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JP2013168343A - Solid electrolyte, method for producing the same, and secondary battery provided with the same - Google Patents

Solid electrolyte, method for producing the same, and secondary battery provided with the same Download PDF

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JP2013168343A
JP2013168343A JP2012032575A JP2012032575A JP2013168343A JP 2013168343 A JP2013168343 A JP 2013168343A JP 2012032575 A JP2012032575 A JP 2012032575A JP 2012032575 A JP2012032575 A JP 2012032575A JP 2013168343 A JP2013168343 A JP 2013168343A
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JP
Japan
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solid electrolyte
nabh
nanh
nai
sodium
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Application number
JP2012032575A
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Japanese (ja)
Inventor
Shinichi Orimo
慎一 折茂
Motoaki Matsuo
元彰 松尾
Shingo Kuromoto
晋吾 黒本
Toyohito Sato
豊人 佐藤
Hiroyuki Oguchi
裕之 大口
Hideki Maekawa
英己 前川
仁 ▲高▼村
Hitoshi Takamura
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Tohoku University NUC
Original Assignee
Tohoku University NUC
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Abstract

【課題】 100℃未満の低温においても高いイオン伝導度を維持することができ、且つ、十分に高い分解電圧を有し電気化学的に安定なナトリウムイオン固体電解質、その製造方法、及びその固体電解質を備える二次電池を提供すること。
【解決手段】 NaBH、NaNH及びNaIからなる群から選択される少なくとも2種以上のナトリウム化合物を備えることを特徴とする固体電解質。
【選択図】 なし
PROBLEM TO BE SOLVED: To maintain a high ionic conductivity even at a low temperature of less than 100 ° C. and to have a sufficiently high decomposition voltage and to be electrochemically stable, a method for producing the same, and a method for producing the same A secondary battery comprising:
A solid electrolyte comprising at least two kinds of sodium compounds selected from the group consisting of NaBH 4 , NaNH 2 and NaI.
[Selection figure] None

Description

本発明は、固体電解質、その製造方法、及びその固体電解質を備える二次電池に関する。   The present invention relates to a solid electrolyte, a manufacturing method thereof, and a secondary battery including the solid electrolyte.

現在実用化されている二次電池の中で最もエネルギー密度の高い電池としては、リチウムイオン二次電池が知られているが、従来のリチウムイオン二次電池においては電解質として可燃性の有機溶媒電解液が用いられており、安全性の観点から、二次電池の電解質としてより安全な固体電解質が求められている。   A lithium ion secondary battery is known as a battery having the highest energy density among the secondary batteries currently in practical use. In conventional lithium ion secondary batteries, a combustible organic solvent electrolysis is used as an electrolyte. Since a liquid is used, a safer solid electrolyte is required as an electrolyte of a secondary battery from the viewpoint of safety.

リチウムを備える固体電解質としては、例えば、国際公開第2009/139382号(特許文献1)において、LiBHと特定のアルカリ金属化合物とを備える固体電解質が開示されている。しかしながら、このような電解質に用いられるリチウムは埋蔵量が少なく且つ産出地が偏在している上に、従来知られているリチウムイオン電解質を用いた二次電池においては、電極にもニッケル酸リチウム(LiNiO)、コバルト酸リチウム(LiCoO)等のリチウム金属を用いるため、供給量が不足するという問題や、生産コストが高くなるという問題を有していた。 As a solid electrolyte including lithium, for example, International Publication No. 2009/139382 (Patent Document 1) discloses a solid electrolyte including LiBH 4 and a specific alkali metal compound. However, lithium used for such an electrolyte has a small reserve and is unevenly distributed, and in a secondary battery using a conventionally known lithium ion electrolyte, the lithium nickel oxide ( Since lithium metal such as LiNiO 2 ) or lithium cobaltate (LiCoO 2 ) is used, there is a problem that a supply amount is insufficient and a problem that production cost is increased.

そこで、リチウムに代えてナトリウムを用いた固体電解質の開発が行われており、例えば、Journal of Solid State Chemistry、1980年、33巻、385−390(非特許文献1)において、β−アルミナ系のナトリウムイオン固体電解質が開示されており、Solid State Ionics、1981年、3−4、215−218(非特許文献2)において、NASICON系のナトリウムイオン固体電解質が開示されている。しかしながら、リチウムに比べて、ナトリウムイオン固体電解質の材料として用いることができる物質は現在のところ殆ど知られておらず、ナトリウムを固体電解質に用いた例は僅かであり、さらに、いずれのナトリウムイオン固体電解質においても、高電圧下において構造及びイオン伝導性が維持されるといった電気的安定性は十分ではなかった。   Accordingly, solid electrolytes using sodium instead of lithium have been developed. For example, in Journal of Solid State Chemistry, 1980, Vol. 33, 385-390 (Non-patent Document 1), A sodium ion solid electrolyte is disclosed, and Solid State Ionics, 1981, 3-4, 215-218 (Non-patent Document 2) discloses a NASICON-based sodium ion solid electrolyte. However, compared to lithium, there are currently few known substances that can be used as a material for a sodium ion solid electrolyte, and there are only a few examples of using sodium for a solid electrolyte. Also in the electrolyte, the electrical stability that the structure and the ionic conductivity are maintained under a high voltage is not sufficient.

国際公開第2009/139382号International Publication No. 2009/139382

I.L.BRIANT、G.C.FARRINGTON、Journal of Solid State Chemistry、1980年、33巻、385−390I. L. BRANT, G. C. FARRINGTON, Journal of Solid State Chemistry, 1980, 33, 385-390 U.VON ALPEN、M.F.BELL、H.H.HOFER、Solid State Ionics、1981年、3−4、215−218U. VON ALPEN, M.M. F. BELL, H.C. H. HOFER, Solid State Ionics, 1981, 3-4, 215-218

本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、100℃未満の低温においても高いイオン伝導度を維持することができ、且つ、十分に高い分解電圧を有し電気化学的に安定なナトリウムイオン固体電解質、その製造方法、及びその固体電解質を備える二次電池を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and can maintain high ionic conductivity even at a low temperature of less than 100 ° C., and has a sufficiently high decomposition voltage and is electrochemical. It is an object to provide a highly stable sodium ion solid electrolyte, a method for producing the same, and a secondary battery including the solid electrolyte.

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、固体電解質の材料として、NaBH、NaNH及びNaI等のナトリウム化合物(ナトリウム系錯体水素化物)をそれぞれ単独で用いた場合には、温度が低下するに従ってそのイオン伝導度が著しく低下するのに対して、NaBH、NaNH及びNaIからなる群から選択される少なくとも2種以上のナトリウム化合物を組み合わせて混合し、加熱して溶融又は焼結させることにより得られる固体電解質は、100℃未満の低温においても高いナトリウムイオン伝導度を維持することができ、且つ十分に高い分解電圧を有することを見出した。また、このような固体電解質は、6V以上の高電圧下においても構造及び優れたイオン伝導性が維持され、さらに、経時的にも高いイオン伝導度が維持されるため、電気化学的にも安定であることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have used sodium compounds (sodium complex hydrides) such as NaBH 4 , NaNH 2 and NaI alone as the solid electrolyte material. The ionic conductivity is remarkably lowered as the temperature is lowered, whereas at least two kinds of sodium compounds selected from the group consisting of NaBH 4 , NaNH 2 and NaI are mixed in combination and heated. It has been found that the solid electrolyte obtained by melting or sintering can maintain a high sodium ion conductivity even at a low temperature of less than 100 ° C. and has a sufficiently high decomposition voltage. In addition, such a solid electrolyte maintains its structure and excellent ionic conductivity even at a high voltage of 6 V or higher, and further maintains high ionic conductivity over time, so that it is also electrochemically stable. As a result, the present invention has been completed.

