preferably 400°C or higher. The holding time is preferably 0.25 hours to 24 hours. If the holding time is less than 0.25 hours, the residual strain will not diffuse sufficiently, making it difficult to obtain the desired microstructure. Furthermore, if the holding time exceeds 24 hours, the holding time is too long, which is undesirable from the standpoint of work efficiency. Residual stress is measured by acquiring an electron backscatter diffraction image and then using the accompanying analysis software to generate a kernel average misorientation (KAM) image or dislocation density image. The smaller the KAM value, the smaller the residual stress, but if the average KAM value is 1 degree or more, it can be assumed that residual stress is present. Another method is to focus on a single Mg crystal grain, and if there is a difference in KAM value of 0.5 degrees or more, it can also be assumed that residual stress is present. When observation using electron backscatter diffraction is difficult, evaluation can also be performed using the Williamson-Hall method, which is based on X-ray diffraction.

また、Mg基合金を低温で塑性加工した場合、結晶構造に起因したすべり系の乏しさより、Mg母相内に変形双晶を形成する。しかし、一般的な結晶粒界と比較して、変形双晶の界面エネルギーは安定であるため、電気化学特性改善の観点から、Mg母相内に対する高密度の双晶界面の導入は望ましくない。そのため、電子線後方散乱回折法によって取得した全界面長さに対して、好ましくは15%以下、より好ましくは10%以下、さらに好ましくは5%以下である。 Furthermore, when Mg-based alloys are plastically processed at low temperatures, deformation twins form within the Mg matrix due to the lack of slip systems resulting from the crystal structure. However, compared to typical grain boundaries, the interfacial energy of deformation twins is stable, so from the perspective of improving electrochemical properties, it is undesirable to introduce a high density of twin interfaces into the Mg matrix. Therefore, the total interface length obtained by electron backscatter diffraction is preferably 15% or less, more preferably 10% or less, and even more preferably 5% or less.

Mg合金の電気化学特性について説明する。二極式セルを用いたサイクル計測において、好ましくは5回以上、より好ましくは25回以上、更に好ましくは50回以上のサイクル特性を示す。サイクル特性が5回未満の場合、電解液との副反応の問題があるため、負極として適応することができない。また、化学的析出溶解試験に取得できる過電圧は、好ましくは50mV以下、より好ましくは30mV以下、さらに好ましくは20mV以下である。過電圧が50mV以上であると、電池電圧の損失が大きいため、負極として適応することができない。電気化学的析出溶解試験において、電極電位±0.5Vのときに、電流値が好ましくは±10mAcm-2以上、より好ましくは±20mAcm-2以上、更に好ましくは±25mAcm-2以上の値を示す。電流値が±10mAcm-2未満の場合、電気反応が負極により律速されてしまうため、負極として適応することができない。サイクル計測試験や電気化学的析出溶解試験に使用する電解質は、0.1mol/L以上1.5mol/L以下のフルオロアルコキシほう酸マグネシウム塩をあるいはフルオロアルコキシアルミネートマグネシウム塩を溶質として有機エーテル類と配合した電解液の使用が望ましいが、溶質には塩化アルキルマグネシウムや塩化マグネシウム、マグネシウムビストリフルオロメタンスルホニルイミド塩、マグネシウムヘキサメチルジシラジド塩などを代用してもかまわない。 The electrochemical properties of Mg alloys are described below. In cycle measurements using a bipolar cell, the alloy preferably exhibits cycle characteristics of 5 or more, more preferably 25 or more, and even more preferably 50 or more. If the cycle characteristics are less than 5, the alloy cannot be used as a negative electrode due to side reactions with the electrolyte. Furthermore, the overvoltage that can be obtained in a chemical deposition/dissolution test is preferably 50 mV or less, more preferably 30 mV or less, and even more preferably 20 mV or less. If the overvoltage is 50 mV or more, the battery voltage loss is significant, making the alloy unsuitable for use as a negative electrode. In an electrochemical deposition/dissolution test, the current value is preferably ±10 mAcm −2 or more, more preferably ±20 mAcm −2 or more, and even more preferably ±25 mAcm −2 or more when the electrode potential is ±0.5 V. If the current value is less than ±10 mAcm −2 , the electric reaction is rate-limited by the negative electrode, making the alloy unsuitable for use as a negative electrode. The electrolyte used in the cycle measurement test and the electrochemical deposition/dissolution test is preferably an electrolytic solution in which a fluoroalkoxy magnesium borate salt or a fluoroalkoxy magnesium aluminate salt is used as a solute at a concentration of 0.1 mol/L to 1.5 mol/L and blended with an organic ether, but alkyl magnesium chloride, magnesium chloride, magnesium bistrifluoromethanesulfonylimide salt, magnesium hexamethyldisilazide salt, or the like may be used as a substitute for the solute.

