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JP7510143B2 - Nonaqueous electrolyte secondary battery and positive electrode active material for the same - Google Patents

Nonaqueous electrolyte secondary battery and positive electrode active material for the same Download PDF

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JP7510143B2 JP2019155969A JP2019155969A JP7510143B2 JP 7510143 B2 JP7510143 B2 JP 7510143B2 JP 2019155969 A JP2019155969 A JP 2019155969A JP 2019155969 A JP2019155969 A JP 2019155969A JP 7510143 B2 JP7510143 B2 JP 7510143B2
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Description

本発明は、非水電解質二次電池および非水電解質二次電池用の正極活物質に関する。 The present invention relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery and a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery.

マグネシウムは、リチウムと比較して、高い理論容量密度を持ち、資源量が豊富で、安全性が高いなどの利点を有する。このため、マグネシウムを利用した非水電解質二次電池の実用化が期待されている。しかしながら、二価のマグネシウムイオンは、一価のリチウムイオンと比較して、相互作用が強く、固相内で拡散しにくい。このため、マグネシウム非水電解質二次電池は、電極反応が遅く、実用的な放電容量が得られにくい。 Compared to lithium, magnesium has the advantages of having a high theoretical capacity density, being an abundant resource, and being very safe. For this reason, there are high hopes for the practical application of non-aqueous electrolyte secondary batteries that use magnesium. However, divalent magnesium ions have stronger interactions and are less likely to diffuse within the solid phase than monovalent lithium ions. For this reason, magnesium non-aqueous electrolyte secondary batteries have slow electrode reactions and are difficult to obtain a practical discharge capacity.

マグネシウム非水電解質二次電池の放電容量を向上させるために、正極活物質として、マグネシウムを挿入することによってスピネル型結晶構造から岩塩型結晶構造に変化し、マグネシウムを脱離することによって岩塩型結晶構造からスピネル型結晶構造に変化する遷移金属複合酸化物を用いることが検討されている(非特許文献1、2)。結晶構造が岩塩型とスピネル型の2相に変化可能な遷移金属複合酸化物として、非特許文献1には、MgMnおよびMgCoなどが記載されている。また、非特許文献2には、ZnCoおよびZnFeが記載されている。 In order to improve the discharge capacity of magnesium non-aqueous electrolyte secondary batteries, the use of transition metal composite oxides that change from a spinel-type crystal structure to a rock salt-type crystal structure by inserting magnesium and from a rock salt-type crystal structure to a spinel-type crystal structure by desorbing magnesium as a positive electrode active material has been considered (Non-Patent Documents 1 and 2). Non-Patent Document 1 describes MgMn 2 O 4 and MgCo 2 O 4 as transition metal composite oxides whose crystal structures can be changed into two phases, rock salt type and spinel type. Non-Patent Document 2 describes ZnCo 2 O 4 and ZnFe 2 O 4 .

Adv.Sci.2015,2,1500072Adv. Sci. 2015,2,1500072 J.Mater.Chem.A,2019,7,12225-12235J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 12225-12235

正極活物質として、非特許文献1、2に記載されている遷移金属複合酸化物を用いたマグネシウム非水電解質二次電池は、充放電に伴って遷移金属複合酸化物の結晶構造が大きく変化するため、遷移金属複合酸化物の結晶構造が部分的に壊れやすくなる。よって、充放電サイクルによる正極活物質の容量低下が大きく、充放電サイクル特性が低いという問題があった。 In magnesium non-aqueous electrolyte secondary batteries that use the transition metal composite oxides described in Non-Patent Documents 1 and 2 as the positive electrode active material, the crystal structure of the transition metal composite oxide changes significantly with charging and discharging, making the crystal structure of the transition metal composite oxide prone to partial destruction. As a result, there is a problem in that the capacity of the positive electrode active material decreases significantly with charging and discharging cycles, and the charging and discharging cycle characteristics are poor.

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、高容量で、かつ充放電サイクル特性に優れた非水電解質二次電池およびその非水電解質二次電池用として有利に用いることができる正極活物質を提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of the above problems, and aims to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery with high capacity and excellent charge-discharge cycle characteristics, and a positive electrode active material that can be advantageously used for the non-aqueous electrolyte secondary battery.

本発明者らは、カチオンサイトが欠陥した欠陥スピネル型酸化物は、マグネシウムなどのカチオンを挿入したときの結晶構造の変化が起こりにくく、スピネル型結晶構造単相での容量が高いことを見出した。そして、正極活物質として、充電状態において、カチオンサイトが欠陥した欠陥スピネル型酸化物を用いた非水電解質二次電池は、高容量で、かつ充放電サイクル特性に優れることを確認して、本発明を完成させた。
すなわち、本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
The present inventors have found that a defect spinel-type oxide in which the cation site is defective is unlikely to undergo a change in crystal structure when a cation such as magnesium is inserted, and has a high capacity in a single phase of a spinel-type crystal structure. They have also confirmed that a nonaqueous electrolyte secondary battery using a defect spinel-type oxide in which the cation site is defective in a charged state as a positive electrode active material has a high capacity and excellent charge-discharge cycle characteristics, thereby completing the present invention.
That is, in order to solve the above problems, the present invention provides the following means.

(1)第1の態様に係る非水電解質二次電池は、正極活物質を含む正極活物質層を有する正極と、負極活物質を含む負極活物質層を有する負極と、非水電解質とを備え、前記正極活物質は、充電状態においてカチオンサイトが欠陥した欠陥スピネル型酸化物を含み、前記負極活物質は、充電状態においてマグネシウムまたはナトリウムを含む。 (1) The nonaqueous electrolyte secondary battery according to the first aspect comprises a positive electrode having a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material, a negative electrode having a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material, and a nonaqueous electrolyte, the positive electrode active material containing a defective spinel-type oxide in which the cation sites are defective in a charged state, and the negative electrode active material containing magnesium or sodium in a charged state.

(2)上記態様に係る非水電解質二次電池において、前記欠陥スピネル型酸化物は、互いに異なる第1カチオンと第2カチオンとを含有する構成とされていてもよい。 (2) In the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the above aspect, the defect spinel oxide may be configured to contain a first cation and a second cation that are different from each other.

(3)上記態様に係る非水電解質二次電池において、前記第1カチオンは、周期表の2族または12族の金属のイオンであり、前記第2カチオンは遷移金属のイオンである構成とされていてもよい。 (3) In the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the above aspect, the first cation may be an ion of a metal in Group 2 or Group 12 of the periodic table, and the second cation may be an ion of a transition metal.

(4)上記態様に係る非水電解質二次電池において、前記欠陥スピネル型酸化物は、前記第1カチオン1モルに対して、前記第2カチオンを0.5モル以上1.5モル以下の範囲内の量にて含有する構成とされていてもよい。 (4) In the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the above aspect, the defect spinel oxide may be configured to contain the second cation in an amount ranging from 0.5 mol to 1.5 mol per 1 mol of the first cation.

(5)上記態様に係る非水電解質二次電池において、前記欠陥スピネル型酸化物が、下記の一般式(1)で表される化合物である構成とされていてもよい。
・・・(1)
(上記の一般式(1)において、Aは、周期表の2族または12族の金属のイオンを表し、Bは、遷移金属のイオンを表し、xとyとzは、0.5≦y/x≦1.5、2≦x+y<z、3≦z≦4を満足する数を表す。)
(5) In the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the above aspect, the defect spinel-type oxide may be a compound represented by the following general formula (1):
A x B y O z ... (1)
(In the above general formula (1), A represents an ion of a metal of Group 2 or 12 of the periodic table, B represents an ion of a transition metal, and x, y, and z represent numbers satisfying 0.5≦y/x≦1.5, 2≦x+y<z, and 3≦z≦4.)

(6)第2の態様に係る非水電解質二次電池用の正極活物質は、負極活物質が充電状態においてマグネシウムまたはナトリウムを含む非水電解質二次電池用であって、カチオンサイトが欠陥した欠陥スピネル型酸化物を含む。 (6) The positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to the second aspect is for a non-aqueous electrolyte secondary battery in which the negative electrode active material contains magnesium or sodium in a charged state, and contains a defective spinel-type oxide in which the cation sites are defective.

本発明によれば、高容量で、かつ充放電サイクル特性に優れた非水電解質二次電池およびその非水電解質二次電池用として有利に用いることができる正極活物質を提供することが可能となる。 The present invention makes it possible to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery with high capacity and excellent charge/discharge cycle characteristics, and a positive electrode active material that can be advantageously used for the non-aqueous electrolyte secondary battery.

