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JP2012114027A - Negative electrode material for metal secondary battery, negative electrode for metal secondary battery, and metal secondary battery - Google Patents

Negative electrode material for metal secondary battery, negative electrode for metal secondary battery, and metal secondary battery Download PDF

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JP2012114027A
JP2012114027A JP2010263664A JP2010263664A JP2012114027A JP 2012114027 A JP2012114027 A JP 2012114027A JP 2010263664 A JP2010263664 A JP 2010263664A JP 2010263664 A JP2010263664 A JP 2010263664A JP 2012114027 A JP2012114027 A JP 2012114027A
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JP
Japan
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negative electrode
secondary battery
metal secondary
mgh
present
Prior art date
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Pending
Application number
JP2010263664A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kunihiro Nobuhara
邦啓 信原
Hideki Nakayama
英樹 中山
Tomoya Matsunaga
朋也 松永
Aoi Takano
葵 高野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2010263664A priority Critical patent/JP2012114027A/en
Publication of JP2012114027A publication Critical patent/JP2012114027A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a negative electrode material for a metal secondary battery enhancing the charge-discharge efficiency of a metal secondary battery, a negative electrode for a metal secondary battery, and a metal secondary battery offering high charge-discharge efficiency.SOLUTION: A negative electrode material for a metal secondary battery contains MgHand NbOin contact with the MgH, a negative electrode comprises the negative electrode material, and a metal secondary battery comprises the negative electrode.

Description

本発明は、金属二次電池用負極材料、より具体的には、所定の金属水素化物と所定の触媒とを含む負極材料、当該負極材料を備えた金属二次電池用負極、及び、当該負極を備えた金属二次電池に関する。   The present invention relates to a negative electrode material for a metal secondary battery, more specifically, a negative electrode material including a predetermined metal hydride and a predetermined catalyst, a negative electrode for a metal secondary battery including the negative electrode material, and the negative electrode It is related with the metal secondary battery provided with.

近年、地球環境保護の観点から、低公害車としての電気自動車やハイブリッド自動車等に適用するべく、高出力かつ高容量な電源が必要とされている。また、自動車等以外の分野においても、情報関連機器や通信機器等のモバイルツールの世界的な普及によって、当該モバイルツールを高性能化可能な電源が必要とされている。高性能電源として有望なものの一つに、エネルギー密度が高く、高電圧で作動させることが可能なリチウム電池がある。   In recent years, from the viewpoint of protecting the global environment, a high-output and high-capacity power source is required to be applied to an electric vehicle or a hybrid vehicle as a low-pollution vehicle. Further, in fields other than automobiles and the like, power supplies capable of improving the performance of mobile tools are required due to the global spread of mobile tools such as information-related devices and communication devices. One promising high-performance power source is a lithium battery that has a high energy density and can be operated at a high voltage.

リチウム電池の一つに、コンバージョン系の負極活物質として金属水素化物(MH)を用いたものがある。このようなコンバージョン系の負極活物質の具体例としては、例えば特許文献1にMgHが開示されている。MgHを活物質として用いた場合の電気化学的な挙動は以下の通りである。
充電時:MgH+2Li+2e → Mg+2LiH (反応式1)
放電時:Mg+2LiH → MgH+2Li+2e (反応式2)
One type of lithium battery uses a metal hydride (MH X ) as a conversion-type negative electrode active material. As a specific example of such a conversion-type negative electrode active material, for example, Patent Document 1 discloses MgH 2 . The electrochemical behavior when MgH 2 is used as the active material is as follows.
During charging: MgH 2 + 2Li + + 2e → Mg + 2LiH (Reaction Formula 1)
During discharge: Mg + 2LiH → MgH 2 + 2Li + + 2e (Reaction Formula 2)

米国特許出願公開第2008/0286652号明細書US Patent Application Publication No. 2008/0286652

ここで、MgHは、コンバージョン反応の可逆性が低いという問題がある。具体的には、上記反応式1に比べて、上記反応式2が生じ難いという問題がある。そのため、MgHを用いた金属二次電池にあっては、充放電効率が低くなるという問題があった。 Here, MgH 2 has a problem that the reversibility of the conversion reaction is low. Specifically, the reaction formula 2 is less likely to occur than the reaction formula 1. Therefore, the metal secondary battery using MgH 2 has a problem that the charge / discharge efficiency is lowered.

本出願人は、上記問題に鑑みMgHを用いた金属二次電池について研究を進め、上記問題を解決可能な金属二次電池を完成させ、特許出願を行っている(特願2010−227476)。当該出願においては、主に金属触媒(Ni等)がMgHのコンバージョン反応の可逆性向上に寄与できるとしている。 In view of the above problems, the present applicant has been researching a metal secondary battery using MgH 2 , has completed a metal secondary battery capable of solving the above problems, and has filed a patent application (Japanese Patent Application No. 2010-227476). . In the application, as a main metal catalyst (Ni, etc.) can contribute to the improvement reversibility of the conversion reaction of MgH 2.

ここで、MgHのコンバージョン反応の触媒としてNi触媒を用いる場合、触媒サイズがμmオーダーでは触媒として十分に機能しない虞があり、この結果、金属二次電池において、やはり十分な充放電効率が得られない虞があった。当該問題を解決するには、例えばNi触媒をnmオーダーまで微細化することが考えられるが、nmオーダーの触媒にあっては、触媒添加時や電極塗工時に凝集してしまう虞があった。 Here, when a Ni catalyst is used as a catalyst for the conversion reaction of MgH 2 , there is a possibility that the catalyst size does not function sufficiently as a catalyst when the catalyst size is on the order of μm. There was a fear that it was not possible. In order to solve the problem, for example, it is conceivable to make the Ni catalyst finer to the nm order. However, in the case of the nm order catalyst, there is a possibility that the catalyst is aggregated when the catalyst is added or when the electrode is applied.

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、金属二次電池の充放電効率を向上させることが可能な金属二次電池用負極材料、金属二次電池用負極、及び、充放電効率が向上された金属二次電池を提供することを課題とする。   This invention is made | formed in view of the said problem, The negative electrode material for metal secondary batteries which can improve the charge / discharge efficiency of a metal secondary battery, the negative electrode for metal secondary batteries, and charge / discharge efficiency It is an object of the present invention to provide an improved metal secondary battery.

上記課題を解決するために、本発明は以下の構成をとる。すなわち、
本発明の第1の態様は、MgH、及び当該MgHと接触するNbを含む、金属二次電池用負極材料である。
In order to solve the above problems, the present invention has the following configuration. That is,
A first aspect of the present invention include Nb 2 O 5 in contact with the MgH 2, and the MgH 2, a negative electrode material for metal secondary battery.

