特開 2022-58019 全固体ナトリウム蓄電池及びこの蓄電池からなる組電池並びにこの蓄電池を備えた電気機器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022058019

(43)【公開日】2022-04-11

(54)【発明の名称】全固体ナトリウム蓄電池及びこの蓄電池からなる組電池並びにこの蓄電池を備えた電気機器

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/054 20100101AFI20220404BHJP

   H01M 10/0565 20100101ALI20220404BHJP

   H01M 10/0562 20100101ALI20220404BHJP

   H01M 4/58 20100101ALI20220404BHJP

   H01M 4/13 20100101ALI20220404BHJP

   H01M 4/62 20060101ALI20220404BHJP

   H01M 4/72 20060101ALI20220404BHJP

【ＦＩ】

H01M10/054

H01M10/0565

H01M10/0562

H01M4/58

H01M4/13

H01M4/62 Z

H01M4/72 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】20

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020166580

(22)【出願日】2020-09-30

(71)【出願人】

【識別番号】301021533

【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所

(71)【出願人】

【識別番号】000232243

【氏名又は名称】日本電気硝子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100082072

【弁理士】

【氏名又は名称】清原 義博

(72)【発明者】

【氏名】坂本 太地

(72)【発明者】

【氏名】池内 勇太

(72)【発明者】

【氏名】向井 孝志

(72)【発明者】

【氏名】妹尾 博

(72)【発明者】

【氏名】田中 秀明

(72)【発明者】

【氏名】柳田 昌宏

(72)【発明者】

【氏名】山内 英郎

(72)【発明者】

【氏名】池尻 純一

(72)【発明者】

【氏名】角田 啓

(72)【発明者】

【氏名】田中 歩

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 史雄

【テーマコード（参考）】

5H017

5H029

5H050

【Ｆターム（参考）】

5H017AA03

5H017AA04

5H017AS02

5H017CC05

5H029AJ05

5H029AJ12

5H029AK01

5H029AK02

5H029AK04

5H029AL01

5H029AL02

5H029AL04

5H029AL13

5H029AM12

5H029AM16

5H029DJ07

5H029DJ08

5H029DJ14

5H029EJ11

5H029EJ12

5H029HJ01

5H029HJ02

5H029HJ04

5H029HJ05

5H029HJ06

5H029HJ08

5H029HJ09

5H050AA07

5H050AA15

5H050BA17

5H050CA01

5H050CA02

5H050CA11

5H050CB01

5H050CB02

5H050CB05

5H050CB12

5H050DA04

5H050DA09

5H050DA10

5H050EA02

5H050EA08

5H050EA21

5H050EA23

5H050FA09

5H050FA13

5H050HA01

5H050HA02

5H050HA04

5H050HA05

5H050HA06

5H050HA08

5H050HA09

(57)【要約】

【課題】室温環境で、電池として機能し、かつ過充電でシャットダウン可能な、全固体ナトリウム蓄電池を提供する。
【解決手段】有機固体電解質が、電極合材と無機固体電解質との間に介在して構成される全固体ナトリウム蓄電池。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

有機固体電解質が、電極合材と無機固体電解質との間に介在して構成される全固体ナトリウム蓄電池。

【請求項2】

前記有機固体電解質がポリエチレングリコール又はポリエチレンオキシドを含む、請求項１に記載の全固体ナトリウム蓄電池。

【請求項3】

前記有機固体電解質が、さらにナトリウム塩を含み、
該有機固体電解質の重量を１とした場合、ナトリウム塩が０．１～１．５の範囲内である、請求項１又は２に記載の全固体ナトリウム蓄電池。

【請求項4】

前記有機固体電解質の厚さが、０．１μｍ～５００μｍの範囲内である、
請求項１乃至３いずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池。

【請求項5】

前記無機固体電解質が、厚さ１ｍｍ以下、空隙率２０％以下の硫化物系、酸化物系、又は水素化物系の固体電解質である、
請求項１乃至４のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池。

