説明

マグネシウム二次電池

【課題】エネルギー密度の高いでマグネシウム二次電池は、良好な電解液、正極活物質がなく、実現に至っていない。
【解決手段】本発明は、負極と非水電解液と正極とからなるマグネシウム二次電池であって、負極活物質がマグネシウムまたはマグネシウムを含む合金であって、非水電解液が電解質としてマグネシウム塩を含む非水電解液であって、正極活物質として(Mgx2a3b4c2(M’O43(M2はCa、Sr、Baから選択される2価の金属元素であり、M3はSc、Y、Ga、Inから選択される3価の金属元素であり、M4はZr、Hfから選択される4価の金属元素であり、(x+a+b+c=2、c=a+x、0<x<=1、0<=a<1、0=<b<2、0<c<=1、M’:WまたはMoを含む6価の金属元素)を用いることにより、良好なサイクル特性を示すマグネシウム二次電池を得る。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、高いエネルギー密度を有するマグネシウム二次電池に関する。
【背景技術】
【0002】
現在、高いエネルギー密度を有するリチウム二次電池は携帯端末用電源として広く利用されている。
【0003】
実用されているリチウム二次電池では負極が炭素(ケッチェンブラック、グラファイトなど)正極はスピネル構造を有する酸化物(コバルト酸リチウムなど)の構成であるが、携帯端末の進歩による機能向上により電池電源の容量が課題になっている。
【0004】
他方、Mg,Alは2価、3価であることからLiに匹敵する理論容量を有しており、Liと比較して安全性も高いことから、種々の電池応用が期待されている。
【0005】
しかしながらこれらの電池は実用化が期待されながら、水溶液を電解液とする一次電池で非常用の注水電池として一部実現されているのみである。
【0006】
このうちマグネシウム電池は、非特許文献1にあるように、酸化還元電位が高く負極上で電解液である水の電気分解が起こることにより、理論上の酸化還元電位が安定して得られないという課題がある。
【0007】
一方、水を使用しない非水電解液を用いマグネシウムイオンを可動イオンとする電池を実現しようとする例がいくつか開示されている。
【0008】
非水電解液としては、非プロトン系有機溶剤(例えばプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、アクリロニトリルなど)が代表的に上げられる(例えば特許文献1、特許文献2)。また近年では非水電解液として常温溶融塩の開示もあり、これらに使用するMg塩としてハロゲン化マグネシウムやイミド塩、スルホン酸塩が開示されている(例えば、特許文献4、特許文献5、特許文献6)。
【0009】
上記の負極、非水電解液を利用し、正極活物質にマグネシウムイオンを吸蔵放出可能な材料を組み合わせるとマグネシウム二次電池を提供することが可能となる。
【0010】
このような正極活物質としては、特許文献1、特許文献2にスピネル構造を有するマグネシウム酸化物、特許文献4、特許文献5には硫黄を含む正極活物質、特許文献6にはフッ化炭素が開示されている。
【0011】
一方、熱膨張係数の小さい材料として、MgHf(WO43が特許文献7に開示されている。
【特許文献1】特開2001−76720号公報
【特許文献2】特開2002−25555号公報
【特許文献3】特開2004−313991号公報
【特許文献4】特開2004−259650号公報
【特許文献5】特開2004−265675号公報
【特許文献6】特開2004−265676号公報
【特許文献7】特開2003−89572号公報
【非特許文献1】「最新電池ハンドブック」朝倉書店、1996年、第5編、p.593−737
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
特許文献1、2では、正極活物質としてスピネル構造を有する酸化物が開示されているが、この正極活物質は比較的大きな容量が期待される一方、マグネシウムイオンの吸蔵放出の際、活物質の結晶構造が大きく変化することが知られておりサイクル特性に課題がある。
【0013】
特許文献3、5では、硫黄を含む正極活物質が開示されている。
【0014】
特許文献6では、フッ化炭素を含む正極活物質が開示されている。
【0015】
これらの正極活物質は比較的大きな容量が期待されるが、不可逆容量が大きくサイクル特性に課題がある。
【0016】
特許文献7にはマグネシウムを含む2価、4価の金属イオンからなるタングステン複合酸化物が開示されているが、金属イオンの挙動、結晶構造の安定性についての開示はない。
【0017】
したがって、マグネシウムイオンを吸蔵放出しサイクル特性の良好な正極活物質を実現した例はなく、マグネシウム二次電池は実用に至っていない。
【課題を解決するための手段】
【0018】
以上の課題を解決する本発明は、負極と非水電解液と正極とからなるマグネシウム二次電池であって、負極活物質がマグネシウムまたはマグネシウムを含む合金であって、非水電解液が電解質としてマグネシウム塩を含む非水電解液であって、正極活物質が、(Mgx2a3b4c2(M’O43(M2はCa、Sr、Baから選択される2価の金属元素であり、M3はSc、Y、Ga、Inから選択される3価の金属元素であり、M4はZr、Hfから選択される4価の金属元素であり、(x+a+b+c=2、c=a+xが満たされる。0<x<=1、0<=a<1、0=<b<2、0<c<=1、M’:WまたはMoを含む6価の金属元素。)であることを特徴とする。
【0019】
請求項2記載の発明は、請求項1記載のマグネシウム二次電池において、M’がMoであることを特徴とする。
【0020】
請求項3記載の発明は、請求項1、2記載のマグネシウム二次電池において、非水電解液が、Mg(CF3SO32を含む電解質と下記(化1)または(化2)で示される常温溶融塩からなることを特徴とする。
【0021】
【化1】