本発明の第1の態様において、Nbは粒子状であり、その平均粒子径Xが1μm≦X<1000μmであってもよい。本発明では、Nbの平均粒子径がμmオーダーと比較的大きくても、充放電効率を向上させることが可能である。 In the first aspect of the present invention, Nb 2 O 5 may be in the form of particles, and the average particle diameter X may be 1 μm ≦ X <1000 μm. In the present invention, even if the average particle diameter of Nb 2 O 5 is relatively large, on the order of μm, it is possible to improve the charge / discharge efficiency.

尚、本願において、「平均粒子径」とは、SEM(走査型電子顕微鏡)観察により得られた画像データに含まれる粒子(n=100)について、その定方向接線径(フェレ径)を測定し、その平均を求めることで算出されるものである。   In the present application, the “average particle diameter” means the measured tangential diameter (Ferret diameter) of particles (n = 100) included in image data obtained by SEM (scanning electron microscope) observation. It is calculated by calculating the average.

本発明の第2の態様は、本発明の第1の態様に係る金属二次電池用負極材料を備える、金属二次電池用負極である。   A second aspect of the present invention is a negative electrode for a metal secondary battery comprising the negative electrode material for a metal secondary battery according to the first aspect of the present invention.

本発明の第3の態様は、正極、電解質、及び、本発明の第2の態様に係る負極を備える、金属二次電池である。   A third aspect of the present invention is a metal secondary battery including a positive electrode, an electrolyte, and a negative electrode according to the second aspect of the present invention.

本発明によれば、金属二次電池の充放電効率を向上させることが可能な金属二次電池用負極材料、金属二次電池用負極、及び、充放電効率が向上された金属二次電池を提供することができる。   According to the present invention, a negative electrode material for a metal secondary battery capable of improving the charge / discharge efficiency of a metal secondary battery, a negative electrode for a metal secondary battery, and a metal secondary battery with improved charge / discharge efficiency Can be provided.

一実施形態に係る本発明の金属二次電池10を概略的に示す図である。It is a figure showing roughly metal rechargeable battery 10 of the present invention concerning one embodiment. 実施例及び比較例に係る金属二次電池の充放電曲線を示す図である。It is a figure which shows the charging / discharging curve of the metal secondary battery which concerns on an Example and a comparative example.

1.金属二次電池用負極材料
本発明に係る金属二次電池用負極材料(以下、単に「本発明に係る負極材料」という場合がある。)は、MgH、及び、該MgHと接触するNbを含んでいる。MgHは負極活物質として機能し、NbはMgHのコンバージョン反応の可逆性を向上させる触媒として機能する。
1. Anode material for metal secondary battery according to the negative electrode material the invention for metal secondary battery (hereinafter, simply referred to as "negative electrode material according to the present invention".) Is, MgH 2, and, in contact with the MgH 2 Nb 2 O 5 is contained. MgH 2 functions as a negative electrode active material, and Nb 2 O 5 functions as a catalyst that improves the reversibility of the conversion reaction of MgH 2 .

1.1.コンバージョン反応のメカニズムについて
Nbは、活物質であるMgHよりも貴な電位でコンバージョン反応を起こす。例えばLi挿入過程で、まず始めにNbのコンバージョン反応が起こる。その結果、Nbは微粉化し、その後の充放電過程において触媒としての機能を発現することとなる。すなわち、Nbは、コンバージョン反応前の粒子径がμmオーダーと大きい場合であっても、初期反応段階で微粉化され、その後、触媒として適切に機能する。
1.1. About the mechanism of the conversion reaction Nb 2 O 5 causes a conversion reaction at a potential nobler than that of MgH 2 which is an active material. For example, in the Li insertion process, Nb 2 O 5 conversion reaction occurs first. As a result, Nb 2 O 5 is pulverized and expresses a function as a catalyst in the subsequent charge / discharge process. That is, Nb 2 O 5 is finely pulverized in the initial reaction stage even if the particle diameter before the conversion reaction is as large as μm, and then functions appropriately as a catalyst.

Nbが触媒として機能することによって、例えば、上記反応式2を促進させることができる。そのため、金属二次電池の充放電効率を向上させることができる。また、例えば上記反応式2を促進させるためには、LiHからの水素脱離反応(LiHの解離反応)及びMgへの水素付加反応が重要となるが、Nbが触媒として機能することにより、その一方又は両方の反応が促進されるものと考えられる。Nbがコンバージョン反応の可逆性を向上させるメカニズムについては下記のように推定される。すなわち、MgHにLiが取り込まれ、上記反応式1が生じると、Mg及びLiHが生じる。この状態をX線回折で測定した場合、Mgのピークが観察されLiHのピークが観察されないことから、結晶性を有するMg粒子が非晶質のLiHの中に浮島状に形成されていることが推察される。一方、MgH及びLiの電気化学反応において、微量の水素ガスが発生することが確認されている。このことから、発生した水素ガスを、Nbが解離吸着し、解離吸着した水素がMgと反応することで、MgHが生じているものと考えられる。すなわち、この推定メカニズムにおいては、Nbが触媒として機能することによりMgへの水素付加反応を促進させている。また、この推定メカニズムは、水素吸蔵合金が水素を吸蔵する際の反応に類似したものであると考えることができる。 When Nb 2 O 5 functions as a catalyst, for example, the reaction formula 2 can be promoted. Therefore, the charge / discharge efficiency of the metal secondary battery can be improved. For example, in order to promote the above reaction formula 2, a hydrogen elimination reaction from LiH (a LiH dissociation reaction) and a hydrogen addition reaction to Mg are important, but Nb 2 O 5 functions as a catalyst. Thus, it is considered that one or both of the reactions are promoted. The mechanism by which Nb 2 O 5 improves the reversibility of the conversion reaction is estimated as follows. That is, when Li + is taken into MgH 2 and the above reaction formula 1 occurs, Mg and LiH are generated. When this state is measured by X-ray diffraction, the Mg peak is observed and the LiH peak is not observed, so that the crystalline Mg particles are formed in a floating island shape in the amorphous LiH. Inferred. On the other hand, it has been confirmed that a trace amount of hydrogen gas is generated in the electrochemical reaction of MgH 2 and Li + . From this, it is considered that the generated hydrogen gas is dissociated and adsorbed by Nb 2 O 5 , and the dissociated and adsorbed hydrogen reacts with Mg to generate MgH 2 . That is, in this presumed mechanism, Nb 2 O 5 functions as a catalyst to promote the hydrogen addition reaction to Mg. Moreover, this presumed mechanism can be considered to be similar to the reaction when the hydrogen storage alloy stores hydrogen.

尚、上記説明では、発生した水素ガスがNbによって解離吸着されるものとしているが、Nbは、LiHから脱離した水素が水素ガスになる前に、水素を吸着している可能性もある。また、Nbが、LiHの解離反応自体を促進している可能性もある。 In the above description, the generated hydrogen gas is assumed to be dissociated adsorbed by Nb 2 O 5, Nb 2 O 5 , before the hydrogen desorbed from LiH is hydrogen gas, and the adsorption of hydrogen There is also a possibility. In addition, Nb 2 O 5 may promote the LiH dissociation reaction itself.

