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JP2014053190A - Sodium secondary battery - Google Patents

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JP2014053190A JP2012197508A JP2012197508A JP2014053190A JP 2014053190 A JP2014053190 A JP 2014053190A JP 2012197508 A JP2012197508 A JP 2012197508A JP 2012197508 A JP2012197508 A JP 2012197508A JP 2014053190 A JP2014053190 A JP 2014053190A
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克也 林
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Abstract

【課題】コスト性及びサイクル特性に優れたナトリウム二次電池を提供すること。
【解決手段】本発明は、ナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質を含む正極、金属ナトリウム、ナトリウム含有物質、又はナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質を含む負極、及び、ナトリウムイオン導電性を有する電解質を含むナトリウム二次電池であり、前記正極のナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質が、プルシアンブルー(Fe[Fe(CN))を含むことを特徴とする。正極材料はプルシアンブルー類似体(NaFe[Fe(CN)(式中、0<x≦4.0))であってもよい。本発明の電解質は、ナトリウムイオンを含む有機電解質若しくは水系電解質である。
【選択図】図1
To provide a sodium secondary battery excellent in cost and cycle characteristics.
The present invention relates to a positive electrode including a substance capable of inserting and desorbing sodium ions, a metallic sodium, a sodium-containing material, or a negative electrode including a substance capable of inserting and desorbing sodium ions, and sodium ions. A sodium secondary battery including an electrolyte having conductivity, wherein the substance capable of inserting and removing sodium ions from the positive electrode includes Prussian blue (Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3 ). To do. The positive electrode material may be a Prussian blue analog (Na x Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3 (where 0 <x ≦ 4.0)). The electrolyte of the present invention is an organic electrolyte or aqueous electrolyte containing sodium ions.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、ナトリウム二次電池に関する。特に本発明は、ナトリウム二次電池の正極材料にプルシアンブルー(Fe4[Fe(CN)63)又はプルシアンブルー類似体(NaxFe4[Fe(CN)63(式中、0<x≦4.0))を用いた、コスト性及びサイクル特性に優れたナトリウム二次電池に関する。 The present invention relates to a sodium secondary battery. In particular, the present invention provides Prussian blue (Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3 ) or Prussian blue analog (Na x Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3 ) (where 0 <X ≦ 4.0)), and relates to a sodium secondary battery excellent in cost and cycle characteristics.

ナトリウムイオンの挿入及び脱離反応を用いるナトリウム二次電池は、現在、広範に使用されているリチウム二次電池よりも、ナトリウムの資源の優位性から、コスト性に優れた二次電池として期待されており、電極材料や電解質材料に関する研究開発が進められている。   Sodium secondary batteries using sodium ion insertion and desorption reactions are expected to be cost effective secondary batteries because of the superiority of sodium resources over the widely used lithium secondary batteries. Research and development on electrode materials and electrolyte materials is underway.

Parkらは、非特許文献1において、NaTi2(PO43が、有機電解液中で正極として、また水系電解液中で負極として使用できること、そして、当該材料を使用したナトリウム二次電池が、電流密度2.0mA/cm2の放電の場合、両電解液の場合で共に約120mAh/gの比較的大きな放電容量を示すことを報告している。 Park et al. In Non-Patent Document 1 that NaTi 2 (PO 4 ) 3 can be used as a positive electrode in an organic electrolyte and as a negative electrode in an aqueous electrolyte, and a sodium secondary battery using the material is disclosed. In the case of a discharge with a current density of 2.0 mA / cm 2 , it is reported that both electrolytes show a relatively large discharge capacity of about 120 mAh / g.

また、特許文献1では、NaCoO2が非水電解質中で充放電可能であり、5回という少ないサイクル回数であるものの、94%の高い放電容量維持率を有することが記載されている。 Patent Document 1 describes that NaCoO 2 can be charged and discharged in a non-aqueous electrolyte and has a high discharge capacity maintenance rate of 94% although the number of cycles is as small as five.

特開2007−35283号公報JP 2007-35283 A

Sun Il Park et al., Journal of The Electrochemical Society, 158 (10) A1067-A1070 (2011).Sun Il Park et al., Journal of The Electrochemical Society, 158 (10) A1067-A1070 (2011).

上記のように、これまでにリチウム二次電池に匹敵するレベルの放電容量を有するナトリウム二次電池が報告されているが、上記文献のように電極材料にレアメタルを含む場合が多く、コスト的に不利であるとともに、十分なサイクル特性が得られないという問題があった。   As described above, sodium secondary batteries having a discharge capacity comparable to that of lithium secondary batteries have been reported so far. There are disadvantages and sufficient cycle characteristics cannot be obtained.

従って、本発明は、コスト性、及び、サイクル特性に優れたナトリウム二次電池を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a sodium secondary battery excellent in cost performance and cycle characteristics.

本発明は、ナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質を含む正極、金属ナトリウム、ナトリウム含有物質、又はナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質を含む負極、及び、ナトリウムイオン導電性を有する電解質を含むナトリウム二次電池であり、前記正極のナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質が、プルシアンブルー(Fe4[Fe(CN)63)を含むことを特徴とする。 The present invention has a positive electrode including a substance capable of inserting and desorbing sodium ions, a negative electrode including a metal sodium, a sodium-containing material, or a substance capable of inserting and desorbing sodium ions, and sodium ion conductivity. It is a sodium secondary battery containing an electrolyte, and the substance capable of inserting and removing sodium ions of the positive electrode contains Prussian blue (Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3 ).

本発明では、前記正極の正極材料は、プルシアンブルー類似体(NaxFe4[Fe(CN)63(式中、0<x≦4))を含むものであってもよい。 In the present invention, the positive electrode material of the positive electrode may include a Prussian blue analog (Na x Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3 (where 0 <x ≦ 4)).

また、本発明のナトリウム二次電池では、前記正極は、前記プルシアンブルー(Fe4[Fe(CN)63)、又は、プルシアンブルー類似体(NaxFe4[Fe(CN)63(式中、0<x≦4.0))をカーボン粒子と混合してボールミルによる処理を行った材料をナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質として含むことが好ましい。 In the sodium secondary battery of the present invention, the positive electrode is the Prussian blue (Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3 ) or Prussian blue analog (Na x Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3 ). It is preferable that a material obtained by mixing (wherein 0 <x ≦ 4.0) with carbon particles and performing a treatment with a ball mill is included as a substance capable of inserting and desorbing sodium ions.

本発明のナトリウム二次電池では、前記電解質は、ナトリウムイオンを含む有機電解液、又は、ナトリウムイオンを含む水系電解液であることが好ましい。   In the sodium secondary battery of the present invention, the electrolyte is preferably an organic electrolytic solution containing sodium ions or an aqueous electrolytic solution containing sodium ions.

本発明によれば、コスト性及びサイクル特性に優れたナトリウム二次電池を供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the sodium secondary battery excellent in cost performance and cycling characteristics can be provided.

本発明のナトリウム二次電池の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the sodium secondary battery of this invention. 本発明の一実施形態のナトリウム二次電池の構造を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the sodium secondary battery of one Embodiment of this invention. 図2に示した本発明の実施形態のナトリウム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 sodium secondary battery of embodiment of this invention shown in FIG.

本発明は、ナトリウム二次電池、特に、正極の材料としてプルシアンブルー(Fe4[Fe(CN)63)又はプルシアンブルー類似体(NaxFe4[Fe(CN)63(0<x≦4.0))を含むものに関する。 The present invention relates to a sodium secondary battery, in particular, Prussian blue (Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3 ) or Prussian blue analog (Na x Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3 (0 < x ≦ 4.0)).

