JP5463772B2 - ナトリウム二次電池 - Google Patents
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<1>第1電極と、炭素材料を有する第2電極とを含み、該炭素材料が、以下の要件1、要件2、要件3および要件4からなる群から選ばれる1つ以上の要件を有することを特徴とするナトリウム二次電池。
(要件1)以下のラマン分光測定により得られるR値(ID/IG)が1.07以上3以下である。
<ラマン分光測定>
炭素材料について、波長532nmのレーザーを照射して、ラマン分光測定を行うことにより得られるラマンスペクトル(縦軸(y)は任意単位の散乱光強度であり、横軸(x)はラマンシフト波数(cm-1)である。)において、横軸1300〜1400cm-1の範囲および横軸1570〜1620cm-1の範囲のそれぞれに1つずつピークを有し、該スペクトルの600〜1740cm-1の波数範囲について、2つのローレンツ関数および1つのベースライン関数を用いてフィッティングを行って得られるフィッティング関数からベースライン関数を除去して得られるフィッティングスペクトルにおいて、横軸1300〜1400cm-1の範囲における縦軸の最大値をID、横軸1570〜1620cm-1の範囲における縦軸の最大値をIGとし、IDをIGで除して、R値(ID/IG)を得る。
(要件2)以下のX線小角散乱測定により得られるA値が−0.5以上0以下であり、かつσA値が0以上0.010以下である。
<X線小角散乱測定>
炭素材料について、X線小角散乱測定を行うことにより得られるX線小角散乱スペクトル(横軸は波数q(nm−1)、縦軸はS(散乱強度Iの常用対数:log(I))である。)の0.6nm−1以上1.8nm−1以下のqの範囲について最小二乗法により直線近似して、直線の傾きA値と、A値の標準偏差σA値を得る。
(要件3)炭素材料85重量部とポリフッ化ビニリデン15重量部とを混合して得られる電極合剤を有する電極について、ナトリウムイオンのドープかつ脱ドープがなされた後の電極における炭素材料に、10nm以上の細孔が実質的に存在しない。
(要件4)以下の示差熱分析測定により得られるQ1値が、800ジュール/g以下である。
<示差熱分析測定>
炭素材料85重量部とポリフッ化ビニリデン15重量部とを混合して得られる電極合剤を有する電極について、ナトリウムイオンのドープがなされた後の電極における電極合剤1mgおよび非水電解液(濃度1MのNaClO4/プロピレンカーボネート)8mgを密閉容器内に入れ、リファレンスをα−Al2O3、昇温速度を10℃/分として、40℃以上410℃以下の範囲で示差熱分析測定を行い、100℃以上400℃以下の範囲における電極合剤および非水電解液1gあたりの発熱量合計値(Q1値)を得る。
<2>前記炭素材料が、少なくとも前記要件1を有する前記<1>記載のナトリウム二次電池。
<4>前記芳香環を有する有機材料が、フェノールまたはその誘導体とアルデヒド化合物とを重合させて得られる有機材料である前記<3>記載のナトリウム二次電池。
<5>前記炭素材料が、植物由来の有機材料の炭化により得られる炭素材料である前記<1>または<2>記載のナトリウム二次電池。
<6>植物由来の有機材料の炭化により得られる炭素材料が、木炭である前記<5>記載のナトリウム二次電池。
<7>前記炭素材料が、プラント残渣油の炭化により得られる炭素材料である前記<1>または<2>記載のナトリウム二次電池。
<8>プラント残渣油が、レゾルシノール製造時における残渣油である前記<7>記載のナトリウム二次電池。
<9>炭化の温度が、800℃以上2500℃以下の温度である前記<3>〜<8>のいずれかに記載のナトリウム二次電池。
<10>炭素材料が、未賦活型炭素材料である前記<1>〜<9>のいずれかに記載のナトリウム二次電池。
<11>炭素材料が粉末状であり、そのBET比表面積が1m2/g以上である前記<1>〜<10>のいずれかに記載のナトリウム二次電池。
<13>第1電極と第2電極との間にセパレータを有する前記<1>〜<12>のいずれかに記載のナトリウム二次電池。
<14>セパレータが、耐熱多孔層と多孔質フィルムとが積層された積層フィルムからなる前記<13>に記載のナトリウム二次電池。
<15>第2電極が、非フッ素系重合体を有する前記<1>〜<14>のいずれかに記載のナトリウム二次電池。
<ラマン分光測定>
炭素材料について、波長532nmのレーザーを照射して、ラマン分光測定を行うことにより得られるラマンスペクトル(縦軸(y)は任意単位の散乱光強度であり、横軸(x)はラマンシフト波数(cm-1)である。)において、横軸1300〜1400cm-1の範囲および横軸1570〜1620cm-1の範囲のそれぞれに1つずつピークを有し、該スペクトルの600〜1740cm-1の波数範囲について、2つのローレンツ関数および1つのベースライン関数を用いてフィッティングを行って得られるフィッティング関数からベースライン関数を除去して得られるフィッティングスペクトルにおいて、横軸1300〜1400cm-1の範囲における縦軸の最大値をID、横軸1570〜1620cm-1の範囲における縦軸の最大値をIGとし、IDをIGで除して、R値(ID/IG)を得る。
<17>炭素材料について、以下のX線小角散乱測定を行い、該測定により得られるA値が−0.5以上0以下であり、かつσA値が0以上0.010以下である炭素材料をナトリウム二次電池用炭素材料として用いる炭素材料の判別方法。
<X線小角散乱測定>
炭素材料について、X線小角散乱測定を行うことにより得られるX線小角散乱スペクトル(横軸は波数q(nm−1)、縦軸はS(散乱強度Iの常用対数:log(I))である。)の0.6nm−1以上1.8nm−1以下のqの範囲について最小二乗法により直線近似して、直線の傾きA値と、A値の標準偏差σA値を得る。
<18>炭素材料85重量部とポリフッ化ビニリデン15重量部とを混合して得られる電極合剤を有する電極について、ナトリウムイオンのドープかつ脱ドープがなされた後の電極における炭素材料に、10nm以上の細孔が実質的に存在しない炭素材料をナトリウム二次電池用炭素材料として用いる炭素材料の判別方法。
<19>炭素材料について、以下の示差熱分析測定を行い、該測定により得られるQ1値が、800ジュール/g以下である炭素材料をナトリウム二次電池用炭素材料として用いる炭素材料の判別方法。
<示差熱分析測定>
炭素材料85重量部とポリフッ化ビニリデン15重量部とを混合して得られる電極合剤を有する電極について、ナトリウムイオンのドープがなされた後の電極における電極合剤1mgおよび非水電解液(濃度1MのNaClO4/プロピレンカーボネート)8mgを密閉容器内に入れ、リファレンスをα−Al2O3、昇温速度を10℃/分として、40℃以上410℃以下の範囲で示差熱分析測定を行い、100℃以上400℃以下の範囲における電極合剤および非水電解液1gあたりの発熱量合計値(Q1値)を得る。
(要件1)以下のラマン分光測定により得られるR値(ID/IG)が1.07以上3以下である。
<ラマン分光測定>
炭素材料について、波長532nmのレーザーを照射して、ラマン分光測定を行うことにより得られるラマンスペクトル(縦軸(y)は任意単位の散乱光強度であり、横軸(x)はラマンシフト波数(cm-1)である。)において、横軸1300〜1400cm-1の範囲および横軸1570〜1620cm-1の範囲のそれぞれに1つずつピークを有し、該スペクトルの600〜1740cm-1の波数範囲について、2つのローレンツ関数および1つのベースライン関数を用いてフィッティングを行って得られるフィッティング関数からベースライン関数を除去して得られるフィッティングスペクトルにおいて、横軸1300〜1400cm-1の範囲における縦軸の最大値をID、横軸1570〜1620cm-1の範囲における縦軸の最大値をIGとし、IDをIGで除して、R値(ID/IG)を得る。
(要件2)以下のX線小角散乱測定により得られるA値が−0.5以上0以下であり、かつσA値が0以上0.010以下である。
<X線小角散乱測定>
炭素材料について、X線小角散乱測定を行うことにより得られるX線小角散乱スペクトル(横軸は波数q(nm−1)、縦軸はS(散乱強度Iの常用対数:log(I))である。)の0.6nm−1以上1.8nm−1以下のqの範囲について最小二乗法により直線近似して、直線の傾きA値と、A値の標準偏差σA値を得る。
(要件3)炭素材料85重量部とポリフッ化ビニリデン15重量部とを混合して得られる電極合剤を有する電極について、ナトリウムイオンのドープかつ脱ドープがなされた後の電極における炭素材料に、10nm以上の細孔が実質的に存在しない。
(要件4)以下の示差熱分析測定により得られるQ1値が、800ジュール/g以下である。
<示差熱分析測定>