すなわち、本発明の固体電解質は、NaBH、NaNH及びNaIからなる群から選択される少なくとも2種以上のナトリウム化合物を備えることを特徴とするものである。 That is, the solid electrolyte of the present invention is characterized by comprising at least two kinds of sodium compounds selected from the group consisting of NaBH 4 , NaNH 2 and NaI.

本発明の固体電解質としては、NaBHとNaNHとを備えることが好ましく、NaBHとNaNHとのモル比がNaBH:NaNH=1:7〜7:1であることがより好ましい。 The solid electrolyte of the present invention, preferably comprise a NaBH 4 and NaNH 2, NaBH 4 and NaNH 2 molar ratio NaBH with 4: NaNH 2 = 1: 7~7 : and more preferably 1.

さらに、本発明の固体電解質として、NaBH及びNaNHを組み合わせた場合には、ラマン分光スペクトル測定において、少なくとも、2300±100cm−1及び3200±100cm−1の2箇所にピークを有することが好ましく、また、X線回折測定(CuKα:λ=1.5405Å)において、少なくとも、2θ=19±1deg、33±1deg、38.5±1degの3箇所に回折ピークを有することが好ましい。 Further, as the solid electrolyte of the present invention, when combined with NaBH 4 and NaNH 2, in the Raman spectrum measurement, at least, preferably has a peak at two positions 2300 ± 100 cm -1 and 3200 ± 100 cm -1 In addition, in X-ray diffraction measurement (CuKα: λ = 1.540540), it is preferable to have diffraction peaks at least at three locations of 2θ = 19 ± 1 deg, 33 ± 1 deg, 38.5 ± 1 deg.

また、本発明の二次電池は、上記本発明の固体電解質を備えるものである。さらに、本発明の固体電解質の製造方法は、NaBH、NaNH及びNaIからなる群から選択される少なくとも2種以上のナトリウム化合物を混合し、該混合物を加熱して溶融又は焼結させることを特徴とするものである。 Moreover, the secondary battery of this invention is equipped with the solid electrolyte of the said invention. Furthermore, in the method for producing a solid electrolyte of the present invention, at least two kinds of sodium compounds selected from the group consisting of NaBH 4 , NaNH 2 and NaI are mixed, and the mixture is heated to melt or sinter. It is a feature.

本発明の固体電解質の製造方法としては、前記混合物にボールミルによる混合粉砕処理を施すことが好ましい。   As a method for producing the solid electrolyte of the present invention, it is preferable to subject the mixture to a mixing and pulverizing treatment using a ball mill.

さらに、本発明の固体電解質の製造方法においては、前記ナトリウム化合物としてNaBHとNaNHとを用いることが好ましく、NaBHとNaNHとのモル比がNaBH:NaNH=1:7〜7:1であることがより好ましい。 Furthermore, in the method for producing a solid electrolyte of the present invention, NaBH 4 and NaNH 2 are preferably used as the sodium compound, and the molar ratio of NaBH 4 and NaNH 2 is NaBH 4 : NaNH 2 = 1: 7-7. : 1 is more preferable.

本発明によれば、100℃未満の低温においても高いイオン伝導度を維持することができ、且つ、十分に高い分解電圧を有し電気化学的に安定なナトリウムイオン固体電解質、その製造方法、及びその固体電解質を備える二次電池を提供することが可能となる。   According to the present invention, a high ion conductivity can be maintained even at a low temperature of less than 100 ° C., and a sufficiently high decomposition voltage and an electrochemically stable sodium ion solid electrolyte, a method for producing the same, and A secondary battery including the solid electrolyte can be provided.

本発明におけるアンチペロブスカイト構造を示す模式斜視図である。It is a model perspective view which shows the anti-perovskite structure in this invention. 実施例1〜3及び比較例1〜2で得られた固体電解質のX線回折パターンを示すグラフである。It is a graph which shows the X-ray-diffraction pattern of the solid electrolyte obtained in Examples 1-3 and Comparative Examples 1-2. 実施例2及び比較例1〜2で得られた固体電解質のラマンスペクトルを示すグラフである。It is a graph which shows the Raman spectrum of the solid electrolyte obtained in Example 2 and Comparative Examples 1-2. 実施例4〜6及び比較例1、3で得られた固体電解質のX線回折パターンを示すグラフである。It is a graph which shows the X-ray-diffraction pattern of the solid electrolyte obtained in Examples 4-6 and Comparative Examples 1 and 3. FIG. 実施例7〜9及び比較例2〜3で得られた固体電解質のX線回折パターンを示すグラフである。It is a graph which shows the X-ray-diffraction pattern of the solid electrolyte obtained in Examples 7-9 and Comparative Examples 2-3. 実施例2及び比較例1〜2で得られた固体電解質膜のイオン伝導度と測定温度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the ionic conductivity of the solid electrolyte membrane obtained by Example 2 and Comparative Examples 1-2, and measurement temperature. 実施例5及び比較例1、3で得られた固体電解質膜のイオン伝導度と測定温度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the ionic conductivity of the solid electrolyte membrane obtained by Example 5 and Comparative Examples 1 and 3, and measurement temperature. 実施例8び比較例2〜3で得られた固体電解質膜のイオン伝導度と測定温度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the ionic conductivity of the solid electrolyte membrane obtained in Example 8 and Comparative Examples 2-3, and measurement temperature. 実施例2で得られた固体電解質膜についてナトリウム電極を用いた場合及びモリブデン電極を用いた場合の電気伝導度と測定時間との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the electrical conductivity at the time of using a sodium electrode about the solid electrolyte membrane obtained in Example 2, and a molybdenum electrode, and measurement time. 実施例2で得られた固体電解質膜について分解電圧測定を実施した際の電流と電圧との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the electric current at the time of implementing decomposition voltage measurement about the solid electrolyte membrane obtained in Example 2. FIG. 実施例2で得られた固体電解質膜について分解電圧測定を実施する前及び後のX線回折パターン及び比較例1〜2で得られた固体電解質のX線回折パターンを示すグラフである。It is a graph which shows the X-ray-diffraction pattern before and after implementing decomposition voltage measurement about the solid electrolyte membrane obtained in Example 2, and the X-ray-diffraction pattern of the solid electrolyte obtained in Comparative Examples 1-2.

以下、本発明をその好適な実施形態に即して詳細に説明する。先ず、本発明の固体電解質について説明する。本発明の固体電解質は、NaBH、NaNH及びNaIからなる群から選択される少なくとも2種以上のナトリウム化合物を備えるものである。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to preferred embodiments thereof. First, the solid electrolyte of the present invention will be described. The solid electrolyte of the present invention comprises at least two kinds of sodium compounds selected from the group consisting of NaBH 4 , NaNH 2 and NaI.

本発明に係るNaBH(水素化ホウ素ナトリウム)としては、特に制限はなく、還元剤や水素吸蔵媒体として用いられている従来公知のものを使用することができる。前記NaBHの純度としては90%以上であることが好ましく、95%以上であることがより好ましい。NaBHの純度が前記下限未満になるとイオン伝導度及び電気化学的安定性が低下する傾向にある。 The NaBH 4 according to the present invention (sodium borohydride) is not particularly limited, may be used conventionally known which are used as the reducing agent and the hydrogen storage medium. The purity of NaBH 4 is preferably 90% or more, and more preferably 95% or more. When the purity of NaBH 4 is less than the lower limit, ionic conductivity and electrochemical stability tend to decrease.

本発明に係るNaNH(ナトリウムアミド)としては、特に制限はなく、共塩基として用いられている従来公知のものを使用することができる。前記NaNHの純度としては90%以上であることが好ましく、95%以上であることがより好ましい。NaNHの純度が前記下限未満になるとイオン伝導度及び電気化学的安定性が低下する傾向にある。 The NaNH 2 (sodium amide) according to the present invention is not particularly limited, may be used conventionally known which is used as a co-base. The purity of the NaNH 2 is preferably 90% or more, and more preferably 95% or more. When the purity of NaNH 2 is less than the lower limit, the ionic conductivity and the electrochemical stability tend to decrease.

