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JP6187903B2 - Method for producing positive electrode material for sodium secondary battery - Google Patents

Method for producing positive electrode material for sodium secondary battery Download PDF

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JP6187903B2 JP2013107429A JP2013107429A JP6187903B2 JP 6187903 B2 JP6187903 B2 JP 6187903B2 JP 2013107429 A JP2013107429 A JP 2013107429A JP 2013107429 A JP2013107429 A JP 2013107429A JP 6187903 B2 JP6187903 B2 JP 6187903B2
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Description

本発明は、高い充放電容量を有するとともに高い容量維持率を有するナトリウム二次電池正極材料の製造方法に関する。 The present invention relates to the production how Luna thorium secondary battery positive electrode material having a high capacity maintenance rate and has a high charge-discharge capacity.

リチウムイオン電池は高いエネルギー密度を有する二次電池であることから、携帯電話やノートパソコン等の小型電源や、電気自動車等の大型電源としても実用化されており、今後もさらに需要の拡大が期待される。
しかしながら、電荷担体であるリチウムは希少金属であり、またその資源が南米や中国に偏在しているため、原料価格が高く、原料の安定供給にも不安がある。
Lithium-ion batteries are secondary batteries with high energy density, so they have been put to practical use as small power sources for mobile phones and laptop computers, and large power sources for electric vehicles. Is done.
However, lithium, which is a charge carrier, is a rare metal and its resources are unevenly distributed in South America and China. Therefore, raw material prices are high and there is concern about the stable supply of raw materials.

そのリチウム二次電池に代わる次世代二次電池として、ナトリウム二次電池の検討がなされている。ナトリウムは海水中に豊富に含まれ、地球上で6番目に多い元素であり、安価で、入手しやすい元素でもある。つまり、リチウム資源に恵まれない我が国では、非常に魅力的な元素といえる。また、負極の集電体は、リチウムイオン電池では銅箔であるが、ナトリウムイオン電池では安価なアルミニウム箔が使用できるというメリットもある。また、ナトリウムは、リチウムと同様のアルカリ金属元素であり、性質が似ており、ナトリウムイオン電池の理論自体は、古くから検討されている。   As a next-generation secondary battery replacing the lithium secondary battery, a sodium secondary battery has been studied. Sodium is abundant in seawater, the sixth most abundant element on earth, and is an inexpensive and readily available element. In other words, it is a very attractive element in Japan, which is not blessed with lithium resources. Further, the current collector of the negative electrode is a copper foil in a lithium ion battery, but there is also an advantage that an inexpensive aluminum foil can be used in a sodium ion battery. Further, sodium is an alkali metal element similar to lithium and has similar properties, and the theory of sodium ion batteries has been studied for a long time.

ナトリウム二次電池正極材料として、特許文献1には、NaMn1−b (MはFeまたはNi)で表され、Na:Mn:M1のモル比a:(1−b):bが、aは0.5を超え1未満の範囲の値であり、bは0.001以上0.5以下の範囲の値であるナトリウム含有遷移金酸化物が開示されている。
しかし、特許文献1記載においては、段落[0074]の表1における実施例4の金属酸化物は初期放電容量は162mAh/gであるものの、初期放電容量に対する10サイクル目の放電容量維持率は76%と低い値となっている。一方、実施例3の金属酸化物は前記放電容量維持率は85%であるものの、初期放電容量は141mAh/gと低い値となっており、初期放電容量及び容量維持率ともに十分な値を示すものは開示されていない。
As a sodium secondary battery positive electrode material, Patent Document 1 describes Na a Mn 1-b M 1 b O 2 (M 1 is Fe or Ni), and a molar ratio of Na: Mn: M 1 a: (1 -B): Disclosed is a sodium-containing transition gold oxide in which b is a value in the range of more than 0.5 and less than 1, and b is a value in the range of 0.001 to 0.5. .
However, in Patent Document 1, although the metal oxide of Example 4 in Table 1 of paragraph [0074] has an initial discharge capacity of 162 mAh / g, the discharge capacity maintenance ratio at the 10th cycle with respect to the initial discharge capacity is 76. % Is a low value. On the other hand, the metal oxide of Example 3 has a discharge capacity retention rate of 85%, but the initial discharge capacity is a low value of 141 mAh / g, and both the initial discharge capacity and the capacity retention rate are sufficient. Nothing is disclosed.

特許文献2には、NaLiMn2±αを含み、前記Mは、鉄、コバルトおよびニッケルよりなる群から選択される1種以上を含み、前記aは0.6以上1.1以下であり、前記bは0以上0.5以下であり、前記xと前記yとの和は0.9以上1.1以下であり、前記αは0以上0.1以下である酸化物からなるナトリウム二次電池正極材料が開示されている。
特許文献2記載の正極材料は、図5に示されるように、初期放電容量は169mAh/gであるものの、容量維持率については検証されていない。
Patent Document 2 includes Na a Li b Mn x M y O 2 ± α , where M includes one or more selected from the group consisting of iron, cobalt, and nickel, and the a is 0.6 or more. 1.1 or less, b is 0 or more and 0.5 or less, the sum of x and y is 0.9 or more and 1.1 or less, and α is 0 or more and 0.1 or less. A sodium secondary battery positive electrode material made of an oxide is disclosed.
As shown in FIG. 5, the positive electrode material described in Patent Document 2 has an initial discharge capacity of 169 mAh / g, but the capacity retention rate has not been verified.

非特許文献1には、リチウム二次電池において既に実用化されている三元系正極のLiをNaに置き換えたNaNi1/3Mn1/3Co1/3で表される酸化物を正極材料として用いると、120mAh/g程度の可逆容量が得られることが報告されている。
しかし、非特許文献1記載の正極材料もまた、初期放電容量及び容量維持率ともに十分とはいえなかった。
Non-Patent Document 1 discloses an oxide represented by NaNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 in which Li in a ternary positive electrode already put into practical use in a lithium secondary battery is replaced with Na. It has been reported that a reversible capacity of about 120 mAh / g can be obtained when used as a positive electrode material.
However, the positive electrode material described in Non-Patent Document 1 is also not sufficient in both initial discharge capacity and capacity retention rate.

ナトリウムイオンはリチウムイオンと比較して、イオン半径が約1.3倍大きいため、充放電に伴う正極材料の体積膨張・収縮変化が大きく、ナトリウムイオンの吸蔵量も少なくなる。従って、これら従来のナトリウム二次電池においては、十分な充放電容量と、十分な容量維持率が得られていないのが現状である。   Since sodium ions have an ion radius that is about 1.3 times larger than lithium ions, the volume expansion / contraction change of the positive electrode material accompanying charge / discharge is large, and the amount of occlusion of sodium ions is also reduced. Therefore, in these conventional sodium secondary batteries, a sufficient charge / discharge capacity and a sufficient capacity retention rate are not obtained at present.

特開2009−209037号公報JP 2009-209037 A 特開2007−287661号公報JP 2007-287661 A

Chemistry of Materials,24,1846−1853(2012)Chemistry of Materials, 24, 1846-1853 (2012)

本発明は、上記従来技術の現状に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、従来に比して高い充放電容量を有するとともに高い容量維持率を有するナトリウム二次電池の製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the current state of the prior art described above, and its main purpose is to provide a method for producing a sodium secondary battery having a high charge / discharge capacity and a high capacity retention ratio as compared with the prior art. It is to provide.

トリウム二次電池正極材料は、組成式Na(MnCo1−y−zNi)Oで表されるナトリウム含有遷移金属酸化物からなり、組成比が、0.5<x≦1.0、0.60≦y≦0.80、0.05≦z≦0.20、0.05≦1−y−z≦0.25であることを特徴とするナトリウム二次電池正極材料である。 Sodium secondary battery positive electrode material consists of sodium-containing transition metal oxide represented by a composition formula Na x (Mn y Co 1- y-z Ni z) O 2, the composition ratio, 0.5 <x ≦ 1.0, 0.60 ≦ y ≦ 0.80, 0.05 ≦ z ≦ 0.20, 0.05 ≦ 1-yz ≦ 0.25, a positive electrode material for sodium secondary battery It is.

上記ナトリウム二次電池正極材料は、前記組成比が、0.65≦y≦0.80、0.10≦z≦0.20、0.10≦1−y−z≦0.25であることがより好ましい。 The sodium secondary battery positive electrode material has a composition ratio of 0.65 ≦ y ≦ 0.80, 0.10 ≦ z ≦ 0.20, 0.10 ≦ 1-yz ≦ 0.25. Is more preferable.

上記ナトリウム二次電池正極材料によれば、上記した特定の組成とすることにより、従来のナトリウム二次電池に比して高い充放電容量を有するとともに高い容量維持率を有するナトリウム二次電池を提供することができる。
具体的には、上記した特定の組成とすることにより、初期放電容量が150mAh/g以上、且つ15サイクル目の容量維持率((15サイクル目の放電容量/1サイクル目の放電容量)×100)が80%以上とすることができる。この「初期放電容量150mAh/g」という値は、リチウム二次電池の初期放電容量に匹敵するものである。また、「容量維持率(15th/1st)80%」という値も従来のナトリウム二次電池よりも優れており、本発明はこのように高い充放電容量と高い容量維持率の両方を備えている点で非常に優れた正極材料である。
According to the above- mentioned sodium secondary battery positive electrode material, by providing the above-mentioned specific composition, a sodium secondary battery having a high charge / discharge capacity and a high capacity retention rate as compared with a conventional sodium secondary battery is provided. can do.
Specifically, by setting the specific composition as described above, the initial discharge capacity is 150 mAh / g or more, and the capacity maintenance ratio at the 15th cycle ((discharge capacity at the 15th cycle / discharge capacity at the 1st cycle)) × 100 ) Can be 80% or more. This value of “initial discharge capacity 150 mAh / g” is comparable to the initial discharge capacity of the lithium secondary battery. Moreover, the value of “capacity maintenance rate (15 th / 1 st ) 80%” is also superior to the conventional sodium secondary battery, and the present invention has both a high charge / discharge capacity and a high capacity maintenance rate. Therefore, it is an excellent positive electrode material.

本発明のナトリウム二次電池正極材料の製造方法は、Na(MnCo1−y−zNi)O(ただし式中、0.5<x≦1.0、0.6≦y≦0.80、0.05≦z≦0.20、0.05≦1−y−z≦0.25)で表される組成となるように、ナトリウム化合物とマンガン、コバルト及びニッケルを含む化合物とを混合して、この混合物を500〜1000℃で焼成することによって合成し、焼成時の雰囲気において酸素濃度が10〜30体積%であるガスがフローしていることを特徴とするナトリウム二次電池正極材料の製造方法である。 Method for producing a sodium secondary battery positive electrode material of the present invention, Na x (Mn y Co 1 -y-z Ni z) O 2 ( although Shikichu, 0.5 <x ≦ 1.0,0.6 0 ≦ y ≦ 0.80, 0.05 ≦ z ≦ 0.20, 0.05 ≦ 1-yz ≦ 0.25), so as to include a sodium compound, manganese, cobalt, and nickel the compound is mixed sodium and the mixture was synthesized by baking at 500 to 1000 ° C., to gas oxygen concentration is 10 to 30 vol%, wherein that you have to flow in the atmosphere during firing two It is a manufacturing method of a secondary battery positive electrode material.

本発明のナトリウム二次電池正極材料の製造方法において、前記yが0.65≦y≦0.80、前記zが0.10≦z≦0.20、前記1−y−zが0.10≦1−y−z≦0.25の範囲であることが好ましい。   In the method for producing a positive electrode material for a sodium secondary battery according to the present invention, the y is 0.65 ≦ y ≦ 0.80, the z is 0.10 ≦ z ≦ 0.20, and the 1-yz is 0.10. It is preferable that the range is ≦ 1-yz ≦ 0.25.

本発明のナトリウム二次電池正極材料の製造方法において、焼成温度が700〜900℃であることが好ましく、800〜900℃であることがより好ましい。   In the manufacturing method of the sodium secondary battery positive electrode material of this invention, it is preferable that a calcination temperature is 700-900 degreeC, and it is more preferable that it is 800-900 degreeC.