炭素材料85重量部とポリフッ化ビニリデン15重量部とを混合して得られる電極合剤を有する電極について、ナトリウムイオンのドープがなされた後の電極における電極合剤1mgおよび非水電解液(濃度1MのNaClO4/プロピレンカーボネート)8mgを密閉容器内に入れ、リファレンスをα−Al2O3、昇温速度を10℃/分として、40℃以上410℃以下の範囲で示差熱分析測定を行い、100℃以上400℃以下の範囲における電極合剤1gあたりの発熱量合計値(Q1値)を得る。
(1)2つのローレンツ型関数および1つのベースライン関数として、次の式を用いる。
y=〔A1/{(x−x1)2+B1 2}〕+〔A2/{(x−x2)2+B2 2}〕+〔C1x3+C2x2+C3x+C4〕
(上記式において、A1、B1およびx1は、横軸1300〜1400cm-1の範囲のピークに関するパラメータであり、x1は該ピーク最大値におけるラマンシフト波数である。また、A2、B2およびx2は、横軸1570〜1620cm-1の範囲のピークに関するパラメータであり、x2は該ピーク最大値におけるラマンシフト波数である。また、上記式において、三次の多項式であるC1x3+C2x2+C3x+C4はベースライン関数で、A1/{(x−x1)2+B1 2}およびA2/{(x−x2)2+B2 2}はローレンツ型関数である。)
(2)ラマンスペクトルの600〜1740cm-1の波数範囲について、データ点(x、y)を1000点以上用いて、最小二乗法により、A1、B1、x1、A2、B2、x2、C1、C2、C3およびC4の最適値を求めることにより、フィッティングを行い、上記式にA1、B1、x1、A2、B2、x2、C1、C2、C3およびC4の最適値を代入したフィッティング関数を得る。
(3)フィッティング関数からベースライン関数を除去して、フィッティングスペクトルを得る。なお、フィッティングスペクトルは、y=〔A1/{(x−x1)2+B1 2}〕+〔A2/{(x−x2)2+B2 2}〕で表される。
(4)フィッティングスペクトルにおいて、横軸1300〜1400cm-1の範囲における縦軸の最大値をID、横軸1570〜1620cm-1の範囲における縦軸の最大値をIGとし、IDをIGで除して、R値(ID/IG)を得る。なお、R値は、A1/A2の値と一致する。
本発明において、X線小角散乱測定は、二次元検出器搭載のX線小角散乱装置を用いて行えばよい。該装置としては、NanoSTAR(装置名、ブルカー・エイエックスエス株式会社製)を挙げることができる。以下、測定の具体例につき、説明する。内径1mmの石英製キャピラリに炭素材料を充填し、X線は、Cuターゲットの回転対陰極型のX線発生器を用い、出力50kV、100mAで発生させ、これを炭素材料が充填された石英製キャピラリに照射する。X線は、クロスカップルド・ゲーベルミラーと3つのピンホールスリット(スリットの孔径はX線発生器側から500μmφ、150μmφ、500μmφ)からなるX線の光学系を通って、さらに石英製キャピラリを通って、炭素材料にあたることになる。炭素材料にあたって、炭素材料から散乱されたX線は、二次元検出器(2次元Multi Wire検出器、Hi−STAR)を用いて検出される。試料から検知器までのカメラ長は例えば106cmで、ダイレクトビームストッパーの大きさは例えば2mmφである。装置内の真空度は例えば40Pa以下である。散乱角2θとダイレクトビーム位置の校正は、例えば、ベヘン酸銀の1次(2θ=1.513°)と2次(2θ=3.027°)のそれぞれのピークを用いて行う。この場合、測定可能な散乱角2θの範囲は0.08〜3°である。検出により得られる二次元の散乱像を、ブルカー・エイエックスエス社製の解析ソフト(SAXS Ver.4.1.29)を用いて常法に従って解析し、X線小角散乱スペクトル(横軸は波数q(nm−1)、縦軸はS(散乱強度Iの常用対数:log(I))を得ることができる。また、ブランクとして、炭素材料が入っていない石英製キャピラリのみについても上記と同様にして測定を行う。X線小角散乱スペクトルにおけるqが0.6nm−1のときのSの値が、ブランクのときの値に比して、炭素材料が充填された石英製キャピラリのときの値が、10倍以上である場合、X線小角散乱スペクトルは、信頼できるものとする。また、X線小角散乱スペクトルの0.6nm−1以上1.8nm−1以下のqの範囲について最小二乗法による直線近似して、A値およびA値の標準偏差σA値を求めるには、例えばソフトウェア「Igor Pro(名称)、Wave Metrics製」などを用いればよい。また、直線近似は、上記qの範囲を等間隔で100点以上に区画して行うことにより、より精度の高い値を得ることができる。
また、本発明において、炭素材料は、上記要件1および上記要件2を有することが好ましい。
本発明において、炭素材料に、10nm以上の細孔が実質的に存在しないことは、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて、像観察により確認することができる。また、走査透過型電子顕微鏡(STEM)を用いて、確認することもできる。また、ナトリウムイオンのドープかつ脱ドープは、具体的には、次のようにして行う。炭素材料85重量部とポリフッ化ビニリデン15重量部とを混合して得られる電極合剤を有する電極について、該電極を第2電極として用い、第1電極として、例えばナトリウム金属を用いて、電池を作製し、第2電極から第1電極に向けて電流を流して、第2電極にナトリウムイオンをドープする。このとき、炭素材料1gあたり10mAの電流で、0.005Vになるまで、定電流で行う。ナトリウムイオンをドープした第2電極について行うナトリウムイオンの脱ドープは、第1電極から第2電極に向けて電流を流して行う。このとき、炭素材料1gあたり10mAの電流で、1.5Vになるまで、定電流で行う。脱ドープした後、電池を乾燥Ar、窒素中など不活性雰囲気中で分解して、第2電極を取り出し、ジメチルカーボネート(以下、DMCということもある。)で洗浄し、真空中で乾燥後、電極合剤を回収する。回収した電極合剤について、集束イオンビーム加工装置(以下、FIBということがある。)を用いて、炭素材料を構成する粒子の断面を切り出して、厚みが100nm〜200nm程度の範囲で均一な厚みの薄片を得て、この薄片について、加速電圧200kVで、像観察することにより、炭素材料に、10nm以上の細孔が実質的に存在しないことを確認することができる。明視野像を観察することが好ましい。なお、各操作間の試料の移送は不活性雰囲気中で行うことが好ましい。また、本発明において、炭素材料の細孔は、炭素材料内部にある細孔であってもよいし、また表面にあってもよく、上記の像観察により判断される。
また、本発明において、炭素材料は、上記要件1および上記要件3を有することが好ましく、上記要件1、上記要件2および上記要件3を有することがより好ましい。
本発明において、示差熱分析測定は、示差熱分析測定装置を用いればよい。該装置としては、DSC200(商品名、セイコーインスツルメンツ社製)を挙げることができる。また、ナトリウムイオンのドープは、具体的には、次のようにして行う。炭素材料85重量部とポリフッ化ビニリデン15重量部とを混合して得られる電極合剤を有する電極について、該電極を第2電極として用い、第1電極として、例えばナトリウム金属を用いて、電池を作製し、第2電極から第1電極に向けて電流を流して、第2電極にナトリウムイオンをドープする。このとき、炭素材料1gあたり10mAの電流で、0.005Vになるまで、定電流で行う。ドープした後、電池を乾燥Ar中など不活性雰囲気中で分解して、第2電極を取り出し、ジメチルカーボネート(以下、DMCということもある。)で洗浄し、真空中で乾燥後、電極合剤を回収する。該電極合剤には、ナトリウムイオンのドープがなされている。次いで、乾燥Ar中など不活性雰囲気中で、回収後の電極合剤1mgおよび非水電解液(濃度1MのNaClO4/プロピレンカーボネート)8mg(体積は2μL)を、示差熱分析測定用の密閉容器内に入れ、蓋をしてかしめて密封したのち、リファレンスをα−Al2O3、昇温速度を10℃/分として、40℃以上410℃以下の範囲で示差熱分析測定を行い、100℃以上400℃以下の範囲における電極合剤および非水電解液1gあたりの発熱量合計値(Q1値)を得る。ここで、Q1値は、示差熱分析測定により得られる吸発熱スペクトル((横軸は熱流(単位:mW)、縦軸は温度(単位:℃)である。)を用いて得ることができる。
また、本発明において、炭素材料は、上記要件1および上記要件4を有することが好ましく、上記要件1、上記要件2および上記要件4を有することがより好ましく、さらにより好ましくは、上記要件1、上記要件2、上記要件3および上記要件4を有することである。