以下に、本発明のナトリウム二次電池の実施形態について説明する。   Below, the embodiment of the sodium secondary battery of the present invention is described.

本発明のナトリウム二次電池は、正極、負極及び電解質を少なくとも含む。正極はナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質を含むものであり、負極は金属ナトリウム、ナトリウム含有物質、若しくはナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質を含むものであり、電解質はナトリウムイオン導電性を有するものである。   The sodium secondary battery of the present invention includes at least a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte. The positive electrode contains a substance capable of inserting and removing sodium ions, the negative electrode contains metallic sodium, a sodium-containing substance, or a substance capable of inserting and removing sodium ions, and the electrolyte is sodium ion. It has conductivity.

本発明では、正極は、プルシアンブルー(Fe4[Fe(CN)63)又はプルシアンブルー類似体(NaxFe4[Fe(CN)63(0<x≦4.0))を材料として含む。 In the present invention, the positive electrode is made of Prussian blue (Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3 ) or Prussian blue analog (Na x Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3 (0 <x ≦ 4.0)). Include as material.

本発明で使用できるプルシアンブルー類似体(Na4Fe4[Fe(CN)63)は、例えば以下のような方法で得ることができる。 The Prussian blue analog (Na 4 Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3 ) that can be used in the present invention can be obtained, for example, by the following method.

市販のフェリシアン化カリウムK3[Fe(CN)6]粉末、塩化鉄FeCl2、塩化ナトリウムNaClを、別々に水などの溶媒に溶解し、それぞれの溶液を、目的とする試料の組成モル比となるように混合し、一昼夜攪拌して、沈殿物を得る。例えば、x=4のプルシアンブルー類似体(Na4Fe4[Fe(CN)63)を合成する場合は、モル比で3:4:4になるようにそれぞれの溶液を混合し、沈殿物を調製すればよい。沈殿物は、遠心分離機、吸引ろ過機等の適切な回収手段用いて回収し、乾燥を行う。 Commercially available potassium ferricyanide K 3 [Fe (CN) 6 ] powder, iron chloride FeCl 2 , and sodium chloride NaCl are separately dissolved in a solvent such as water, and each solution has a composition molar ratio of a target sample. And stirred overnight to obtain a precipitate. For example, when synthesizing a Prussian blue analog (Na 4 Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3 ) of x = 4, the respective solutions are mixed at a molar ratio of 3: 4: 4, and precipitation is performed. What is necessary is just to prepare a thing. The precipitate is recovered using an appropriate recovery means such as a centrifugal separator or a suction filter and dried.

本発明のナトリウム二次電池の正極は、プルシアンブルー(Fe4[Fe(CN)63)又はプルシアンブルー類似体(NaxFe4[Fe(CN)63(0<x≦4.0))と、カーボン粉末のようなカーボン材料と混合したものを含むことが好ましい。 The positive electrode of the sodium secondary battery of the present invention has Prussian blue (Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3 ) or Prussian blue analog (Na x Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3 ) (0 <x ≦ 4. It is preferable to include a mixture of 0)) and a carbon material such as carbon powder.

上述の正極は、例えば以下のような手段により調製することができるが、本発明はこれらに限定されない。   The above-mentioned positive electrode can be prepared, for example, by the following means, but the present invention is not limited to these.

まず、カーボン粉末(例えばアセチレンブラック粉末などのカーボンブラック類)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)のような結着剤粉末、及び、プルシアンブルー(Fe4[Fe(CN)63)又はプルシアンブルー類似体(NaxFe4[Fe(CN)63(0<x≦4.0))を混合し、次いでロールプレス機により圧延し、所定サイズに切り抜いてペレット状に成型することにより、正極を調製することができる。 First, carbon powder (for example, carbon blacks such as acetylene black powder), binder powder such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), and Prussian blue (Fe 4 [Fe (CN)) 6 ] 3 ) or Prussian blue analogue (Na x Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3 (0 <x ≦ 4.0)), then rolled with a roll press, cut into a predetermined size and pelletized The positive electrode can be prepared by molding into a shape.

本発明では、正極材料中のカーボン粉末と、プルシアンブルー(Fe4[Fe(CN)63)又はプルシアンブルー類似体(NaxFe4[Fe(CN)63(0<x≦4.0))の均一性及び分散性を向上させ、二次電池の性能を改善するために、正極を製造する際に、カーボン粉末と、プルシアンブルー又はプルシアンブルー類似体を混合し、ボールミル等の粉砕機により粉砕混合し、得られたボールミル(BM)処理混合物に、更に結着剤粉末を混合した後、上記のように圧延成形して正極の電極を形成してもよい。 In the present invention, the carbon powder in the positive electrode material and Prussian blue (Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3 ) or Prussian blue analogue (Na x Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3 (0 <x ≦ 4 0.0)) in order to improve the uniformity and dispersibility of the secondary battery and improve the performance of the secondary battery, when manufacturing the positive electrode, carbon powder and Prussian blue or Prussian blue analogue are mixed, The positive electrode may be formed by pulverizing and mixing with a pulverizer and further mixing the binder powder with the obtained ball mill (BM) treatment mixture, followed by rolling and forming as described above.

あるいは、前述のカーボン粉末、結着剤粉末及びプルシアンブルー(Fe4[Fe(CN)63)又はプルシアンブルー類似体(NaxFe4[Fe(CN)63(0<x≦4.0))の混合物を有機溶剤(例えばN−メチル−2−ピロリドン(NMP))等の溶媒中に分散してスラリー状にした後、例えば銅箔のような金属箔上に塗布し、乾燥することにより、正極を調製できる。 Alternatively, the aforementioned carbon powder, binder powder and Prussian blue (Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3 ) or Prussian blue analog (Na x Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3 ) (0 <x ≦ 4 0.0)) is dispersed in a solvent such as an organic solvent (for example, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP)) to form a slurry, which is then applied onto a metal foil such as a copper foil and dried. By doing so, a positive electrode can be prepared.

本発明では、プルシアンブルー(Fe4[Fe(CN)63)又はプルシアンブルー類似体(NaxFe4[Fe(CN)63(0<x≦4.0))(正極物質)を含む正極の導電性を向上させるために、正極物質を導電材であるカーボン粒子と混合し、ボールミル処理を行うことが好ましい。このようなボールミル処理により、より優れた電池特性を得ることができる。ボールミル処理は、12時間未満、好ましくは3〜10時間、より好ましくは、3〜6時間である。 In the present invention, Prussian blue (Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3 ) or Prussian blue analog (Na x Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3 (0 <x ≦ 4.0)) (positive electrode material) In order to improve the electroconductivity of the positive electrode containing, it is preferable to mix the positive electrode material with carbon particles as a conductive material and perform ball mill treatment. By such a ball mill treatment, more excellent battery characteristics can be obtained. The ball mill treatment is less than 12 hours, preferably 3 to 10 hours, more preferably 3 to 6 hours.

本発明の正極は、ナトリウムイオンを含む有機電解液及びナトリウムイオンを含む水系電解液の両電解液を電解質溶液として用いることができる。更に、本発明の正極を含むナトリウム二次電池は、ナトリウムイオンを通す固体電解質又はポリマー電解質を電解質として用いることもできる。   In the positive electrode of the present invention, both an electrolyte solution containing an organic electrolyte solution containing sodium ions and an aqueous electrolyte solution containing sodium ions can be used as the electrolyte solution. Furthermore, the sodium secondary battery including the positive electrode of the present invention can also use a solid electrolyte or polymer electrolyte that allows sodium ions to pass therethrough as an electrolyte.