本発明のナトリウム二次電池正極材料の製造方法において、焼成時の雰囲気における酸素濃度が10〜30体積%であることが好ましい。また、焼成時の雰囲気においてガスがフローしていることが好ましい。   In the method for producing a sodium secondary battery positive electrode material of the present invention, the oxygen concentration in the atmosphere during firing is preferably 10 to 30% by volume. Moreover, it is preferable that gas flows in the atmosphere at the time of baking.

本発明のナトリウム二次電池正極材料の製造方法によれば、上記した特定の組成とし、さらに焼成温度を上記した特定の範囲とし、また焼成時の雰囲気を制御することにより、従来のナトリウム二次電池に比して高い充放電容量を有するとともに高い容量維持率を有するナトリウム二次電池を提供することができる。   According to the method for producing a positive electrode material for a sodium secondary battery of the present invention, the above-mentioned specific composition, the firing temperature is set to the above-mentioned specific range, and the atmosphere during firing is controlled, whereby the conventional sodium secondary battery is controlled. It is possible to provide a sodium secondary battery having a high charge / discharge capacity as compared with the battery and a high capacity retention rate.

トリウム二次電池用電極は、活物質として、請求項1〜4のいずれかに記載のナトリウム二次電池用正極材料の製造方法で得られたナトリウム二次電池用正極材料を用いる。 Sodium secondary battery electrode, as an active material, using a positive electrode material for sodium secondary batteries obtained by the method for producing a cathode material for a sodium secondary battery according to any one of claims 1 to 4.

上記ナトリウム二次電池用電極によれば、従来のナトリウム二次電池に比して、高い充放電容量を有するとともに高い容量維持率を有するナトリウム二次電池を提供することができる。 According to the electrode for the sodium secondary battery, can be compared with the conventional sodium secondary battery, it provides a sodium secondary battery having a high capacity maintenance rate and has a high charge-discharge capacity.

ナトリウム二次電池は、上記ナトリウム二次電池用電極からなる正極を備える。
上記ナトリウム二次電池は、SnまたはSn化合物を含む負極を備えることが好ましい。
The sodium secondary battery includes a positive electrode composed of the sodium secondary battery electrode.
The sodium secondary battery preferably includes a negative electrode containing Sn or a Sn compound.

上記ナトリウム二次電池によれば、従来のナトリウム二次電池に比して高い充放電容量を有するとともに高い容量維持率を有するナトリウム二次電池を提供することができる。 According to the sodium secondary battery, it is possible to provide a sodium secondary battery having a high capacity maintenance rate and has a high charge-discharge capacity as compared with the conventional sodium secondary battery.

上記ナトリウム二次電池は電気機器に用いることができる。 The sodium secondary battery can be used for electrical equipment.

本発明によれば、組成式Na(MnCo1−y−zNi)Oで表されるナトリウム含有遷移金属酸化物からなり、組成比が、0.5<x≦1.0、0.60≦y≦0.80、0.05≦z≦0.20、0.05≦1−y−z≦0.25であることを特徴とするナトリウム二次電池正極材料であることにより、従来に比して高い充放電容量を有するとともに高い容量維持率を有するナトリウム二次電池を提供することができる。 According to the present invention, sodium-containing transition metal oxide represented by a composition formula Na x (Mn y Co 1- y-z Ni z) O 2, composition ratio, 0.5 <x ≦ 1.0 0.60 ≦ y ≦ 0.80, 0.05 ≦ z ≦ 0.20, 0.05 ≦ 1-yz ≦ 0.25, and a sodium secondary battery positive electrode material Thus, it is possible to provide a sodium secondary battery having a high charge / discharge capacity and a high capacity retention rate as compared with the conventional case.

試料A、G、J、K、L、M、Nのマンガン(Mn)の原子数比と初期放電容量の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the atomic ratio of manganese (Mn) of samples A, G, J, K, L, M, and N and the initial discharge capacity. Mn−Co−Niの組成において、150mAh/g以上の高初期放電容量を示す領域と、15サイクル目の容量維持率(15th/1st)が80%以上の高容量維持率を示す領域とを示すグラフである。In the composition of Mn—Co—Ni, a region showing a high initial discharge capacity of 150 mAh / g or more, a region showing a high capacity maintenance rate of 15th cycle capacity retention rate (15 th / 1 st ) of 80% or more, It is a graph which shows. 試料Jと同じ組成で製造時の焼成温度が異なる正極材料を用いたナトリウム二次電池の放電容量とサイクル数の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the discharge capacity of a sodium secondary battery using the positive electrode material from which the baking temperature at the time of manufacture differs in the same composition as the sample J, and cycle number. 試料Jと同じ組成で焼成温度700℃で合成した正極材料を用いたナトリウム二次電池の充放電曲線である。It is a charging / discharging curve of the sodium secondary battery using the positive electrode material synthesize | combined with the same composition as the sample J at the baking temperature of 700 degreeC. 試料Jと同じ組成で焼成温度900℃で合成した正極材料を用いたナトリウム二次電池の充放電曲線である。It is a charging / discharging curve of the sodium secondary battery using the positive electrode material synthesize | combined with the same composition as the sample J at the calcination temperature of 900 degreeC. 試料Jと同じ組成で焼成温度600℃、700℃、800℃で合成した各ナトリウム含有遷移金属酸化物のXRDパターンである。It is the XRD pattern of each sodium containing transition metal oxide synthesize | combined with the same composition as the sample J at the baking temperature of 600 degreeC, 700 degreeC, and 800 degreeC. 試料Jと同じ組成で焼成温度(a)900℃、(b)700℃で合成した各ナトリウム含有遷移金属酸化物の電子顕微鏡写真である。It is an electron micrograph of each sodium containing transition metal oxide synthesize | combined by the same composition as the sample J at baking temperature (a) 900 degreeC and (b) 700 degreeC.

以下、本発明のナトリウム二次電池正極材料、該ナトリウム二次電池正極材料の製造方法、該ナトリウム二次電池正極材料を用いるナトリウム二次電池用電極、該ナトリウム二次電池用電極を備えるナトリウム二次電池、及び該ナトリウム二次電池を用いる電気機器の実施形態について説明する。   Hereinafter, the sodium secondary battery positive electrode material of the present invention, the method for producing the sodium secondary battery positive electrode material, the sodium secondary battery electrode using the sodium secondary battery positive electrode material, and the sodium secondary battery equipped with the sodium secondary battery electrode An embodiment of a secondary battery and an electric device using the sodium secondary battery will be described.

本発明のナトリウム二次電池正極材料は、組成式Na(MnCo1−y−zNi)Oで表されるナトリウム含有遷移金属酸化物からなり、前記組成式のNa原子数比xが0.5<x≦1.0、Mn原子数比yが0.60≦y≦0.80、Ni原子数比zが0.05≦z≦0.20、Co原子数比1−y−zが0.05≦1−y−z≦0.25である。また、前記組成式のMn原子数比yが0.65≦y≦0.80、Ni原子数比zが0.10≦z≦0.20、Co原子数比1−y−zが0.10≦1−y−z≦0.25であることがより好ましい。
この組成の範囲である正極材料を活物質として用いることにより、従来に比して高い充放電容量を有するとともに高い容量維持率を有するナトリウム二次電池とすることができる。具体的には、初期放電容量150mAh/g以上、且つ15サイクル目の容量維持率(15th/1st)80%以上とすることができ、さらには初期放電容量200mAh/g以上とすることができる。
マンガン(Mn)原子数比yが0.6より小さい場合は、十分な初期放電容量が得られないため好ましくない。マンガン(Mn)原子数比yが0.8より大きい場合は、初期放電容量は大きくなるが、容量維持率が低下するため好ましくない。
また、ニッケル(Ni)原子数比zが0.05より小さい場合は、十分な初期放電容量が得られないため好ましくない。一方、ニッケル(Ni)原子数比zが0.20より大きい場合は、十分な容量維持率が得られないため好ましくない。これは、ニッケル(Ni)は下記式で表される酸化還元をするため、高容量化のためには有効であるが、Naの挿入脱離量が大きくなることによって構造の安定性が低下するためであると考えられる。
Sodium secondary battery positive electrode material of the present invention comprises sodium-containing transition metal oxide represented by a composition formula Na x (Mn y Co 1- y-z Ni z) O 2, Na atomic ratio of the composition formula x is 0.5 <x ≦ 1.0, Mn atomic ratio y is 0.60 ≦ y ≦ 0.80, Ni atomic ratio z is 0.05 ≦ z ≦ 0.20, Co atomic ratio 1− yz is 0.05 <= 1-yz <= 0.25. In the composition formula, the Mn atom number ratio y is 0.65 ≦ y ≦ 0.80, the Ni atom number ratio z is 0.10 ≦ z ≦ 0.20, and the Co atom number ratio 1-yz is 0.00. It is more preferable that 10 ≦ 1-yz ≦ 0.25.
By using a positive electrode material having this composition range as an active material, a sodium secondary battery having a high charge / discharge capacity and a high capacity retention rate as compared with the conventional one can be obtained. Specifically, the initial discharge capacity can be set to 150 mAh / g or more and the capacity maintenance ratio (15 th / 1 st ) of the 15th cycle can be set to 80% or more, and further, the initial discharge capacity can be set to 200 mAh / g or more. it can.
If the manganese (Mn) atomic ratio y is smaller than 0.6, it is not preferable because sufficient initial discharge capacity cannot be obtained. When the manganese (Mn) atomic ratio y is larger than 0.8, the initial discharge capacity is increased, but the capacity retention rate is lowered, which is not preferable.
Further, when the nickel (Ni) atomic ratio z is smaller than 0.05, a sufficient initial discharge capacity cannot be obtained, which is not preferable. On the other hand, when the nickel (Ni) atomic number ratio z is larger than 0.20, a sufficient capacity retention rate cannot be obtained, which is not preferable. This is because nickel (Ni) undergoes oxidation-reduction represented by the following formula, which is effective for increasing the capacity, but the stability of the structure decreases as the amount of insertion and desorption of Na increases. This is probably because of this.

また、コバルト(Co)原子数比1−y−zが0.05より小さい場合は、十分な容量維持率が得られないため好ましくない。一方、コバルト(Co)原子数比1−y−zが0.25より大きい場合は、充放電領域が高電位化するため、電池のエネルギー密度を向上できるが、電解液の分解も起こりやすいため、十分な寿命特性が得られにくいため好ましくない。
また、ナトリウム(Na)原子数比xが0.5以下の場合は、層状化合物を形成するためのNa源が不十分であるため、合成時に単一相が得られにくいため好ましくない。一方、ナトリウム(Na)原子数比xが1を超える場合は、未反応のナトリウム化合物が活物質中に残存しやすいため好ましくない。
Further, when the cobalt (Co) atomic number ratio 1-yz is smaller than 0.05, a sufficient capacity retention rate cannot be obtained, which is not preferable. On the other hand, when the cobalt (Co) atomic ratio 1-yz is larger than 0.25, the charge / discharge region is increased in potential, so that the energy density of the battery can be improved, but the electrolytic solution is likely to be decomposed. This is not preferable because it is difficult to obtain sufficient life characteristics.
Further, when the sodium (Na) atomic number ratio x is 0.5 or less, the Na source for forming the layered compound is insufficient, so that it is difficult to obtain a single phase during synthesis, which is not preferable. On the other hand, when the sodium (Na) atomic ratio x exceeds 1, it is not preferable because unreacted sodium compounds are likely to remain in the active material.

<正極材料の製造方法>
次に、本発明のナトリウム二次電池正極材料の製造方法について説明する。
<Method for producing positive electrode material>
Next, the manufacturing method of the sodium secondary battery positive electrode material of this invention is demonstrated.