【0022】
【化2】

請求項4記載の発明は、請求項1、2記載のマグネシウム二次電池において、非水電解液が、Mg・(N(CF3SO222を含む電解質と下記(化3)または(化4)で示される常温溶融塩からなることを特徴とする。
【0023】
【化3】

【0024】
【化4】

【発明の効果】
【0025】
本発明によれば、マグネシウムイオンを吸蔵放出可能な正極活物質とマグネシウムイオンを可動イオンとする非水電解液が得られ、エネルギー密度が高くサイクル特性の良好なマグネシウム二次電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0026】
以下、本発明について正極活物質について詳細に説明する。
【0027】
我々は、(Mgx2a3b4c2(M’O43
(M2はCa、Sr、Baから選択される2価の金属元素であり、M3はSc、Y、Ga、Inから選択される3価の金属元素であり、M4はZr、Hfから選択される4価の金属元素であり、(x+a+b+c=2、c=a+xが満たされる。0<x<=1、0<=a<1、0=<b<2、0<c<=1、M’:WまたはMoを含む6価の金属元素。)
について検討を行い、マグネシウム二次電池の正極活物質として利用可能であることを見いだした。
【0028】
この正極活物質は、WO42-またはMoO42-で示される正四面体が層構造をとり、M2+(またはM3+、M4+)がその層間に配置された構造を有している。
【0029】
この構造により高温(400℃以上)でM2+(またはM3+、M4+)によるイオン伝導性が報告されている。
【0030】
複合酸化物のイオン伝導は、一般に酸素イオンに起因するが、この化合物はWO42-(MoO42-)正四面体の酸素イオンがタングステンイオン(モリブデンイオン)と強く結合しているため、層間に位置する金属イオンが移動すると考えられている。
【0031】
我々は、これら酸化物の常温での挙動に着目し、層間金属イオンのうち相対的にファンデルワールス力が小さくなる2価の金属イオンが電気化学的に吸蔵放出可能であることを見いだした。
【0032】
また、価数の大きい3価、4価の金属イオンが層内に残存し2価金属イオンを吸蔵放出しても安定な結晶構造を保持することができ、二次電池用の正極活物質として好ましく用いることができる。
【0033】
2価金属イオンのうち、マグネシウムイオンは原子量、イオン半径とも小さく、マグネシウムを含む本発明の正極活物質はマグネシウム二次電池用に好ましく用いることができる。
【0034】
マグネシウムイオン以外の2価、3価、4価の金属イオンの置換量は、置換量が大きいと吸蔵放出可能なマグネシウムイオンが少なくなり活物質としてのエネルギー密度が小さくなる。マグネシウムイオンの置換量が小さいと、マグネシウムイオンの吸蔵放出が結晶構造に与える影響が大きくなり、電池のサイクル特性が劣化する。
【0035】
((Mgx2a3b4c2(M’O43でマグネシウムの置換量を表すxの範囲としては0.4<x<=0.8が好ましい。
【0036】
本発明の非水電解液としては、電解質のマグネシウム塩を含み、これをよく溶解・解離する電解液であれば好ましく用いることができる。
【0037】
電解質のマグネシウム塩と電解液の組合せは、溶解度や安定性、さらに環境影響などを考慮して選択すると好ましい。
【0038】
電解液として一般にはエチレンカーボネート、プロピレンカーボネートなど電位窓の広い有機溶媒が選択される。
【0039】
これら有機溶媒に溶解するマグネシウム塩はMg(ClO42、MgCl2があげられる。
【0040】
しかしながら、これらのマグネシウム塩は、過酸化物、塩化物であるため安全性に問題がある場合がある。
【0041】
特許文献4、5には、特定のマグネシウム塩と常温溶融塩からなる非水電解液が開示されており、安全性も高くイオン伝導度も高いので、これらで構成された非水電解液あれば好ましく用いることができる。
【0042】
しかしながら、本発明の電解質となるMg塩、Mg(CF3SO32およびMg・(N(CF3SO222さらにはマグネシウムの硫酸塩、リン酸塩、硝酸塩などを用いて、具体的にMg塩、常温溶融塩の組合せを検討した結果、Mg塩のうちMg(CF3SO32が、上記(化1)または(化2)で示される常温溶融塩によく溶解することを見出した。
【0043】
また、Mg・(N(CF3SO222は、上記(化3)または(化4)で示される常温溶融塩によく溶解するので、好ましく用いることができる。
【0044】
これらの結果から、電解液中でMg塩が溶解・解離してマグネシウムイオンとして安定に存在するために、トリフルオロメタンスルホン酸(CF3SO3-)、ビストリフルオロメタンスルホニルイミド(N(CF3SO22-)が欠かせないものと考えている。
【0045】
常温溶融塩としては、イミダゾリウム塩、ピリジウム塩、ピロリジニウム塩、4級アンモニウム塩、フォスホニウム塩などカチオンの種類により多種の常温溶融塩があるが、アニオンがトリフルオロメタンスルホン酸(CF3SO3-)であればMg(CF3SO32をよく溶解した。またMg・(N(CF3SO222は、アニオンをビストリフルオロメタンスルホニルイミド(N(CF3SO22-)とする常温溶融塩によく溶解した。
【0046】
(化1)においてR1−R4はそれぞれ炭化水素であって、Aが窒素であればアンモニウム塩、りんであればフォスホニウム塩となる。
【0047】
炭素数は1〜6程度が好ましい。
【0048】
炭素数が増加すると常温溶融塩の融点が上昇する傾向があって、常温で固体になる傾向がある。またR1,R2は環を形成してもよく、Aが窒素の場合、五員環を形成していればピロリジニウム塩、六員環であればピリジニウム塩を構成する。
【0049】
(化2)においてR5−R7もそれぞれ炭化水素である。
【0050】
(化2)の場合もR5−R7の炭素数は1〜6程度が好ましい。
【0051】
