特許 6755497 複合金属酸化物、ナトリウム二次電池正極用複合金属酸化物、及びナトリウム二次電池

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6755497

(24)【登録日】2020年8月28日

(45)【発行日】2020年9月16日

(54)【発明の名称】複合金属酸化物、ナトリウム二次電池正極用複合金属酸化物、及びナトリウム二次電池

(51)【国際特許分類】

   H01M 4/505 20100101AFI20200907BHJP

   H01M 4/525 20100101ALI20200907BHJP

   H01M 10/054 20100101ALI20200907BHJP

【ＦＩ】

   H01M4/505

   H01M4/525

   H01M10/054

【請求項の数】6

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2015-170674(P2015-170674)

(22)【出願日】2015年8月31日

(65)【公開番号】特開2016-103463(P2016-103463A)

(43)【公開日】2016年6月2日

【審査請求日】2018年5月18日

(31)【優先権主張番号】特願2014-233409(P2014-233409)

(32)【優先日】2014年11月18日

(33)【優先権主張国】JP

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000125370

【氏名又は名称】学校法人東京理科大学

(73)【特許権者】

【識別番号】000006035

【氏名又は名称】三菱ケミカル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100126505

【弁理士】

【氏名又は名称】佐貫 伸一

(74)【代理人】

【識別番号】100151596

【弁理士】

【氏名又は名称】下田 俊明

(72)【発明者】

【氏名】駒場 慎一

(72)【発明者】

【氏名】久保田 圭

(72)【発明者】

【氏名】池内 一成

(72)【発明者】

【氏名】原田 隆

【審査官】 鈴木 雅雄

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１５−１７６６７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１５／０４９７９６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１４−１６０６５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１５７６８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−０１６５７１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ４／５０５

Ｈ０１Ｍ ４／５２５

Ｈ０１Ｍ １０／０５４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

Ｐ２またはＰ３型の結晶構造を有し、かつＮａ_xＭ¹_1-aＭ²_aＯ₂（０＜ｘ≦２／３)であ
り、Ｍ¹はＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選ばれる少なくとも１種の遷移金属であ
り、Ｍ²はＺｎであり、０＜ａ≦０．３である。）で表され、前記Ｍ¹として少なくともＭｎを含み、前記Ｎａ_xＭ¹_1-aＭ²_aＯ₂に対して３価のＭｎの存在比が２モル％以下であるナトリウム二次電池正極用複合金属酸化物。

【請求項2】

対極に金属ナトリウムを使用して電池を作製した時の開回路電圧が、２．５Ｖ以上となることを特徴とする、請求項１に記載のナトリウム二次電池正極用複合金属酸化物。

【請求項3】

Ｘ線源にＣｕＫα線を用いた粉末Ｘ線回折測定において、１８°から２０°の範囲にピークが観察されないことを特徴とする、請求項１または２に記載のナトリウム二次電池正極用複合金属酸化物。

【請求項4】

請求項１乃至３のいずれか１項に記載の複合金属酸化物を含むナトリウム二次電池用正極を備えたナトリウム二次電池。

【請求項5】

満充電状態における正極の充電電位が４．３５Ｖ（ｖｓ．Ｎａ／Ｎａ⁺）以上となるよ
うに設計されていることを特徴とする、請求項４に記載のナトリウム二次電池。

【請求項6】

Ｐ２またはＰ３型の結晶構造を有し、かつＮａ_xＭ¹_1-aＭ²_aＯ₂（０＜ｘ≦２／３であり、Ｍ¹はＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選ばれる少なくとも１種の遷移金属であり、Ｍ²はＺｎであり、０＜ａ≦０．３である。）で表され、前記Ｍ¹として少なくともＭｎを含み、
前記Ｎａ_xＭ¹_1-aＭ²_aＯ₂に対して３価のＭｎの存在比が２モル％以下である複合金属酸化物。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、複合金属酸化物、ナトリウム二次電池正極用複合金属酸化物、及びナトリウム二次電池に関する。

【背景技術】

【0002】

リチウム二次電池は高エネルギー密度の二次電池であり、携帯電話やノートパソコン等の小型電源として既に実用化されている。また、リチウム二次電池は電気自動車、ハイブリッド自動車等の小型電源として既に実用化されている。また、リチウム二次電池は電気自動車、ハイブリッド自動車等の自動車用電源や分散型電力貯蔵用電源等の大型電源として使用可能であることから、その需要は増大しつつある。

【0003】

しかし、リチウム二次電池にはリチウム等の稀少金属元素が使用されているため、リチウム二次電池の需要が増大した場合に、上記稀少金属元素の供給不安定が懸念される。

【0004】

上記の供給懸念の問題を解決するために、ナトリウム二次電池の研究が進められている。ナトリウム二次電池用の正極活物質には、高価なリチウムではなく、資源量が豊富でしかも安価なナトリウムが使用される。したがって、ナトリウム二次電池を実用化することができれば、上記供給不安定の問題は解消される。

【0005】

ところで、ナトリウム二次電池用の正極活物質としては、ＮａとＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等の遷移金属の複合酸化物が使用されている。これらの複合金属酸化物の中でも稀少金属元素であるＣｏを含まないものは、ナトリウム二次電池の生産コストの削減に寄与するとともに、ナトリウム二次電池の需要増大にも対応することができる。特に、これら複合金属酸化物の中でも、結晶構造としてＰ２またはＰ３型構造をもつものは、二次電池として用いた時の電気化学的な安定性が高いことから、工業的実用価値が高いと考えられ、これまでに特許文献１〜３が公知技術として知られている。

【0006】

また、充放電を繰り返した時の放電容量を大きくする効果を発現する発明として、アルカリ土類金属元素を導入する特許文献４が公知技術として知られているが、結晶構造としてＰ２型構造をもつものではないため、電気化学特性が不十分であるという問題を抱えている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２００７−２８７６６１号公報

【特許文献2】特開２０１２−１８２０８７号公報

【特許文献3】特開２０１２−２０１５８８号公報

【特許文献4】特開２０１０−２３５４３４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

特許文献１〜３に開示されるＰ２型構造を有する複合金属酸化物から構成される正極活物質を用いたナトリウム二次電池の性能は、特に充放電サイクル特性の観点で現在実用化されているリチウム二次電池の性能と比較して十分とは言えない。さらに安定して充放電を繰り返すことができるナトリウム二次電池が求められている。また、層状構造のナトリウム含有複合金属酸化物は、大気中の水分と反応して変質する傾向があるため、電池製造
まで厳密に水分管理された環境下での取扱いが求められ、工程性および生産性に劣るものであった。

