JP6229008B1 - マグネシウムイオン電池用正極活物質及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
MgaM1 bM2 cSiO4・・・(A)
(式(A)中、M1はMn、Fe、Ni又はCoである金属元素を示し、M2はCo、Al、Zr、La、Nb、Mo、Cr、Fe、Mn、Niから選ばれる1種以上のドープ金属元素を示す。但し、M1とM2は、同時に異なる金属元素である。a、b及びcは、1.0≦a≦1.5、0<b≦1.0、0≦c<0.5、及び2a+2b+n×c=4を満たす数であり、nはM2の平均価数を示す。)
で表されるオリビン型ケイ酸マグネシウム化合物
を含有するマグネシウムイオン電池用正極活物質を提供することにある。
また、本発明は、ケイ酸化合物、マグネシウム化合物、金属(M1)化合物、及び金属(M2)化合物を混合して混合液を得る工程(I)、
得られた混合液を水熱反応に付して一次粒子を得る工程(II)、並びに
得られた一次粒子を焼成して下記式(A):
MgaM1 bM2 cSiO4・・・(A)
(式(A)中、M1はMn、Fe、Ni又はCoである金属元素を示し、M2はCo、Al、Zr、La、Nb、Mo、Cr、Fe、Mn、Niから選ばれる1種以上のドープ金属元素を示す。但し、M1とM2は、同時に異なる金属元素である。a、b及びcは、1.0≦a≦1.5、0<b≦1.0、0≦c<0.5、及び2a+2b+n×c=4を満たす数であり、nはM2の平均価数を示す。)
で表されるオリビン型ケイ酸マグネシウム化合物を得る工程(III)
を備える上記マグネシウムイオン電池用正極活物質の製造方法を提供することにある。
本発明のマグネシウムイオン電池用正極活物質は、下記式(A):
MgaM1 bM2 cSiO4・・・(A)
(式(A)中、M1はMn、Fe、Ni又はCoである金属元素を示し、M2はCo、Al、Zr、La、Nb、Mo、Cr、Fe、Mn、Niから選ばれる1種以上のドープ金属元素を示す。但し、M1とM2は、同時に異なる金属元素である。a、b及びcは、1.0≦a≦1.5、0<b≦1.0、0≦c<0.5、及び2a+2b+n×c=4を満たす数であり、nはM2の平均価数を示す。)
で表されるオリビン型ケイ酸マグネシウム化合物を含有する。
かかるカーボンの担持量は、マグネシウムイオン電池用正極活物質100質量%中、炭素原子換算量で、好ましくは0.1〜20質量%であり、より好ましくは0.5〜15質量%である。
得られた混合液を水熱反応に付して一次粒子を得る工程(II)、並びに
得られた一次粒子を焼成して上記式(A)で表されるオリビン型ケイ酸マグネシウム化合物を得る工程(III)
を備えるのがよい。
ケイ酸化合物としては、乾式シリカやコロイダルシリカ等の非晶質シリカ、Na2SiO3、Na4SiO4(例えば、Na4SiO4・nH2O)等が挙げられ、Na2SiO3を用いるのが好ましい。
マグネシウム化合物としては、2価のマグネシウム化合物及びこれらの水和物等であればよく、例えば、ハロゲン化マグネシウム等のハロゲン化物;硫酸マグネシウム等の硫酸塩;シュウ酸マグネシウム、酢酸マグネシウム等の有機酸塩;並びにこれらの水和物等が挙げられる。なかでも、電池特性を高める観点から、硫酸マグネシウム又はその水和物を用いるのが好ましい。
金属(M1)化合物としては、金属(M)を含む塩化物やヨウ化物等のハロゲン化物、硫酸塩、酢酸塩、及びこれらの水和物等が挙げられる。なかでも、電池特性を高める観点から、硫酸塩又はその水和物を用いるのが好ましい。金属(M2)化合物としても、同様に金属(M2)を含む塩化物やヨウ化物等のハロゲン化物、硫酸塩、酢酸塩、及びこれらの水和物等が挙げられ、硫酸塩又はその水和物を用いるのが好ましい。
インペラの周速度(m/s)=