炭素数が増加すると融点が上昇する傾向があって、常温で固体となり溶融しなくなる傾向がある。R5−R7は環を形成してもよく、Aが窒素であってR5とR7でイミダゾリウム環を形成すればイミダゾリウム塩を構成する。
【0052】
本発明の常温溶融塩(化1)(化2)は、Mg塩の溶解により粘度が上昇し、溶液粘度の上昇とともにイオン伝導後が低下する傾向がある。
【0053】
この場合、溶液粘度の上昇、イオン伝導度の低下の程度に応じて、非水有機溶剤と混合してもちいてもよい。
【0054】
常温溶融塩と混合して用いる非水有機溶剤としては、一般的な有機溶剤であって常温溶融塩に溶解するものであればよい。
【0055】
プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジメトキシエタンなど電位窓が比較的広く溶液粘度の低いものが好ましい。
【0056】
ただしこれらの有機溶剤は電解質であるMg塩を溶解しないので、混合比はMg塩を溶解する範囲で用いるとよく、非水有機溶剤の混合比で50体積%以下が好ましい。20体積%以下であればMg塩が十分に溶解した電解液が提供できるのでより好ましい。
【0057】
(化3)ならびに(化4)のR8−R11および12−R14の場合もそれぞれ炭化水素である。R8−R11およびR12−R14の炭化水素、A(窒素またはりん)、五員環、六員環については、(化1)(化2)と同様であり、常温で液体であれば好ましく用いることができる。
【0058】
また、常温溶融塩(化3)(化4)は、(化1)(化2)と同様にMg塩の溶解により粘度が上昇し、溶液粘度の上昇とともにイオン伝導後が低下する傾向がある。
【0059】
この場合も、非水有機溶剤と混合してもちいてよい。
【0060】
常温溶融塩と混合して用いる非水有機溶剤は、一般的な有機溶剤であって常温溶融塩に溶解するものであればよい。プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジメトキシエタンなど電位窓が比較的広く溶液粘度の低いものであれば好ましく用いることができる。
【0061】
ただしこれらの有機溶剤は電解質であるMg塩を溶解しないので、混合比はMg塩を溶解する範囲で用いるとよい。
【0062】
本発明の負極活物質は、マグネシウムを吸蔵放出が可能な材料であればよく、マグネシウム金属、マグネシウム合金などが好ましい。
【実施例1】
【0063】
以下に、本発明のより具体的な実施例を示す。
【0064】
なお、実施例は本発明の一例を示すにすぎず、本発明は実施例に限定されない。
【0065】
本発明の正極活物質、電解液の効果を確認するために、図1に示すコインセルを用いマグネシウム電池を作成した。
【0066】
1はステンレス製の負極ケース、4はポリプロピレン製の多孔質フィルムからなるセパレータ、5はポリプロピレン製の絶縁ガスケット、7はステンレス製の正極ケースを用いた。
【0067】
2の負極、3の電解液、6の正極は、それぞれ下記の実施例に示す極板、電解液を用いた。
【0068】
電池作製手順を以下に示す。
【0069】
まず、上記正極6を、正極ケース7に圧着し、次に周縁部にガスケット5を装着し、この上に電解液3を滴下し、さらにその上にセパレータ4を設置し、再度電解液3を滴下する。
【0070】
あらかじめ負極ケース1に負極2を圧着しておいたものをかみ合わせ、プレス機にてかしめ封口し、所望のコインセルを作製した。
【0071】
このようにして作製したコインセルの評価は、正極極板の単位面積あたり電流値0.1mA、電圧範囲1.5〜2.5Vで定電流充放電を行い、特性評価を行った。
【0072】
(実施例1)
実施例として、正極活物質にMgHf(MoO43を用いたコインセルを作製した。
【0073】
正極活物質となるMgHf(MoO43は、MgOとHfO2とMoO3をモル比1:1:3で十分混合粉砕し、900℃4hで焼成を行い、ライカイキにて十分粉砕した後、粉末X線回折測定により結晶系が単一であることを確認して正極活物質とした。
【0074】
作製した正極活物質と、炭素粉末、および結着剤としてポリ4-フッ化エチレン粉末を重量比100:25:5の割合で混合し練合した。十分に練合したのち、このスラリーをシート上に圧延し、これを直径13.0mmの円盤上に打ち抜いて正極6とした。
【0075】
その際、極板の重量は25mgとなるようにした。
【0076】
つづいて電解液3は以下のように作製した。電解液として、常温溶融塩BMI・CF3SO3(ブチルメチルイミダゾリウム−トリフルオロメタンスルホン酸)に対して、50mM(Mはmol/L)のMg(CF3SO32を加え、24時間攪拌を行い、Mg塩が十分に溶解したことを確認して電解液3とした。
【0077】
負極2にはマグネシウム板、厚さ100μmを直径13.5mmに打ち抜いて、用いた。
【0078】
これらからコインセルを組立て、充放電特性の評価を行い、正極活物質あたりの放電容量を導いた。結果を表1に示す。
【0079】
(実施例2)
正極活物質をMg0.5Hf0.5Sc1.0(MoO43として、コインセルを作製した。
【0080】
正極活物質のMg0.5Hf0.5Sc1.0(MoO43は、MgOとHfO2とScCO3とMoO3を所望のモル比で十分混合粉砕し、900℃4hで焼成を行い、ライカイキにて十分粉砕した後、粉末X線回折測定により結晶系が単一な菱面体晶であることを確認して正極活物質とした。
【0081】
正極活物質以外は、実施例1と同様にコインセルを組み立てた。
【0082】
作製したコインセルの充放電特性の評価を行い、正極活物質あたりの放電容量を導いた。
【0083】
結果を表1に示す。
【0084】
(比較例1)
正極活物質に炭素粉末を用いて、実施例1,2と同様にコインセルを作製した。用いた炭素粉末は実施例1と同様で、炭素粉末、および結着剤としてポリ4-フッ化エチレン粉末を重量比50:5の割合で混合し練合して正極2を作製した。
【0085】
作製したコインセルの充放電特性の評価を行い、正極活物質あたりの放電容量を導いた。
【0086】
結果を表1に示す。
【0087】
【表1】