【0009】

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、安定して充放電を繰り返すことができるナトリウム二次電池、とりわけ高電圧耐久性の高いナトリウム二次電池を実現するための複合金属酸化物、当該複合金属酸化物により構成される正極活物質を用いて作製した正極を備えるナトリウム二次電池を提供することにある。さらには、水と反応しにくく、大気中あるいは水溶液中でも取り扱え、工程性に優れるナトリウム含有複合金属酸化物を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた。その結果、好ましくはＰ２またはＰ３型の結晶構造を有し、遷移金属の一部を、Ｚｎで置換した複合金属酸化物であって、当該複合金属酸化物を水に分散させた後の分散液のｐＨが１２以下である材料を用いれば、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。より具体的には、本発明は以下のものを提供する。

【0011】

（１）Ｎａ_ｘＭＯ_２（ＭはＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選ばれる少なくとも１種の遷移金属であり、かつ０＜ｘ≦１である。）で表され、前記Ｍの一部がＺｎで置換されているナトリウム二次電池正極用複合金属酸化物であって、複合金属酸化物粉末１ｇに対して２０ｃｃの割合で純水を加え、室温で５分以上撹拌した後の分散液のｐＨが１２以下であることを特徴とする、ナトリウム二次電池正極用複合金属酸化物。
（２）Ｐ２またはＰ３型の結晶構造を有し、かつＮａ_ｘＭ^１_１−ａＭ^２_ａＯ_２（０＜ｘ≦１であり、Ｍ^１はＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選ばれる少なくとも１種の遷移金属であり、Ｍ^２はＺｎであり、０＜ａ≦０．３である。）で表されるナトリウム二次電池正極用複合金属酸化物。
（３）ｘ≦２／３であることを特徴とする、（１）または（２）に記載のナトリウム二次電池正極用複合金属酸化物。
（４）前記Ｍ^１としてＭｎを含み、前記Ｎａ_ｘＭ^１_１−ａＭ^２_ａＯに対して３価のＭｎの存在比が２モル％以下であることを特徴とする、（２）または（３）に記載のナトリウム二次電池正極用複合金属酸化物。
（５）対極に金属ナトリウムを使用して電池を作製した時の開回路電圧が、２．５Ｖ以上となることを特徴とする、（１）乃至（４）のいずれかに記載のナトリウム二次電池正極用複合金属酸化物。
（６）Ｘ線源にＣｕＫα線を用いた粉末Ｘ線回折測定において、１８°から２０°の範囲にピークが観察されないことを特徴とする、（１）乃至（５）のいずれかに記載のナトリウム二次電池正極用複合金属酸化物。
（７） （１）乃至（６）のいずれかに記載の複合金属酸化物を含むナトリウム二次電池用正極を備えたナトリウム二次電池。
（８） 満充電状態における正極の充電電位が４．３５Ｖ（ｖｓ．Ｎａ／Ｎａ^＋）以上となるように設計されていることを特徴とする、（７）に記載のナトリウム二次電池。
（９） Ｎａ_ｘＭＯ_２（ＭはＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選ばれる少なくとも１種の遷移金属であり、かつ０＜ｘ≦１である。）で表され、Ｍの一部がＺｎで置換されている複合金属酸化物であって、複合金属酸化物粉末１ｇに対して２０ｃｃの割合で純水を加え、室温で５分以上撹拌した後の分散液のｐＨが１２以下であることを特徴とする、複合金属酸化物。
（１０） Ｐ２またはＰ３型の結晶構造を有し、かつＮａ_ｘＭ^１_１−ａＭ^２_ａＯ_２（０＜ｘ≦１であり、Ｍ^１はＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選ばれる少なくとも１種の遷移金属であり、Ｍ^２はＺｎであり、０＜ａ≦０．３である。）で表される複合金属酸化物。

【発明の効果】

【0012】

本発明の複合金属酸化物をナトリウム二次電池用正極活物質として使用すれば、ナトリウム二次電池の電池性能を従来のナトリウム二次電池の性能と比較して向上させることができる。具体的には、本発明のナトリウム二次電池正極用複合金属酸化物は、水と反応しにくく、大気中あるいは水溶液中でも変質しにくいため工程性に優れ、さらに本発明のナトリウム二次電池正極用複合金属酸化物を備えるナトリウム二次電池は充放電（とくに高電圧）を繰り返しても高い放電容量を安定して示す。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1a】実施例１の複合金属酸化物の粉末Ｘ線回折測定の結果を示す図である。

【図1b】実施例２の複合金属酸化物の粉末Ｘ線回折測定の結果を示す図である。

【図1c】比較例１の複合金属酸化物の粉末Ｘ線回折測定の結果を示す図である。

【図1d】比較例２の複合金属酸化物の粉末Ｘ線回折測定の結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の実施形態について説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。

【0015】

＜複合金属酸化物＞
本発明の一態様である複合金属酸化物（以下、「本発明の複合金属酸化物１」と略す場合がある。）は、Ｎａ_ｘＭＯ_２（ＭはＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選ばれる少なくとも１種の遷移金属であり、かつ０＜ｘ≦１である。）で表され、前記Ｍの一部がＺｎで置換されている複合金属酸化物であり、複合金属酸化物粉末１ｇに対して２０ｃｃの割合で純水を加え、室温で５分以上撹拌した後の分散液のｐＨが１２以下であることを特徴とする。
また、本発明の別態様である複合金属酸化物（以下、「本発明の複合金属酸化物２」と略す場合がある。）は、Ｐ２またはＰ３型の結晶構造を有し、かつＮａ_ｘＭ^１_１−ａＭ^２_ａＯ_２（０＜ｘ≦１であり、Ｍ^１はＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選ばれる少なくとも１種の遷移金属であり、Ｍ^２はＺｎであり、０＜ａ≦０．３である。）で表されることを特徴とする。
本発明者らは、安定して充放電を繰り返すことができるナトリウム二次電池の研究を進める中で、正極活物質となる層状構造のナトリウム含有複合酸化物の中に、大気中の水分と反応して変質してしまうものがあることを見出している。このような複合金属酸化物は、ナトリウム二次電池の製造過程において厳密な水分管理が求められるため、工程性および生産性の観点において難点がある。
そして、本発明者らは、ナトリウム含有複合酸化物の中でも前述の複合金属酸化物１および複合金属酸化物２が、ナトリウム二次電池に利用した場合に良好な電池性能が得られるとともに、水との反応による変質を抑制して、工程性および生産性の課題を解決できることを見出したのである。

