JP4989049B2 - Nonaqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、正極ならびに当該正極、負極および非水電解質からなる非水電解質二次電池に関する。 The present invention relates to a positive electrode and a nonaqueous electrolyte secondary battery including the positive electrode, the negative electrode, and a nonaqueous electrolyte.
現在、高エネルギー密度の二次電池として、非水電解質を使用し、例えばリチウムイオンを正極と負極との間で移動させて充放電を行うようにした非水電解質二次電池が多く利用されている。 Currently, non-aqueous electrolyte secondary batteries that use a non-aqueous electrolyte as a secondary battery with a high energy density, for example, charge and discharge by moving lithium ions between the positive electrode and the negative electrode are widely used. Yes.
このような非水電解質二次電池において、一般に正極としてニッケル酸リチウム(LiNiO2 )、コバルト酸リチウム(LiCoO2 )等の層状構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物が用いられ、負極としてリチウムの吸蔵および放出が可能な炭素材料、リチウム金属、リチウム合金等が用いられている(例えば、特許文献1参照)。 In such a non-aqueous electrolyte secondary battery, a lithium transition metal composite oxide having a layered structure such as lithium nickelate (LiNiO 2 ) or lithium cobaltate (LiCoO 2 ) is generally used as a positive electrode, and lithium is occluded as a negative electrode. In addition, carbon materials that can be released, lithium metal, lithium alloys, and the like are used (for example, see Patent Document 1).
上記非水電解質二次電池を用いることにより、150〜180mAh/gの放電容量、約4Vの電位および約260mAh/gの理論容量を得ることができる。 By using the non-aqueous electrolyte secondary battery, a discharge capacity of 150 to 180 mAh / g, a potential of about 4 V, and a theoretical capacity of about 260 mAh / g can be obtained.
また、非水電解質として、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート等の有機溶媒に四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4 )、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6 )等の電解質塩を溶解させたものが使用されている。 In addition, a non-aqueous electrolyte in which an electrolyte salt such as lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ) or lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) is dissolved in an organic solvent such as ethylene carbonate or diethyl carbonate is used. ing.
一方、最近では、リチウムイオンの代わりにナトリウムイオンを利用した非水電解質二次電池の研究が始められている。このナトリウムイオンを利用した非水電解質二次電池の研究例は非常に少なく、正極に亜鉄酸ナトリウム(NaFeO2 )を用い、非水電解質に過酸化物である過塩素酸ナトリウム(NaClO4 )を用いたものが提案されている(例えば、非特許文献1参照)。
しかしながら、上記従来のリチウムイオンを利用した非水電解質二次電池においては、その正極として主にコバルト(Co)またはニッケル(Ni)の酸化物を使用するため、資源的に限りがある。 However, in the conventional non-aqueous electrolyte secondary battery using lithium ions, cobalt (Co) or nickel (Ni) oxide is mainly used as the positive electrode, so that there are limited resources.
また、ニッケル酸リチウムまたはコバルト酸リチウムから全てのリチウムイオンが放出されると、ニッケル酸リチウムまたはコバルト酸リチウムの結晶構造が崩壊する。その結果、ニッケル酸リチウムまたはコバルト酸リチウムから酸素が放出され、結晶構造を維持できず電池特性を維持することができない。そのため、上記放電容量をさらに向上させることができない。ニッケルまたはコバルトの代わりに資源的に豊富なマンガン(Mn)を用いる場合もあるが、この場合、非水電解質二次電池の容量が半減する。 Further, when all lithium ions are released from lithium nickelate or lithium cobaltate, the crystal structure of lithium nickelate or lithium cobaltate collapses. As a result, oxygen is released from lithium nickelate or lithium cobaltate, the crystal structure cannot be maintained, and the battery characteristics cannot be maintained. Therefore, the discharge capacity cannot be further improved. In some cases, abundant manganese (Mn) is used instead of nickel or cobalt. In this case, the capacity of the nonaqueous electrolyte secondary battery is halved.
さらに、ナトリウムイオンを利用した上記従来の非水電解質二次電池では、非水電解質の安定性が低く、当該非水電解質を長時間使用するのは困難である。 Furthermore, in the conventional non-aqueous electrolyte secondary battery using sodium ions, the stability of the non-aqueous electrolyte is low, and it is difficult to use the non-aqueous electrolyte for a long time.
本発明の目的は、可逆的な充放電を行うことが可能で、良好な充放電特性を得ることが可能で安価な正極および非水電解質二次電池を提供することである。 An object of the present invention is to provide a positive electrode and a non-aqueous electrolyte secondary battery that can perform reversible charge / discharge, can obtain good charge / discharge characteristics, and are inexpensive.
本発明の非水電解質二次電池の正極は、正極活物質を備え、正極活物質は、ナトリウムおよびコバルトを含む酸化物からなるものである。
The positive electrode of the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention includes a positive electrode active material, and the positive electrode active material is made of an oxide containing sodium and cobalt.