表1より、比較例1として作製したコインセルの放電容量が小さく、充放電を繰り返すことにより放電容量が小さくなることがわかる。本発明の正極活物質を用いた実施例1,2の場合、放電容量が大きく、サイクル特性の良好なマグネシウム二次電池がえられることがわかった。
【0088】
(実施例3)
実施例3として、正極活物質に(MgxZrySc(2-x-y))(WO43を用いたコインセルを作製した。
【0089】
正極活物質となる(MgxZrySc(2-x-y))(WO43を、MgOとZrO2とScCO3、WO3を所望のモル比で十分混合粉砕し、1100℃4hで焼成を行い、ライカイキにて十分粉砕して得た。
【0090】
なお、粉砕後の物質を粉末X線回折測定により結晶系が単一であることを確認して正極活物質とした。
【0091】
x(=y)は0,0.2、0.4、0.6、0.8、1.0のものをそれぞれ作製した。
【0092】
つづいて電解液3は以下のように作製した。
【0093】
電解液として、常温溶融塩EMI・(N(CF3SO222(エチルメチルイミダゾリウム−ビストリフルオロメタンスルホニルイミド)に対して、50mM(Mはmol/L)のMg・(N(CF3SO222を加え、24時間攪拌を行い、Mg塩が十分に溶解したことを確認して電解液3とした。
【0094】
これら正極活物質、電解液とマグネシウム板からなる負極を用いてコインセルを組立て、それぞれコインセル3−1、3−2、3−3、3−4、3−5、3−6とした。
【0095】
作製したコインセルの充放電特性の評価を行い、正極活物質あたりの放電容量を導いた。結果を表2に示す。
【0096】
【表2】