【0016】

本発明の複合金属酸化物１は、好ましい態様としてＰ２またはＰ３型の結晶構造を有し、複合金属酸化物２は、Ｐ２またはＰ３型の結晶構造を有することを特徴とするが、Ｐ２、Ｐ３型構造についてさらに詳しく述べる。Ｐ２型構造を有するものの代表的な結晶系としては、その対称性から空間群Ｐ６３／ｍｍｃに帰属される。Ｐ３型構造を有するものの代表的な結晶系としては、その対称性から空間群Ｒ３ｍに帰属される。また、さらに対称性が低下する場合にはＣｍｃｍなど斜方晶さらにはＣ２／ｍなど単斜晶系の空間群に帰属可能な場合もあるが、基本的な構造はＰ２またはＰ３型に分類される層状構造である。但し、Ｐ２またはＰ３型構造を母構造として、Ｐ３やＰ２、Ｏ３型の積層欠陥が起こることもある。なお、複合金属酸化物がＰ２またはＰ３型構造を有する酸化物であるか否かは、Ｘ線回折により確認することができる。具体的には実施例に記載の方法で確認することができる。
本発明の複合金属酸化物１の好ましい態様、及び複合金属酸化物２は、Ｐ２またはＰ３型の結晶構造を有するものであれば、Ｘ線回折におけるピークの位置等の詳細は特に限定されないが、Ｘ線源にＣｕＫα線を用いた粉末Ｘ線回折測定において、１８°から２０°の範囲にピークが観察されないことが好ましい。１８°から２０°の範囲にピークが観察されないことによって、Ｐ２またはＰ３型の結晶構造以外の酸化物の含有量が少なく、良質な複合金属酸化物であると判断することができる。なお、「ピークが観察されない」とは、実質的にピークが観察されないことを意味し、ノイズと判断することができるピークは含まれないものとする。

【0017】

本発明の複合金属酸化物１は、Ｎａ_ｘＭＯ_２（ＭはＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選ばれる少なくとも１種の遷移金属であり、かつ０＜ｘ≦１である。）で表され、前記Ｍの一部がＺｎで置換されていることを特徴とするが、ｘの具体的数値は、上記条件を満たすものであれば特に限定されない。
ｘは、好ましくは１／３以上、より好ましくは１／２以上であり、好ましくは５／６以下、より好ましくは２／３以下である。ｘが大きいほど可動ナトリウムイオンが増加するため、可逆容量が大きくなり好ましいが、ｘが５／６を超えるとＰ２またはＰ３型構造以外の構造が現れる傾向があり、固相法での直接合成が難しくなるため、５／６以下とすることが好ましい。
また、前記Ｍの一部がＺｎで置換されていればよく置換されているＺｎの組成比ａは特に限定されないが、ａは、好ましくは０．０１以上、より好ましくは０．０５以上であり、好ましくは０．３以下、より好ましくは０．２以下である。なお、組成比ａは、Ｍ元素：Ｚｎ＝１−ａ：ａで表される。

【0018】

本発明の複合金属酸化物１は、複合金属酸化物粉末１ｇに対して２０ｃｃの割合で純水を加え、室温で５分以上撹拌した後の分散液のｐＨが１２以下であることを特徴とするが、分散液のｐＨは好ましくは１１．５以下、より好ましくは１１．０以下、さらに好ましくは１０．５以下であり、通常８．０以上である。上記範囲内であると、工程性により優れた複合金属酸化物となる。なお、本願における純水は、２５℃における比抵抗値が１〜１０ＭΩ・ｃｍの範囲にあるものを意味する。また、撹拌は複合金属酸化物１が純水中に分散する程度に行えばよい。

【0019】

本発明の複合金属酸化物２は、Ｎａ_ｘＭ^１_１−ａＭ^２_ａＯ_２（０＜ｘ≦１であり、Ｍ^１はＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選ばれる少なくとも１種の遷移金属であり、Ｍ^２はＺｎであり、０＜ａ≦０．３である。）で表されることを特徴とする。
ｘは、好ましくは１／３以上、より好ましくは１／２以上であり、好ましくは５／６以下、より好ましくは２／３以下である。
ａは、好ましくは０．０１以上、より好ましくは０．０５以上であり、好ましくは０．３以下、より好ましくは０．２以下である。
上記範囲内であると、充放電（特に高電位）を繰り返しても高い放電容量を安定して示す材料となる。
Ｚｎは、遷移金属を置換しうる元素であって、２価の価数をとり、充放電を行っても価数変化の無い元素という特徴を持っている。Ｚｎを置換することによって、充電端でＮａイオンが抜けきらないことによるピラー効果のため、材料の体積変化が抑制され、繰り返し充放電に対して安定な材料となるものと推定している。合計の置換量が０．３を超えると容量低下が大きく好ましくない。また置換量が０．０１以上で置換効果が大きくなり好ましい。

【0020】

本発明の複合金属酸化物２は、Ｎａ_ｘＭ^１_１−ａＭ^２_ａＯ_２で表されることを特徴とするが、Ｍ^１としてＭｎを含むことが好ましく、Ｎａ_ｘＭ^１_１−ａＭ^２_ａＯ_２に対して３価のＭｎの存在比が２モル％以下であることが好ましい。３価のＭｎの存在比が２モル％以
下となるよう組成を設計することで、複合金属酸化物を純水に分散させた分散液のｐＨを１２以下とし易くなる。なお、３価のＭｎの存在比は、より好ましくは０．６モル％以下、更に好ましくは０．２モル％以下である。

【0021】

なお、ｘ、ａの値は、原料の使用量、製造条件等を制御することで調整することができる。詳細は後述する。

【0022】

（平均一次粒子径）
本発明の複合金属酸化物１及び複合金属酸化物２の平均一次粒子径は、特に限定されないが、下限としては通常０．１μｍ以上、好ましくは０．２μｍ以上、より好ましくは０．３μｍ以上、また、上限としては通常５μｍ以下、好ましくは３μｍ以下、より好ましくは２μｍ以下、更に好ましくは１．５μｍ以下である。平均一次粒子径が、上記上限を超えると比表面積が低下したりするために、レート特性や出力特性等の電池特性が低下する可能性が高くなる場合がある。上記下限を下回ると結晶が未発達であるために充放電の可逆性が劣る等の問題を生ずる可能性がある。
なお、本発明における複合金属酸化物の平均一次粒子径は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した平均一次粒子径であり、３０，０００倍のＳＥＭ画像を用いて、１０〜３０個程度の複合金属酸化物の一次粒子径の平均値として求めることができる。

【0023】

（メジアン径（二次粒子））
本発明の複合金属酸化物１及び複合金属酸化物２の二次粒子のメジアン径（５０％積算径（Ｄ５０））は特に限定されないが、通常２μｍ以上、好ましくは２．５μｍ以上、より好ましくは４μｍ以上で、また、通常２０μｍ以下、好ましくは１８μｍ以下、より好ましくは１５μｍ以下である。メジアン径がこの下限を下回ると、正極活物質層形成時の塗布性に問題を生ずる可能性があり、上限を超えると電池性能の低下を来す可能性がある。

