JP2019160669A - Alkali storage battery - Google Patents
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Abstract
Description
本開示はアルカリ蓄電池に関する。 The present disclosure relates to alkaline storage batteries.
特開2007−273407号公報(特許文献1)はニッケル亜鉛電池を開示している。 Japanese Patent Laying-Open No. 2007-273407 (Patent Document 1) discloses a nickel zinc battery.
アルカリ蓄電池の負極活物質として亜鉛(Zn)が知られている。Znは比較的低い電極電位を有し得る。負極活物質としてZnが採用されることにより、高エネルギー密度を有するアルカリ蓄電池が構築され得る。しかしながら該アルカリ蓄電池は充放電サイクル特性に改善の余地がある。 Zinc (Zn) is known as a negative electrode active material for alkaline storage batteries. Zn can have a relatively low electrode potential. By adopting Zn as the negative electrode active material, an alkaline storage battery having a high energy density can be constructed. However, the alkaline storage battery has room for improvement in charge / discharge cycle characteristics.
本開示の目的は、負極活物質として亜鉛を含むアルカリ蓄電池の充放電サイクル特性を向上させることである。 An object of the present disclosure is to improve charge / discharge cycle characteristics of an alkaline storage battery containing zinc as a negative electrode active material.
以下本開示の技術的構成および作用効果が説明される。ただし本開示の作用メカニズムは推定を含んでいる。作用メカニズムの正否により特許請求の範囲が限定されるべきではない。 The technical configuration and operational effects of the present disclosure will be described below. However, the mechanism of action of the present disclosure includes estimation. The scope of the claims should not be limited by the correctness of the action mechanism.
〔1〕本開示のアルカリ蓄電池は正極、負極およびアルカリ水溶液を少なくとも含む。負極は負極活物質層および被覆層を少なくとも含む。負極活物質層は亜鉛および酸化亜鉛からなる群より選択される少なくとも1種を含む。被覆層は負極活物質層の表面の少なくとも一部を被覆している。被覆層は層状複水酸化物を含む。層状複水酸化物は水酸化物イオン伝導性を有する。アルカリ水溶液は界面活性剤を含む。 [1] The alkaline storage battery of the present disclosure includes at least a positive electrode, a negative electrode, and an alkaline aqueous solution. The negative electrode includes at least a negative electrode active material layer and a coating layer. The negative electrode active material layer includes at least one selected from the group consisting of zinc and zinc oxide. The coating layer covers at least a part of the surface of the negative electrode active material layer. The coating layer includes a layered double hydroxide. The layered double hydroxide has hydroxide ion conductivity. The alkaline aqueous solution contains a surfactant.
Znが負極活物質である場合、アルカリ蓄電池の負極反応(主反応)は下記式により表され得る。
主反応:(充電)Zn+2OH- ←→ ZnO+H2O+2e-(放電)
When Zn is a negative electrode active material, the negative electrode reaction (main reaction) of an alkaline storage battery can be represented by the following formula.
Main reaction: (Charge) Zn + 2OH − ← → ZnO + H 2 O + 2e − (Discharge)
該主反応と共に下記式の副反応も起こり得ると考えられる。
副反応:(充電)Zn+4OH- ←→ Zn(OH)4 2-+2e-(放電)
It is considered that a side reaction represented by the following formula may occur together with the main reaction.
Side reaction: (charge) Zn + 4OH − ← → Zn (OH) 4 2 + 2e − (discharge)
該副反応により、放電時にZnが亜鉛酸イオン〔Zn(OH)4 2-〕となってアルカリ水溶液(電解液)に拡散すると考えられる。Zn(OH)4 2-は、充電時にZn(金属)として再析出すると考えられる。Znの再析出により、デンドライド(樹枝状)成長が起こると考えられる。Znのデンドライト成長によりZnの利用率が低下するため、放電容量が低下すると考えられる。すなわち充放電サイクル特性が低下すると考えられる。 By this side reaction, Zn is considered to be zincate ion [Zn (OH) 4 2− ] and diffuse into the alkaline aqueous solution (electrolytic solution) during discharge. Zn (OH) 4 2− is considered to reprecipitate as Zn (metal) during charging. It is considered that dendrid (dendritic) growth occurs by reprecipitation of Zn. It is considered that the discharge capacity decreases because Zn utilization decreases due to the dendrite growth of Zn. That is, it is considered that the charge / discharge cycle characteristics deteriorate.
本開示のアルカリ蓄電池では、負極活物質層の表面に被覆層が形成されている。被覆層は層状複水酸化物(layered double hydroxide,LDH)を含む。LDHは水酸化物イオン(OH-)伝導性を有する。OH-はアルカリ蓄電池の電荷キャリアである。OH-はLDHを伝導パスとして、アルカリ水溶液から負極活物質層に供給され、かつ負極活物質層からアルカリ水溶液に拡散し得ると考えられる。すなわち被覆層があっても、負極反応(上記の主反応)は進行し得ると考えられる。 In the alkaline storage battery of the present disclosure, a coating layer is formed on the surface of the negative electrode active material layer. The coating layer includes a layered double hydroxide (LDH). LDH has hydroxide ion (OH − ) conductivity. OH − is the charge carrier of the alkaline storage battery. It is considered that OH − can be supplied from the alkaline aqueous solution to the negative electrode active material layer using LDH as a conduction path and can diffuse from the negative electrode active material layer into the alkaline aqueous solution. That is, it is considered that the negative electrode reaction (the main reaction described above) can proceed even if there is a coating layer.
他方LDHは、Zn(OH)4 2-の伝導パスにはなり難いと考えられる。そのためZn(OH)4 2-が生成されても、Zn(OH)4 2-がアルカリ水溶液に拡散することは抑制されると考えられる。その結果、Znの近傍においてZn(OH)4 2-の濃度が高くなるため、Znの溶出頻度が低減されると考えられる。 On the other hand, LDH is unlikely to be a conduction path of Zn (OH) 4 2− . Therefore, even if Zn (OH) 4 2− is generated, it is considered that the diffusion of Zn (OH) 4 2− into the alkaline aqueous solution is suppressed. As a result, since the concentration of Zn (OH) 4 2− increases in the vicinity of Zn, it is considered that the elution frequency of Zn is reduced.