負極は、金属ナトリウム、ナトリウム含有合金のようなナトリウム含有物質、又はナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質を含むものであれば特に限定されない。例えば、負極の例としては、金属ナトリウムのシート、又は金属ナトリウムのシートをアルミニウム等の金属箔に圧着したものなどを挙げることができる。このような金属ナトリウムのシートの負極は、金属ナトリウムをプレス機などでシート状に圧延して所望の形状に成形することで調製することができる。また、金属ナトリウムのシートを金属箔に圧着したものは、前記のように調製した金属ナトリウムのシートをアルミニウム等の金属箔に圧着して調製することができる。   The negative electrode is not particularly limited as long as it includes a sodium-containing material such as metallic sodium, a sodium-containing alloy, or a material capable of inserting and removing sodium ions. For example, examples of the negative electrode include a metal sodium sheet, or a metal sodium sheet bonded to a metal foil such as aluminum. The negative electrode of such a metal sodium sheet can be prepared by rolling metal sodium into a sheet shape with a press or the like and forming it into a desired shape. Further, a metal sodium sheet that has been pressure-bonded to a metal foil can be prepared by pressure-bonding the metal sodium sheet prepared as described above to a metal foil such as aluminum.

また、上記のような金属ナトリウム以外の負極材料として、負極活物質としてナトリウムを主成分として含む合金(例えば、ナトリウム−スズ合金)(ナトリウム含有物質)、又は、ナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能なアモルファスカーボンなどの材料(ナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質)を挙げることができる。これらの負極活物質を含む負極は、例えば、銅箔のような金属箔に、負極活性物質とポリフッ化ビニリデン(PVDF)のような結着剤をN−メチル−2−ピロリドン(NMP)のような有機溶媒に分散させたスラリーを塗布し、乾燥するというような方法で調製することができる。   Moreover, as a negative electrode material other than metallic sodium as described above, an alloy containing sodium as a main component as a negative electrode active material (for example, a sodium-tin alloy) (sodium-containing material), or insertion and removal of sodium ions is possible. Examples thereof include amorphous carbon and other materials (substances capable of inserting and removing sodium ions). The negative electrode containing these negative electrode active materials is, for example, a metal foil such as copper foil and a negative electrode active material and a binder such as polyvinylidene fluoride (PVDF), such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP). A slurry dispersed in a simple organic solvent can be applied and dried.

電解液としては、ナトリウムビストリフルオロメタンスルホニルイミド(NaTFSI)、過塩素酸ナトリウム(NaClO4)、六フッ化リン酸ナトリウム(NaPF6)などのナトリウムイオンを含む金属塩を、例えば炭酸エチレン(EC)及び炭酸ジメチル(DMC)(体積比1:1)の混合溶媒、EC及び炭酸ジエチル(DEC)などのような混合溶媒、又は炭酸プロピレンのような単独溶媒に溶解した有機電解液、又は、NaOH水溶液、Na2SO4水溶液、NaCl水溶液、NaClO4水溶液などのナトリウムイオンを含む金属塩を水に溶解した水溶液(水系電解液)を挙げることができる。 As the electrolyte, a metal salt containing sodium ions such as sodium bistrifluoromethanesulfonylimide (NaTFSI), sodium perchlorate (NaClO 4 ), sodium hexafluorophosphate (NaPF 6 ), for example, ethylene carbonate (EC) And a mixed solvent of dimethyl carbonate (DMC) (volume ratio 1: 1), a mixed solvent such as EC and diethyl carbonate (DEC), or an organic electrolyte dissolved in a single solvent such as propylene carbonate, or an aqueous NaOH solution An aqueous solution (aqueous electrolyte solution) in which a metal salt containing sodium ions, such as an aqueous Na 2 SO 4 solution, an aqueous NaCl solution, and an aqueous NaClO 4 solution, is dissolved.

本発明のナトリウム二次電池の他の電解質として、ナトリウムイオンを通す固体電解質(例えば、75Na2S・25P25、NASICON(Na+ Super Ionic Conductor、Na3Zr2Si2PO12等))、ナトリウムイオンを通すポリマー電解質(例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)系)などを挙げることができるが、これらに限定されない。本発明では、ナトリウム二次電池で使用される公知のナトリウムイオンを通す固体電解質又はナトリウムイオンを通すポリマー電解質であれば使用することができる。 As another electrolyte of the sodium secondary battery of the present invention, a solid electrolyte that passes sodium ions (for example, 75Na 2 S.25P 2 S 5 , NASICON (Na + Super Ionic Conductor, Na 3 Zr 2 Si 2 PO 12 etc.)) , Polymer electrolytes that allow sodium ions to pass therethrough (for example, polyethylene oxide (PEO) type), and the like, but are not limited thereto. In the present invention, any known solid electrolyte passing through sodium ions or polymer electrolyte passing through sodium ions used in sodium secondary batteries can be used.

本願発明のナトリウム二次電池はまた、セパレータ、電池ケース等の構造材料などの他の要素を含むこともできる。これらの要素についても、従来公知の二次電池に用いられる各種材料が使用でき、特に制限はない。   The sodium secondary battery of the present invention can also include other elements such as a structural material such as a separator and a battery case. Also for these elements, various materials used in conventionally known secondary batteries can be used, and there is no particular limitation.

上記のような正極、負極、電解液等を使用する電池は、コイン形、円筒形、ラミネート形など従来の形状で作製することができる。そして、これらの二次電池の製造方法も従来と同様の方法を用いることができる。   A battery using the positive electrode, the negative electrode, the electrolytic solution, or the like as described above can be manufactured in a conventional shape such as a coin shape, a cylindrical shape, or a laminate shape. And the manufacturing method of these secondary batteries can also use the method similar to the past.

例えば、本発明のナトリウム二次電池は、例えば、図1に示すような、正極及び負極と、これら両極に接する電解質からなる。本発明では、正極及び負極の間にセパレータが含まれていてもよい。有機電解質又は水系電解質を電解質液として用いる場合には、例えば、セパレータに電解質液を含浸させて使用することができる。また、有機電解質又は水系電解質は、ポリマー電解質等に含浸させてもよい。また、固体電解質、ポリマー電解質等を用いる場合には、両極がこれらに接するように配置すればよい。   For example, the sodium secondary battery of the present invention includes a positive electrode and a negative electrode as shown in FIG. 1 and an electrolyte in contact with both electrodes. In the present invention, a separator may be included between the positive electrode and the negative electrode. When using an organic electrolyte or an aqueous electrolyte as the electrolyte solution, for example, a separator can be used by impregnating the electrolyte solution. Moreover, the organic electrolyte or the aqueous electrolyte may be impregnated in a polymer electrolyte or the like. Moreover, what is necessary is just to arrange | position so that both poles may contact | connect these, when using a solid electrolyte, a polymer electrolyte, etc.

さらに図1には明記していないが、正極、負極、電解質、セパレータ等を被う電池ケース等を含むことができる。本発明では、プルシアンブルー(Fe4[Fe(CN)63)又はプルシアンブルー類似体(NaxFe4[Fe(CN)63(0<x≦4.0))を正極の材料として用いることが特に好ましい。 Further, although not explicitly shown in FIG. 1, a battery case covering a positive electrode, a negative electrode, an electrolyte, a separator, and the like can be included. In the present invention, Prussian blue (Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3 ) or Prussian blue analog (Na x Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3 (0 <x ≦ 4.0)) is used as the positive electrode material. It is particularly preferable to use as

より具体的な一実施形態としては、図2に示すようなコインセル型の二次電池として本発明を適用することができる。図2に示されるように、コインセル型の二次電池は、正極1及び負極3を含み、これらの電極の間に電解液を含浸したセパレータ2をさらに含む。さらに二次電池構造体は正極ケース4、ガスケット5、及び負極ケース6を含むことができる。この二次電池は、例えば、上記の正極1、負極3、及び電解液を含浸したセパレータ2を、正極ケース4及び負極ケース6に所望の通りに配置し、各構成要素を配置した両ケースを固定することで調製することができる。   As a more specific embodiment, the present invention can be applied as a coin cell type secondary battery as shown in FIG. As shown in FIG. 2, the coin cell type secondary battery includes a positive electrode 1 and a negative electrode 3, and further includes a separator 2 impregnated with an electrolyte between these electrodes. Further, the secondary battery structure may include a positive electrode case 4, a gasket 5, and a negative electrode case 6. In this secondary battery, for example, the positive electrode 1, the negative electrode 3, and the separator 2 impregnated with the electrolytic solution are arranged in the positive electrode case 4 and the negative electrode case 6 as desired, and both cases in which the respective components are arranged are arranged. It can be prepared by fixing.