本発明に係るNaI(ヨウ化ナトリウム)としては、特に制限はなく、従来公知のものを使用することができる。前記NaIの純度としては90%以上であることが好ましく、95%以上であることがより好ましい。NaIの純度が前記下限未満になるとイオン伝導度及び電気化学的安定性が低下する傾向にある。   There is no restriction | limiting in particular as NaI (sodium iodide) based on this invention, A conventionally well-known thing can be used. The purity of the NaI is preferably 90% or more, and more preferably 95% or more. When the purity of NaI is less than the lower limit, the ionic conductivity and electrochemical stability tend to decrease.

本発明の固体電解質は、NaBH、NaNH及びNaIからなる群から選択される少なくとも2種以上のナトリウム化合物を備えるものである。前記ナトリウム化合物の組み合わせとしては、NaBH、NaNH及びNaIの3種(Na(BH)−Na(NH)−NaI)であっても、NaBH及びNaNH(Na(BH)−Na(NH))であっても、NaBH及びNaI(Na(BH)−NaI)であっても、NaNH及びNaI(Na(NH)−NaI)であってもよいが、イオン伝導度及び分解電圧がより増大し、より高いイオン伝導度を維持することができるという観点から、NaBH及びNaNHの組み合わせ(Na(BH)−Na(NH))であることが好ましい。 The solid electrolyte of the present invention comprises at least two kinds of sodium compounds selected from the group consisting of NaBH 4 , NaNH 2 and NaI. As the combination of the sodium compounds, NaBH 4 , NaNH 2 and NaI (Na (BH 4 ) —Na (NH 2 ) —NaI), NaBH 4 and NaNH 2 (Na (BH 4 ) — Na (NH 2 )), NaBH 4 and NaI (Na (BH 4 ) -NaI), NaNH 2 and NaI (Na (NH 2 ) -NaI) From the viewpoint that conductivity and decomposition voltage can be further increased and higher ionic conductivity can be maintained, a combination of NaBH 4 and NaNH 2 (Na (BH 4 ) -Na (NH 2 )) is preferable. .

本発明の固体電解質において、NaBH、NaNH及びNaIを組み合わせる場合、その含有モル比としては、NaBH、NaNH及びNaIを頂点とした擬三元系相図上でNaBH:NaI=9:1、NaNH:NaI=1:1、NaBH:NaNH=1:7〜7:1で結ばれた組成領域内にあることが好ましく、NaBH:NaI=9:1、NaNH:NaI=1:1、NaBH:NaNH=1:3〜3:1で結ばれた組成領域内にあることがより好ましく、NaBH:NaI=9:1、NaNH:NaI=1:1、NaBH:NaNH=1:2〜2:1で結ばれた組成領域内にあることがさらに好ましい。NaBH、NaNH及びNaIの含有モル比がそれぞれ前記下限未満となる場合及び前記上限を超える場合には、いずれも、イオン伝導度及び電気化学的安定性が低下する傾向にある。 In the solid electrolyte of the present invention, NaBH 4, NaNH 2 and when combining NaI, As the content molar ratio, NaBH 4, NaNH 2 and NaBH 4 NaI on the diagram pseudo ternary phase that an apex: NaI = 9 1: NaNH 2 : NaI = 1: 1, NaBH 4 : NaNH 2 = 1: 7 to 7: 1, preferably in the composition region, NaBH 4 : NaI = 9: 1, NaNH 2 : More preferably, it is within the composition region connected by NaI = 1: 1, NaBH 4 : NaNH 2 = 1: 3 to 3: 1, NaBH 4 : NaI = 9: 1, NaNH 2 : NaI = 1: 1 More preferably, it is in the composition region connected by NaBH 4 : NaNH 2 = 1: 2 to 2: 1. When the content molar ratio of NaBH 4 , NaNH 2 and NaI is less than the lower limit and exceeds the upper limit, respectively, the ionic conductivity and the electrochemical stability tend to decrease.

本発明の固体電解質において、NaBH及びNaNHを組み合わせる場合、その含有モル比(NaBH:NaNH)としては、1:7〜7:1であることが好ましく、1:3〜3:1であることがより好ましく、1:2〜2:1であることがさらに好ましく、1:1であることが特に好ましい。NaBHの含有モル比が前記下限未満となる場合及び前記上限を超える場合にはいずれも、後述のアンチペロブスカイト構造の単相となることが困難となり、また、イオン伝導度及び電気化学的安定性が低下する傾向にある。 In the solid electrolyte of the present invention, when NaBH 4 and NaNH 2 are combined, the content molar ratio (NaBH 4 : NaNH 2 ) is preferably 1: 7 to 7: 1, and 1: 3 to 3: 1. Is more preferably 1: 2 to 2: 1, and particularly preferably 1: 1. When the content molar ratio of NaBH 4 is less than the above lower limit and exceeds the above upper limit, it becomes difficult to become a single phase of the antiperovskite structure described later, and the ionic conductivity and electrochemical stability. Tend to decrease.

本発明の固体電解質において、NaBH及びNaIを組み合わせる場合、その含有モル比(NaBH:NaI)としては、1:7〜9:1であることが好ましく、1:3〜9:1であることがより好ましく、1:2〜9:1であることがさらに好ましい。NaBHの含有モル比が前記下限未満となる場合及び前記上限を超える場合にはいずれも、イオン伝導度及び電気化学的安定性が低下する傾向にある。 In the solid electrolyte of the present invention, when NaBH 4 and NaI are combined, the molar ratio (NaBH 4 : NaI) is preferably 1: 7 to 9: 1, and preferably 1: 3 to 9: 1. It is more preferable that the ratio is 1: 2 to 9: 1. When the content molar ratio of NaBH 4 is less than the lower limit and exceeds the upper limit, the ionic conductivity and electrochemical stability tend to decrease.

本発明の固体電解質において、NaNH及びNaIを組み合わせる場合、その含有モル比(NaNH:NaI)としては、1:7〜7:1であることが好ましく、1:3〜3:1であることがより好ましく、1:1であることがさらに好ましい。NaNHの含有モル比が前記下限未満となる場合及び前記上限を超える場合にはいずれも、イオン伝導度及び電気化学的安定性が低下する傾向にある。 In the solid electrolyte of the present invention, when NaNH 2 and NaI are combined, the molar ratio (NaNH 2 : NaI) is preferably 1: 7 to 7: 1, and preferably 1: 3 to 3: 1. It is more preferable that the ratio is 1: 1. In both cases where the molar ratio of NaNH 2 is less than the lower limit and exceeds the upper limit, ionic conductivity and electrochemical stability tend to decrease.

また、このような固体電解質において、NaBH及びNaNHを組み合わせる場合には、ラマン分光スペクトル測定(波長:532nm)において、少なくとも、2300±100cm−1及び3200±100cm−1の2箇所にピークを有することが好ましく、少なくとも、1300±100cm−1、2300±100cm−1及び3200±100cm−1の3箇所にピークを有することがより好ましく、少なくとも、1300±100cm−1、1500±100cm−1、2300±100cm−1及び3200±100cm−1の4箇所にピークを有することがさらに好ましい。これらのピークは、BH 及びNH に由来するものであり、本発明においては、このようにBH及びNHがあたかも1つの元素として存在することにより、後述のアンチペロブスカイト構造となることが可能となり、イオン伝導度(ナトリウムイオン伝導度)がより向上する傾向にある。 Further, in such a solid electrolyte, for combining the NaBH 4 and NaNH 2 is Raman spectrum measured (wavelength: 532 nm) at, at least, the peak at two positions 2300 ± 100 cm -1 and 3200 ± 100 cm -1 preferably has at least, 1300 ± 100 cm -1, more preferably has a peak at three positions of 2300 ± 100 cm -1 and 3200 ± 100 cm -1, at least, 1300 ± 100cm -1, 1500 ± 100cm -1, More preferably, it has peaks at four locations of 2300 ± 100 cm −1 and 3200 ± 100 cm −1 . These peaks are derived from BH 4 and NH 2 . In the present invention, the presence of BH 4 and NH 2 as one element results in an antiperovskite structure described later. Therefore, the ionic conductivity (sodium ionic conductivity) tends to be further improved.