本発明に係る正極においては、正極活物質がナトリウムおよびコバルトを含む酸化物からなることにより、ナトリウムイオンが当該正極に対して十分に吸蔵および放出される。また、資源的に豊富なナトリウムを使用することにより低コスト化が図れる。さらに、上記酸化物からナトリウムイオンが放出されても、当該酸化物が熱安定性に優れていることにより、熱安定性に優れた正極を得ることができる。 In the positive electrode according to the present invention, when the positive electrode active material is made of an oxide containing sodium and cobalt, sodium ions are sufficiently occluded and released from the positive electrode. Further, the cost can be reduced by using abundant sodium. Furthermore, even when sodium ions are released from the oxide, a positive electrode having excellent thermal stability can be obtained because the oxide is excellent in thermal stability.
したがって、本発明に係る正極を非水電解質二次電池に用いた場合には、可逆的な充放電を行うことが可能で、良好な充放電特性を得ることが可能となりかつ低コスト化を実現できる。 Therefore, when the positive electrode according to the present invention is used for a non-aqueous electrolyte secondary battery, reversible charge / discharge can be performed, good charge / discharge characteristics can be obtained, and cost reduction can be realized. it can.
ナトリウムおよびコバルトを含む酸化物は、Nax Coy O2 を含み、xは0より大き
く1.0以下であり、yは1.5未満である。当該Nax Coy O2 はNaCoO2 であってもよい。
The oxide containing sodium and cobalt contains Na x Co y O 2 , x is greater than 0 and less than or equal to 1.0, and y is less than 1.5 . The Na x Co y O 2 may be NaCoO 2 .
この場合、ナトリウムイオンが上記酸化物を含む正極に対して確実に吸蔵および放出される。 In this case, sodium ions are reliably occluded and released from the positive electrode containing the oxide.
ナトリウムおよびコバルトを含む酸化物の結晶系は、六方晶系、斜方晶系または単斜晶系であってもよい。 The crystal system of the oxide containing sodium and cobalt may be hexagonal, orthorhombic, or monoclinic.
この場合、ナトリウムイオンが正極に対して効率よく吸蔵および放出される。 In this case, sodium ions are efficiently occluded and released from the positive electrode.
本発明に係る非水電解質二次電池は、正極活物質がナトリウムおよびコバルトを含む酸化物からなる正極と、負極と、非水電解質とを備えたものである。
The nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention includes a positive electrode made of an oxide containing sodium and cobalt as a positive electrode active material , a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte.
本発明に係る非水電解質二次電池においては、正極活物質がナトリウムおよびコバルトを含む酸化物からなる正極を用いることにより、可逆的な充放電を行うことが可能で良好な充放電特性を得ることが可能な非水電解質二次電池を実現することができる。
In the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention, by using a positive electrode made of an oxide containing sodium and cobalt as a positive electrode active material , reversible charge / discharge can be performed and good charge / discharge characteristics are obtained. It is possible to realize a non-aqueous electrolyte secondary battery that can be used.
また、ナトリウムおよびコバルトを含む酸化物からなる正極からナトリウムイオンが放出されても、上記酸化物が熱安定性に優れていることにより、熱安定性に優れた非水電解質二次電池を得ることができる。 In addition, even when sodium ions are released from a positive electrode made of an oxide containing sodium and cobalt, a nonaqueous electrolyte secondary battery having excellent thermal stability can be obtained because the oxide has excellent thermal stability. Can do.
さらに、資源的に豊富なナトリウムを使用することにより非水電解質二次電池の低コスト化を図ることができる。 Furthermore, the cost of the nonaqueous electrolyte secondary battery can be reduced by using abundant sodium.
負極は、ゲルマニウム単体を含む。この場合、ゲルマニウム単体を含む負極に対してイオンが十分に吸蔵および放出される。
The negative electrode includes germanium alone . In this case, ions are sufficiently occluded and released from the negative electrode containing germanium alone.
非水電解質は、六フッ化リン酸ナトリウムを含む。この場合、安全性が向上される。
The non-aqueous electrolyte includes sodium hexafluorophosphate . In this case, safety is improved.
負極は、金属からなる集電体を含み、ゲルマニウム単体は、集電体上に薄膜状に形成されてもよい。この場合、ゲルマニウム単体が集電体上に薄膜として容易に形成される。 The negative electrode may include a current collector made of metal, and the germanium alone may be formed in a thin film on the current collector. In this case, germanium alone is easily formed as a thin film on the current collector.
非水電解質は、環状炭酸エステル、鎖状炭酸エステル、エステル類、環状エーテル類、鎖状エーテル類、ニトリル類およびアミド類からなる群から選択される1種または2種以上を含んでもよい。この場合、低コスト化が図れるとともに安全性が向上される。 The non-aqueous electrolyte may contain one or more selected from the group consisting of cyclic carbonates, chain carbonates, esters, cyclic ethers, chain ethers, nitriles and amides. In this case, the cost can be reduced and the safety is improved.
