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JP7828598B2 - A negative electrode active material, a negative electrode material, an alkaline ion battery comprising the negative electrode material, and a method for manufacturing the negative electrode active material. - Google Patents
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A negative electrode active material, a negative electrode material, an alkaline ion battery comprising the negative electrode material, and a method for manufacturing the negative electrode active material.

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JP7828598B2 JP2021132891A JP2021132891A JP7828598B2 JP 7828598 B2 JP7828598 B2 JP 7828598B2 JP 2021132891 A JP2021132891 A JP 2021132891A JP 2021132891 A JP2021132891 A JP 2021132891A JP 7828598 B2 JP7828598 B2 JP 7828598B2
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Description

本発明は、負極活物質、負極材料及び該負極材料を備えるアルカリイオン電池、並びに、負極活物質の製造方法に関する。 This invention relates to a negative electrode active material, a negative electrode material, an alkaline ion battery comprising the negative electrode material, and a method for producing the negative electrode active material.

金属硫化物は、優れた酸化還元反応特性と、熱安定性及び機械的性能を有するため、高性能ナトリウムイオン電池(SIB)等に代表されるアルカリイオン電池の負極材料を形成するための負極活物質として有望な化合物である。 Metal sulfides possess excellent redox reaction characteristics, thermal stability, and mechanical properties, making them promising compounds for use as negative electrode active materials in alkaline-ion batteries, such as high-performance sodium-ion batteries (SIBs).

例えば、非特許文献1には、凍結乾燥法及び水熱プロセスによって合成された、スポンジ状カーボンマトリックスに固定されたコバルト硫化物を、ナトリウムイオン電池の負極材料として適用することが提案されている。斯かる負極材料によれば、ナトリウムイオン電池の貯蔵性能を大幅に向上させることができるものとされている。 For example, Non-Patent Document 1 proposes using cobalt sulfide, immobilized on a sponge-like carbon matrix synthesized by freeze-drying and hydrothermal processes, as a negative electrode material for sodium-ion batteries. Such a negative electrode material is said to significantly improve the storage performance of sodium-ion batteries.

Chemical Engineering Journal 332 (2018) 370-376Chemical Engineering Journal 332 (2018) 370-376

しかしながら、近年の電池分野においては、従来よりもサイクル特性をさらに向上させることが強く求められており、これに伴い、優れたサイクル特性をもたらすことが可能な電池材料の開発が要求されている。この観点から、アルカリイオン電池の負極材料に適用したときに優れたサイクル特性をもたらすことができる負極活物質を開発することは、電池分野において極めて重要な位置づけであるといえる。 However, in recent years, there has been a strong demand for further improvements in cycle characteristics in the battery field. Accordingly, the development of battery materials capable of providing superior cycle characteristics is required. From this perspective, developing anode active materials that can provide excellent cycle characteristics when applied to the anode material of alkaline-ion batteries is of extremely important importance in the battery field.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、アルカリイオン電池に優れたサイクル特性をもたらすことができる負極活物質、負極材料及び該負極材料を備えるアルカリイオン電池、並びに、負極活物質の製造方法を提供することを目的とする。 This invention has been made in view of the above, and aims to provide a negative electrode active material, a negative electrode material, and an alkaline ion battery equipped with the negative electrode material, which can provide excellent cycle characteristics to an alkaline ion battery, as well as a method for producing the negative electrode active material.

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、特定の遷移金属を含む金属硫化物を使用することにより上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。 The inventors of this invention, through diligent research to achieve the above objective, discovered that this objective can be achieved by using metal sulfides containing specific transition metals, and thus completed the present invention.

すなわち、本発明は、例えば、以下の項に記載の主題を包含する。
項1
アルカリイオン電池用負極活物質であって、
金属硫化物を含有し、
当該金属硫化物は、Co、Ni、Zn、Mo、Mn、Cu、Fe及びVからなる群より選ばれる少なくとも3種の遷移金属を含有する、負極活物質。
項2
前記金属硫化物は粒子状である、項1に記載の負極活物質。
項3
項1又は2に記載の負極活物質を含む、負極材料。
項4
項3に記載の負極材料を備える、アルカリイオン電池。
項5
項1又は2に記載の負極活物質の製造方法において、
Co、Ni、Zn、Mo、Mn、Cu、Fe及びVからなる群より選ばれる少なくとも3種の遷移金属を含有する金属源と、有機配位子を含む原料とを混合して、金属有機構造体を得る工程1と、
前記工程1で得られた金属有機構造体及び硫黄源を含む原料を加熱処理することで生成物を得る工程2と、
を備える、負極活物質の製造方法。
In other words, the present invention encompasses, for example, the subject matter described in the following sections.
Item 1
A negative electrode active material for alkaline ion batteries,
It contains metal sulfides,
The metal sulfide is a negative electrode active material containing at least three transition metals selected from the group consisting of Co, Ni, Zn, Mo, Mn, Cu, Fe, and V.
Section 2
The negative electrode active material according to item 1, wherein the metal sulfide is in particulate form.
Section 3
A negative electrode material comprising the negative electrode active material described in item 1 or 2.
Section 4
An alkaline ion battery comprising the negative electrode material described in item 3.
Item 5
In the method for producing a negative electrode active material described in item 1 or 2,
Step 1 involves mixing a metal source containing at least three transition metals selected from the group consisting of Co, Ni, Zn, Mo, Mn, Cu, Fe, and V with a raw material containing an organic ligand to obtain a metal-organic structure.
Step 2 involves heat-treating the raw materials, including the metal-organic structure and sulfur source obtained in Step 1, to obtain a product.
A method for producing a negative electrode active material, comprising the same components.

本発明の負極活物質は、アルカリイオン電池に優れたサイクル特性をもたらすことができる。 The negative electrode active material of the present invention can provide excellent cycle characteristics to alkaline ion batteries.

(a)は実施例1で得られた負極活物質のSEM画像、(b)は実施例2で得られた負極活物質のSEM画像、(c)は実施例3で得られた負極活物質のSEM画像を示す。(a) is an SEM image of the negative electrode active material obtained in Example 1, (b) is an SEM image of the negative electrode active material obtained in Example 2, and (c) is an SEM image of the negative electrode active material obtained in Example 3. 各実施例で得られた負極活物質のX線回折測定(XRD)結果を示す。The X-ray diffraction (XRD) measurement results of the negative electrode active materials obtained in each example are shown. 各作製例で組み立てた電池の定電流充放電試験の結果を示す。The results of constant current charge-discharge tests on the batteries assembled in each example are shown.

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書中において、「含有」及び「含む」なる表現については、「含有」、「含む」、「実質的にからなる」及び「のみからなる」という概念を含む。 The embodiments of the present invention will be described in detail below. In this specification, the terms "containing" and "including" encompass the concepts of "containing," "including," "substantially consisting of," and "consisting solely of."

1.負極活物質
本発明の負極活物質は、アルカリイオン電池に用いられる負極活物質であって、金属硫化物を含有する。当該金属硫化物は、Co、Ni、Zn、Mo、Mn、Cu、Fe及びVからなる群より選ばれる少なくとも3種の遷移金属を含有する。本発明の負極活物質は、アルカリイオン電池(例えば、ナトリウムイオン電池)を構成するための負極材料として使用することができ、アルカリイオン電池に優れたサイクル特性をもたらすことができる。
1. Negative Electrode Active Material The negative electrode active material of the present invention is a negative electrode active material used in alkaline-ion batteries and contains a metal sulfide. The metal sulfide contains at least three transition metals selected from the group consisting of Co, Ni, Zn, Mo, Mn, Cu, Fe, and V. The negative electrode active material of the present invention can be used as a negative electrode material for constructing alkaline-ion batteries (for example, sodium-ion batteries) and can provide excellent cycle characteristics to alkaline-ion batteries.