本発明では、セパレータに代えて又は加えて、上述したような固体電解質、ポリマー電解質等を使用することができる。   In the present invention, a solid electrolyte, a polymer electrolyte, or the like as described above can be used instead of or in addition to the separator.

以下に図面を参照して、本発明のナトリウム二次電池についての実施例を詳細に説明する。なお、本発明は下記の実施例に示したものに限定されるものではなく、本発明の趣旨及び範囲を変更しない範囲において適宜変更して実施できるものである。   Hereinafter, embodiments of the sodium secondary battery of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to what was shown to the following Example, In the range which does not change the meaning and scope of this invention, it can change suitably and can implement.

下記では、正極材料(NaxFe4[Fe(CN)63(0<x≦4.0))の調製、及び、実施例1〜14を示す。実施例1〜11は、有機溶媒を用いた有機電解質を使用してナトリウム二次電池を作製した例であり、実施例12は、水系電解質液を使用してナトリウム二次電池を作製した例である。また、実施例13及び14は、それぞれ固体電解質及びポリマー電解質を使用してナトリウム二次電池を作製した例である。 In the following, preparation of the cathode material (Na x Fe 4 [Fe ( CN) 6] 3 (0 <x ≦ 4.0)), and show an embodiment 1-14. Examples 1 to 11 are examples in which a sodium secondary battery was produced using an organic electrolyte using an organic solvent, and Example 12 was an example in which a sodium secondary battery was produced using an aqueous electrolyte solution. is there. Examples 13 and 14 are examples in which a sodium secondary battery was produced using a solid electrolyte and a polymer electrolyte, respectively.

(正極材料の調製)
NaxFe4[Fe(CN)63(0<x≦4.0))の調製
(Preparation of positive electrode material)
Preparation of Na x Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3 (0 <x ≦ 4.0)

(調製例1)
プルシアンブルー類似体(Na4Fe4[Fe(CN)63)の調製
本化合物は、以下の手順で合成した。
(Preparation Example 1)
Preparation of Prussian blue analog (Na 4 Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3 ) This compound was synthesized by the following procedure.

まず、市販試薬のフェリシアン化カリウムK3[Fe(CN)6]粉末(関東化学株式会社製)、塩化鉄FeCl2(関東化学株式会社製)、塩化ナトリウムNaCl(関東化学株式会社製)を、別々に蒸留水に溶解した。それぞれの溶液を、目的とする試料の組成モル比となるように混合し、一昼夜攪拌し、沈殿物を得た。本調製例では、x=4のサンプルを合成した。Na4Fe4[Fe(CN)63では、モル比で3:4:4になるようにそれぞれの溶液を混合し、沈殿物を得た。沈殿物は、遠心分離機及び吸引ろ過機を用いて回収し、60℃で1週間の乾燥を行った。乾燥後の沈殿物は、ミキサーで十分に粉砕し、正極材料に用いた。得られた粉末のX線回折測定を行ったところ、不純物の生成がなく、母体結晶構造のプルシアンブルーと同様の回折パターンが得られた。また、粉末のICP分析により、粉末の組成比(モル比)は、Na:Fe:C:N=4:7:18:18であることが分かった。以上の結果より、得られた粉末がNa4Fe4[Fe(CN)63であることを確認した。 First, commercially available potassium ferricyanide K 3 [Fe (CN) 6 ] powder (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.), iron chloride FeCl 2 (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.), sodium chloride NaCl (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) Dissolved in distilled water. Each solution was mixed so that it might become the composition molar ratio of the target sample, and it stirred all day and night, and obtained the deposit. In this preparation example, a sample with x = 4 was synthesized. In Na 4 Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3 , the respective solutions were mixed at a molar ratio of 3: 4: 4 to obtain a precipitate. The precipitate was collected using a centrifuge and a suction filter and dried at 60 ° C. for 1 week. The dried precipitate was sufficiently pulverized with a mixer and used as a positive electrode material. When X-ray diffraction measurement was performed on the obtained powder, no impurity was produced, and a diffraction pattern similar to that of Prussian blue having a host crystal structure was obtained. Further, ICP analysis of the powder revealed that the composition ratio (molar ratio) of the powder was Na: Fe: C: N = 4: 7: 18: 18. From the above results, it was confirmed that the obtained powder was Na 4 Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3 .

(調製例2)
NaxFe4[Fe(CN)63(x=1.0及び3.0)の化合物の調製
他の組成の化合物として、NaxFe4[Fe(CN)63でx=1.0及び3.0の化合物を上記調製例1と同様の手順で調製した。
(Preparation Example 2)
Na x Fe 4 [Fe (CN ) 6] as the compound of Preparation other compositions of the compounds of the 3 (x = 1.0 and 3.0), in Na x Fe 4 [Fe (CN ) 6] 3 x = 1 0.0 and 3.0 compounds were prepared in the same procedure as in Preparation Example 1 above.

(参考例)
参考例として、NaxFe4[Fe(CN)63でx=4.1の化合物を上述の調製例1と同様の手順で調製した。NaxFe4[Fe(CN)63(x=4.1)の化合物は、NaxFe4[Fe(CN)63(0<x≦4.0)を用いたナトリウム二次電池と比較するためのナトリウム二次電池の正極材料として使用した。
(Reference example)
As a reference example, a compound of Na x Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3 and x = 4.1 was prepared in the same procedure as in Preparation Example 1 described above. The compound of Na x Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3 (x = 4.1) is a sodium secondary solution using Na x Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3 (0 <x ≦ 4.0). It used as a positive electrode material of a sodium secondary battery for comparison with the battery.

(実施例1)
(i)ナトリウム二次電池の作製
ナトリウム二次電池は、以下の手順で作製した。
Example 1
(I) Production of sodium secondary battery A sodium secondary battery was produced by the following procedure.