本発明によれば、可逆的な充放電を行うことが可能で、良好な充放電特性を得ることが可能で安価な正極および非水電解質二次電池を得ることができる。 According to the present invention, reversible charging / discharging can be performed, good charging / discharging characteristics can be obtained, and an inexpensive positive electrode and nonaqueous electrolyte secondary battery can be obtained.
以下、本実施の形態に係る非水電解質二次電池について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present embodiment will be described with reference to the drawings.
本実施の形態に係る非水電解質二次電池は、作用極(以下、正極と称する)、対極(以下、負極と称する)および非水電解質により構成される。 The nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present embodiment includes a working electrode (hereinafter referred to as a positive electrode), a counter electrode (hereinafter referred to as a negative electrode), and a nonaqueous electrolyte.
なお、以下に説明する各種材料および当該材料の厚さおよび濃度等は以下の記載に限定されるものではなく、適宜設定することができる。 The various materials described below and the thicknesses and concentrations of the materials are not limited to those described below, and can be set as appropriate.
[正極の作製]
例えば80重量部の正極活物質としてのコバルト酸ナトリウム(NaCoO2 )粉末、10重量部の導電剤としてのカーボンブラック粉末であるケッチェンブラック粉末および10重量部の結着剤としてのポリテトラフルオロエチレンをそれぞれ含む材料(以下、正極材料と呼ぶ)を用意する。
[Preparation of positive electrode]
For example, 80 parts by weight of sodium cobaltate (NaCoO 2 ) powder as a positive electrode active material, 10 parts by weight of Ketjen black powder as carbon black powder as a conductive agent, and 10 parts by weight of polytetrafluoroethylene as binder Are prepared (hereinafter referred to as positive electrode materials).
なお、本実施の形態では、NaCoO2 粉末を正極活物質として用いているが、Nax Coy O2 (0<x≦1.0,y<1.5)で表されるコバルト酸ナトリウム粉末を用いてもよい。 In this embodiment, NaCoO 2 powder is used as the positive electrode active material, but sodium cobaltate powder represented by Na x Co y O 2 (0 <x ≦ 1.0, y <1.5). May be used.
この場合、上記コバルト酸ナトリウム(Nax Coy O2 (0<x≦1.0,y<1.5))として、約6000種類の無機化合物および有機化合物のX線回折データが収録されているJCPDS(Joint Committee on Powder Diffraction Standards)における結晶系(結晶構造)が六方晶系、単斜晶系または斜方晶系のコバルト酸ナトリウムを用いることができる。 In this case, X-ray diffraction data of about 6000 kinds of inorganic compounds and organic compounds is recorded as the sodium cobaltate (Na x Co y O 2 (0 <x ≦ 1.0, y <1.5)). It is possible to use sodium cobaltate whose crystal system (crystal structure) in JCPDS (Joint Committee on Powder Diffraction Standards) is hexagonal, monoclinic or orthorhombic.
この正極材料を、この正極材料に対して例えば10重量%のN−メチルピロリドン溶液に混合することにより正極合剤としてのスラリーを作製する。 The positive electrode material is mixed with, for example, a 10% by weight N-methylpyrrolidone solution with respect to the positive electrode material to prepare a slurry as a positive electrode mixture.
次に、ドクターブレード法により、上記スラリーを正極集電体である例えば厚さ30μmのアルミニウム箔の2cm×2cmの領域の上に塗布した後、乾燥させることにより正極活物質層を形成する。 Next, the slurry is applied by a doctor blade method onto a 2 cm × 2 cm region of a 30 μm-thick aluminum foil as a positive electrode current collector, and then dried to form a positive electrode active material layer.
次いで、正極活物質層を形成しないアルミニウム箔の領域の上に正極タブを取り付けることにより正極を作製する。 Subsequently, a positive electrode is produced by attaching a positive electrode tab on the region of the aluminum foil where the positive electrode active material layer is not formed.
なお、上記正極材料の結着剤としては、ポリテトラフルオロエチレンの代わりに、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレンオキサイド、ポリビニルアセテート、ポリメタクリレート、ポリアクリレート、ポリアクリロニトリル、ポリビニルアルコール、スチレン−ブタジエンラバー、カルボキシメチルセルロース等から選択される少なくとも1種を用いることができる。 In addition, as the binder for the positive electrode material, instead of polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene oxide, polyvinyl acetate, polymethacrylate, polyacrylate, polyacrylonitrile, polyvinyl alcohol, styrene-butadiene rubber, carboxymethylcellulose, etc. At least one selected from can be used.