金属硫化物は、少なくとも3種の前記遷移金属を含有する硫化物である。金属硫化物に含まれる遷移金属は、3種のみであってもよい。金属硫化物としては、例えば、複数の遷移金属元素を含む複合硫化物を挙げることができる。この複合硫化物では、硫化物のフレームワーク中に各々の遷移金属が存在することができ、具体的には、各遷移金属が硫黄と結合して存在することができる。複合硫化物は、一つの硫黄原子に異なる2種以上の遷移金属が結合することができる。また、負極活物質の他の実施形態としては、負極活物質は、複数種の金属硫化物を含むことができ、例えば、異なる3種以上の金属硫化物の混合物を含むことができ、あるいは2種の遷移金属で構成される複合硫化物と、1種の遷移金属で構成される硫化物との混合物を含むこともできる。 The metal sulfide is a sulfide containing at least three of the aforementioned transition metals. The transition metals contained in the metal sulfide may be limited to three. Examples of metal sulfides include composite sulfides containing multiple transition metal elements. In these composite sulfides, each transition metal can exist within the sulfide framework; specifically, each transition metal can exist bonded to sulfur. In the composite sulfide, two or more different transition metals can be bonded to a single sulfur atom. Furthermore, in other embodiments of the negative electrode active material, the negative electrode active material may contain multiple metal sulfides, for example, a mixture of three or more different metal sulfides, or a mixture of a composite sulfide composed of two transition metals and a sulfide composed of one transition metal.

アルカリイオン電池に優れたサイクル特性をもたらすことができ、かつ、簡便な方法で製造できるという点で、金属硫化物は複合硫化物であることが好ましく、3種又は3種以上の遷移金属で構成される複合硫化物であることがより好ましい。 In order to provide excellent cycle characteristics to alkaline-ion batteries and to be manufactured by a simple method, metal sulfides are preferably composite sulfides, and more preferably composite sulfides composed of three or more transition metals.

金属硫化物に含まれる遷移金属は、少なくともCo、Ni及びZnを含むことが好ましい。この場合、簡便な方法で負極活物質を製造することができ、また、アルカリイオン電池に特に優れたサイクル特性をもたらすことができる。金属硫化物に含まれる遷移金属は、Co、Ni及びZnの3種のみであってもよく、中でも、Co、Ni及びZnの複合硫化物であることが好ましい。ただし、この場合において、金属硫化物に不可避的に含まれる金属元素を排除するものではない。 The transition metals contained in the metal sulfide preferably include at least Co, Ni, and Zn. In this case, the negative electrode active material can be manufactured by a simple method, and particularly excellent cycle characteristics can be obtained for alkaline-ion batteries. The transition metals contained in the metal sulfide may consist of only Co, Ni, and Zn, and among these, a composite sulfide of Co, Ni, and Zn is preferred. However, this does not exclude metal elements that are inevitably present in the metal sulfide.

金属硫化物において、各遷移金属の含有割合は特に限定されず、少なくとも3種の遷移金属元素を有する限りは、あらゆる含有割合であっても目的の負極活物質になり得る。例えば、金属硫化物が前述のように、Co、Ni及びZnを含む場合、例えば、Niの100質量部に対するCoの含有量は10質量部以上であることが好ましく、50質量部以上であることがより好ましく、80質量部以上であることがさらに好ましく、100質量部以上であることが特に好ましい。また、Niの100質量部に対するCoの含有量は1000質量部以下であることが好ましく、800質量部以下であることがより好ましく、500質量部以下であることがさらに好ましく、300質量部以下であることがさらに好ましく、200質量部以下であることが特に好ましい。 In metal sulfides, the content ratio of each transition metal is not particularly limited; as long as at least three transition metal elements are present, any content ratio can result in the desired negative electrode active material. For example, when the metal sulfide contains Co, Ni, and Zn as described above, the Co content per 100 parts by mass of Ni is preferably 10 parts by mass or more, more preferably 50 parts by mass or more, even more preferably 80 parts by mass or more, and particularly preferably 100 parts by mass or more. Furthermore, the Co content per 100 parts by mass of Ni is preferably 1000 parts by mass or less, more preferably 800 parts by mass or less, even more preferably 500 parts by mass or less, even more preferably 300 parts by mass or less, and particularly preferably 200 parts by mass or less.

また、金属硫化物が前述のように、Co、Ni及びZnを含む場合、例えば、Niの100質量部に対するZnの含有量は質量部以上であることが好ましく、5質量部以上であることが好ましく、10質量部以上であることがより好ましく、20質量部以上であることがさらに好ましく、25質量部以上であることが特に好ましい。また、Niの100質量部に対するZnの含有量は100質量部以下であることが好ましく、80質量部以下であることがより好ましく、60質量部以下であることがさらに好ましく、50質量部以下であることがさらに好ましく、40質量部以下であることが特に好ましい。 Furthermore, when the metal sulfide contains Co, Ni, and Zn as described above, for example, the Zn content per 100 parts by mass of Ni is preferably 5 parts by mass or more, more preferably 10 parts by mass or more, even more preferably 20 parts by mass or more, and particularly preferably 25 parts by mass or more. Also, the Zn content per 100 parts by mass of Ni is preferably 100 parts by mass or less, more preferably 80 parts by mass or less, even more preferably 60 parts by mass or less, even more preferably 50 parts by mass or less, and particularly preferably 40 parts by mass or less.

金属硫化物の形状は特に限定されず、種々の形状を形成することができる。特に、金属硫化物は、粒子状であることが好ましい。この場合、金属硫化物は、多孔質状粒子、中空粒子、不定形粒子、球状粒子等、種々の形状をとることができる。 The shape of the metal sulfide is not particularly limited and can form various shapes. In particular, the metal sulfide is preferably particulate. In this case, the metal sulfide can take various shapes such as porous particles, hollow particles, amorphous particles, and spherical particles.

金属硫化物が粒子状である場合、その平均粒子径は特に限定されず、例えば、500nm~100μmとすることができる。この場合、負極活物質は、アルカリイオン電池に優れたサイクル特性をもたらしやすい。金属硫化物が粒子状である場合、その平均粒子径は、1~50μmであることが好ましく、2~80μmであることがより好ましく、3~60μmであることがさらに好ましく、5~30μmであることが特に好ましい。ここでいう平均粒子径とは、金属硫化物の走査型電子顕微鏡による直接観察によって無作為に50個の粒子を選択し、これらの円相当径を計測して算術平均した値をいう。 When the metal sulfide is in particulate form, its average particle size is not particularly limited and can be, for example, 500 nm to 100 μm. In this case, the negative electrode active material tends to provide excellent cycle characteristics to alkaline ion batteries. When the metal sulfide is in particulate form, its average particle size is preferably 1 to 50 μm, more preferably 2 to 80 μm, even more preferably 3 to 60 μm, and particularly preferably 5 to 30 μm. Here, the average particle size refers to the value obtained by arithmetic mean of 50 randomly selected particles obtained by direct observation of the metal sulfide using a scanning electron microscope, and measuring their equivalent circular diameters.

負極活物質は、前記金属硫化物の他、本発明の効果が阻害されない程度である限り、他の成分を含むことができ、あるいは、負極活物質は前記金属硫化物のみとすることもできる。負極活物質に含まれる前記金属硫化物の含有割合は、90質量%以上であることが好ましく、95質量%以上であることがより好ましく、99質量%以上であることがさらに好ましい。負極活物質に前記金属硫化物が存在するかどうかは、負極活物質のXRDスペクトルから判断することができる。 The negative electrode active material may contain other components in addition to the metal sulfide, as long as the effects of the present invention are not hindered, or the negative electrode active material may consist solely of the metal sulfide. The content of the metal sulfide in the negative electrode active material is preferably 90% by mass or more, more preferably 95% by mass or more, and even more preferably 99% by mass or more. Whether or not the metal sulfide is present in the negative electrode active material can be determined from the XRD spectrum of the negative electrode active material.

負極活物質を製造する方法は特に限定されない。例えば、後記する工程1及び工程2を備える製造方法によって、本発明の負極活物質を製造することができる。 The method for producing the negative electrode active material is not particularly limited. For example, the negative electrode active material of the present invention can be produced by a production method comprising steps 1 and 2 described below.