正極は、市販試薬のプルシアンブルー粉末(ACROS社製)、アセチレンブラック粉末(電気化学工業社製)及びポリテトラフルオロエチレン(PTFE)粉末(ダイキン社製)を70:25:5の重量比で、らいかい機を用いて十分に粉砕・混合し、次いで、ロール成形して、シートペレット状の電極(厚さ:0.5mm)を作製した。このシート状電極を直径15mmの円形に切り抜いた。負極は、市販の試薬であるナトリウム塊(関東化学製)を、0.8mmの厚さまでプレスし、直径15mmの円形シート状に成型することによって作製した。電解液は、炭酸エチレン(EC)(キシダ化学製)と炭酸ジメチル(DMC)(キシダ化学製)を体積比1:1で混合して調製した混合溶媒に、1mol/Lの濃度でナトリウムビストリフルオロメタンスルホニルイミド(NaTFSI)(キシダ化学製)を溶解することにより調製した。セパレータは、リチウム二次電池用のポリプロピレン製のもの(セルガード社製)を用いた。   The positive electrode comprises commercially available Prussian blue powder (manufactured by ACROS), acetylene black powder (manufactured by Denki Kagaku Kogyo) and polytetrafluoroethylene (PTFE) powder (manufactured by Daikin) in a weight ratio of 70: 25: 5. The mixture was sufficiently pulverized and mixed using a rough machine, and then roll-formed to produce a sheet pellet-shaped electrode (thickness: 0.5 mm). This sheet-like electrode was cut out into a circle having a diameter of 15 mm. The negative electrode was produced by pressing a sodium reagent (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.), which is a commercially available reagent, to a thickness of 0.8 mm and molding it into a circular sheet having a diameter of 15 mm. The electrolyte was sodium bistrifluoromethane at a concentration of 1 mol / L in a mixed solvent prepared by mixing ethylene carbonate (EC) (manufactured by Kishida Chemical) and dimethyl carbonate (DMC) (manufactured by Kishida Chemical) at a volume ratio of 1: 1. It was prepared by dissolving methanesulfonylimide (NaTFSI) (manufactured by Kishida Chemical). The separator was made of polypropylene (made by Celgard) for lithium secondary batteries.

ナトリウム二次電池は、図2に示すような2320コイン型のものを製造した。正極は、上記のペレット電極を正極ケース4にセットし、チタンメッシュ(ニラコ製)(図示せず)で覆い、その周縁部をスポット溶接により固定した。負極は、負極ケース6にチタンメッシュ(ニラコ製)(図示せず)をスポット溶接で固定し、その上にナトリウムシートを圧着することにより固定して調製した。次に、ペレットを固定した正極ケースに、セパレータ2をセットし、さらにセパレータ2に電解液を注入し、ナトリウムシートを固定した負極ケースを被せ、コインセルかしめ機で正極ケース4及び負極ケース6をかしめることにより、ポリプロピレン製ガスケット5を含むコインセルを作製した。なお、ナトリウム二次電池の作製は、露点が−85℃以下のアルゴン雰囲気のグローブボックス中で行った。   The sodium secondary battery was manufactured as a 2320 coin type as shown in FIG. For the positive electrode, the above-mentioned pellet electrode was set in the positive electrode case 4, covered with a titanium mesh (manufactured by Niraco) (not shown), and the peripheral edge thereof was fixed by spot welding. The negative electrode was prepared by fixing a titanium mesh (manufactured by Niraco) (not shown) to the negative electrode case 6 by spot welding and fixing a sodium sheet thereon by pressure bonding. Next, the separator 2 is set in the positive electrode case to which the pellet is fixed, the electrolytic solution is injected into the separator 2, and the negative electrode case to which the sodium sheet is fixed is covered, and the positive electrode case 4 and the negative electrode case 6 are covered with a coin cell caulking machine. By crimping, a coin cell including a polypropylene gasket 5 was produced. The sodium secondary battery was produced in an argon atmosphere glove box having a dew point of −85 ° C. or lower.

(ii)充放電試験
ナトリウム二次電池の放電試験は、市販の充放電測定システム(北斗電工社製)を用いて、正極の有効面積当たりの電流密度で0.5mA/cm2を通電し、充電終止電圧3.5V、放電終止電圧2.0Vの電圧範囲で充放電試験を行った。電池の充放電試験は、25℃の恒温槽内(雰囲気は通常の生活環境下)で測定を行った。
(Ii) Charge / Discharge Test Using a commercially available charge / discharge measurement system (manufactured by Hokuto Denko Co., Ltd.), a sodium secondary battery discharge test was conducted with a current density of 0.5 mA / cm 2 per effective area of the positive electrode. A charge / discharge test was performed in a voltage range of a charge end voltage of 3.5 V and a discharge end voltage of 2.0 V. The battery charge / discharge test was performed in a thermostatic chamber at 25 ° C. (atmosphere was in a normal living environment).

本実施例で作製したナトリウム二次電池の充放電曲線を、図3に示す。図より、不可逆容量(充電容量と放電容量の差)も小さく、本発明によるナトリウム二次電池は充放電が可能であり、初回放電容量81mAh/g(プルシアンブルー粉末の重量当たりで規格化した)、平均放電電圧2.5Vを示した。表1に、20サイクル目、50サイクル目の放電容量維持率を示す。表より、1サイクル当たり約0.4〜0.5%程度の容量減少しか見られず、安定したサイクル特性を有していることが分かる。   A charge / discharge curve of the sodium secondary battery produced in this example is shown in FIG. From the figure, the irreversible capacity (the difference between the charge capacity and the discharge capacity) is also small, and the sodium secondary battery according to the present invention can be charged and discharged, and the initial discharge capacity is 81 mAh / g (standardized per weight of Prussian blue powder). The average discharge voltage was 2.5V. Table 1 shows the discharge capacity retention rates at the 20th and 50th cycles. From the table, it can be seen that only a capacity decrease of about 0.4 to 0.5% per cycle is observed, and the cycle characteristics are stable.

Figure 2014053190
Figure 2014053190

(実施例2)
上記調製例1に従って調製したプルシアンブルー類似体(Na4Fe4[Fe(CN)63)を使用して、実施例1と同様の手順で、ナトリウム二次電池の作製及び充放電特性の測定を行った。
(Example 2)
Using the Prussian blue analog (Na 4 Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3 ) prepared according to Preparation Example 1 above, in the same procedure as in Example 1, the production of the sodium secondary battery and the charge / discharge characteristics Measurements were made.

表1に、初回サイクルの平均放電電圧及び放電容量、並びに、20サイクル目及び50サイクル目の放電容量維持率を示す。本実施例で示すNa4Fe4[Fe(CN)63は、実施例1のFe4[Fe(CN)63とほぼ同様の放電電圧やサイクル特性を有していることを確認した。また、NaxFe4[Fe(CN)63の化合物でx=1.0及び3.0の試料を合成し、同様の評価を行ったところ、実施例2とほぼ同様の結果が得られた。 Table 1 shows the average discharge voltage and discharge capacity of the first cycle, and the discharge capacity maintenance rates of the 20th and 50th cycles. Na 4 Fe 4 [Fe (CN ) 6] 3 shown in this embodiment, ensure that they have substantially the same discharge voltage and cycle characteristics as Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3 of Example 1 did. Moreover, when samples of x = 1.0 and 3.0 were synthesized with a compound of Na x Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3 and the same evaluation was performed, the same results as in Example 2 were obtained. It was.

また、NaxFe4[Fe(CN)63の化合物でx=4.1の化合物を合成し、実施例1と同様の手順で二次電池を製造し、充放電特性を測定した場合、放電電圧や放電容量は低下した。これは、不純物相の生成に起因すると考えられる。この結果は、本発明で規定したNa含有量の範囲が妥当であることを示している。 Further, when a compound of x = 4.1 is synthesized from a compound of Na x Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3, a secondary battery is manufactured in the same procedure as in Example 1, and charge / discharge characteristics are measured. The discharge voltage and discharge capacity decreased. This is considered due to the generation of an impurity phase. This result shows that the range of the Na content defined in the present invention is appropriate.

以上の結果から、NaxFe4[Fe(CN)63(0<x≦4.0)は、初期状態で結晶構造中にNaイオンを含有しているため、Naイオンを含有していない負極材料(たとえばアモルファスカーボン)と組み合わせてロッキングチェアー型の二次電池を構成することができる。 From the above results, Na x Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3 (0 <x ≦ 4.0) contains Na ions in the crystal structure in the initial state, and thus contains Na ions. A rocking chair type secondary battery can be formed in combination with a negative electrode material (for example, amorphous carbon).