さらに、前記固体電解質において、NaBH及びNaNHを組み合わせる場合には、X線回折(CuKα:λ=1.5405Å)において、少なくとも、2θ=19±1deg、33±1deg、38.5±1degの3箇所に回折ピークを有することが好ましく、少なくとも、2θ=19±1deg、33±1deg、38.5±1deg及び43±1degの4箇所に回折ピークを有することがより好ましく、少なくとも、2θ=19±1deg、27±1deg、33±1deg、38.5±1deg、43±1deg、47.5±1deg、55.5±1deg及び59±1degの8箇所に回折ピークを有することがさらに好ましい。これらの回折ピークは、アンチペロブスカイト構造に由来するものである。 Further, when NaBH 4 and NaNH 2 are combined in the solid electrolyte, at least 2θ = 19 ± 1 deg, 33 ± 1 deg, 38.5 ± 1 deg in X-ray diffraction (CuKα: λ = 1.5405 mm). It is preferable to have diffraction peaks at three locations, more preferably at least 2θ = 19 ± 1 deg, 33 ± 1 deg, 38.5 ± 1 deg, and 43 ± 1 deg, and at least 2θ = 19. It is more preferable to have diffraction peaks at eight locations of ± 1 deg, 27 ± 1 deg, 33 ± 1 deg, 38.5 ± 1 deg, 43 ± 1 deg, 47.5 ± 1 deg, 55.5 ± 1 deg, and 59 ± 1 deg. These diffraction peaks are derived from the antiperovskite structure.

本発明において、前記アンチペロブスカイト構造とは、通常の3元系からなる化合物(ABX)のペロブスカイト構造(立方晶の頂点に陽イオンA、体心に陽イオンB2+、面心に陰イオンXが配置される構造)とはいわば逆の構造であり、本発明においてNaBH及びNaNHを組み合わせた場合には、図1に模式的に示すように、頂点にBH 、体心にNH 、面心にNaが配置され、且つ、Na1つ分が空孔になっている構造を示す。通常、NaBH及びNaNHは、100℃未満の低温ではイオン伝導度が極めて低く、固体電解質として利用することは困難であることを本発明者らは見出した。また、これに対して、本発明者らは、本発明においてNaBH及びNaNHを組み合わせて得られる固体電解質が、低温(100℃未満(より好ましくは50℃未満))においてもこのようなアンチペロブスカイト構造を有することにより、イオン伝導度及び分解電圧がより増大し、且つ、より高いイオン伝導度が維持され、さらに、より優れた電気化学的安定性が発揮されることを見出した。 In the present invention, the antiperovskite structure is a perovskite structure of a compound (ABX 3 ) composed of a normal ternary system (a cation A + at the apex of a cubic crystal, a cation B 2+ at the body center , and an anion at the face center) . X - is a structure as it were reversed from the structure) which is arranged, when combined with NaBH 4 and NaNH 2 in the present invention, as shown schematically in Figure 1, BH 4 to the vertex - a body-centered Shows a structure in which NH 2 , Na + is arranged in the center, and one Na + is a vacancy. In general, the present inventors have found that NaBH 4 and NaNH 2 have extremely low ionic conductivity at a low temperature of less than 100 ° C. and are difficult to use as a solid electrolyte. On the other hand, the present inventors have also found that the solid electrolyte obtained by combining NaBH 4 and NaNH 2 in the present invention has such an anti-resistance even at a low temperature (less than 100 ° C. (more preferably less than 50 ° C.)). It has been found that by having a perovskite structure, the ionic conductivity and the decomposition voltage are further increased, a higher ionic conductivity is maintained, and more excellent electrochemical stability is exhibited.

なお、このようなアンチペロブスカイト構造を有することによりイオン伝導度及び分解電圧がより増大し、且つ、より高いイオン伝導度が維持される理由は必ずしも定かではないが、本発明者らは以下のように推察する。すなわち、本発明において上記のようなアンチペロブスカイト構造となる場合には、Na1つ分が空孔となっているため、ナトリウムイオンがこの空孔を介して移動することも可能となり、イオン伝導度がより向上し、且つ、低温域においてもより高いイオン伝導度が維持されると本発明者らは推察する。 The reason why the ionic conductivity and the decomposition voltage are further increased and the higher ionic conductivity is maintained by having such an antiperovskite structure is not necessarily clear, but the present inventors are as follows. To guess. That is, in the present invention, in the case of the antiperovskite structure as described above, since one Na + is a vacancy, sodium ions can also move through this vacancy, and ion conduction The present inventors infer that the degree of ionic conductivity is further improved and higher ionic conductivity is maintained even in a low temperature region.

次に、本発明の固体電解質の製造方法について説明する。本発明の固体電解質は、NaBH、NaNH及びNaIからなる群から選択される少なくとも2種以上のナトリウム化合物を混合し、得られた混合物を加熱して溶融又は焼結させることにより製造することができる。本発明の固体電解質の製造方法としては、特にこの方法に限定されないが、2種以上の前記ナトリウム化合物を均一に備える固体電解質を得ることができるという観点から、得られた混合物を加熱して焼結させる方法が好ましい。前記NaBH、NaNH及びNaIの混合モル比としては、本発明の固体電解質における含有モル比と同様である。 Next, the manufacturing method of the solid electrolyte of this invention is demonstrated. The solid electrolyte of the present invention is manufactured by mixing at least two kinds of sodium compounds selected from the group consisting of NaBH 4 , NaNH 2 and NaI, and heating and melting or sintering the obtained mixture. Can do. The method for producing the solid electrolyte of the present invention is not particularly limited to this method, but from the viewpoint that a solid electrolyte uniformly including two or more kinds of sodium compounds can be obtained, the obtained mixture is heated and sintered. The method of ligating is preferred. The mixed molar ratio of NaBH 4 , NaNH 2 and NaI is the same as the molar ratio contained in the solid electrolyte of the present invention.

本発明の固体電解質の製造方法としては、2種以上の前記ナトリウム化合物をより均一に備え、イオン伝導度のより優れた固体電解質を得ることができ、特に、本発明においてNaBH及びNaNHを組み合わせる場合には、前記アンチペロブスカイト構造を得ることができるという観点から、前記溶融又は焼結前に、前記混合物に混合粉砕処理を施すことが好ましい。前記混合粉砕の方法としては、適宜公知の方法を用いてよく、例えば、ボールミル、ジェットミル等の粉砕機を用いる方法が挙げられる。本発明の製造方法としては、上記と同様の観点でより優れた性質を有する固体電解質が得られるという観点から、前記混合物にボールミルによる混合粉砕処理を施すことがより好ましい。 As a method for producing a solid electrolyte of the present invention, it is possible to obtain a solid electrolyte having more uniform two or more kinds of sodium compounds and more excellent ion conductivity. In particular, in the present invention, NaBH 4 and NaNH 2 are used. In the case of combining, it is preferable to subject the mixture to a mixing and pulverizing treatment before the melting or sintering from the viewpoint that the antiperovskite structure can be obtained. As the mixing and pulverizing method, a known method may be used as appropriate, and examples thereof include a method using a pulverizer such as a ball mill and a jet mill. As the production method of the present invention, it is more preferable to subject the mixture to a mixing and pulverizing treatment by a ball mill from the viewpoint that a solid electrolyte having superior properties can be obtained from the same viewpoint as described above.