本実施形態で用いるテトラキス(ヘキサフルオロイソプロポキシ)ほう酸Mg塩は、水素化ホウ素Mg塩と、ヘキサフルオロイソプロパノールとを反応させることでも合成できる。しかし、水素化ホウ素Mg塩を原料に合成したテトラキス(ヘキサフルオロイソプロポキシ)ほう酸Mg塩を溶質として有機エーテル類と配合した電解液は、二極式セルを用いた電気化学的析出溶解試験のサイクル計測において、5~10回程度の予備サイクルを回さないと、十分な特性を示さない。これに対して、本実施形態で合成したテトラキス(ヘキサフルオロイソプロポキシ)ほう酸Mg塩を溶質として有機エーテル類と配合した電解液は、二極式セルを用いた電気化学的析出溶解試験のサイクル計測において、1回目のサイクルから過電圧80mV程度を示す。
(材料創製)
The magnesium tetrakis(hexafluoroisopropoxy)borate salt used in this embodiment can also be synthesized by reacting magnesium borohydride salt with hexafluoroisopropanol. However, electrolytes containing magnesium tetrakis(hexafluoroisopropoxy)borate salt synthesized from magnesium borohydride salt as a raw material and blended with organic ethers as a solute do not exhibit sufficient characteristics in cycle measurements of electrochemical deposition-dissolution tests using a bipolar cell unless approximately 5 to 10 preliminary cycles are performed. In contrast, the electrolytes synthesized in this embodiment containing magnesium tetrakis(hexafluoroisopropoxy)borate salt as a solute and blended with organic ethers exhibit an overvoltage of approximately 80 mV from the first cycle in cycle measurements of electrochemical deposition-dissolution tests using a bipolar cell.
(Materials Creation)

市販の純Mg(99.96mass%)鋳造材に対し、鋳造欠陥と板形状に形態制御することを目的に押出加工を実施した。押出加工は300℃にて、押出比30:1として、厚さ2mm、長さ500mm以上の板形状からなる押出材を作製した(以下、押出材と称す)。同押出材を長さ100mmに切断し、圧延加工を行った。圧延加工前に、押出材を400℃に設定した電気炉に15分間以上保持した後、ロール温度を300℃以上に設定した圧延機により、厚さが0.05mmになるまで圧延加工を実施した。得られた圧延材の外観写真とマイクロメータにて計測した写真を図1に示す。 Commercially available pure Mg (99.96 mass%) casting material was extruded to eliminate casting defects and achieve plate-shaped control. Extrusion was performed at 300°C with an extrusion ratio of 30:1 to produce plate-shaped extrusions measuring 2 mm thick and 500 mm or longer (hereafter referred to as "extruded material"). The extruded material was cut into 100 mm lengths and rolled. Prior to rolling, the extruded material was held in an electric furnace set to 400°C for at least 15 minutes, and then rolled to a thickness of 0.05 mm using a rolling mill with a roll temperature set to at least 300°C. A photograph of the appearance of the resulting rolled material and a photograph of measurements taken with a micrometer are shown in Figure 1.