インペラの半径(m)×2×π×回転数(rpm)÷60・・・(X)
例えば、上記混合する処理を、周速度25〜40m/sで回転するインペラを備える密閉容器内で6〜90分間行う場合、容器に投入する複合体(二次粒子)の量は、有効容器(インペラを備える密閉容器のうち、複合体を収容可能な部位に相当する容器)1cm3当たり、好ましくは0.1〜0.7gであり、より好ましくは0.15〜0.4gである。
予め、二酸化ケイ素粉末(ポーラスSiO2ナノパウダー(637246−50G)、アルドリッチ社製、粒子径5〜15nm) 3.00g(50mmol)と水100gとを混合して、スラリー水を調製した。次にMg(CH3COO)2・4H2O 10.72g(50mmol)、Mn(CH3COO)2・4H2O 11.64g(47.5mmol)、Co(CH3COO)2・4H2O 0.62g(2.5mmol)、及び水100gを混合して溶液を作製し、予め調製した上記スラリー水と混合してゾルとし、その後60℃で撹拌してゲル化させ、一次粒子としてMgMn0.95Co0.05SiO4の前駆体を含むゲルを得た。
得られたゲル 10.0gと、グルコース 2.7g(炭素原子換算量で、MgMn0.95Co0.05SiO4100質量%中に10質量%に相当)を混合して遊星ボールミル(P−5、フリッチュ社製)に備えられた容器に投入し、これにエタノール 90gと水 10gを混合して調製した溶媒を添加した。次いで、球径1mmのボールを100g用い、回転速度400rpmにて1時間混合した。得られた混合物をろ過し、エバポレーターを用いて溶媒を留去した後、還元雰囲気下、500℃で3時間仮焼し、900℃で12時間焼成して、正極活物質(MgMn0.95Co0.05SiO4)を得た。
Co(CH3COO)2・4H2Oの代わりに、Al2O(CH3COO) 0.25g(0.83mmol)を用いた以外、実施例1と同様にして、正極活物質(MgMn0.950Al0.033SiO4)を得た。
Co(CH3COO)2・4H2Oの代わりに、ZrO(CH3COO)2 0.28g(1.25mmol)を用いた以外、実施例1と同様にして、正極活物質(MgMn0.950Zr0.025SiO4)を得た。
Na2SiO3 6.10g(50mmol)に、水50cm3を加えて混合し、予備混合液X1を得た。この予備混合液X1にMgSO4・7H2O 12.32g(50mmol)、MnSO4・5H2O 11.45g(47.5mmol)及びCoSO4・7H2O 0.70g(2.5mmol)を添加し、混合した。得られた混合液をオートクレーブに投入し、150℃で6hr水熱反応を行った。反応液をろ過後、凍結乾燥した。凍結乾燥(12時間)して得られた粉末8.4gにグルコース(炭素濃度として10%)及び超純水10cm3を加えて乾燥した後、還元雰囲気下、650℃で1時間焼成して、正極活物質(MgMn0.95Co0.05SiO4)を得た。
CoSO4・7H2Oの代わりに、Al2(SO4)3 0.29g(0.83mmol)を用いた以外、実施例4と同様にして、正極活物質(MgMn0.950Al0.033SiO4)を得た。
CoSO4・7H2Oの代わりに、Zr(SO4)2・4H2O 0.44g(1.25mmol)を用いた以外、実施例4と同様にして、正極活物質(MgMn0.950Zr0.025SiO4)を得た。
Co(CH3COO)2・4H2Oを用いず、Mn(CH3COO)2・4H2Oの量を12.25g(50mmol)とした以外、実施例1と同様にして、正極活物質(MgMnSiO4)を得た。
CoSO4・7H2Oを用いず、MnSO4・5H2Oの量を12.05g(50mmol)とした以外、実施例4と同様にして、正極活物質(MgMnSiO4)を得た。