1.2.MgH
本発明に係る負極材料おいて、MgHは、通常、活物質として機能するものであり、例えばLiイオンと反応することで、LiH及びMgを生じさせるものである。また、Liイオンとの反応で生じたMg(0価)は、さらにLiイオンと合金化反応を起こし、LiMgとなるまでLiを吸蔵する。このように、MgHは、極めて大きなLi吸蔵容量を有するものの、その逆反応(上記反応式2)が生じ難いため、充放電効率が低くなるという問題があった。本発明では、Nbを触媒として機能させることによりこの問題を解決している。
1.2. MgH 2
In the negative electrode material according to the present invention, MgH 2 normally functions as an active material, and generates LiH and Mg, for example, by reacting with Li ions. Further, Mg (zero-valent) generated by the reaction with Li ions further causes an alloying reaction with Li ions and occludes Li until it becomes Li 3 Mg 7 . Thus, MgH 2 has a very large Li storage capacity, but its reverse reaction (the above reaction formula 2) hardly occurs, and thus there is a problem that the charge / discharge efficiency is lowered. In the present invention, this problem is solved by making Nb 2 O 5 function as a catalyst.

本発明に係る負極材料おいて、MgHは、微細化されているものが好ましい。MgHの粒子径を小さくすることで、コンバージョン反応の可逆性をさらに向上させることができる。MgHの平均粒子径は、例えば2μm以下であることが好ましく、0.1μm〜1μmの範囲内であることがより好ましい。MgHを微細化する場合は、例えば、ボールミル等の公知の手法を用いればよい。 In the negative electrode material according to the present invention, it is preferable that MgH 2 is refined. By reducing the particle size of MgH 2, it is possible to further improve the reversibility of the conversion reaction. The average particle diameter of MgH 2 is preferably 2 μm or less, for example, and more preferably in the range of 0.1 μm to 1 μm. When miniaturizing MgH 2 , for example, a known method such as a ball mill may be used.

本発明に係る負極材料おいて、MgHの含有量は、特に限定されるものではないが、負極材料全体を100質量%として、40質量%以上であることが好ましく、60質量%以上98質量%以下であることがより好ましい。 In the negative electrode material according to the present invention, the content of MgH 2 is not particularly limited, but it is preferably 40% by mass or more, preferably 60% by mass or more and 98% by mass with respect to 100% by mass of the entire negative electrode material. % Or less is more preferable.

1.3.Nb
本発明に係る負極材料おいて、Nbは、上記コンバージョン反応の可逆性を向上させる触媒として機能する。また、Nbは、上記MgHと接触していればよく、例えば、MgH及びNbのいずれか一方に他方が担持されたものであってもよい。
1.3. Nb 2 O 5
In the negative electrode material according to the present invention, Nb 2 O 5 functions as a catalyst that improves the reversibility of the conversion reaction. Further, Nb 2 O 5 has only to contact with the MgH 2, for example, may be one other is supported on one of MgH 2 and Nb 2 O 5.

本発明に係る負極材料おいて、Nbはμmオーダーの平均粒子径を有するものであってもよい。具体的には、1μm以上1000μm未満であればよい。上述したように、本発明に係る負極材料を金属二次電池に適用した場合、電池反応の初期段階において、Nbがコンバージョン反応を起こし、微粉化されるため、用いるNbが比較的大きな粒子であっても触媒として適切に機能させることができる。Nb粒子をμmオーダーのものとすることにより、添加の際や電極塗工の際、凝集することがなく、プロセスを簡略化させることができ、また、安全性にも優れた形態とすることができる。 In the negative electrode material according to the present invention, Nb 2 O 5 may have an average particle size on the order of μm. Specifically, it may be 1 μm or more and less than 1000 μm. As described above, when the anode material according to the present invention is applied to a metal secondary battery, in the early stages of the cell reaction, Nb 2 O 5 undergoes a conversion reaction, to be micronized, is Nb 2 O 5 used Even relatively large particles can function properly as a catalyst. By making the Nb 2 O 5 particles in the order of μm, it is possible to simplify the process without agglomeration during addition or electrode coating, and with a form that is excellent in safety. can do.

本発明に係る負極材料おいて、Nbの含有量は、Nbを含ませない場合と比較し金属二次電池の充放電効率を向上できる程度の量であれば、特に限定されるものではない。具体的にはMgHに対するNbの割合が、0.1at%以上10at%以下であることが好ましく、0.5at%以上6at%以下であることがより好ましい。Nbが少なすぎると、コンバージョン反応の可逆性を十分に向上させることが出来ない虞があり、一方、Nbが多すぎると、相対的にMgHが少なくなる結果、金属二次電池とした場合に容量が大きく低下する虞がある。尚、MgHに対するNbの割合は、SEM−EDXにより確認することができる。 Keep negative electrode material according to the present invention, the content of Nb 2 O 5, if the amount enough to improve the charge-discharge efficiency as compared to metal secondary battery and the case of not contain Nb 2 O 5, particularly limited Is not to be done. Specifically, the ratio of Nb 2 O 5 to MgH 2 is preferably 0.1 at% or more and 10 at% or less, and more preferably 0.5 at% or more and 6 at% or less. If the amount of Nb 2 O 5 is too small, the reversibility of the conversion reaction may not be sufficiently improved. On the other hand, if the amount of Nb 2 O 5 is too large, the amount of MgH 2 will be relatively small. When a secondary battery is used, the capacity may be greatly reduced. The ratio of Nb 2 O 5 with respect to MgH 2 can be confirmed by SEM-EDX.

1.4.その他材料
本発明に係る負極材料には、上記MgHやNbの他、導電性向上のための導電化材が含まれていてもよい。導電パスを容易に形成する観点から、導電化材は、MgHと接触していることが好ましく、或いは、MgHに担持されていることが好ましい。導電化材としては、従来から負極材料として用いられているものを、特に限定されることなく用いることができるが、例えば、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンブラック、コークス、炭素繊維、黒鉛等の炭素材料を好適に用いることができる。
1.4. Other Materials The negative electrode material according to the present invention may include a conductive material for improving conductivity in addition to the MgH 2 and Nb 2 O 5 . A conductive path from the viewpoint of easily forming, conductive material is preferably in contact with the MgH 2, or, preferably carried on the MgH 2. As the conductive material, those conventionally used as negative electrode materials can be used without particular limitation. For example, mesocarbon microbeads (MCMB), acetylene black, ketjen black, carbon black, Carbon materials such as coke, carbon fiber, and graphite can be suitably used.

本発明に係る負極材料おいて、導電化材は、微細化されたものを用いることが好ましい。これにより導電性をさらに向上させることができる。導電化材の平均粒子径は、例えば、2μm以下であることが好ましく、0.1μm以上1μm以下であることがより好ましい。導電化材を微細化する場合は、例えば、ボールミル等の公知の手法を用いればよい。   In the negative electrode material according to the present invention, it is preferable to use a finer conductive material. Thereby, electroconductivity can further be improved. The average particle diameter of the conductive material is, for example, preferably 2 μm or less, and more preferably 0.1 μm or more and 1 μm or less. When the conductive material is miniaturized, for example, a known technique such as a ball mill may be used.