さらに本開示のアルカリ蓄電池では、アルカリ水溶液が界面活性剤を含む。アルカリ水溶液が界面活性剤を含むことにより、Znのデンドライト成長の抑制が期待される。界面活性剤により、Zn析出時の核生成量が多くなるためと考えられる。 Furthermore, in the alkaline storage battery of the present disclosure, the alkaline aqueous solution contains a surfactant. When the alkaline aqueous solution contains a surfactant, suppression of Zn dendrite growth is expected. This is probably because the amount of nucleation during Zn deposition is increased by the surfactant.
以上の作用の相乗により、本開示のアルカリ蓄電池ではZnのデンドライト成長の抑制が期待される。すなわち充放電サイクル特性の向上が期待される。 Due to the synergy of the above actions, the alkaline storage battery of the present disclosure is expected to suppress the dendrite growth of Zn. That is, an improvement in charge / discharge cycle characteristics is expected.
〔2〕界面活性剤は例えばカチオン界面活性剤およびノニオン界面活性剤からなる群より選択される少なくとも1種であってもよい。これにより充放電サイクル特性の向上が期待される。Zn析出時の核生成量が多くなるためと考えられる。 [2] The surfactant may be at least one selected from the group consisting of, for example, a cationic surfactant and a nonionic surfactant. This is expected to improve charge / discharge cycle characteristics. This is probably because the amount of nucleation during Zn deposition increases.
〔4〕層状複水酸化物は例えば下記式(I):
[M2+ 1-xM3+ x(OH)2][An- x/n・mH2O] …(I)
〔ただし式(I)中、M2+はMg2+であり、M3+はAl3+またはGa3+であり、An-はn価のアニオンであり、nは1以上の整数であり、xは0.1≦x≦0.4を満たし、かつmは0以上である。〕
により表されてもよい。これにより充放電サイクル特性の向上が期待される。
[4] The layered double hydroxide is, for example, the following formula (I):
[M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 ] [A n- x / n · mH 2 O] (I)
[However in formula (I), M 2+ is Mg 2+, M 3+ is Al 3+ or Ga 3+, A n- is an n-valent anion, n represents integer of 1 or more X satisfies 0.1 ≦ x ≦ 0.4, and m is 0 or more. ]
May be represented by This is expected to improve charge / discharge cycle characteristics.
以下本開示の実施形態(本明細書では「本実施形態」と記される)が説明される。ただし以下の説明は特許請求の範囲を限定するものではない。例えば本明細書では、アルカリ蓄電池として主にニッケル亜鉛電池が説明される。ただしニッケル亜鉛電池は本実施形態のアルカリ蓄電池の一例に過ぎない。本実施形態のアルカリ蓄電池は充電が可能でありかつ負極活物質が亜鉛である限り、ニッケル亜鉛電池に限定されるべきではない。本実施形態のアルカリ蓄電池は例えば空気亜鉛電池等でもあり得る。以下アルカリ蓄電池が「電池」と略記され得る。 Hereinafter, an embodiment of the present disclosure (referred to as “the present embodiment” in the present specification) will be described. However, the following description does not limit the scope of the claims. For example, in this specification, a nickel zinc battery is mainly described as an alkaline storage battery. However, the nickel zinc battery is only an example of the alkaline storage battery of the present embodiment. The alkaline storage battery of this embodiment should not be limited to a nickel zinc battery as long as it can be charged and the negative electrode active material is zinc. The alkaline storage battery of the present embodiment can be, for example, an air zinc battery. Hereinafter, the alkaline storage battery may be abbreviated as “battery”.
<アルカリ蓄電池>
図1は本実施形態のアルカリ蓄電池の構成の一例を示す平面概略図である。
電池100は外装材90を含む。外装材90は一対のアルミラミネートフィルムを含む。外装材90は、2枚のアルミラミネートフィルムがそれらの周縁で熱溶着されることにより形成されている。すなわち電池100はラミネート型電池である。
<Alkaline battery>
FIG. 1 is a schematic plan view showing an example of the configuration of the alkaline storage battery of the present embodiment.
The
ただし電池100はラミネート型電池に限定されるべきではない。電池100は例えば角形電池であってもよい。電池100は例えば円筒形電池であってもよい。外装材90は例えば金属製であってもよい。外装材90は例えば高分子材料製であってもよい。
However, the
図2は本実施形態のアルカリ蓄電池の構成の一例を示す断面概略図である。
外装材90は電極群50およびアルカリ水溶液(不図示)を収納している。電極群50は正極10、負極20およびセパレータ30を含む。すなわち電池100は正極10、負極20およびアルカリ水溶液を少なくとも含む。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of the configuration of the alkaline storage battery of the present embodiment.
The
電極群50は、正極10および負極20が積層されることにより形成されている。正極10および負極20の間にはセパレータ30が配置されている。電極群50は複数枚の正極10および複数枚の負極20が交互に積層されることにより形成されていてもよい。正極10および負極20の各間にはセパレータ30がそれぞれ配置される。電極群50は、正極10、セパレータ30および負極20がこの順序に積層され、さらにこれらが渦巻状に巻回されることにより形成されていてもよい。
The
《負極》
負極20はシート状である。負極20は負極タブ82と電気的に接続されている。負極タブ82は外装材90の外部に突出している(図1を参照のこと)。負極タブ82は例えば銅薄板等であってもよい。
<Negative electrode>
The
負極20は負極活物質層21および被覆層22を少なくとも含む。負極20は負極集電体23をさらに含んでもよい。負極集電体23は例えば銅箔、銅製の穿孔金属板(パンチングメタル)等であってもよい。負極集電体23は例えば10μm以上1000μm以下の厚さを有してもよい。
The
本明細書において各構成の「厚さ」は例えばマイクロメータ等により測定され得る。各構成の厚さは断面顕微鏡画像等において測定されてもよい。厚さは少なくとも3箇所で測定される。少なくとも3箇所の算術平均が採用される。 In this specification, the “thickness” of each component can be measured by, for example, a micrometer. The thickness of each component may be measured in a cross-sectional microscope image or the like. Thickness is measured at at least three locations. An arithmetic average of at least three places is adopted.