【0024】

（ＢＥＴ比表面積）
本発明の複合金属酸化物１及び複合金属酸化物２のＢＥＴ比表面積は、特に限定されないが、通常０．１ｍ^２／ｇ以上、好ましくは０．２ｍ^２／ｇ以上、より好ましくは０．３ｍ^２／ｇ以上で、通常１０ｍ^２／ｇ以下、好ましくは５ｍ^２／ｇ以下、より好ましくは３ｍ^２／ｇ以下、更に好ましくは２ｍ^２／ｇ以下、最も好ましくは１ｍ^２／ｇ以下である。
ＢＥＴ比表面積がこの範囲よりも小さいと電池性能が低下しやすく、大きいと嵩密度が上がりにくくなり、正極活物質層形成時の塗布性に問題が発生しやすくなる可能性がある。

【0025】

（タップ密度）
本発明の複合金属酸化物１及び複合金属酸化物２のタップ密度は、特に限定されないが、通常０．８ｇ／ｃｃ以上、好ましくは１ｇ／ｃｃ以上、より好ましくは１．４ｇ／ｃｃ以上、更に好ましくは１．５ｇ／ｃｃ以上で、通常３．０ｇ／ｃｃ以下、好ましくは２．８ｇ／ｃｃ以下、より好ましくは２．５ｇ／ｃｃ以下である。タップ密度がこの上限を上回ることは、粉体充填性や電極密度向上にとって好ましい一方、比表面積が低くなり過ぎる可能性があり、電池性能が低下する可能性がある。タップ密度がこの下限を下回ると粉体充填性や正極調製に悪影響を及ぼす可能性がある。
なお、本発明におけるタップ密度は、複合金属酸化物粉体５〜１０ｇを１０ｍｌのメスシリンダーに入れ、ストローク２０ｍｍで２００回タップした時の粉体充填密度として求める。

【0026】

本発明の複合金属酸化物１及び複合金属酸化物２は、前述の条件を満たすものであればその他については特に限定されないが、対極に金属ナトリウムを使用して電池を作製した
時の開回路電圧が、２．５Ｖ以上となることが好ましく、２．６Ｖ以上となることがより好ましく、２．７Ｖ以上となることがさらに好ましい。上記範囲内であると、良好な性能を有するナトリウム二次電池を製造することができる。

【0027】

（複合金属酸化物の製造方法）
本発明の複合金属酸化物１及び複合金属酸化物２は、以下に説明する通り、金属含有化合物の混合物を焼成することによって製造できるが、本発明の技術的範囲はかかる製造方法によって製造された複合金属酸化物に限定されないことは言うまでもない。

【0028】

具体的には、対応する金属元素を含有する金属含有化合物を所定の組成となるように秤量し混合した後に、得られた混合物を焼成することによって製造することができる。

【0029】

例えば、Ｎａ：Ｎｉ：Ｍｎ：Ｚｎ＝２／３ ： ５／１８ ： ２／３ ： １／１８で表される金属元素比を有する複合金属酸化物は、炭酸ナトリウム（Ｎａ_２ＣＯ_３）と水酸化ニッケル（Ｎｉ（ＯＨ）_２）と三酸化二マンガン（Ｍｎ_２Ｏ_３）と酸化亜鉛（ＺｎＯ）の各原料を、Ｎａ：Ｎｉ：Ｍｎ：Ｚｎのモル比が７/１０（５％過剰）： ５／１８ ： ２／３： １／１８となるように秤量し、それらを混合し、得られた混合物を焼成することによって製造することができる。

【0030】

複合金属酸化物を製造するために用いることができる金属含有化合物としては、酸化物、水酸化物、オキシ水酸化物、炭酸水素塩、炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩、ハロゲン化物、シュウ酸塩等の有機酸塩を用いることができる。ナトリウム化合物としてはＮａ_２ＣＯ_３、ＮａＨＣＯ_３、Ｎａ_２Ｏ_２が好ましく、取り扱い性の観点で、より好ましくはＮａ_２ＣＯ_３である。マンガン化合物としてはＭｎＯ_２、Ｍｎ_２Ｏ_３、Ｍｎ_３Ｏ_４が好ましく、ニッケル化合物としてはＮｉＣＯ_３、Ｎｉ（ＯＨ）_２、ＮｉＯＯＨ、ＮｉＯが好ましい。また、置換元素Ｚｎの原料化合物の例として、ＺｎＯ、塩基性炭酸亜鉛、酢酸亜鉛が好ましい。また、これらの金属含有化合物は水和物であってもよい。

【0031】

金属含有化合物の混合には、ボールミル、Ｖ型混合機、攪拌機、ダイノーミル等の、工業的に通常用いられている装置を用いることができる。この時の混合は、乾式混合、湿式混合のいずれでもよい。また、晶析法によって、所定の組成の金属含有化合物の混合物を得てもよい。さらに、共沈法によって、所定の組成の複合金属炭酸塩または水酸化物を得た上でナトリウム化合物との混合物を得てもよい。

【0032】

上記のようにして得た金属含有化合物の混合物を焼成することによって、上記複合金属酸化物を得ることができる。焼成条件については特に限定されないが、焼成温度を７００〜１０００℃の範囲、焼成時間を２〜２４時間の範囲に設定することが好ましい。焼成温度が８００℃以上であれば、過度な積層欠陥の生成を抑制するという理由で好ましく、焼成温度が９００℃以下であれば、一次粒子サイズを低減するという理由で好ましい。また、焼成時間が１２時間以上であれば単一粒子の均一な化学組成を得るという理由で好ましく、焼成時間が２４時間以下であれば低温で積層欠陥を維持したまま結晶成長を行わせることも可能になるという理由で好ましい。

【0033】

焼成時の雰囲気としては、例えば、窒素、アルゴン等の不活性雰囲気：空気、酸素、酸素含有窒素、酸素含有アルゴン等の酸化性雰囲気：及び水素を０．１〜１０体積％含有する水素含有窒素、水素を０．１〜１０体積％含有する水素含有アルゴン等の還元性雰囲気のいずれでもよい。強い還元性の雰囲気で焼成するために、適量の炭素を金属含有化合物の混合物に含有させて焼成してもよい。焼成時の雰囲気としては、空気等の酸化性雰囲気が好ましい。

【0034】

原料の金属含有化合物として、高温で分解及び／又は酸化しうる化合物、例えば水酸化物、炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩、ハロゲン化物、シュウ酸塩を使用した場合、上記の焼成を行う前に、２００〜５００℃の温度範囲で金属含有化合物の仮焼を行って、酸化物にしたり、結晶水を除去したりしてもよい。仮焼を行う雰囲気は、不活性ガス雰囲気、酸化性雰囲気又は還元性雰囲気のいずれでもよい。また、仮焼後の仮焼物を粉砕して用いてもよい。