本発明に係る負極材料おいて、導電化材の含有量は、金属二次電池とした場合において電池性能を阻害しない範囲であれば特に限定されるものではない。例えば、本発明に係る負極材料全体を100質量%とした場合において、1質量%以上50質量%以下であることが好ましく、2質量%以上40質量%以下であることがより好ましい。導電化材が少なすぎると、導電性を十分に向上させることが出来ない虞があり、導電化材が多すぎると、相対的にMgHが少なくなる結果、金属二次電池とした場合に容量が大きく低下する虞がある。 In the negative electrode material according to the present invention, the content of the conductive material is not particularly limited as long as it does not impair battery performance in the case of a metal secondary battery. For example, when the whole negative electrode material according to the present invention is 100% by mass, it is preferably 1% by mass or more and 50% by mass or less, and more preferably 2% by mass or more and 40% by mass or less. If the amount of the conductive material is too small, the conductivity may not be sufficiently improved. If the amount of the conductive material is too large, the amount of MgH 2 is relatively reduced, resulting in a capacity when a metal secondary battery is obtained. There is a risk of a significant drop.

本発明に係る負極材料は、上記MgHとNbとが互いに接触するようにするとともに、任意に導電化材を所定の割合となるようにし、原料組成物を混合することで製造できる。MgHとNbとを接触させる場合は、これらを単に混合する形態の他、MgH及びNbのどちらか一方に他方を担持させる形態であってもよい。混合方法については特に限定されるものではなく、公知の混合手段を用いて行えばよい。例えば、メカニカルミリング等の機械的エネルギーを付与可能な混合手法により混合することが好ましい。原料組成物に含まれる各材料の粒径を容易に小さくすることができ、コンバージョン反応の可逆性をさらに向上させることができるからである。特に、MgHの粒子径が小さくなることで、コンバージョン反応の可逆性が向上すると考えられる。その理由は、MgHの粒径が小さくなると、比表面積が大きくなり、例えば上記反応式2が生じやすくなるためであると考えられる。また、MgHの粒子径が小さくなることで、例えばLi拡散パスが短くなり、反応性が向上すると考えられる。また、MgHの粒子径が小さくなることにより、例えばLi挿入反応(上記反応式1)における過電圧が小さくなるという利点もある。上記メカニカルミリングは、試料を、機械的エネルギーを付与しながら粉砕する方法である。また、メカニカルミリングで微細化することにより、原料組成物に含まれる各材料の粒子が激しく接触する。これにより、原料組成物に含まれる各材料は、単なる微細化(例えば乳鉢を用いた微細化)よりも、格段に微細化される。また、メカニカルミリングで微細化することにより、Nbや導電化材を、MgH粒子の表面に均一に分散させることができる。本発明におけるメカニカルミリングとしては、例えば、ボールミル、振動ミル、ターボミル、ディスクミル等を挙げることができ、中でもボールミルが好ましく、特に遊星型ボールミルが好ましい。 The negative electrode material according to the present invention can be produced by making the MgH 2 and Nb 2 O 5 contact each other, arbitrarily making the conductive material at a predetermined ratio, and mixing the raw material composition. . In the case where MgH 2 and Nb 2 O 5 are brought into contact with each other, in addition to a form in which these are simply mixed, a form in which one of MgH 2 and Nb 2 O 5 is supported on the other may be employed. The mixing method is not particularly limited, and may be performed using a known mixing means. For example, it is preferable to mix by a mixing method capable of imparting mechanical energy such as mechanical milling. This is because the particle size of each material contained in the raw material composition can be easily reduced, and the reversibility of the conversion reaction can be further improved. In particular, it is considered that the reversibility of the conversion reaction is improved by reducing the particle diameter of MgH 2 . The reason is considered to be that when the particle size of MgH 2 is reduced, the specific surface area is increased, and for example, the reaction formula 2 is likely to occur. Moreover, it is thought that, for example, the Li diffusion path is shortened and the reactivity is improved by reducing the particle diameter of MgH 2 . In addition, since the particle diameter of MgH 2 is reduced, for example, there is an advantage that an overvoltage in a Li insertion reaction (the above reaction formula 1) is reduced. The mechanical milling is a method of pulverizing a sample while applying mechanical energy. Moreover, the particle | grains of each material contained in a raw material composition contact vigorously by refine | miniaturizing by mechanical milling. Thereby, each material contained in a raw material composition is remarkably refined rather than mere refinement | miniaturization (for example, refinement | miniaturization using a mortar). Moreover, by refining with mechanical milling, the Nb 2 O 5 and the conductive material, can be uniformly dispersed on the surface of the MgH 2 particles. Examples of the mechanical milling in the present invention include a ball mill, a vibration mill, a turbo mill, and a disk mill. Among these, a ball mill is preferable, and a planetary ball mill is particularly preferable.

また、メカニカルミリングの各種条件は、所望の負極材料を得ることができるように設定すればよい。例えば、遊星型ボールミルにより負極材料を作製する場合、ポット内に、各原料および粉砕用ボールを加え、所定の回転数および時間で処理を行う。遊星型ボールミルにて処理する際の台盤回転数としては、例えば100rpm〜1000rpmの範囲内、中でも200rpm〜600rpmの範囲内であることが好ましい。また、処理時間は、例えば1時間〜100時間の範囲内、中でも2時間〜10時間の範囲内であることが好ましい。また、本発明においては、原料組成物に含まれる各材料が、所定の平均粒子径となるようにメカニカルミリングを行うことが好ましい。   Moreover, what is necessary is just to set the various conditions of mechanical milling so that a desired negative electrode material can be obtained. For example, when producing a negative electrode material by a planetary ball mill, each raw material and grinding balls are added to the pot, and processing is performed at a predetermined number of revolutions and time. The number of rotations of the base plate at the time of processing with the planetary ball mill is, for example, preferably in the range of 100 rpm to 1000 rpm, and more preferably in the range of 200 rpm to 600 rpm. Moreover, it is preferable that processing time is in the range of 1 hour-100 hours, for example, especially in the range of 2 hours-10 hours. In the present invention, it is preferable to perform mechanical milling so that each material included in the raw material composition has a predetermined average particle size.