(負極活物質層)
負極活物質層21は負極集電体23の表面に形成されていてもよい。負極活物質層21は例えば100μm以上1000μm以下の厚さを有してもよい。負極活物質層21は負極活物質を少なくとも含む。負極活物質はZnである。Znは放電により酸化亜鉛(ZnO)に変化すると考えられる。ZnOは充電によりZnに変化すると考えられる。すなわち負極活物質層21はZnおよびZnOからなる群より選択される少なくとも1種を含む。
(Negative electrode active material layer)
The negative electrode
負極活物質は典型的には粒子群(粉体)である。負極活物質は例えば1μm以上500μm以下のd50を有してもよい。本明細書の「d50」はレーザ回折散乱法によって測定される粒度分布において、積算粒子体積が全粒子体積の50%になる粒径を示す。 The negative electrode active material is typically a particle group (powder). The negative electrode active material may have a d50 of 1 μm or more and 500 μm or less, for example. “D50” in the present specification indicates a particle size at which the cumulative particle volume is 50% of the total particle volume in the particle size distribution measured by the laser diffraction scattering method.
負極活物質層21は例えばバインダをさらに含んでもよい。負極活物質層21は例えば次のようにして形成され得る。すなわち負極活物質、バインダおよび溶媒が混合されることにより、ペーストが調製される。ペーストが負極集電体23の表面に塗布されることにより、負極活物質層21が形成され得る。ペーストの溶媒は例えば水、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)等であってもよい。ペーストの溶媒は例えばアルカリ水溶液であってもよい。
The negative electrode
バインダの含量は100質量部の負極活物質に対して、例えば0.1質量部以上10質量部以下であってもよい。バインダは、例えばアルカリ水溶液を吸収することによりゲルを形成する高分子材料であってもよい。すなわち負極活物質層21はゲル状であってもよい。バインダは例えばポリフッ化ビニリデン(PVDF)、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロペン共重合体(PVDF−HFP)、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリアクリル酸(PAA)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等であってもよい。1種のバインダが単独で使用されてもよい。2種以上のバインダが組み合わされて使用されてもよい。
The content of the binder may be, for example, 0.1 parts by mass or more and 10 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material. The binder may be, for example, a polymer material that forms a gel by absorbing an alkaline aqueous solution. That is, the negative electrode
負極活物質層21は導電材をさらに含んでもよい。導電材は、例えばカーボンブラック(例えばアセチレンブラック等)、黒鉛、炭素短繊維等であってもよい。導電材の含量は100質量部の負極活物質に対して、例えば1質量部以上20質量部以下であってもよい。
The negative electrode
負極活物質層21は添加剤をさらに含んでもよい。添加剤としては、例えばZnの腐食を抑制するための腐食抑制剤等が考えられる。腐食抑制剤は例えば酸化インジウム、酸化ビスマス等であってもよい。添加剤の含量は100質量部の負極活物質に対して、例えば0.1質量部以上10質量部以下であってもよい。
The negative electrode
(被覆層)
被覆層22は負極活物質層21の表面の少なくとも一部を被覆している。ここでの「表面」は正極10と対向する表面を示す。被覆層22によりZn(OH)4 2-がアルカリ水溶液に拡散することが抑制されると考えられる。被覆層22は実質的に負極活物質層21の表面全体を被覆していることが望ましい。ただし充放電サイクル特性が向上し得る限り、負極活物質層21の表面に被覆層22によって被覆されていない領域があってもよい。
(Coating layer)
The
被覆層22は例えば0.01μm以上10μm以下の厚さを有してもよい。被覆層22は層状複水酸化物(LDH)を含む。被覆層22は実質的にLDHのみから形成されていてもよい。例えばゾルゲル法、水熱法等により、負極活物質層21の表面においてLDHが合成されることにより、実質的にLDHのみからなる被覆層22が形成されてもよい。
The
被覆層22は例えばバインダ等をさらに含んでもよい。被覆層22は、例えばLDHおよびバインダ等を含むペーストが負極活物質層21の表面に塗布されることにより形成されてもよい。バインダの含量は100質量部のLDHに対して、例えば0.1質量部以上10質量部以下であってもよい。バインダは例えば負極活物質層21のバインダとして例示された材料であってもよい。
The
本実施形態のLDHは水酸化物イオン伝導性を有する。本実施形態のLDHはZn(OH)4 2-を実質的に伝導しないことが望ましい。LDHの結晶構造は、基本層および中間層が交互に積層されることにより形成されている。基本層は[M2+ 1-xM3+ x(OH)2]x+により表される。中間層は[An- x/n・mH2O]x-により表される。LDHの層間におけるOH-のインターカレーションにより、水酸化物イオン伝導性が示されると考えられる。 The LDH of this embodiment has hydroxide ion conductivity. It is desirable that the LDH of this embodiment does not substantially conduct Zn (OH) 4 2- . The crystal structure of LDH is formed by alternately laminating basic layers and intermediate layers. The base layer is represented by [M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 ] x + . The intermediate layer is represented by [A n− x / n · mH 2 O] x− . It is considered that hydroxide ion conductivity is exhibited by intercalation of OH − between layers of LDH.
基本層〔[M2+ 1-xM3+ x(OH)2]x+〕に含まれる「M2+」は2価のカチオンを示す。2価のカチオンは例えばMg2+、Mn2+、Fe2+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+等であってもよい。基本層に2価のカチオンが1種単独で含まれてもよい。基本層に2価のカチオンが2種以上含まれてもよい。 “M 2+ ” contained in the base layer [[M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 ] x + ] represents a divalent cation. The divalent cation may be, for example, Mg 2+ , Mn 2+ , Fe 2+ , Co 2+ , Ni 2+ , Cu 2+ , Zn 2+ and the like. The base layer may contain one divalent cation alone. Two or more divalent cations may be contained in the basic layer.