本発明における炭素材料としては、種々の有機材料の炭化により得られる炭素材料のうち、例えば、R値が1.07以上3以下になるもの(要件1)など、本発明の各要件を満たすことができるものを用いればよい。有機材料としては、石油や石炭等の天然鉱物資源や、これら資源を原料として合成した各種合成樹脂(熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂など)のほか、石油ピッチ、石炭ピッチ、紡糸用ピッチなどの種々のプラント残渣油、木材等の植物由来の有機材料等を挙げることができ、これらを単独または二種以上用いることが可能である。
粉末状フェノール樹脂(群栄化学社製、商品名:レヂトップ、PGA−4528、PGA−2473、PGA−4704、PGA−4504、住友ベークライト社製、商品名:スミライトレジンPR−UFC−504、PR−EPN、PR−ACS−100、PR−ACS−150、PR−12687、PR−13355、PR−16382、PR−217、PR−310、PR−311、PR−50064、PR−50099、PR−50102、PR−50252、PR−50395、PR−50590、PR−50590B、PR−50699、PR−50869、PR−51316、PR−51326B、PR−51350B、PR−51510、PR−51541B、PR−51794、PR−51820、PR−51939、PR−53153、PR−53364、PR−53497、PR−53724、PR−53769、PR−53804、PR−54364、PR−54458A、PR−54545、PR−55170、PR−8000、PR−FTZ−1、PR−FTZ−15)、
液状フェノール樹脂(PR−51947A、PR−53123、PR−53338、PR−53717、PR−54135、PR54313、PR54562)、
フレーク状フェノール樹脂(住友ベークライト社製、商品名:スミライトレジンPR−12686R、PR−13349、PR−50235A、PR−51363F、PR−51494G、PR−51618G、PR−53194、PR−53195、PR−54869、PR−F−110、PR−F−143、PR−F−151F、PR−F−85G、PR−HF−3、PR−HF−6)、
液状フェノール樹脂(住友ベークライト社製、商品名:スミライトレジンPR−50087、PR−50607B、PR−50702、PR−50781、PR−51138C、PR−51206、PR−51663、PR−51947A、PR−53123、PR−53338、PR−53365、PR−53717、PR−54135、PR−54313、PR−54562、PR−55345、PR−940、PR−9400、PR−967)、
ノボラック型液状フェノール樹脂(住友ベークライト社製、商品名:スミライトレジンPR−51629、PR−53093、PR−53473、PR−53522、PR−53546、PR−53800、PR−54438、PR−54540C、PR−55438)、
レゾール型液状フェノール樹脂(群栄化学社製、商品名:レヂトップPL−4826、PL−2390、PL−4690、PL−3630、PL−4222、PL−4246、PL−2211、PL−3224、PL−4329、住友ベークライト社製、商品名:スミライトレジンPR−50273、PR−51206、PR−51781、PR−53056、PR−53311、PR−53416、PR−53570、PR−54387)、
微粒状フェノール樹脂(エアウオーター社製、商品名:ベルパール、R800、R700、R600、R200、R100、S830、S870、S890、S895、S290,S190)、
真球状フェノール樹脂(群栄化学社製、商品名:マリリンGU−200、FM−010、FM−150、HF−008、HF−015、HF−075、HF−300、HF−500、HF−1500)、
固形フェノール樹脂(群栄化学社製、商品名:レヂトップPS−2601、PS−2607、PS−2655、PS−2768、PS−2608、PS−4609、PSM−2222、PSK−2320、PS−6132)などが例示される。
(エーテル)
モノエーテル(エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノフェニルエーテル、テトラヒドロフラン、3−メチルテトラヒドロフランなど)、ジエーテル(エチレングリコールジメチルエーテル、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、ジエチルエーテル、メチルイソプロピルエーテルなど)、トリエチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテルアセテート、環状エーテル[炭素数2〜4(テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、1,4−ジオキサン、2−メチル−1,3−ジオキソランなど);4−ブチルジオキソラン、炭素数5〜18のクラウンエーテル]など。
(フッ素化されたジオキソラン)
2,2−ジ(トリフルオロメチル)−1,3−ジオキソラン、2,2−ジ(トリフルオロメチル)−4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン、2,2−ジ(トリフルオロメチル)−4,4,5,5−テトラフルオロ−1,3−ジオキソラン、2,2−ジメチル−4,4,5,5−テトラフルオロ−1,3−ジオキソラン又は2,2−ジメチル−4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソランなど。
ホルムアミド類(N−メチルホルムアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、N−エチルホルムアミド、N,N−ジエチルホルムアミドなど)、アセトアミド類(N−メチルアセトアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−エチルアセトアミド、N,N−ジエチルアセトアミドなど)、プロピオンアミド類(N,N−ジメチルプロピオンアミドなど)、ヘキサメチルホスホリルアミドなど。オキサゾリジノン類;N−メチル−2−オキサゾリジノン、3,5−ジメチル−2−オキサゾリジノンなど、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、N−メチルピロリドンなど。
(ニトリル)
アセトニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、メトキシアセトニトリル、3−メトキシプロピオニトリル、アクリロニトリル、プロピオニトリルの水素原子1個以上をフッ素原子に置換した含フッ素プロピオニトリルなど。
蟻酸メチル、蟻酸エチル、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、酪酸メチル、吉草酸メチル、プロピオン酸エチル、マロン酸ジメチル、マロン酸ジエチルなど、無水マレイン酸及びその誘導体など。
(ラクトン)
γ−ブチロラクトン、3−メチル−γ−ブチロラクトン、2−メチル−γ−ブチロラクトン、α−アセチル−γ−ブチロラクトン、β−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、3−メチル−γ−バレロラクトン、δ−バレロラクトンなど。
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、ビニレンカーボネート、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、メ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、ジエチルカーボネート、4−アリルオキシメチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、4−(1'−プロペニルオキシメチル)−1,3−ジオキソラン−2−オン、4−アリルオキシメチル−5−ビニル−1,3−ジオキソラン−2−オン、4−(1'−プロペニルオキシメチル)−5−ビニル−1,3−ジオキソラン−2−オン、4−アクリロイルオキシメチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、4−メタクリロイルオキシメチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、4−メタクリロイルオキシメチル−5−ビニル−1,3−ジオキソラン−2−オン、4−メトキシカルボニルオキシメチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、4−アリルオキシカルボニルオキシメチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、4−(1’−プロペニルオキシカルボニルオキシメチル)−1,3−ジオキソラン−2−オン、4-ビニルエチレンカーボネート、4,5-ジビニルエチレンカーボネート、4,4,5,5-テトラメチル-1,3-ジオキソラン-2-オン、4,4,5,5-テトラエチル-1,3-ジオキソラン-2-オン、ビニレンカーボネート、4-メチルビニレンカーボネート、4,5-ジメチルビニレンカーボネート、5,5-ジメチル-1,3-ジオキサン-2-オン及び5,5-ジエチル-1,3-ジオキサン-2-オン、ジプロピルカーボネート、メチルブチルカーボネート、エチルブチルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、ブチルプロピルカーボネート、及び、上記化合物の水素原子1個以上をフッ素原子に置換した化合物など。