2.負極活物質の製造方法
本発明の負極活物質の製造方法は、例えば、下記の工程1及び工程2を備えることができる。
工程1:Co、Ni、Zn、Mo、Mn、Cu、Fe及びVからなる群より選ばれる少なくとも3種の遷移金属を含有する金属源と、有機配位子を含む原料とを混合して、金属有機構造体を得る工程。
工程2:前記工程1で得られた金属有機構造体及び硫黄源を含む原料を加熱処理することで生成物を得る工程。
2. Method for producing the negative electrode active material The method for producing the negative electrode active material of the present invention may comprise, for example, the following steps 1 and 2.
Step 1: A step of obtaining a metal-organic structure by mixing a metal source containing at least three transition metals selected from the group consisting of Co, Ni, Zn, Mo, Mn, Cu, Fe, and V with a raw material containing an organic ligand.
Step 2: A step of obtaining a product by heat-treating the raw materials, which include the metal-organic structure and sulfur source obtained in Step 1.

上記工程1及び工程2を備える製造方法により、負極活物質を製造することができ、例えば、前述の本発明の負極活物質を製造することができる。 The manufacturing method comprising steps 1 and 2 described above can produce a negative electrode active material, and for example, the negative electrode active material of the present invention described above can be produced.

(工程1)
工程1では、Co、Ni、Zn、Mo、Mn、Cu、Fe及びVからなる群より選ばれる少なくとも3種の遷移金属を含有する金属源と、有機配位子を含む原料とを混合する。
(Step 1)
In step 1, a metal source containing at least three transition metals selected from the group consisting of Co, Ni, Zn, Mo, Mn, Cu, Fe, and V is mixed with a raw material containing an organic ligand.

金属源は、遷移金属単体であってもよいし、遷移金属の化合物であってもよいし、これらの混合物であってもよく、好ましくは、遷移金属の化合物を少なくとも3種含むことである。 The metal source may be a transition metal element, a transition metal compound, or a mixture thereof, preferably containing at least three transition metal compounds.

遷移金属の化合物の種類は特に限定されず、例えば、各種遷移金属の無機化合物、各種遷移金属の塩化物、各種遷移金属の有機化合物を挙げることができる。遷移金属の無機化合物としては、例えば、遷移金属の酸化物、遷移金属のオキソアニオンを含む化合物(金属酸塩)、遷移金属の硝酸塩、硫酸塩、塩化物、塩素酸塩、過塩素酸塩、クロリド錯体、炭酸塩、炭酸水素塩、リン酸塩及びリン酸水素塩等を挙げることができ、中でも、遷移金属の無機化合物は、硝酸塩であることが好ましい。遷移金属の有機化合物としては、酢酸塩、シュウ酸塩、蟻酸塩及びコハク酸塩等を挙げることができる。 The types of transition metal compounds are not particularly limited; for example, inorganic compounds of various transition metals, chlorides of various transition metals, and organic compounds of various transition metals can be cited. Examples of inorganic transition metal compounds include oxides of transition metals, compounds containing oxoanions of transition metals (metal salts), nitrates, sulfates, chlorides, chlorates, perchlorates, chloride complexes, carbonates, bicarbonates, phosphates, and hydrogen phosphates of transition metals. Among these, nitrates are preferred for the inorganic transition metal compounds. Examples of organic transition metal compounds include acetates, oxalates, formates, and succinates.

金属源は、Coの化合物、Niの化合物、Znの化合物、Moの化合物、Mnの化合物、Cuの化合物、Feの化合物及びVの化合物からなる群より選ばれる少なくとも3種の化合物を含むことが好ましく、中でもCoの硝酸塩、Niの硝酸塩、Znの硝酸塩、Moの硝酸塩、Mnの硝酸塩、Cuの硝酸塩、Feの硝酸塩及びVの硝酸塩からなる群より選ばれる少なくとも3種の硝酸塩を含むことが好ましい。この場合、より簡便な方法で負極活物質を製造することができる。例えば、工程1で使用する金属源は、Coの硝酸塩、Niの硝酸塩及び亜鉛の硝酸塩を含むことが好ましい。工程1で使用する金属源に含まれる遷移金属はCo、Ni及びZnの3種のみであってもよい。 The metal source preferably contains at least three compounds selected from the group consisting of Co compounds, Ni compounds, Zn compounds, Mo compounds, Mn compounds, Cu compounds, Fe compounds, and V compounds. In particular, it is preferable to contain at least three nitrates selected from the group consisting of Co nitrate, Ni nitrate, Zn nitrate, Mo nitrate, Mn nitrate, Cu nitrate, Fe nitrate, and V nitrate. In this case, the negative electrode active material can be produced by a simpler method. For example, the metal source used in step 1 preferably contains Co nitrate, Ni nitrate, and zinc nitrate. The transition metals included in the metal source used in step 1 may be only Co, Ni, and Zn.

金属源は、溶媒に溶解又は分散させることができる。斯かる溶媒は、例えば、水、エタノール、イソプロパノール等のアルコール系溶媒;アセトン、メチルエチルケトン等のケトン系溶媒等が挙げられ、その他、N,N-ジメチルホルムアミド、グリセロール、エチレングリコール、N,N-ジエチルホルムアミド、N-メチル-2-ピロリドン、アセトニトリル、トリエチルアミン、テトラヒドロフラン等を挙げることができる。溶媒は水と有機溶媒との溶媒であってもよい。金属源を溶媒に溶解又は分散させることで遷移金属を含有する金属源は溶液又は分散液である。 The metal source can be dissolved or dispersed in a solvent. Examples of such solvents include alcohol-based solvents such as water, ethanol, and isopropanol; ketone-based solvents such as acetone and methyl ethyl ketone; and others such as N,N-dimethylformamide, glycerol, ethylene glycol, N,N-diethylformamide, N-methyl-2-pyrrolidone, acetonitrile, triethylamine, and tetrahydrofuran. The solvent may also be a mixture of water and an organic solvent. By dissolving or dispersing the metal source in a solvent, the metal source containing the transition metal becomes a solution or dispersion.

金属源の溶液又は分散液の濃度は特に限定されず、例えば、遷移金属の全濃度を1~1000g/Lとすることができ、好ましくは5~500g/L、さらに好ましくは10~100g/Lである。 The concentration of the metal source solution or dispersion is not particularly limited; for example, the total concentration of the transition metal can be 1 to 1000 g/L, preferably 5 to 500 g/L, and more preferably 10 to 100 g/L.

金属源において、各遷移金属の含有割合は特に限定されず、少なくとも3種の遷移金属元素を有する限りは、あらゆる含有割合であっても目的の負極活物質が製造され得る。例えば、金属源に含まれる遷移金属がCo、Ni及びZnを含む場合、例えば、Niの100質量部に対するCoの含有量は10質量部以上であることが好ましく、50質量部以上であることがより好ましく、80質量部以上であることがさらに好ましく、100質量部以上であることが特に好ましい。また、Niの100質量部に対するCoの含有量は1000質量部以下であることが好ましく、800質量部以下であることがより好ましく、500質量部以下であることがさらに好ましく、300質量部以下であることがさらに好ましく、200質量部以下であることが特に好ましい。また、Niの100質量部に対するZnの含有割合は1質量部以上であることが好ましく、5質量部以上であることが好ましく、10質量部以上であることがより好ましく、20質量部以上であることがさらに好ましく、25質量部以上であることが特に好ましい。また、Niの100質量部に対するZnの含有量は100質量部以下であることが好ましく、80質量部以下であることがより好ましく、60質量部以下であることがさらに好ましく、50質量部以下であることがさらに好ましく、40質量部以下であることが特に好ましい。 In the metal source, the content ratio of each transition metal is not particularly limited, and as long as it contains at least three transition metal elements, the desired anode active material can be produced with any content ratio. For example, when the transition metals contained in the metal source include Co, Ni, and Zn, for example, the Co content per 100 parts by mass of Ni is preferably 10 parts by mass or more, more preferably 50 parts by mass or more, even more preferably 80 parts by mass or more, and particularly preferably 100 parts by mass or more. Also, the Co content per 100 parts by mass of Ni is preferably 1000 parts by mass or less, more preferably 800 parts by mass or less, even more preferably 500 parts by mass or less, even more preferably 300 parts by mass or less, and particularly preferably 200 parts by mass or less. Also, the Zn content per 100 parts by mass of Ni is preferably 1 part by mass or more, preferably 5 parts by mass or more, more preferably 10 parts by mass or more, even more preferably 20 parts by mass or more, and particularly preferably 25 parts by mass or more. Furthermore, the Zn content per 100 parts by mass of Ni is preferably 100 parts by mass or less, more preferably 80 parts by mass or less, even more preferably 60 parts by mass or less, even more preferably 50 parts by mass or less, and particularly preferably 40 parts by mass or less.