基本層〔[M2+ 1-xM3+ x(OH)2]x+〕に含まれる「M3+」は3価のカチオンを示す。3価のカチオン(M3+)は例えばAl3+、Mn3+、Fe3+、Co3+、Ni3+、Cr3+、Ga3+等であってもよい。基本層に3価のカチオンが1種単独で含まれてもよい。基本層に3価のカチオンが2種以上含まれてもよい。 “M 3+ ” contained in the basic layer [[M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 ] x + ] represents a trivalent cation. The trivalent cation (M 3+ ) may be, for example, Al 3+ , Mn 3+ , Fe 3+ , Co 3+ , Ni 3+ , Cr 3+ , Ga 3+ and the like. A trivalent cation may be contained alone in the base layer. Two or more trivalent cations may be contained in the basic layer.
以下本明細書では、基本層のM2+がMg2+であり、かつ基本層のM3+がAl3+であるLDHが「Mg−Al系LDH」と記される。基本層のM2+がNi2+であり、かつ基本層のM3+がAl3+であるLDHが「Ni−Al系LDH」と記される。基本層のM2+がMg2+であり、かつ基本層のM3+がGa3+であるLDHが「Mg−Ga系LDH」と記される。被覆層22に1種のLDHが単独で含まれてもよい。被覆層22に2種以上のLDHが含まれてもよい。例えば被覆層22にMg−Al系LDH、Ni−Al系LDHおよびMg−Ga系LDHからなる群より選択される少なくとも1種が含まれてもよい。
Hereinafter, LDH in which M 2+ of the base layer is Mg 2+ and M 3+ of the base layer is Al 3+ is referred to as “Mg—Al-based LDH”. LDH in which M 2+ of the basic layer is Ni 2+ and M 3+ of the basic layer is Al 3+ is referred to as “Ni—Al-based LDH”. An LDH in which M 2+ in the base layer is Mg 2+ and M 3+ in the base layer is Ga 3+ is referred to as “Mg—Ga-based LDH”. One type of LDH may be included in the
中間層〔[An- x/n・mH2O]x-〕に含まれる「An-」はn価のアニオンを示す。「n」は1以上の整数を示す。「x」は0.1≦x≦0.4を満たす。「m」は0以上の値を示す。n価のアニオン(An-)は例えばF-、Cl-、CO3 2-、NO3 -、SO4 2-、BrO3 -等であってもよい。中間層にn価のアニオンが1種単独で含まれてもよい。中間層にn価のアニオンが2種以上含まれてもよい。 “A n− ” contained in the intermediate layer [[A n− x / n · mH 2 O] x− ] represents an n-valent anion. “N” represents an integer of 1 or more. “X” satisfies 0.1 ≦ x ≦ 0.4. “M” represents a value of 0 or more. The n-valent anion (A n− ) may be, for example, F − , Cl − , CO 3 2− , NO 3 − , SO 4 2− , BrO 3 − or the like. An n-valent anion may be contained alone in the intermediate layer. Two or more n-valent anions may be contained in the intermediate layer.
被覆層22に含まれるLDHは例えばMg−Al系LDHまたはMg−Ga系LDHであってもよい。これにより充放電サイクル特性の向上が期待される。
The LDH contained in the
すなわちLDHは例えば下記式(I):
[M2+ 1-xM3+ x(OH)2][An- x/n・mH2O] …(I)
〔ただし式(I)中、M2+はMg2+であり、M3+はAl3+またはGa3+であり、An-はn価のアニオンであり、nは1以上の整数であり、xは0.1≦x≦0.4を満たし、かつmは0以上である。〕
により表されてもよい。
That is, LDH is, for example, the following formula (I):
[M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 ] [A n- x / n · mH 2 O] (I)
[However in formula (I), M 2+ is Mg 2+, M 3+ is Al 3+ or Ga 3+, A n- is an n-valent anion, n represents integer of 1 or more X satisfies 0.1 ≦ x ≦ 0.4, and m is 0 or more. ]
May be represented by
《アルカリ水溶液》
アルカリ水溶液は電解液である。アルカリ水溶液はアルカリ金属水酸化物、界面活性剤および残部の水を少なくとも含む。残部の水は溶媒である。アルカリ金属水酸化物は、例えば水酸化カリウム(KOH)、水酸化リチウム(LiOH)および水酸化ナトリウム(NaOH)等であってもよい。アルカリ水溶液に1種のアルカリ金属水酸化物が単独で含まれてもよい。アルカリ水溶液に2種以上のアルカリ金属水酸化物が含まれてもよい。アルカリ金属水酸化物の濃度は例えば0.1mоl/L以上20mоl/L以下であってもよい。アルカリ金属水酸化物の濃度は例えば1mоl/L以上10mоl/L以下であってもよい。アルカリ水溶液は例えばZnO等をさらに含んでもよい。
<Alkaline aqueous solution>
The alkaline aqueous solution is an electrolytic solution. The alkaline aqueous solution contains at least an alkali metal hydroxide, a surfactant and the balance water. The remaining water is a solvent. The alkali metal hydroxide may be, for example, potassium hydroxide (KOH), lithium hydroxide (LiOH), sodium hydroxide (NaOH), or the like. One alkali metal hydroxide may be contained alone in the alkaline aqueous solution. Two or more alkali metal hydroxides may be contained in the alkaline aqueous solution. The concentration of the alkali metal hydroxide may be, for example, 0.1 mol / L or more and 20 mol / L or less. The concentration of the alkali metal hydroxide may be, for example, 1 mol / L or more and 10 mol / L or less. The alkaline aqueous solution may further contain, for example, ZnO.
本実施形態のアルカリ水溶液は界面活性剤を含む。これによりZn析出時の核生成量が多くなり、Znのデンドライト成長が抑制されることが期待される。界面活性剤の濃度は例えば0.05mmоl/L以上10mmоl/L以下であってもよい。界面活性剤の濃度は例えば0.1mmоl/L以上0.5mmоl/L以下であってもよい。該範囲において充放電サイクル特性の向上が期待される。 The alkaline aqueous solution of this embodiment contains a surfactant. As a result, the amount of nucleation during Zn deposition increases, and it is expected that the dendrite growth of Zn is suppressed. The concentration of the surfactant may be, for example, 0.05 mm / L or more and 10 mm / L or less. The concentration of the surfactant may be, for example, from 0.1 mmol / L to 0.5 mmol / L. In this range, improvement of charge / discharge cycle characteristics is expected.