前記ボールミルの方法としては、混合物を混合粉砕用のボールと共に容器の中に入れて、その容器を回転運動等させることにより粉砕混合物を得る方法が挙げられる。このようなボールミルに際しては、前記粉砕混合物の粉末の平均粒子径が1〜500μm(より好ましくは10〜100μm)となるようにしてボールミリングを施すことが好ましい。前記粉末の平均粒子径が前記下限未満となる場合には、混合するためのコストや時間が増大する傾向にあり、他方、前記上限を超える場合には、混合物が十分に混合されず、イオン伝導度や分解電圧が低下する傾向にあり、また、NaBH及びNaNHを組み合わせる場合に、前記アンチペロブスカイト構造の単相を得ることが困難となる傾向にある。なお、このような平均粒子径はX線回折装置、走査型電子顕微鏡(SEM)及び粒子計測装置等を用いて測定することができる。 Examples of the ball mill method include a method of obtaining a pulverized mixture by putting the mixture in a container together with balls for mixing and pulverizing and rotating the container. In such a ball mill, it is preferable to perform ball milling so that the average particle size of the powder of the pulverized mixture is 1 to 500 μm (more preferably 10 to 100 μm). When the average particle size of the powder is less than the lower limit, the cost and time for mixing tend to increase. On the other hand, when the upper limit is exceeded, the mixture is not sufficiently mixed and ion conduction is caused. The degree and decomposition voltage tend to decrease, and when NaBH 4 and NaNH 2 are combined, it tends to be difficult to obtain a single phase of the antiperovskite structure. In addition, such an average particle diameter can be measured using an X-ray diffractometer, a scanning electron microscope (SEM), a particle measuring device, or the like.

前記混合粉砕用のボールの材質としては、特に制限されず、例えば、鉄、ジルコニア、アルミナ等が挙げられる。また、このようなボールの大きさとしては、使用する容器の容量等によっても異なるため、一概には言えないが、容器の容量が10〜500mL(より好ましくは30〜100mL)である場合に、前記粉砕混合物の粉末の平均粒子径を前記範囲内にするという観点からは、直径が1〜10mm(より好ましくは4〜8mm)のものを使用することが好ましい。さらに、前記粉砕混合物の粉末の平均粒子径を前記範囲内にするという観点から、前記ボールミルにおける回転数としては、50〜800rpm(より好ましくは300〜500rpm)であることが好ましく、時間としては、10〜1200分間(より好ましくは30〜300分間)であることが好ましい。   The material of the balls for mixing and grinding is not particularly limited, and examples thereof include iron, zirconia, and alumina. In addition, since the size of such a ball varies depending on the capacity of the container to be used, etc., it cannot be generally stated, but when the capacity of the container is 10 to 500 mL (more preferably 30 to 100 mL), From the viewpoint of keeping the average particle size of the powder of the pulverized mixture within the above range, it is preferable to use a powder having a diameter of 1 to 10 mm (more preferably 4 to 8 mm). Furthermore, from the viewpoint of keeping the average particle size of the powder of the pulverized mixture within the above range, the rotation speed in the ball mill is preferably 50 to 800 rpm (more preferably 300 to 500 rpm), and the time is It is preferably 10 to 1200 minutes (more preferably 30 to 300 minutes).

前記溶融及び焼結において、加熱温度としては、通常100℃以上であり、150℃以上であることが好ましく、150〜400℃であることがより好ましい。加熱温度が前記下限未満となる場合には、混合物の溶融や焼結が不十分となる傾向にあり、他方、前記上限を超える場合には、混合物中の化合物が蒸発したり、他の化合物へと分解する傾向にある。   In the melting and sintering, the heating temperature is usually 100 ° C. or higher, preferably 150 ° C. or higher, and more preferably 150 to 400 ° C. When the heating temperature is less than the lower limit, the mixture tends to be insufficiently melted or sintered. On the other hand, when the heating temperature exceeds the upper limit, the compound in the mixture evaporates or is converted to other compounds. It tends to decompose.

本発明において、固体電解質を所定の形状に成形する場合、前記混合物(好ましくは粉砕混合物)を予め成形した後に加熱してもよいし、加熱後に成形してもよい。例えば、前記混合物をプレス成形等により所定の形状に成形した後、この形状を保持したまま加熱して溶融又は焼結させ、その後、冷却してもよい。また、前記混合物を加熱して溶融させ、この溶融混合物を所定の形状に成形して冷却したり、前記混合物を加熱して焼結させ、この焼結物を冷却した後、所定の形状に成形してもよい。   In the present invention, when the solid electrolyte is formed into a predetermined shape, the mixture (preferably a pulverized mixture) may be preliminarily molded and then heated, or may be molded after heating. For example, after the mixture is formed into a predetermined shape by press molding or the like, it is heated and melted or sintered while maintaining this shape, and then cooled. In addition, the mixture is heated and melted, the melted mixture is molded into a predetermined shape and cooled, or the mixture is heated and sintered, and the sintered product is cooled and then molded into a predetermined shape. May be.

次に、本発明の二次電池について説明する。本発明の二次電池は、前記本発明の固体電解質と正極と負極とを備えるものである。前記正極材料としては、コバルト酸ナトリウム、亜クロム酸ナトリウム等のナトリウムを含む化合物が挙げられ、前記負極材料としては、ナトリウム、硫化ナトリウム等のナトリムを含む化合物;炭素材料等が挙げられる。   Next, the secondary battery of the present invention will be described. The secondary battery of the present invention comprises the solid electrolyte of the present invention, a positive electrode, and a negative electrode. Examples of the positive electrode material include compounds containing sodium such as sodium cobaltate and sodium chromite, and examples of the negative electrode material include compounds containing sodium such as sodium and sodium sulfide; and carbon materials.

本発明の二次電池は、例えば、膜状に成形した固体電解質の一方の面に前記正極材料を塗布して正極を形成させ、他方の面に前記負極材料を塗布して負極を形成させたり、あるいは、膜状に成形した固体電解質の一方の面に膜状の前記正極材料を貼り付け、他方の面に膜状の前記負極材料を貼り付けることにより製造することができる。   In the secondary battery of the present invention, for example, the positive electrode material is applied to one surface of a solid electrolyte formed into a film to form a positive electrode, and the negative electrode material is applied to the other surface to form a negative electrode. Alternatively, the film-like positive electrode material can be attached to one surface of a solid electrolyte formed into a film shape, and the film-like negative electrode material can be attached to the other surface.

以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。なお、各実施例及び比較例における構造解析、イオン伝導度測定、イオン輸率測定、及び分解電圧測定はそれぞれ以下に示す方法により行った。また、実施例及び比較例における各操作は、特に記載が無い場合はいずれもアルゴンガス雰囲気下(酸素濃度0.1ppm以下、露点−93℃(180K)以下)で行った。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated more concretely based on an Example and a comparative example, this invention is not limited to a following example. The structural analysis, ion conductivity measurement, ion transport number measurement, and decomposition voltage measurement in each example and comparative example were performed by the following methods. Further, each operation in Examples and Comparative Examples was performed under an argon gas atmosphere (oxygen concentration 0.1 ppm or less, dew point −93 ° C. (180 K) or less) unless otherwise specified.