本発明の一実施形態に係る非水電解質二次電池の概略断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of a nonaqueous electrolyte secondary battery according to one embodiment of the present invention. 実施例1で得られたZnMnO粉末のX線回折パターンである。FIG. 2 is an X-ray diffraction pattern of ZnMnO3 powder obtained in Example 1. 実施例1で作製した電気化学セルの断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of the electrochemical cell prepared in Example 1. 実施例1で測定したサイクリックボルタモグラムの結果である。1 shows the results of cyclic voltammograms measured in Example 1. 実施例1で測定したGITT(定電流間欠滴定法)による放電カーブの結果である。1 shows the results of a discharge curve measured in Example 1 by GITT (constant current intermittent titration method). 実施例1で測定したマグネシウムイオンの挿入によるZnMnOの構造変化を示すX線回折パターンである。1 is an X-ray diffraction pattern showing a structural change of ZnMnO3 due to insertion of magnesium ions measured in Example 1. 実施例1で測定した充放電サイクル特性の充放電カーブの結果である。1 shows the charge/discharge curve results of the charge/discharge cycle characteristics measured in Example 1. 実施例1で測定した充放電サイクル特性の放電容量とクーロン効率の結果である。1 shows the results of the discharge capacity and coulombic efficiency of the charge-discharge cycle characteristics measured in Example 1.

以下、本実施形態について、図面を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。 The present embodiment will be described in detail below with reference to the drawings as appropriate. The drawings used in the following description may show enlarged characteristic parts for the sake of convenience in order to make the features of the present invention easier to understand, and the dimensional ratios of each component may differ from the actual ones. The materials, dimensions, etc. exemplified in the following description are merely examples, and the present invention is not limited to them, and may be modified as appropriate within the scope of the present invention.

図1は、本発明の一実施形態に係る非水電解質二次電池の概略断面図である。
図1に示すように、非水電解質二次電池1は、電池本体2と、この電池本体2を中温域(50~300℃)の動作温度に保持するための保温部3とを備えている。非水電解質二次電池1は、各種機器(図中、21)に接続されて用いることができる。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a nonaqueous electrolyte secondary battery according to one embodiment of the present invention.
1, the nonaqueous electrolyte secondary battery 1 includes a battery body 2 and a heat retaining section 3 for maintaining the battery body 2 at an operating temperature in the medium temperature range (50 to 300° C.). The nonaqueous electrolyte secondary battery 1 can be used by being connected to various devices (21 in the figure).

電池本体2は、図示しない密閉可能な電池容器内に、正極11と、負極12と、正極11および負極12の間に介在する非水電解質13と、正極11および負極12が互いに接触しないように離隔するためのセパレータ14とを備えている。正極11および負極12は、正極11における正極活物質層11bの表面と負極12における負極活物質層12bの表面とがセパレータ14を介して対向するように配置されている。これにより、正極11および負極12は、互いに直接接触しないように配置されている。 The battery body 2 includes, in a sealable battery container (not shown), a positive electrode 11, a negative electrode 12, a non-aqueous electrolyte 13 interposed between the positive electrode 11 and the negative electrode 12, and a separator 14 for isolating the positive electrode 11 and the negative electrode 12 so that they do not come into contact with each other. The positive electrode 11 and the negative electrode 12 are arranged so that the surface of the positive electrode active material layer 11b of the positive electrode 11 and the surface of the negative electrode active material layer 12b of the negative electrode 12 face each other via the separator 14. As a result, the positive electrode 11 and the negative electrode 12 are arranged so that they do not come into direct contact with each other.

(正極)
正極11は、正極集電体11aと正極活物質層11bとを有する。
正極集電体11aの材料は、導電性を有するものであれば特に制限はない。正極集電体11aの材料としては、例えば、アルミニウム、白金、炭素材料、モリブデン、タングステンを用いることができる。正極集電体11aの形状としては、例えば、板状、リボン状、箔体状、ワイヤー状などが挙げられるが、これらの形状に限定されるものではない。
(Positive electrode)
The positive electrode 11 includes a positive electrode current collector 11a and a positive electrode active material layer 11b.
The material of the positive electrode collector 11a is not particularly limited as long as it has electrical conductivity. For example, aluminum, platinum, carbon material, molybdenum, and tungsten can be used as the material of the positive electrode collector 11a. For example, the shape of the positive electrode collector 11a can be a plate, ribbon, foil, wire, etc., but is not limited to these shapes.

正極活物質層11bは、正極活物質、導電助剤および結着剤を含む。
正極活物質は、充電状態においてカチオンサイトが欠陥した欠陥スピネル型酸化物を含む。スピネル型酸化物は、一般式がABで表され、Aサイトのカチオンは4つの酸素イオンに囲まれ、四面体を形成し、Bサイトのカチオンは、8つの酸素イオンに囲まれ、八面体を形成する結晶構造を有する。欠陥スピネル型酸化物は、スピネル型結晶構造を有し、Aサイトのカチオンおよび/またはBサイトのカチオンが欠陥している。欠陥スピネル型酸化物は、さらに酸素イオンが欠陥していてもよい。なお、本実施形態において、充電状態とは、非水電解質二次電池1の充電率が100%である状態を意味する。
The positive electrode active material layer 11b contains a positive electrode active material, a conductive assistant, and a binder.
The positive electrode active material includes a defective spinel oxide in which the cation site is defective in a charged state. The spinel oxide has a crystal structure represented by the general formula AB 2 O 4 , in which the cation in the A site is surrounded by four oxygen ions to form a tetrahedron, and the cation in the B site is surrounded by eight oxygen ions to form an octahedron. The defective spinel oxide has a spinel crystal structure, in which the cation in the A site and/or the cation in the B site are defective. The defective spinel oxide may further have defective oxygen ions. In this embodiment, the charged state means a state in which the charging rate of the nonaqueous electrolyte secondary battery 1 is 100%.

欠陥スピネル型酸化物は、互いに異なる第1カチオンと第2カチオンとを含有することが好ましい。第1カチオンは、周期表の2族または12族の金属のイオンであることが好ましく、12族の金属のイオンであることがより好ましい。具体的には、第1カチオンは亜鉛イオンであることが好ましい。第2カチオンは、遷移金属のイオンであることが好ましい。遷移金属は、4価を取り得る金属であることが好ましく、4価と2価を取り得る金属であることが特に好ましい。具体的には、第2カチオンは、マンガンイオン、コバルトイオン、鉄イオン、バナジウムイオン、クロムイオン、モリブテンイオン、チタンイオンであることが好ましく、マンガンイオンあるいはコバルトイオンであることが特に好ましい。なお、第1カチオンが周期表の2族または12族の金属のイオンである場合、欠陥スピネル型酸化物は、第1カチオンがAサイトカチオンである正スピネル型酸化物であってもよいし、第1カチオンがBサイトカチオンである逆スピネル型酸化物であってもよい。 The defect spinel oxide preferably contains a first cation and a second cation that are different from each other. The first cation is preferably an ion of a metal in Group 2 or Group 12 of the periodic table, and more preferably an ion of a metal in Group 12. Specifically, the first cation is preferably a zinc ion. The second cation is preferably an ion of a transition metal. The transition metal is preferably a metal that can be tetravalent, and particularly preferably a metal that can be tetravalent and divalent. Specifically, the second cation is preferably a manganese ion, cobalt ion, iron ion, vanadium ion, chromium ion, molybdenum ion, or titanium ion, and particularly preferably a manganese ion or cobalt ion. When the first cation is an ion of a metal in Group 2 or Group 12 of the periodic table, the defect spinel oxide may be a normal spinel oxide in which the first cation is an A-site cation, or an inverse spinel oxide in which the first cation is a B-site cation.

前記欠陥スピネル型酸化物は、第1カチオン1モルに対して、第2カチオンを0.5モル以上1.5モル以下の範囲内の量にて含有することが好ましく、0.8モル以上1.3モル以下の範囲内の量にて含有することが特に好ましい。 The defect spinel oxide preferably contains 0.5 to 1.5 moles of the second cation per mole of the first cation, and more preferably contains 0.8 to 1.3 moles of the second cation.