界面活性剤は特に限定されるべきではない。界面活性剤は例えばカチオン界面活性剤であってもよい。界面活性剤は例えばアニオン界面活性剤であってもよい。界面活性剤は例えばノニオン界面活性剤であってもよい。 The surfactant should not be particularly limited. The surfactant may be, for example, a cationic surfactant. The surfactant may be, for example, an anionic surfactant. The surfactant may be, for example, a nonionic surfactant.
界面活性剤は例えばカチオン界面活性剤およびノニオン界面活性剤からなる群より選択される少なくとも1種であってもよい。これにより充放電サイクル特性の向上が期待される。Zn析出時の核生成量が多くなるためと考えられる。 The surfactant may be at least one selected from the group consisting of, for example, a cationic surfactant and a nonionic surfactant. This is expected to improve charge / discharge cycle characteristics. This is probably because the amount of nucleation during Zn deposition increases.
カチオン界面活性剤は水溶液中においてカチオン性の親水基を有する。カチオン界面活性剤は、例えば塩化テトラメチルアンモニウム(tetramethyl ammonium chloride,TMAC)、臭化セチルトリメチルアンモニウム(cetyl trimethyl ammonium bromide,CTAB)、塩化セチルトリメチルアンモニウム (cetyl trimethyl ammonium chloride,CTAC)、塩化ベンザルコニウム、塩化ジステアリルジメチルアンモニウム、塩化セチルピリジニウム(cetyl pyridinium chloride、CPC)等であってもよい。アルカリ水溶液に1種のカチオン界面活性剤が単独で含まれてもよい。アルカリ水溶液に2種以上のカチオン界面活性剤が含まれてもよい。 The cationic surfactant has a cationic hydrophilic group in an aqueous solution. Cationic surfactants include, for example, tetramethylammonium chloride (TMAC), cetyltrimethylammonium bromide (CTAB), cetyltrimethylammonium chloride (cetyltrimethylammonium chloride, cetyltrimethylammonium chloride, cetyltrimethylammonium chloride). , Distearyldimethylammonium chloride, cetyl pyridinium chloride (CPC), and the like. One kind of cationic surfactant may be contained alone in the alkaline aqueous solution. Two or more kinds of cationic surfactants may be contained in the alkaline aqueous solution.
アニオン界面活性剤は水溶液中においてアニオン性の親水基を有する。アニオン界面活性剤は、例えばデカン酸ナトリウム、ラウリン酸ナトリウム、ステアリン酸ナトリウム、アルファスルホ脂肪酸メチルエステル塩、1−ドデカンスルホン酸ナトリウム、直鎖アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウム、ドデシル硫酸ナトリウム(sodium dodecyl sulfate,SDS)、ラウレス硫酸ナトリウム(sodium laureth sulfate,SLS)、ラウリル硫酸アンモニウム(ammonium lauryl sulfate,ALS)、ラウリルリン酸、ラウリルリン酸ナトリウム等であってもよい。アルカリ水溶液に1種のアニオン界面活性剤が単独で含まれてもよい。アルカリ水溶液に2種以上のアニオン界面活性剤が含まれてもよい。 An anionic surfactant has an anionic hydrophilic group in an aqueous solution. Examples of the anionic surfactant include sodium decanoate, sodium laurate, sodium stearate, alphasulfo fatty acid methyl ester salt, sodium 1-dodecane sulfonate, sodium linear alkylbenzene sulfonate, sodium dodecyl sulfate (SDS). Sodium laureth sulfate (SLS), ammonium lauryl sulfate (ALS), lauryl phosphate, sodium lauryl phosphate and the like may be used. One kind of anionic surfactant may be contained alone in the alkaline aqueous solution. Two or more kinds of anionic surfactants may be contained in the alkaline aqueous solution.
ノニオン界面活性剤は水溶液中でイオン化せずに界面活性作用を示す。ノニオン界面活性剤は、例えばラウリン酸グリセリン、ソルビタン脂肪酸エステル、ショ糖脂肪酸エステル、ポリ(オキシエチレン)アルキルエーテル、オクチルフェノールエトキシレート(octyl phenol ethoxylate,OPE)、ノニルフェノールエトキシレート(nonyl phenol ethoxylate,NPE)、ポリオキシエチレンソルビタン脂肪酸エステル、ステアリン酸ジエタノールアミド、オクチルグルコシド、ラウリルグルコシド、ステアリルアルコール、オレイルアルコール等であってもよい。アルカリ水溶液に1種のノニオン界面活性剤が単独で含まれてもよい。アルカリ水溶液に2種以上のノニオン界面活性剤が含まれてもよい。 Nonionic surfactants do not ionize in an aqueous solution and exhibit a surfactant activity. Nonionic surfactants include, for example, glyceryl laurate, sorbitan fatty acid ester, sucrose fatty acid ester, poly (oxyethylene) alkyl ether, octylphenol ethoxylate (OPE), nonylphenol ethoxylate (NPE), Polyoxyethylene sorbitan fatty acid ester, stearic acid diethanolamide, octyl glucoside, lauryl glucoside, stearyl alcohol, oleyl alcohol and the like may be used. One kind of nonionic surfactant may be contained alone in the alkaline aqueous solution. Two or more kinds of nonionic surfactants may be contained in the alkaline aqueous solution.
界面活性剤は例えばCTAB、SDSまたはOPE等であってもよい。OPEの平均鎖長は例えば8以上10以下であってもよい。OPEは市販品であってもよい。市販のOPEとしては、例えば「Triton(登録商標) X−100」、「Triton(登録商標) X−114」、「Igepal(登録商標) CA−630」等が挙げられる。 The surfactant may be CTAB, SDS or OPE, for example. The average chain length of OPE may be, for example, 8 or more and 10 or less. OPE may be a commercially available product. Examples of commercially available OPE include “Triton (registered trademark) X-100”, “Triton (registered trademark) X-114”, “Igepal (registered trademark) CA-630”, and the like.