工程1で使用する有機配位子を含む原料において、有機配位子の種類は特に限定されず、遷移金属に配位することができる有機配位子を広く挙げることができる。例えば、配位子として機能することが知られている芳香族系カルボン酸化合物、イミダゾール化合物、アミノ化合物等を挙げることができる。 In the raw materials containing the organic ligand used in step 1, the type of organic ligand is not particularly limited, and a wide range of organic ligands capable of coordinating to transition metals can be mentioned. For example, aromatic carboxylic acid compounds, imidazole compounds, amino compounds, etc., known to function as ligands, can be mentioned.

具体的に有機配位子としては、p-ベンゼンジカルボン酸(H2BDC)、o-ベンゼンジカルボン酸、m-ベンゼンジカルボン酸、2,5-ジヒドロキシテレフタル酸(H4DOBDC)、1,3,5-ベンゼントリカルボン酸(H3BTC)、1,4-ベンゼンジカルボキシレート、2,4,6-トリス(4-カルボキシフェニル)-1,3,5-トリアジン(H3TATB)、2-アミノテレフタル酸(NH2BDC)、2-メチルイミダゾール(2-MIM)、1-メチルイミダゾール(1-MIM)、1,4-ビス(イミダゾール-1-イル)ベンゼン(1,4-BIB)、4-(イミダゾール-1-イル)フタル酸(H2IPC)、4,4’-ジメチル-2,2’-ビピリジル、4,4’-オキシビス安息香酸、フマル酸、シュウ酸、コハク酸、ビフェニル-3,4’、5-トリカルボン酸(BPTC)、4,4’-ビフェニルジカルボキシレート(BPDC)、2,5-ジオキシドテレフタレート(DOT)等を挙げることができる。有機配位子は1種単独であってもよいし、2種以上を使用することもできる。 Specifically, the organic ligands include p-benzenedicarboxylic acid (H2BDC), o-benzenedicarboxylic acid, m-benzenedicarboxylic acid, 2,5-dihydroxyterephthalic acid (H4DOBDC), 1,3,5-benzenetricarboxylic acid (H3BTC), 1,4-benzenedicarboxylate, 2,4,6-tris(4-carboxyphenyl)-1,3,5-triazine (H3TATB), 2-aminoterephthalic acid (NH2BDC), 2-methylimidazole (2-MIM), 1- Examples include methylimidazole (1-MIM), 1,4-bis(imidazole-1-yl)benzene (1,4-BIB), 4-(imidazole-1-yl)phthalic acid (H2IPC), 4,4'-dimethyl-2,2'-bipyridyl, 4,4'-oxybisbenzoic acid, fumaric acid, oxalic acid, succinic acid, biphenyl-3,4',5-tricarboxylic acid (BPTC), 4,4'-biphenyl dicarboxylate (BPDC), and 2,5-dioxide terephthalate (DOT). The organic ligand may be used alone or in combination of two or more.

得られる負極活物質がアルカリイオン電池に優れたサイクル特性をもたらしやすい点で、有機配位子はp-ベンゼンジカルボン酸(H2BDC)であることが特に好ましい。 The resulting negative electrode active material is likely to provide excellent cycle characteristics in alkaline-ion batteries, and therefore, the organic ligand is particularly preferably p-benzenedicarboxylic acid (H2BDC).

有機配位子を含む原料は溶媒を含むことができる。斯かる溶媒は、例えば、水、エタノール、イソプロパノール等のアルコール系溶媒;アセトン、メチルエチルケトン等のケトン系溶媒等が挙げられ、その他、N,N-ジメチルホルムアミド、グリセロール、エチレングリコール、N,N-ジエチルホルムアミド、N-メチル-2-ピロリドン、アセトニトリル、トリエチルアミン、テトラヒドロフラン等を挙げることができる。溶媒は水と有機溶媒との溶媒であってもよい。有機配位子を含む原料が溶媒を含む場合、有機配位子を含む原料は溶液又は分散液である。 The raw material containing the organic ligand may contain a solvent. Examples of such solvents include alcoholic solvents such as water, ethanol, and isopropanol; ketoneic solvents such as acetone and methyl ethyl ketone; and others such as N,N-dimethylformamide, glycerol, ethylene glycol, N,N-diethylformamide, N-methyl-2-pyrrolidone, acetonitrile, triethylamine, and tetrahydrofuran. The solvent may also be a mixture of water and an organic solvent. When the raw material containing the organic ligand contains a solvent, the raw material is in the form of a solution or dispersion.

有機配位子を含む原料が溶媒を含む場合、有機配位子の全濃度は、例えば、0.1~100g/Lとすることができ、好ましくは1~50g/L、さらに好ましくは3~30g/Lである。 When the raw material containing the organic ligand also contains a solvent, the total concentration of the organic ligand can be, for example, 0.1 to 100 g/L, preferably 1 to 50 g/L, and more preferably 3 to 30 g/L.

工程1において、溶媒に溶解又は分散した金属源を使用し、かつ、有機配位子を含む原料が溶媒を含む場合、互いの溶媒は同一であってもよいし、異なっていてもよい。 In step 1, if a metal source dissolved or dispersed in a solvent is used, and the raw material containing an organic ligand also contains a solvent, the solvents may be the same or different.

工程1で、金属源及び有機配位子を含む原料を混合処理することで、金属源と有機配位子とが反応し、金属有機構造体が生成する。金属有機構造体は、例えば、各種の金属有機構造体(MOF;Metal Organic Frameworks)を例示することができる。 In step 1, the raw materials containing the metal source and organic ligand are mixed, causing a reaction between the metal source and the organic ligand to produce a metal-organic structure. Examples of metal-organic structures include various metal-organic frameworks (MOFs).

前記混合処理の方法は特に限定されず、例えば、公知の混合手段を用いて混合処理を行うことができる。混合処理における温度は、80~400℃、好ましくは100~300℃、より好ましくは120~200℃とすることができ、また、温度に応じて混合時間は適宜選択され、例えば、1~10時間である。 The mixing method is not particularly limited, and for example, known mixing methods can be used. The temperature during the mixing process can be 80 to 400°C, preferably 100 to 300°C, and more preferably 120 to 200°C. The mixing time can be appropriately selected according to the temperature, for example, 1 to 10 hours.

工程1の前記混合処理において、遷移金属元素と、有機配位子との使用比率は特に限定されず、例えば、遷移金属元素の全質量に対して、有機配位子の使用量を1~150質量%とすることが好ましく、5~100質量%とすることがより好ましく、10~80質量%とすることがさらに好ましく、20~50質量%とすることが特に好ましい。 In the mixing process of step 1, the ratio of transition metal elements to organic ligands is not particularly limited. For example, it is preferable that the amount of organic ligands used be 1 to 150% by mass, more preferably 5 to 100% by mass, even more preferably 10 to 80% by mass, and particularly preferably 20 to 50% by mass, relative to the total mass of the transition metal elements.

工程1の前記混合処理により、少なくとも3種の遷移金属元素を有する金属有機構造体(MOF)が、例えば、固形分として得られる。斯かる固形分は適宜の方法で分離及び洗浄することができる。 The mixing process in step 1 yields, for example, a metal-organic structure (MOF) containing at least three transition metal elements, as a solid component. This solid component can be separated and washed by appropriate methods.

工程1で得られる金属有機構造体は、金属源に含まれる遷移金属元素を構成元素として形成される構造を有する。 The metal-organic structure obtained in step 1 has a structure formed using transition metal elements contained in the metal source as constituent elements.