(構造解析)
<X線回折測定>
各実施例及び比較例において得られた固体電解質について、それぞれ以下に示す機器及び測定条件:
機器:X’PERT−Pro(PANalytical社製)
X線:CuKα(λ=1.5405Å)
温度:23℃(296K)
により測定を行った。また、格子定数は、解析プログラム「TREOR97」及び「PRUM」を用いて求めた。
<ラマン分光スペクトル測定>
各実施例及び比較例において得られた固体電解質について、それぞれ以下に示す機器及び測定条件:
機器:Almega−HD(Nicolet社製)
波長:532nm
測定時間:60秒
温度:23℃(296K)
により測定を行った。
(Structural analysis)
<X-ray diffraction measurement>
For the solid electrolytes obtained in each Example and Comparative Example, the following equipment and measurement conditions are shown below:
Device: X'PERT-Pro (manufactured by PANalytical)
X-ray: CuKα (λ = 1.5405mm)
Temperature: 23 ° C (296K)
Measurement was carried out by The lattice constant was determined using analysis programs “TREOR97” and “PRUM”.
<Raman spectroscopy measurement>
For the solid electrolytes obtained in each Example and Comparative Example, the following equipment and measurement conditions are shown below:
Device: Almega-HD (Nicolet)
Wavelength: 532nm
Measurement time: 60 seconds Temperature: 23 ° C (296K)
Measurement was carried out by

(イオン伝導度測定)
各実施例及び比較例において得られた固体電解質膜の両面にモリブデン箔を装着し、宝泉社製の電気化学測定セルに組み入れた。この電気化学測定セルを約10℃刻みで1点につき5分程度の測定時間で27℃(300K)から150℃(423K)まで加熱しながら、日置電機社製「ケミカルインピーダンスメータ3532−80」を用いて交流法(周波数4Hz〜1MHz)により固体電解質膜のイオン伝導度(Scm−1)を測定した。
(Ion conductivity measurement)
Molybdenum foil was attached to both surfaces of the solid electrolyte membranes obtained in each Example and Comparative Example, and incorporated in an electrochemical measurement cell manufactured by Hosen. While this electrochemical measurement cell was heated from 27 ° C. (300 K) to 150 ° C. (423 K) with a measurement time of about 5 minutes per point at about 10 ° C., a “chemical impedance meter 3532-80” manufactured by Hioki Electric Co., Ltd. The ionic conductivity (Scm −1 ) of the solid electrolyte membrane was measured by an alternating current method (frequency 4 Hz to 1 MHz).

(イオン輸率測定)
各実施例及び比較例において得られた固体電解質膜の両面にナトリウム箔又はモリブデン箔を装着して宝泉社製の電気化学測定セルに組み入れ、ナトリウムを電極とする電気化学測定セル及びモリブデンを電極とする電気化学測定セルを作製した。それぞれの電気化学測定セルについて、60℃(333K)において、Princeton社製の「VersaSTAT4」を用い、直流法(0.1V)により電気伝導度(Scm−1)の時間変化(0〜300秒間)を測定することにより、イオン輸率を測定した。
(Ion transport number measurement)
The solid electrolyte membranes obtained in each of the examples and comparative examples were fitted with sodium foil or molybdenum foil into an electrochemical measurement cell manufactured by Hosen Co., Ltd. An electrochemical measurement cell was prepared. For each electrochemical measurement cell, at 60 ° C. (333 K), “VersaSTAT4” manufactured by Princeton was used, and the electrical conductivity (Scm −1 ) change with time (0 to 300 seconds) by the direct current method (0.1 V). The ion transport number was measured by measuring.

(分解電圧測定)
各実施例及び比較例において得られた固体電解質膜の一方の面にナトリウム箔を、他方の面にモリブデン箔をそれぞれ装着して宝泉社製の電気化学測定セルに組み入れた。この電気化学測定セルについて、60℃(333K)において、Princeton社製の「VersaSTAT4」を用い、スキャン速度1mVs−1の条件で−1〜6Vの範囲でサイクリック・ボルタンメトリー法により電流量(μA)を測定することにより分解電圧(V)を測定した。
(Measurement of decomposition voltage)
The solid electrolyte membranes obtained in each Example and Comparative Example were each fitted with a sodium foil on one side and a molybdenum foil on the other side into an electrochemical measurement cell manufactured by Hosen. With respect to this electrochemical measurement cell, the current (μA) was measured by cyclic voltammetry at 60 ° C. (333 K) using “VersaSTAT4” manufactured by Princeton in a range of −1 to 6 V under a scanning speed of 1 mVs −1. The decomposition voltage (V) was measured by measuring.

(実施例1)
NaBH(純度98%)とNaNH(純度95%)とを、NaBH:NaNH=1:3のモル比となるように秤取し、直径7mmの鉄製のボール(20個使用)と共に容器(30mL)に入れ、アルゴンガス雰囲気下、ボールミル装置(商品名:遊星型ボールミルP−7、Fritsch社製)を用いて温度23℃、400rpmの条件で30分間回転させてボールミルし、粉砕混合物の粉末を得た(平均粒子径:10μm)。次いで、この粉末をモリブデン容器に移した後、0.2MPa水素ガス雰囲気下、温度150℃において12時間焼結させた。その後、この焼結物を室温(23℃)まで冷却して固体電解質を得た。
Example 1
NaBH 4 (purity 98%) and NaNH 2 (purity 95%) were weighed so as to have a molar ratio of NaBH 4 : NaNH 2 = 1: 3 and used together with iron balls (20 pieces) having a diameter of 7 mm. Put into a container (30 mL), and ball mill by rotating for 30 minutes at a temperature of 23 ° C. and 400 rpm using a ball mill apparatus (trade name: Planetary Ball Mill P-7, manufactured by Fritsch) in an argon gas atmosphere. (Average particle size: 10 μm). Subsequently, this powder was transferred to a molybdenum container and then sintered at a temperature of 150 ° C. for 12 hours in a 0.2 MPa hydrogen gas atmosphere. Thereafter, the sintered product was cooled to room temperature (23 ° C.) to obtain a solid electrolyte.

また、上記と同様にして得られた焼結物を円盤状(直径8mm、厚さ約2mm)にプレス成形(25℃、20MPa)して固体電解質膜を得た。   In addition, the sintered product obtained in the same manner as described above was press-molded (25 ° C., 20 MPa) into a disc shape (diameter 8 mm, thickness 2 mm) to obtain a solid electrolyte membrane.

(実施例2)
NaBHとNaNHとのモル比(NaBH:NaNH)が1:1となるようにしたこと以外は実施例1と同様にして固体電解質及び固体電解質膜を得た。
(Example 2)
A solid electrolyte and a solid electrolyte membrane were obtained in the same manner as in Example 1 except that the molar ratio of NaBH 4 and NaNH 2 (NaBH 4 : NaNH 2 ) was 1: 1.

(実施例3)
NaBHとNaNHとのモル比(NaBH:NaNH)が3:1となるようにしたこと以外は実施例1と同様にして固体電解質及び固体電解質膜を得た。
(Example 3)
A solid electrolyte and a solid electrolyte membrane were obtained in the same manner as in Example 1 except that the molar ratio of NaBH 4 and NaNH 2 (NaBH 4 : NaNH 2 ) was 3: 1.

(実施例4)
NaNHに代えてNaI(純度99.999%)を用い、NaBHとNaIとのモル比(NaBH:NaI)が1:3となるようにし、焼結温度を400℃としたこと以外は実施例1と同様にして固体電解質及び固体電解質膜を得た。
Example 4
Using NaI (purity 99.999%) in place of NaNH 2, the molar ratio of NaBH 4 and NaI (NaBH 4: NaI) is 1: set to be 3, the sintering temperature except for the 400 ° C. A solid electrolyte and a solid electrolyte membrane were obtained in the same manner as in Example 1.

(実施例5)
NaBHとNaIとのモル比(NaBH:NaI)が1:1となるようにしたこと以外は実施例4と同様にして固体電解質及び固体電解質膜を得た。
(Example 5)
A solid electrolyte and a solid electrolyte membrane were obtained in the same manner as in Example 4 except that the molar ratio of NaBH 4 and NaI (NaBH 4 : NaI) was 1: 1.