《正極》
正極10はシート状である。正極10は正極タブ81と電気的に接続されている。正極タブ81は外装材90の外部に突出している(図1を参照のこと)。正極タブ81は例えばニッケル薄板等であってもよい。
《Positive electrode》
The
正極10は正極活物質を少なくとも含む。正極活物質は例えば水酸化ニッケル〔Ni(OH)2〕であってもよい。Ni(OH)2は充電によりオキシ水酸化ニッケル(NiOOH)に変化する。NiOOHは放電によりNi(OH)2に変化する。すなわち正極10は例えばオキシ水酸化ニッケルおよび水酸化ニッケルからなる群より選択される少なくとも1種を含んでもよい。正極活物質は典型的には粒子群である。正極活物質は例えば1μm以上50μm以下のd50を有してもよい。
The
正極10はニッケル正極であってもよい。ニッケル正極は例えばニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池等で使用されている。正極10は例えば焼結式ニッケル正極であってもよい。正極10は例えばペースト式ニッケル正極であってもよい。例えば正極活物質、導電材、バインダおよび溶媒が混合されることにより、ペーストが調製される。ペーストが多孔質ニッケルシートに充填され、乾燥されることにより、ペースト式ニッケル正極が製造され得る。さらにペースト式ニッケル正極が圧延されてもよい。
The
多孔質ニッケルシートは例えば住友電工社製の「セルメット(登録商標)」等であってもよい。導電材の含量は100質量部の正極活物質に対して、例えば0.1質量部以上10質量部以下であってもよい。導電材は例えばコバルト(Co)、水酸化コバルト〔Co(OH)2〕、オキシ水酸化コバルト(CoOOH)、カーボンブラック等であってもよい。正極10に1種の導電材が単独で含まれてもよい。正極10に2種以上の導電材が含まれてもよい。
The porous nickel sheet may be, for example, “Celmet (registered trademark)” manufactured by Sumitomo Electric Industries, Ltd. The content of the conductive material may be, for example, from 0.1 parts by weight to 10 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the positive electrode active material. The conductive material may be, for example, cobalt (Co), cobalt hydroxide [Co (OH) 2 ], cobalt oxyhydroxide (CoOOH), carbon black, or the like. One type of conductive material may be included in the
バインダの含量は100質量部の正極活物質に対して、例えば0.1質量部以上10質量部以下であってもよい。バインダは例えばCMC、PTFE等であってもよい。正極10に1種のバインダが単独で含まれてもよい。正極10に2種以上のバインダが含まれてもよい。
The binder content may be, for example, 0.1 parts by mass or more and 10 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the positive electrode active material. For example, the binder may be CMC, PTFE, or the like. One kind of binder may be included in the
《セパレータ》
セパレータ30は正極10および負極20の間に配置されている。セパレータ30は例えば100μm以上250μm以下の厚さを有してもよい。セパレータ30は例えばPVA製の半透膜、セロハン、ポリオレフィン製の多孔質フィルム、ポリアミド製の不織布等であってもよい。
<< Separator >>
The
以下本開示の実施例が説明される。ただし以下の説明は特許請求の範囲を限定するものではない。 Examples of the present disclosure are described below. However, the following description does not limit the scope of the claims.
<実験1>
実験1では下記表1に示される構成の電池100がそれぞれ製造され、充放電サイクル特性が評価された。
<Experiment 1>
In Experiment 1,
《実施例1》
1.負極の準備
1−1.負極活物質層の形成
負極活物質:ZnO
導電材:アセチレンブラック
バインダ:PVDF
溶媒:NMP
負極集電体:銅箔(厚さ 20μm)
Example 1
1. 1. Preparation of negative electrode 1-1. Formation of negative electrode active material layer Negative electrode active material: ZnO
Conductive material: Acetylene black Binder: PVDF
Solvent: NMP
Negative electrode current collector: Copper foil (
負極活物質、導電材、バインダおよび溶媒が混合されることによりペーストが調製された。固形分の混合比は「負極活物質:導電材:バインダ=75:15:10(質量比)」である。塗工機により、ペーストが負極集電体の表面に塗布された。真空乾燥機によってペーストが乾燥されることにより、負極活物質層21が形成された。乾燥温度は80℃である。乾燥時間は24時間である。
A paste was prepared by mixing a negative electrode active material, a conductive material, a binder, and a solvent. The mixing ratio of the solid content is “negative electrode active material: conductive material: binder = 75: 15: 10 (mass ratio)”. The paste was applied to the surface of the negative electrode current collector by a coating machine. The negative electrode
1−2.被覆層の形成
LDH:Mg−Al系LDH
溶媒:NMP
1-2. Formation of coating layer LDH: Mg-Al LDH
Solvent: NMP
水熱合成によりMg−Al系LDHが調製された。LDHが溶媒に分散されることにより、粒子分散液が調製された。スピンコータにより、粒子分散液が負極活物質層21の表面に塗布された。これにより被覆層22が形成された。被覆層22は30μmの厚さを有する。
Mg-Al LDH was prepared by hydrothermal synthesis. A particle dispersion was prepared by dispersing LDH in a solvent. The particle dispersion was applied to the surface of the negative electrode
2.アルカリ水溶液の調製
KOH、ZnOおよび界面活性剤が溶媒に溶解されることにより、アルカリ水溶液が調製された。アルカリ水溶液は以下の成分を含む。
2. Preparation of aqueous alkaline solution An aqueous alkaline solution was prepared by dissolving KOH, ZnO and a surfactant in a solvent. The alkaline aqueous solution contains the following components.