欠陥スピネル型酸化物は、下記の一般式(1)で表される化合物であることが好ましい。
・・・(1)
The defect spinel oxide is preferably a compound represented by the following general formula (1).
A x B y O z ... (1)

上記の一般式(1)において、Aは、周期表の2族または12族の金属のイオンを表す。すなわち、Aは、上述の第1カチオンを表す。Bは、遷移金属のイオンを表す。すなわち、Bは、上述の第2カチオンを表す。xとyとzは、0.5≦y/x≦1.5、2≦x+y<z、3≦z≦4を満足する数を表す。xとyとzは、0.8≦y/x≦1.3、2≦x+y<2.5、3≦z≦4を満足する数であることが特に好ましい。 In the above general formula (1), A represents an ion of a metal of Group 2 or Group 12 of the periodic table. That is, A represents the first cation described above. B represents an ion of a transition metal. That is, B represents the second cation described above. x, y, and z represent numbers that satisfy 0.5≦y/x≦1.5, 2≦x+y<z, and 3≦z≦4. It is particularly preferable that x, y, and z are numbers that satisfy 0.8≦y/x≦1.3, 2≦x+y<2.5, and 3≦z≦4.

欠陥スピネル型酸化物は、構造式がAまたはA1.331.33であることが好ましく、Aであることが特に好ましい。Aは、Bサイトのカチオンと酸素イオンの一部が欠陥した構造の欠陥スピネル型酸化物である。A1.331.33は、Bサイトのカチオンの一部が欠損し、Bサイトのカチオンの一部がAサイトのカチオンに置換した構造の欠陥スピネル型酸化物である。欠陥スピネル型酸化物の具体例としては、ZnMnO、ZnCoO、MgMnO、MnMoO、CoMoO、ZnMoO、ZnTiO、CoTiO、AlVO、γ-Cr、γ-Fe、γ-Mnを挙げることができる。これらの欠陥スピネル型酸化物の中では、ZnMnOおよびZnCoOが好ましい。ZnMnOおよびZnCoOのZnは、四面体配位をとりやすい。このため、ZnMnOおよびZnCoOはスピネル型結晶構造を維持しやすく、また岩塩型結晶構造に変化した場合でもスピネル型結晶構造に戻りやすい。 The defect spinel oxide preferably has the structural formula A1B1O3 or A1.33B1.33O4 , and particularly preferably A1B1O3 . A1B1O3 is a defect spinel oxide having a structure in which some of the cations and oxygen ions at the B site are defective. A1.33B1.33O4 is a defect spinel oxide having a structure in which some of the cations at the B site are missing and some of the cations at the B site are replaced by cations at the A site. Specific examples of defective spinel oxides include ZnMnO 3 , ZnCoO 3 , MgMnO 3 , MnMoO 3 , CoMoO 3 , ZnMoO 3 , ZnTiO 3 , CoTiO 3 , AlVO 3 , γ - Cr 2 O 3 , γ-Fe 2 O 3 , and γ-Mn 2 O 3. Among these defective spinel oxides, ZnMnO 3 and ZnCoO 3 are preferred. Zn in ZnMnO 3 and ZnCoO 3 is likely to take a tetrahedral coordination. For this reason, ZnMnO 3 and ZnCoO 3 are likely to maintain the spinel crystal structure, and even if they change to a rock salt crystal structure, they are likely to return to the spinel crystal structure.

欠陥スピネル型酸化物は、微粒子の粉末であることが好ましい。欠陥スピネル型酸化物の一次粒子は、平均粒子径が2nm以上200nm以下の範囲内にあることが好ましい。一次粒子の平均粒子径がこの範囲内にあることによって、欠陥スピネル型酸化物の反応速度が速くなり、非水電解質二次電池の容量と充放電サイクル特性が向上する。 The defect spinel oxide is preferably a fine particle powder. The primary particles of the defect spinel oxide preferably have an average particle size in the range of 2 nm to 200 nm. By having the average particle size of the primary particles in this range, the reaction rate of the defect spinel oxide is increased, improving the capacity and charge/discharge cycle characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary battery.

微細な欠陥スピネル型酸化物の粉末は、例えば、逆共沈法により逆共沈物を得る逆共沈工程と、得られた逆共沈物を焼成して欠陥スピネル型酸化物を得る焼成工程とを含む方法によって製造することができる。 The powder of fine defective spinel oxide can be produced, for example, by a method including a reverse coprecipitation step of obtaining a reverse coprecipitate by a reverse coprecipitation method, and a calcination step of calcining the obtained reverse coprecipitate to obtain a defective spinel oxide.

逆共沈工程では、まず、欠陥スピネル型酸化物を構成する金属イオンを含む金属化合物を水に溶解して、原料水溶液を調製する。原料水溶液は、金属成分がイオンの状態であればよく、アニオン成分は特に制限はない。原料水溶液としては、硝酸塩水溶液、塩酸塩水溶液、硫酸塩水溶液を用いることができる。次いで、得られた原料水溶液を、アルカリ性緩衝液に滴下して、金属イオンを逆共沈物として析出させる。アルカリ性緩衝液のpH は、沈殿析出をさせる観点からpHが好ましくは10以上、より好ましくは11以上であり、十分な収率を確保する観点から、好ましくは13以下、より好ましくは12以下である。アルカリ性緩衝液としては、例えば、炭酸ナトリウム緩衝液、酢酸緩衝液、リン酸緩衝液、クエン酸緩衝液、ホウ酸緩衝液、酒石酸緩衝液を用いることができる。析出した逆共沈物は、ろ過やデカンテーションによって回収し、水洗した後、乾燥することが好ましい。 In the reverse coprecipitation process, first, a metal compound containing metal ions constituting the defective spinel oxide is dissolved in water to prepare a raw material aqueous solution. The raw material aqueous solution may be any solution as long as the metal components are in an ionic state, and there are no particular limitations on the anion components. As the raw material aqueous solution, a nitrate aqueous solution, a hydrochloride aqueous solution, or a sulfate aqueous solution can be used. Next, the obtained raw material aqueous solution is dropped into an alkaline buffer solution to precipitate the metal ions as a reverse coprecipitation product. The pH of the alkaline buffer solution is preferably 10 or more, more preferably 11 or more, from the viewpoint of precipitation, and is preferably 13 or less, more preferably 12 or less, from the viewpoint of ensuring a sufficient yield. As the alkaline buffer solution, for example, a sodium carbonate buffer solution, an acetate buffer solution, a phosphate buffer solution, a citrate buffer solution, a borate buffer solution, or a tartaric acid buffer solution can be used. The precipitated reverse coprecipitation product is preferably recovered by filtration or decantation, washed with water, and then dried.

焼成工程では、逆共沈物を焼成して欠陥スピネル型酸化物を得る。焼成は、大気雰囲気下で行う。焼成温度や焼成時間は、欠陥スピネル型酸化物が生成する温度と時間であれば特に制限はない。焼成温度は、一般に350℃以上650℃以下の範囲内である。焼成時間は、一般に2時間以上24時間以下の範囲内である。 In the calcination step, the reverse coprecipitate is calcined to obtain a defective spinel oxide. Calcination is carried out in an air atmosphere. There are no particular limitations on the calcination temperature or time, so long as the temperature and time are such that a defective spinel oxide is produced. The calcination temperature is generally within the range of 350°C to 650°C. The calcination time is generally within the range of 2 hours to 24 hours.

正極活物質層11bに含まれる導電助剤としては、例えば、炭素粉体、金属微粉体などの非水溶媒二次電池の正極活物質層の導電助剤として用いられる公知の導電材を用いることができる。炭素粉体としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラックなどのカーボンブラックを用いることかできる。 The conductive assistant contained in the positive electrode active material layer 11b may be, for example, a known conductive material used as a conductive assistant in the positive electrode active material layer of a non-aqueous solvent secondary battery, such as carbon powder or metal fine powder. Carbon black such as acetylene black or ketjen black may be used as the carbon powder.

正極活物質層11bに含まれる結着剤としては、中温域(50~300℃)の温度で用いることができるものであればよい。結着剤の材料としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などの熱可塑性フッ素樹脂、ガラス、ポリイミドなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。 The binder contained in the positive electrode active material layer 11b may be any that can be used at temperatures in the medium temperature range (50 to 300°C). Examples of binder materials include, but are not limited to, thermoplastic fluororesins such as polyvinylidene fluoride (PVDF), glass, and polyimide.

正極活物質層11bの正極活物質、導電材および結着剤の含有量は特に制限はないが、正極活物質の含有量は80質量%以上98質量%以下の範囲内にあることが好ましい。導電材の含有量は1質量%以上19質量%以下の範囲内にあることが好ましく、結着剤の含有量は1質量%以上19質量%以下の範囲内にあることが好ましい。 The contents of the positive electrode active material, conductive material, and binder in the positive electrode active material layer 11b are not particularly limited, but the content of the positive electrode active material is preferably in the range of 80% by mass to 98% by mass. The content of the conductive material is preferably in the range of 1% by mass to 19% by mass, and the content of the binder is preferably in the range of 1% by mass to 19% by mass.