なお、結着剤の量が多いと、正極材料に含まれる正極活物質の割合が少なくなるため、高いエネルギー密度が得られなくなる。したがって、結着剤の量は、正極材料の全体の0〜30重量%の範囲とし、好ましくは0〜20重量%の範囲とし、より好ましくは0〜10重量%の範囲とする。 Note that when the amount of the binder is large, the ratio of the positive electrode active material contained in the positive electrode material is reduced, so that a high energy density cannot be obtained. Therefore, the amount of the binder is in the range of 0 to 30% by weight of the whole positive electrode material, preferably in the range of 0 to 20% by weight, and more preferably in the range of 0 to 10% by weight.
また、上記正極材料の導電剤としては、ケッチェンブラックの代わりに、例えばアセチレンブラックおよび黒鉛等の他の炭素材料を用いることができる。なお、導電剤の添加量が少ないと、正極材料における導電性を充分に向上させることができない一方、その添加量が多くなり過ぎると、正極材料に含まれる正極活物質の割合が少なくなり高いエネルギー密度が得られなくなる。したがって、導電剤の量は、正極材料の全体の0〜30重量%の範囲とし、好ましくは0〜20重量%の範囲とし、より好ましくは0〜10重量%の範囲とする。 Further, as the conductive agent of the positive electrode material, other carbon materials such as acetylene black and graphite can be used instead of ketjen black. If the addition amount of the conductive agent is small, the conductivity in the positive electrode material cannot be sufficiently improved. On the other hand, if the addition amount is too large, the proportion of the positive electrode active material contained in the positive electrode material decreases and high energy is increased. Density cannot be obtained. Therefore, the amount of the conductive agent is in the range of 0 to 30% by weight of the whole positive electrode material, preferably in the range of 0 to 20% by weight, and more preferably in the range of 0 to 10% by weight.
さらに、正極集電体としては、電子導電性を高めるために発砲アルミニウムまたは発砲ニッケル等を用いることも可能である。 In addition, as the positive electrode current collector, foamed aluminum, foamed nickel, or the like can be used in order to increase electronic conductivity.
[負極の作製]
負極集電体として、電解法により銅が析出されることにより表面が凹凸状に形成された粗面化銅からなる例えば厚さ26μmの圧延箔を用意する。
[Preparation of negative electrode]
As the negative electrode current collector, for example, a rolled foil having a thickness of 26 μm, for example, made of roughened copper whose surface is formed in an uneven shape by copper being deposited by an electrolytic method is prepared.
上記圧延箔からなる負極集電体上に、図1に示すスパッタリング装置を用いて、例えば厚さ0.5μmのゲルマニウム(Ge)単体からなる負極活物質層を以下のように堆積させる。堆積条件を表1に示す。なお、堆積されたゲルマニウム単体は非晶質である。 On the negative electrode current collector made of the rolled foil, a negative electrode active material layer made of germanium (Ge) alone having a thickness of 0.5 μm, for example, is deposited as follows using the sputtering apparatus shown in FIG. The deposition conditions are shown in Table 1. The deposited germanium alone is amorphous.
最初に、チャンバ50内を1×10-4 Paまで真空排気した後、チャンバ50内にアルゴンを導入し、チャンバ50内のガス圧力が1.7〜1.8×10-1 Paになるようにガス圧力を安定させる。 First, after evacuating the chamber 50 to 1 × 10 −4 Pa, argon is introduced into the chamber 50 so that the gas pressure in the chamber 50 becomes 1.7 to 1.8 × 10 −1 Pa. To stabilize the gas pressure.
次に、チャンバ50内のガス圧力が安定した状態で、高周波電源52によりゲルマニウム単体の粉末のスパッタ源51に高周波電力を所定時間印加する。それにより、上記負極集電体上にゲルマニウム単体からなる負極活物質層が堆積される。 Next, in a state where the gas pressure in the chamber 50 is stable, high frequency power is applied to the sputtering source 51 of germanium simple substance by a high frequency power source 52 for a predetermined time. Thereby, a negative electrode active material layer made of germanium alone is deposited on the negative electrode current collector.
なお、このように、スパッタリング装置によりゲルマニウム単体からなる負極活物質層を堆積することに限定されず、例えば、ゲルマニウム単体を含む薄膜または箔を負極活物質層として負極集電体上に形成してもよい。 As described above, the present invention is not limited to depositing a negative electrode active material layer made of germanium alone by a sputtering apparatus. For example, a thin film or foil containing germanium alone is formed on a negative electrode current collector as a negative electrode active material layer. Also good.
また、ゲルマニウム単体に限定されず、例えば錫(Sn)単体からなる負極活物質層を負極集電体上に形成してもよい。 Moreover, it is not limited to a germanium simple substance, For example, you may form the negative electrode active material layer which consists of a tin (Sn) simple substance on a negative electrode electrical power collector.
次いで、ゲルマニウム単体からなる負極活物質層が堆積された負極集電体を、例えば2cm×2cmの大きさに切り取り、負極タブをこれに取り付けることにより負極を作製する。 Next, the negative electrode current collector on which the negative electrode active material layer made of germanium alone is deposited is cut into a size of, for example, 2 cm × 2 cm, and a negative electrode tab is attached to the negative electrode current collector to produce a negative electrode.