【0035】

また、上記のようにして得られる複合金属酸化物に、必要に応じボールミルやジェットミル等を用いた粉砕、分級等を行って、粒度を調節することが好ましいことがある。また、焼成を２回以上行ってもよい。また、複合金属酸化物の粒子表面をＷ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｙ、Ｂ等を含有する無機物質で被覆する等の表面処理を行ってもよい。また、複合酸化物は、その結晶構造がトンネル構造でないものが好ましい。

【0036】

＜ナトリウム二次電池＞
本発明のナトリウム二次電池は、前述の本発明の複合金属酸化物１または複合金属酸化物２から構成される正極活物質を含む正極を備えるものであれば、その他については特に限定されず、公知のナトリウム二次電池に用いられる材料、技術を適宜採用することができる。なお、本発明のナトリウム二次電池に使用される具体的な材料の種類およびその製造方法等については、後述するもののほか、例えば特開２０１１−２３６１１７号公報に記載されている内容を適宜採用することができる。

【0037】

［正極］
正極は集電体と、その集電対の表面に形成された正極活物質層を含み、正極活物質層は、正極活物質、導電材、結着剤を含む。

【0038】

正極活物質層中の正極活物質の含有量は特に限定されないが、８０〜９５質量％であることが好ましい。

【0039】

本発明に使用可能な導電材としては、天然黒鉛、人造黒鉛、コークス類、カーボンブラック等の炭素材料等が挙げられる。正極活物質層中の導電材の含有量は特に限定されないが、５〜１０質量％であることが好ましい。

【0040】

本発明に使用可能な結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン（以下、ＰＶＤＦということがある。）ポリテトラフルオロエチレン（以下、ＰＴＦＥということがある。）、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン・フッ化ビニリデン系共重合体、六フッ化プロピレン・フッ化ビニリデン系共重合体、四フッ化エチレン・パーフルオロビニルエーテル系共重合体等が挙げられる。これらをそれぞれ単独で用いてもよいし、二種以上を混合して用いてもよい。結着剤のその他の例示としては、例えば、デンプン、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、カルボキシメチルヒドロキシエチルセルロース、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリアクリロニトリル、ニトロセルロース等の多糖類及びその誘導体が挙げられる。また、使用可能な結着剤として、無機の微粒子、例えばコロイダルシリカ等を挙げることもできる。正極活物質中の結着剤の含有量は特に限定されないが、５〜１０質量％であることが好ましい。

【0041】

本発明に使用可能な集電体としては、ニッケル、アルミニウム、ステンレス（ＳＵＳ）等の導電性の材料を用いた箔、メッシュ、エキスパンドグリッド（エキスパンドメタル）、パンチドメタル等が挙げられる。メッシュの目開き、線径、メッシュ数等は特に限定されず、従来公知のものを使用できる。集電体の一般的な厚さは５〜３０μｍである。ただし、この範囲を外れる厚さの集電体を用いてもよい。

【0042】

集電体の大きさは、電池の使用用途に応じて決定される。大型の電池に用いられる大型の電極を作製するのであれば、面積の大きな集電体が用いられる。小型の電極を作製するのであれば、面積の小さな集電体が用いられる。

【0043】

正極を製造する方法としては、先ず、正極活物質と導電材と結着剤と有機溶媒とを混合させて正極活物質スラリーを調製する。ここで使用可能な有機溶剤としては、Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノプロピリアミン、ジエチルトリアミン等のアミン系；エチレンオキシド、テトラヒドロフラン等のエーテル系；メチルエチルケトン等のケトン系；酢酸メチル等のエステル系、ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチル−２−ピロリドン等の非プロトン性極性溶媒等が挙げられる。
また、本発明の複合金属酸化物は水に対する安定性が高いため、水を溶媒に使用したスラリー中でも層状構造を維持するため、水和相が形成される場合にも乾燥することより水和水が容易に脱離し、電極作製を行うことが可能である。

【0044】

次いで、上記正極活物質スラリーを正極集電体上に塗工し、乾燥後プレスする等して固着する。ここで、正極活物質スラリーを正極集電体上に塗工する方法としては、例えばスリットダイ塗工法、スクリーン塗工法、カーテン塗工法、ナイフ塗工法、グラビア塗工法、静電スプレー法等を挙げることができる。

【0045】

なお、正極活物質層を正極集電体上に形成する方法としては、上記の方法以外に、正極活物質、導電材、結着剤の混合物を正極集電体上に設置し、加圧成型する方法でもよい。

【0046】

［負極］
負極は集電体と、その集電体の表面に形成された負極活物質層を含み、負極活物質層は負極活物質及び結着剤を含む。また、負極としては、負極活物質を含む負極合剤を負極集電体に担持したもの、ナトリウム金属又はナトリウム合金等のナトリウムイオンを吸蔵・脱離可能な電極を用いることができる。

【0047】

負極活物質としては、ナトリウムを吸蔵・脱離することのできる天然黒鉛、人造黒鉛、コークス類、ハードカーボン、カーボンブラック、熱分解炭素類、炭素繊維、有機高分子化合物焼成体等の炭素材料が挙げられる。炭素材料の形状としては、例えば天然黒鉛のような薄片状、メソカーボンマイクロビーズのような球状、黒鉛化炭素繊維のような繊維状、又は微粉末の凝集体等のいずれでもよい。ここで炭素材料は、導電材としての役割を果たす場合もある。

【0048】

上記の通り、本発明において負極活物質は、特定のものに限定されないが、ハードカーボンを使用することが好ましい。負極活物質としてハードカーボンを使用することで、負極活物質が原因となる電池性能の低下を抑えられる。

【0049】

ハードカーボンは２０００℃以上の高温で熱処理しても殆ど積層秩序が変化しない炭素材料であり、難黒鉛化炭素ともよばれる。ハードカーボンとしては、炭素繊維の製造過程の中間生成物である不融化糸を１０００〜１４００℃程度で炭化した炭素繊維、有機化合物を１５０〜３００℃程度で空気酸化した後、１０００〜１４００℃程度で炭化した炭素材料等が例示できる。ハードカーボンの製造方法は特に限定されず、従来公知の方法により製造されたハードカーボンを使用することができる。

【0050】

ハードカーボンの平均粒径、真密度、（００２）面の面間隔等は特に限定されず、適宜好ましいものを選択して実施することができる。

【0051】

負極活物質層中の負極活物質の含有量は特に限定されないが、８０〜９５重量％であることが好ましい。

【0052】

結着剤としては、正極に使用可能なものと同様のものが使用可能であるため、これらについては説明を省略する。集電体としては、ニッケル、アルミニウム、銅、ステンレス（ＳＵＳ）等の導電性の材料を用いる。集電体は正極用の集電体と同様に、箔、メッシュ、エキスパンドグリッド（エキスパンドメタル）、パンチドメタル等から構成される。