ジメチルスルホキシド、スルホラン、3−メチルスルホラン、2,4−ジメチルスルホラン、及び、スルホランの水素原子1以上をフッ素原子に置換した含フッ素スルホランなど。
1,3−プロパンスルトン、1,4−ブタンスルトン、及び1つ以上水素原子をフッ素原子で置換した化合物など。
(スルホン)
ジメチルスルホン、ジエチルスルホン、ジn−プロピルスルホン、ジイソプロピルスルホン、ジ−n−ブチルスルホン、ジ−sec−ブチルスルホン、ジ−tert−ブチルスルホンなど。
ニトロメタン、ニトロエタンなど。
(その他の複素環式化合物)
N−メチル−2−オキサゾリジノン、3,5−ジメチル−2−オキサゾリジノン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、N−メチルピロリジノンなど。
芳香族系溶剤(トルエン、キシレン、エチルフルオロベンゼン、ベンゼンの水素原子がフッ素原子に1〜6個置換されたフルオロベンゼンなど)、パラフィン系溶剤(ノルマルパラフィン、イソパラフィンなど)など。
ケイ素原子を分子内に有する 3−トリメチルシリル−2−オキサゾリジノン、3−トリメチルシリル−4−トリフルオロメチル−2−オキサゾリジノン、3−トリエチルシリル−2−オキサゾリジノンなどオキサゾリジノン化合物、N−トリメチルシリルイミダゾール、N−トリメチルシリル−4−メチル−イミダゾール、N−トリエチルシリルイミダゾール等のイミダゾール化合物、トリス(トリメチルシリル)ホスフェート、トリス(トリエチルシリル)ホスフェート、トリメチルシリルジメチルホスフェート、トリメチルシリルジアリルホスフェート等のホスフェート化合物、4−トリメチルシリル−1,3−ジオキソラン−2−オン、4−トリメチルシリル−5−ビニル−1,3−ジオキソラン−2−オン、4−トリメチルシリルメチル−1,3−ジオキソラン−2−オン等の環状カーボネート化合物、フェニルトリメチルシラン、フェニルトリエチルシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルチオトリメチルシラン、フェニルチオトリエチルシラン等のフェニル化合物、メチル−N−トリメチルシリルカーバメート、メチル−N,N−ビストリメチルシリルカーバメート、エチル−N−トリメチルシリルカーバメート、メチル−N−トリエチルシリルカーバメート、ビニル−N−トリメチルシリルカーバメート等のカーバメート化合物、メチルトリメチルシリルカーボネート、アリルトリメチルシリルカーボネート、エチルトリメチルシリルカーボネート等のカーボネート化合物、メトキシトリメチルシラン、ヘキサメチルジシロキサン、ペンタメチルジシロキサン、メトキシメチルトリメチルシラン、トリメチルクロロシラン、ブチルジフェニルクロロシラン、トリフルオロメチルトリメチルシラン、アセチルトリメチルシラン、3−トリメチルシリルシクロペンテン、アリルトリメチルシラン、ビニルトリメチルシラン、ヘキサメチルジシラザンなど。
電解液に含まれる有機極性溶媒としては、特に、カーボネート類及びラクトン類などのエステル系溶媒を主成分とする溶媒が好ましく、特に、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、イソプロピルメチルカーボネート、ビニレンカーボネート及びジエチルカーボネートからなる群より選ばれた少なくとも1種を主成分とするエステル系溶媒が好ましい。ここで「主成分とする」とは、溶媒のうち、50重量%以上、好ましくは70重量%以上、エステル系溶媒が占めることを意味する。
従来の電極を含むナトリウム二次電池は、通常、エーテル系溶媒が用いられてきたが、本発明の電極を含むナトリウム二次電池は、エステル系溶媒を用いても充放電することができる。エステル系溶媒は、耐酸化性に優れることから、電解液にエステル系溶媒を用いたナトリウム二次電池は、動作時の正極電位を高くして電池としての単位体積あたりの充放電容量(エネルギー密度)を向上させることが可能である。また、電解液の急激な分解を抑制する傾向がある。
CF3CH2CH2Si(CH3)3
(CH3)3Si−O−Si(CH3)(CF3CH2CH2)−Si(CH3)
まず、多孔質フィルムの製造方法について説明する。多孔質フィルムの製造は特に限定されるものではなく、例えば特開平7−29563号公報に記載されたように、熱可塑性樹脂に可塑剤を加えてフィルム成形した後、該可塑剤を適当な溶媒で除去する方法や、特開平7−304110号公報に記載されたように、公知の方法により製造した熱可塑性樹脂からなるフィルムを用い、該フィルムの構造的に弱い非晶部分を選択的に延伸して微細孔を形成する方法が挙げられる。例えば、多孔質フィルムが、超高分子量ポリエチレンおよび重量平均分子量1万以下の低分子量ポリオレフィンを含むポリオレフィン樹脂から形成されてなる場合には、製造コストの観点から、以下に示すような方法により製造することが好ましい。すなわち、
(1)超高分子量ポリエチレン100重量部と、重量平均分子量1万以下の低分子量ポリオレフィン5〜200重量部と、無機充填剤100〜400重量部とを混練してポリオレフィン樹脂組成物を得る工程
(2)前記ポリオレフィン樹脂組成物を用いてシートを成形する工程
(3)工程(2)で得られたシート中から無機充填剤を除去する工程
(4)工程(3)で得られたシートを延伸して多孔質フィルムを得る工程
を含む方法、または
(1)超高分子量ポリエチレン100重量部と、重量平均分子量1万以下の低分子量ポリオレフィン5〜200重量部と、無機充填剤100〜400重量部とを混練してポリオレフィン樹脂組成物を得る工程
(2)前記ポリオレフィン樹脂組成物を用いてシートを成形する工程
(3)工程(2)で得られたシートを延伸する工程
(4)工程(3)で得られた延伸シート中から、無機充填剤を除去して多孔質フィルムを得る工程
を含む方法である。
(a)耐熱樹脂100重量部を含む極性有機溶媒溶液に、該耐熱樹脂100重量部に対しフィラーを1〜1500重量部分散したスラリー状塗工液を調製する。
(b)該塗工液を多孔質フィルムの少なくとも片面に塗工し、塗工膜を形成する。
(c)加湿、溶媒除去あるいは耐熱樹脂を溶解しない溶媒への浸漬等の手段で、前記塗工膜から耐熱樹脂を析出させた後、必要に応じて乾燥する。
塗工液は、特開2001−316006号公報に記載の塗工装置および特開2001−23602号公報に記載の方法により連続的に塗工することが好ましい。
例えば、コイン型ナトリウム二次電池の製造例としては、図1に示すように、ステンレスなどの金属製容器(11)に、電極(集電体(12)、電極材料(13))、セパレータ(14)、電極(電極材料(13)及び集電体(12))を順次積層し、電解液を含浸させ、金属製蓋(15)及びガスケット(16)で封止する方法などが挙げられる。
また、例えば、円筒型ナトリウム二次電池の製造例としては、図2に示したように、電極(集電体(22)及び電極材料(23))のシート2枚をセパレータ(24)を介して捲回し、円筒型のアルミニウム、ステンレス等の金属製容器(21)に収納し、電解液を含浸させ、電極封口板(25)を用いて、封止する方法などが挙げられる。角型ナトリウム二次電池の場合には、金属製容器を角型とすればよい。尚、電極にはリードが具備されており、一方の電極のリード(26)が正極として作用し、他方の電極のリード(26)が負極として作用し、電気が充電及び放電される。
また、金属製容器のかわりに、アルミニウムを含む積層シート等からなる袋状パッケージを用いてもよい。
ここで、時間充電率とは、100%充電するために必要な充放電容量(mA・h)を充電する際の定電流値(mA)で除した値(h)であり、この値が大きいと短時間で充電できることを示す。
(炭素材料の製造例1)