(工程2)
工程2では、前記工程1で得られた金属有機構造体(MOF)及び硫黄源を含む原料を加熱処理する。この加熱処理により得られる生成物は、前記金属硫化物である。
(Step 2)
In step 2, the raw materials containing the metal-organic structure (MOF) and sulfur source obtained in step 1 are heat-treated. The product obtained by this heat treatment is the metal sulfide.

工程2で使用する硫黄源は硫黄単体(硫黄粉末や昇華硫黄)であってもよいし、硫黄を含む化合物であってもよいが、硫黄を含む化合物であることが好ましい。 The sulfur source used in step 2 may be elemental sulfur (sulfur powder or sublimated sulfur) or a sulfur-containing compound, but a sulfur-containing compound is preferable.

硫黄を含む化合物としては、例えば、公知の硫黄化合物を広く挙げることができ、例えば、チオアセトアミド(CHCSNH)、チオ尿素(SC(NH)、システイン(CNOS)、チオ硫酸ナトリウム(Na)、硫化アンモニウム((NHS)、硫化ナトリウム(NaS)等を挙げることができる。なお、硫黄を含む化合物としては、硫黄元素の一部が、Se及び/又はTe元素に置き換えられてもよい。硫黄源は1種単独で使用することができ、あるいは、2種以上を併用することもできる。 Examples of sulfur-containing compounds include a wide range of known sulfur compounds, such as thioacetamide ( CH₃CSNH₂ ), thiourea (SC( NH₂ ) ) , cysteine ( C₃H₂NO₂S ), sodium thiosulfate ( Na₂S₂O₃ ), ammonium sulfide ((NH₄ ) ₂S ), and sodium sulfide ( Na₂S ) . In addition, in sulfur-containing compounds, some of the sulfur elements may be replaced with Se and/ or Te elements. A single sulfur source can be used, or two or more can be used in combination.

工程2において、前記工程1で得られた金属有機構造体(MOF)及び硫黄源を含む原料を加熱処理する方法は特に限定されない。例えば、固体上の金属有機構造体(MOF)と、硫黄源とを反応器に収容し、所定温度で加熱処理する方法を挙げることができる。この加熱処理は、空気雰囲気下、不活性ガス雰囲気下等で行うことができる。加熱処理は、例えば、市販の加熱炉等の公知の加熱装置を使用することができる。 In step 2, the method for heat-treating the raw materials, including the metal-organic structure (MOF) and sulfur source obtained in step 1, is not particularly limited. For example, one method involves placing the solid metal-organic structure (MOF) and sulfur source in a reactor and heat-treating them at a predetermined temperature. This heat treatment can be carried out under an air atmosphere, an inert gas atmosphere, etc. For example, a known heating device such as a commercially available heating furnace can be used for the heat treatment.

工程2において、加熱処理の温度も特に限定されず、例えば、200~2000℃とすることができ、好ましくは250~1000℃、より好ましくは300~800℃である。加熱処理の時間は温度に応じて適宜選択され、例えば、1~10時間である。 In step 2, the heat treatment temperature is not particularly limited and can be, for example, 200 to 2000°C, preferably 250 to 1000°C, and more preferably 300 to 800°C. The heat treatment time is appropriately selected according to the temperature, for example, 1 to 10 hours.

工程2で使用する原料中の金属有機構造体(MOF)及び硫黄源の割合は特に限定されない。例えば、遷移金属の硫化物が形成されやすく、所望の負極活物質が得られやすいという点で、金属有機構造体(MOF)100質量部あたりの硫黄源の使用量を、50~1000質量部とすることが好ましく、80~800質量部とすることがより好ましく、100~600質量部とすることがさらに好ましい。 The proportions of metal-organic frameworks (MOFs) and sulfur sources in the raw materials used in step 2 are not particularly limited. For example, in order to facilitate the formation of transition metal sulfides and obtain the desired negative electrode active material, it is preferable to use 50 to 1000 parts by mass of sulfur source per 100 parts by mass of metal-organic frameworks (MOFs), more preferably 80 to 800 parts by mass, and even more preferably 100 to 600 parts by mass.

工程2で得られる生成物は、例えば、少なくとも3種の前記遷移金属元素を含む金属硫化物である。工程2で得られた生成物を適宜の方法で処理することで精製した金属硫化物を得ることもできる。 The product obtained in step 2 is, for example, a metal sulfide containing at least three of the aforementioned transition metal elements. A purified metal sulfide can also be obtained by processing the product obtained in step 2 using an appropriate method.

工程2で得られた金属硫化物を本発明の負極活物質として得ることができ、あるいは必要に応じてその他の成分を配合することで、本発明の負極活物質として得ることもできる。 The metal sulfide obtained in step 2 can be used as the negative electrode active material of the present invention, or it can be obtained by incorporating other components as needed.

上記工程1及び工程2を備える製造方法によれば、簡便な工程によって、容易に本発明の負極活物質を得ることができ、低エネルギーな製造方法となる。また、製造時に使用する原料も安価で、かつ、豊富な資源から入手することができる。 The manufacturing method comprising steps 1 and 2 described above allows for the easy acquisition of the anode active material of the present invention through a simple process, resulting in a low-energy manufacturing method. Furthermore, the raw materials used in the manufacturing process are inexpensive and readily available from abundant resources.

3.負極材料
本発明の負極材料は、上記負極活物質を含む限り、他の成分を含むこともでき、例えば、アルカリイオン電池(例えば、ナトリウムイオン電池)の負極材料に使用されている公知の成分を挙げることができる。例えば、本発明の負極材料は、上記負極活物質の他、導電助剤及びバインダーを含むことができる。
3. Negative Electrode Material The negative electrode material of the present invention may contain other components as long as it contains the negative electrode active material described above. For example, known components used in the negative electrode material of alkaline ion batteries (e.g., sodium ion batteries) can be cited. For example, the negative electrode material of the present invention may contain a conductive additive and a binder in addition to the negative electrode active material described above.

導電助剤は、例えば、各種電池の電極材料を形成するために使用されている公知の導電助剤を広く挙げることができる。導電助剤としては、例えば、各種の炭素材料が例示され、硬質炭素、軟質炭素、グラフェン、還元型酸化グラフェン、天然黒鉛、人造黒鉛、導電性カーボンブラック、炭素繊維等を挙げることができる。炭素繊維としては、例えば、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ等が挙げられる。導電助剤は、その他、銅、ニッケル等の金属粉末、金属繊維、導電性セラミックス材料等を使用することもできる。 Conductive additives can broadly include known conductive additives used, for example, to form electrode materials for various types of batteries. Examples of conductive additives include various carbon materials, such as hard carbon, soft carbon, graphene, reduced graphene oxide, natural graphite, artificial graphite, conductive carbon black, and carbon fibers. Examples of carbon fibers include carbon nanofibers and carbon nanotubes. Other conductive additives that can be used include metal powders such as copper and nickel, metal fibers, and conductive ceramic materials.

バインダー例えば、各種電池の電極材料を形成するために使用されている公知のバインダーを広く挙げることができる。バインダーとしては、例えば、各種樹脂材料を挙げることができ、具体的には、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、スチレン-ブタジエンゴム(SBR)、ポリエチレンテレフタレート、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリエチレン、ポリプロピレン等を挙げることができる。 Binders, for example, can be broadly categorized into known binders used to form electrode materials for various types of batteries. Examples of binders include various resin materials, specifically polyvinylidene fluoride (PVDF), styrene-butadiene rubber (SBR), polyethylene terephthalate, polyacrylonitrile (PAN), polyvinyl alcohol (PVA), polyethylene oxide (PEO), polyethylene, polypropylene, and the like.

負極材料において、負極活物質の含有割合は特に限定されない。例えば、負極材料に含まれる負極活物質、導電助剤及びバインダーの全質量に対して、負極活物質が50~95質量%含まれることが好ましく、60~90質量%含まれることがより好ましい。 In the negative electrode material, the content ratio of the negative electrode active material is not particularly limited. For example, it is preferable that the negative electrode active material is present in an amount of 50 to 95% by mass, and more preferably 60 to 90% by mass, relative to the total mass of the negative electrode active material, conductive additive, and binder contained in the negative electrode material.