【0053】

また、負極活物質層を集電体上に形成する方法としては、正極活物質層を集電体上に形成する方法と同様の方法を採用することができる。

【0054】

［電解質］
電解質は特に限定されず、一般的な電解液、固体電解質のいずれも使用可能である。電解液としては、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、ジエチルカーボネート、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、フルオロエチレンカーボネート、４−トリフルオロメチル−１，３−ジオキソラン−２−オン、１，２−ジ（メトキシカルボニルオキシ）エタン等のカーボネート類；１，２−ジメトキシエタン、１，３−ジメトキシプロパン、ペンタフルオロプロピルメチルエーテル、２，２，３，３−テトラフルオロプロピルジフルオロメチルエーテル、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン等のエーテル類；ギ酸メチル、酢酸メチル、γ−ブチロラクトン等のエステル類；アセトニトリル、ブチロニトリル等のニトリル類；Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド等のアミド類；３−メチル−２−オキサゾリドン等のカーバメート類；スルホラン、ジメチルスルホキシド、１，３−プロパンサルトン等の含硫黄化合物；又は上記の有機溶媒にさらにフッ素置換基を導入したものを用いることができる。通常は有機溶媒として、これらのうちの二種以上を混合して用いる。

【0055】

上記電解液の中でも、実質的に飽和環状カーボネート（ただし、エチレンカーボネートの単独使用を除く）、又は飽和環状カーボネートと鎖状カーボネートとの混合溶媒からなる非水溶媒を採用することが好ましい。特に、これらの非水溶媒の中からいずれかを採用し、負極活物質としてハードカーボンを採用すると、ナトリウム二次電池は優れた充放電効率及び充放電特性を持つ。必要に応じてリチウムイオン電池に用いられている既知の添加剤を用いてもよい。特に、フルオロエチレンカーボネートは添加剤として好ましい。

【0056】

ここで、「実質的に」とは、飽和環状カーボネートのみからなる非水溶媒（ただし、エチレンカーボネートの単独使用を除く）、飽和環状カーボネートと鎖状カーボネートとの混合溶媒からなる非水溶媒の他、充放電特性等のナトリウム二次電池の性能に影響を与えない範囲で、他の溶媒を本発明に用いる上記非水溶媒に含んだ溶媒も含むことを指す。

【0057】

飽和環状カーボネートの中でもプロピレンカーボネートの使用が好ましい。また、混合溶媒の中でもエチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合溶媒、又はエチレンカーボネートとプロピレンカーボネートとの混合溶媒の使用が好ましい。

【0058】

電解質として、電解液を採用した場合に使用可能な電解質塩は、特に限定されず、ナトリウム二次電池に一般的に用いられる電解質塩を使用できる。

【0059】

ナトリウム二次電池に一般的に用いられる電解質塩としては、例えば、ＮａＣｌＯ_４、ＮａＰＦ_６、ＮａＢＦ_４、ＣＦ_３ＳＯ_３Ｎａ、ＮａＡｓＦ_６，ＮａＢ（Ｃ_６Ｈ_５）_４，ＣＨ_３ＳＯ_３Ｎａ、ＮａＮ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_２、ＮａＮ（ＳＯ_２Ｃ_２Ｆ_５）_２、ＮａＣ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_３、ＮａＮ（ＳＯ_３ＣＦ_３）_２等を挙げることができる。また、電解質塩と
して、前記Ｎａ塩の他、Ｌｉ塩を用いてもよい。なお、これらの電解質のうち１種を用いてもよく、あるいは２種以上を組み合わせて用いてもよい。

【0060】

また、電解液中の電解質塩の濃度は特に限定されないが、上記電解質塩の濃度は３〜０．１ｍｏｌ／ｌであることが好ましく、１．５〜０．５ｍｏｌ／ｌであることがより好ましい。

【0061】

固体電解質としては、例えばポリエチレンオキサイド系の高分子化合物、ポリオルガノシロキサン鎖もしくはポリオキシアルキレン鎖の少なくとも一種以上を含む高分子化合物等の有機系固体電解質を用いることができる。また、高分子化合物に非水電解質溶液を保持させた、いわゆるゲルタイプのものを用いることもできる。また、Ｎａ_２Ｓ−ＳｉＳ_２、Ｎａ_２Ｓ−ＧｅＳ_２、ＮａＴｉ_２（ＰＯ_４）_３、ＮａＦｅ_２（ＰＯ_４）_３、Ｎａ_２（ＳＯ_４）_３、Ｆｅ_２（ＳＯ_４）_２（ＰＯ_４）、Ｆｅ_２（ＭｏＯ_４）_３等の無機系固体電解質を用いてもよい。本発明のＰ２型およびＰ３型層状構造を有する複合金属酸化物は、Ｏ３型層状構造を有する複合金属酸化物よりも柔らかいため、固体電解質との密着性に優れた効果が期待できる。

【0062】

［ナトリウム二次電池の構造］
本発明のナトリウム二次電池の構造としては特に限定されず、形態・構造で区別した場合には、積層型（扁平型）電池、捲回型（円筒型）電池等、従来公知のいずれの形態・構造にも適用しうるものである。また、ナトリウム二次電池内の電気的な接続形態（電池構造）で見た場合、（内部並列接続タイプ）電池及び双極型（内部直列接続タイプ）電池のいずれにも適用しうるものである。

【0063】

（満充電状態における正極の充電電位）
本発明のナトリウム二次電池は、満充電状態における正極の充電電位が４．３５Ｖ（ｖｓ．Ｎａ／Ｎａ^＋）以上となるように設計されていることが好ましい。なお、「正極の充電電位が４．３５Ｖ（ｖｓ．Ｎａ／Ｎａ^＋）以上となるように設計されている」とは、ナトリウム二次電池が４．３５Ｖ（ｖｓ．Ｎａ／Ｎａ^＋）以上という高い充電電位で使用されることを考慮して、ナトリウム二次電池の構造や材料等が適宜選択されることを意味する。
即ち、本発明のナトリウム二次電池正極材料用複合酸化物は、前述の特定の組成により、４．３５Ｖ（ｖｓ．Ｎａ／Ｎａ^＋）以上という高い充電電位で充電するように設計されたナトリウム二次電池に使用した場合において、サイクル特性を高める効果を有効に発揮する。ただし、前記充電電位が４．３５Ｖ未満として使用することも可能である。

【実施例】

【0064】

以下、本発明について実施例を挙げて詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施例に何ら限定されるものではない。