(実施例3〜6)
プルシアンブルー(Fe4[Fe(CN)63)粉末とアセチレンブラック粉末を、ボールミル(BM)で粉砕・混合すること(ボールミル処理)により、電池性能の改善を試みた。
(Examples 3 to 6)
Prussian blue (Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3 ) powder and acetylene black powder were pulverized and mixed with a ball mill (BM) (ball mill treatment) to improve battery performance.

プルシアンブルー粉末とアセチレンブラック粉末(重量比70:25)をミキサー中で数分程度混合した。この混合物に、直径7mmのジルコニア製ボールを加え、3時間(実施例3)、6時間(実施例4)、10時間(実施例5)、12時間(実施例6)のBM処理を行った。なお、いずれのBM処理の場合も、プルシアンブルー−アセチレンブラック混合物とボールの混合比率は、重量比で1:10とし、BM処理時の回転速度は300rpmとした。   Prussian blue powder and acetylene black powder (weight ratio 70:25) were mixed in a mixer for several minutes. A zirconia ball having a diameter of 7 mm was added to this mixture, and BM treatment was performed for 3 hours (Example 3), 6 hours (Example 4), 10 hours (Example 5), and 12 hours (Example 6). . In any of the BM treatments, the mixing ratio of the Prussian blue-acetylene black mixture and the ball was 1:10 by weight, and the rotation speed during the BM treatment was 300 rpm.

得られたBM処理後のプルシアンブルー−アセチレンブラック混合物は、PTFEバインダーを更に加え、らいかい機で混合し、実施例1と同様にして正極ペレットを作製した。このペレットを用いて、実施例1と同様にして、コインセルを作製した。また、充放電試験も、実施例1と同様に行った。   The obtained Prussian blue-acetylene black mixture after the BM treatment was further added with a PTFE binder and mixed with a rake machine to produce a positive electrode pellet in the same manner as in Example 1. Using this pellet, a coin cell was produced in the same manner as in Example 1. The charge / discharge test was also performed in the same manner as in Example 1.

充放電試験の結果を、表1に示す。BM処理時間が、6h(6時間)までは特性が改善した。また、6hのBM処理において、50サイクル後の放電容量維持率も90%の高い値を達成した。これは、BM処理により、プルシアンブルー粉末とアセチレンブラック粉末の接触性が向上し、粉末間の界面抵抗が減少したためであると推察される。一方、12hのBM処理では、放電容量などの電池性能は低下した。これは、BM処理時の局所的な熱の発生により、プルシアンブルーの変性が起こったためであると考えられる。このように、本発明では、正極材料の活物質をBM処理することにより、電池性能が改善することが明らかとなった。ただし、BM処理については、試料の粒子サイズや使用するボールの材質や大きさによって最適条件が異なるため、それぞれの場合で最適化を行う必要があると考えられる。   The results of the charge / discharge test are shown in Table 1. The characteristics improved until the BM treatment time was 6 hours (6 hours). In addition, in the BM treatment for 6 hours, the discharge capacity retention rate after 50 cycles achieved a high value of 90%. This is presumably because the contact property between the Prussian blue powder and the acetylene black powder was improved by the BM treatment, and the interfacial resistance between the powders was reduced. On the other hand, in the 12 h BM treatment, battery performance such as discharge capacity decreased. This is considered to be due to the modification of Prussian blue due to local heat generation during BM treatment. Thus, in this invention, it became clear that battery performance improves by carrying out BM process of the active material of positive electrode material. However, the optimum conditions for BM treatment differ depending on the particle size of the sample and the material and size of the ball to be used.

(実施例7〜11)
プルシアンブルー類似体(Na4Fe4[Fe(CN)63)粉末とアセチレンブラック粉末を、ボールミル(BM)で粉砕・混合すること(ボールミル処理)により、電池性能の改善を試みた。
(Examples 7 to 11)
Prussian blue analog (Na 4 Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3 ) powder and acetylene black powder were pulverized and mixed with a ball mill (BM) (ball mill treatment) to improve battery performance.

プルシアンブルー類似体粉末とアセチレンブラック粉末(重量比70:25)をミキサー中で数分程度、混合した。この混合物に、直径7mmのジルコニア製ボールを加え、3時間(実施例7)、4時間(実施例8)、6時間(実施例9)、10時間(実施例10)、12時間(実施例11)のBM処理を行った。なお、いずれのBM処理の場合も、プルシアンブルー類似体−アセチレンブラック混合物とボールの混合比率は、重量比で1:10とし、BM処理時の回転速度は300rpmとした。   Prussian blue analog powder and acetylene black powder (weight ratio 70:25) were mixed in a mixer for about several minutes. A zirconia ball having a diameter of 7 mm was added to this mixture, and 3 hours (Example 7), 4 hours (Example 8), 6 hours (Example 9), 10 hours (Example 10), and 12 hours (Example). The BM treatment of 11) was performed. In any of the BM treatments, the mixing ratio of the Prussian blue analog-acetylene black mixture and the ball was 1:10 by weight, and the rotation speed during the BM treatment was 300 rpm.

得られたBM処理後のプルシアンブルー類似体−アセチレンブラック混合物は、PTFEバインダーを加え、らいかい機で混合し、実施例1と同様にして正極ペレットを作製した。このペレットを用いて、実施例1と同様にして、コインセルを作製し、充放電試験を行った。   The obtained Prussian blue analog-acetylene black mixture after the BM treatment was added with a PTFE binder and mixed with a milling machine to prepare a positive electrode pellet in the same manner as in Example 1. Using this pellet, a coin cell was produced in the same manner as in Example 1, and a charge / discharge test was performed.

充放電試験の結果を、表1に示す。BM処理時間が、3hまでは特性が改善し、50サイクル後の放電容量維持率も91%の高い値を達成した。これは、BM処理により、プルシアンブルー類似体粉末とアセチレンブラック粉末の接触性が向上し、粉末間の界面抵抗が減少したためであると推察される。一方、4h以上のBM処理では、放電容量などの電池性能は低下した。これは、BM処理時の局所的な熱の発生により、プルシアンブルーの変性が起こったためであると考えられる。このように、本発明では、正極材料の活物質を、3時間を越えない範囲でBM処理することにより、電池性能が改善することが明らかとなった。ただし、BM処理については、試料の粒子サイズや使用するボールの材質や大きさによって最適条件が異なるため、それぞれの場合で最適化を行う必要があると考えられる。   The results of the charge / discharge test are shown in Table 1. The characteristics improved until the BM treatment time was up to 3 h, and the discharge capacity retention rate after 50 cycles achieved a high value of 91%. This is presumably because the contact property between the Prussian blue analog powder and the acetylene black powder was improved by the BM treatment, and the interfacial resistance between the powders was reduced. On the other hand, in the BM treatment for 4 hours or more, battery performance such as discharge capacity was lowered. This is considered to be due to the modification of Prussian blue due to local heat generation during BM treatment. Thus, in the present invention, it was revealed that the battery performance is improved by subjecting the active material of the positive electrode material to BM treatment within a range not exceeding 3 hours. However, the optimum conditions for BM treatment differ depending on the particle size of the sample and the material and size of the ball to be used.

(実施例12)
水系電解液として8mol/L NaOH水溶液、負極材料としてアモルファスカーボンを用いて、実施例1と同様にして、コインセルを作製した。
(Example 12)
A coin cell was manufactured in the same manner as in Example 1 using an 8 mol / L NaOH aqueous solution as the aqueous electrolyte and amorphous carbon as the negative electrode material.