フェノール樹脂(粉末状フェノール樹脂、商品名、スミライトレジン、PR−217)粉末をアルミナボートにのせ、環状炉内に設置し、アルゴンガス雰囲気中、1000℃で保持して、フェノール樹脂粉末を炭化した。炉内において、アルゴンガス流量はフェノール樹脂粉末1gあたり0.1L/分とし、室温から1000℃までの昇温速度を約5℃/分、1000℃での保持時間を1時間とした。炭化後、ボールミル(メノウ製ボール、28rpm、5分間)で粉砕して、粉末状の炭素材料を得た。平均粒径は50μm以下であった。平均粒径は、炭素材料を中性洗剤含有水溶液で分散させ、レーザー回折式粒度分布測定装置SALD2000J(登録商標、島津製作所製)を用いて測定された体積平均粒径として測定した。得られた炭素材料のBET比表面積は450m2/gであった。BET比表面積はユアサアイオニクス社製、AUTOSORBを用い、液体窒素温度での窒素吸着等温線から算出される値から測定した。得られた炭素材料を用いて、以下のようにしてナトリウム二次電池を作製して、ナトリウムイオンドープ特性を確認した。
炭素材料と結合剤のポリフッ化ビニリデン(PVDF)を、炭素材料:結合剤=85:15(重量比)の組成となるように秤量し、結合剤をN−メチルピロリドン(NMP)に溶解した後、これに炭素材料を加えてスラリー化したものを集電体である厚さ10μmの銅箔上に塗布装置でコートし、これを乾燥機で乾燥することにより電極シートを得た。この電極シートを電極打ち抜き機で直径1.5cmに打ち抜いての円形の電極(EA1)を得た。
この電極(EA1)について、本発明におけるラマン分光測定を行ったところ、得られたR値は1.29であった。また、ラマン分光測定におけるフィッティングスペクトルにおいて、B1の値は60cm-1であり、NR値は0.88であった。
コインセル(宝泉株式会社製)の下側パーツの窪みに、銅箔面を下に向けて第2電極(EA1)を置き、その上にセパレータ(ポリプロピレン製多孔質フィルム)を置き、電解液(1MのNaClO4/プロピレンカーボネート)を注入して、第1電極(金属ナトリウム箔)を用いて、金属ナトリウム箔と中蓋とを組み合わせて、これらを、セパレータの上側に、金属ナトリウム箔が下側を向くように置き、ガスケットを介して上側パーツで蓋をし、かしめ機でかしめてナトリウム二次電池(TB1)を作製した。なお、二次電池の組み立てはアルゴン雰囲気のグローブボックス内で行った。
以下の条件で定電流充放電を繰り返し行う充放電試験を行った。
充放電条件:
充電(第2電極へのナトリウムイオンのドープ)は0.005Vまで0.05mA/cm2(炭素材料1gあたり10mA)で定電流充電を行った。
放電(第2電極からのナトリウムイオンの脱ドープ)は0.05mA/cm2(炭素材料1gあたり10mA)で定電流放電を行い、第1回目の放電時のみ電圧1.5Vでカットオフし、2回目以降の放電時は電圧1Vでカットオフした。
初回の放電容量は、245mAh/gであった。2サイクル目の放電容量に対し、10サイクル目の放電容量は98%であり、良好な充放電特性を示した。また、10サイクル目の充放電曲線を測定した結果、充電容量と放電容量とはほぼ一致しており、充放電特性は良好であった。
まず、次のようにして、第1電極を得た。アルゴン雰囲気のグローブボッックス内で、Na2O2(Fluka Chemie AG 製)とFe3O4(Aldrich Chemical Company,Inc.製)をNaとFeがNaFeO2の化学量論比となるように秤取した後、メノウ乳鉢でよく混合した。得られた混合物をアルミナ製ルツボにいれ、あらかじめ真空ポンプで雰囲気を排気した後にアルゴンを導入して置換したグローブボックスに連結された電気炉に入れて、炉内の雰囲気をアルゴンにして昇温を開始した。100℃に達する直前に電気炉内を空気中に開放し、その後は空気雰囲気で加熱を行い、650℃で12時間保持し、取り出すことで、Na化合物(MC1)を得た。得られたNa化合物(MC1)と導電材とを70:25の組成になるように秤量し、メノウ乳鉢で混合した後、結合剤のポリフッ化ビニリデン(PVDF)を、MC1:導電材:結合剤=70:25:5(重量比)の組成となるように秤量し、結合剤をN−メチルピロリドン(NMP)に溶解した後、これにMC1と導電材とを加えてスラリー化したものを集電体である厚さ40μmのアルミ箔上に塗布装置でコートし、これを乾燥機で乾燥することにより電極シートを得た。この電極シートを電極打ち抜き機で直径1.45cmに打ち抜いて円形の第1電極(EC1)を得た。コインセル(宝泉株式会社製)の下側パーツの窪みに、アルミ箔面を下に向けて第1電極(EC1)を置き、その上にセパレータ(ポリプロピレン製多孔質フィルム)を置き、電解液(1MのNaClO4/プロピレンカーボネート)を注入して、第2電極(EA1)を用いて、EA1と中蓋とを組み合わせて、これらを、セパレータの上側に、EA1の炭素材料を塗布した面が下側を向くように置き、ガスケットを介して上側パーツで蓋をし、かしめ機でかしめてナトリウム二次電池(TIB1)を作製した。なお、二次電池の組み立てはアルゴン雰囲気のグローブボックス内で行った。ナトリウム二次電池(TIB1)は、良好な充放電特性を示すことがわかった。また、充放電試験後のTIB1にフクレは観測されなかった。TIB1について行うナトリウム二次電池の充放電条件を、次に示す。
充電は4.0Vまで0.1mAで定電流充電を行った。
放電は0.1mAで定電流放電を行い、電圧1.5Vでカットオフした。
また、充放電は、10サイクル行った。
(炭素材料の製造例2)
アルキル芳香族炭化水素類を含む液状組成物を、芳香族ヒドロペルオキシド類を含む液状組成物に酸化し、この液状組成物とアルカリ水溶液とを接触させて、芳香族ヒドロペルオキシド類を油相に抽出する。得られる油相と酸とを接触させて、芳香族ヒドロペルオキシド類を酸分解して、レゾルシノールを含む油相に変換して、有機溶媒を含む軽沸成分及びレゾルシノールとタールとを分離してタールを得る。このタールをレゾルシノール製造時における残渣油として用い、これをアルミナボートにのせ、環状炉内に設置し、アルゴンガス雰囲気中、1000℃で保持して、残渣油を炭化した。炉内において、アルゴンガス流量は残渣油1gあたり0.1L/分とし、室温から1000℃までの昇温速度を約5℃/分、1000℃での保持時間を1時間とした。炭化後、ボールミル(メノウ製ボール、28rpm、5分間)で粉砕して、粉末状の炭素材料を得た。炭素材料のBET比表面積は20m2/gであった。得られた炭素材料を用いて、以下のようにしてナトリウム二次電池を作製して、ナトリウムイオンドープ特性を確認した。
炭素材料の製造例2において得られた炭素材料を用いて、実施例1と同様に円形の電極(EA2)を作製した。この電極(EA2)について、本発明におけるラマン分光測定を行ったところ、得られたR値は1.16であった。また、ラマン分光測定におけるフィッティングスペクトルにおいて、B1の値は85cm-1であり、NR値は0.66であった。
第2電極(EA2)を用いて、実施例1(2−1)と同様にして、ナトリウム二次電池(TB2)を作製し、実施例1と同様に充放電試験を行ったところ、初回の放電容量は264mAh/gであった。2サイクル目の放電容量に対し、10サイクル目の放電容量は97%であり、良好な充放電特性を示した。また、10サイクル目の充放電曲線を測定した結果、充電容量と放電容量とはほぼ一致しており、充放電特性は良好であった。
第2電極(EA2)を用いて、実施例1(3−1)と同様にして、ナトリウム二次電池(TIB2)を作製した。ナトリウム二次電池(TIB2)は良好な充放電特性を示すことがわかった。また、充放電試験後のTIB2にフクレは観測されなかった。TIB2について行う充放電条件は、TIB1のそれと同様である。
市販の炭素材料粉末(日本カーボン社製、商品名:ニカビーズ ICB−0510)を炭素材料として用いた。
炭素材料(ICB−0510)を用いて、実施例1と同様に円形の電極(EA3)を作製した。この電極(EA3)について、本発明におけるラマン分光測定を行ったところ、得られたR値は1.35であった。また、ラマン分光測定におけるフィッティングスペクトルにおいて、B1の値は55cm-1であり、NR値は0.94であった。
第2電極(EA3)を用いて、実施例1(2−1)と同様にして、ナトリウム二次電池(TB3)を作製し、実施例1と同様に充放電試験を行ったところ、初回の放電容量は256mAh/gであった。2サイクル目の放電容量に対し、10サイクル目の放電容量は97%であり、良好な充放電特性を示した。また、10サイクル目の充放電曲線を測定した結果、充電容量と放電容量とはほぼ一致しており、充放電特性は良好であった。
第2電極(EA3)を用いて、実施例1(3−1)と同様にして、ナトリウム二次電池(TIB3)を作製した。ナトリウム二次電池(TIB3)は良好な充放電特性を示すことがわかった。また、充放電試験後のTIB3にフクレは観測されなかった。TIB3について行うナトリウム二次電池の充放電条件は、TIB1のそれと同様である。
市販の炭素材料粉末(日本カーボン社製、商品名:ニカビーズ ICB−0520)を炭素材料として用いた。