このように、本発明に係る負極材料は、MgHに加えてNbが含まれて触媒として適切に機能するため、これを用いて負極を構成し、金属二次電池とした場合に、当該金属二次電池の充放電効率を向上させることができる。ここで、上述した反応式1、2は、リチウム二次電池を対象としたものであるが、コンバージョン反応におけるMgHの挙動は、リチウム以外の金属でも同様であると考えられる。そのため、本発明に係る負極材料は、リチウム二次電池以外の金属二次電池の負極に対しても用いることができる。金属二次電池の具体例としては、例えば、リチウム二次電池、ナトリウム二次電池、カリウム二次電池、マグネシウム二次電池、カルシウム二次電池等を挙げることができる。中でもリチウム二次電池、ナトリウム二次電池、カリウム二次電池が好ましく、特に、リチウム二次電池が好ましい。 As described above, the negative electrode material according to the present invention contains Nb 2 O 5 in addition to MgH 2 and functions appropriately as a catalyst. Therefore, when the negative electrode is configured using this to form a metal secondary battery, The charge / discharge efficiency of the metal secondary battery can be improved. Here, the above-described reaction formulas 1 and 2 are intended for lithium secondary batteries, but the behavior of MgH 2 in the conversion reaction is considered to be the same for metals other than lithium. Therefore, the negative electrode material according to the present invention can also be used for negative electrodes of metal secondary batteries other than lithium secondary batteries. Specific examples of the metal secondary battery include a lithium secondary battery, a sodium secondary battery, a potassium secondary battery, a magnesium secondary battery, and a calcium secondary battery. Among these, a lithium secondary battery, a sodium secondary battery, and a potassium secondary battery are preferable, and a lithium secondary battery is particularly preferable.

2.金属二次電池用負極
上記した本発明に係る負極材料及びその他の任意材料と公知の負極集電体等とを組み合わせることで、本発明に係る金属二次電池用負極(以下、単に「本発明に係る負極」という場合がある。)を構成することができる。負極の形態については、負極材料としてMgHとNbとを含む以外は、公知の金属二次電池用負極と同様の形態とすることができる。例えば、上記負極材料を加圧成形することで負極層を形成し、任意に負極集電体の表面に配置する形態や、負極材料を負極集電体とともに加圧成形する形態、或いは、上記負極材料を溶媒に分散させて負極形成用塗布液を作製し、当該塗布液を負極集電体の表面に塗工し乾燥させる形態等、様々な手法により製造することができる。負極層を強固なものとする観点からは、負極層を形成する際、負極材料とともに結着材を含ませるとよい。
2. Negative electrode for metal secondary battery The negative electrode material for metal secondary battery according to the present invention (hereinafter simply referred to as “the present invention”) by combining the negative electrode material and other optional materials according to the present invention described above with known negative electrode current collectors and the like. May be referred to as “a negative electrode according to the present invention”). The negative electrode of the embodiment, except that it contains the MgH 2 and Nb 2 O 5 as a negative electrode material may be in the same form as the negative electrode for a known metal secondary battery. For example, a mode in which a negative electrode layer is formed by pressure molding the negative electrode material and arbitrarily disposed on the surface of the negative electrode current collector, a mode in which the negative electrode material is pressure molded with the negative electrode current collector, or the negative electrode The material can be dispersed in a solvent to prepare a coating liquid for forming a negative electrode, and the coating liquid can be produced by various methods such as a form in which the coating liquid is applied to the surface of the negative electrode current collector and dried. From the viewpoint of strengthening the negative electrode layer, a binder may be included together with the negative electrode material when the negative electrode layer is formed.

2.1.負極層
本発明に係る負極において、負極層には少なくとも本発明に係る負極材料が含まれており、任意にさらに結着材や導電材が含まれている。負極層において、本発明に係る負極材料の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば、負極層全体を100質量%として、20質量%以上であることが好ましく、40質量%以上80質量%以下であることがより好ましい。上述したように本発明に係る負極材料自体に導電化材が含まれている場合があるが、負極層には、さらに導電化材が含まれていても良い。負極材料に含まれる導電化材と、新たに添加される導電化材とは、同一の材料であってもよく、異なる材料であってもよい。導電化材の具体例については、上述した通りである。また、負極層に結着材を含ませる場合、当該結着材の具体例としては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等のフッ素含有樹脂を挙げることができる。負極層の厚みは特に限定されないが、例えば、0.1μm以上1000μm以下であることが好ましい。
2.1. Negative electrode layer In the negative electrode according to the present invention, the negative electrode layer includes at least the negative electrode material according to the present invention, and optionally further includes a binder and a conductive material. In the negative electrode layer, the content of the negative electrode material according to the present invention is not particularly limited. For example, the entire negative electrode layer is 100% by mass, preferably 20% by mass or more, and 40% by mass or more 80 It is more preferable that the amount is not more than mass%. As described above, the negative electrode material itself according to the present invention may contain a conductive material, but the negative electrode layer may further contain a conductive material. The conductive material contained in the negative electrode material and the newly added conductive material may be the same material or different materials. Specific examples of the conductive material are as described above. Moreover, when a binder is included in the negative electrode layer, specific examples of the binder include fluorine-containing resins such as polyvinylidene fluoride (PVDF). Although the thickness of a negative electrode layer is not specifically limited, For example, it is preferable that they are 0.1 micrometer or more and 1000 micrometers or less.

2.2.負極集電体
本発明に係る負極には、任意に負極集電体が備えられる。負極集電体としては公知のものを用いることができ、特に限定されるものではない。例えば、ステンレス鋼、銅、ニッケル、或いはカーボン等を挙げることができる。中でも銅が好ましい。負極集電体の形状は特に限定されるものではなく、板状、箔状、メッシュ状等を例示できる。
2.2. Negative Electrode Current Collector The negative electrode according to the present invention is optionally provided with a negative electrode current collector. A known negative electrode current collector can be used, and is not particularly limited. For example, stainless steel, copper, nickel, or carbon can be used. Of these, copper is preferred. The shape of the negative electrode current collector is not particularly limited, and examples thereof include a plate shape, a foil shape, and a mesh shape.

このように本発明に係る負極には、上記本発明に係る負極材料が含まれているため、金属二次電池に適用した場合に、当該金属二次電池の充放電効率を向上させることが可能である。   Thus, since the negative electrode according to the present invention includes the negative electrode material according to the present invention, it is possible to improve the charge / discharge efficiency of the metal secondary battery when applied to the metal secondary battery. It is.

3.金属二次電池
本発明に係る金属二次電池は、正極、電解質、及び、上記本発明に係る負極を備えている。図1に、一実施形態に係る金属二次電池10を概略的に示す。図1に示すように、金属二次電池10は、負極1と正極2と、負極1及び正極2の間に設けられた電解質層3とによって発電部が構成されている。尚、図1において、配線等のその他構成については省略して示している。
3. Metal Secondary Battery The metal secondary battery according to the present invention includes a positive electrode, an electrolyte, and the negative electrode according to the present invention. FIG. 1 schematically shows a metal secondary battery 10 according to an embodiment. As shown in FIG. 1, the metal secondary battery 10 includes a power generation unit that includes a negative electrode 1, a positive electrode 2, and an electrolyte layer 3 provided between the negative electrode 1 and the positive electrode 2. In FIG. 1, other configurations such as wiring are omitted.