負極材料において、導電助剤の含有割合は特に限定されない。例えば、負極材料に含まれる負極活物質、導電助剤及びバインダーの全質量に対して、導電助剤が3~30質量%含まれることが好ましく、5~20質量%含まれることがより好ましい。 The proportion of conductive additive in the negative electrode material is not particularly limited. For example, it is preferable that the conductive additive be present in an amount of 3 to 30% by mass, and more preferably 5 to 20% by mass, relative to the total mass of the negative electrode active material, conductive additive, and binder contained in the negative electrode material.

負極材料において、バインダーの含有割合は特に限定されない。例えば、負極材料に含まれる負極活物質、導電助剤及びバインダーの全質量に対して、バインダー3~30質量%含まれることが好ましく、5~20質量%含まれることがより好ましい。 In the negative electrode material, the binder content is not particularly limited. For example, it is preferable that the binder be present in an amount of 3 to 30% by mass, and more preferably 5 to 20% by mass, relative to the total mass of the negative electrode active material, conductive additive, and binder contained in the negative electrode material.

負極材料は、負極活物質、導電助剤及びバインダーのみで構成されていてもよいし、その他の成分が含まれていてもよい。 The negative electrode material may consist only of the negative electrode active material, conductive additive, and binder, or it may contain other components.

負極材料の調製方法は特に限定されず、例えば、公知の負極材料の調製方法を広く採用することができる。例えば、負極活物質、導電助剤及びバインダーを所定の割合にて、適宜の方法で混合することで、負極材料を調製することができる。負極材料を調製するにあたっては、負極活物質、導電助剤及びバインダーを分散させるべく、溶媒を使用することもできる。溶媒としては、水の他、各種の有機溶媒、例えば、炭素数1~3の低級アルコール化合物、NMP(N-メチル-2-ピロリドン)等を挙げることができる。負極材料が溶媒を含む場合は、例えば、スラリー状やペースト状となる。 The method for preparing the negative electrode material is not particularly limited; for example, known methods for preparing negative electrode materials can be widely employed. For instance, the negative electrode material can be prepared by mixing a negative electrode active material, a conductive additive, and a binder in predetermined proportions using an appropriate method. When preparing the negative electrode material, a solvent can also be used to disperse the negative electrode active material, conductive additive, and binder. Examples of solvents include water and various organic solvents, such as lower alcohol compounds with 1 to 3 carbon atoms, and NMP (N-methyl-2-pyrrolidone). When the negative electrode material contains a solvent, it may take the form of a slurry or paste.

4.アルカリイオン電池
本発明のアルカリイオン電池は、前記負極材料を備える限り、その他の構成は特に限定されず、例えば、公知のアルカリイオン電池と同様の構成とすることができる。アルカリイオン電池の種類は特に制限されず、例えば、ナトリウム二次電池、リチウムイオン電池、カリウム二次電池等を挙げることができる。本発明のアルカリイオン電池は、ナトリウム電池であることが好ましく、ナトリウムイオン二次電池であることがさらに好ましい。
4. Alkaline Ion Battery The alkaline ion battery of the present invention is not particularly limited in its other configurations as long as it includes the negative electrode material, and can have a configuration similar to that of a known alkaline ion battery, for example. The type of alkaline ion battery is not particularly limited, and examples include sodium secondary batteries, lithium ion batteries, potassium secondary batteries, etc. The alkaline ion battery of the present invention is preferably a sodium battery, and more preferably a sodium ion secondary battery.

アルカリイオン電池は、例えば、正極、負極、電解質及びセパレータを備えることができる。電池の大きさ及び形状は、その用途に応じて適宜決定することができる。 Alkaline-ion batteries may, for example, comprise a positive electrode, a negative electrode, an electrolyte, and a separator. The size and shape of the battery can be appropriately determined according to its application.

正極は、例えば、金属箔と正極材料で構成された構造を有することができる。金属箔を形成するための金属としては、アルミニウム、チタン、白金、モリブデン、ステンレス、銅等が挙げられる。正極材料は公知の正極材料を広く適用することができ、例えば、正極材料を構成する材料としては、ナトリウム金属、リチウム金属、NaFePO、Na(PO、NaMO(M=Co、Mn、V、Fe)、LiTiS、LiCoO、LiNiO、LiMnO、LiNi0.33Mn0.33Co0.33、LiNi0.8Mn0.15Al0.05、LiMn、LiFePO等が挙げられる。正極は公知の方法で作製することができ、例えば、金属箔上に正極材料を塗布する方法が挙げられる。 The positive electrode can have a structure composed of, for example, a metal foil and a positive electrode material. Examples of metals for forming the metal foil include aluminum, titanium, platinum, molybdenum, stainless steel, and copper. A wide range of known positive electrode materials can be applied as the positive electrode material. Examples of materials constituting the positive electrode material include sodium metal, lithium metal, NaFePO₄ , Na₃V₂ ( PO₄ ) , NaxMO₄ (M=Co , Mn , V , Fe ) , LiTiS₂ , LiCoO₂ , LiNiO₂ , LiMnO₂ , LiNi₀.33Mn₀.33Co₀.33O₂ , LiNi₀.8Mn₀.15Al₀.05O₂ , LiMn₂O₄, and LiFePO₄ . The positive electrode can be manufactured by known methods, such as coating a positive electrode material onto a metal foil.

負極は、例えば、金属箔に本発明の負極活物質が担持された構造を有することができる。金属箔としては、アルミニウム、チタン、白金、モリブデン、ステンレス、銅等が挙げられる。負極は公知の方法で作製することができる。 The negative electrode can have a structure in which the negative electrode active material of the present invention is supported on a metal foil, for example. Examples of metal foils include aluminum, titanium, platinum, molybdenum, stainless steel, and copper. The negative electrode can be manufactured by known methods.

アルカリイオン電池において、電解質の種類も特に限定されず、例えば、公知の電解質を使用することができる。電解質は固体電解質及び液体電解質のいずれでもよい。 In alkaline-ion batteries, the type of electrolyte is not particularly limited; for example, any known electrolyte can be used. The electrolyte may be either a solid or liquid electrolyte.

液体電解質としては、電解質が溶媒に溶解した溶液を挙げることができる。電解質としては電池の種類に応じて各種アルカリ塩を挙げることができ、例えば、NaPF、NaClO、NaCFSO、NaFSI、NaTFSI、LiPF、LiClO、LiBF、LiBOB、LiAsF、LiCFSO、LiTFSI、LiFSI、KPF、KFSI、KTFSI、KBF等が挙げられ、その他、公知のマグネシウム塩、アルミニウム塩、亜鉛塩等も挙げられる。溶媒は水、ジグライム、ジエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、酢酸プロピル、フルオロエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート等が例示される。 Liquid electrolytes include solutions in which the electrolyte is dissolved in a solvent. Depending on the type of battery, various alkali salts can be used as electrolytes, such as NaPF₂₆ , NaClO₄, NaCF₃SO₃ , NaFSI , NaTFSI, LiPF₂₆, LiClO₄ , LiBF₄ , LiBOB , LiAsF₂₆ , LiCF₃SO₃ , LiTFSI, LiFSI, KPF₂₆, KFSI , KTFSI, KBF₄ , etc. Other examples include known magnesium salts, aluminum salts, zinc salts, etc. Examples of solvents include water, diglyme, diethylene glycol dimethyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, propyl acetate, fluoroethylene carbonate, propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, diethyl carbonate, etc.

固体電解質としては、硫化物系や酸化物系等の無機物材料や、PEO(ポリエチレンオキシド)系等の高分子材料が挙げられる。 Examples of solid electrolytes include inorganic materials such as sulfides and oxides, and polymer materials such as PEO (polyethylene oxide).