溶媒:水(超純水)
アルカリ金属水酸化物:KOH(4mоl/L)
ZnO:0.6mоl/l
界面活性剤:CTAB(0.5mmоl/L)
Solvent: Water (Ultra pure water)
Alkali metal hydroxide: KOH (4 mol / L)
ZnO: 0.6 mol / l
Surfactant: CTAB (0.5 mmol / L)
3.組み立て
正極10(ペースト式ニッケル正極)およびセパレータ30が準備された。セパレータ30を挟んで正極10および負極20が対向するように、正極10、セパレータ30および負極20がこの順序で積層されることにより、電極群50が形成された。
3. Assembly A positive electrode 10 (a paste type nickel positive electrode) and a
アルミラミネートフィルム製の外装材90が準備された。電極群50が外装材90に収納された。アルカリ水溶液が外装材90に注入された。熱溶着により外装材90が密封された。以上より電池100が製造された。電池100はニッケル亜鉛電池である。
An
《実施例2および3》
下記表1に示されるように、Mg−Al系LDHに代えてNi−Al系LDHおよびMg−Ga系LDHが使用されることを除いては、実施例1と同様に電池100がそれぞれ製造された。
<< Examples 2 and 3 >>
As shown in Table 1 below,
《実施例4および5》
下記表1に示されるように界面活性剤の濃度が変更されることを除いては実施例1と同様に電池100がそれぞれ製造された。
<< Examples 4 and 5 >>
As shown in Table 1 below,
《実施例6》
下記表1に示されるようにCTAB(カチオン界面活性剤)に代えてOPE(ノニオン界面活性剤)が使用されることを除いては、実施例1と同様に電池100が製造された。
Example 6
As shown in Table 1 below, a
《比較例1》
下記表1に示されるように被覆層22が形成されず、かつアルカリ水溶液に界面活性剤が添加されないことを除いては、実施例1と同様に電池100が製造された。
<< Comparative Example 1 >>
As shown in Table 1 below, the
《比較例2》
下記表1に示されるように被覆層22が形成されないことを除いては、実施例1と同様に電池100が製造された。
<< Comparative Example 2 >>
As shown in Table 1 below, the
《参考例》
下記表1に示されるようにアルカリ水溶液に界面活性剤が添加されないことを除いては、実施例1と同様に電池100が製造された。
《Reference example》
As shown in Table 1 below, the
<評価>
充放電サイクルが40サイクル繰り返された。1サイクルは以下の充電および放電の一巡を示す。
<Evaluation>
The charge / discharge cycle was repeated 40 cycles. One cycle represents a cycle of the following charging and discharging.
充電:電流レート=1C、充電時間=1時間
放電:電流レート=1C、放電時間=1時間
Charging: Current rate = 1C, Charging time = 1 hour Discharging: Current rate = 1C, Discharging time = 1 hour
「C」は電流レートの大きさを示す。1Cの電流レートでは電池100の設計容量が1時間で放電される。
“C” indicates the magnitude of the current rate. At a current rate of 1 C, the design capacity of
40サイクル目の放電容量が下記表1に示される。40サイクル目の放電容量が大きい程、充放電サイクル特性が向上していると考えられる。 The discharge capacity at the 40th cycle is shown in Table 1 below. It is considered that the charge / discharge cycle characteristics are improved as the discharge capacity at the 40th cycle is larger.
<実験1の結果>
比較例1は充放電サイクル特性が十分ではない。Znのデンドライト成長が起こっていると考えられる。
<Result of Experiment 1>
In Comparative Example 1, the charge / discharge cycle characteristics are not sufficient. It is considered that Zn dendrite growth occurs.
比較例2は比較例1に比して充放電サイクル特性が向上している。界面活性剤によりZn析出時の核生成量が多くなるためと考えられる。しかし充放電サイクル特性は未だ十分ではない。 In Comparative Example 2, the charge / discharge cycle characteristics are improved as compared with Comparative Example 1. This is probably because the amount of nucleation during Zn deposition is increased by the surfactant. However, the charge / discharge cycle characteristics are still not sufficient.
参考例は比較例1に比して充放電サイクル特性が向上している。Mg−Al系LDHを含む被覆層22により、Znの溶出頻度が低減されるためと考えられる。
Compared to Comparative Example 1, the reference example has improved charge / discharge cycle characteristics. This is because the elution frequency of Zn is reduced by the
実施例1は、比較例1および2ならびに参考例に比して充放電サイクル特性が向上している。比較例1および2ならびに参考例の結果から、実施例1の構成では、40サイクル目の放電容量が540mAh/g程度になると予想される。しかし実施例1は予想値を上回る放電容量を示している。LDHおよび界面活性剤の相乗効果が得られていると考えられる。 In Example 1, charge / discharge cycle characteristics are improved as compared with Comparative Examples 1 and 2 and the Reference Example. From the results of Comparative Examples 1 and 2 and the reference example, in the configuration of Example 1, the discharge capacity at the 40th cycle is expected to be about 540 mAh / g. However, Example 1 shows a discharge capacity exceeding the expected value. It is considered that a synergistic effect of LDH and surfactant is obtained.
LDHがNi−Al系LDH(実施例2)であっても、LDHがMa−Ga系LDH(実施例3)であっても、比較例1および2に比して充放電サイクル特性が向上している。40サイクル目の放電容量が大きい順に並べると、Mg−Al系LDH(実施例1)、Mg−Ga系LDH(実施例3)、Ni−Al系LDH(実施例2)の順となる。このような順となるメカニズムは現時点では不明である。 Whether LDH is Ni-Al LDH (Example 2) or LDH is Ma-Ga LDH (Example 3), charge / discharge cycle characteristics are improved as compared with Comparative Examples 1 and 2. ing. When the discharge capacities at the 40th cycle are arranged in descending order, the order is Mg—Al based LDH (Example 1), Mg—Ga based LDH (Example 3), and Ni—Al based LDH (Example 2). The mechanism of this order is unknown at this time.
実施例1、4および5の結果から、アルカリ水溶液に界面活性剤が0.1mmol/L以上10mmol/L以下含まれてもよいと考えられる。 From the results of Examples 1, 4 and 5, it is considered that the surfactant may be contained in the alkaline aqueous solution in a range of 0.1 mmol / L to 10 mmol / L.
実施例6の結果から、カチオン界面活性剤(CTAB)をノニオン界面活性剤(OPE)に代えても、比較例1および2に比して充放電サイクル特性が向上している。 From the results of Example 6, even when the cationic surfactant (CTAB) is replaced with a nonionic surfactant (OPE), the charge / discharge cycle characteristics are improved as compared with Comparative Examples 1 and 2.