本発明のナトリウム二次電池正極材料は、Na(MnCo1−y−zNi)Oで表されるナトリウム含有遷移金属酸化物からなるものであり、このナトリウム含有遷移金属酸化物は、原料として、ナトリウム金属或いはナトリウム化合物の少なくとも1種、マンガン金属或いはマンガン化合物の少なくとも1種、コバルト金属或いはコバルト化合物の少なくとも1種、ニッケル金属或いはニッケル化合物の少なくとも1種を、Na(MnCo1−y−zNi)O(ただし式中、Na原子数比xが0.5<x≦1.0、Mn原子数比yが0.65≦y≦0.80、Ni原子数比zが0.05≦z≦0.20、Co原子数比1−y−zが0.05≦1−y−z≦0.25)で表される化学組成となるように、秤量及び混合して、この混合物を焼成することによって合成することができる。 Sodium secondary battery positive electrode material of the present invention is made of a sodium-containing transition metal oxide represented by Na x (Mn y Co 1- y-z Ni z) O 2, the sodium-containing transition metal oxides As raw materials, at least one kind of sodium metal or sodium compound, at least one kind of manganese metal or manganese compound, at least one kind of cobalt metal or cobalt compound, at least one kind of nickel metal or nickel compound, Na x (Mn y Co 1-yz Ni z ) O 2 (wherein, the Na atom number ratio x is 0.5 <x ≦ 1.0, the Mn atom number ratio y is 0.65 ≦ y ≦ 0.80, Ni The atomic ratio z is 0.05 ≦ z ≦ 0.20, and the Co atomic ratio 1-yz is 0.05 ≦ 1-yz ≦ 0.25). Weighing and And the mixture can be synthesized by firing.

より好ましくは、本発明のナトリウム二次電池正極材料を形成するナトリウム含有遷移金属酸化物は、原料として、ナトリウム金属或いはナトリウム化合物の少なくとも1種、マンガン金属或いはマンガン化合物の少なくとも1種、コバルト金属或いはコバルト化合物の少なくとも1種、ニッケル金属或いはニッケル化合物の少なくとも1種を、Na(MnCo1−y−zNi)O(ただし式中、Na原子数比xが0.5<x≦1.0、Mn原子数比yが0.65≦y≦0.80、Ni原子数比zが0.10≦z≦0.20、Co原子数比1−y−zが0.05≦1−y−z≦0.25)で表される化学組成となるように、秤量及び混合して、この混合物を焼成することによって合成することができる。 More preferably, the sodium-containing transition metal oxide forming the sodium secondary battery positive electrode material of the present invention contains, as a raw material, at least one kind of sodium metal or sodium compound, at least one kind of manganese metal or manganese compound, cobalt metal or at least one cobalt compound, at least one nickel metal or a nickel compound, Na x (Mn y Co 1 -y-z Ni z) O 2 ( provided that where each of the Na atomic ratio x 0.5 <x ≦ 1.0, Mn atomic ratio y is 0.65 ≦ y ≦ 0.80, Ni atomic ratio z is 0.10 ≦ z ≦ 0.20, Co atomic ratio 1-yz is 0.05. It can synthesize | combine by weighing and mixing so that it may become a chemical composition represented by <= 1-yz <0.25), and baking this mixture.

焼成温度は、500〜1000℃の範囲とすることができ、700〜900℃の範囲であることがより好ましく、800〜900℃の範囲であることがさらに好ましい。この焼成温度とすることにより、従来に比して高い充放電容量を有するとともに高い容量維持率を有するナトリウム二次電池正極材料を得ることができる。焼成温度が500℃未満であると、焼成時間が長くなり、実用性に欠ける。一方、焼成温度が1000℃を超えると結晶粒が大きくなりやすく、充放電時における放電容量と容量維持率が低下するので好ましくない。   The firing temperature can be in the range of 500 to 1000 ° C, more preferably in the range of 700 to 900 ° C, and still more preferably in the range of 800 to 900 ° C. By setting it as this calcination temperature, the sodium secondary battery positive electrode material which has a high charge retention capacity and a high capacity | capacitance maintenance factor compared with the past can be obtained. When the firing temperature is less than 500 ° C., the firing time becomes long and the practicality is lacking. On the other hand, if the firing temperature exceeds 1000 ° C., the crystal grains tend to be large, and the discharge capacity and capacity retention during charge / discharge are lowered, which is not preferable.

焼成時の雰囲気は、非酸素雰囲気下(例えば、還元雰囲気、不活性雰囲気など)でも構わないが、酸素存在下(例えば、空気中、酸素含有窒素雰囲気など)であることが好ましい。酸素の濃度は、10〜30体積%の範囲であることがより好ましく、15〜25体積%であることがさらに好ましい。なお、焼成時の雰囲気は、常にフローしていることが好ましい。
フロー時のガス流量は、特に限定しないが、正極材料の均一性から、ガス流量は10〜500mL/minであることが好ましい。
上述した酸素濃度となるように焼成時の雰囲気を制御することで、正極材料の酸素欠損が少なくなり、高い充放電容量を有するナトリウム二次電池正極材料を得ることができる。酸素濃度が10体積%未満であると、焼成時の酸素供給量が不十分で試料が均一に合成しにくく、逆に、酸素濃度が30体積%を超えると、過剰な酸化雰囲気となりやすく、目的の化合物が得られない場合がある。
The atmosphere during firing may be a non-oxygen atmosphere (for example, a reducing atmosphere or an inert atmosphere), but is preferably in the presence of oxygen (for example, in air or an oxygen-containing nitrogen atmosphere). As for the density | concentration of oxygen, it is more preferable that it is the range of 10-30 volume%, and it is further more preferable that it is 15-25 volume%. In addition, it is preferable that the atmosphere at the time of baking always flows.
Although the gas flow rate at the time of a flow is not specifically limited, From the uniformity of positive electrode material, it is preferable that a gas flow rate is 10-500 mL / min.
By controlling the atmosphere during firing so as to achieve the oxygen concentration described above, the oxygen deficiency of the positive electrode material is reduced, and a sodium secondary battery positive electrode material having a high charge / discharge capacity can be obtained. If the oxygen concentration is less than 10% by volume, the amount of oxygen supplied during firing is insufficient and the sample is difficult to synthesize uniformly. Conversely, if the oxygen concentration exceeds 30% by volume, an excessive oxidizing atmosphere tends to occur. May not be obtained.

ナトリウム原料としては、ナトリウム(金属ナトリウム)及びナトリウム化合物の少なくとも1種を用いる。ナトリウム化合物としては、ナトリウムを含有するものであれば特に制限されず、例えばCHCOONa、CHCOONa・3HO等の酢酸塩、NaNO等の硝酸塩、NaOHなどの水酸化物、NaO、Na等の酸化物、NaCO等の炭酸塩等が挙げられる。或いはすでにナトリウムマンガン酸化物、ナトリウムニッケル酸化物となっている化合物等が挙げられる。 As the sodium raw material, at least one of sodium (metallic sodium) and a sodium compound is used. The sodium compound is not particularly limited as long as it contains sodium. For example, acetate such as CH 3 COONa, CH 3 COONa · 3H 2 O, nitrate such as NaNO 3 , hydroxide such as NaOH, Na 2 Examples thereof include oxides such as O and Na 2 O 2 and carbonates such as Na 2 CO 3 . Or the compound etc. which are already sodium manganese oxide and sodium nickel oxide are mentioned.

マンガン原料としては、マンガン(金属マンガン)及びマンガン化合物の少なくとも1種を用いる。マンガン化合物としては、マンガンを含有するものであれば特に制限されず、例えばMnO、Mn、Mn、MnO等の酸化物、MnOH、MnOOH等の水酸化物等が挙げられる。 As the manganese raw material, at least one of manganese (metallic manganese) and a manganese compound is used. The manganese compound is not particularly limited as long as it contains manganese, and examples thereof include oxides such as MnO, Mn 2 O 3 , Mn 3 O 4 , and MnO 2 , and hydroxides such as MnOH and MnOOH. .

コバルト原料としては、コバルト(金属コバルト)及びコバルト化合物の少なくとも1種を用いる。コバルト化合物としては、コバルトを含有するものであれば特に制限されず、例えばCoO、Co、Co等の酸化物等が挙げられる。或いはすでにマンガンコバルト化合物となっている水酸化物等が挙げられる。 As the cobalt raw material, at least one of cobalt (metal cobalt) and a cobalt compound is used. The cobalt compound is not particularly limited as long as it contains cobalt, and examples thereof include oxides such as CoO, Co 2 O 3 , and Co 3 O 4 . Or the hydroxide etc. which are already manganese cobalt compounds are mentioned.

ニッケル原料としては、ニッケル(金属ニッケル)及びニッケル化合物の少なくとも1種を用いる。ニッケル化合物としては、ニッケルを含有するものであれば特に制限されず、例えばNiO等の酸化物、NiOH、NiOOH等の水酸化物等が挙げられる。或いはすでにマンガンニッケル化合物となっている水酸化物、マンガンコバルトニッケル化合物となっている水酸化物等が挙げられる。   As the nickel raw material, at least one of nickel (metallic nickel) and a nickel compound is used. The nickel compound is not particularly limited as long as it contains nickel, and examples thereof include oxides such as NiO and hydroxides such as NiOH and NiOOH. Or the hydroxide already used as the manganese nickel compound, the hydroxide used as the manganese cobalt nickel compound, etc. are mentioned.

先ず、これらを含む混合物を調製する。各構成元素の混合割合は、Na(MnCo1−y−zNi)O(ただし式中、Na原子数比xが0.5<x≦1.0、Mn原子数比yが0.60≦y≦0.80、Ni原子数比zが0.05≦z≦0.20、Co原子数比1−y−zが0.05≦1−y−z≦0.25)の化学組成となるように混合する。或いはNa(MnCo1−y−zNi)O(ただし式中、Na原子数比xが0.5<x≦1.0、Mn原子数比yが0.65≦y≦0.80、Ni原子数比zが0.10≦z≦0.20、Co原子数比1−y−zが0.10≦1−y−z≦0.25)の化学組成となるように混合することがより好ましい。また、加熱時にナトリウムは揮発しやすいので、若干過剰の仕込み量とした方がよく、好ましくは、0.6<x≦1.0の範囲とすればよい。また、混合方法は、これらを均一に混合できる限り特に限定されず、例えばミキサー等の公知の混合機を用いて、湿式又は乾式で混合すればよい。 First, a mixture containing these is prepared. The mixing ratio of the respective elements are, Na x (Mn y Co 1 -y-z Ni z) O 2 ( although Shikichu, Na atomic ratio x is 0.5 <x ≦ 1.0, Mn atomic ratio y Is 0.60 ≦ y ≦ 0.80, Ni atom number ratio z is 0.05 ≦ z ≦ 0.20, Co atom number ratio 1-yz is 0.05 ≦ 1-yz ≦ 0.25. ) So that the chemical composition is the same. Or Na x (Mn y Co 1- y-z Ni z) O 2 ( although Shikichu, Na atomic ratio x is 0.5 <x ≦ 1.0, the number of Mn atomic ratio y is 0.65 ≦ y ≦ 0.80, Ni atomic ratio z is 0.10 ≦ z ≦ 0.20, and Co atomic ratio 1−yz is 0.10 ≦ 1-yz ≦ 0.25). It is more preferable to mix them. Further, since sodium easily volatilizes during heating, it is better to make the amount slightly charged, and preferably 0.6 <x ≦ 1.0. Moreover, a mixing method is not specifically limited as long as these can be mixed uniformly, For example, what is necessary is just to mix by a wet type or a dry type using well-known mixers, such as a mixer.

次いで、混合物を焼成する。焼成温度は上記した範囲とする。焼成雰囲気は特に限定されず、通常は酸化性雰囲気又は大気中で実施すればよい。   The mixture is then fired. The firing temperature is in the above range. The firing atmosphere is not particularly limited, and may be usually performed in an oxidizing atmosphere or air.

焼成時間は、焼成温度等に応じて適宜変更することができる。冷却方法も特に限定されないが、通常は自然放冷(炉内放冷)又は徐冷とすればよい。   The firing time can be appropriately changed according to the firing temperature and the like. The cooling method is not particularly limited, but may be natural cooling (cooling in the furnace) or slow cooling.