3.1.負極1
金属二次電池10の負極1としては、上記本発明に係る負極を用いればよい。詳細については上述した通りであるため、説明は省略する。
3.1. Negative electrode 1
As the negative electrode 1 of the metal secondary battery 10, the negative electrode according to the present invention may be used. Since details are as described above, description thereof is omitted.

3.2.正極2
金属二次電池10の正極2は、正極活物質等を含む正極層を備え、正極2の集電のための正極集電体を任意に備えている。正極層は少なくとも正極活物質を含む層であり、必要に応じて、導電化材及び結着材の少なくとも一方をさらに含んでいてもよい。正極活物質の種類は、金属二次電池10の種類に応じて適宜選択すればよいが、例えば、金属二次電池10をリチウム二次電池とする場合、正極活物質としては、LiCoO、LiNiO、LiCo1/3Ni1/3Mn1/3、LiVO、LiCrO等の層状正極活物質、LiMn、Li(Ni0.25Mn0.75、LiCoMnO、LiNiMn等のスピネル型正極活物質、LiCoPO、LiMnPO、LiFePO等のオリビン型正極活物質等を挙げることができる。正極層における正極活物質の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば40質量%〜99質量%の範囲内であることが好ましい。
3.2. Positive electrode 2
The positive electrode 2 of the metal secondary battery 10 includes a positive electrode layer containing a positive electrode active material and the like, and optionally includes a positive electrode current collector for collecting the positive electrode 2. The positive electrode layer is a layer including at least a positive electrode active material, and may further include at least one of a conductive material and a binder as necessary. The type of the positive electrode active material may be appropriately selected according to the type of the metal secondary battery 10. For example, when the metal secondary battery 10 is a lithium secondary battery, examples of the positive electrode active material include LiCoO 2 and LiNiO. 2 , layered positive electrode active materials such as LiCo 1/3 Ni 1/3 Mn 1/3 O 2 , LiVO 2 , LiCrO 2 , LiMn 2 O 4 , Li (Ni 0.25 Mn 0.75 ) 2 O 4 , LiCoMnO 4 , spinel-type positive electrode active materials such as Li 2 NiMn 3 O 8 , and olivine-type positive electrode active materials such as LiCoPO 4 , LiMnPO 4 , and LiFePO 4 . Although content of the positive electrode active material in a positive electrode layer is not specifically limited, For example, it is preferable to exist in the range of 40 mass%-99 mass%.

本発明における正極層は、さらに導電化材及び結着材の少なくとも一方を含んでいてもよい。導電化材及び結着材については、負極層に用いられるものとして例示したものを適宜選択して用いることができる。正極層の厚みは、例えば、0.1μm以上1000μm以下であることが好ましい。   The positive electrode layer in the present invention may further contain at least one of a conductive material and a binder. As the conductive material and the binder, those exemplified as those used for the negative electrode layer can be appropriately selected and used. The thickness of the positive electrode layer is preferably 0.1 μm or more and 1000 μm or less, for example.

正極2には任意に正極集電体が備えられる。正極集電体としては公知のものを用いることができ、特に限定されるものではない。例えば、ステンレス鋼、アルミニウム、ニッケル、鉄、チタン及びカーボン等を挙げることができる。中でもアルミニウムが好ましい。正極集電体の形状は特に限定されるものではなく、板状、箔状、メッシュ状等を例示できる。   The positive electrode 2 is optionally provided with a positive electrode current collector. A well-known thing can be used as a positive electrode electrical power collector, It does not specifically limit. For example, stainless steel, aluminum, nickel, iron, titanium, carbon and the like can be mentioned. Of these, aluminum is preferable. The shape of the positive electrode current collector is not particularly limited, and examples thereof include a plate shape, a foil shape, and a mesh shape.

正極2は、上記負極1と同様の手法で製造することができる。例えば、上記正極活物質等を加圧成形することで正極層を形成し、任意に正極集電体の表面に配置する形態や、正極活物質等を正極集電体とともに加圧成形する形態、或いは、上記正極活物質等を溶媒に分散させて正極形成用塗布液を作製し、当該塗布液を正極集電体の表面に塗工し乾燥させる形態等、様々な手法により製造することができる。   The positive electrode 2 can be manufactured by the same method as the negative electrode 1. For example, a positive electrode layer is formed by pressure molding the positive electrode active material and the like, and a mode in which the positive electrode current collector and the positive electrode current collector are pressure molded with a positive electrode current collector, Alternatively, the positive electrode active material or the like can be dispersed in a solvent to prepare a positive electrode forming coating liquid, and the coating liquid can be manufactured by various methods such as a form in which the coating liquid is applied to the surface of the positive electrode current collector and dried. .

3.3.電解質層3
電解質層3は、上記正極層と負極層との間に配置される層であり、少なくとも電解質を含む層である。電解質層に含まれる電解質を介して、正極活物質と負極活物質との間の金属イオン伝導を行う。電解質層の形態は、特に限定されるものではなく、液体電解質層、ゲル電解質層、固体電解質層等を挙げることができる。
3.3. Electrolyte layer 3
The electrolyte layer 3 is a layer disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer, and includes at least an electrolyte. Metal ion conduction is performed between the positive electrode active material and the negative electrode active material through the electrolyte contained in the electrolyte layer. The form of the electrolyte layer is not particularly limited, and examples thereof include a liquid electrolyte layer, a gel electrolyte layer, and a solid electrolyte layer.

液体電解質層は、通常、非水電解液を用いてなる層である。非水電解液は、通常、金属塩および非水溶媒を含有する。金属塩の種類は、金属二次電池の種類に応じて適宜選択することが好ましい。例えば、リチウム二次電池に用いられる金属塩としては、LiPF、LiBF、LiClOおよびLiAsF等の無機リチウム塩;およびLiCFSO、LiN(CFSO、LiN(CSO、LiC(CFSO等の有機リチウム塩等を挙げることができる。非水溶媒としては、例えばエチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ブチレンカーボネート(BC)、γ−ブチロラクトン、スルホラン、アセトニトリル、1,2−ジメトキシメタン、1,3−ジメトキシプロパン、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフランおよびこれらの混合物等を挙げることができる。非水電解液における金属塩の濃度は、例えば0.5mol/L〜3mol/Lの範囲内である。なお、本発明においては、非水電解液として、例えばイオン性液体等の低揮発性液体を用いても良い。また、正極層および負極層の間には、セパレータが配置されていても良い。 The liquid electrolyte layer is usually a layer using a non-aqueous electrolyte. The non-aqueous electrolyte usually contains a metal salt and a non-aqueous solvent. The type of metal salt is preferably selected as appropriate according to the type of metal secondary battery. For example, as a metal salt used for a lithium secondary battery, inorganic lithium salts such as LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 and LiAsF 6 ; and LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (C 2 And organic lithium salts such as F 5 SO 2 ) 2 and LiC (CF 3 SO 2 ) 3 . Examples of the non-aqueous solvent include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), butylene carbonate (BC), γ-butyrolactone, sulfolane, Acetonitrile, 1,2-dimethoxymethane, 1,3-dimethoxypropane, diethyl ether, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, and mixtures thereof can be exemplified. The concentration of the metal salt in the nonaqueous electrolytic solution is, for example, in the range of 0.5 mol / L to 3 mol / L. In the present invention, a low volatile liquid such as an ionic liquid may be used as the nonaqueous electrolytic solution. A separator may be disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer.