【請求項6】

前記無機固体電解質が、ナトリウムを含んだ酸化アルミニウムである、
請求項１乃至５のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池。

【請求項7】

前記無機固体電解質が、密度２．７ｇ／ｃｃ～３．５ｇ／ｃｃの範囲内である、
請求項１乃至６のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池。

【請求項8】

前記電極合材が、ポリリン酸遷移金属酸化物を含み、
該ポリリン酸遷移金属酸化物は、一般式Ｎａ_ａＭ_ｂＰ_ｃＯ_ｄで表される結晶であり、
Ｍが、Ｆｅ，Ｍｎ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｖから選択される少なくともいずれか１種であり、ａ、ｂ及びｃが、０．０＜ａ≦３．５，ｂ＝１，１．０≦ｃ≦３．０，３．０≦ｄ≦３０であることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池。

【請求項9】

前記電極合材が、粒径０．１μｍ～１００μｍの範囲内の個の粒子が複数連結した活物質クラスターを形成している、
請求項１乃至８のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池。

【請求項10】

前記電極合材が、活物質の他、エチレンカーボネート、ポリエチレンカーボネート、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキシドから選択される少なくとも１種のイオン伝導助剤を含有する、請求項１乃至９のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池。

【請求項11】

前記電極合材が、金属、炭素材料、導電性高分子、導電性ガラスから選択される少なくとも１種の導電助剤を含有する、請求項1乃至１０に記載の全固体ナトリウム蓄電池。

【請求項12】

前記導電助剤が、粉末のカーボン、繊維状のカーボン、フレーク状のカーボンから選択される少なくとも1種である請求項１１に記載の全固体ナトリウム蓄電池。

【請求項13】

前記電極合材が、有機固体電解質を除いた場合、空隙率が５％～５０％の範囲内の多孔質である、
請求項１乃至１２のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池。

【請求項14】

前記電極合材が、有機固体電解質を除いた場合、孔径０．１μｍ～１００μｍの多孔質である、
請求項１乃至１３のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池。

【請求項15】

前記電極合材が、粒径０．１μｍ～１００μｍの無機固体電解質粉末を含む、
請求項１乃至１４のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池。

【請求項16】

前記電極合材が、樹脂系バインダを含まない、
請求項１乃至１５のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池。

【請求項17】

前記全固体ナトリウム蓄電池が、対極にナトリウム金属、ナトリウム合金またはナトリウムイオン吸蔵材料を用いた、
請求項１乃至１６のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池。

【請求項18】

前記電極合材と、電子伝導性を有する集電体とが電気的に接触した構造である全固体ナトリウム蓄電池であって、
該集電体が、貫通孔を有する金属または非貫通の金属からなる、
請求項１乃至１７のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池。

【請求項19】

請求項１乃至１８のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池からなる、組電池。

【請求項20】

請求項１乃至１８のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池を備える、電気機器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、全固体ナトリウム蓄電池及びこの蓄電池からなる組電池並びにこの蓄電池を備えた電気機器に関する。

【背景技術】

【0002】

高エネルギー密度を有する蓄電池（二次電池）の利用分野は、スマートフォンやタブレット端末などの携帯機器用電源から、近年では電気自動車や電力貯蔵用等へと拡大している。特に、自動車メーカーでは、世界的に自動車排ガスや二酸化炭素（ＣＯ_２）の削減を目的とした環境規制に対応するために、クリーン自動車（電気自動車やプラグインハイブリッド自動車等）の開発と商品化が活発に進められている。

【0003】

また、風力・太陽光などの再生可能エネルギーでは、発電量が環境の影響で大きく変動するため、大型の蓄電システムが必要となる。最近では、再生可能エネルギーによる発電コストが、石炭火力発電と比べて半分以下となり、発電量シェアが拡大している。今後の普及を鑑みると、電池生産量の向上が求められる。