焼成後は、必要に応じて焼成物を公知の方法で粉砕し、さらに上記の焼成工程を実施してもよいが、ナトリウムの揮発を抑えるためには、1回の焼成とすることが好ましい。なお、粉砕の程度は、焼成温度などに応じて適宜調節すればよい。   After firing, the fired product may be pulverized by a known method as necessary, and the above firing step may be performed. However, in order to suppress sodium volatilization, it is preferable to perform firing once. Note that the degree of pulverization may be appropriately adjusted according to the firing temperature and the like.

<正極の製造方法>
本発明のナトリウム二次電池用電極は、本発明のナトリウム二次電池正極材料及びバインダー、必要に応じて導電助剤を含むことができる。
例えば、上記正極材料に加えてバインダーおよび必要に応じて添加される導電助剤等を含有させた混合物(正極合剤)に、適当な溶剤(N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、水、アルコール、キシレン、トルエン等)を加えて十分に混練して得られる正極活物質合剤ペースト組成物、正極活物質合剤スラリー等を、集電体表面に塗布、乾燥し、更にプレスすることで、集電体表面に正極活物質含有層を形成し、第一半電池の正極とすることができる。
<Method for producing positive electrode>
The sodium secondary battery electrode of the present invention can contain the sodium secondary battery positive electrode material of the present invention and a binder, and optionally a conductive additive.
For example, in addition to the above positive electrode material, a suitable solvent (N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), water, By applying a positive electrode active material mixture paste composition, a positive electrode active material mixture slurry, etc., obtained by sufficiently kneading and adding alcohol, xylene, toluene, etc. to the surface of the current collector, drying, and pressing A positive electrode active material-containing layer can be formed on the current collector surface to form a positive electrode for the first half-cell.

半電池の正極は、活物質とバインダーと必要に応じて添加される導電助剤との合計を100重量%とした場合、バインダーを1〜25%含むことが好ましい。   The positive electrode of the half-cell preferably contains 1 to 25% of the binder when the total of the active material, the binder and the conductive auxiliary agent added as necessary is 100% by weight.

バインダーの材料としては、通常使用されるものであれば制約はないが、例えば、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ポリフッ化ビニリデン(PolyVinylidene DiFluoride;PVDF)、ポリイミド(PI)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアクリル、スチレンブタジエンゴム(SBR)、スチレン−エチレン−ブチレン−スチレン共重合体(SEBS)、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリビニルブチラール(PVB)、エチレン酢酸共重合体(EVA)等の材料を一種単独で用いてもよく、二種以上を併用してもよい。   The binder material is not particularly limited as long as it is usually used. For example, carboxymethyl cellulose (CMC), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyimide (PI), polytetrafluoroethylene (PTFE), Polyamide, polyamideimide, polyacryl, styrene butadiene rubber (SBR), styrene-ethylene-butylene-styrene copolymer (SEBS), polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl butyral (PVB), ethylene acetic acid copolymer (EVA), etc. These materials may be used alone or in combination of two or more.

上記の水系バインダーのうち、CMCが好適に用いられる。CMCをバインダーとして用いると、正極の高温耐久性が向上するだけでなく、出力特性も改善される。
これは、CMCは高温の電解液中で膨潤しないため、電極抵抗の上昇を抑えるとともに、結合力が弱まらないからであると考えられる。
Of the above water-based binders, CMC is preferably used. When CMC is used as a binder, not only the high temperature durability of the positive electrode is improved, but also the output characteristics are improved.
This is presumably because CMC does not swell in a high-temperature electrolyte solution, and thus suppresses an increase in electrode resistance and does not weaken the bonding force.

水系バインダーは、さらにアクリル樹脂を含有することがより好ましい。
水系バインダーのみでも、十分な正極特性は得られるが、アクリル樹脂を含有させることで、充放電にともなう体積膨張・収縮を抑制し、正極のサイクル寿命特性が向上する。
しかし、アクリル樹脂の含有量が多すぎると、イオン導電性と電子伝導性が乏しくなり、十分なレート特性が得られなくなる。また、少なすぎると、十分な結着力を得られない。
従って、アクリル樹脂を含有する場合、CMC100重量%に対して10〜50重量%含有することが好ましく、15〜30重量%含有することがさらに好ましい。
More preferably, the aqueous binder further contains an acrylic resin.
Sufficient positive electrode characteristics can be obtained with only an aqueous binder, but by including an acrylic resin, volume expansion / contraction associated with charge / discharge is suppressed, and the cycle life characteristics of the positive electrode are improved.
However, if the content of the acrylic resin is too large, the ion conductivity and the electron conductivity become poor, and sufficient rate characteristics cannot be obtained. Moreover, when there are too few, sufficient binding force cannot be acquired.
Therefore, when it contains an acrylic resin, it is preferably contained in an amount of 10 to 50% by weight, more preferably 15 to 30% by weight, based on 100% by weight of CMC.

導電助剤は、通常用いられているもの、例えばアセチレンブラック(AB)、ケッチェンブラック(KB)、黒鉛、カーボンファイバー、カーボンチューブ、グラフェン、非晶質炭素等の炭素材料を、一種単独で用いてもよいし、または二種以上を併用してもよい。より好ましくは、上記炭素材料の導電助剤に、導電性の3次元網目構造を形成できるもの(例えば、フレーク状の導電材(フレークアルミニウム粉、フレークステンレス粉等)、カーボンファイバー、カーボンチューブ、非晶質炭素等)が添加されていることが好ましい。導電性の3次元網目構造が形成されていれば、十分な集電効果が得られるとともに、Na吸蔵・放出時の電極の体積膨張を効果的に抑制できる。   As the conductive auxiliary agent, a commonly used carbon material such as acetylene black (AB), ketjen black (KB), graphite, carbon fiber, carbon tube, graphene, amorphous carbon or the like is used alone. Or two or more of them may be used in combination. More preferably, the conductive aid of the carbon material can form a conductive three-dimensional network structure (for example, flaky conductive material (flaked aluminum powder, flake stainless steel powder, etc.), carbon fiber, carbon tube, Crystalline carbon or the like) is preferably added. If the conductive three-dimensional network structure is formed, a sufficient current collecting effect can be obtained, and the volume expansion of the electrode during Na occlusion / release can be effectively suppressed.

集電体は、電子伝導性を有し、保持した負極材料に通電し得る材料であれば特に限定されない。例えば、C、Ti、Cr、Mo、Ru、Rh、Ta、W、Os、Ir、Pt、Au、Al等の導電性物質、これら導電性物質の二種類以上を含有する合金(例えば、ステンレス鋼)を使用し得る。電気伝導性が高く、電解液中の安定性と耐酸化性がよい観点から、集電体としてはC、Al、ステンレス鋼等が好ましく、さらに材料コストの観点からAl等が好ましい。   The current collector is not particularly limited as long as it is a material having electronic conductivity and capable of energizing the held negative electrode material. For example, conductive materials such as C, Ti, Cr, Mo, Ru, Rh, Ta, W, Os, Ir, Pt, Au, and Al, and alloys containing two or more of these conductive materials (for example, stainless steel ) Can be used. The current collector is preferably C, Al, stainless steel or the like from the viewpoint of high electrical conductivity and good stability and oxidation resistance in the electrolytic solution, and Al or the like is more preferable from the viewpoint of material cost.

集電体の形状には、特に制約はないが、箔状基材、三次元基材などを用いることができる。ただし、三次元基材(発泡メタル、メッシュ、織布、不織布、エキスパンド等)を用いると、集電体との密着性に欠けるようなバインダーであっても高い容量密度の電極が得られる。加えて、高率充放電特性も良好になる。
なお、箔状の集電体であっても、予め、集電体表面上にプライマー層を形成することで高容量化を図ることができる。プライマー層は、活物質層と集電体との密着性が良好で、且つ導電性を有しているものであればよい。例えば、炭素系導電助剤を混ぜ合わせた結着材を集電体上に0.1μm〜50μmの厚みで塗布することでプライマー層を形成できる。
Although there is no restriction | limiting in particular in the shape of an electrical power collector, A foil-like base material, a three-dimensional base material, etc. can be used. However, when a three-dimensional substrate (foamed metal, mesh, woven fabric, non-woven fabric, expanded, etc.) is used, an electrode with a high capacity density can be obtained even with a binder that lacks adhesion to the current collector. In addition, high rate charge / discharge characteristics are also improved.
Even in the case of a foil-like current collector, the capacity can be increased by forming a primer layer on the current collector surface in advance. The primer layer only needs to have good adhesion between the active material layer and the current collector and have conductivity. For example, a primer layer can be formed by applying a binder mixed with a carbon-based conductive additive on a current collector in a thickness of 0.1 μm to 50 μm.

プライマー層用の導電助剤は、炭素粉末が好ましい。金属系の導電助剤であると、容量密度を上げることは可能だが、入出力特性が悪くなる。導電助剤が炭素系であればCMCを用いて容量密度を上げることが可能であり、且つ入出力特性がよくなる。炭素系導電助剤としては、KB、AB、VGCF、グラファイト、グラフェン、カーボンチューブ等が挙げられ、これらの一種を用いてもよいし、二種以上を併用してもよい。このうち、導電性とコストの観点から、KBまたはABが好ましい。   The conductive auxiliary for the primer layer is preferably carbon powder. If it is a metal-based conductive additive, it is possible to increase the capacity density, but the input / output characteristics deteriorate. If the conductive additive is carbon-based, the capacity density can be increased using CMC, and the input / output characteristics are improved. Examples of the carbon-based conductive assistant include KB, AB, VGCF, graphite, graphene, carbon tube, and the like. One of these may be used, or two or more may be used in combination. Among these, KB or AB is preferable from the viewpoint of conductivity and cost.

プライマー層用の結着剤は、炭素系導電助剤を結着できるものであれば、その種類は問わない。ただし、PVA、CMC、アルギン酸ナトリウム等の水系バインダーを用いてプライマー層を形成すると、活物質層を形成する際に、プライマー層が溶け、効果が顕著に発揮されないことが多い。そのため、このような水系バインダーを用いる際は、予めプライマー層を架橋するとよい。架橋材としては、ジルコニア化合物、ホウ素化合物、チタン化合物などが挙げられ、プライマー層用スラリー形成時にバインダー量に対して0.1〜20質量%添加するとよい。   The binder for the primer layer is not limited as long as it can bind the carbon-based conductive additive. However, when the primer layer is formed using an aqueous binder such as PVA, CMC, or sodium alginate, the primer layer melts when the active material layer is formed, and the effect is often not exhibited remarkably. Therefore, when using such an aqueous binder, the primer layer may be crosslinked in advance. Examples of the cross-linking material include a zirconia compound, a boron compound, a titanium compound, and the like.

このようにして作製されたプライマー層は、箔状の集電体で、CMCを用いて容量密度を上げることが可能なだけでなく、高い電流で充放電を行っても、分極が小さくなり高率充放電特性が良好になる。
なお、プライマー層は箔状の集電体だけに効果があるのではなく、三次元基材でも同様の効果がある。
The primer layer thus prepared is a foil-shaped current collector, and not only can the capacity density be increased using CMC, but also the polarization becomes small and high even when charging / discharging with a high current. The rate charge / discharge characteristics are improved.
The primer layer is not only effective for the foil-shaped current collector but also has the same effect for a three-dimensional substrate.

上述の工程で製造した電極によれば、ナトリウム二次電池用の正極として機能する。   According to the electrode manufactured in the above-described process, it functions as a positive electrode for a sodium secondary battery.