(負極)
負極12は、負極集電体12aと負極活物質層12bとを有する。
負極集電体12aの材料は、導電性を有するものであれば特に制限はなく、正極集電体11aの材料として例示した各種材料を用いることができる。負極集電体12aの形状としては、正極集電体11aの場合と同様に、板状、リボン状、箔体状、ワイヤー状などが挙げられるが、これらの形状に限定されるものではない。
(Negative electrode)
The negative electrode 12 includes a negative electrode current collector 12a and a negative electrode active material layer 12b.
The material of the negative electrode current collector 12a is not particularly limited as long as it has electrical conductivity, and various materials exemplified as the material of the positive electrode current collector 11a can be used. As in the case of the positive electrode current collector 11a, the shape of the negative electrode current collector 12a can be a plate shape, a ribbon shape, a foil shape, a wire shape, etc., but is not limited to these shapes.

負極活物質層12bは、負極活物質としてマグネシウムを含む。負極活物質層12bとしては、マグネシウム板、マグネシウム合金板を用いることができる。マグネシウム合金の例としては、マグネシウムとアルミニウムとの合金、マグネシウムとマンガンとの合金、マグネシウムと亜鉛との合金が挙げられる。 The negative electrode active material layer 12b contains magnesium as the negative electrode active material. A magnesium plate or a magnesium alloy plate can be used as the negative electrode active material layer 12b. Examples of magnesium alloys include an alloy of magnesium and aluminum, an alloy of magnesium and manganese, and an alloy of magnesium and zinc.

(非水電解質)
非水電解質13としては、マグネシウム塩とイオン液体とを含む混合物、あるいはマグネシウム塩と有機溶媒とを含む混合物を用いることができる。
マグネシウム塩の例としては、マグネシウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)アミド[Mg(TFSA)]、マグネシウムビス(フルオロスルホニル)アミド[Mg(FSA)]を挙げることができる。マグネシウム塩は1種を単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
(Non-aqueous electrolyte)
As the non-aqueous electrolyte 13, a mixture containing a magnesium salt and an ionic liquid, or a mixture containing a magnesium salt and an organic solvent can be used.
Examples of magnesium salts include magnesium bis(trifluoromethylsulfonyl)amide [Mg(TFSA) 2 ] and magnesium bis(fluorosulfonyl)amide [Mg(FSA) 2 ]. The magnesium salts may be used alone or in combination of two or more.

イオン液体の例としては、セシウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)アミド[CsTFSA]、N,N-ジエチル-N-メチル-N-(2-メトキシエチル)アンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド[DEMETFSA]、N-メチル-N-プロピルピロリジニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド[PP13TFSA]、N-メチル-N-プロピルピペリジニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド[P13TFSA]を挙げることができる。イオン液体は1種を単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。 Examples of ionic liquids include cesium bis(trifluoromethylsulfonyl)amide [CsTFSA], N,N-diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium bis(trifluoromethanesulfonyl)amide [DEMETFSA], N-methyl-N-propylpyrrolidinium bis(trifluoromethanesulfonyl)amide [PP13TFSA], and N-methyl-N-propylpiperidinium bis(trifluoromethanesulfonyl)amide [P13TFSA]. One type of ionic liquid may be used alone, or two or more types may be used in combination.

有機溶媒としては、グリコールエーテル類を用いることができる。グリコールエーテル類は両側末端の水酸基が同一の置換基で置換された対称グリコールエーテルであることが好ましい。置換基は、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基などの炭素数1~4のアルキル基であることが好ましい。グリコールエーテル類の例としては、モノグライム[エチレングリコールジメチルエーテル]、エチルモノグライム[エチレングリコールジエチルエーテル]、ブチルモノグライム[エチレングリコールジブチルエーテル]、メチルジグライム[ジエチレングリコールジメチルエーテル]、エチルジグライム[ジエチレングリコールジエチルエーテル]、ブチルジグライム[ジエチレングリコールジブチルエーテル]、メチルトリグライム[トリエチレングリコールジメチルエーテル]、エチルトリグライム[トリエチレングリコールジエチルエーテル]、ブチルトリグライム[トリエチレングリコールジエチルエーテル]、メチルテトラグライム[テトラエチレングリコールジメチルエーテル]、エチルテトラグライム[テトラエチレングリコールジエチルエーテル]、ブチルテトラグライム[テトラエチレングリコールジブチルエーテル]などのグライム化合物を挙げることができる。グライム化合物は1種を単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。 As the organic solvent, glycol ethers can be used. The glycol ethers are preferably symmetric glycol ethers in which the hydroxyl groups at both ends are substituted with the same substituent. The substituent is preferably an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, such as a methyl group, an ethyl group, a propyl group, or a butyl group. Examples of glycol ethers include glyme compounds such as monoglyme [ethylene glycol dimethyl ether], ethyl monoglyme [ethylene glycol diethyl ether], butyl monoglyme [ethylene glycol dibutyl ether], methyl diglyme [diethylene glycol dimethyl ether], ethyl diglyme [diethylene glycol diethyl ether], butyl diglyme [diethylene glycol dibutyl ether], methyl triglyme [triethylene glycol dimethyl ether], ethyl triglyme [triethylene glycol diethyl ether], butyl triglyme [triethylene glycol diethyl ether], methyl tetraglyme [tetraethylene glycol dimethyl ether], ethyl tetraglyme [tetraethylene glycol diethyl ether], and butyl tetraglyme [tetraethylene glycol dibutyl ether]. One type of glyme compound may be used alone, or two or more types may be used in combination.

(セパレータ)
セパレータ14としては、例えば、多孔質フィルム、多孔質ガラス、ガラスメッシュなどの多孔質体などが挙げられる。また、正極11および負極12が互いに直接接触しないように構成されている場合は、セパレータ14を設けなくてもよい。
(Separator)
Examples of the separator 14 include porous bodies such as porous films, porous glass, and glass mesh. In addition, when the positive electrode 11 and the negative electrode 12 are configured not to be in direct contact with each other, the separator 14 does not need to be provided.

(保温部)
保温部3は、電池本体2の側部を覆うように設けられている。電池本体2を加熱するためのヒータ3aと電池本体2の温度を前記動作温度に維持するための断熱部材3bとを備えている。ヒータ3aは、断熱部材3bの内部に設けられている。これにより、ヒータ3aの熱エネルギーの損失を抑制することができ、電池本体2の温度を低いエネルギー消費量で所定の動作温度に保持することができる。非水電解質二次電池1は、前記中温域の動作温度で良好に用いることができる。前記動作温度は、通常、好ましくは50℃以上、より好ましくは80℃以上であり、好ましくは200℃以下である。ただし、本実施形態の非水電解質二次電池1は室温で作動させてもよい。この場合は、保温部3は設けられていなくてもよい。
(Insulation section)
The heat retaining part 3 is provided so as to cover the side of the battery body 2. The battery body 2 is provided with a heater 3a for heating the battery body 2 and a heat insulating member 3b for maintaining the temperature of the battery body 2 at the operating temperature. The heater 3a is provided inside the heat insulating member 3b. This makes it possible to suppress the loss of thermal energy of the heater 3a, and to maintain the temperature of the battery body 2 at a predetermined operating temperature with low energy consumption. The nonaqueous electrolyte secondary battery 1 can be used well at operating temperatures in the medium temperature range. The operating temperature is usually preferably 50° C. or higher, more preferably 80° C. or higher, and preferably 200° C. or lower. However, the nonaqueous electrolyte secondary battery 1 of this embodiment may be operated at room temperature. In this case, the heat retaining part 3 may not be provided.

電池本体2の形状としては特に制限はなく、コイン型、ボタン型、シート型、円筒型、角筒型などの非水電解質二次電池の形状として採用されている公知の形状とすることができる。 There are no particular limitations on the shape of the battery body 2, and it can be any known shape used for non-aqueous electrolyte secondary batteries, such as coin type, button type, sheet type, cylindrical type, or square tube type.