【0004】

蓄電池は、省エネや新エネルギーの導入またはクリーン自動車等において不可欠であり、各国の経済成長の観点からも重要なキーデバイスとして位置付けされる。

【0005】

リチウムイオン電池をはじめとする現行の蓄電池は、電子機器産業や自動車産業などを牽引してきたが、電池の用途によっては、温度特性や安全性確保などの不十分さが本格普及を遅らせている。そのため、電池の高性能化と高安全性を両立しつつ、用途に応じた新しい電池の開発が望まれる。また、レアメタルや産出地域が偏在する資源については、市場価格の乱高下や、入手困難になる危険性などを鑑みたリスクマネジメントが重要になる。様々な切り口からレアメタルのリサイクル技術の開発が進展しているものの、安価で入手しやすく、産出地が偏在していない材料で構成された電池の開発が求められている（非特許文献１及び非特許文献２参照）。

【0006】

現在、このような課題を解決できる電池系としてナトリウムイオン電池や全固体電池の開発が進展している。

【0007】

ナトリウムは、海水中に豊富に含まれており、地殻中においては６番目に存在する元素で、安価で入手しやすく、産出地がリチウムのように偏在していない。このため、資源の調達リスクが低減し、電池の低コスト化が期待される。

【0008】

近年のレアメタルフリーの流れからも非常に魅力的な元素であるが、リチウムと比べて酸化還元電位が０．３Ｖほど高くなり、イオン体積が２倍以上、原子量が約３．３倍になる。単に従来のリチウムイオン電池のイオン種をナトリウムイオンに置き換えただけでは十分な電気容量とサイクル特性が得られにくい。

【0009】

その他、ナトリウムを用いる電池系として、ナトリウム－硫黄電池とナトリウム－金属塩化物電池がある。ナトリウム－硫黄電池では、固体電解質としてβ－アルミナやβ’’－アルミナなどのナトリウムを含んだ酸化アルミニウムを、負極活物質としてナトリウム、正極活物質として硫黄を用いて構成される。

【0010】

ナトリウム－金属塩化物電池では、固体電解質と負極活物質は同じであるが、正極活物質としてＮａＡｌＣｌ_４、ＮｉＣｌ_２、ＦｅＣｌ_２、ＣｏＣｌ_２、ＣｒＣｌ_２などの金属塩化物が用いられる。

【0011】

ナトリウム－硫黄電池やナトリウム－金属塩化物電池は、電解質溶媒は不要であるものの、リチウムイオン電池やナトリウムイオン電池とは異なり、常温では作動しない。このため、外部からの熱源等により、電池の温度を２５０～３５０℃に維持し、負極活物質と正極活物質を溶融状態にして、固体電解質のイオン伝導性を向上させている。

【0012】

一方、全固体電池とは、固体電解質を用いた電池系である。この固体電解質が、正極と負極との間のイオン伝導を担うため、全固体電池は、ナトリウムイオン電池（電解液を使うナトリウム蓄電池）が必要としていた有機溶媒を使うことなく生産できる。例えば、ナトリウムイオン電池は、電解液として専ら六フッ化リン酸ナトリウム（ＮａＰＦ_６）塩を用いてきたが、電池の充放電でナトリウムイオン（Ｎａ^＋）の他、ヘキサフルオロリン酸イオン（ＰＦ_６ ^－）も動くため、ナトリウムイオンの輸率を1にすることが困難とされていた。

【0013】

しかし、無機系固体電解質は濃度分極が起こらず、ナトリウムイオンの輸率がほぼ1になる。全固体電池は、適切な電位窓の電解質を選択すれば、活物質の溶解反応や、電気分解によるガス発生、電解液分解物の析出などの副反応を抑制することができる。また、全固体電池は、ガスや液の引火、液漏れなどが起こりにくくなり、安全性と信頼性に優れた蓄電池になると期待される。