表2に示すようにx=0の時放電容量はほとんどゼロに等しく、マグネシウムの吸蔵放出を観測することはできなかった。
【0097】
0<x<=1(実施例3−2、3−3、3−4、3−5、3−6)の範囲で、マグネシウムの吸蔵放出が可能であり、良好なマグネシウム二次電池が得られた。
【0098】
xに応じて放電容量に変化が見られたが、特に実施例3−5、実施例3−6ではサイクル特性と放電容量を両立したマグネシウム二次電池を得ることができた。
【産業上の利用可能性】
【0099】
本発明にかかるマグネシウム二次電池は、良好なサイクル特性を示し、情報携帯端末(ノートパソコン、携帯電話など)電気自動車など広い範囲で二次電池として利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【0100】
【図1】実施例において作製したコインセルを示す図
【符号の説明】
【0101】
1:負極ケース
2:負極
3:電解液
4:セパレータ
5:ガスケット
6:正極
7:正極ケース


【特許請求の範囲】
【請求項1】
負極と非水電解液と正極とからなるマグネシウム二次電池であって、
極活物質が、マグネシウムまたはマグネシウムを含む合金であって、
水電解液が、電解質としてマグネシウム塩を含む非水電解液であって
正極活物質が、
(Mgx2a3b4c2(M’O43
(M2はCa、Sr、Baから選択される2価の金属元素であり、M3はSc、Y、Ga、Inから選択される3価の金属元素であり、M4はZr、Hfから選択される4価の金属元素であり、(x+a+b+c=2、c=a+xが満たされる。0<x<=1、0<=a<1、0=<b<2、0<c<=1、M’:WまたはMoを含む6価の金属元素。)
であることを特徴とするマグネシウム二次電池。
【請求項2】
M’がMoであることを特徴とする正極活物質を用いた請求項1記載のマグネシウム二次電池。
【請求項3】
非水電解液が、Mg(CF3SO32を含む電解質と下記(化1)または(化2)で示される常温溶融塩からなることを特徴とする請求項1、2記載のマグネシウム二次電池。
【化1】

【化2】

【請求項4】
非水電解液が、Mg・(N(CF3SO222を含む電解質と下記(化3)または(化4)で示される常温溶融塩からなることを特徴とする請求項1、2記載のマグネシウム二次電池。
【化3】

【化4】


【図1】
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【公開番号】特開2007−280627(P2007−280627A)
【公開日】平成19年10月25日(2007.10.25)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−101742(P2006−101742)
【出願日】平成18年4月3日(2006.4.3)
【出願人】(000005821)松下電器産業株式会社 (73,050)
【Fターム(参考)】