本実施形態の非水電解質二次電池1において、正極活物質層11bの正極活物質は、充電状態においてカチオンサイトが欠陥した欠陥スピネル型酸化物を含み、負極活物質層12bの負極活物質は、充電状態においてマグネシウムを含む。放電により、負極活物質であるマグネシウムのイオンが正極活物質である欠陥スピネル型酸化物に挿入されると、欠陥スピネル型酸化物の欠陥にマグネシウムイオンが配位して、欠陥が消失する。このため、比較的多量のマグネシウムイオンを正極活物質に挿入しても結晶構造がスピネル型結晶構造の状態で維持される。さらに、放電が進んで、多量のマグネシウムイオンが正極活物質に挿入されると、正極活物質の結晶構造がスピネル型結晶構造から岩塩型結晶構造に変化する。正極活物質の結晶構造が完全に岩塩型結晶構造に変化すると、充放電毎の正極活物質の結晶構造の変化が大きくなりすぎて、正極活物質の結晶構造が部分的に壊れやすくなる。このため、本実施形態の非水電解質二次電池1では、正極活物質の結晶構造が岩塩型結晶構造に完全に変化する前に放電を止めることが好ましい。例えば、正極活物質の一般式がAである場合は、放電終了時の正極活物質は下記の一般式(2)で表されるように放電することが好ましい。
Mg・・・(2)
In the non-aqueous electrolyte secondary battery 1 of this embodiment, the positive electrode active material of the positive electrode active material layer 11b contains a defective spinel-type oxide in which the cation site is defective in a charged state, and the negative electrode active material of the negative electrode active material layer 12b contains magnesium in a charged state. When magnesium ions, which are the negative electrode active material, are inserted into the defective spinel-type oxide, which is the positive electrode active material, by discharging, the magnesium ions are coordinated to the defects of the defective spinel-type oxide, and the defects disappear. Therefore, even if a relatively large amount of magnesium ions are inserted into the positive electrode active material, the crystal structure is maintained in a spinel-type crystal structure state. Furthermore, when a large amount of magnesium ions is inserted into the positive electrode active material as the discharge progresses, the crystal structure of the positive electrode active material changes from a spinel-type crystal structure to a rock salt-type crystal structure. When the crystal structure of the positive electrode active material completely changes to a rock salt-type crystal structure, the change in the crystal structure of the positive electrode active material for each charge and discharge becomes too large, and the crystal structure of the positive electrode active material becomes easily broken in parts. For this reason, in the nonaqueous electrolyte secondary battery 1 of this embodiment, it is preferable to stop discharging before the crystal structure of the positive electrode active material completely changes to a rock salt type crystal structure. For example, when the general formula of the positive electrode active material is A1B1O3 , it is preferable to discharge the positive electrode active material at the end of discharge so that it is represented by the following general formula (2).
MgwA1B1O3 ... ( 2 )

上記の一般式(2)において、wは、0.5<w<0.9を満足する数であることが好ましく、0.5<w<0.8を満足する数であることが特に好ましい。wを上記の数とすることによって、正極活物質の結晶構造が岩塩型結晶構造に完全に変化することを抑制することができる。 In the above general formula (2), w is preferably a number that satisfies 0.5<w<0.9, and particularly preferably a number that satisfies 0.5<w<0.8. By setting w to the above number, it is possible to prevent the crystal structure of the positive electrode active material from completely changing to a rock salt type crystal structure.

本実施形態の非水電解質二次電池1では、正極活物質が欠陥を有するスピネル型結晶構造とされているので、比較的多量のマグネシウムイオンを正極活物質に挿入しても結晶構造がスピネル型結晶構造の状態で維持される。よって、正極活物質は、スピネル型結晶構造単相での容量が高くなり、高容量でありながらも結晶構造が変化しにくい。また、本実施形態の非水電解質二次電池1は、正極活物質に挿入されるマグネシウムイオンにより、正極活物質が岩塩型結晶構造に完全に変化することが抑制されるので、充放電サイクル特性が向上する。 In the nonaqueous electrolyte secondary battery 1 of this embodiment, the positive electrode active material has a spinel crystal structure having defects, so even if a relatively large amount of magnesium ions are inserted into the positive electrode active material, the crystal structure remains in a spinel crystal structure state. Therefore, the positive electrode active material has a high capacity in a single phase of a spinel crystal structure, and the crystal structure is unlikely to change despite the high capacity. In addition, in the nonaqueous electrolyte secondary battery 1 of this embodiment, the magnesium ions inserted into the positive electrode active material prevent the positive electrode active material from completely changing to a rock salt crystal structure, improving the charge/discharge cycle characteristics.

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
例えば、上述の実施形態では、非水電解質二次電池を負極活物質がマグネシウムを含むマグネシウム非水電解質二次電池として説明したが、非水電解質二次電池の負極活物質はこれに限定されるものではない。非水電解質二次電池は、負極活物質がナトリウムを含むナトリウム非水電解質二次電池であってもよい。
Although the preferred embodiment of the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the specific embodiment, and various modifications and changes are possible within the scope of the gist of the present invention described in the claims.
For example, in the above embodiment, the nonaqueous electrolyte secondary battery has been described as a magnesium nonaqueous electrolyte secondary battery in which the negative electrode active material contains magnesium, but the negative electrode active material of the nonaqueous electrolyte secondary battery is not limited thereto. The nonaqueous electrolyte secondary battery may be a sodium nonaqueous electrolyte secondary battery in which the negative electrode active material contains sodium.

ナトリウム非水電解質二次電池の場合は、非水電解質として、ナトリウム塩とイオン液体とを含む混合物、あるいはナトリウム塩と有機溶媒とを含む混合物を用いることができる。ナトリウム塩としては、ナトリウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)アミド[Na(TFSA)]、ナトリウムビス(フルオロスルホニル)アミド[Na(FSA)]を挙げることができる。ナトリウム塩は1種を単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。イオン液体および有機溶媒は、マグネシウム非水電解質二次電池の場合と同じである。負極活物質としては、ナトリウム、ナトリウム合金を用いることができる。ナトリウム合金の例としては、ナトリウムカリウム合金、ナトリウムリチウム合金、ナトリウム錫合金を挙げることができる。 In the case of a sodium nonaqueous electrolyte secondary battery, a mixture containing a sodium salt and an ionic liquid, or a mixture containing a sodium salt and an organic solvent can be used as the nonaqueous electrolyte. Examples of sodium salts include sodium bis(trifluoromethylsulfonyl)amide [Na(TFSA)] and sodium bis(fluorosulfonyl)amide [Na(FSA)]. A single type of sodium salt may be used alone, or two or more types may be used in combination. The ionic liquid and organic solvent are the same as those in the case of a magnesium nonaqueous electrolyte secondary battery. Sodium and sodium alloys can be used as the negative electrode active material. Examples of sodium alloys include sodium potassium alloys, sodium lithium alloys, and sodium tin alloys.

[実施例1]
(1)ZnMnO粉末の作製
硝酸亜鉛水溶液(濃度:0.12モル/L)50mLと硝酸マンガン水溶液(濃度:0.12モル/L)50mLとを混合して原料水溶液を調製した。得られた原料水溶液100mLを、70℃に保持された炭酸ナトリウム緩衝液(濃度:0.35モル/L、pH:11)に0.5時間かけて滴下した。滴下終了後、得られた混合液を、撹拌器を用いて500rpmの回転速度で1時間撹拌して、亜鉛・マンガン含有粒子(逆共沈物)を析出させた。
[Example 1]
(1) Preparation of ZnMnO3 powder 50 mL of zinc nitrate aqueous solution (concentration: 0.12 mol/L) and 50 mL of manganese nitrate aqueous solution (concentration: 0.12 mol/L) were mixed to prepare a raw material aqueous solution. 100 mL of the obtained raw material aqueous solution was dropped into a sodium carbonate buffer solution (concentration: 0.35 mol/L, pH: 11) kept at 70 ° C. over 0.5 hours. After the dropwise addition, the obtained mixture was stirred at a rotation speed of 500 rpm using a stirrer for 1 hour to precipitate zinc-manganese-containing particles (reverse coprecipitate).

亜鉛・マンガン含有粒子を、ろ過により回収し、純水で洗浄した後、乾燥した。乾燥後の亜鉛・マンガン含有粒子を坩堝に収容し、電気炉を入れて、大気雰囲気下、500℃で2時間焼成した。その後、得られた焼成物を室温まで放冷した。 The zinc-manganese-containing particles were collected by filtration, washed with pure water, and then dried. The dried zinc-manganese-containing particles were placed in a crucible, and an electric furnace was placed inside, where they were fired at 500°C for 2 hours in an air atmosphere. The fired product was then allowed to cool to room temperature.