正極には、実施例7の条件で作製したプルシアンブルー類似体(Na4Fe4[Fe(CN)63)/アセチレンブラック混合物を用いた。 For the positive electrode, a Prussian blue analog (Na 4 Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3 ) / acetylene black mixture prepared under the conditions of Example 7 was used.

電池の放電試験は、実施例1とほぼ同様に、充放電測定システムを用いて、正極の有効面積当たりの電流密度で2mA/cm2を通電し、充電終止電圧1.4V、放電終止電圧0.5Vの電圧範囲で充放電試験を行った。 In the battery discharge test, in the same manner as in Example 1, a charge / discharge measurement system was used, and a current density per effective area of the positive electrode was applied at 2 mA / cm 2 , and the charge end voltage was 1.4 V and the discharge end voltage was 0. The charge / discharge test was conducted in the voltage range of 5V.

充放電試験の結果を、表1に示す。水系電解液を使用するため、放電電圧は1V級であるが、50サイクル後の放電容量維持率が91%の高い値を達成した。なお、酸性の1mol/L Na2SO4水溶液中でも、同様の結果を示すことを確認した。これらの結果は、本発明によるプルシアンブルー系の材料が、水系電解液中でも正極材料として機能できることを示している。水系電解液は、一般的に、有機電解液よりも低価格であるため、ナトリウム二次電池の低コスト化に有利であると考えられる。 The results of the charge / discharge test are shown in Table 1. Since the aqueous electrolyte was used, the discharge voltage was 1 V class, but the discharge capacity retention rate after 50 cycles achieved a high value of 91%. Also in acidic 1mol / L Na 2 SO 4 aqueous solution, was confirmed to show similar results. These results indicate that the Prussian blue material according to the present invention can function as a positive electrode material even in an aqueous electrolyte solution. The aqueous electrolyte solution is generally less expensive than the organic electrolyte solution, so it is considered advantageous for reducing the cost of the sodium secondary battery.

(比較例)
比較例として、レアメタルを含む正極材料用いたナトリウム二次電池を作製した。正極材料としてNaCoO2を評価した。NaCoO2は、Na2CO3とCo34を所定モル比(3:2)で混合し、1000℃で焼成を行うことにより合成した。
(Comparative example)
As a comparative example, a sodium secondary battery using a positive electrode material containing a rare metal was produced. NaCoO 2 was evaluated as a positive electrode material. NaCoO 2 was synthesized by mixing Na 2 CO 3 and Co 3 O 4 at a predetermined molar ratio (3: 2) and firing at 1000 ° C.

NaCoO2を用いるコインセルは、実施例1と同様にして作製及び評価を行った。その結果を、表2に実施例7と比較して示す。 A coin cell using NaCoO 2 was produced and evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 2 in comparison with Example 7.

本比較例による電池は、実施例7と比較して、初期特性においては、電圧や放電容量について優れた特性を示した。しかしながら、充放電サイクルによる容量減少は著しく、100サイクル後には、初期の約30%の放電容量しか得られなかった。   The battery according to this comparative example showed superior characteristics in terms of voltage and discharge capacity as compared with Example 7. However, the capacity decrease due to the charge / discharge cycle was significant, and only about 30% of the initial discharge capacity was obtained after 100 cycles.

一方、実施例7の場合、比較例よりも初期性能は劣る(但し、二次電池としての特性としては十分なものである。)ものの、100サイクル後でも放電容量は約82%維持されており、安定性が高いことが分かった。これは、NaCoO2の場合、遷移金属であるCoの溶出が起こっており、容量の減少を誘因したのではないかと考えられる。 On the other hand, in the case of Example 7, although the initial performance is inferior to that of the comparative example (however, the characteristics as a secondary battery are sufficient), the discharge capacity is maintained at about 82% even after 100 cycles. It was found that the stability was high. In the case of NaCoO 2 , the elution of Co, which is a transition metal, has occurred, which is considered to have caused a decrease in capacity.

以上のように、本発明によるナトリウム二次電池は、コスト性に優れ、更に優れた充放電サイクル特性を有した高性能電池あることが分かった。   As described above, it was found that the sodium secondary battery according to the present invention is a high-performance battery having excellent cost performance and excellent charge / discharge cycle characteristics.

Figure 2014053190
Figure 2014053190

(実施例13)
固体電解質としてNASICON(Na3Zr2Si2PO12)を、負極材料としてアモルファスカーボンを、正極として実施例7の条件で作製したプルシアンブルー類似体(Na4Fe4[Fe(CN)63)/アセチレンブラック混合物を、それぞれ使用した。
(Example 13)
NASICON (Na 3 Zr 2 Si 2 PO 12 ) as the solid electrolyte, amorphous carbon as the negative electrode material, and Prussian blue analog (Na 4 Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3 ) produced under the conditions of Example 7 as the positive electrode. ) / Acetylene black mixtures were used respectively.

NASICONディスクは、以下の手順で調製した。まず、ZrO(NO32・8H2O(関東化学株式会社)、NH42PO4(関東化学株式会社)、及びNa2SiO3・9H2O(関東化学株式会社)を、Na:Zr:Si:P=3:2:2:1の比率となるモル比で混合し、850℃で仮焼成を行った。得られた粉末をペレット成型機でディスク状に成型し、1100℃で24時間の本焼成を行った。 The NASICON disk was prepared by the following procedure. First, ZrO (NO 3 ) 2 · 8H 2 O (Kanto Chemical Co., Inc.), NH 4 H 2 PO 4 (Kanto Chemical Co., Ltd.), and Na 2 SiO 3 · 9H 2 O (Kanto Chemical Co., Ltd.) : Zr: Si: P = 3: 2: 2: 1 were mixed at a molar ratio, and calcined at 850 ° C. The obtained powder was molded into a disk shape by a pellet molding machine and subjected to main firing at 1100 ° C. for 24 hours.

実施例1と同様にして、コインセルを作製した。なお、固体電解質はコインセル内に収まるようにディスク(厚さ:約1mm)状に作製し、図2のセパレータ2の部分にセットした。また、正極/固体電解質/負極のそれぞれの界面に隙間ができないように、コインセルケースに任意の厚さのコインセルと同材質のディスク状のスペーサーを溶接した。   A coin cell was fabricated in the same manner as in Example 1. The solid electrolyte was manufactured in a disk (thickness: about 1 mm) shape so as to be accommodated in the coin cell, and set in the separator 2 portion of FIG. Also, a disc-shaped spacer made of the same material as the coin cell of an arbitrary thickness was welded to the coin cell case so that no gap was formed at each interface of the positive electrode / solid electrolyte / negative electrode.

電池の放電試験は、実施例とほぼ同様に、市販の放充電測定システムを用いて、正極の有効面積あたりの電流密度で0.5mA/cm2を通電し、充電終止電圧3.5V、放電終止電圧2.0Vの電圧範囲で充放電試験を行った。 The discharge test of the battery was conducted in the same manner as in the example by supplying a current density per effective area of the positive electrode of 0.5 mA / cm 2 using a commercially available discharge / charge measurement system, with a charge end voltage of 3.5 V and a discharge. A charge / discharge test was performed in a voltage range of a final voltage of 2.0V.

充放電試験の結果を表1に示す。実施例7と比較して、正極/電解質及び負極/電解質の界面の接触抵抗が増大するために、電圧は0.2Vの減少を示し、若干ではあるが放電容量も減少した。しかしながら、放電容量で示されるサイクル安定性に変化はみられなかった。本実施例により、固体電解質を含む本発明のナトリウム二次電池が作動可能であることが確認された。   The results of the charge / discharge test are shown in Table 1. Compared with Example 7, the contact resistance at the positive electrode / electrolyte and negative electrode / electrolyte interface increased, so that the voltage decreased by 0.2 V and the discharge capacity decreased slightly. However, there was no change in the cycle stability indicated by the discharge capacity. According to this example, it was confirmed that the sodium secondary battery of the present invention including the solid electrolyte was operable.