セパレータとしては、二次電池に適用されている公知のセパレータを使用することができ、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂;ポリイミド;ポリビニルアルコール;末端アミノ化ポリエチレンオキシドポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂;アクリル樹脂;ナイロン;芳香族アラミド;無機ガラス;セラミックス等で形成された材料を挙げることができる。セパレータは、多孔質膜、不織布、織布等の形態とすることができる。その他、セパレータとしては、各種の高分子膜、および無機電解質を挙げることができる。無機電解質としては、例えば、LiLaTiO、LiLaZr12(LLZO)、NaZrSiPO12、Na11SnPS12、NaPSe等が挙げられる。 As the separator, known separators used in secondary batteries can be used, and examples include materials formed from polyolefin resins such as polyethylene and polypropylene; polyimide; polyvinyl alcohol; fluororesins such as terminally aminated polyethylene oxide polytetrafluoroethylene; acrylic resin; nylon; aromatic aramid; inorganic glass; ceramics, etc. The separator can be in the form of a porous membrane, nonwoven fabric, woven fabric , etc. Other examples of separators include various polymer membranes and inorganic electrolytes. Examples of inorganic electrolytes include LiLaTiO3 , Li7La3Zr2O12 ( LLZO ) , Na3Zr2Si2PO12 , Na11Sn2PS12 , Na3PSe4 , etc.

以下、実施例により本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれら実施例の態様に限定されるものではない。 The present invention will be described more specifically below with reference to examples, but the present invention is not limited to the embodiments described herein.

(実施例1)
金属源として100mgのNi(NO・6HO、200mgのCo(NO・6HO、及び、40mgのZn(NO・6HOからなる混合物を15mLのエチレングリコールに分散し、溶液1を得た。一方、90mgのp-ベンゼンジカルボン酸(H2BDC)を24mLのN,N-ジメチルホルムアミド(DMF)に超音波処理により分散することで溶液2を得た。次に、溶液1と溶液2とを混合し、室温で1時間撹拌して混合液を得た後、この混合液を50mlのテフロン(登録商標)で裏打ちされた密封オートクレーブに移し、150℃で6時間にわたって加熱処理した。この加熱処理により生成した淡いピンク色の生成物を遠心分離によって収集し、得られた固形分をDMFとエタノールとを使用して数回洗浄した後、真空オーブン内にて60℃で12時間乾燥させ、Ni-Co-Znを含む金属有機構造体(MOF)を得た(工程1)。
(Example 1)
Solution 1 was obtained by dispersing a mixture consisting of 100 mg of Ni( NO₃ ) · 6H₂O , 200 mg of Co( NO₃ ) · 6H₂O , and 40 mg of Zn( NO₃ ) · 6H₂O as a metal source in 15 mL of ethylene glycol. Solution 2 was obtained by dispersing 90 mg of p-benzenedicarboxylic acid (H₂BDC) in 24 mL of N,N-dimethylformamide (DMF) by sonication. Next, Solution 1 and Solution 2 were mixed and stirred at room temperature for 1 hour to obtain a mixture. This mixture was then transferred to a 50 mL Teflon-lined sealed autoclave and heat-treated at 150°C for 6 hours. The pale pink product generated by this heat treatment was collected by centrifugation, and the resulting solid was washed several times with DMF and ethanol. After that, it was dried in a vacuum oven at 60°C for 12 hours to obtain a metal-organic frame (MOF) containing Ni-Co-Zn (Step 1).

このMOFと、硫黄源としてチオアセトアミド(TAA)とを、質量比1:5(MOF:硫黄源)で含む原料を、アルゴン雰囲気中、350℃で2時間加熱処理した(工程2)。これにより黒色の生成物を得た。得られた黒色生成物(硫化物)を「Co-Ni-Zn-S-1」と命名し、これを負極活物質とした。 A raw material containing this MOF and thioacetamide (TAA) as a sulfur source in a mass ratio of 1:5 (MOF:sulfur source) was heat-treated at 350°C for 2 hours in an argon atmosphere (Step 2). This yielded a black product. The obtained black product (sulfide) was named "Co-Ni-Zn-S-1" and used as the negative electrode active material.

(実施例2)
金属源として150mgのNi(NO・6HO、150mgのCo(NO・6HO、及び、40mgのZn(NO・6HOからなる混合物に変更したこと以外は実施例1同様の方法で黒色の生成物を得た。得られた黒色生成物(硫化物)を「Co-Ni-Zn-S-2」と命名し、これを負極活物質とした。
(Example 2)
A black product was obtained in the same manner as in Example 1, except that the metal source was changed to a mixture consisting of 150 mg of Ni( NO₃ ) · 6H₂O , 150 mg of Co( NO₃ ) · 6H₂O , and 40 mg of Zn( NO₃ ) · 6H₂O . The obtained black product (sulfide) was named "Co-Ni-Zn-S-2" and used as the negative electrode active material.

(実施例3)
金属源として200mgのNi(NO・6HO、100mgのCo(NO・6HO、及び、40mgのZn(NO・6HOからなる混合物に変更したこと以外は実施例1同様の方法で黒色の生成物を得た。得られた黒色生成物(硫化物)を「Co-Ni-Zn-S-3」と命名し、これを負極活物質とした。
(Example 3)
A black product was obtained in the same manner as in Example 1, except that the metal source was changed to a mixture consisting of 200 mg of Ni( NO₃ ) · 6H₂O , 100 mg of Co( NO₃ ) · 6H₂O , and 40 mg of Zn( NO₃ ) ·6H₂O . The obtained black product (sulfide) was named "Co-Ni-Zn-S-3" and used as the negative electrode active material.

(作製例1)
負極活物質として実施例1で得られた「Co-Ni-Zn-S-1」と、導電性添加剤としてsuperP(導電性カーボンブラック)と、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(PVDF)とからなる負極材料を準備した。この負極材料において、Co-Ni-Zn-S1:superP:PVDF=7.5:1.5:1(質量比)とした。この負極材料に、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)を溶媒として添加し、12時間攪拌して均一に混合した。得られたスラリーを銅箔にコーティングし、真空中120℃で12時間乾燥させることで、負極を製作した。この負極と、正極(アルミニウム箔付きナトリウム金属)と、液体電解質と、この液体電解質をしみ込ませたセパレータ(Cytiva提供の「Whatman GF/Cガラス繊維ろ紙」)とを用い、公知の方法により、電池を組み立てた。電解質は、1Mトリフルオロメタンスルホン酸ナトリウム溶液とし、斯かる溶液の溶媒は、ジグライムとした。
(Example 1)
A negative electrode material was prepared consisting of "Co-Ni-Zn-S-1" obtained in Example 1 as the negative electrode active material, superP (conductive carbon black) as a conductive additive, and polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder. In this negative electrode material, the ratio of Co-Ni-Zn-S1:superP:PVDF was set to 7.5:1.5:1 (mass ratio). N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) was added to this negative electrode material as a solvent and stirred for 12 hours to mix uniformly. The resulting slurry was coated onto copper foil and dried in a vacuum at 120°C for 12 hours to fabricate a negative electrode. A battery was assembled using this negative electrode, a positive electrode (sodium metal with aluminum foil), a liquid electrolyte, and a separator ("Whatman GF/C glass fiber filter paper" provided by Cytiva) impregnated with this liquid electrolyte, by a known method. The electrolyte was a 1 M sodium trifluoromethanesulfonate solution, and the solvent for this solution was diglyme.

(作製例2)
負極活物質として実施例1で得られた「Co-Ni-Zn-S-1」の代わりに実施例2で得られた「Co-Ni-Zn-S2」に変更したこと以外は作製例1と同様の方法で電池を組み立てた。
(Example 2)
The battery was assembled in the same manner as in Example 1, except that the negative electrode active material was changed from "Co-Ni-Zn-S-1" obtained in Example 1 to "Co-Ni-Zn-S2" obtained in Example 2.

(作製例3)
負極活物質として実施例1で得られた「Co-Ni-Zn-S-1」の代わりに実施例3で得られた「Co-Ni-Zn-S-3」に変更したこと以外は作製例1と同様の方法で電池を組み立てた。
(Example 3)
The battery was assembled in the same manner as in Example 1, except that the negative electrode active material was changed from "Co-Ni-Zn-S-1" obtained in Example 1 to "Co-Ni-Zn-S-3" obtained in Example 3.