得られた焼成物を硝酸で溶解し、得られた溶液中のZnとMnの含有量を測定した。その結果、焼成物のZnとMnの含有量はモル比で1:1であった。 The resulting fired product was dissolved in nitric acid, and the Zn and Mn contents in the resulting solution were measured. As a result, the Zn and Mn contents in the fired product were found to be 1:1 in molar ratio.

また、得られた焼成物を、HAADF-STEM法を用いて観察して、一次粒子の粒子径を測定した。その結果、100個の一次粒子の平均粒子径は10nmであった。 The resulting fired product was observed using the HAADF-STEM method to measure the particle size of the primary particles. As a result, the average particle size of 100 primary particles was 10 nm.

さらに、得られた焼成物のX線回折パターンを、Mo-Kα線を用いて測定した。その結果を、図2に示す。図2中、(a)は焼成物のX線回折パターンであり、(b)は、ZnFeのX線回折パターンであり、(c)はMgOのX線回折パターンである。なお、(b)と(c)は、無機化合物結晶構造データベース(ICSD)にて公開されたX線回折パターンである。
以上の結果から、得られた焼成物は、欠陥スピネル型結晶構造を有する微細なZnMnO粉末であることが確認された。
Furthermore, the X-ray diffraction pattern of the obtained fired product was measured using Mo-Kα radiation. The results are shown in FIG. 2. In FIG. 2, (a) is the X-ray diffraction pattern of the fired product, (b) is the X-ray diffraction pattern of ZnFe 2 O 4 , and (c) is the X-ray diffraction pattern of MgO. Note that (b) and (c) are X-ray diffraction patterns published in the Inorganic Compound Crystal Structure Database (ICSD).
From the above results, it was confirmed that the obtained fired product was a fine ZnMnO3 powder having a defective spinel type crystal structure.

また、図2に、亜鉛・マンガン含有粒子を大気雰囲気下、350℃で2時間焼成して得られた焼成物のX線回折パターンを併せて示した。この結果から、亜鉛・マンガン含有粒子を350℃から500℃の焼成温度で焼成することによって、欠陥スピネル型結晶構造を有するZnMnO粉末を得ることが可能であることが確認された。 In addition, the X-ray diffraction pattern of the sintered product obtained by sintering the zinc-manganese-containing particles in an air atmosphere at 350 ° C for 2 hours is also shown in Figure 2. From this result, it was confirmed that it is possible to obtain ZnMnO3 powder having a defective spinel type crystal structure by sintering the zinc-manganese-containing particles at a sintering temperature of 350 ° C to 500 ° C.

(2)電極材料の調製
上記(1)で得られたZnMnO粉末と、カーボンブラック(CB)と、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)とを、質量比で80:10:10(=ZnMnO粉末:CB:PVDF)の割合で混合し、電極材料を得た。
(2) Preparation of electrode material The ZnMnO3 powder obtained in (1) above, carbon black (CB), and polyvinylidene fluoride (PVDF) were mixed in a mass ratio of 80:10:10 (= ZnMnO3 powder:CB:PVDF) to obtain an electrode material.

(3)評価用電極の作製
上記(2)で得られた電極材料と溶媒(NMP:N-メチル-2-ピロリドン)とを、質量比で1:5(=電極材料:NMP)の割合で混合して電極材料ペーストを得た。プラチナ箔からなる集電体の表面に、得られた電極材料ペーストを正極活物質(ZnMnO粉末)としての塗布量が17μg/mmとなるように塗布し、乾燥して評価用電極を得た。
(3) Preparation of electrode for evaluation The electrode material obtained in (2) above and a solvent (NMP: N-methyl-2-pyrrolidone) were mixed in a mass ratio of 1:5 (= electrode material: NMP) to obtain an electrode material paste. The obtained electrode material paste was applied to the surface of a current collector made of platinum foil so that the coating amount as a positive electrode active material ( ZnMnO3 powder) was 17 μg/ mm2 , and then dried to obtain an electrode for evaluation.

(4)電気化学セルの作製
アルゴンガス雰囲気に保たれたグローブボックス内で、図3に示される三電極式の電気化学セル50を作製した。電気化学セル50は、評価用電極51(作用電極)と、対極52と、参照電極53と、電解液54と、容器55と、容器55内を所定の動作温度に保持するための保温部56とから構成されている。
(4) Preparation of Electrochemical Cell A three-electrode electrochemical cell 50 shown in Fig. 3 was prepared in a glove box maintained in an argon gas atmosphere. The electrochemical cell 50 is composed of an evaluation electrode 51 (working electrode), a counter electrode 52, a reference electrode 53, an electrolyte 54, a container 55, and a heat retaining part 56 for maintaining the inside of the container 55 at a predetermined operating temperature.

評価用電極51は、上記(3)で得られたものであり、プラチナ箔からなる集電体51aと、集電体51a上に設けられた電極材料層51bとを備えている。対極52は、マグネシウムリボンからなる。参照電極53は、リチウム箔からなる参照電極本体53aと、参照電極用電解液53bと、参照電極本体53aを電解液54から隔離するガラス管部53cと、ガラス管部53cと一体的に形成され、当該ガラス管部53cの内部と外部との間の電気的接続を確保するための多孔質ガラス部53dとを備えている。参照電極本体53aは、評価用電極51および対極52と電気的に接続しているが、電解液54と直接接触しないように構成されている。容器55は、容器本体55aと、蓋部55bとを備えている。保温部56は、ヒータ56aとアルミニウム製ブロック56bとを備えている。電気化学セル50の評価用電極51、対極52および参照電極53は、それぞれ、電極リード61a、61b、61cを介してポテンショスタット61に接続されている。参照電極用電解液53bは、リチウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)アミド[LiTFSA]を0.5モル/Lの濃度で含有するN,N-ジエチル-N-メチル-N-(2-メトキシエチル)アンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド[DEMETFSA]である。なお、電解液54は、マグネシウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)アミド[Mg(TFSA)]とセシウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)アミド[CsTFSA]とを、MgとCsを原子比で10:90(=Mg:Cs)の割合で含む混合液である。 The evaluation electrode 51 is obtained in the above (3), and includes a current collector 51a made of platinum foil and an electrode material layer 51b provided on the current collector 51a. The counter electrode 52 is made of magnesium ribbon. The reference electrode 53 includes a reference electrode body 53a made of lithium foil, a reference electrode electrolyte 53b, a glass tube portion 53c that isolates the reference electrode body 53a from the electrolyte 54, and a porous glass portion 53d that is integrally formed with the glass tube portion 53c and ensures electrical connection between the inside and outside of the glass tube portion 53c. The reference electrode body 53a is electrically connected to the evaluation electrode 51 and the counter electrode 52, but is configured not to directly contact the electrolyte 54. The container 55 includes a container body 55a and a lid portion 55b. The heat retaining portion 56 includes a heater 56a and an aluminum block 56b. The evaluation electrode 51, counter electrode 52, and reference electrode 53 of the electrochemical cell 50 are connected to a potentiostat 61 via electrode leads 61a, 61b, and 61c, respectively. The reference electrode electrolyte 53b is N,N-diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium bis(trifluoromethanesulfonyl)amide [DEMETFSA] containing lithium bis(trifluoromethylsulfonyl)amide [LiTFSA] at a concentration of 0.5 mol/L. The electrolyte 54 is a mixture containing magnesium bis(trifluoromethylsulfonyl)amide [Mg(TFSA) 2 ] and cesium bis(trifluoromethylsulfonyl)amide [CsTFSA] in an atomic ratio of Mg and Cs of 10:90 (=Mg:Cs).

(5)サイクリックボルタンメトリーの測定
上記(4)得られた電気化学セル50と電気化学測定装置[バイオロジック(BioLogic)社製、商品名:SP-300]とを用いて、評価用電極51のサイクリックボルタンメトリーを測定した。なお、測定中は、電気化学セル50の容器55内の温度(電解液の温度)を150℃に維持した。また、走査電位幅は2.0V~4.5V(vs.参照電極)とし、走査速度は1mV/秒とした。測定は10サイクル行った。その結果を、図4に示す。
(5) Measurement of Cyclic Voltammetry Using the electrochemical cell 50 obtained in (4) above and an electrochemical measurement device [manufactured by BioLogic, product name: SP-300], the cyclic voltammetry of the evaluation electrode 51 was measured. During the measurement, the temperature (temperature of the electrolyte) inside the container 55 of the electrochemical cell 50 was maintained at 150° C. The scanning potential range was 2.0 V to 4.5 V (vs. reference electrode), and the scanning speed was 1 mV/sec. The measurement was performed for 10 cycles. The results are shown in FIG. 4.