【0014】

全固体ナトリウム蓄電池は、従来の蓄電池と同様に、正極、負極及び電解質から構成されるが、電解質は固体で、かつナトリウムイオン伝導性を有する必要がある。

【0015】

正極と負極は、充放電に伴いナトリウムイオンを吸蔵または合金化することが可能な活物質と、固体電解質とから構成される。例えば、正極に用いられる活物質としては、ＴｉＳ_２（例えば、非特許文献３参照）やＮａＭＯ_２（以下、ＭはＣｏ，Ｎｉ，Ｍｎ，またはＦｅである）（例えば、非特許文献４～６参照）、Ｎａ_２ＭｎＯ_３－ＮａＭＯ_２（例えば、特許文献１参照）、ＮａＭＰ_２Ｏ_７（例えば、特許文献２参照）などの材料が知られている。負極に用いられる活物質としては、ハードカーボン（例えば、特許文献３参照）、ソフトカーボン（例えば、特許文献４参照）、スズやアンチモンなどの単体または化合物（例えば、特許文献５，特許文献６参照）、ナトリウム金属などが知られている。

【0016】

これまでの精力的な研究開発によって、高いイオン伝導性を示す様々な固体電解質が見出されている（例えば、特許文献７～１０参照）。それらの多くはナトリウム塩と無機誘導体から構成される非晶質や結晶質である。しかし、これらは粉末状やシート状の材料であり、また水との反応性に富む性質を有する材料が多いため、従来の電池生産手法をそのまま適用することができない。具体的には、全固体ナトリウム蓄電池では、液式のナトリウムイオン電池と異なり、電解質を電極の活物質層に浸透させてイオン伝導経路を構築することが難しい。このため、固体電解質を活物質層に含有させて、固体電解質と活物質の固体粒子間のイオン伝導性を高める必要がある。

【0017】

例えば、特許文献１１、特許文献１２および非特許文献７には、活物質前駆体粉末と固体電解質粉末とを含有する電極合材前駆体（活物質層前駆体）を作製し、これを焼成することにより、活物質と固体電解質とからなる電極合材（活物質層）またはこれを用いた全固体ナトリウム蓄電池が提案されている。例えば、活物質前駆体として、Ｎａ_２ＦｅＰ_２Ｏ_７結晶化ガラスが用いられている。ガラスや結晶化ガラスは、焼成（熱処理）によって結晶化するが、この過程で軟化流動を起こす。このため、加圧することなく、焼成のみで固体電解質粉末と一体化させることができる。

【0018】

また、特許文献１１、特許文献１２および非特許文献７によれば、固体電解質層の一方の表面に、該電極合材前駆体を塗布後、４００℃以上で焼成することで、固体電解質層の一方の表面に電極合材を形成している。

【0019】

しかし、固体電解質には電子伝導性がないため、電極の電子伝導性とイオン伝導性の両方を確保することが困難である。これに対して、導電助剤を含ませることが考えられるものの導電助剤の含有量が多すぎると、電極合材の単位質量あたりの活物質量が減少するため、充放電容量が低下する傾向にある。また、焼結が阻害されることにより、イオン伝導パスが切断され、充放電容量や放電電圧の低下が懸念（示唆）される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0020】

【特許文献1】特開２０１４－２２９４５２号公報

【特許文献2】特開２０１８－３２５３６号公報

【特許文献3】国際公開第２０１０／１０９８８９号公報

【特許文献4】特開２０１３－１７１７９８号公報

【特許文献5】国際公開第２０１３／０６５７８７号公報

【特許文献6】特開２０１５－２８９２２号公報

【特許文献7】特開２０１０－１５７８２号公報

【特許文献8】特開２０１７－３７７６９号公報

【特許文献9】特開２０１９－５７４９５号公報

【特許文献10】特開２０１９－５７４９６号公報

【特許文献11】特開２０１８－１８５７８号公報

【特許文献12】特開２０１６－４２４５３号公報

【非特許文献】

【0021】

【非特許文献1】向井孝志：車載テクノロジー，５（４），１９－２４（２０１８）

【非特許文献2】向井孝志：「リチウムイオン電池－性能向上への開発と車載用ＬＩＢ業界動向－」，第１部第６章，サイエンス＆テクノロジー，ｐｐ．９１－９４（２０１９）

【非特許文献3】Ｇ．Ｈ．Ｎｅｗｍａｎ，Ｌ．Ｐ．Ｋｌｅｍａｎｎ：Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１２７，２０９７－２０９９（１９８０）