<負極>
本発明のナトリウム二次電池用正極に組み合わせる負極は、ナトリウムイオン電池で使用される負極であればよく、ナトリウムの吸蔵および放出が可能な負極活物質を含有する電極であればよい。
例えば、ハードカーボン、Mg、Al、Si、P、K、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Y、Zr、Nb、Mo、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、W、PbおよびBiから選択される一種以上の元素、これらの元素を用いた合金或いは酸化物、ハロゲン化物、カルコゲン化物などであればよい。
なかでも、ナトリウムの吸蔵および放出が可能な負極活物質(Y)、Naαβおよびバインダーを含有するものであることが好ましい。ただし、Xは、F、Cl、Br、I、O、S、SeおよびTeから選択される一種以上の元素、αは1〜2、βは1〜5である。
ここで、ナトリウムの吸蔵および放出が可能な負極活物質(Y)は、初期の充電においてナトリウムイオンを吸蔵することができ、且つ、その後の充放電時においてナトリウムイオンを吸蔵・放出することができるものであれば特に限定はされない。例えば、Na、ハードカーボン、Mg、Al、Si、P、K、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Y、Zr、Nb、Mo、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、W、PbおよびBiから選択される一種以上の元素、これらの元素を用いた合金が好ましい。
<Negative electrode>
The negative electrode combined with the positive electrode for sodium secondary batteries of the present invention may be a negative electrode used in sodium ion batteries, and may be an electrode containing a negative electrode active material capable of occluding and releasing sodium.
For example, hard carbon, Mg, Al, Si, P, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, Y, Zr, Nb, Mo, Pd One or more elements selected from Ag, Cd, In, Sn, Sb, W, Pb and Bi, alloys or oxides using these elements, halides, chalcogenides, and the like may be used.
Especially, it is preferable to contain the negative electrode active material (Y) which can occlude and discharge | release sodium, Na ( alpha ) X ( beta ), and a binder. However, X is one or more elements selected from F, Cl, Br, I, O, S, Se and Te, α is 1 to 2, and β is 1 to 5.
Here, the negative electrode active material (Y) capable of occluding and releasing sodium can occlude sodium ions in the initial charge, and can occlude and release sodium ions during subsequent charging and discharging. If it is a thing, it will not specifically limit. For example, Na, hard carbon, Mg, Al, Si, P, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, Y, Zr, Nb, Mo One or more elements selected from Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, W, Pb, and Bi, and alloys using these elements are preferable.

負極活物質(Y)は、放電プラトーの領域が0〜1V(対ナトリウム電位)の範囲内に観測でき、且つその放電容量が高いことが好ましく、上記の例のうち、Sn、Ge、Sb等が好ましく、合金としては、A1−Ge、Si−Ge、Si−Sn、Zn−Sn、Ge−Ag、Ge−Sn、Ge−Sb、Ag−Sn、Ag−Ge、Sn−Sb、Sn−CuおよびSn−Ni等の各組み合わせ等が好ましい。なお、負極活物質(Y)は2種以上使用しても何ら問題ない。   The negative electrode active material (Y) preferably has a discharge plateau region that can be observed within a range of 0 to 1 V (vs. sodium potential) and has a high discharge capacity. Among the above examples, Sn, Ge, Sb, etc. The alloys are preferably A1-Ge, Si-Ge, Si-Sn, Zn-Sn, Ge-Ag, Ge-Sn, Ge-Sb, Ag-Sn, Ag-Ge, Sn-Sb, Sn-Cu. Each combination of Sn-Ni and the like is preferable. In addition, even if it uses 2 or more types of negative electrode active materials (Y), there is no problem.

Naαβは、初期の充電(ナトリウムイオン吸蔵の過程)で、ナトリウム化合物となり、その後の充放電過程で電気化学的に反応しないもの、すなわち、ナトリウム還元され、バッファ層に分解した化合物である。このバッファ層は、ナトリウムイオンの吸蔵・放出の過程で、負極材料の体積変化を抑制する働きをするものである。バッファ層としては、ナトリウムイオン導電性を有する物質が好ましい。 Na α X β is a compound which becomes a sodium compound in the initial charge (sodium ion occlusion process) and does not react electrochemically in the subsequent charge / discharge process, that is, a compound which has been reduced by sodium and decomposed into a buffer layer. . This buffer layer functions to suppress the volume change of the negative electrode material during the process of occlusion / release of sodium ions. As the buffer layer, a substance having sodium ion conductivity is preferable.

上記の目的を達成できる材料であれば、特に制約はないが、Naαβとしては、ハロゲン化ナトリウム(NaF、NaCl、NaBr、NaIなど)、カルコゲンナトリウム(NaO、Na、Na、NaS、NaSe、NaTeなど)、チッ化ナトリウム(NaN)、チッ化リン酸ナトリウム(NaPON)、シュウ酸ナトリウム(Na)、NaC1O、NaA1Cl、NaSO、NaNO、NaPO、NaSiO、NaVO、NaGeO、NaSiO、NaZrO、NaMoO、NaA1F、NaNi、NaBF、NaCFSO等が挙げられ、これらの一種以上を使用することができる。しかし、チッ化ナトリウム(NaN)、チッ化リン酸ナトリウム(NaPON)、シュウ酸ナトリウム(Na)、NaC1O、NaA1Cl、NaSO、NaNO、NaPO、NaSiO、NaVO、NaGeO、NaZrO、NaMoO、NaA1F、NaNi、NaBF、NaCFSO等はかさ密度が大きいため、電池容量密度の向上が難しい。そのため、Naαβは、ハロゲン化ナトリウム(NaF、NaCl、NaBr、NaIなど)、カルコゲンナトリウム(NaO、Na、Na、NaS、NaSe、NaTeなど)が好ましい。 As long as it is a material that can achieve the above-mentioned purpose, there is no particular limitation. Examples of Na α X β include sodium halide (NaF, NaCl, NaBr, NaI, etc.), chalcogen sodium (Na 2 O, Na 2 O 2 , Na 2 O 3 , Na 2 S, Na 2 Se, Na 2 Te, etc.), sodium nitride (Na 3 N), sodium nitride phosphate (NaPON), sodium oxalate (Na 2 C 2 O 4 ), NaC 1 O 3, NaA1Cl 4, Na 2 SO 4, NaNO 3, Na 3 PO 4, Na 4 SiO 4, Na 3 VO 4, Na 4 GeO 4, Na 4 SiO 4, Na 4 ZrO 4, NaMoO 4, NaA1F 4, Na 3 Ni 2 , NaBF 4 , NaCF 3 SO 3 and the like can be mentioned, and one or more of these can be used. However, sodium nitride (Na 3 N), sodium nitride phosphate (NaPON), sodium oxalate (Na 2 C 2 O 4 ), NaC 1 O 3 , NaA 1 Cl 4 , Na 2 SO 4 , NaNO 3 , Na 3 PO 4 , Na 4 SiO 4 , Na 3 VO 4 , Na 4 GeO 4 , Na 4 ZrO 4 , NaMoO 4 , NaA1F 4 , Na 3 Ni 2 , NaBF 4 , NaCF 3 SO 3, etc. have a large bulk density, so the battery capacity density It is difficult to improve. Therefore, Na α X β is sodium halide (NaF, NaCl, NaBr, NaI, etc.), chalcogen sodium (Na 2 O, Na 2 O 2 , Na 2 O 3 , Na 2 S, Na 2 Se, Na 2 Te). Etc.) is preferable.

また、上記の目的を達成できる材料の放電プラトーは0.2〜0.6Vで、ハードカーボン負極の0V付近の放電プラトーと比べて高い。負極の放電プラトーが高くなると、電池全体のエネルギー密度が低下するが、一方で、ナトリウムの析出電位以上の電位で充放電ができるため、デンドライト析出する可能性が低くなり安全性の面で好ましい。   Moreover, the discharge plateau of the material that can achieve the above-mentioned object is 0.2 to 0.6 V, which is higher than the discharge plateau near 0 V of the hard carbon negative electrode. When the discharge plateau of the negative electrode is increased, the energy density of the entire battery is reduced. On the other hand, charge and discharge can be performed at a potential equal to or higher than the precipitation potential of sodium, and therefore, the possibility of dendrite precipitation is reduced, which is preferable in terms of safety.

ナトリウムの吸蔵および放出が可能な負極活物質(Y)と、Naαβは単に混ぜ合わせただけの状態で存在していることよりも、分子レベルで混合されていることが好ましい。
ここで、「YとNaαβが分子レベルで均一に混合されている」とは、Yαβをナトリウム還元すると、YとNaαβに分解され、YとNaαβが均一に混合された状態を意味する。
YとNaαβが分子レベルで均一に混合していることで、充放電によるYの膨張・収縮応力を効果的に緩和できる。
It is preferable that the negative electrode active material (Y) capable of occluding and releasing sodium and Na α X β are mixed at the molecular level rather than being simply mixed.
Here, "Y and Na alpha X beta are uniformly mixed at the molecular level", when sodium reduction of Y alpha X beta, is decomposed into Y and Na alpha X beta, Y and Na alpha X beta is It means a uniformly mixed state.
Since Y and Na α X β are uniformly mixed at the molecular level, the expansion / contraction stress of Y due to charge / discharge can be effectively relieved.

本発明に係るナトリウム二次電池用の負極は、上記の負極活物質およびNaαβに加え、バインダーを含む。バインダーの種類は特に制約はなく、例えば、PVdFなどの一般によく利用されているバインダーを採用することができるが、二次電池の放電容量を向上させる観点からは、ポリイミドを含むバインダーを用いるのが好ましい。本発明に係るナトリウム二次電池用の負極には、上記のほか、導電性を向上するため、必要に応じて導電助剤を含んでもよい。導電助剤の種類は特に制約はなく、例えば、KB、AB、グラファイト、VGCF、Cu粉、Al粉、Ni粉等の一般によく利用されている導電助剤を含有させてもよい。 The negative electrode for a sodium secondary battery according to the present invention contains a binder in addition to the negative electrode active material and Na α X β . The type of the binder is not particularly limited, and for example, a commonly used binder such as PVdF can be used. From the viewpoint of improving the discharge capacity of the secondary battery, a binder containing polyimide is used. preferable. In addition to the above, the negative electrode for a sodium secondary battery according to the present invention may contain a conductive additive as necessary in order to improve conductivity. There are no particular restrictions on the type of conductive aid, and for example, commonly used conductive aids such as KB, AB, graphite, VGCF, Cu powder, Al powder, and Ni powder may be included.

本発明に係るナトリウム二次電池用の負極においては、下記(1)式で求められるTが0.10〜0.85の範囲であることが好ましい。Tがこの範囲にある負極であれば、放電容量が良好であり、サイクル寿命も良好である。Tの下限は、0.40とするのがより好ましく、さらに好ましいのは0.50である。Tの上限は、0.75とするのが好ましく、さらに好ましいのは0.70である。
T=M/(M+M) (1)
ただし、(1)式中の各記号の意味は下記の通りである。
:負極活物質(Y)のモル数(mol)
:Naαβのモル数(mol)
In the negative electrode for sodium secondary batteries according to the present invention, it is preferable that T obtained by the following formula (1) is in the range of 0.10 to 0.85. If the negative electrode has T in this range, the discharge capacity is good and the cycle life is also good. The lower limit of T is more preferably 0.40, and still more preferably 0.50. The upper limit of T is preferably 0.75, and more preferably 0.70.
T = M B / (M A + M B) (1)
However, the meaning of each symbol in the formula (1) is as follows.
M A : Number of moles of negative electrode active material (Y) (mol)
M B : number of moles of Na α X β (mol)

なお、Tが0.50以上の場合、活物質質量当たりの放電容量を200〜400mAh/g程度の良好な範囲としつつ、長寿命の負極が得られる。一方、Tが0.50未満の場合、サイクル寿命が若干劣るものの、活物質質量当たりの放電容量が300〜500mAh/gと高い負極が得られる。   When T is 0.50 or more, a long-life negative electrode can be obtained while the discharge capacity per mass of the active material is in a favorable range of about 200 to 400 mAh / g. On the other hand, when T is less than 0.50, a negative electrode having a high discharge capacity of 300 to 500 mAh / g per mass of the active material is obtained although the cycle life is slightly inferior.