実施例1〜6及び比較例1〜2で得られた正極活物質を用い、マグネシウムイオン二次電池の正極を作製した。具体的には、得られた正極活物質、ケッチェンブラック(導電剤)、ポリフッ化ビニリデン(粘結剤)を重量比75:20:5の配合割合で混合し、これにN−メチル−2−ピロリドンを加えて充分混練し、正極スラリーを調製した。正極スラリーを厚さ20μmのアルミニウム箔からなる集電体に塗工機を用いて塗布し、80℃で12時間の真空乾燥を行った。その後、φ14mmの円盤状に打ち抜いてハンドプレスを用いて16MPaで2分間プレスし、正極とした。
製造したマグネシウム二次電池を用いて充放電試験を行い、放電容量を求めた。このときの充電条件は電流0.1CA(3.1mAh/g)、電圧2.1Vの定電流定電圧充電とし、放電条件は電流0.01CA(3.1mAh/g)、終止電圧0.5Vの定電流放電とした。温度は全て30℃とした。
結果を表1に示す。
Claims (7)
- 下記式(A):
MgaM1 bM2 cSiO4・・・(A)
(式(A)中、M1はMn、Fe、Ni又はCoである金属元素を示し、M2はCo、Al、Zr、La、Nb、Mo、Cr、Fe、Mn、Niから選ばれる1種以上のドープ金属元素を示す。但し、M1とM2は、同時に異なる金属元素である。a、b及びcは、1.0≦a≦1.5、0<b<1.0、0<c<0.5、及び2a+2b+n×c=4を満たす数であり、nはM2の平均価数を示す。)
で表されるオリビン型ケイ酸マグネシウム化合物を含む水熱反応物とグルコースとの焼成物であり、上記オリビン型ケイ酸マグネシウム化合物にグルコース由来の炭素が担持されてなるマグネシウムイオン電池用正極活物質。 - グルコース由来の炭素の担持量が、0.5〜15質量%である請求項1に記載のマグネシウムイオン電池用正極活物質。
- 式(A)中のM1がMnであり、かつM2がCo、Al、Zr、La、Nb、Mo、Cr、Fe、Niから選ばれる1種以上のドープ金属元素である請求項1又は2に記載のマグネシウムイオン電池用正極活物質。
- 式(A)中のM1がFeであり、かつM2がCo、Al、Zr、La、Nb、Mo、Cr、Mn、Niから選ばれる1種以上のドープ金属元素である請求項1又は2に記載のマグネシウムイオン電池用正極活物質。
- 式(A)中のM1がNiであり、かつM2がCo、Al、Zr、La、Nb、Mo、Cr、Fe、Mnから選ばれる1種以上のドープ金属元素である請求項1又は2に記載のマグネシウムイオン電池用正極活物質。
- 式(A)中のM1がCoであり、かつM2がAl、Zr、La、Nb、Mo、Cr、Fe、Mn、Niから選ばれる1種以上のドープ金属元素である請求項1又は2に記載のマグネシウムイオン電池用正極活物質。
- ケイ酸化合物、マグネシウム化合物、金属(M1)化合物、及び金属(M2)化合物を混合して混合液を得る工程(I)、
得られた混合液を水熱反応に付して一次粒子を得る工程(II)、並びに
得られた一次粒子を焼成して下記式(A):
MgaM1 bM2 cSiO4・・・(A)
(式(A)中、M1はMn、Fe、Ni又はCoである金属元素を示し、M2はCo、Al、Zr、La、Nb、Mo、Cr、Fe、Mn、Niから選ばれる1種以上のドープ金属元素を示す。但し、M1とM2は、同時に異なる金属元素である。a、b及びcは、1.0≦a≦1.5、0<b<1.0、0<c<0.5、及び2a+2b+n×c=4を満たす数であり、nはM2の平均価数を示す。)
で表されるオリビン型ケイ酸マグネシウム化合物を得る工程(III)
を備え、
前記工程(II)が、前記水熱反応の反応液をろ過し、前記一次粒子を得る工程であり、
前記工程(III)が、得られた一次粒子をグルコースと混合し、複合体とした後、前記複合体を焼成する工程である、
請求項1〜6のいずれか1項に記載のマグネシウムイオン電池用正極活物質の製造方法。
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