電子線後方散乱回折手法によって取得した純Mg圧延材の微細組織観察例を図2に示す。同図は、EDAX解析ソフトによってKernelAverageMisorientation(KAM)像に変換している。図内、隣接する結晶粒同士の結晶粒方位差が15度以上からなる結晶粒界を黒線で表記している。一つの塊が結晶粒一つであり、図内:Gとして表記し、その平均サイズ(=平均結晶粒サイズ)は22.2μmである。同図より、各結晶粒サイズにばらつきが小さく、標準偏差は13.2μmである。また、Mg母相内のコントラストは、残留応力を定性的に示し、結晶粒内のコントラストが黒いほど、大きな残留応力の残存を意味する(例えば、比較例1の図3)。しかし、実施例に示す圧延材には、これらの様相を示す結晶粒の割合が小さく(平均KAM値は0.94度)、残留応力が小さいことを明示している。また、矢印で例示するように、一つの結晶粒に注目すると、母相内にコントラストを形成する。残留応力の存在を示唆が、KAM値は0.2度であり、残留応力は極めて小さいことが分かる。なお、EDAX解析ソフトを用いた界面方位解析より、同図内には変形双晶が存在しなかった。 Figure 2 shows an example of the microstructure of a rolled pure Mg material obtained using electron backscatter diffraction. This image was converted into a Kernel Average Misorientation (KAM) image using EDAX analysis software. Grain boundaries, where the misorientation between adjacent grains is 15 degrees or greater, are indicated by black lines. Each cluster represents a single grain, denoted by G in the image, with an average grain size of 22.2 μm. The image also shows little variation in grain size, with a standard deviation of 13.2 μm. Furthermore, the contrast within the Mg matrix qualitatively indicates residual stress; the darker the contrast within a grain, the greater the residual stress (see, for example, Figure 3 for Comparative Example 1). However, the rolled material shown in the example only exhibits a small proportion of grains exhibiting these characteristics (average KAM value of 0.94 degrees), demonstrating low residual stress. Furthermore, as shown by the arrow, focusing on a single crystal grain reveals a contrast within the matrix. This suggests the presence of residual stress, but the KAM value is 0.2 degrees, indicating that the residual stress is extremely small. Furthermore, interface orientation analysis using EDAX analysis software revealed no deformation twins in the image.

[比較例1]
実施例1の押出材を使用し、電気炉の設定温度が200℃であることと、ロール温度を200℃以下であること以外は、全て同じ条件にて圧延材を創製した。電子線後方散乱回折手法によって取得した純Mg圧延材の微細組織観察例を図3に示す。図2と同じく、EDAX解析ソフトによってKAM像に変換し、結晶粒界を黒線で明記している。平均結晶粒サイズは13.1μm、標準偏差は13.8μmである。一方、図2と比較すると、Mg母相内の様相は大きく異なり、黒いコントラストからなる結晶粒内が多数存在し、平均KAM値は1.21度であり、実施例1の圧延材よりも3割以上の残留応力が高いことが確認できる。また、一つの結晶粒内に明瞭なコントラスト(矢印で明示)を形成し、KAM値は0.8度からなり、やはり、残留応力の存在を裏付けている。実施例と比べて圧延温度が低温であったため、格子拡散および粒界拡散が不十分であり、転位が回復しなかったことが要因である。なお、EDAX解析ソフトを用いた界面方位解析より、同図内、白線で示すように変形双晶の形成が確認できる。全界面長さに対する変形双晶界面の割合は10%である。
[Comparative Example 1]
Using the extruded material of Example 1, rolled materials were created under all the same conditions, except that the electric furnace temperature was set to 200°C and the roll temperature was below 200°C. Figure 3 shows an example of the microstructure of a pure Mg rolled material obtained by electron backscatter diffraction (EBSD). As with Figure 2, the image was converted into a KAM image using EDAX analysis software, with grain boundaries clearly indicated by black lines. The average grain size was 13.1 μm, with a standard deviation of 13.8 μm. Compared to Figure 2, the appearance of the Mg matrix is significantly different, with numerous grains exhibiting black contrast. The average KAM value was 1.21 degrees, confirming a residual stress more than 30% higher than that of the rolled material of Example 1. Furthermore, a clear contrast (indicated by an arrow) was formed within each grain, and the KAM value was 0.8 degrees, again confirming the presence of residual stress. This is due to the lower rolling temperature compared to the example, resulting in insufficient lattice and grain boundary diffusion and failure to recover dislocations. Furthermore, the formation of deformation twins, as indicated by the white lines in the figure, was confirmed by interface orientation analysis using EDAX analysis software. The proportion of deformation twin interfaces to the total interface length was 10%.