炭素材料(ICB−0520)を用いて、実施例1と同様に円形の電極(EA4)を作製した。この電極(EA4)について、本発明におけるラマン分光測定を行ったところ、得られたR値は1.72であった。また、ラマン分光測定におけるフィッティングスペクトルにおいて、B1の値は30cm-1であり、NR値は1.93であった。
第2電極(EA4)を用いて、実施例1(2−1)と同様にして、ナトリウム二次電池(TB4)を作製し、実施例1と同様に充放電試験を行ったところ、初回の放電容量は249mAh/gであった。2サイクル目の放電容量に対し、10サイクル目の放電容量は81%であり、良好な充放電特性を示した。また、10サイクル目の充放電曲線を測定した結果、充電容量と放電容量とはほぼ一致しており、充放電特性は良好であった。
第2電極(EA4)を用いて、実施例1(3−1)と同様にして、ナトリウム二次電池(TIB4)を作製した。ナトリウム二次電池(TIB4)は良好な充放電特性を示す。また、TIB4における電解液(1MのNaClO4/プロピレンカーボネート)の代わりに、1MのNaClO4/(エチレンカーボネートとジメチルカーボネートの等量混合物)を用いても、TIB4と同様の充放電特性の効果を得ることができた。また、充放電試験後のTIB4にフクレは観測されなかった。TIB4について行う充放電条件は、TIB1のそれと同様である。
(炭素材料の製造例5)
杉の角材を切り出す際に発生したおが屑をアルミナボートにのせ、環状炉内に設置し、アルゴンガス雰囲気中、1000℃で保持して、おが屑を炭化した。炉内において、アルゴンガス流量はおが屑1gあたり0.1L/分とし、室温から1000℃までの昇温速度を約5℃/分、1000℃での保持時間を1時間とした。炭化後、ボールミル(メノウ製ボール、28rpm、5分間)で粉砕して、粉末状の炭素材料を得た。炭素材料のBET比表面積は126m2/gであった。得られた炭素材料を用いて、以下のようにしてナトリウム二次電池を作製して、ナトリウムイオンドープ特性を確認した。
炭素材料の製造例5において得られた炭素材料を用いて、実施例1と同様に円形の電極(EA5)を作製した。この電極(EA5)について、本発明におけるラマン分光測定を行ったところ、得られたR値は1.10であった。また、ラマン分光測定におけるフィッティングスペクトルにおいて、B1の値は95cm-1であり、NR値は0.62であった。
第2電極(EA5)を用いて、実施例1(2−1)と同様にして、ナトリウム二次電池(TB5)を作製し、実施例1と同様に充放電試験を行ったところ、初回の放電容量は223mAh/gであった。2サイクル目の放電容量に対し、10サイクル目の放電容量は99%であり、良好な充放電特性を示した。また、10サイクル目の充放電曲線を測定した結果、充電容量と放電容量とはほぼ一致しており、充放電特性は良好であった。
第2電極(EA5)を用いて、実施例1(3−1)と同様にして、ナトリウム二次電池(TIB5)を作製した。ナトリウム二次電池(TIB5)は良好な充放電特性を示すことがわかった。また、充放電試験後のTIB5にフクレは観測されなかった。TIB5について行う充放電条件は、TIB1のそれと同様である。
市販の天然黒鉛(SEC社製、高純度天然黒鉛SNO)を炭素材料として用いた。
炭素材料(高純度天然黒鉛SNO)を用いて、実施例1と同様に円形の電極(REA1)を作製した。この電極(REA1)について、本発明におけるラマン分光測定を行ったところ、得られたR値は0.23であった。また、ラマン分光測定におけるフィッティングスペクトルにおいて、B1の値は19cm-1であり、NR値は0.13であった。
第2電極(REA1)を用いて、実施例1(2−1)と同様にして、ナトリウム二次電池(RTB1)を作製し、実施例1と同様に充放電試験を行おうとしたが、初回の充電において、電圧が0.5Vより下がらず、100時間経過後も充電が終了しなかった。また、電解液(1MのNaClO4/プロピレンカーボネート)の代わりに1MのNaClO4/(エチレンカーボネートとジメチルカーボネートの等量混合物)を用いたところ、充電、放電とも10mAh/g以下であり、充放電容量が十分でなかった。
第2電極(REA1)を用いて、実施例1(3−1)と同様にして、ナトリウム二次電池(RTIB1)を作製した。ナトリウム二次電池(RTIB1)は二次電池として十分な動作はしなかった。電解液1MのNaClO4/(プロピレンカーボネート)の代わりに1MのNaClO4/(エチレンカーボネートとジメチルカーボネートの等量混合物)を用いても、二次電池として十分な動作をしなかった。
市販の人造黒鉛(SEC社製、高純度人造黒鉛SGO)を炭素材料として用いた。
炭素材料(高純度人造黒鉛SGO)を用いて、実施例1と同様に円形の電極(REA2)を作製した。この電極(REA2)について、本発明におけるラマン分光測定を行ったところ、ラマンスペクトルにおいて、横軸1570〜1620cm-1の範囲にピークを確認することができなかった。
第2電極(REA2)を用いて、実施例1(2−1)と同様にして、ナトリウム二次電池(RTB2)を作製し、実施例1と同様に充放電試験を行おうとしたが、初回の充電において、電圧が0.5Vより下がらず、100時間経過後も充電が終了しなかった。また、電解液(1MのNaClO4/プロピレンカーボネート)の代わりに1MのNaClO4/(エチレンカーボネートとジメチルカーボネートの等量混合物)を用いたところ、充電、放電とも10mAh/g以下であり、充放電容量が十分でなかった。
第2電極(REA2)を用いて、実施例1(3−1)と同様にして、ナトリウム二次電池(RTIB2)を作製した。ナトリウム二次電池(RTIB2)は二次電池として十分な動作はしなかった。電解液1MのNaClO4/(プロピレンカーボネート)の代わりに1MのNaClO4/(エチレンカーボネートとジメチルカーボネートの等量混合物)を用いても、二次電池として十分な動作をしなかった。
市販の炭素材料粉末(大阪ガス社製、メソカーボンマイクロビーズ、MCMB−6−10)を炭素材料として用いた。
炭素材料(MCMB−6−10)を用いて、実施例1と同様に円形の電極(REA3)を作製した。この電極(REA3)について、本発明におけるラマン分光測定を行ったところ、得られたR値は1.01であった。また、ラマン分光測定におけるフィッティングスペクトルにおいて、B1の値は78cm-1であり、NR値は0.49であった。
第2電極(REA3)を用いて、実施例1(2−1)と同様にして、ナトリウム二次電池(RTB3)を作製し、実施例1と同様に充放電試験を行ったところ、初回の放電容量は48mAh/gであった。2サイクル目の放電容量に対し、10サイクル目の放電容量は12%であった。
第2電極(REA3)を用いて、実施例1(3−1)と同様にして、ナトリウム二次電池(RTIB3)を作製した。ナトリウム二次電池(RTIB3)について充放電を繰り返したところ、3サイクル目で充放電容量がほぼ0mAhとなり、二次電池として十分な動作はしなかった。電解液1MのNaClO4/(プロピレンカーボネート)の代わりに1MのNaClO4/(エチレンカーボネートとジメチルカーボネートの等量混合物)を用いても、二次電池として十分な動作をしなかった。
市販の炭素材料粉末(大阪ガス社製、メソカーボンマイクロビーズ、MCMB−6−28)を炭素材料として用いた。
炭素材料(MCMB−6−28)を用いて、実施例1と同様に円形の電極(REA4)を作製した。この電極(REA4)について、本発明におけるラマン分光測定を行ったところ、得られたR値は0.18であった。また、ラマン分光測定におけるフィッティングスペクトルにおいて、B1の値は18cm-1であり、NR値は0.12であった。
第2電極(REA4)を用いて、実施例1(2−1)と同様にして、ナトリウム二次電池(RTB4)を作製し、実施例1と同様に充放電試験を行おうとしたが、100時間経過後も充電が終了しなかった。また、電解液(1MのNaClO4/プロピレンカーボネート)の代わりに1MのNaClO4/(エチレンカーボネートとジメチルカーボネートの等量混合物)を用いたところ、充電、放電とも10mAh/g以下であり、充放電容量が十分でなかった。
第2電極(REA4)を用いて、実施例1(3−1)と同様にして、ナトリウム二次電池(RTIB4)を作製した。ナトリウム二次電池(RTIB4)は二次電池として十分な動作はしなかった。電解液1MのNaClO4/(プロピレンカーボネート)の代わりに1MのNaClO4/(エチレンカーボネートとジメチルカーボネートの等量混合物)を用いても、二次電池として十分な動作をしなかった。
市販の炭素材料粉末(東海カーボン社製、トーカブラック TB#2500)を炭素材料として用いた。
炭素材料(TB#2500)を用いて、実施例1と同様に円形の電極(REA5)を作製した。この電極(REA5)について、本発明におけるラマン分光測定を行ったところ、得られたR値は1.04であった。また、ラマン分光測定におけるフィッティングスペクトルにおいて、B1の値は108cm-1であり、NR値は0.50であった。