(実施例14)
ポリマー電解質として、PEO系高分子電解質膜を、負極材料としてアモルファスカーボンを、正極として実施例7の条件で作製したプルシアンブルー類似体(Na4Fe4[Fe(CN)63)/アセチレンブラック混合物を、それぞれ使用した。
(Example 14)
Prussian blue analog (Na 4 Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3 ) / acetylene black produced under the conditions of Example 7 using PEO polymer electrolyte membrane as the polymer electrolyte, amorphous carbon as the negative electrode material, and positive electrode as the positive electrode Each mixture was used.

PEO系電解質膜(厚さ:約2mm)は、以下の手順で調製した。   A PEO-based electrolyte membrane (thickness: about 2 mm) was prepared by the following procedure.

まず、PEO(Aldrich、Mw=6×105)及び溶質であるLiTFSI(キシダ化学)を、Li/O=1/18となるように、10重量%のBaTiO3フィラー(BaTiO3は、Aldrich製試薬(粒子径:<2μm)を用いた))と共にアセトニトリル溶媒(キシダ化学)に添加した。一晩攪拌した後、得られた溶液をPTFE板上に塗布し、アセトニトリルを完全に揮発させた。その後、真空下において90℃で12時間乾燥を行った。 First, PEO (Aldrich, Mw = 6 × 10 5 ) and LiTFSI (Kishida Chemical), which is a solute, are 10 wt% BaTiO 3 filler (BaTiO 3 manufactured by Aldrich) so that Li / O = 1/18. Reagent (with particle size: <2 μm)) was added to the acetonitrile solvent (Kishida Chemical). After stirring overnight, the resulting solution was applied on a PTFE plate to completely volatilize acetonitrile. Then, it dried at 90 degreeC under vacuum for 12 hours.

実施例1と同様にして、コインセルを作製した。なお、ポリマー電解質はコインセル内に収まるようにディスク状に切り抜き、図2のセパレータ2の部分にセットした。また、正極/固体電解質/負極のそれぞれの界面に隙間ができないように、コインセルケースに任意の厚さのコインセルと同材質のディスク状のスペーサーを溶接した。   A coin cell was fabricated in the same manner as in Example 1. The polymer electrolyte was cut out in a disk shape so as to fit in the coin cell, and set in the separator 2 portion of FIG. Also, a disc-shaped spacer made of the same material as the coin cell of an arbitrary thickness was welded to the coin cell case so that no gap was formed at each interface of the positive electrode / solid electrolyte / negative electrode.

電池の放電試験は、実施例とほぼ同様に、市販の放充電測定システムを用いて、正極の有効面積あたりの電流密度で0.5mA/cm2を通電し、充電終止電圧3.5V、放電終止電圧2.0Vの電圧範囲で充放電試験を行った。 The discharge test of the battery was conducted in the same manner as in the example by supplying a current density per effective area of the positive electrode of 0.5 mA / cm 2 using a commercially available discharge / charge measurement system, with a charge end voltage of 3.5 V and a discharge. A charge / discharge test was performed in a voltage range of a final voltage of 2.0V.

充放電試験の結果を表1に示す。実施例7と比較して、正極/電解質及び負極/電解質の界面の接触抵抗が増大するために、電圧は0.1Vの減少を示し、若干ではあるが放電容量も減少した。しかしながら、放電容量で示されるサイクル安定性に変化はみられなかった。本実施例により、ポリマー電解質を含む本発明のナトリウム二次電池が作動可能であることが確認された。   The results of the charge / discharge test are shown in Table 1. Compared with Example 7, the contact resistance at the positive electrode / electrolyte and negative electrode / electrolyte interfaces increased, so that the voltage decreased by 0.1 V, and the discharge capacity also decreased slightly. However, there was no change in the cycle stability indicated by the discharge capacity. This example confirmed that the sodium secondary battery of the present invention containing a polymer electrolyte was operable.

本発明により、コスト性及びサイクル特性に優れたナトリウム二次電池を作製することができ、本発明のナトリウム二次電池は、様々な電子機器の駆動源等として使用することができる。   According to the present invention, a sodium secondary battery having excellent cost performance and cycle characteristics can be manufactured, and the sodium secondary battery of the present invention can be used as a drive source for various electronic devices.

1 正極
2 セパレータ(電解質液を含浸)
3 負極
4 正極ケース
5 ガスケット
6 負極ケース
1 Positive electrode 2 Separator (impregnated with electrolyte)
3 Negative electrode 4 Positive electrode case 5 Gasket 6 Negative electrode case

Claims (6)

ナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質を含む正極、金属ナトリウム、ナトリウム含有物質、又はナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質を含む負極、及び、ナトリウムイオン導電性を有する電解質を含むナトリウム二次電池であり、前記正極のナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質が、プルシアンブルー(Fe[Fe(CN))を含むことを特徴とするナトリウム二次電池。 A positive electrode including a substance capable of inserting and desorbing sodium ions, a sodium including a sodium metal, a sodium-containing substance, or a negative electrode including a substance capable of inserting and desorbing sodium ions, and an electrolyte having sodium ion conductivity A sodium secondary battery, which is a secondary battery, wherein the substance capable of inserting and removing sodium ions from the positive electrode contains Prussian blue (Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3 ). ナトリウムイオンの挿入および脱離が可能な物質を含む正極、金属ナトリウム、ナトリウム含有物質、又はナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質を含む負極、及び、ナトリウムイオン導電性を有する電解質を含むナトリウム二次電池であり、前記正極のナトリウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質が、プルシアンブルー類似体(NaFe[Fe(CN)(式中、0<x≦4.0))を含むことを特徴とするナトリウム二次電池。 A positive electrode including a substance capable of inserting and desorbing sodium ions, a sodium including a sodium metal, a sodium-containing material, or a negative electrode including a substance capable of inserting and desorbing sodium ions, and an electrolyte having sodium ion conductivity In the secondary battery, a substance capable of inserting and desorbing sodium ions from the positive electrode is a Prussian blue analog (Na x Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3 (where 0 <x ≦ 4.0). )). The sodium secondary battery characterized by including. 前記正極は、前記プルシアンブルー(Fe[Fe(CN))を、カーボン粒子と混合して、ボールミル処理を行った材料を含むことを特徴とする請求項1に記載のナトリウム二次電池。 2. The sodium secondary according to claim 1, wherein the positive electrode includes a material obtained by mixing the Prussian blue (Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3 ) with carbon particles and performing a ball mill treatment. battery. 前記正極は、前記プルシアンブルー類似体(NaFe[Fe(CN)(式中、0<x≦4.0))を、カーボン粒子と混合して、ボールミル処理を行った材料を含むことを特徴とする請求項2に記載のナトリウム二次電池。 The positive electrode is a material in which the Prussian blue analog (Na x Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3 (where 0 <x ≦ 4.0)) is mixed with carbon particles and ball milled. The sodium secondary battery according to claim 2, comprising: 前記電解質が、ナトリウムイオンを含む有機電解液であることを特徴とする請求項1又は2に記載のナトリウム二次電池。   The sodium secondary battery according to claim 1, wherein the electrolyte is an organic electrolytic solution containing sodium ions. 前記電解質が、ナトリウムイオンを含む水系電解液であることを特徴とする請求項1又は2に記載のナトリウム二次電池。   The sodium secondary battery according to claim 1 or 2, wherein the electrolyte is an aqueous electrolyte containing sodium ions.
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