【非特許文献4】Ｊ．－Ｊ．Ｂｒａｃｏｎｎｉｅｒ，Ｃ．Ｄｅｌｍａｓ，Ｃ．Ｆｏｕａｓｓｉｅｒ，Ｐ．Ｈａｇｅｎｍｕｌｌｅｒ：Ｍａｔ．Ｒｅｓ．Ｂｕｌｌ．，１５，１７９７－１８０４（１９８０）

【非特許文献5】Ｓ．Ｏｋａｄａ，Ｙ．Ｔａｋａｈａｓｈｉ，Ｔ．Ｋｉｙａｂｕ，Ｔ．Ｄｏｉ，Ｊ．Ｙａｍａｋｉ，Ｔ．Ｎｉｓｈｉｄａ：ＥＣＳ Ｍｅｅｔｉｎｇ Ａｂｓｔｒ．，６０２，２０１（２００６）

【非特許文献6】Ｎ．Ｙａｂｕｕｃｈｉ，Ｍ．Ｋａｊｉｙａｍａ，Ｊ．Ｉｗａｔａｔｅ，Ｈ．Ｎｉｓｈｉｋａｗａ，Ｓ．Ｈｉｔｏｍｉ，Ｒ．Ｏｋｕｙａｍａ，Ｒ．Ｕｓｕｉ，Ｙ．Ｙａｍａｄａ，Ｓ．Ｋｏｍａｂａ：Ｎａｔ． Ｍａｔｅｒ．，１１，５１２－５１７（２０１２）

【非特許文献7】Ｈ．Ｙａｍａｕｃｈｉ，Ｊ．Ｉｋｅｊｉｒｉ，Ｆ．Ｓａｔｏ，Ｈ．Ｏｓｈｉｔａ，Ｔ．Ｈｏｎｍａ，Ｔ．Ｋｏｍａｔｓｕ：Ｊ．Ａｍ．Ｃｅｒａｍ．Ｓｏｃ．， １０２（１１），６６５８－６６６７（２０１９）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0022】

上述したように、全固体ナトリウム蓄電池の高性能化には、電極の電子伝導性を確保しつつ、固体電解質と活物質の固体粒子間のイオン伝導性を高める技術が重要である。

【0023】

本発明者らは、特許文献１１、特許文献１２および非特許文献７に記載されているように、活物質前駆体粉末と固体電解質粉末からなる電極合材前駆体（電極活物質層前駆体）を、プレス成形あるいは、さらに溶媒を加えスラリー（ペースト）状にし、これを焼成することにより、活物質と固体電解質を一体化させる技術に注目した。

【0024】

電池の高性能化として固体電解質層表面の単位面積あたりに形成される正極の高容量化を図るため、固体電解質層表面の単位面積あたりに形成する電極合材の塗布量を多くし電極活物質を高担持量化する必要がある。しかし、本発明者らは特許文献１１および特許文献１２に記載されているように、活物質前駆体と固体電解質からなる混合物を高担持量化のため電解質表面に厚塗りし焼成すると、電極合材層のみ焼結し収縮するため電解質から剥離し電池として作動しないという課題を見出した。

【0025】

上記の通り、本発明者らは、当初、無機固体電解質の表面に電極合材を直接形成して全固体ナトリウム蓄電池の高性能化について鋭意検討を重ねたが、無機固体電解質表面に直接電極を形成し一体化する場合、現状では電池抵抗が高く、単位面積当たりの高容量化には限界があった。そこで、本発明者らは、無機固体電解質の表面に電極合材を直接形成するのではなく、電極合材と無機固体電解質をそれぞれの別の部材として用い、電池形成できるように研究を重ね、本発明を完成するに至った。本発明は、上述した従来技術の課題（問題点）や、本発明者らが新たに発見した課題を解決することができる。