ここで、上記粗面化された圧延箔における日本工業規格(JIS B 0601−1994)に定められた表面粗さを表すパラメータである算術平均粗さRaは、0.1μm以上10μm以下であることが好ましい。算術平均粗さRaは、例えば触針式表面粗さ計により測定することができる。 Here, the arithmetic average roughness Ra, which is a parameter representing the surface roughness defined in Japanese Industrial Standards (JIS B 0601-1994) in the roughened rolled foil, is 0.1 μm or more and 10 μm or less. Is preferred. The arithmetic average roughness Ra can be measured by, for example, a stylus type surface roughness meter.
表面が凹凸状に形成された圧延箔からなる負極集電体上に非晶質の負極活物質層を堆積させると、負極活物質層の表面は、負極集電体上の凹凸形状に対応した形状となる。 When an amorphous negative electrode active material layer was deposited on a negative electrode current collector made of a rolled foil having a concavo-convex surface, the surface of the negative electrode active material layer corresponded to the concavo-convex shape on the negative electrode current collector. It becomes a shape.
このような負極活物質層を用いて充放電を行うと、負極活物質層の膨張および収縮に伴う応力が負極活物質層の凹凸部に集中し、負極活物質層の凹凸部に切れ目が形成される。この切れ目によって充放電により発生する応力が分散される。それにより、可逆的な充放電が行われやすくなり、優れた充放電特性を得ることができる。 When charging / discharging is performed using such a negative electrode active material layer, the stress accompanying the expansion and contraction of the negative electrode active material layer concentrates on the concave and convex portions of the negative electrode active material layer, and cuts are formed in the concave and convex portions of the negative electrode active material layer Is done. The stress generated by charging / discharging is dispersed by this break. Thereby, reversible charge / discharge is easily performed, and excellent charge / discharge characteristics can be obtained.
[非水電解質の作製]
非水電解質としては、非水溶媒に電解質塩を溶解させたものを用いることができる。
[Preparation of non-aqueous electrolyte]
As the non-aqueous electrolyte, an electrolyte salt dissolved in a non-aqueous solvent can be used.
非水溶媒としては、通常電池用の非水溶媒として用いられる環状炭酸エステル、鎖状炭酸エステル、エステル類、環状エーテル類、鎖状エーテル類、ニトリル類、アミド類等およびこれらの組合せからなるものが挙げられる。 Examples of non-aqueous solvents include cyclic carbonates, chain carbonates, esters, cyclic ethers, chain ethers, nitriles, amides, and the like, which are usually used as non-aqueous solvents for batteries. Is mentioned.
環状炭酸エステルとしては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート等が挙げられ、これらの水素基の一部または全部がフッ素化されているものも用いることが可能で、例えば、トリフルオロプロピレンカーボネート、フルオロエチルカーボネート等が挙げられる。 Examples of the cyclic carbonate include ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, etc., and those in which some or all of these hydrogen groups are fluorinated can be used. For example, trifluoropropylene carbonate, fluoro Examples include ethyl carbonate.
鎖状炭酸エステルとしては、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、メチルイソプロピルカーボネート等が挙げられ、これらの水素基の一部または全部がフッ素化されているものも用いることが可能である。 Examples of the chain carbonic acid ester include dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, diethyl carbonate, methyl propyl carbonate, ethyl propyl carbonate, methyl isopropyl carbonate, and the like. Some of these hydrogen groups are fluorinated. It is possible to use.
エステル類としては、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、γ−ブチロラクトン等が挙げられる。環状エーテル類としては、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1、3−ジオキソラン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、プロピレンオキシド、1,2−ブチレンオキシド、1,4−ジオキサン、1,3,5−トリオキサン、フラン、2−メチルフラン、1,8−シネオール、クラウンエーテル等が挙げられる。 Examples of the esters include methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, and γ-butyrolactone. Examples of cyclic ethers include 1,3-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, propylene oxide, 1,2-butylene oxide, 1,4-dioxane, 1,3,5. -Trioxane, furan, 2-methylfuran, 1,8-cineol, crown ether, etc. are mentioned.
鎖状エーテル類としては、1,2−ジメトキシエタン、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ジブチルエーテル、ジヘキシルエーテル、エチルビニルエーテル、ブチルビニルエーテル、メチルフェニルエーテル、エチルフェニルエーテル、ブチルフェニルエーテル、ペンチルフェニルエーテル、メトキシトルエン、ベンジルエチルエーテル、ジフェニルエーテル、ジベンジルエーテル、o−ジメトキシベンゼン、1,2−ジエトキシエタン、1,2−ジブトキシエタン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル、1,1−ジメトキシメタン、1,1−ジエトキシエタン、トリエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチル等が挙げられる。 As chain ethers, 1,2-dimethoxyethane, diethyl ether, dipropyl ether, diisopropyl ether, dibutyl ether, dihexyl ether, ethyl vinyl ether, butyl vinyl ether, methyl phenyl ether, ethyl phenyl ether, butyl phenyl ether, pentyl phenyl Ether, methoxytoluene, benzyl ethyl ether, diphenyl ether, dibenzyl ether, o-dimethoxybenzene, 1,2-diethoxyethane, 1,2-dibutoxyethane, diethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol diethyl ether, diethylene glycol dibutyl ether, 1,1 -Dimethoxymethane, 1,1-diethoxyethane, triethylene glycol dimethyl ether, tetraethy Glycols dimethyl, and the like.