図4のサイクリックボルタモグラムにおいて、横軸は電圧であり、上側の横軸には参照電極(リチウム)基準の電圧が、下側の横軸には対極(マグネシウム)基準の電圧が示されている。縦軸は電流値である。
図4の結果から、評価用電極51の電極材料に含まれているZnMnO粉末は、マグネシウムイオンの吸蔵と放出が可能であり、正極活物質として作用することがわかる。
4, the horizontal axis is voltage, the upper horizontal axis is voltage relative to the reference electrode (lithium), and the lower horizontal axis is voltage relative to the counter electrode (magnesium), and the vertical axis is current value.
From the results of FIG. 4, it can be seen that the ZnMnO3 powder contained in the electrode material of the evaluation electrode 51 is capable of absorbing and releasing magnesium ions and acts as a positive electrode active material.

(6)GITT(定電流間欠滴定法)による放電カーブの測定
上記(4)得られた電気化学セル50と電気化学測定装置[バイオロジック(BioLogic)社製、商品名:SP-300]とを用いて、評価用電極51のGITTによる放電カーブを測定した。放電は、正極活物質(ZnMnO)1gに対して10mAの電流密度で1時間放電させた後、4時間静置するサイクルを1サイクルとした。その結果を図5に示す。
(6) Measurement of Discharge Curve by GITT (Constant Current Intermittent Titration) Using the electrochemical cell 50 obtained in (4) above and an electrochemical measurement device [manufactured by BioLogic, product name: SP-300], the discharge curve of the evaluation electrode 51 by GITT was measured. One cycle consisted of discharging at a current density of 10 mA for 1 hour per 1 g of the positive electrode active material (ZnMnO 3 ), followed by leaving the electrode stationary for 4 hours. The results are shown in FIG.

図5の放電カーブにおいて、横軸は放電時間(静置時間を除く)である。縦軸は放電電圧であり、右側の縦軸には参照電極(リチウム)基準の電圧が、左側の縦軸には対極(マグネシウム)基準の電圧が示されている。
図5の結果から、放電時間が24時間(1サイクルから23サイクル)までの範囲(Stage1)と、放電時間が24時間以上34時間(24サイクルから33サイクル)までの範囲(Stage2)と、34時間以上(34サイクル以降の範囲(Stage3)で放電カーブの傾きが異なることがわかる。これは、Stage1~3において、正極活物質(ZnMnO)の結晶構造が変化したことによるものと考えられる。
In the discharge curves in Fig. 5, the horizontal axis is the discharge time (excluding the resting time), and the vertical axis is the discharge voltage, with the right vertical axis showing the voltage relative to the reference electrode (lithium) and the left vertical axis showing the voltage relative to the counter electrode (magnesium).
From the results in FIG. 5, it can be seen that the slope of the discharge curve differs between the discharge time range of 24 hours (1st cycle to 23rd cycle) (Stage 1), the discharge time range of 24 hours to 34 hours (24th cycle to 33rd cycle) (Stage 2), and the discharge time range of 34 hours or more (34th cycle and beyond) (Stage 3). This is considered to be due to a change in the crystal structure of the positive electrode active material (ZnMnO 3 ) in Stages 1 to 3.

(7)マグネシウムイオンの挿入によるZnMnOの構造変化
上記(4)で得られた電気化学セル50を150℃に維持しながら、評価用電極51に参照電極(リチウム)基準の電圧として1.5Vの電圧を18時間印加して、評価用電極51のZnMnOにマグネシウムイオンを挿入した。その後、電気化学セル50から評価用電極51を取り出し、純水で洗浄した後、乾燥した。乾燥後の評価用電極51に対して、EDX(エネルギー分散型蛍光X線分析法)を用いて、金属元素(Mg、Zn、Mn)の原子比を測定した。また、評価用電極51のX線回折パターンを、Mo-Kα線を用いて測定した。
(7) Structural change of ZnMnO3 due to insertion of magnesium ions While maintaining the electrochemical cell 50 obtained in (4) above at 150°C, a voltage of 1.5 V was applied to the evaluation electrode 51 as a reference electrode (lithium) voltage for 18 hours to insert magnesium ions into the ZnMnO3 of the evaluation electrode 51. Thereafter, the evaluation electrode 51 was removed from the electrochemical cell 50, washed with pure water, and then dried. The atomic ratio of metal elements (Mg, Zn, Mn) was measured for the evaluation electrode 51 after drying using EDX (energy dispersive X-ray fluorescence analysis). In addition, the X-ray diffraction pattern of the evaluation electrode 51 was measured using Mo-Kα rays.

また、評価用電極51に印加する電圧を、参照電極基準の電圧として2.0Vと2.5Vとしたこと以外は上記と同様にして、評価用電極51のZnMnOにマグネシウムイオンを挿入し、評価用電極51の金属元素の原子比とX線回折パターンを測定した。
これらの結果を、シミュレーションによって求めた岩塩構造のMgZnMnO(a=8.685Å)のX線回折パターンと、シミュレーションによって求めた[Zn0.98a[Zn0.27Mn0.7316d[O32e(a=8.375Å)のX線回折パターンと共に、図6に示す。
Moreover, magnesium ions were inserted into the ZnMnO3 of the evaluation electrode 51 in the same manner as above, except that the voltage applied to the evaluation electrode 51 was set to 2.0 V and 2.5 V relative to the reference electrode voltage, and the atomic ratio of the metal elements and the X-ray diffraction pattern of the evaluation electrode 51 were measured.
These results are shown in FIG. 6 together with the simulated X-ray diffraction pattern of rock-salt structure MgZnMnO 3 (a=8.685 Å) and the simulated X-ray diffraction pattern of [Zn 0.9 ] 8a [Zn 0.27 Mn 0.73 ] 16d [O 1 ] 32e (a=8.375 Å).

図6に示すように、参照電極基準の電圧として1.5Vの電圧を印加した評価用電極51は、原子比がMg:Zn:Mn=0.90:0.94:1であり、ZnMnOは岩塩構造に完全に変化した状態となった。この状態は、図5の放電カーブにおけるStage3に相当すると考えられる。参照電極基準の電圧として2.0Vの電圧を印加した評価用電極51は、原子比がMg:Zn:Mn=0.81:0.96:1であり、ZnMnOはスピネル構造が部分的に岩塩構造に変化し、スピネル構造と岩塩構造とが共存した状態となった。この状態は、図5の放電カーブにおけるStage2に相当すると考えられる。参照電極基準の電圧として2.5Vの電圧を印加した評価用電極51は、原子比がMg:Zn:Mn=0.58:0.95:1であり、ZnMnOはスピネル構造を維持していた。この状態は、図5の放電カーブにおけるStage1に相当すると考えられる。以上の結果から、電気化学セル50は、参照電極基準の電圧が2.0V以上となる条件で充放電を行うことが望ましいことが確認された。 As shown in Fig. 6, the evaluation electrode 51 to which a voltage of 1.5 V was applied as the reference electrode voltage had an atomic ratio of Mg:Zn:Mn = 0.90:0.94:1, and ZnMnO3 was completely changed to a rock salt structure. This state is considered to correspond to Stage 3 in the discharge curve of Fig. 5. The evaluation electrode 51 to which a voltage of 2.0 V was applied as the reference electrode voltage had an atomic ratio of Mg:Zn:Mn = 0.81:0.96:1, and ZnMnO3 was partially changed from a spinel structure to a rock salt structure, and the spinel structure and the rock salt structure coexisted. This state is considered to correspond to Stage 2 in the discharge curve of Fig. 5. The evaluation electrode 51 to which a voltage of 2.5 V was applied as the reference electrode voltage had an atomic ratio of Mg:Zn:Mn=0.58:0.95:1, and ZnMnO3 maintained a spinel structure. This state is considered to correspond to Stage 1 in the discharge curve of Fig. 5. From the above results, it was confirmed that it is desirable to charge and discharge the electrochemical cell 50 under conditions where the reference electrode voltage is 2.0 V or higher.

(8)充放電サイクル特性の評価
上記(4)で得られた電気化学セル50を150℃に維持しながら、電気化学セル50の充放電サイクル試験を行った。充放電サイクルの条件は、充放電の電流値を正極活物質(ZnMnO)の質量基準で10mA/g、放電終止電圧を参照電極基準で2.0V、放電終止電圧を参照電極基準で4.1Vとした。
図7に10サイクルまでの充放電カーブを示す。また、図8に43サイクルまでの放電容量と、クーロン効率を示す。
(8) Evaluation of Charge-Discharge Cycle Characteristics A charge-discharge cycle test was performed on the electrochemical cell 50 obtained in (4) above while maintaining the cell at 150° C. The charge-discharge cycle conditions were as follows: charge-discharge current value was 10 mA/g based on the mass of the positive electrode active material (ZnMnO 3 ), discharge end voltage was 2.0 V based on the reference electrode, and discharge end voltage was 4.1 V based on the reference electrode.
Figure 7 shows the charge/discharge curves up to 10 cycles, and Figure 8 shows the discharge capacity and coulomb efficiency up to 43 cycles.