【0065】

（実施例１）
Ｎａ_２ＣＯ_３、Ｎｉ（ＯＨ）_２、Ｍｎ_２Ｏ_３、ＺｎＯを、Ｎａ：Ｎｉ：Ｍｎ：Ｚｎのモル比が７／１０（５％過剰） ： ５／１８ ： ２／３ ： １／１８となるように秤量し、ボールミルで１２時間にわたって混合して金属含有化合物の混合物を得た。得られた混合物をペレット成型した後、アルミナボートに充填し、電気炉を用いて大気雰囲気において９００℃で２４時間の条件で焼成することによって、実施例１の複合金属酸化物（Ｐ２−Ｎａ_２／３Ｎｉ_５／１８Ｍｎ_２／３Ｚｎ_１／１８Ｏ_２）を得た。ＥＤＸによりＺｎが導入されていることを確認した。

【0066】

上記複合金属酸化物からなる正極活物質、導電材としてのアセチレンブラック、及び結
着剤としてのポリビニリデンフルオライドを、正極活物質：導電材：結着剤＝８０：１０：１０（質量比）の組成となるように以下の手順で電極を作製した。先ず、正極活物質と導電材をメノウ乳鉢で十分に混合し、この混合物に結着材とＮ−メチルピロリドンを加えて引き続き均一になるように混合し、混合物をスラリー化した。次いで、得られた正極活物質スラリーを、集電体となる厚さ２０μｍのアルミ箔上に、アプリケータを用いて４０μｍの厚さで塗布し、これを乾燥機に入れ、Ｎ−メチルピロリドンを除去しながら十分に乾燥することによって電極シートを得た。この電極シートを電極打ち抜き機で直径１．０ｃｍに打ち抜いて正極を得た。

【0067】

対極に金属ナトリウムを用いて作製した負極と、作用極に上記複合金属酸化物を用いて作製した正極とを使用してコイン型ナトリウム二次電池を作製した。電解液としては、１Ｍの電解質塩（ＮａＰＦ_６）を非水溶媒（プロピレンカーボネート）に溶解させたものを用いた。セパレータとしてはガラスフィルタを使用した。また、ナトリウム二次電池の作製は、アルゴンを満たしたグローブボックス中にて行った。

【0068】

（実施例２）
複合金属酸化物の製造において、焼成温度および処理時間を７００℃、４８時間とした以外は実施例１と同様の方法で、実施例２の複合金属酸化物（Ｐ３−Ｎａ_２／３Ｎｉ_５／１８Ｍｎ_２／３Ｚｎ_１／１８Ｏ_２）を製造した。ＥＤＸによりＺｎが導入されていることを確認した。そして、実施例２の複合金属酸化物を用いて作製した正極を使用した以外は、実施例１と同様の方法で、実施例２のコイン型ナトリウム二次電池を作製した。

【0069】

（比較例１）
複合金属酸化物の製造において、Ｎａ_２ＣＯ_３、Ｎｉ（ＯＨ）_２、Ｍｎ_２Ｏ_３をＮａ：Ｎｉ：Ｍｎのモル比が７／１０（５％過剰）： １／３ ： ２／３となるように秤量した
以外は実施例１と同様の方法で、比較例１の複合金属酸化物（Ｐ２−Ｎａ_２／３Ｎｉ_１／３Ｍｎ_２／３Ｏ_２）を製造した。そして、比較例１の複合金属酸化物を用いて作製した正極を使用した以外は、実施例１と同様の方法で、比較例１のコイン型ナトリウム二次電池を作製した。

【0070】

（比較例２）
複合金属酸化物の製造において、Ｎａ_２ＣＯ_３、Ｎｉ（ＯＨ）_２、Ｍｎ_２Ｏ_３を、Ｎａ：Ｎｉ：Ｍｎのモル比が７／１０（５％過剰）： １／３ ： ２／３：となるように秤量した以外は実施例２と同様の方法で、比較例２の複合金属酸化物（Ｐ３−Ｎａ_２／３Ｎｉ_１／３Ｍｎ_２／３Ｏ_２）を製造した。そして、比較例２の複合金属酸化物を用いて作製した正極を使用した以外は、実施例１と同様の方法で、比較例２のコイン型ナトリウム二次電池を作製した。

【0071】

（評価１）ＸＲＤ測定による結晶構造の同定
実施例及び比較例の複合金属酸化物について、粉末Ｘ線回折測定を行った。測定は、リガク製の粉末Ｘ線回折測定装置ＭｕｌｔｉＦｌｅｘを用いて、以下の条件で行った。
Ｘ線：ＣｕＫα
電圧−電流：４０ｋＶ−２０ｍＡ
測定角度範囲：２θ＝１０〜７０°
ステップ：０．０２°
スキャンスピード：６°／分

【0072】

実施例１の測定結果を図１ａに、実施例２の測定結果を図１ｂに、比較例１の測定結果を図１ｃに、比較例２の測定結果を図１ｄに示した。

【0073】

図１ａ〜図１ｄより、実施例１、比較例１の複合金属酸化物は、Ｐ２型層状構造を、実施例２、比較例２の複合金属酸化物は、Ｐ３型層状構造を有する酸化物が略単相で得られていることが判る。また実施例１、比較例１の複合金属酸化物は、４８°付近の（１０４）回折線ピークの半値幅が０．３度程度であることから、若干の積層欠陥を含むＰ２型層状構造を有する酸化物であることが確認された。

【0074】

（評価２）ｐＨ測定による耐水性評価
実施例及び比較例の複合金属酸化物について、ｐＨ測定を実施した。測定は、複合金属酸化物粉末１ｇに対して２０ｃｃの割合で純水を加え、室温で５分以上撹拌した後の分散液のｐＨを、市販のガラス電極を用いたｐＨ計で測定することで評価した。

【0075】

実施例及び比較例の複合金属酸化物のｐＨ測定結果を以下に記載する。
実施例１の複合金属酸化物のｐＨは１１．９であった。
実施例２の複合金属酸化物のｐＨは１１．８であった。
比較例１の複合金属酸化物のｐＨは１１．９であった。
比較例２の複合金属酸化物のｐＨは１２．０であった。

【0076】

ｐＨが１２より高い材料は、電極作製工程で混入する水分の影響を受けやすく以下のような実用上多くの問題を引き起こすため好ましくない。極板作製用スラリーがゲル化しやすくなること、Ａｌ集電体を溶解させる懸念があること、残存アルカリが原因で電池として使用した時に発生ガス量が増加するため信頼性に懸念が生じることなどの問題である。ｐＨが１２より高い材料を実用的に使用するためには厳密な水分管理が必要となり工程性を悪化させる。本実施例の複合金属酸化物は水との反応を抑制し、ｐＨが１２以下であるため、上述した欠点がなく工程性に優れるものである。水を溶媒に使用したスラリー中でも材料の変化がなく電極作製を行うことが可能である。