第2電極(REA5)を用いて、実施例1(2−1)と同様にして、ナトリウム二次電池(RTB5)を作製し、実施例1と同様に充放電試験を行ったところ、初回の放電容量は50mAh/gであった。
第2電極(REA5)を用いて、実施例1(3−1)と同様にして、ナトリウム二次電池(RTIB5)を作製した。ナトリウム二次電池(RTIB5)について充放電を繰り返したところ、10サイクル目で充放電容量がほぼ0mAhとなり、二次電池として十分な動作はしなかった。電解液1MのNaClO4/(プロピレンカーボネート)の代わりに1MのNaClO4/(エチレンカーボネートとジメチルカーボネートの等量混合物)を用いても、二次電池として十分な動作をしなかった。
市販の炭素材料粉末(東海カーボン社製、トーカブラック TB#2545)を炭素材料として用いた。
炭素材料(TB#2545)を用いて、実施例1と同様に円形の電極(REA6)を作製した。この電極(REA6)について、本発明におけるラマン分光測定を行ったところ、得られたR値は1.06であった。また、ラマン分光測定におけるフィッティングスペクトルにおいて、B1の値は90cm-1であり、NR値は0.61であった。
第2電極(REA6)を用いて、実施例1(2−1)と同様にして、ナトリウム二次電池(RTB6)を作製し、実施例1と同様に充放電試験を行ったところ、初回の放電容量は29mAh/gであった。
第2電極(REA6)を用いて、実施例1(3−1)と同様にして、ナトリウム二次電池(RTIB6)を作製した。ナトリウム二次電池(RTIB6)について充放電を繰り返したところ、10サイクル目で充放電容量がほぼ0mAhとなり、二次電池として十分な動作はしなかった。電解液1MのNaClO4/(プロピレンカーボネート)の代わりに1MのNaClO4/(エチレンカーボネートとジメチルカーボネートの等量混合物)を用いても、二次電池として十分な動作をしなかった。
(積層フィルムの製造例)
(1)塗工液の製造
NMP4200gに塩化カルシウム272.7gを溶解した後、パラフェニレンジアミン132.9gを添加して完全に溶解させた。得られた溶液に、テレフタル酸ジクロライド(以下、TPCと略す)243.3gを徐々に添加して重合し、パラアラミドを得て、さらにNMPで希釈して、濃度2.0重量%のパラアラミド溶液(A)を得た。得られたパラアラミド溶液100gに、アルミナ粉末(a)2g(日本アエロジル社製、アルミナC、平均粒子径0.02μm(D2に相当)、粒子は略球状で、粒子のアスペクト比は1)とアルミナ粉末(b)2g(住友化学株式会社製スミコランダム、AA03、平均粒子径0.3μm(D1に相当)、粒子は略球状で、粒子のアスペクト比は1)とをフィラーとして計4g添加して混合し、ナノマイザーで3回処理し、さらに1000メッシュの金網で濾過、減圧下で脱泡して、スラリー状塗工液(B)を製造した。パラアラミドおよびアルミナ粉末の合計重量に対するアルミナ粉末(フィラー)の重量は、67重量%となる。また、D2/D1は0.07となる。
多孔質フィルムとしては、ポリエチレン製多孔質フィルム(膜厚12μm、透気度140秒/100cc、平均孔径0.1μm、空孔率50%)を用いた。厚み100μmのPETフィルムの上に上記ポリエチレン製多孔質フィルムを固定し、テスター産業株式会社製バーコーターにより、該多孔質フィルムの上にスラリー状塗工液(B)を塗工した。PETフィルム上の塗工された該多孔質フィルムを一体にしたまま、貧溶媒である水中に浸漬させ、パラアラミド多孔層(耐熱多孔層)を析出させた後、溶媒を乾燥させて、耐熱多孔層と多孔質フィルムとが積層された積層フィルム1を得た。積層フィルム1の厚みは16μmであり、パラアラミド多孔層(耐熱多孔層)の厚みは4μmであった。積層フィルム1の透気度は180秒/100cc、空孔率は50%であった。積層フィルム1における耐熱多孔層の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)により観察をしたところ、0.03μm〜0.06μm程度の比較的小さな微細孔と0.1μm〜1μm程度の比較的大きな微細孔とを有することがわかった。また、上記のように、積層フィルム1の耐熱多孔層には含窒素芳香族重合体であるパラアラミドが用いられており、積層フィルム1の熱破膜温度は400℃程度である。尚、積層フィルムの評価は以下の方法で行った。
(A)厚み測定
積層フィルムの厚み、多孔質フィルムの厚みは、JIS規格(K7130−1992)に従い、測定した。また、耐熱多孔層の厚みとしては、積層フィルムの厚みから多孔質フィルムの厚みを差し引いた値を用いた。
(B)ガーレー法による透気度の測定
積層フィルムの透気度は、JIS P8117に基づいて、株式会社安田精機製作所製のデジタルタイマー式ガーレー式デンソメータで測定した。
(C)空孔率
得られた積層フィルムのサンプルを一辺の長さ10cmの正方形に切り取り、重量W(g)と厚みD(cm)を測定した。サンプル中のそれぞれの層の重量(Wi(g))を求め、Wiとそれぞれの層の材質の真比重(真比重i(g/cm3))とから、それぞれの層の体積を求めて、次式より空孔率(体積%)を求めた。
空孔率(体積%)=100×{1−(W1/真比重1+W2/真比重2+・・+Wn/真比重n)/(10×10×D)}
炭素材料の製造例1において得られた炭素材料を用いて、セパレータとしてポリプロピレン製多孔質フィルムのかわりに、上記積層フィルムを用いた以外は実施例1(3−1)と同様にしてナトリウム二次電池TIB6を製造した。得られたナトリウム二次電池TIB6は良好な充放電特性を示すことがわかった。また、充放電試験後のTIB6にフクレは観測されなかった。TIB6について行う充放電条件は、TIB1のそれと同様である。
実施例1の(炭素材料の製造例1)により得られた炭素材料について、上記のX線小角散乱測定を行った結果、A値は−0.20であり、かつσA値は0.006であった。
実施例3における炭素材料について、上記のX線小角散乱測定を行った結果、A値は−0.13であり、かつσA値は0.003であった。
比較例1における炭素材料について、上記のX線小角散乱測定を行った結果、A値は−0.61であり、かつσA値は0.012であった。
比較例3における炭素材料について、上記のX線小角散乱測定を行った結果、A値は−1.4であり、かつσA値は0.013であった。
実施例1のTB1と同様に作製したナトリウム二次電池(TB9)について、実施例1(2−2)記載の充放電条件で充電、放電を1回ずつ行い、充放電試験後のTB9について、上記した手法で、電極合剤を回収し、FIBを用いて、厚みが一定(100nm程度)の薄片を作製して、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて、加速電圧200kVで、TEM像(明視野像)を観察したところ、炭素材料に10nm以上の細孔は存在しなかった。
実施例2のTB2と同様に作製したナトリウム二次電池(TB10)について、実施例1(2−2)記載の充放電条件で充電、放電を1回ずつ行い、充放電試験後のTB10について、上記した手法で、電極合剤を回収し、FIBを用いて、厚みが一定(100nm程度)の薄片を作製して、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて、加速電圧200kVで、TEM像(明視野像)を観察したところ、炭素材料に10nm以上の細孔は存在しなかった。
実施例3のTB3と同様に作製したナトリウム二次電池(TB11)について、実施例1(2−2)記載の充電条件で充電したあと、充電後のTB11について上記した手法で、電極合剤を回収し、示差熱分析測定装置(DSC200(商品名、セイコーインスツルメンツ社製))を用いて、上記の手法で、Q1を求めたところ、726ジュール/gであった。また、Q2を求めたところ、44ジュール/gであった。また、Q3を求めたところ、0ジュール/gであった。
実施例1の(炭素材料の製造例1)により得られた炭素材料と結合剤である非フッ素系重合体(カルボキシメチルセルロース)とを、炭素材料:結合剤=96:4(重量比)の組成となるように秤量し、結合剤を水に溶解した後、これに炭素材料を加えてスラリー化したものを集電体である厚さ10μmの銅箔上に塗布装置でコートし、これを乾燥機で乾燥することにより電極シートを得た。この電極シートを電極打ち抜き機で直径1.5cmに打ち抜いての円形の電極(EA12)を得た。
第2電極(EA12)を用いて、実施例1(2−1)と同様にして、ナトリウム二次電池(TB12)を作製した。実施例1と同様に充放電試験を行ったところ、初回の充放電効率は83%であった。さらに2サイクル目の放電容量に対する10サイクル目の放電容量は98%となり、結合剤としてPVDFを用いて電極を用いて作製したTB1よりもさらに良好な充放電特性を示した。