電解質層の厚さは、電解質の種類および電池の構成によって大きく異なるものであるが、例えば0.1μm〜1000μmの範囲内、中でも0.1μm〜300μmの範囲内であることが好ましい。   The thickness of the electrolyte layer varies greatly depending on the type of electrolyte and the configuration of the battery. For example, the thickness of the electrolyte layer is preferably in the range of 0.1 μm to 1000 μm, and more preferably in the range of 0.1 μm to 300 μm.

金属二次電池10は、本発明に係る負極材料を含む負極1を備えるほかは、従来と同様の形態とすることができる。例えば、負極1と正極2とを個別に製造し、負極層と正極層との間に電解質層が介在するようにして、電池ケース内に収容することで金属二次電池10を製造することができる。或いは、負極1、電解質層3及び正極2がこの順で構成されるように、材料を積層・プレス成形し、電池ケース内に収容する形態であってもよい。或いは、材料を積層の後、積層体を捲回してなる形態であってもよい。尚、電池ケースの材質、形状については、特に限定されるものではなく、用途に応じて適宜選択すればよい。   The metal secondary battery 10 can have the same form as the conventional one except that the metal secondary battery 10 includes the negative electrode 1 including the negative electrode material according to the present invention. For example, the negative electrode 1 and the positive electrode 2 are manufactured separately, and the metal secondary battery 10 is manufactured by accommodating the negative electrode layer and the positive electrode layer in the battery case so that the electrolyte layer is interposed between the negative electrode layer and the positive electrode layer. it can. Or the form which laminates | stacks and press-molds material so that the negative electrode 1, the electrolyte layer 3, and the positive electrode 2 may be comprised in this order, and accommodates in a battery case may be sufficient. Or the form formed by winding a laminated body after laminating | stacking a material may be sufficient. The material and shape of the battery case are not particularly limited, and may be appropriately selected depending on the application.

本発明に係る金属二次電池としては、リチウム二次電池の他、ナトリウム二次電池、カリウム二次電池、マグネシウム二次電池、カルシウム二次電池等としてもよい。中でも、リチウム二次電池、ナトリウム二次電池、カリウム二次電池が好ましく、リチウム二次電池が特に好ましい。また、本発明に係る金属二次電池は、例えば車載用電池として用いることができる。金属二次電池の形状としては、特に限定されないが、コイン型、ラミネート型、円筒型、角型等が例示できる。   The metal secondary battery according to the present invention may be a lithium secondary battery, a sodium secondary battery, a potassium secondary battery, a magnesium secondary battery, a calcium secondary battery, or the like. Among these, a lithium secondary battery, a sodium secondary battery, and a potassium secondary battery are preferable, and a lithium secondary battery is particularly preferable. Moreover, the metal secondary battery which concerns on this invention can be used as a vehicle-mounted battery, for example. The shape of the metal secondary battery is not particularly limited, and examples thereof include a coin type, a laminate type, a cylindrical type, and a square type.

このように、本発明に係る金属二次電池は、本発明に係る負極材料を含む負極が備えられているため、従来の電池よりも充放電効率が向上してなるものである。   Thus, since the metal secondary battery which concerns on this invention is equipped with the negative electrode containing the negative electrode material which concerns on this invention, charging / discharging efficiency improves from the conventional battery.

以下、実施例に基づいて、本発明に係る負極材料を含む負極を備えた金属二次電池について詳述する。   Hereinafter, based on an Example, the metal secondary battery provided with the negative electrode containing the negative electrode material which concerns on this invention is explained in full detail.

<実施例>
(負極材料の作製)
市販のMgH粉末(Alfa Aesar社製)、Nb粉末(アルバリッチ社製)及びMCMBカーボン粉末(大阪ガスケミカル株式会社製)を混合した。このとき、Nb粉末は、MgHに対して1at%添加し、MgH及びNbとカーボンとの質量比が90/10質量%となるようにした。混合物をボールミルにより処理し(混合物:ボール=1質量%:40質量%、400rpm、5時間、Ar雰囲気)、微細化した負極材料を作製した。
<Example>
(Preparation of negative electrode material)
Commercially available MgH 2 powder (manufactured by Alfa Aesar), Nb 2 O 5 powder (manufactured by Alba Rich) and MCMB carbon powder (manufactured by Osaka Gas Chemical Co., Ltd.) were mixed. In this case, Nb 2 O 5 powder was added 1 at.% With respect to MgH 2, the mass ratio of carbon and MgH 2 and Nb 2 O 5 is set to be 90/10 wt%. The mixture was processed by a ball mill (mixture: ball = 1 mass%: 40 mass%, 400 rpm, 5 hours, Ar atmosphere) to produce a refined negative electrode material.

(負極の作製)
上記負極材料/導電化材/PVdFを質量比45:40:15の割合で混練して負極ペーストを作製し、当該ペーストを銅箔上にドクターブレードを用いて塗工した後、乾燥し、プレスすることにより、厚み10μmの負極を作製した。
(Preparation of negative electrode)
The negative electrode material / conductive material / PVdF was kneaded at a mass ratio of 45:40:15 to prepare a negative electrode paste, and the paste was coated on a copper foil using a doctor blade, dried, and pressed. As a result, a negative electrode having a thickness of 10 μm was produced.

(電解液の作製)
電解液はEC(エチレンカーボネート)、DMC(ジメチルカーボネート)、EMC(エチルメチルカーボネート)を体積比率3:3:4で混合したものに、支持塩として六フッ化リン酸リチウム(LiPF)を濃度1mol/Lで溶解させ、電解液を作製した。
(Preparation of electrolyte)
The electrolyte is a mixture of EC (ethylene carbonate), DMC (dimethyl carbonate), and EMC (ethyl methyl carbonate) in a volume ratio of 3: 3: 4, and a concentration of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) as a supporting salt. It was made to melt | dissolve at 1 mol / L and the electrolyte solution was produced.

(金属二次電池の作製)
下記のようなリチウム二次電池を作製した。
電池タイプ:CR2022型コインセル
作用極:上記試験電極
対極:金属Li
セパレータ:PP製多孔質セパレータ(PE/PP/PE)
電解液:EC/DMC/EMC=3:3:4、1M−LiPF
(Production of metal secondary battery)
The following lithium secondary battery was produced.
Battery type: CR2022 type coin cell Working electrode: Test electrode counter electrode: Metal Li
Separator: PP porous separator (PE / PP / PE)
Electrolyte: EC / DMC / EMC = 3: 3: 4, 1M-LiPF 6

<比較例>
(比較例1)
負極材料を下記の通りに作製したほかは、実施例と同様にして負極及び金属二次電池を作製した。
<Comparative example>
(Comparative Example 1)
A negative electrode and a metal secondary battery were produced in the same manner as in Example except that the negative electrode material was produced as follows.