【0077】

ナトリウム含有層状複合金属酸化物と水との反応によるｐＨ上昇については２種類の反応が存在することを確認している。以下に反応式と反応メカニズムを記載する。

【0078】

第一の反応は、Ｎａ^＋とＨ^＋のイオン交換反応であり、Ｏ３型層状構造の複合金属酸化物にみられ、（式１）で記述できる。Ｈ^＋が挿入された金属酸化物材料は乾燥にともなう脱水過程を経て構造破壊に至る。８割以上のＮａが溶出することを確認している。
（式１） ＮａＦｅ^{（ＩＩＩ）}_０．４Ｎｉ^（ＩＩ）_０．３Ｍｎ^（ＩＶ）_０．３Ｏ_２＋Ｈ_２Ｏ
→ＮａＯＨ＋Ｆｅ^{（ＩＩＩ）}_０．４Ｎｉ^（ＩＩ）_０．３Ｍｎ^（ＩＶ）_０．３ＯＯＨ

【0079】

第二の反応は、層状構造中の３価のＭｎによる水の還元分解反応である。（式２）で記述できる。水素発生を伴い３価のＭｎが４価に酸化される反応が進行する。Ｐ２型またはＰ３型層状構造の複合金属酸化物ではイオン交換反応は起こらず、３価のＭｎが消費された時点で反応は停止し、Ｐ２型、Ｐ３型およびそれらの水和相からなるが、層状構造は維持され、それらの水和相も150℃で乾燥することによりＰ２型、Ｐ３型構造に戻ることを
確認している。
（式２） Ｎａ_２／３Ｆｅ^{（ＩＩＩ）}_１／２Ｍｎ^{（ＩＩＩ）}_１／６Ｍｎ^（ＩＶ）_１／３Ｏ_２＋Ｈ_２Ｏ
→１／６ＮａＯＨ＋１／１２Ｈ_２＋Ｎａ_１／２Ｆｅ^{（ＩＩＩ）}_１／２Ｍｎ^（ＩＶ）_１／２Ｏ_２
また、この結果は、本発明の複合金属酸化物の製造においても、水洗および乾燥工程を加えることが可能であることを示している。

【0080】

層状複合金属酸化物のイオン交換反応は、Ｎａ^＋の占有サイトの形状と大きな相関が認められる。Ｏ３型層状構造の複合金属酸化物のように、Ｎａ^＋が層間のオクタヘドラルサイトに存在する場合、隣接する空の４配位サイトにＨ^＋が安定配置しやすく、イオン交換が進行するのに対して、Ｐ２型層状構造あるいはＰ３型層状構造の複合金属酸化物のように、Ｎａ^＋が層間のプリズマティックサイトに存在する場合は、隣接する空のプリズマティックサイトにＨ^＋が安定配置できないためイオン交換は進行しないものと推定している。

【0081】

水との反応を抑制しｐＨの上昇を抑えるためには、Ｎａがプリズマティックサイトに存在し、水の還元分解反応が進行しない平衡電位をもつ材料を設計することで達成できる。層状複合金属酸化物中に３価のＭｎが存在する場合は、その量を２モル％以下となるよう組成を設計することでｐＨを１２以下とすることができる。
複合金属酸化物Ｎａ_ｘＭＯ_２中の３価のＭｎの存在量と生成するＮａＯＨの量は、上述の（式２）の反応に従い等しくなることが判る。従って、３価のＭｎの存在量とｐＨの関係は、以下の式（式３）により見積もることができる。
（式３）ｐＨ＝１４−ｐ［ＯＨ⁻］
＝１４＋Ｌｏｇ［ｙ／（２×ＦＷ）］
≒１４＋Ｌｏｇ［ｙ／２００］
（但し、ＦＷは複合金属酸化物Ｎａ_ｘＭＯ_２の式量であり、化合物組成により若干異なるが約１００とすることができる。ｙは複合金属酸化物Ｎａ_ｘＭＯ_２中の３価のＭｎのモル％である。）

【0082】

（評価３）充放電評価
実施例１のナトリウム二次電池について、充放電評価を行った。各正極材料に対して電流密度が１２．９ｍＡ／ｇになるように設定し、４．５Ｖ（充電電圧）まで定電流充電を行った。充電後、電流密度が１２．９ｍＡ／ｇの電流になるように設定し、２．０Ｖ（放電電圧）まで定電流放電を行った。この充放電を２０サイクル行い、２０サイクル後の容量維持率は９３．２％であり、高サイクル維持率であることが確認された。なお、充放電は、温度２５℃の条件下で行った。また、あわせて開回路電圧を測定した。

【0083】

実施例２のナトリウム二次電池の充放電評価を、実施例１のナトリウム二次電池の充放電評価と同様の方法で行った。２０サイクル後の容量維持率は８５．０％であり、高サイクル維持率であることが確認された。

【0084】

比較例１のナトリウム二次電池の充放電評価を、実施例１のナトリウム二次電池の充放電評価と同様の方法で行った。２０サイクル後の容量維持率は７２．９％であり、低サイクル維持率であることが確認された。

【0085】

比較例２のナトリウム二次電池の充放電評価を、実施例１のナトリウム二次電池の充放電評価と同様の方法で行った。２０サイクル後の容量維持率は７３．２％であり、低サイクル維持率であることが確認された。

【0086】

実施例１、２および比較例１、２の結果を表１にまとめる。本実施例の複合金属酸化物は、Ｚｎによって遷移金属元素が置換されており、かつｐＨが１２以下であるため、良好なサイクル特性を有し、工程性にも優れる材料であることが判る。

【0087】

【表1】

【産業上の利用可能性】

【0088】

本発明のナトリウム二次電池用正極活物質を備えたナトリウム二次電池の用途は特に限定されず、公知の各種の用途に用いることが可能である。具体例としては、ノートパソコン、ペン入力パソコン、モバイルパソコン、電子ブックプレーヤー、携帯電話、携帯ファックス、携帯コピー、携帯プリンター、ヘッドフォンステレオ、ビデオムービー、液晶テレビ、ハンディークリーナー、ポータブルＣＤ、ミニディスク、トランシーバー、電子手帳、電卓、メモリーカード、携帯テープレコーダー、ラジオ、バックアップ電源、定置型電源、モーター、照明器具、玩具、ゲーム機器、時計、ストロボ、カメラ、ペースメーカー、電動工具、自転車・バイク用動力源、自動車用動力源、軌道車両動力源、人工衛星用動力源等を挙げることができる。

【図1a】

【図1b】

【図1c】

【図1d】