図7において、横軸は正極活物質(ZnMnO)の質量基準の電気容量である。縦軸は電圧であり、右側の縦軸には参照電極(リチウム)基準の電圧が、左側の縦軸には対極(マグネシウム)基準の電圧が示されている。図7のグラフから、3サイクル以降から充放電カーブが安定していることがわかる。 In Fig. 7, the horizontal axis is the capacitance based on the mass of the positive electrode active material ( ZnMnO3 ). The vertical axis is the voltage, with the right vertical axis showing the voltage based on the reference electrode (lithium) and the left vertical axis showing the voltage based on the counter electrode (magnesium). From the graph in Fig. 7, it can be seen that the charge/discharge curve becomes stable after the third cycle.

図8において、横軸はサイクル数である。右側の縦軸はクーロン効率であり、左側の縦軸は正極活物質(ZnMnO)の質量基準の放電容量である。図8のグラフから、10サイクルまでは、クーロン効率がサイクルを繰り返す毎に向上し、10サイクル以降はクーロン効率がほぼ100%で安定することがわかる。また、正極活物質の放電容量は100mAh/gで安定することがわかる。 In Fig. 8, the horizontal axis is the number of cycles. The vertical axis on the right side is the Coulombic efficiency, and the vertical axis on the left side is the discharge capacity based on the mass of the positive electrode active material ( ZnMnO3 ). From the graph in Fig. 8, it can be seen that the Coulombic efficiency improves with each cycle up to 10 cycles, and after 10 cycles, the Coulombic efficiency stabilizes at almost 100%. It can also be seen that the discharge capacity of the positive electrode active material stabilizes at 100 mAh/g.

以上の結果から、実施例1で得られた電気化学セル(非水溶媒二次電池)は、高容量で、かつ充放電サイクル特性に優れることが確認された。 The above results confirmed that the electrochemical cell (non-aqueous solvent secondary battery) obtained in Example 1 has high capacity and excellent charge/discharge cycle characteristics.

1 非水電解質二次電池
2 電池本体
3 保温部
3a ヒータ
3b 断熱部材
11 正極
11a 正極集電体
11b 正極活物質層
12 負極
12a 負極集電体
12b 負極活物質層
13 非水電解質
14 セパレータ
50 電気化学セル
51 評価用電極
51a 集電体
51b 電極材料層
52 対極
53 参照電極
53a 参照電極本体
53b 参照電極用電解液
53c ガラス管部
53d 多孔質ガラス部
54 電解液
55 容器
55a 容器本体
55b 蓋部
56 保温部
56a ヒータ
56b アルミニウム製ブロック
61a、61b、61c 電極リード
61 ポテンショスタット
REFERENCE SIGNS LIST 1 non-aqueous electrolyte secondary battery 2 battery body 3 heat retaining portion 3a heater 3b heat insulating member 11 positive electrode 11a positive electrode current collector 11b positive electrode active material layer 12 negative electrode 12a negative electrode current collector 12b negative electrode active material layer 13 non-aqueous electrolyte 14 separator 50 electrochemical cell 51 evaluation electrode 51a current collector 51b electrode material layer 52 counter electrode 53 reference electrode 53a reference electrode body 53b reference electrode electrolyte 53c glass tube portion 53d porous glass portion 54 electrolyte 55 container 55a container body 55b lid portion 56 heat retaining portion 56a heater 56b aluminum block 61a, 61b, 61c electrode lead 61 potentiostat

Claims (4)

正極活物質を含む正極活物質層を有する正極と、負極活物質を含む負極活物質層を有する負極と、非水電解質とを備え、
前記正極活物質は、充電状態においてカチオンサイトが欠陥した欠陥スピネル型酸化物を含み、
前記負極活物質は、充電状態においてマグネシウムまたはナトリウムを含み、
前記欠陥スピネル型酸化物が、下記の一般式(1)で表される化合物である非水電解質二次電池。
・・・(1)
(上記の一般式(1)において、Aは、周期表の2族または12族の金属のイオンを表し、Bは、遷移金属のイオンを表し、xとyとzは、0.5≦y/x≦1.5、2≦x+y<z、3≦z≦4を満足する数を表す。)
a positive electrode having a positive electrode active material layer including a positive electrode active material, a negative electrode having a negative electrode active material layer including a negative electrode active material, and a non-aqueous electrolyte;
the positive electrode active material contains a defect spinel oxide in which cation sites are defective in a charged state,
the negative electrode active material contains magnesium or sodium in a charged state,
The defect spinel-type oxide is a compound represented by the following general formula (1):
A x B y O z ... (1)
(In the above general formula (1), A represents an ion of a metal of Group 2 or 12 of the periodic table, B represents an ion of a transition metal, and x, y, and z represent numbers satisfying 0.5≦y/x≦1.5, 2≦x+y<z, and 3≦z≦4.)
正極活物質を含む正極活物質層を有する正極と、負極活物質を含む負極活物質層を有する負極と、非水電解質とを備え、
前記正極活物質は、充電状態においてカチオンサイトが欠陥した欠陥スピネル型酸化物を含み、
前記負極活物質は、充電状態においてマグネシウムまたはナトリウムを含み、
前記欠陥スピネル型酸化物は、互いに異なる第1カチオンと第2カチオンとを含有し、
前記第1カチオンは、周期表の2族または12族の金属のイオンであり、前記第2カチオンは遷移金属のイオンであり、
前記欠陥スピネル型酸化物は、前記第1カチオン1モルに対して、前記第2カチオンを0.5モル以上1.5モル以下の範囲内の量にて含有する非水電解質二次電池。
a positive electrode having a positive electrode active material layer including a positive electrode active material, a negative electrode having a negative electrode active material layer including a negative electrode active material, and a non-aqueous electrolyte;
the positive electrode active material contains a defect spinel oxide in which cation sites are defective in a charged state,
the negative electrode active material contains magnesium or sodium in a charged state,
The defect spinel oxide contains a first cation and a second cation which are different from each other,
the first cation is an ion of a metal from Group 2 or 12 of the Periodic Table, and the second cation is an ion of a transition metal;
the defect spinel-type oxide contains the second cation in an amount ranging from 0.5 mol to 1.5 mol per 1 mol of the first cation;
カチオンサイトが欠陥した欠陥スピネル型酸化物を含み、
前記欠陥スピネル型酸化物は、互いに異なる第1カチオンと第2カチオンとを含有し、
前記第1カチオンは、周期表の2族または12族の金属のイオンであり、前記第2カチオンは遷移金属のイオンであり、
前記欠陥スピネル型酸化物は、前記第1カチオン1モルに対して、前記第2カチオンを0.5モル以上1.5モル以下の範囲内の量にて含有する非水電解質二次電池用の正極活物質。
The oxide contains a defect spinel type oxide in which the cation site is defective,
The defect spinel oxide contains a first cation and a second cation which are different from each other,
the first cation is an ion of a metal from Group 2 or 12 of the Periodic Table, and the second cation is an ion of a transition metal;
The defect spinel-type oxide contains the second cation in an amount ranging from 0.5 mol to 1.5 mol per 1 mol of the first cation.
カチオンサイトが欠陥した欠陥スピネル型酸化物を含み、
前記欠陥スピネル型酸化物が、下記の一般式(1)で表される化合物である非水電解質二次電池用の正極活物質。
・・・(1)
(上記の一般式(1)において、Aは、周期表の2族または12族の金属のイオンを表し、Bは、遷移金属のイオンを表し、xとyとzは、0.5≦y/x≦1.5、2≦x+y<z、3≦z≦4を満足する数を表す。)
The oxide contains a defect spinel type oxide in which the cation site is defective,
The defect spinel-type oxide is a compound represented by the following general formula (1):
A x B y O z ... (1)
(In the above general formula (1), A represents an ion of a metal of Group 2 or 12 of the periodic table, B represents an ion of a transition metal, and x, y, and z represent numbers satisfying 0.5≦y/x≦1.5, 2≦x+y<z, and 3≦z≦4.)
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