(評価結果)
図1(a)は実施例1で得られた負極活物質(金属硫化物)のSEM画像、(b)は実施例2で得られた負極活物質のSEM画像、(c)は実施例3で得られた負極活物質のSEM画像を示す。これらのSEM画像から、各実施例で得られた負極活物質(Ni-Co-Zn硫化物)はナノロッドで組み立てられた構造を持つ中空、かつ、ミクロスフェア構造を有する粒子であることがわかった。
(Evaluation results)
Figure 1(a) shows an SEM image of the negative electrode active material (metal sulfide) obtained in Example 1, (b) shows an SEM image of the negative electrode active material obtained in Example 2, and (c) shows an SEM image of the negative electrode active material obtained in Example 3. From these SEM images, it was found that the negative electrode active material (Ni-Co-Zn sulfide) obtained in each example is a hollow particle with a structure assembled from nanorods and possessing a microsphere structure.

図2は、各実施例で得られた負極活物質(金属硫化物)のX線回折測定(XRD)結果である。X線回折測定には、Rigaku社製の「SmartLab」を使用し、2θ=10~100°の範囲でCu-Kα(λ=1.540Å)放射線源を使用して測定を行った。 Figure 2 shows the X-ray diffraction (XRD) results of the negative electrode active materials (metal sulfides) obtained in each example. X-ray diffraction measurements were performed using a Rigaku "SmartLab" system, with a Cu-Kα (λ = 1.540 Å) radiation source in the range of 2θ = 10 to 100°.

得られたXRDパターンから、Ni-Co-Zn-S1、Ni-Co-Zn-S2及びNi-Co-Zn-S-3の回折ピークはすべてNi(JCPDSカードNO.43-1469)、Co(JCPDSカード番号42-1448)及びZnS(JCPDSカード番号05-0566)と一致していることがわり、他の回折ピークは認められなかった。この結果から、各実施例で得られた生成物(金属硫化物)は、Ni、Co及びZnを含む複合金属硫化物であることがわかった。 From the obtained XRD patterns, it was found that the diffraction peaks of Ni-Co-Zn-S1, Ni-Co-Zn-S2, and Ni-Co-Zn-S-3 all coincided with those of Ni 3 S 4 (JCPDS card No. 43-1469), Co 3 S 4 (JCPDS card No. 42-1448), and ZnS (JCPDS card No. 05-0566), and no other diffraction peaks were observed. From these results, it was found that the products (metal sulfides) obtained in each example are composite metal sulfides containing Ni, Co, and Zn.

図3は、各作製例で組み立てた電池の定電流充放電試験の結果を示す。この測定には、LANDバッテリー試験システム「CT2001A」(Wuhan LAND electronics Co., Ltd. China)を使用して測定した。ここで、測定温度は30℃、印加電圧は1.5~3.5V(5Ag-1)とした。 Figure 3 shows the results of constant current charge-discharge tests on the batteries assembled in each fabrication example. These measurements were performed using the LAND battery test system "CT2001A" (Wuhan LAND electronics Co., Ltd. China). The measurement temperature was 30°C, and the applied voltage was 1.5–3.5V ( 5Ag⁻¹ ).

図3から、300サイクルの試験後、実施例1(Ni-Co-Zn-S-1)及び実施例2(Ni-Co-Zn-S-2)の負極活物質を含む負極材料を備えた電池は、2Ag-1の高電流密度において450mAhg-1の比容量を提供することが観察された。また、実施例3(Ni-Co-Zn-S-3)の負極活物質を含む負極材料を備えた電池は、2Ag-1の高電流密度において388.5mAhg-1の比容量を提供することが観察された。また、実施例1~3の負極活物質を含む負極材料を備えた電池はいずれも300サイクル後のクーロン効率が90%を上回る水準であった。他方、従来公知の亜鉛のみからなる金属の硫化物、並びに、亜鉛及びコバルトのみからなる金属の硫化物はそれぞれ、300サイクルの試験後の2Ag-1の高電流密度における比容量が173.6及び37.6mAhg-1であった。 As shown in Figure 3, after 300 cycles of testing, batteries equipped with negative electrode materials containing the negative electrode active materials of Example 1 (Ni-Co-Zn-S-1) and Example 2 (Ni-Co-Zn-S-2) were observed to provide a specific capacity of 450 mAhg⁻¹ at a high current density of 2Ag⁻¹ . Furthermore, batteries equipped with negative electrode materials containing the negative electrode active material of Example 3 (Ni-Co-Zn-S-3) were observed to provide a specific capacity of 388.5 mAhg⁻¹ at a high current density of 2Ag⁻¹ . In addition, batteries equipped with negative electrode materials containing the negative electrode active materials of Examples 1 to 3 all showed a Coulomb efficiency of over 90% after 300 cycles. On the other hand, conventionally known metal sulfides consisting solely of zinc, and metal sulfides consisting solely of zinc and cobalt, had specific capacities of 173.6 and 37.6 mAhg⁻¹ at a high current density of 2Ag⁻¹ after 300 cycles of testing, respectively.

以上より、実施例1~3で得られた金属硫化物を含む負極活物質は、優れたサイクル特性をアルカリイオン電池にもたらすことが明らかとなった。また、遷移金属がCo、Ni、Zn、Mo、Mn、Cu、Fe及びVからなる群より選ばれる少なくとも3種の遷移金属を含有する金属硫化物を含む限り、負極活物質は優れたサイクル特性をアルカリイオン電池にもたらすことができるものと推察される。 From the above, it was revealed that the negative electrode active materials containing metal sulfides obtained in Examples 1 to 3 provide excellent cycle characteristics to alkaline-ion batteries. Furthermore, it is presumed that as long as the negative electrode active material contains metal sulfides containing at least three transition metals selected from the group consisting of Co, Ni, Zn, Mo, Mn, Cu, Fe, and V, it can provide excellent cycle characteristics to alkaline-ion batteries.

Claims (5)

アルカリイオン電池用負極活物質であって、
金属硫化物のみからなり
金属硫化物に含まれる遷移金属は、Co、Ni及びZnの3種のみからなり、かつ、100質量部のNiに対するZnの含有量が10質量部以上、40質量部以下であり、
前記金属硫化物のX線回折測定(XRD)から得られる回折ピークはNi 、Co 及びZnSであり、他の回折ピークは認められない、負極活物質。
A negative electrode active material for alkaline ion batteries,
It consists only of metal sulfides,
The transition metals contained in the metal sulfide consist of only three types: Co, Ni, and Zn, and the Zn content relative to 100 parts by mass of Ni is between 10 parts by mass and 40 parts by mass.
The diffraction peaks obtained from X-ray diffraction (XRD) measurements of the aforementioned metal sulfide are Ni₃S₄ , Co₃S₄ , and ZnS , with no other diffraction peaks observed; this is the negative electrode active material.
前記金属硫化物は粒子状である、請求項1に記載の負極活物質。 The negative electrode active material according to claim 1, wherein the metal sulfide is in particulate form. 請求項1又は2に記載の負極活物質を含む、負極材料。 A negative electrode material comprising the negative electrode active material described in claim 1 or 2. 請求項3に記載の負極材料を備える、アルカリイオン電池。 An alkaline ion battery comprising the negative electrode material described in claim 3. 請求項1又は2に記載の負極活物質の製造方法において、
Co、NiおよびZnのみからなる金属源と、有機配位子を含む原料とを混合して、金属有機構造体を得る工程1と、
前記工程1で得られた金属有機構造体及び硫黄源を含む原料を加熱処理することで生成物を得る工程2と、
を備える、負極活物質の製造方法。
In the method for producing a negative electrode active material according to claim 1 or 2,
Step 1 involves mixing a metal source consisting only of Co, Ni, and Zn with a raw material containing an organic ligand to obtain a metal-organic structure.
Step 2 involves heat-treating the raw materials, including the metal-organic structure and sulfur source obtained in Step 1, to obtain a product.
A method for producing a negative electrode active material, comprising the same components.
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