ニトリル類としては、アセトニトリル等が挙げられ、アミド類としては、ジメチルホルムアミド等が挙げられる。 Nitriles include acetonitrile and the like, and amides include dimethylformamide and the like.
電解質塩としては、例えば六フッ化リン酸ナトリウム(NaPF6 )、四フッ化ホウ酸ナトリウム(NaBF4 )、NaCF3 SO3 、NaBeTi等の非水溶媒に可溶な過酸化物でない安全性の高いものを用いる。なお、上記の電解質塩のうち1種を用いてもよく、あるいは2種以上を組み合わせて用いてもよい。 Examples of electrolyte salts include non-peroxides that are soluble in nonaqueous solvents such as sodium hexafluorophosphate (NaPF 6 ), sodium tetrafluoroborate (NaBF 4 ), NaCF 3 SO 3 , and NaBeTi. Use expensive ones. In addition, 1 type may be used among said electrolyte salt, and may be used in combination of 2 or more type.
本実施の形態では、非水電解質として、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとを体積比50:50の割合で混合した非水溶媒に、電解質塩としての六フッ化リン酸ナトリウムを1mol/lの濃度になるように添加したものを用いる。 In the present embodiment, as a nonaqueous electrolyte, a nonaqueous solvent in which ethylene carbonate and diethyl carbonate are mixed at a volume ratio of 50:50, and sodium hexafluorophosphate as an electrolyte salt to a concentration of 1 mol / l. What was added so that it may become is used.
[非水電解質二次電池の作製]
上記の正極、負極および非水電解質を用いて、以下に示すように、非水電解質二次電池を作製する。
[Preparation of non-aqueous electrolyte secondary battery]
Using the positive electrode, the negative electrode and the non-aqueous electrolyte, a non-aqueous electrolyte secondary battery is produced as shown below.
図2は、本実施の形態に係る非水電解質二次電池の試験セルの概略説明図である。 FIG. 2 is a schematic explanatory diagram of a test cell of the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present embodiment.
図2に示すように、不活性雰囲気下において、上記正極1にリードを取り付けるとともに、上記負極2にリードを取り付ける。 As shown in FIG. 2, a lead is attached to the positive electrode 1 and a lead is attached to the negative electrode 2 in an inert atmosphere.
次に、正極1と負極2との間にセパレータ4を挿入し、セル容器10内に正極1、負極2および例えばナトリウム金属からなる参照極3を配置する。そして、セル容器10内に上記非水電解質5を注入することにより試験セルとしての非水電解質二次電池を作製する。 Next, the separator 4 is inserted between the positive electrode 1 and the negative electrode 2, and the positive electrode 1, the negative electrode 2, and the reference electrode 3 made of, for example, sodium metal are disposed in the cell container 10. And the nonaqueous electrolyte secondary battery as a test cell is produced by inject | pouring the said nonaqueous electrolyte 5 in the cell container 10. FIG.
(本実施の形態における効果)
本実施の形態では、コバルト酸ナトリウムを含む正極に対して、ナトリウムイオンが十分に吸蔵および放出される。また、ゲルマニウム単体を含む負極に対してもナトリウムイオンが十分に吸蔵および放出される。
(Effect in this Embodiment)
In the present embodiment, sodium ions are sufficiently occluded and released from the positive electrode containing sodium cobaltate. In addition, sodium ions are sufficiently occluded and released from the negative electrode containing germanium alone.
また、上記のような正極および負極を用いることにより、可逆的な充放電を行うことが可能で良好な充放電特性を得ることが可能な非水電解質二次電池を実現することができる。 Further, by using the positive electrode and the negative electrode as described above, it is possible to realize a non-aqueous electrolyte secondary battery that can be reversibly charged and discharged and that can obtain good charge and discharge characteristics.
また、コバルト酸ナトリウムからナトリウムイオンが放出されても、コバルト酸ナトリウムが熱安定性に優れていることにより、熱安定性に優れた非水電解質二次電池を得ることができる。 In addition, even when sodium ions are released from sodium cobaltate, a nonaqueous electrolyte secondary battery excellent in thermal stability can be obtained because sodium cobaltate is excellent in thermal stability.