<実験2>
実験2ではZn析出時に生じる電位振動により界面活性剤が評価された。
<Experiment 2>
In Experiment 2, the surfactant was evaluated by potential oscillation generated during Zn deposition.
<実験2の結果>
図3はアルカリ水溶液中の界面活性剤の濃度と振動持続時間との関係を示すグラフである。振動持続時間(Oscillation period)はZn析出時に生じる電位振動の持続時間を示す。振動持続時間が長い程、Zn析出時の核生成量が多いと考えられる。核生成量が多い程、Znのデンドライト成長が抑制されると考えられる。すなわち振動持続時間が長い程、充放電サイクル特性の向上が期待される。
<Result of Experiment 2>
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the concentration of the surfactant in the alkaline aqueous solution and the vibration duration. The oscillation duration indicates the duration of potential oscillation that occurs during Zn deposition. It is considered that the longer the vibration duration, the greater the amount of nucleation during Zn deposition. It is considered that the dendrite growth of Zn is suppressed as the amount of nucleation increases. That is, the longer the vibration duration, the better the charge / discharge cycle characteristics.
図3に示されるように、アルカリ水溶液に界面活性剤が含まれることにより、振動持続時間が長くなる傾向が認められる。カチオン界面活性剤、アニオン界面活性剤およびノニオン界面活性剤のいずれにおいても、振動持続時間が長くなっている。したがって界面活性剤はカチオン界面活性剤、アニオン界面活性剤およびノニオン界面活性剤からなる群より選択される少なくとも1種であってもよいと考えられる。 As shown in FIG. 3, it is recognized that the vibration duration tends to be longer due to the surfactant contained in the alkaline aqueous solution. In any of the cationic surfactant, the anionic surfactant, and the nonionic surfactant, the vibration duration is long. Therefore, it is considered that the surfactant may be at least one selected from the group consisting of a cationic surfactant, an anionic surfactant and a nonionic surfactant.
界面活性剤の濃度が0.1mmol/L以上0.5mmol/L以下である範囲において、振動持続時間が長い順に並べると、カチオン界面活性剤、ノニオン界面活性剤、アニオン界面活性剤の順となる。したがって界面活性剤はカチオン界面活性剤およびノニオン界面活性剤からなる群より選択される少なくとも1種であることにより、充放電サイクル特性の向上が期待される。 In the range where the concentration of the surfactant is 0.1 mmol / L or more and 0.5 mmol / L or less, when the vibration durations are arranged in descending order, the order is cationic surfactant, nonionic surfactant, anionic surfactant. . Therefore, the surfactant is at least one selected from the group consisting of a cationic surfactant and a nonionic surfactant, so that improvement in charge / discharge cycle characteristics is expected.
界面活性剤の濃度が0.05mmol/L以上である範囲において、振動持続時間が長くなる傾向が認められる。界面活性剤の濃度が0.1mmol/L以上0.5mmol/L以下である範囲において、振動持続時間がいっそう長くなる傾向が認められる。したがって界面活性剤の濃度は0.1mmol/L以上0.5mmol/L以下であってもよいと考えられる。 In the range where the concentration of the surfactant is 0.05 mmol / L or more, there is a tendency for the vibration duration to become longer. In the range where the concentration of the surfactant is 0.1 mmol / L or more and 0.5 mmol / L or less, there is a tendency that the vibration duration is further increased. Therefore, it is considered that the concentration of the surfactant may be 0.1 mmol / L or more and 0.5 mmol / L or less.
今回開示された実施形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではない。特許請求の範囲の記載によって確定される技術的範囲は特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含む。 The embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The technical scope determined by the description of the scope of claims includes meanings equivalent to the scope of claims and all modifications within the scope.
10 正極、20 負極、21 負極活物質層、22 被覆層、23 負極集電体、30 セパレータ、50 電極群、81 正極タブ、82 負極タブ、90 外装材、100 電池。 10 positive electrode, 20 negative electrode, 21 negative electrode active material layer, 22 coating layer, 23 negative electrode current collector, 30 separator, 50 electrode group, 81 positive electrode tab, 82 negative electrode tab, 90 exterior material, 100 battery.
Claims (3)
前記負極は負極活物質層および被覆層を少なくとも含み、
前記負極活物質層は亜鉛および酸化亜鉛からなる群より選択される少なくとも1種を含み、
前記被覆層は前記負極活物質層の表面の少なくとも一部を被覆しており、
前記被覆層は層状複水酸化物を含み、
前記層状複水酸化物は水酸化物イオン伝導性を有し、
前記アルカリ水溶液は界面活性剤を含む、
アルカリ蓄電池。 Including at least a positive electrode, a negative electrode, and an alkaline aqueous solution,
The negative electrode includes at least a negative electrode active material layer and a coating layer,
The negative electrode active material layer includes at least one selected from the group consisting of zinc and zinc oxide,
The coating layer covers at least a part of the surface of the negative electrode active material layer,
The coating layer includes a layered double hydroxide,
The layered double hydroxide has hydroxide ion conductivity,
The alkaline aqueous solution contains a surfactant,
Alkaline storage battery.
請求項1に記載のアルカリ蓄電池。 The surfactant is at least one selected from the group consisting of a cationic surfactant and a nonionic surfactant.
The alkaline storage battery according to claim 1.
[M2+ 1-xM3+x(OH)2][An- x/n・mH2O] …(I)
〔ただし式(I)中、M2+はMg2+であり、M3+はAl3+またはGa3+であり、An-はn価のアニオンであり、nは1以上の整数であり、xは0.1≦x≦0.4を満たし、かつmは0以上である。〕
により表される、
請求項1または請求項2に記載のアルカリ蓄電池。 The layered double hydroxide has the following formula (I):
[M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 ] [A n− x / n · mH 2 O] (I)
[However in formula (I), M 2+ is Mg 2+, M 3+ is Al 3+ or Ga 3+, A n- is an n-valent anion, n represents integer of 1 or more X satisfies 0.1 ≦ x ≦ 0.4, and m is 0 or more. ]
Represented by the
The alkaline storage battery according to claim 1 or 2.
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