【課題を解決するための手段】

【0026】

前記した本発明の課題（目的）は、以下に掲げる請求項１乃至請求項２９によって解決される。

【0027】

本発明の請求項１は、有機固体電解質が、電極合材と無機固体電解質との間に介在して構成される全固体ナトリウム蓄電池に関する。

【0028】

本発明の請求項２は、該有機固体電解質がポリエチレングリコール又はポリエチレンオキシドを含む、請求項１に記載の全固体ナトリウム蓄電池に関する。

【0029】

本発明の請求項３は、前記有機固体電解質が、さらにナトリウム塩を含み、該有機固体電解質の重量を１とした場合、ナトリウム塩が０．１～１．５の範囲内である、請求項１又は２に記載の全固体ナトリウム蓄電池に関する。

【0030】

本発明の請求項４は、前記有機固体電解質の厚さが、０．１μm～５００μｍの範囲内である、請求項１乃至３いずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池に関する。

【0031】

本発明の請求項５は、前記無機固体電解質が、厚さ１ｍｍ以下、空隙率２０％以下の硫化物系、酸化物系、又は水素化物系の固体電解質である、請求項１乃至４のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池に関する。

【0032】

本発明の請求項６は、前記無機固体電解質が、ナトリウムを含んだ酸化アルミニウムである、請求項１乃至５のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池に関する。

【0033】

本発明の請求項７は、前記無機固体電解質が、密度２．７ｇ／ｃｃ～３．５ｇ／ｃｃの範囲内である、請求項１乃至６のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池に関する。

【0034】

本発明の請求項８は、前記電極合材が、ポリリン酸遷移金属酸化物を含み、該ポリリン酸遷移金属酸化物は、一般式Ｎａ_ａＭ_ｂＰ_ｃＯ_ｄで表される結晶であり、Ｍが、Ｆｅ，Ｍｎ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｖから選択される少なくともいずれか１種であり、ａ、ｂ及びｃが、０．０＜ａ≦３．５，ｂ＝１，１．０≦ｃ≦３．０，３．０≦ｄ≦３０であることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池に関する。

【0035】

本発明の請求項９は、前記電極合材が、粒径０．１μｍ～１００μｍの範囲内の個の粒子が複数連結した活物質クラスターを形成している、請求項１乃至８のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池に関する。

【0036】

本発明の請求項１０は、前記電極合材が、活物質の他、エチレンカーボネート、ポリエチレンカーボネート、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキシドから選択される少なくとも１種のイオン伝導助剤を含有する、請求項１乃至９のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池に関する。

【0037】

本発明の請求項１１は、前記電極合材が、金属、炭素材料、導電性高分子、導電性ガラスから選択される少なくとも１種の導電助剤を含有する、請求項１０に記載の全固体ナトリウム蓄電池に関する。

【0038】

本発明の請求項１２は、前記導電助剤が、粉末のカーボン、繊維状のカーボン、フレーク状のカーボンから選択される少なくとも1種である請求項１１記載の全固体ナトリウム蓄電池に関する。

【0039】

本発明の請求項１３は、前記電極合材が、有機固体電解質を除いた場合、空隙率が５％～５０％の範囲内の多孔質である請求項１乃至１２のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池に関する。

【0040】

本発明の請求項１４は、前記電極合材が、有機固体電解質を除いた場合、孔径０．１μｍ～１００μｍの多孔質である、請求項１乃至１３のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池に関する。

【0041】

本発明の請求項１５は、前記電極合材が、粒径０．１μｍ～１００μｍの無機固体電解質粉末を含む、請求項１乃至１４のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池に関する。

【0042】

本発明の請求項１６は、前記電極合材が、樹脂系バインダを含まない、請求項１乃至１５のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池に関する。

