JP7147726B2 - 活物質およびフッ化物イオン電池 - Google Patents
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Description
本開示における活物質は、フッ化物イオン電池に用いられる活物質であって、M1Nx(M1は、Cu、Ti、V、Cr、Fe、Mn、Co、Ni、Zn、Nb、In、Sn、Ta、WおよびBiの少なくとも一種であり、xは0.05≦x≦3を満たす)、または、M2LnyNz(M2は、Cu、Ti、V、Cr、Fe、Mn、Co、Ni、Zn、Nb、In、Sn、Ta、WおよびBiの少なくとも一種であり、Lnは、Sc、Yおよびランタノイドの少なくとも一種であり、yは0.1≦y≦3を満たし、zは0.15≦z≦6を満たす)で表される組成を有する。
図1は、本開示におけるフッ化物イオン電池の一例を示す概略断面図である。図1に示されるフッ化物イオン電池10は、正極活物質層1と、負極活物質層2と、正極活物質層1および負極活物質層2の間に形成された電解質層3と、正極活物質層1の集電を行う正極集電体4と、負極活物質層2の集電を行う負極集電体5と、これらの部材を収納する電池ケース6とを有する。本開示においては、正極活物質層1および負極活物質層2の少なくとも一方が、上述した活物質を含有する。
本開示における正極活物質層は、少なくとも正極活物質を含有する層である。正極活物質においては、通常、充電時にフッ化反応が生じ、放電時に脱フッ化反応が生じる。また、正極活物質層は、正極活物質の他に、導電材、バインダーおよび電解質の少なくとも一つをさらに含有していてもよい。
本開示における負極活物質層は、少なくとも負極活物質を含有する層である。負極活物質においては、通常、充電時に脱フッ化反応が生じ、放電時にフッ化反応が生じる。また、負極活物質層は、負極活物質の他に、導電材、バインダーおよび電解質の少なくとも一つをさらに含有していてもよい。
本開示における電解質層は、正極活物質層および負極活物質層の間に形成される層である。電解質層を構成する電解質は、液体電解質(電解液)であってもよく、ポリマー電解質であってもよく、無機固体電解質であってもよい。
本開示におけるフッ化物イオン電池は、上述した正極活物質層、負極活物質層および電解質層を少なくとも有する。さらに通常は、正極活物質層の集電を行う正極集電体、および、負極活物質層の集電を行う負極集電体を有する。集電体の形状としては、例えば、箔状、メッシュ状、多孔質状が挙げられる。また、フッ化物イオン電池は、正極活物質層および負極活物質層の間に、セパレータを有していてもよい。セパレータを設けることで、より安全性の高い電池が得られる。
本開示におけるフッ化物イオン電池は、一次電池であってもよく、二次電池であってもよいが、二次電池であることが好ましい。繰り返し充放電でき、例えば車載用電池として有用だからである。また、本開示におけるフッ化物イオン電池の形状としては、例えば、コイン型、ラミネート型、円筒型および角型が挙げられる。
活物質(Cu3N、レアメタリック製)と、固体電解質(PbF2、高純度化学製)と、導電材(アセチレンブラック(AB)、HS-100、デンカ製)とを、Cu3N:PbF2:AB=30:60:10の重量比となるように秤量し、それらをボールミルで混合し、電極合材を得た。得られた電極合材(作用極)と、固体電解質層を形成するための固体電解質(La0.9Ba0.1F2.9)と、固体電解質(PbF2、高純度化学製)および導電材(アセチレンブラック(AB)、HS-100、デンカ製)をPbF2:AB=95:5の重量比で混合した合材(対極)と、Pb箔とを圧粉成形し、評価用電池を得た。
作用極において、活物質としてTiN(高純度化学製)を用い、固体電解質としてLa0.9Ba0.1F2.9を用いたこと以外は、実施例1と同様にして評価用電池を得た。
Arグローブボックス内で、マンガン金属(Mn)およびセリウム金属(Ce)を、Mn:Ce=1:2のモル比となるように秤量し、粉砕し、混合した。得られた混合物を石英管に入れ、真空引きし、その後、窒素ガスフロー下において、900℃、36時間の条件で焼成した。これにより、活物質(MnCe2N3)を得た。得られた活物質に対して、CuKα線を用いたX線回折測定を行ったところ、図2に示すように、2θ=32°、34°、35°付近に、MnCe2N3の典型的なピークが確認され、MnCe2N3が得られていることが確認された。作用極において、活物質としてMnCe2N3を用いたこと以外は、実施例2と同様にして評価用電池を得た。
作用極において、活物質としてCuを用いたこと以外は、実施例1と同様にして評価用電池を得た。
実施例1~3および比較例1で得られた評価用電池に対して充放電試験を行った。実施例1における充放電試験の条件は、温度140℃、作用極の終止電位0.3V(vs Pb/PbF2)~1.5V(vs Pb/PbF2)、電流50μA/cm2とした。また、実施例2、3および比較例1における充放電試験の条件は、温度140℃、作用極の終止電位-1.5V(vs Pb/PbF2)~3V(vs Pb/PbF2)、電流50μA/cm2とした。その結果を図3~図6に示す。
作用極において、活物質としてFe4N(高純度化学製)を用い、固体電解質としてLa0.9Ba0.1F2.9を用いたこと以外は、実施例1と同様にして評価用電池を得た。
作用極において、活物質としてVN(高純度化学製)を用い、固体電解質としてLa0.9Ba0.1F2.9を用いたこと以外は、実施例1と同様にして評価用電池を得た。
実施例4、5で得られた評価用電池に対して充放電試験を行った。充放電試験の条件は、温度140℃、作用極の終止電位-1.5V(vs Pb/PbF2)~3V(vs Pb/PbF2)、電流50μA/cm2とした。その結果を図7および図8に示す。
2 … 負極活物質層
3 … 電解質層
4 … 正極集電体
5 … 負極集電体
6 … 電池ケース
10 … フッ化物イオン電池
Claims (7)
- フッ化物イオン電池に用いられる活物質であって、
M1Nx(M1は、Cu、Ti、V、Cr、Fe、Mn、Co、Ni、Zn、Nb、In、Sn、Ta、WおよびBiの少なくとも一種であり、xは0.05≦x≦3を満たす)、または、M2LnyNz(M2は、Cu、Ti、V、Cr、Fe、Mn、Co、Ni、Zn、Nb、In、Sn、Ta、WおよびBiの少なくとも一種であり、Lnは、Sc、Yおよびランタノイドの少なくとも一種であり、yは0.1≦y≦3を満たし、zは0.15≦z≦6を満たす)で表される組成を有する、活物質。 - 前記活物質が前記M1Nxで表される組成を有する、請求項1に記載の活物質。
- 前記M1がCu、Ti、FeおよびVの少なくとも一つを含む、請求項2に記載の活物質。
- 前記活物質が前記M2LnyNzで表される組成を有する、請求項1に記載の活物質。
- 前記M2がMnを含む、請求項4に記載の活物質。
- 前記LnがCeを含む、請求項4または請求項5に記載の活物質。
- 正極活物質層と、負極活物質層と、前記正極活物質層および前記負極活物質層の間に形成された電解質層とを有するフッ化物イオン電池であって、
前記正極活物質層および前記負極活物質層の少なくとも一方が、請求項1から請求項6までのいずれかの請求項に記載の活物質を含有する、フッ化物イオン電池。
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