(実施例6)
NaBHとNaIとのモル比(NaBH:NaI)が3:1となるようにしたこと以外は実施例4と同様にして固体電解質及び固体電解質膜を得た。
(Example 6)
A solid electrolyte and a solid electrolyte membrane were obtained in the same manner as in Example 4 except that the molar ratio of NaBH 4 and NaI (NaBH 4 : NaI) was 3: 1.

(実施例7)
NaBHに代えてNaIを用い、NaNHとNaIとのモル比(NaNH:NaI)が1:3となるようにしたこと以外は実施例1と同様にして固体電解質及び固体電解質膜を得た。
(Example 7)
Using NaI instead of NaBH 4, the molar ratio of NaNH 2 and NaI (NaNH 2: NaI) is 1: except that as the 3 in the same manner as in Example 1 to obtain a solid electrolyte and a solid electrolyte membrane It was.

(実施例8)
NaNHとNaIとのモル比(NaNH:NaI)が1:1となるようにしたこと以外は実施例7と同様にして固体電解質及び固体電解質膜を得た。
(Example 8)
A solid electrolyte and a solid electrolyte membrane were obtained in the same manner as in Example 7 except that the molar ratio of NaNH 2 to NaI (NaNH 2 : NaI) was 1: 1.

(実施例9)
NaNHとNaIとのモル比(NaNH:NaI)が3:1となるようにしたこと以外は実施例7と同様にして固体電解質及び固体電解質膜を得た。
Example 9
A solid electrolyte and a solid electrolyte membrane were obtained in the same manner as in Example 7 except that the molar ratio of NaNH 2 to NaI (NaNH 2 : NaI) was 3: 1.

(比較例1)
NaNHを用いなかったこと以外は実施例1と同様にして固体電解質(NaBH)及び固体電解質膜(NaBH)を得た。
(Comparative Example 1)
A solid electrolyte (NaBH 4 ) and a solid electrolyte membrane (NaBH 4 ) were obtained in the same manner as in Example 1 except that NaNH 2 was not used.

(比較例2)
NaBHを用いなかったこと以外は実施例1と同様にして固体電解質(NaNH)及び固体電解質膜(NaNH)を得た。
(Comparative Example 2)
A solid electrolyte (NaNH 2 ) and a solid electrolyte membrane (NaNH 2 ) were obtained in the same manner as in Example 1 except that NaBH 4 was not used.

(比較例3)
NaBH及びNaNHに代えてNaIを用いたこと以外は実施例1と同様にして固体電解質(NaI)及び固体電解質膜(NaI)を得た。
(Comparative Example 3)
A solid electrolyte (NaI) and a solid electrolyte membrane (NaI) were obtained in the same manner as in Example 1 except that NaI was used in place of NaBH 4 and NaNH 2 .

実施例1〜3で得られた固体電解質(Na(BH)−Na(NH))についてX線回折測定を実施した結果を図2に示す。なお、図2には、比較例1(NaBH)及び比較例2(NaNH)のX線回折スペクトルについても示す。 Example 1-3 obtained in the solid electrolyte (Na (BH 4) -Na ( NH 2)) result of the X-ray diffractometry shown in FIG. Although FIG. 2 also shows the X-ray diffraction spectrum of Comparative Example 1 (NaBH 4) and Comparative Example 2 (NaNH 2).

図2に示した結果から明らかなように、実施例1で得られた固体電解質では、2θ=19±1deg、27±1deg、33±1deg及び38.5±1degの位置に、実施例2で得られた固体電解質では、2θ=19±1deg、27±1deg、33±1deg、38.5±1deg、43±1deg、47.5±1deg、55.5±1deg及び59±1degの位置に、実施例3で得られた固体電解質では、2θ=19±1deg、33±1deg及び38.5±1degの位置に、それぞれX線回折ピークが観察され、格子定数は、いずれの実施例においても0.46909nmであった。これらの結果から、実施例1〜3で得られた固体電解質は、いずれもアンチペロブスカイト構造であることが確認された。   As is clear from the results shown in FIG. 2, in the solid electrolyte obtained in Example 1, the positions of 2θ = 19 ± 1 deg, 27 ± 1 deg, 33 ± 1 deg, and 38.5 ± 1 deg. In the obtained solid electrolyte, 2θ = 19 ± 1 deg, 27 ± 1 deg, 33 ± 1 deg, 38.5 ± 1 deg, 43 ± 1 deg, 47.5 ± 1 deg, 55.5 ± 1 deg, and 59 ± 1 deg, In the solid electrolyte obtained in Example 3, X-ray diffraction peaks were observed at positions of 2θ = 19 ± 1 deg, 33 ± 1 deg, and 38.5 ± 1 deg, respectively, and the lattice constant was 0 in all the examples. 46909 nm. From these results, it was confirmed that all of the solid electrolytes obtained in Examples 1 to 3 had an antiperovskite structure.

また、実施例2で得られた固体電解質(Na(BH)−Na(NH))についてラマン分光スペクトル測定を実施した結果を図3に示す。なお、図3には、比較例1(NaBH)及び比較例2(NaNH)のラマンスペクトルについても示す。図3に示したように、2310cm−1、3230cm−1及び3270cm−1の3箇所にピークが観察され、本発明の固体電解質がBH 及びNH を有するアンチペロブスカイト構造であることが確認された。 Also shows the result of the Raman spectrum measured for the solid electrolyte obtained in Example 2 (Na (BH 4) -Na (NH 2)) in FIG. FIG. 3 also shows the Raman spectra of Comparative Example 1 (NaBH 4 ) and Comparative Example 2 (NaNH 2 ). As shown in FIG. 3, 2310cm -1, a peak is observed at three positions on the 3230Cm -1 and 3270cm -1, the solid electrolyte of the present invention is BH 4 - to be anti-perovskite structure having - and NH 2 confirmed.

実施例4〜6で得られた固体電解質(Na(BH)−NaI)についてX線回折測定を実施した結果を図4に示す。なお、図4には、比較例1(NaBH)及び比較例3(NaI)のX線回折スペクトルについても示す。これより、実施例4〜6で得られた固体電解質はいずれも塩化ナトリウム型(Fm−3m)構造を有していることが確認された。 The result of the X-ray diffraction measurement for the obtained solid electrolyte in Example 4~6 (Na (BH 4) -NaI ) shown in FIG. FIG. 4 also shows the X-ray diffraction spectra of Comparative Example 1 (NaBH 4 ) and Comparative Example 3 (NaI). From this, it was confirmed that all the solid electrolytes obtained in Examples 4 to 6 have a sodium chloride type (Fm-3m) structure.

実施例7〜9で得られた固体電解質(Na(NH)−NaI)についてX線回折測定を実施した結果を図5に示す。なお、図5には、比較例2(NaNH)及び比較例3(NaI)のX線回折スペクトルについても示す。これより、実施例7〜9で得られた固体電解質はいずれもアジ化銀型(Ibam)構造を有していることが確認された。 The result of the X-ray diffraction measurement for the obtained solid electrolyte in Example 7~9 (Na (NH 2) -NaI ) shown in FIG. FIG. 5 also shows the X-ray diffraction spectra of Comparative Example 2 (NaNH 2 ) and Comparative Example 3 (NaI). This confirmed that all of the solid electrolytes obtained in Examples 7 to 9 had a silver azide type (Ibam) structure.