第2電極(EA12)を用いて、実施例1(3−1)と同様にして、ナトリウム二次電池(TIB12)を作製した。ナトリウム二次電池(TIB12)は良好な充放電特性を示した。また、充放電試験後のTIB12にフクレは観測されなかった。TIB12について行う充放電条件は、TIB1のそれと同様である。
実施例1のTB1と同様に作製したナトリウム二次電池(TB13)について、実施例1(2−2)記載の充電条件で充電したあと、充電後のTB13について上記した手法で、電極合剤を回収し、示差熱分析測定装置(DSC200(商品名、セイコーインスツルメンツ社製))を用いて、上記の手法で、Q1を求めたところ、699ジュール/gであった。また、Q2を求めたところ、5ジュール/gであった。また、Q3を求めたところ、0ジュール/gであった。
実施例3のTB3と同様に作成したナトリウム二次電池(TB14)について、実施例1(2−2)記載の充放電条件で充電、放電を1回ずつ行い、充放電試験後のTB14について、上記した手法で、電極合剤を回収し、FIBを用いて、厚みが一定(200nm程度)の薄片を作製して、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて、加速電圧200kVで、TEM像(明視野像)を観察したところ、炭素材料に10nm以上の細孔は存在しなかった。
12:集電体
13:電極材料
14:セパレータ
15:金属製蓋
16:ガスケット
21:金属製容器
22:集電体
23:電極材料
24:セパレータ
25:電極封口板
26:リード
Claims (19)
- 第1電極と、炭素材料を有する第2電極とを含み、該炭素材料が、以下の要件1、要件2、要件3および要件4からなる群から選ばれる1つ以上の要件を有することを特徴とするナトリウム二次電池。
(要件1)以下のラマン分光測定により得られるR値(ID/IG)が1.07以上3以下である。
<ラマン分光測定>
炭素材料について、波長532nmのレーザーを照射して、ラマン分光測定を行うことにより得られるラマンスペクトル(縦軸(y)は任意単位の散乱光強度であり、横軸(x)はラマンシフト波数(cm-1)である。)において、横軸1300〜1400cm-1の範囲および横軸1570〜1620cm-1の範囲のそれぞれに1つずつピークを有し、該スペクトルの600〜1740cm-1の波数範囲について、2つのローレンツ関数および1つのベースライン関数を用いてフィッティングを行って得られるフィッティング関数からベースライン関数を除去して得られるフィッティングスペクトルにおいて、横軸1300〜1400cm-1の範囲における縦軸の最大値をID、横軸1570〜1620cm-1の範囲における縦軸の最大値をIGとし、IDをIGで除して、R値(ID/IG)を得る。
(要件2)以下のX線小角散乱測定により得られるA値が−0.5以上0以下であり、かつσA値が0以上0.010以下である。
<X線小角散乱測定>
炭素材料について、X線小角散乱測定を行うことにより得られるX線小角散乱スペクトル(横軸は波数q(nm−1)、縦軸はS(散乱強度Iの常用対数:log(I))である。)の0.6nm−1以上1.8nm−1以下のqの範囲について最小二乗法により直線近似して、直線の傾きA値と、A値の標準偏差σA値を得る。
(要件3)炭素材料85重量部とポリフッ化ビニリデン15重量部とを混合して得られる電極合剤を有する電極について、ナトリウムイオンのドープかつ脱ドープがなされた後の電極における炭素材料に、10nm以上の細孔が実質的に存在しない。
(要件4)以下の示差熱分析測定により得られるQ1値が、800ジュール/g以下である。
<示差熱分析測定>
炭素材料85重量部とポリフッ化ビニリデン15重量部とを混合して得られる電極合剤を有する電極について、ナトリウムイオンのドープがなされた後の電極における電極合剤1mgおよび非水電解液(濃度1MのNaClO4/プロピレンカーボネート)8mgを密閉容器内に入れ、リファレンスをα−Al2O3、昇温速度を10℃/分として、40℃以上410℃以下の範囲で示差熱分析測定を行い、100℃以上400℃以下の範囲における電極合剤および非水電解液1gあたりの発熱量合計値(Q1値)を得る。 - 前記炭素材料が、少なくとも前記要件1を有する請求項1記載のナトリウム二次電池。
- 前記炭素材料が、芳香環を有する有機材料の炭化により得られる請求項1または2記載のナトリウム二次電池。
- 前記芳香環を有する有機材料が、フェノールまたはその誘導体とアルデヒド化合物とを重合させて得られる材料である請求項3記載のナトリウム二次電池。
- 前記炭素材料が、植物由来の有機材料の炭化により得られる炭素材料である請求項1または2記載のナトリウム二次電池。
- 植物由来の有機材料の炭化により得られる炭素材料が、木炭である請求項5記載のナトリウム二次電池。
- 前記炭素材料が、プラント残渣油の炭化により得られる炭素材料である請求項1または2記載のナトリウム二次電池。
- プラント残渣油が、レゾルシノール製造時における残渣油である請求項7記載のナトリウム二次電池。
- 炭化の温度が、800℃以上2500℃以下の温度である請求項3〜8のいずれかに記載のナトリウム二次電池。
- 炭素材料が、未賦活型炭素材料である請求項1〜9のいずれかに記載のナトリウム二次電池。
- 炭素材料が粉末状であり、そのBET比表面積が1m2/g以上である請求項1〜10のいずれかに記載のナトリウム二次電池。
- 第1電極が正極として作用し、かつ第2電極が負極として作用する請求項1〜11のいずれかに記載のナトリウム二次電池。
- 第1電極と第2電極との間にセパレータを有する請求項1〜12のいずれかに記載のナトリウム二次電池。
- セパレータが、耐熱多孔層と多孔質フィルムとが積層された積層フィルムからなる請求項13に記載のナトリウム二次電池。
- 第2電極が、非フッ素系重合体を有する請求項1〜14のいずれかに記載のナトリウム二次電池。
- 炭素材料について、以下のラマン分光測定を行い、該測定により得られるR値(ID/IG)が1.07以上3以下である炭素材料をナトリウム二次電池用炭素材料として用いる炭素材料の判別方法。
<ラマン分光測定>
炭素材料について、波長532nmのレーザーを照射して、ラマン分光測定を行うことにより得られるラマンスペクトル(縦軸(y)は任意単位の散乱光強度であり、横軸(x)はラマンシフト波数(cm-1)である。)において、横軸1300〜1400cm-1の範囲および横軸1570〜1620cm-1の範囲のそれぞれに1つずつピークを有し、該スペクトルの600〜1740cm-1の波数範囲について、2つのローレンツ関数および1つのベースライン関数を用いてフィッティングを行って得られるフィッティング関数からベースライン関数を除去して得られるフィッティングスペクトルにおいて、横軸1300〜1400cm-1の範囲における縦軸の最大値をID、横軸1570〜1620cm-1の範囲における縦軸の最大値をIGとし、IDをIGで除して、R値(ID/IG)を得る。 - 炭素材料について、以下のX線小角散乱測定を行い、該測定により得られるA値が−0.5以上0以下であり、かつσA値が0以上0.010以下である炭素材料をナトリウム二次電池用炭素材料として用いる炭素材料の判別方法。
<X線小角散乱測定>
炭素材料について、X線小角散乱測定を行うことにより得られるX線小角散乱スペクトル(横軸は波数q(nm−1)、縦軸はS(散乱強度Iの常用対数:log(I))である。)の0.6nm−1以上1.8nm−1以下のqの範囲について最小二乗法により直線近似して、直線の傾きA値と、A値の標準偏差σA値を得る。 - 炭素材料85重量部とポリフッ化ビニリデン15重量部とを混合して得られる電極合剤を有する電極について、ナトリウムイオンのドープかつ脱ドープがなされた後の電極における炭素材料に、10nm以上の細孔が実質的に存在しない炭素材料をナトリウム二次電池用炭素材料として用いる炭素材料の判別方法。
- 炭素材料について、以下の示差熱分析測定を行い、該測定により得られるQ1値が、800ジュール/g以下である炭素材料をナトリウム二次電池用炭素材料として用いる炭素材料の判別方法。
<示差熱分析測定>
炭素材料85重量部とポリフッ化ビニリデン15重量部とを混合して得られる電極合剤を有する電極について、ナトリウムイオンのドープがなされた後の電極における電極合剤1mgおよび非水電解液(濃度1MのNaClO4/プロピレンカーボネート)8mgを密閉容器内に入れ、リファレンスをα−Al2O3、昇温速度を10℃/分として、40℃以上410℃以下の範囲で示差熱分析測定を行い、100℃以上400℃以下の範囲における電極合剤および非水電解液1gあたりの発熱量合計値(Q1値)を得る。
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