さらに、資源的に豊富なナトリウムを使用することにより非水電解質二次電池の低コスト化を図ることができる。 Furthermore, the cost of the nonaqueous electrolyte secondary battery can be reduced by using abundant sodium.
(参考例1およびその評価)
以下の点を除いて、上述の本実施の形態に基づいて作製した非水電解質二次電池の充放電特性を調べた。
( Reference Example 1 and its evaluation)
Except for the following points, the charge / discharge characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary battery produced based on the above-described embodiment were examined.
参考例1で作製した非水電解質二次電池の構成が、上記本実施の形態に係る非水電解質二次電池の構成と異なる点は、負極2がナトリウム金属からなる点である。
The configuration of the nonaqueous electrolyte secondary battery produced in Reference Example 1 is different from the configuration of the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present embodiment in that the negative electrode 2 is made of sodium metal.
図3は、参考例1の非水電解質二次電池の充放電特性を示したグラフである。
FIG. 3 is a graph showing the charge / discharge characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary battery of Reference Example 1.
作製した上記非水電解質二次電池において、0.025mA/cm2 の定電流で参照極3を基準とする正極1の電位が4.3Vに達するまで充電を行った。その後、0.025mA/cm2 の定電流で、参照極3を基準とする正極1の電位が2.5Vに達するまで放電を行うことにより3サイクルの充放電特性を調べた。 In the produced non-aqueous electrolyte secondary battery, charging was performed at a constant current of 0.025 mA / cm 2 until the potential of the positive electrode 1 based on the reference electrode 3 reached 4.3V. Thereafter, discharge was performed at a constant current of 0.025 mA / cm 2 until the potential of the positive electrode 1 based on the reference electrode 3 reached 2.5 V, thereby examining the charge / discharge characteristics of three cycles.
その結果、図3に示すように、良好に充放電が行われていることがわかった。 As a result, as shown in FIG. 3, it was found that charging / discharging was performed satisfactorily.
すなわち、ナトリウムイオンが正極1に対して可逆的に吸蔵および放出されていることが明らかになった。それにより、リチウムイオンを利用する従来の非水電解質二次電池に代わる上記新たな非水電解質二次電池の有効性を確認することができた。 That is, it became clear that sodium ions were reversibly occluded and released from the positive electrode 1. As a result, the effectiveness of the new non-aqueous electrolyte secondary battery replacing the conventional non-aqueous electrolyte secondary battery using lithium ions could be confirmed.
(実施例2およびその評価)
実施例2では、上述の本実施の形態に基づいて作製した非水電解質二次電池の充放電特性を調べた。
(Example 2 and its evaluation)
In Example 2, the charge / discharge characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary battery produced based on the above-described embodiment were examined.
図4は、実施例2の非水電解質二次電池の充放電特性を示したグラフである。 FIG. 4 is a graph showing the charge / discharge characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary battery of Example 2.
作製した上記非水電解質二次電池において、0.3mA/cm2 の定電流で参照極3を基準とする正極1の電位が4.5Vに達するまで充電を行った。その後、0.3mA/cm2 の定電流で、参照極3を基準とする正極1の電位が2.5Vに達するまで放電を行うことにより5サイクルの充放電特性を調べた。 In the produced non-aqueous electrolyte secondary battery, charging was performed at a constant current of 0.3 mA / cm 2 until the potential of the positive electrode 1 based on the reference electrode 3 reached 4.5V. Thereafter, discharging was performed at a constant current of 0.3 mA / cm 2 until the potential of the positive electrode 1 based on the reference electrode 3 reached 2.5 V, thereby examining the charge / discharge characteristics of 5 cycles.
その結果、図4に示すように、良好に充放電が行われていることがわかった。 As a result, as shown in FIG. 4, it was found that charging / discharging was performed satisfactorily.
すなわち、ナトリウムイオンが正極1および負極2に対して可逆的に吸蔵および放出されていることが明らかになった。それにより、リチウムイオンを利用する従来の非水電解質二次電池に代わる上記新たな非水電解質二次電池の有効性を確認することができた。 That is, it was revealed that sodium ions were reversibly occluded and released from the positive electrode 1 and the negative electrode 2. As a result, the effectiveness of the new non-aqueous electrolyte secondary battery replacing the conventional non-aqueous electrolyte secondary battery using lithium ions could be confirmed.
(参考例1および実施例2の総合評価)
上記参考例1および実施例2における充放電試験の初期充電容量密度、初期放電容量密度、初期充放電効率および放電容量密度維持率を表2に示す。
(Comprehensive evaluation of Reference Example 1 and Example 2)
Table 2 shows the initial charge capacity density, the initial discharge capacity density, the initial charge / discharge efficiency, and the discharge capacity density retention rate of the charge / discharge test in Reference Example 1 and Example 2.