市販のMgH粉末とMCMBカーボン粉末とを質量比90:10の割合で混合し、ボールミル処理し(混合物:ボール=1質量%:40質量%、400rpm、5時間、Ar雰囲気)、微細化した負極材料を作製した。 Commercially available MgH 2 powder and MCMB carbon powder were mixed at a mass ratio of 90:10 and ball milled (mixture: ball = 1% by mass: 40% by mass, 400 rpm, 5 hours, Ar atmosphere) and refined. A negative electrode material was produced.

(比較例2)
負極材料を下記の通りに作製したほかは、実施例と同様にして負極及び金属二次電池を作製した。
(Comparative Example 2)
A negative electrode and a metal secondary battery were produced in the same manner as in Example except that the negative electrode material was produced as follows.

市販のMgH粉末、触媒としてナノ粒子化したNi粉末(日本ナノテク株式会社製)及びMCMBカーボン粉末を混合した。このとき、Ni粉末はMgHに対して1at%となるように添加し、MgH及びNi粉末とカーボンとの質量比が90/10質量%となるようにした。混合物をボールミルにより処理し(混合物:ボール=1質量%:40質量%、400rpm、5時間、Ar雰囲気)、微細化した負極材料を作製した。 Commercially available MgH 2 powder, Ni powder nano-sized as a catalyst (manufactured by Nippon Nanotech Co., Ltd.) and MCMB carbon powder were mixed. At this time, Ni powder was added to a 1 at.% With respect to MgH 2, the mass ratio of MgH 2 and Ni powder and carbon is set to be 90/10 wt%. The mixture was processed by a ball mill (mixture: ball = 1 mass%: 40 mass%, 400 rpm, 5 hours, Ar atmosphere) to produce a refined negative electrode material.

<金属二次電池の評価>
電池評価環境温度25℃、電流レートC/50にて、充放電(上下限電圧3.0V〜0.01V)を行い、放電容量と充電容量との比率(充放電効率)を評価した。
<Evaluation of metal secondary battery>
Battery evaluation was performed at an environmental temperature of 25 ° C. and a current rate of C / 50, and charge / discharge (upper and lower limit voltage: 3.0 V to 0.01 V) was performed to evaluate the ratio between the discharge capacity and the charge capacity (charge / discharge efficiency).

図2(a)、(b)に、実施例及び比較例1、2に係るリチウム二次電池の充放電曲線を示す。図2(a)、(b)から明らかなように、負極材料中にNbを添加した実施例は、比較例に比べて可逆性が飛躍的に向上し、充放電効率が向上していることが分かる。また、図2(b)から分かるように、Nbを添加した実施例に係る充放電曲線は、比較例よりもやや上方(貴)を通っている。これはMgHより先にNbにLiが挿入されていることを意味している。この過程でNbが微粉化していると考えられる。 FIGS. 2A and 2B show charge / discharge curves of lithium secondary batteries according to Examples and Comparative Examples 1 and 2, respectively. As is clear from FIGS. 2A and 2B, the example in which Nb 2 O 5 is added to the negative electrode material has dramatically improved reversibility and improved charge / discharge efficiency compared to the comparative example. I understand that Moreover, as can be seen from FIG. 2B, the charge / discharge curve according to the example to which Nb 2 O 5 was added passes slightly above (noble) the comparative example. This means that Li is inserted into Nb 2 O 5 prior to MgH 2 . It is considered that Nb 2 O 5 is pulverized in this process.

MgHのコンバージョン反応は、MgH+2Li+2e→2LiH+Mgという形で進行し、その後、0価のMgとLiが合金化反応によりLiMgとなるまでLiが挿入する。触媒がない場合、合金化反応及びコンバージョン反応ともに可逆性が劣るのに対し、Nbを添加し触媒として機能させることにより、Nbが活物質MgHより貴な電位でコンバージョン反応を起こすため(MgH:0.5V、Nb:1.1V)、Li挿入過程でまず始めにNbのコンバージョン反応が起こる。その結果、Nbは微粉化し、その後の充放電過程において触媒としての機能を発現することとなる。すなわち、Nbは粒子径が大きく、導電材で被覆していないため、初期反応段階で微粉化するのみでその後は活物質としては機能せずに、触媒として機能する。その結果、合金化反応の可逆性が大幅に向上し、また、コンバージョン反応の可逆性も飛躍的に向上することが分かった。 Conversion reaction of MgH 2 is, MgH 2 + 2Li + 2e - proceed in the form of → 2LiH + Mg, then, Li is inserted to zero valence of Mg and Li is Li 3 Mg 7 by alloying reaction. In the absence of a catalyst, both the alloying reaction and the conversion reaction are inferior in reversibility, but by adding Nb 2 O 5 to function as a catalyst, Nb 2 O 5 is converted to a conversion reaction at a higher potential than the active material MgH 2. (MgH 2 : 0.5V, Nb 2 O 5 : 1.1V), the conversion reaction of Nb 2 O 5 occurs first in the Li insertion process. As a result, Nb 2 O 5 is pulverized and expresses a function as a catalyst in the subsequent charge / discharge process. That is, since Nb 2 O 5 has a large particle size and is not coated with a conductive material, it is only pulverized at the initial reaction stage and does not function as an active material but functions as a catalyst. As a result, it was found that the reversibility of the alloying reaction was greatly improved and the reversibility of the conversion reaction was dramatically improved.

本発明に係る金属二次電池は、携帯機器、電気自動車、ハイブリッド車等の電源として好適に用いることができる。   The metal secondary battery according to the present invention can be suitably used as a power source for portable devices, electric vehicles, hybrid vehicles, and the like.

1 負極
2 正極
3 電解質層
10 金属二次電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Negative electrode 2 Positive electrode 3 Electrolyte layer 10 Metal secondary battery

Claims (4)

MgH、及び、該MgHと接触するNbを含む、金属二次電池用負極材料。 MgH 2, and comprises Nb 2 O 5 in contact with the MgH 2, a negative electrode material for metal secondary battery. 前記Nbは粒子状であり、その平均粒子径Xが1μm≦X<1000μmである、請求項1に記載の金属二次電池用負極材料。 2. The negative electrode material for a metal secondary battery according to claim 1, wherein the Nb 2 O 5 is in the form of particles, and the average particle diameter X is 1 μm ≦ X <1000 μm. 請求項1又は2に記載の金属二次電池用負極材料を備える、金属二次電池用負極。   A negative electrode for a metal secondary battery, comprising the negative electrode material for a metal secondary battery according to claim 1. 正極、電解質、及び、請求項3に記載の負極を備える、金属二次電池。   A metal secondary battery comprising a positive electrode, an electrolyte, and the negative electrode according to claim 3.
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