本発明のナトリウム二次電池用の負極に用いる集電体としては、特に限定されないが、例えば、Cu、Al、Ni、Cr、TiもしくはFeまたはこれらの合金を用いることができる。このうち、コストまたは製造の容易性などを考慮すると、Cu、Al、Feもしくはこれらの合金を用いるのが好ましい。但し、負極材料として、S、F、Cl、Br、Iなどを含有させると、熱処理によって集電体を腐食するため、耐腐食性の強いAlもしくはAl合金またはステンレス鋼を用いるのが好ましい。例えば、SnSを負極活物質とする場合、集電体にCuを使用すると、熱処理により硫化銅が生成し、集電体の強度が極端に低下し、電極として機能しない場合がある。 Although it does not specifically limit as a collector used for the negative electrode for sodium secondary batteries of this invention, For example, Cu, Al, Ni, Cr, Ti, Fe, or these alloys can be used. Of these, Cu, Al, Fe, or alloys thereof are preferably used in consideration of cost, ease of manufacture, and the like. However, if S, F, Cl, Br, I, or the like is contained as the negative electrode material, the current collector is corroded by heat treatment, and therefore, it is preferable to use Al, Al alloy, or stainless steel having high corrosion resistance. For example, when SnS 2 is used as the negative electrode active material, if Cu is used for the current collector, copper sulfide is generated by the heat treatment, and the strength of the current collector is extremely reduced, which may not function as an electrode.

本発明に係るナトリウムイオン電池に用いられる負極は、例えば、下記の(1)〜(3)の工程を経て製造することができる。
(1)Yαβ〔但し、YはSnまたはGeの一種または二種、XはF、Cl、Br、I、O、S、SeおよびTeから選択される一種以上の元素、αは1〜2、βは1〜5〕と、バインダーとを含むスラリーを得る工程、
(2)前記スラリーをアルミニウム集電体に塗布し、これに熱処理を行って負極前駆体を得る工程、および、
(3)前記負極前駆体の活物質層上に金属ナトリウムを圧着した後、20〜150℃の温度で1時間以上保持する熱処理を行う工程。
The negative electrode used for the sodium ion battery which concerns on this invention can be manufactured through the process of following (1)-(3), for example.
(1) Y α X β [wherein Y is one or two of Sn or Ge, X is one or more elements selected from F, Cl, Br, I, O, S, Se and Te, α is 1 ~ 2, β is 1-5] and a step of obtaining a slurry containing a binder,
(2) applying the slurry to an aluminum current collector, subjecting the slurry to heat treatment to obtain a negative electrode precursor, and
(3) A step of performing a heat treatment of holding metal sodium on the active material layer of the negative electrode precursor and holding it at a temperature of 20 to 150 ° C. for 1 hour or more.

ここで、Yαβとしては、初期の充電の過程で、上記のようなバッファ層のみに分解する化合物よりも、バッファ層に加えてナトリウムイオンを吸蔵・放出することができる物質に分解する化合物がより好ましい。このため、Yαβとしては、例えば、SnO、SnO、SnCなどの酸化物、SnS、SnSなどのカルコゲン化物、SnF、SnCl、SnI、SnIなどのハロゲン化物、SnSeなどのセレン化物、SnTeなどのテルル化物等が挙げられる。中でもSnのフッ化物および硫化物の一方または両方を用いるのが好ましい。また、βが大きいと、放電容量を大きくできるとともに、サイクル寿命を向上させることができる。よって、βは2以上とすることが好ましい。中でも、サイクル寿命が特に良好であるのは、SnS、SnSおよびSnFである。 Here, Y α X β is decomposed into a substance that can occlude and release sodium ions in addition to the buffer layer, rather than the compound that decomposes only into the buffer layer as described above, in the process of initial charging. Compounds are more preferred. For this reason, examples of Y α X β include oxides such as SnO, SnO 2 , and SnC 2 O 4 , chalcogenides such as SnS and SnS 2 , and halides such as SnF 2 , SnCl 2 , SnI 2 , and SnI 4. And selenides such as SnSe and tellurides such as SnTe. Among them, it is preferable to use one or both of Sn fluoride and sulfide. Further, when β is large, the discharge capacity can be increased and the cycle life can be improved. Therefore, β is preferably 2 or more. Among these, SnS, SnS 2 and SnF 2 have particularly good cycle life.

αβは、特に、Sn化合物であることが好ましい。具体的には、SnO、SnO、SnS、SnS、SnSe、SnSe、SnTe、SnTe、SnF、SnCl、SnBr、SnI、などが挙げられる。これは、初期の充電時にNa還元され、分子レベルで均一に混合した活物質(Y)とバッファ層(Naαβ)が構築され、さらにバッファ層(Naαβ)がイオン導電性に優れるため、サイクル寿命が良好であるという理由による。 Y α X β is particularly preferably a Sn compound. Specifically, SnO, SnO 2, SnS, SnS 2, SnSe, SnSe 2, SnTe, SnTe 2, SnF 2, SnCl 2, SnBr 2, SnI 2, and the like. This is because Na is reduced during the initial charge, and an active material (Y) and a buffer layer (Na α X β ) that are uniformly mixed at the molecular level are constructed. Further, the buffer layer (Na α X β ) becomes ionic conductive. This is because the cycle life is good because it is excellent.

ここで、負極活物質前躯体として、Yαβを用いた場合は、初期不可逆容量が大きくなるという問題がある。この初期不可逆容量が大きいと、全電池を作製しても正常に動作しないことがある。そのため、負極にはあらかじめナトリウムをドープし、容量補償していることが好ましい。ナトリウムのドープ方法としては、特に制限されないが、例えば、(i)負極集電体上の本発明の負極材料がない部分に金属ナトリウムを貼り付け、注液することでローカルセルを形成し、負極活物質中にナトリウムをドープする方法、(ii)本発明の負極材料上に蒸着やスパッタにより金属ナトリウムを成膜し、固相反応で本発明の負極材料中にナトリウムをドープする方法、(iii)電池構成前の負極に、電解液中で電気化学的にナトリウムをドープする方法、(iv)本発明で使用する複合粉末の作製の際に金属ナトリウムを加え混合処理することで、本発明の負極材料中にナトリウムをドープする方法、等の方法が挙げられる。 Here, when Y α X β is used as the negative electrode active material precursor, there is a problem that the initial irreversible capacity increases. If this initial irreversible capacity is large, even if all the batteries are manufactured, they may not operate normally. Therefore, it is preferable that the negative electrode is doped with sodium in advance to compensate the capacity. The sodium doping method is not particularly limited. For example, (i) metal sodium is attached to a portion where the negative electrode material of the present invention on the negative electrode current collector is not present, and a local cell is formed by injecting the liquid. A method of doping sodium into the active material, (ii) a method of forming a metal sodium film on the negative electrode material of the present invention by vapor deposition or sputtering, and doping sodium into the negative electrode material of the present invention by solid phase reaction, (iii) ) A method of electrochemically doping sodium into the negative electrode before battery construction in an electrolytic solution, and (iv) Sodium metal is added and mixed during the production of the composite powder used in the present invention. Examples thereof include a method of doping sodium into the negative electrode material.

ただし、上記(i)では、局部的に金属ナトリウムが存在するため、負極全域に均一にナトリウムイオンが拡散しにくい。上記(ii)では、蒸着装置やスパッタ装置等の大掛かりな装置が必要となり、生産性に改善の余地がある。上記(iii)では、予めナトリウムドープ用の電池を構成する必要がある。上記(iv)では、得られる負極材料がナトリウム化しているため、軟らかく取り扱いが困難であり、また通常雰囲気中(湿度のある空気中)でスラリーを作製できない傾向がある。   However, in the above (i), since sodium metal is locally present, it is difficult for sodium ions to diffuse uniformly throughout the negative electrode. In (ii) above, a large-scale apparatus such as a vapor deposition apparatus or a sputtering apparatus is required, and there is room for improvement in productivity. In the above (iii), it is necessary to configure a battery for sodium doping in advance. In (iv) above, since the obtained negative electrode material is sodium, it is soft and difficult to handle, and there is a tendency that a slurry cannot be produced in a normal atmosphere (in a humid air).

このような問題点を解消するためには、スラリーをアルミニウム集電体に塗布し、これに熱処理を行って得た負極前駆体の活物質層上に直接、金属ナトリウム箔を圧着した後、熱処理するのが有効である。これにより、特殊な装置を用いることなく、負極全域に均一にナトリウムイオンをドープすることができる。なお、金属ナトリウム箔の厚さは、取り扱いの容易さと均一にナトリウムイオンをドープできることを考慮し、金属ナトリウム箔は1〜30μmのものを用いることが好ましく、5〜20μmのものを用いることがより好ましい。   In order to eliminate such problems, the slurry is applied to an aluminum current collector, and heat treatment is performed on the negative electrode precursor active material layer obtained by applying heat treatment to the aluminum current collector. It is effective to do. Thereby, a sodium ion can be uniformly doped in the whole negative electrode, without using a special apparatus. The thickness of the metal sodium foil is preferably 1 to 30 μm, more preferably 5 to 20 μm, considering the ease of handling and the ability to dope sodium ions uniformly. preferable.

ナトリウムイオンをドープするための熱処理の条件としては、低温でも負極材料にナトリウムドープすることは可能であるが、反応速度が遅いため、20〜150℃で、少なくとも1時間以上とすることが好ましい。この熱処理は、電解液中で行うのが良い。加熱温度をこの条件とすれば、電極自身にダメージを与えず、また電解液を蒸発させずに、ナトリウムイオンをドープすることができる。なお、熱処理温度の下限は、30℃とするのが好ましく、上限は90℃とするのが好ましい。   As conditions for the heat treatment for doping sodium ions, it is possible to dope the negative electrode material with sodium even at a low temperature. However, since the reaction rate is slow, it is preferably at 20 to 150 ° C. for at least 1 hour. This heat treatment is preferably performed in an electrolytic solution. If the heating temperature is set to this condition, sodium ions can be doped without damaging the electrode itself and without evaporating the electrolyte. The lower limit of the heat treatment temperature is preferably 30 ° C., and the upper limit is preferably 90 ° C.

上述の構成の電極によれば、ナトリウム二次電池用の負極として機能する。   According to the electrode having the above-described configuration, it functions as a negative electrode for a sodium secondary battery.

<電池>
本発明のナトリウム二次電池用電極からなる正極を用い、本発明のナトリウム二次電池とすることができる。
本発明のナトリウム二次電池は、上記正極と、上記負極を用いることができる。
電解液は、その溶媒として、特に限定されないが、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネートのような環状カーボネート系、テトラヒドロフランなどのエーテル系、ヘキサンなどの炭化水素系、γ−ブチルラクトンなどのラクトン系、などを用いることができる。このうち、レート特性の観点から、EC系電解液を備えることが好ましい。
通常、ECは常温では固体であるため、EC単独では電解液としての機能を果たさない。しかし、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)などとの混合溶媒とすることで、常温でも使用可能な電解液として機能する。
EC系の電解液の溶媒としては、EC(エチレンカーボネート)‐DEC(ジエチレンカーボネート)、EC‐DMC(ジメチルカーボネート)が好適に用いられ、特にEC‐DECが好適に用いられる。
<Battery>
The positive electrode comprising the sodium secondary battery electrode of the present invention can be used to make the sodium secondary battery of the present invention.
The sodium secondary battery of the present invention can use the positive electrode and the negative electrode.
The electrolytic solution is not particularly limited as a solvent, but cyclic carbonates such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC) and butylene carbonate, ethers such as tetrahydrofuran, hydrocarbons such as hexane, γ-butyl, etc. Lactones such as lactones can be used. Among these, it is preferable to provide EC type electrolyte solution from a viewpoint of rate characteristics.
Usually, since EC is solid at room temperature, EC alone does not function as an electrolyte. However, when used as a mixed solvent with PC, dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), etc., it functions as an electrolyte that can be used at room temperature.
EC (ethylene carbonate) -DEC (diethylene carbonate) and EC-DMC (dimethyl carbonate) are preferably used as the solvent for the EC electrolyte solution, and EC-DEC is particularly preferably used.