なお、初期充放電効率は、初期充電容量密度に対する初期放電容量密度の比率(%)により定義され、放電容量密度維持率は、初期放電容量密度に対するあるサイクル時の放電容量密度の比率により定義される。 The initial charge / discharge efficiency is defined by the ratio (%) of the initial discharge capacity density to the initial charge capacity density, and the discharge capacity density maintenance factor is defined by the ratio of the discharge capacity density at a certain cycle to the initial discharge capacity density. The
参考例1の放電容量密度維持率は、初期放電容量密度に対する3サイクル時の放電容量密度の比率により算出し、実施例2の放電容量密度維持率は、初期放電容量密度に対する5サイクル時の放電容量密度の比率により算出した。
The discharge capacity density maintenance rate of Reference Example 1 was calculated by the ratio of the discharge capacity density at the time of 3 cycles to the initial discharge capacity density, and the discharge capacity density maintenance rate of Example 2 was the discharge at the time of 5 cycles relative to the initial discharge capacity density It was calculated by the ratio of capacity density.
表2に示すように、参考例1および実施例2ともに、90%を超える良好な放電容量密度維持率を得られることがわかった。
As shown in Table 2, in both Reference Example 1 and Example 2, it was found that a good discharge capacity density maintenance rate exceeding 90% can be obtained.
(参考例3およびその評価)
参考例1の非水電解質二次電池を解体し、コバルト酸ナトリウム(NaCoO2 )から
なる正極活物質層をXRD(X線回折装置)により測定した。なお、測定条件として、X線源にはCuKα線(λ=0.15418nm)を用い、印加電圧および印加電流をそれぞれ40kVおよび40mAとした。
( Reference Example 3 and its evaluation)
The nonaqueous electrolyte secondary battery of Reference Example 1 was disassembled, and the positive electrode active material layer made of sodium cobaltate (NaCoO 2 ) was measured by XRD (X-ray diffractometer). As measurement conditions, CuKα ray (λ = 0.15418 nm) was used as the X-ray source, and the applied voltage and applied current were 40 kV and 40 mA, respectively.
図5は、参考例1のXRD測定の測定結果を示したグラフである。なお、XRD測定は、正極活物質層が空気に触れないようにするため正極活物質層をビニール袋内に入れ、このビニール袋を密閉して行った。なお、参考として、JCPDSにおけるカード番号301183のコバルト酸ナトリウム(NaCoO2 )、およびカード番号321068のコバルト酸ナトリウム(Na0.75 CoO2 )のXRDパターンを、それぞれ図6および図7に示す。
FIG. 5 is a graph showing the measurement results of the XRD measurement of Reference Example 1. The XRD measurement was performed by putting the positive electrode active material layer in a plastic bag and sealing the plastic bag so that the positive electrode active material layer did not come into contact with air. For reference, XRD patterns of sodium cobaltate (NaCoO 2 ) with a card number of 301833 and sodium cobaltate (Na 0.75 CoO 2 ) with a card number of 321068 in JCPDS are shown in FIGS. 6 and 7, respectively.
図5において、回折角2θが17°付近のX線のピークは、正極にナトリウムイオンが挿入された場合のものである。 In FIG. 5, the peak of the X-ray with a diffraction angle 2θ of around 17 ° is that when sodium ions are inserted into the positive electrode.
上記XRD測定の結果、ナトリウムイオンがコバルト酸ナトリウムを含む正極1に確実に吸蔵されていることがわかった。 As a result of the XRD measurement, it was found that sodium ions were reliably occluded in the positive electrode 1 containing sodium cobaltate.
本発明に係る非水電解質二次電池は、携帯用電源および自動車用電源等の種々の電源として利用することができる。 The nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention can be used as various power sources such as a portable power source and an automotive power source.
1 正極
2 負極
3 参照極
4 セパレータ
5 非水電解質
10 セル容器
50 チャンバ
51 スパッタ源
52 高周波電源
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Positive electrode 2 Negative electrode 3 Reference electrode 4 Separator 5 Nonaqueous electrolyte 10 Cell container 50 Chamber 51 Sputter source 52 High frequency power supply
Claims (5)
前記ナトリウムおよびコバルトを含む酸化物は、Na x Co y O 2 を含み、前記xは0より大きく1.0以下であり、前記yは1.5未満であり、
前記非水電解質は、六フッ化リン酸ナトリウムを含む、
ことを特徴とする非水電解質二次電池。 The positive electrode active material comprises a positive electrode made of an oxide containing sodium and cobalt, a negative electrode containing germanium alone, and a non-aqueous electrolyte ,
The oxide containing sodium and cobalt contains Na x Co y O 2 , x is greater than 0 and less than or equal to 1.0, and y is less than 1.5;
The non-aqueous electrolyte includes sodium hexafluorophosphate,
A non-aqueous electrolyte secondary battery.
The non-aqueous electrolyte includes one or more selected from the group consisting of cyclic carbonates, chain carbonates, esters, cyclic ethers, chain ethers, nitriles and amides. The nonaqueous electrolyte secondary battery according to any one of claims 1 to 4 .
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