実施例1の圧延材を、10×10mmに切断した後、300℃に設定した電気炉内に1時間保持した(以下、熱処理材と称す)。光学顕微鏡観察によって取得した純Mg熱処理材の微細組織観察例を図4に示す。Mg母相の様相は、図3から大きく変化し、平均サイズの粗大化と均質化(標準偏差の低下)が確認できる。残留応力の低減や組織の均質化を図るためには、300℃以上の再熱処理が有効である。
(電気化学特性評価)
The rolled material of Example 1 was cut into 10 x 10 mm2 pieces and then held in an electric furnace set to 300°C for 1 hour (hereinafter referred to as the heat-treated material). Figure 4 shows an example of the microstructure of the heat-treated pure Mg material, obtained by optical microscopy. The appearance of the Mg matrix phase has changed significantly from Figure 3, and coarsening of the average size and homogenization (a decrease in standard deviation) can be confirmed. Reheating at 300°C or higher is effective in reducing residual stress and homogenizing the structure.
(Electrochemical property evaluation)

次に、電気化学評価によって取得した特性を明記する。電解液の調製、2極式セルの組み立てなどのすべての操作はアルゴン雰囲気のグローブボックスにおいて行った。テトラキス(ヘキサフルオロイソプロポキシ)ほう酸マグネシウム塩をジエチレングリコールジメチルエーテルと配合し、電解液を調製した。Mg合金を作用電極とし、ガラス繊維フィルターをセパレーターとして0.2mLの上記電解液を滴下し、多孔質炭素材料を対極として、2極式セルを組み立てた。0.5mAcm-2の電流密度で定電流電圧テストを行った。前記の実施例1材と比較例1材の定電流電圧測定プロファイルを図5に示す。定電流電圧測定プロファイルにおいて、0Vvs.Mgを基準として、負の電圧が印可されている領域ではマグネシウム析出反応が、正の電圧が印可されている領域ではマグネシウム溶解反応が起きている。また析出、溶解いずれの反応も、0Vvs.Mgからの偏差が過電圧に対応する。析出-溶解の1サイクルにおいて、マグネシウム析出に要した電流量とマグネシウム溶解に要した電流量の比を取ることでクーロン効率が算出できる。 Next, the characteristics obtained through electrochemical evaluation are described. All operations, including preparation of the electrolyte and assembly of the two-electrode cell, were performed in a glove box under an argon atmosphere. Tetrakis(hexafluoroisopropoxy)borate magnesium salt was blended with diethylene glycol dimethyl ether to prepare the electrolyte. A two-electrode cell was assembled using an Mg alloy as the working electrode, a glass fiber filter as the separator, 0.2 mL of the above electrolyte, and a porous carbon material as the counter electrode. A constant-current voltage test was performed at a current density of 0.5 mA cm −2 . Figure 5 shows the constant-current voltage measurement profiles of the materials in Example 1 and Comparative Example 1. In the constant-current voltage measurement profiles, with 0 V vs. Mg as the reference, a magnesium deposition reaction occurs in the region where a negative voltage is applied, and a magnesium dissolution reaction occurs in the region where a positive voltage is applied. Furthermore, for both the deposition and dissolution reactions, deviations from 0 V vs. Mg correspond to overvoltages. In one cycle of deposition-dissolution, the coulombic efficiency can be calculated by taking the ratio of the amount of current required for magnesium deposition to the amount of current required for magnesium dissolution.

図6に、各種複合材の定電流電圧測定から算出したクーロン効率を示す。実施例1材では初期サイクル時にクーロン効率の低下が確認されたが、100サイクルに亘って極めて安定にマグネシウム析出溶解反応が起こることが分かった。一方、比較例1材では、40サイクル程度で試料が短絡し、その後の電気化学特性を評価することができなかった。 Figure 6 shows the Coulombic efficiency calculated from constant-current voltage measurements of various composite materials. Although a decrease in Coulombic efficiency was observed during the initial cycles for Example 1, it was found that the magnesium precipitation and dissolution reaction occurred extremely stably over 100 cycles. On the other hand, for Comparative Example 1, the sample shorted out after about 40 cycles, making it impossible to evaluate its electrochemical properties thereafter.

図7は、本発明のMg基合金負極材が使用されるMg二次電池の概略的な構成を示す模式図である。図7に示す通り、Mg二次電池1は、正極11と、負極12と、電解液13と、容器14を備えている。 Figure 7 is a schematic diagram showing the general configuration of an Mg secondary battery that uses the Mg-based alloy negative electrode material of the present invention. As shown in Figure 7, the Mg secondary battery 1 includes a positive electrode 11, a negative electrode 12, an electrolyte 13, and a container 14.