実施例及び比較例において得られた固体電解質膜についてそれぞれイオン伝導度測定を実施した。実施例2及び比較例1〜2で得られた結果を図6に、実施例5及び比較例1、3で得られた結果を図7に、実施例8及び比較例2〜3で得られた結果を図8に、それぞれ示す。   The ionic conductivity was measured for each of the solid electrolyte membranes obtained in the examples and comparative examples. The results obtained in Example 2 and Comparative Examples 1 and 2 are obtained in FIG. 6, the results obtained in Example 5 and Comparative Examples 1 and 3 are obtained in FIG. 7, and the results obtained in Example 8 and Comparative Examples 2 and 3 are obtained. The results are shown in FIG.

図6〜図8に示した結果から明らかなように、NaBH、NaNH、NaIのみを備える固体電解質の場合(比較例1〜3)には、特に低温(50℃未満)において極めてイオン伝導度が低いのに対して(27℃において2×10−10Scm−1以下)、本発明の固体電解質の場合には、低温においても高いイオン伝導度が維持され、十分なイオン伝導度を有することが確認された。特に、NaBHとNaNHとを組み合わせた場合(実施例2)には、27℃で2×10−6Scm−1と、比較例1〜2に比べて10000倍以上のイオン伝導度が発揮されることが確認された。 As is apparent from the results shown in FIGS. 6 to 8, in the case of the solid electrolyte having only NaBH 4 , NaNH 2 , and NaI (Comparative Examples 1 to 3), the ionic conduction is extremely high particularly at a low temperature (less than 50 ° C.). relative degrees of low (27 ℃ 2 × 10 -10 Scm -1 or less at), in the case of the solid electrolyte of the present invention has a high ionic conductivity even at a low temperature is maintained, has sufficient ionic conductivity It was confirmed. In particular, when NaBH 4 and NaNH 2 are combined (Example 2), the ion conductivity is 2 × 10 −6 Scm −1 at 27 ° C., which is 10,000 times or more that of Comparative Examples 1 and 2. It was confirmed that

実施例2で得られた固体電解質膜についてイオン輸率測定を実施した結果を図9に示す。モリブデンを電極として用いた場合よりもナトリウムを電極として用いた場合の方が電気伝導度が40000倍大きいことから、本発明の固体電解質はイオン輸率がほぼ1のナトリウムイオン伝導体であり、十分なナトリウムイオン伝導度を有していることが確認された。   The result of having carried out the ion transport number measurement about the solid electrolyte membrane obtained in Example 2 is shown in FIG. Since the electrical conductivity is 40,000 times greater when sodium is used as the electrode than when molybdenum is used as the electrode, the solid electrolyte of the present invention is a sodium ion conductor having an ion transport number of approximately 1, and is sufficiently It was confirmed to have a good sodium ion conductivity.

また、実施例2について分解電圧測定を実施した際の電流(μA)と電圧(V)との関係を示すグラフを図10に示す。これより、実施例2において得られた固体電解質膜の分解電圧測定は6.0V以上であり、十分に高い分解電圧を有していることが確認され、二次電池の固体電解質として有用であることが確認された。また、実施例2における分解電圧測定の前と後とにおいてX線回折測定を実施した結果を比較例1〜2の結果と共に図11に示す。これより、分解電圧測定の後においても分解電圧測定前の構造が維持されており、本発明の固体電解質は、電気化学的に安定であることが確認された。   Moreover, the graph which shows the relationship between the electric current (microampere) at the time of implementing a decomposition voltage measurement about Example 2, and a voltage (V) is shown in FIG. From this, the measurement of the decomposition voltage of the solid electrolyte membrane obtained in Example 2 is 6.0 V or higher, and it is confirmed that the decomposition voltage is sufficiently high, and is useful as a solid electrolyte of a secondary battery. It was confirmed. Moreover, the result of having implemented the X-ray-diffraction measurement before and after the decomposition voltage measurement in Example 2 is shown in FIG. 11 with the result of Comparative Examples 1-2. From this, even after the decomposition voltage measurement, the structure before the decomposition voltage measurement was maintained, and it was confirmed that the solid electrolyte of the present invention was electrochemically stable.

以上説明したように、本発明によれば、100℃未満の低温においても高いイオン伝導度を維持することができ、且つ、十分に高い分解電圧を有し電気化学的に安定なナトリウムイオン固体電解質、その製造方法、及びその固体電解質を提供することが可能となる。従って、本発明の固体電解質は、ナトリウムイオン二次電池用固体電解質等として非常に有用である。   As described above, according to the present invention, a high ion conductivity can be maintained even at a low temperature of less than 100 ° C., and a sufficiently high decomposition voltage and an electrochemically stable sodium ion solid electrolyte. , Its manufacturing method, and its solid electrolyte can be provided. Therefore, the solid electrolyte of the present invention is very useful as a solid electrolyte for sodium ion secondary batteries.

1:BH 、2:NH 、3:Na、4:空孔。 1: BH 4 , 2: NH 2 , 3: Na + , 4: vacancy.

Claims (10)

NaBH、NaNH及びNaIからなる群から選択される少なくとも2種以上のナトリウム化合物を備えることを特徴とする固体電解質。 A solid electrolyte comprising at least two kinds of sodium compounds selected from the group consisting of NaBH 4 , NaNH 2 and NaI. NaBHとNaNHとを備えることを特徴とする請求項1に記載の固体電解質。 The solid electrolyte according to claim 1, comprising NaBH 4 and NaNH 2 . NaBHとNaNHとのモル比がNaBH:NaNH=1:7〜7:1であることを特徴とする請求項2に記載の固体電解質。 NaBH 4 and NaNH 2 molar ratio NaBH with 4: NaNH 2 = 1: 7~7 : solid electrolyte according to claim 2, characterized in that it is 1. ラマン分光スペクトル測定において、少なくとも、2300±100cm−1及び3200±100cm−1の2箇所にピークを有することを特徴とする請求項2又は3に記載の固体電解質。 In the Raman spectrum measurement, at least, a solid electrolyte according to claim 2 or 3 characterized by having a peak at two positions 2300 ± 100 cm -1 and 3200 ± 100 cm -1. X線回折測定(CuKα:λ=1.5405Å)において、少なくとも、2θ=19±1deg、33±1deg、38.5±1degの3箇所に回折ピークを有することを特徴とする請求項2〜4のうちのいずれか1項に記載の固体電解質。   5. An X-ray diffraction measurement (CuKα: λ = 1.5405Å) has diffraction peaks at least at three positions of 2θ = 19 ± 1 deg, 33 ± 1 deg, 38.5 ± 1 deg. The solid electrolyte according to any one of the above. 請求項1〜5のうちのいずれか1項に記載の固体電解質を備えることを特徴とする二次電池。   A secondary battery comprising the solid electrolyte according to claim 1. NaBH、NaNH及びNaIからなる群から選択される少なくとも2種以上のナトリウム化合物を混合し、該混合物を加熱して溶融又は焼結させることを特徴とする固体電解質の製造方法。 A method for producing a solid electrolyte, comprising mixing at least two kinds of sodium compounds selected from the group consisting of NaBH 4 , NaNH 2 and NaI, and heating or melting or sintering the mixture. 前記混合物にボールミルによる混合粉砕処理を施すことを特徴とする請求項7に記載の固体電解質の製造方法。   The method for producing a solid electrolyte according to claim 7, wherein the mixture is subjected to a mixing and pulverizing process using a ball mill. 前記ナトリウム化合物としてNaBHとNaNHとを用いることを特徴とする請求項7又は8に記載の固体電解質の製造方法。 Method for producing a solid electrolyte according to claim 7 or 8, characterized by using the NaBH 4 and NaNH 2 as the sodium compound. NaBHとNaNHとのモル比がNaBH:NaNH=1:7〜7:1であることを特徴とする請求項9に記載の固体電解質の製造方法。 NaBH 4 and NaNH 2 molar ratio NaBH with 4: NaNH 2 = 1: 7~7 : method for producing a solid electrolyte according to claim 9, characterized in that it is 1.
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