電解液の支持塩としては、特に限定されないが、ナトリウム二次電池に一般的に使用される塩を用いることができる。例えば、NaPF、NaBF、NaClO、NaTiF、NaVF、NaAsF、NaSbF、NaCFSO、Na(CSON、NaB(C、NaB10Cl10、NaB12Cl12、NaCFCOO、Na、NaNO、NaSO、NaPF(C、NaB(C、およびNa(CFSOCなどの塩を用いることができる。なお、上記塩のうち1種単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせてもよい。 Although it does not specifically limit as a support salt of electrolyte solution, The salt generally used for a sodium secondary battery can be used. For example, NaPF 6 , NaBF 4 , NaClO 4 , NaTiF 4 , NaVF 5 , NaAsF, NaSbF 6 , NaCF 3 SO 3 , Na (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N, NaB (C 2 O 4 ) 2 , NaB 10 Cl 10, NaB 12 Cl 12, NaCF 3 COO, Na 2 S 2 O 4, NaNO 3, Na 2 SO 4, NaPF 3 (C 2 F 5) 3, NaB (C 6 F 5) 4, and Na (CF A salt such as 3 SO 2 ) 3 C can be used. In addition, 1 type may be used independently among the said salts, and 2 or more types may be combined.

このうち、六フッ化リン酸ナトリウム(NaPF)、過塩素酸ナトリウム(NaClO)、四フッ化ホウ酸ナトリウム(NaBF)などが好適に用いられ、特にNaPFが好適に用いられる。NaPFを塩として用いることで、正極の放電容量とサイクル寿命を改善し、負極のサイクル寿命を改善する効果が高まる。また、電解液の濃度(溶媒中の塩の濃度)は、特に限定されないが、0.1〜3mol/Lであることが好ましく、0.5〜2mol/Lであることが更に好ましい。 Among these, sodium hexafluorophosphate (NaPF 6 ), sodium perchlorate (NaClO 4 ), sodium tetrafluoroborate (NaBF 4 ), and the like are preferably used, and NaPF 6 is particularly preferably used. By using NaPF 6 as a salt, the effect of improving the discharge capacity and cycle life of the positive electrode and improving the cycle life of the negative electrode is enhanced. The concentration of the electrolytic solution (the concentration of the salt in the solvent) is not particularly limited, but is preferably 0.1 to 3 mol / L, and more preferably 0.5 to 2 mol / L.

ナトリウム二次電池の構造としては、特に限定されないが、積層式電池、捲回式電池などの既存の電池形態・構造に適用できる。   Although it does not specifically limit as a structure of a sodium secondary battery, It can apply to the existing battery forms and structures, such as a laminated type battery and a wound type battery.

上述の構造のナトリウム二次電池によれば、以下の化学式(1)〜(3)に示す充放電反応により、二次電池として機能する。以下の化学式(1)は、本発明の正極の主な充放電反応を示す。次に、化学式(2)および(3)は、本発明の負極の主な充放電反応を示す。   According to the sodium secondary battery having the above-described structure, it functions as a secondary battery by charge / discharge reactions shown in the following chemical formulas (1) to (3). The following chemical formula (1) shows the main charge / discharge reaction of the positive electrode of the present invention. Next, chemical formulas (2) and (3) show main charge / discharge reactions of the negative electrode of the present invention.

本発明のナトリウム二次電池は、移動体通信機器や携帯用電子機器などの電気機器に用いることができる。   The sodium secondary battery of the present invention can be used for electric devices such as mobile communication devices and portable electronic devices.

以下、実施例により本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

<ナトリウムマンガンコバルトニッケル複合酸化物の合成>
純度99%以上の炭酸ナトリウム(NaCO)粉末と、酸化マンガン(II,III)(Mn)と、ニッケルマンガンコバルト水酸化物(NiMnCo)OHを、Na:(Mn+Co+Ni)=1:1の原子数比、及びMn、Co、Niが表1に示す原子数比となるように秤量した。これらを乳鉢中で混合したのち、アルミナ製るつぼに充填し、電気炉を用いて、空気中900℃で10時間焼成した。その後、電気炉中で自然放冷し、ナトリウムマンガンコバルトニッケル複合酸化物を得た。
<Synthesis of sodium manganese cobalt nickel composite oxide>
Sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) powder having a purity of 99% or more, manganese (II, III) (Mn 3 O 4 ), nickel manganese cobalt hydroxide (NiMnCo) OH 2 , Na: (Mn + Co + Ni) = Weighing was performed so that the atomic ratio of 1: 1 and the atomic ratios of Mn, Co and Ni were as shown in Table 1. After mixing these in a mortar, they were filled in an alumina crucible and baked in the air at 900 ° C. for 10 hours using an electric furnace. Thereafter, it was naturally cooled in an electric furnace to obtain a sodium manganese cobalt nickel composite oxide.

<試験1:各試料の初期放電容量と容量維持率の比較>
得られたNa(MnyCo1−y−zNiz)Oの充放電特性を測定した。
正極組成は、活物質90質量%、AB5質量%およびPVdFバインダー5質量%を混合してスラリー状の合剤を調製し、厚さ20μmのアルミニウム箔上に塗布・乾燥後、ロールプレス機により、アルミニウム箔と塗膜とを密着接合させ、次いで、加熱処理(減圧中、180℃、1時間以上)した。対極として、試験電極計算容量の約50倍の容量を有している金属ナトリウム箔を用い、セパレータとしてガラスフィルタ、電解液として1mol/L NaPF(EC:DEC=1:1 vol.%)を具備したコインセル(CR2032)を作製した。各試料の初期放電容量と15サイクル時の容量維持率を表2に示す。
<Test 1: Comparison of initial discharge capacity and capacity maintenance rate of each sample>
Charge-discharge characteristics of the resulting Na 1 (Mn y Co 1- y-z Ni z) O 2 was measured.
The positive electrode composition was prepared by mixing 90% by mass of active material, 5% by mass of AB and 5% by mass of PVdF binder to prepare a slurry-like mixture, and after applying and drying on a 20 μm thick aluminum foil, The aluminum foil and the coating film were tightly bonded, and then heat-treated (during decompression, 180 ° C., 1 hour or longer). As a counter electrode, a metal sodium foil having a capacity about 50 times the calculated capacity of the test electrode was used, a glass filter as a separator, and 1 mol / L NaPF 6 (EC: DEC = 1: 1 vol.%) As an electrolyte. The provided coin cell (CR2032) was produced. Table 2 shows the initial discharge capacity and the capacity retention rate at 15 cycles of each sample.

表2の結果から、試料A、B、C、D、E、J、K、L、M、Nで150mAh/g以上の高い初期放電容量が得られた。特に試料Jでは200mAh/g以上の非常に高い初期放電容量が得られた。この結果から、Mnを原子数比で約65%以上含み、Niを必須構成として含む組成の遷移金属酸化物が高い初期放電容量を得られることがわかる。   From the results in Table 2, high initial discharge capacities of 150 mAh / g or more were obtained for samples A, B, C, D, E, J, K, L, M, and N. In particular, in Sample J, a very high initial discharge capacity of 200 mAh / g or more was obtained. From this result, it can be seen that a high initial discharge capacity can be obtained with a transition metal oxide having a composition containing about 65% or more of Mn by atomic ratio and containing Ni as an essential component.

図1は、それぞれコバルト(Co)とニッケル(Ni)を含みマンガン(Mn)の原子数比が異なる試料A、G、J、K、L、M、Nのマンガン(Mn)の原子数比と初期放電容量の関係を示すグラフである。
このグラフから、初期放電容量150mAh/gを達成するには、マンガン(Mn)の原子数比を約60%以上とすればよいといえる。
FIG. 1 shows the atomic ratios of manganese (Mn) in samples A, G, J, K, L, M, and N, each containing cobalt (Co) and nickel (Ni) and having different atomic ratios of manganese (Mn). It is a graph which shows the relationship of initial stage discharge capacity.
From this graph, it can be said that the atomic ratio of manganese (Mn) should be about 60% or more in order to achieve the initial discharge capacity of 150 mAh / g.

また、試料A、B、D、F、J、Mで15サイクル後でも80%以上の高い容量維持率が得られた。この結果から、Coを必須構成として含有し、且つNiの原子数比が約25%以下の組成において、高い容量維持率を達成できることがわかる。
この理由としては、Coは高電位で酸化還元するため、高電位まで構造を安定化できると考えられる。また、Niは下記式で表される酸化還元をするため、高容量化のためには有効であるが、Naの挿入脱離量が大きくなることにより構造の安定性が低下すると考えられる。
In addition, a high capacity retention rate of 80% or more was obtained even after 15 cycles of Samples A, B, D, F, J, and M. From this result, it can be seen that a high capacity retention ratio can be achieved in a composition containing Co as an essential component and having an Ni atomic ratio of about 25% or less.
The reason for this is considered that Co is oxidized and reduced at a high potential, so that the structure can be stabilized to a high potential. In addition, since Ni is oxidized and reduced represented by the following formula, it is effective for increasing the capacity. However, it is considered that the stability of the structure is lowered by increasing the amount of insertion and desorption of Na.

図2は、Mn−Co−Niの組成において、150mAh/g以上の高初期放電容量を示す領域と、15サイクル目の容量維持率(15th/1st)が80%以上の高容量維持率を示す領域とを示すグラフである。
上記試験の結果により、表2に示すように高初期放電容量領域と高容量維持率領域が存在する。高い初期放電容量を有し且つ高い容量維持率を有する組成範囲は、図2に示す高初期放電容量領域と高容量維持率領域が重なる範囲である。
この両領域が重なる範囲から、Na(MnCo1−y−zNi)Oで表されるナトリウム含有遷移金属酸化物において、Na原子数比xが0.5<x≦1.0、Mn原子数比yが0.60≦y≦0.80、Ni原子数比zが0.05≦z≦0.20、Co原子数比1−y−zが0.05≦1−y−z≦0.25の範囲において、高初期放電容量と高容量維持率をともに達成できることがわかる。
150mAh/g以上の初期放電容量と80%以上の容量維持率(15th/1st)の両方を達成できたのは、試料A、B、D、J、Mであった。特に試料Jは、初期放電容量と容量維持率のどちらも従来の材料と比較して非常に優れた値を示した。
FIG. 2 shows a region showing a high initial discharge capacity of 150 mAh / g or more in the composition of Mn—Co—Ni, and a high capacity maintenance rate of 15% cycle capacity retention rate (15 th / 1 st ) of 80% or more. It is a graph which shows the area | region which shows.
According to the results of the above test, there are a high initial discharge capacity region and a high capacity retention rate region as shown in Table 2. The composition range having a high initial discharge capacity and a high capacity retention rate is a range where the high initial discharge capacity region and the high capacity retention rate region shown in FIG. 2 overlap.
From a range these two regions overlap, Na x (Mn y Co 1 -y-z Ni z) in O 2 sodium-containing transition metal oxide represented by, Na atomic ratio x is 0.5 <x ≦ 1. 0, Mn atomic ratio y is 0.60 ≦ y ≦ 0.80, Ni atomic ratio z is 0.05 ≦ z ≦ 0.20, Co atomic ratio 1-yz is 0.05 ≦ 1- It can be seen that both high initial discharge capacity and high capacity retention ratio can be achieved in the range of yz ≦ 0.25.
Samples A, B, D, J, and M were able to achieve both an initial discharge capacity of 150 mAh / g or more and a capacity retention rate of 80% or more (15 th / 1 st ). In particular, Sample J showed very excellent values for both the initial discharge capacity and the capacity retention rate as compared with the conventional material.

<試験2:異なる焼成温度で作製した試料のサイクル特性>
次に、ナトリウムマンガンコバルトニッケル複合酸化物を合成する際の焼成温度の違いによる容量維持率への影響を調べた。試料の組成は表1の試料Jと同じ組成で行った。結果を表3及び図3に示す。
<Test 2: Cycle characteristics of samples prepared at different firing temperatures>
Next, the influence on the capacity retention rate due to the difference in the firing temperature when synthesizing the sodium manganese cobalt nickel composite oxide was examined. The composition of the sample was the same as that of Sample J in Table 1. The results are shown in Table 3 and FIG.