正極11においては、図示しない正極集電体によって、図示しない正極活物質が保持されている。正極集電体は、放電時に正極活物質に電子を供与する機能を有する。正極集電体として使用される物質は、ニッケル、鉄、ステンレス鋼、チタン、アルミニウム等が、耐食性が比較的優れていることと、安価であることから好ましく用いられる。正極活物質として使用される物質は、Mgイオンを挿入及び脱離可能なものであれば特に制限されないが、MgFeSiO、MgMn、又はV等が好ましく用いられる。正極11の具体的な構成としては、例えばステンレス上にVを塗工した構成が挙げられる。 In the positive electrode 11, a positive electrode active material (not shown) is held by a positive electrode current collector (not shown). The positive electrode current collector has the function of donating electrons to the positive electrode active material during discharge. Materials used as the positive electrode current collector include nickel, iron, stainless steel, titanium, and aluminum, which are relatively corrosion-resistant and inexpensive. The material used as the positive electrode active material is not particularly limited as long as it can insert and extract Mg ions, but MgFeSiO 4 , MgMn 2 O 4 , or V 2 O 5 is preferably used. A specific configuration of the positive electrode 11 may be, for example, a configuration in which V 2 O 5 is coated on stainless steel.

負極12には、本発明のMg基合金負極材が用いられる。
電解液13は、図示しないセパレータによって保持され、正極11と負極12との間にイオン電導性を生じさせる。電解液13は、Mgイオンを含む。放電時にMgイオンは正極11で還元反応(例えば、後述の式(1)の反応)を、負極12で酸化反応(例えば、後述の式(2)の反応)を起こす。充電時にMgイオンは正極11で酸化反応(例えば、後述の式(3)の反応)を、負極12で還元反応(例えば、後述の式(4)の反応)を起こす。これら酸化還元反応により、Mg二次電池の充放電が可能となる。
The negative electrode 12 is made of the Mg-based alloy negative electrode material of the present invention.
The electrolyte 13 is held by a separator (not shown) and generates ionic conductivity between the positive electrode 11 and the negative electrode 12. The electrolyte 13 contains Mg ions. During discharge, the Mg ions undergo a reduction reaction (e.g., the reaction of formula (1) described below) at the positive electrode 11 and an oxidation reaction (e.g., the reaction of formula (2) described below) at the negative electrode 12. During charge, the Mg ions undergo an oxidation reaction (e.g., the reaction of formula (3) described below) at the positive electrode 11 and a reduction reaction (e.g., the reaction of formula (4) described below) at the negative electrode 12. These oxidation-reduction reactions enable the Mg secondary battery to be charged and discharged.

[化1]
+Mg2++2e- → MgV … 式(1)
Mg → Mg2++2e- … 式(2)
MgV → V+Mg2++2e- … 式(3)
Mg2++2e- → Mg … 式(4)
[Chemical formula 1]
V 2 O 5 +Mg 2+ +2e- → MgV 2 O 5 ... Formula (1)
Mg → Mg 2+ +2e- … Formula (2)
MgV 2 O 5 → V 2 O 5 +Mg 2+ +2e-... Formula (3)
Mg 2+ +2e- → Mg… Formula (4)

これら正極11、負極12、電解液13は、容器14に封入される。容器14の材質等は電解液の漏れがなく、耐食性を有するものであれば特に制限されないが、鉄等の金属板をプレス加工して形成され、内面及び外面の表面全体に耐食のためのニッケル等のめっき層が形成されたもの等が好ましく用いられる。 The positive electrode 11, negative electrode 12, and electrolyte 13 are sealed in a container 14. There are no particular restrictions on the material of the container 14, as long as it is corrosion-resistant and does not leak the electrolyte. However, a container formed by pressing a metal plate such as iron, with a plating layer of nickel or the like formed on the entire inner and outer surfaces for corrosion resistance, is preferably used.

本実施形態に係る電解液13は、主溶媒としての有機溶媒と、Mg塩を含むものでもよく、またMgイオン伝導性を有する無機溶媒でもよい。 The electrolyte solution 13 according to this embodiment may contain an organic solvent as the main solvent and a magnesium salt, or may be an inorganic solvent with magnesium ion conductivity.

なお、上記の本発明の実施形態は、Mg二次電池の一例を説明したものにすぎず、制限的に解釈されるべきものではなく、Mg二次電池の技術分野において自明な技術的事項も含まれる。 The above-described embodiment of the present invention merely describes one example of an Mg secondary battery and should not be interpreted as limiting, and also includes technical matters that are obvious in the technical field of Mg secondary batteries.