表3に示すように、焼成温度が高くなるに従い、40サイクル後の容量維持率が向上した。初期放電容量は800℃で焼成した時、最も高い220mAh/gを示した。
この結果から、高い初期放電容量且つ高い容量維持率を得るためには、焼成温度は700〜900℃が好ましく、800〜900℃がより好ましいといえる。
As shown in Table 3, as the firing temperature increased, the capacity retention rate after 40 cycles was improved. The initial discharge capacity was the highest 220 mAh / g when fired at 800 ° C.
From this result, in order to obtain a high initial discharge capacity and a high capacity retention rate, it can be said that the firing temperature is preferably 700 to 900 ° C, more preferably 800 to 900 ° C.

<試験3:異なる焼成温度で作製した試料の充放電曲線>
次に、試料Jと同じ組成で700℃焼成した試料(J−2)と、試料Jと同じ組成で900℃焼成した試料(J−4)の充放電曲線を図4,5に示す。
<Test 3: Charge / Discharge Curves of Samples Produced at Different Firing Temperatures>
Next, FIGS. 4 and 5 show charge / discharge curves of a sample (J-2) fired at 700 ° C. with the same composition as the sample J and a sample (J-4) fired at 900 ° C. with the same composition as the sample J.

図4,5に示すように、900℃焼成した試料(J−4)の方が、700℃焼成した試料(J−2)よりも充放電時の分極が小さかった。これは高温焼成した方が結晶性が高いためと考えられる。   As shown in FIGS. 4 and 5, the sample (J-4) fired at 900 ° C. had a smaller polarization during charge / discharge than the sample (J-2) fired at 700 ° C. This is presumably because high-temperature firing has higher crystallinity.

<異なる焼成温度で作製した試料のXRDパターンと電子顕微鏡写真(SEM写真)>
また、表3に示す焼成温度600℃、700℃、800℃で得られた試料(J−1、J−2、J−3)を、X線回折測定器(MAC Science社製、CuKα1線λ=1.54056Å)を用いてX線回折測定を行い、結晶性を評価した。さらに、700℃焼成した試料(J−2)及び900℃焼成した試料(J−4)の結晶を電子顕微鏡写真(SEM)を用いて確認した。XRDパターンを図6に、SEM写真を図7に示す。
<XRD pattern and electron micrograph (SEM photograph) of samples prepared at different firing temperatures>
Further, samples (J-1, J-2, J-3) obtained at the firing temperatures of 600 ° C., 700 ° C., and 800 ° C. shown in Table 3 were used as X-ray diffractometers (manufactured by MAC Science, CuKα 1 line). X-ray diffraction measurement was performed using λ = 1.54056 mm) to evaluate crystallinity. Furthermore, the crystal | crystallization of the sample (J-2) baked at 700 degreeC and the sample (J-4) baked at 900 degreeC was confirmed using the electron micrograph (SEM). The XRD pattern is shown in FIG. 6, and the SEM photograph is shown in FIG.

XRDパターンを見ると、焼成温度により合成物の結晶構造が変化したことがわかる。800℃焼成試料(J−3)は15°付近のピークの幅が小さく、600℃焼成試料(J−1)、700℃焼成試料(J−2)に比べ、結晶性が高いことがわかる。
また、SEM写真を見ても、900℃焼成試料(J−4)の方が700℃焼成試料(J−2)よりも結晶性が高いことがわかる。
このことから、焼成温度が高くなるほど結晶性の高い試料を得られることがわかる。
From the XRD pattern, it can be seen that the crystal structure of the composite has changed depending on the firing temperature. It can be seen that the 800 ° C. calcined sample (J-3) has a smaller peak width near 15 °, and has higher crystallinity than the 600 ° C. calcined sample (J-1) and 700 ° C. calcined sample (J-2).
Moreover, even if it sees a SEM photograph, it turns out that the 900 degreeC baking sample (J-4) has higher crystallinity than the 700 degreeC baking sample (J-2).
This shows that a sample with higher crystallinity can be obtained as the firing temperature increases.

高い結晶性を有すると、結晶内のイオン伝導性の向上や界面の抵抗が低下するため、電池特性の向上に寄与する。   When it has high crystallinity, the ion conductivity in the crystal is improved and the interface resistance is lowered, which contributes to the improvement of battery characteristics.

<試験4:焼成時における雰囲気の最適化>
次に、試料Aと同じ組成で、焼成時の雰囲気を表4に示すガスを用いたこと以外は試料Aと同じ条件で試料A−1〜A−4を作製し、これら試料を正極材料として試験1と同じ条件で初期放電容量を測定した。なお、焼成温度は900℃とした。表4に初期の放電容量をまとめる。
なお、焼成時における「フロ―あり」とは、ガス流量の値を100mL/minにしたものである。
<Test 4: Optimization of atmosphere during firing>
Next, Samples A-1 to A-4 were prepared under the same conditions as Sample A, except that the atmosphere shown in Table 4 was used with the same composition as Sample A, and these samples were used as positive electrode materials. The initial discharge capacity was measured under the same conditions as in Test 1. The firing temperature was 900 ° C. Table 4 summarizes the initial discharge capacity.
Note that “with flow” at the time of firing means that the value of the gas flow rate is 100 mL / min.

表4に示したように、焼成雰囲気を20%酸素―80%窒素(フローあり)で作製した試料(A−1)は、フローなしの試料(A−2)と比較して、初期放電容量が向上することが分かった。また、焼成雰囲気を5%酸素―95%窒素(フローなし)で作製した試料(A−3)と、40%酸素―60%窒素(フローなし)で作製した試料(A−4)は、20%酸素―80%窒素(フローなし)で作製した試料(A−2)と比較して、初期放電容量が低下した。したがって、焼成時の酸素濃度は、5%を超え、40未満の範囲内が好ましいことわかる。
これらの結果から、高い初期放電容量を得るためには、焼成時の雰囲気中の酸素量が重要な因子であることがわかる。
As shown in Table 4, the sample (A-1) produced with 20% oxygen-80% nitrogen (with flow) in the firing atmosphere has an initial discharge capacity as compared with the sample without flow (A-2). Was found to improve. In addition, a sample (A-3) produced with 5% oxygen-95% nitrogen (no flow) in a firing atmosphere and a sample (A-4) produced with 40% oxygen-60% nitrogen (no flow) were 20 Compared to the sample (A-2) prepared with% oxygen-80% nitrogen (no flow), the initial discharge capacity was lowered. Therefore, it can be seen that the oxygen concentration at the time of firing is preferably in the range of more than 5% and less than 40.
From these results, it can be seen that the amount of oxygen in the atmosphere during firing is an important factor for obtaining a high initial discharge capacity.

<試験5:全電池による試験>
上記Jを活物質とし、正極組成は、活物質90質量%、AB5質量%、CMC2.5質量%、アクリル樹脂2.5質量%を混合してスラリー状の合剤を調製し、厚さ20μmのアルミニウム箔上に塗布・乾燥後、ロールプレス機により、アルミニウム箔と塗膜とを密着接合させ、次いで、加熱処理(減圧中、160℃、10時間以上)した。
対極として、SnSを負極活物質前躯体として用い、負極活物質前躯体80質量%、KB2質量%、PIバインダー18質量%を混合してスラリー状の合剤を調製し、厚さ40μmのアルミニウム箔上に塗布・乾燥後、ロールプレス機により、アルミニウム箔と塗膜とを密着接合させ、次いで、加熱処理(減圧中、230℃、1時間以上)した。続いて、負極活物質層上に10μmの金属ナトリウム箔を圧着した後、50℃の電解液(1mol/LのNaPF/EC:DEC(50:50vol%))中で2時間熱処理し、不可逆容量分のナトリウムをドープした。
上記正極、負極および電解液として1mol/L NaPF(EC:DEC=1:1 vol.%)を用いて、ナトリウムイオン全電池(公称容量2mAh)のコインセルを作製し、30℃環境下でカットオフ電位1−4.4Vで充放電を行ったところ、電池として機能することを確認した。
<Test 5: Test with all batteries>
Using the above J as an active material, the positive electrode composition was prepared by mixing 90% by mass of active material, 5% by mass of AB, 2.5% by mass of CMC, and 2.5% by mass of acrylic resin to prepare a slurry mixture having a thickness of 20 μm. After coating and drying on the aluminum foil, the aluminum foil and the coating film were closely bonded with a roll press machine, and then heat-treated (under reduced pressure at 160 ° C. for 10 hours or more).
As a counter electrode, SnS was used as a negative electrode active material precursor, and a slurry mixture was prepared by mixing 80% by mass of the negative electrode active material precursor, 2% by mass of KB, and 18% by mass of a PI binder, and an aluminum foil having a thickness of 40 μm After coating and drying, the aluminum foil and the coating film were closely bonded with a roll press machine, and then heat-treated (under reduced pressure at 230 ° C. for 1 hour or more). Subsequently, after a metal sodium foil of 10 μm was pressure-bonded on the negative electrode active material layer, it was heat-treated for 2 hours in an electrolytic solution (1 mol / L NaPF 6 / EC: DEC (50:50 vol%)) at 50 ° C. A volume of sodium was doped.
Using the above positive electrode, negative electrode and 1 mol / L NaPF 6 (EC: DEC = 1: 1 vol.%) As the electrolyte, a coin cell of a sodium ion total battery (nominal capacity 2 mAh) was prepared and cut in a 30 ° C. environment. When charging / discharging was performed at an off potential of 1-4.4 V, it was confirmed that the battery functions as a battery.

本発明は、移動体通信機器、携帯用電子機器、電動自転車、電動二輪車、電気自動車等の主電源に好適に利用されるものである。   The present invention is suitably used as a main power source for mobile communication devices, portable electronic devices, electric bicycles, electric motorcycles, electric vehicles and the like.

Claims (4)

ナトリウム金属或いはナトリウム化合物の少なくとも1種、マンガン金属或いはマンガン化合物の少なくとも1種、コバルト金属或いはコバルト化合物の少なくとも1種、ニッケル金属或いはニッケル化合物の少なくとも1種を、Na(MnCo1−y−zNi)O(ただし式中、0.5<x≦1.0、0.6≦y≦0.80、0.05≦z≦0.20、0.05≦1−y−z≦0.25)で表される化学組成となるように混合し、この混合物を500〜1000℃で焼成することによって合成し、
焼成時の雰囲気において酸素濃度が10〜30体積%であるガスがフローしていることを特徴とするナトリウム二次電池正極材料の製造方法。
At least one sodium metal or sodium compound, at least one manganese metal or manganese compound, at least one of cobalt metal or cobalt compound, at least one nickel metal or a nickel compound, Na x (Mn y Co 1 -y -z Ni z) O 2 (although Shikichu, 0.5 <x ≦ 1.0,0.6 0 ≦ y ≦ 0.80,0.05 ≦ z ≦ 0.20,0.05 ≦ 1-y -Z ≦ 0.25) is mixed so that the chemical composition is represented, and the mixture is synthesized by firing at 500 to 1000 ° C. ,
Method for producing a sodium secondary battery positive electrode material gas oxygen concentration in the atmosphere during firing is 10 to 30% by volume, it characterized that you have to flow.
前記yが0.65≦y≦0.80、前記zが0.10≦z≦0.20、前記1−y−zが0.10≦1−y−z≦0.25の範囲であることを特徴とする請求項1記載のナトリウム二次電池正極材料の製造方法。 The y is in the range of 0.65 ≦ y ≦ 0.80, the z is in the range of 0.10 ≦ z ≦ 0.20, and the 1-yz is in the range of 0.10 ≦ 1−yz ≦ 0.25. The manufacturing method of the sodium secondary battery positive electrode material of Claim 1 characterized by the above-mentioned. 前記焼成温度が700〜900℃であることを特徴とする請求項1又は2記載のナトリウム二次電池用正極材料の製造方法。 The said baking temperature is 700-900 degreeC, The manufacturing method of the positive electrode material for sodium secondary batteries of Claim 1 or 2 characterized by the above-mentioned. 前記焼成温度が800〜900℃であることを特徴とする請求項3記載のナトリウム二次電池用正極材料の製造方法。 The said baking temperature is 800-900 degreeC, The manufacturing method of the positive electrode material for sodium secondary batteries of Claim 3 characterized by the above-mentioned.
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