本発明のMg基合金は、優れた電気化学特性を示すことから、Mg一次電池はもちろんのことMg二次電池用のMg基合金負極材として使用が可能である。
本発明のMg基合金負極材は、Mg二次電池に用いることができる。
また、Mgは低密度であり、素材の厚さが薄いため、本発明のMg基合金負極材の組成を有するMg基合金箔として、アルミニウム箔に代替できる軽量箔材として適応が可能である。
The Mg-based alloy of the present invention exhibits excellent electrochemical properties and can therefore be used as an Mg-based alloy negative electrode material for Mg secondary batteries as well as for Mg primary batteries.
The Mg-based alloy negative electrode material of the present invention can be used in Mg secondary batteries.
Furthermore, since Mg has a low density and is a thin material, an Mg-based alloy foil having the composition of the Mg-based alloy negative electrode material of the present invention can be used as a lightweight foil material that can replace aluminum foil.

1…Mg二次電池
11…正極
12…負極
13…電解液
14…容器
G…結晶粒
1...Mg secondary battery 11...Positive electrode 12...Negative electrode 13...Electrolyte solution 14...Container G...Crystal grain

Claims (8)

Mgと不可避的成分からなるMgであって、厚みが7μm以上0.5mm以下のMg負極材であって、
前記Mg負極材のMg母相内の残留応力は、
電子線後方散乱回折像を取得し、Mg結晶粒の平均KAM値(Kernel Average Misorientation)が1度未満を示す場合、または一つのMg結晶粒に注目し、0.5度未満のKAM値に違いがある場合である、
ことを特徴とするMg負極材。
The Mg negative electrode material is composed of Mg and inevitable components and has a thickness of 7 μm or more and 0.5 mm or less,
The residual stress in the Mg matrix of the Mg negative electrode material is
An electron backscatter diffraction image is obtained, and the average KAM (kernel average misorientation) value of the Mg crystal grains is less than 1 degree, or when focusing on one Mg crystal grain, there is a difference in the KAM value of less than 0.5 degrees.
A magnesium negative electrode material characterized by:
切片法によって計測したMg母相の平均結晶粒サイズが5μm以上であることを特徴とする請求項に記載のMg負極材。 2. The Mg negative electrode material according to claim 1 , wherein the average crystal grain size of the Mg matrix measured by the intercept method is 5 μm or more. 切片法によって計測したMg母相結晶粒サイズの標準偏差が、平均結晶粒サイズ以内であることを特徴とする請求項又はに記載のMg負極材。 3. The Mg negative electrode material according to claim 1 , wherein the standard deviation of the Mg parent phase crystal grain size measured by the intercept method is within the average crystal grain size. Mg母相内に変形双晶が存在しないことを特徴とする請求項乃至の何れか1項に記載のMg負極材。 4. The Mg negative electrode material according to claim 1 , wherein no deformation twin crystals are present in the Mg matrix. 二極式セルを用いたサイクル計測において、50回以上のサイクル特性を示すことを特徴とする請求項乃至の何れか1項に記載のMg負極材。 5. The Mg negative electrode material according to claim 1 , which exhibits cycle characteristics of 50 or more cycles in cycle measurements using a bipolar cell. Mg金属の電気化学的析出溶解試験において、過電圧30mV以下の特性を示すことを特徴とする請求項乃至の何れか1項に記載のMg負極材。 6. The Mg negative electrode material according to claim 1 , which exhibits an overvoltage of 30 mV or less in an electrochemical deposition-dissolution test of Mg metal. Mg金属の電気化学的析出溶解試験において、電極電位±0.5Vのときに、±10mAcm-2以上の電流密度を示すことを特徴とする請求項乃至の何れか1項に記載のMg負極材。 The Mg negative electrode material according to any one of claims 1 to 6 , characterized in that it shows a current density of ±10 mA cm -2 or more when the electrode potential is ±0.5 V in an electrochemical deposition-dissolution test of Mg metal. 請求項乃至の何れか1項に記載のMg負極材と、電解質と正極によって構成されたMg二次電池。
8. A Mg secondary battery comprising the Mg negative electrode material according to claim 1 , an electrolyte, and a positive electrode.
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