【0043】

本発明の請求項１７は、前記全固体ナトリウム蓄電池が、対極にナトリウム金属、ナトリウム合金またはナトリウムイオン吸蔵材料を用いた、請求項１乃至１６のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池に関する。

【0044】

本発明の請求項１８は、前記電極合材と、電子伝導性を有する集電体と電気的に接触した構造である全固体ナトリウム蓄電池であって、該集電体が、貫通孔を有する金属または非貫通の金属とからなる、請求項１乃至１７のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池に関する。

【0045】

本発明の請求項１９は、請求項１乃至１８に記載の全固体ナトリウム蓄電池からなる、組電池に関する。

【0046】

本発明の請求項２０は、請求項１乃至１８に記載の全固体ナトリウム蓄電池を備える、電気機器に関する。

【発明の効果】

【0047】

本発明の請求項１の全固体ナトリウム蓄電池によれば、有機固体電解質が、電極合材と無機固体電解質との間に介在して構成されたため、優れた充放電サイクル特性を発揮し、かつ過充電でシャットダウンすることができる蓄電池を実現することができる。

【0048】

本発明の請求項２によれば、該有機固体電解質がポリエチレングリコール又はポリエチレンオキシドを含むため、固体電解質としての機能と、電極合材と無機固体電解質を結合させる粘着剤としての機能を実現することができる。

【0049】

本発明の請求項３によれば、前記有機固体電解質が、さらにナトリウム塩を含み、該有機固体電解質の重量を１とした場合、ナトリウム塩が０．１～１．５の範囲内であるため、電極と固体電解質との接着作用でイオン伝導性が保持でき、電池の充放電サイクル特性が得られる。

【0050】

本発明の請求項４によれば、前記有機固体電解質の厚さが、０．１μm～５００μｍの範囲内であるため、イオン伝導性に優れ、電池のエネルギー密度が高くなる。

【0051】

本発明の請求項５によれば、前記無機固体電解質が、厚さ１ｍｍ以下、空隙率２０％以下の硫化物系、酸化物系、又は水素化物系の固体電解質であるため、電池のエネルギー密度が高くなり、且つイオン伝導性が保持される。

【0052】

本発明の請求項６によれば、前記無機固体電解質が、ナトリウムを含んだ酸化アルミニウムであるため、優れた電気絶縁性と優れた耐熱性が得られる。

【0053】

本発明の請求項７によれば、前記無機固体電解質が、密度２．７ｇ／ｃｃ～３．５ｇ／ｃｃの範囲内であるため、イオン伝導性が良好で、充電時に微小短絡が起こりにくい。

【0054】

本発明の請求項８によれば、前記電極合材が、ポリリン酸遷移金属酸化物を含み、該ポリリン酸遷移金属酸化物は、一般式Ｎａ_ａＭ_ｂＰ_ｃＯ_ｄで表される結晶であり、Ｍが、Ｆｅ，Ｍｎ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｖから選択される少なくともいずれか１種であり、ａ、ｂ及びｃが、０．０＜ａ≦３．５，ｂ＝１，１．０≦ｃ≦３．０，３．０≦ｄ≦３０であるため、ポリリン酸遷移金属酸化物が活物質として機能するので、イオン伝導性、充放電容量、出力特性を高くすることができる。

【0055】

本発明の請求項９によれば、前記電極合材が、粒径０．１μｍ～１００μｍの範囲内の個の粒子が複数連結した活物質クラスターを形成しているため、実用的なエネルギー密度が得られる。

【0056】

本発明の請求項１０によれば、前記電極合材が、活物質の他、エチレンカーボネート、ポリエチレンカーボネート、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキシドから選択される少なくとも１種のイオン伝導助剤を含有するため、電極合材のイオン的抵抗を小さくすることができる。

【0057】

本発明の請求項１１によれば、前記電極合材が、金属、炭素材料、導電性高分子、導電性ガラスから選択される少なくとも１種の導電助剤を含有するため、高い電子伝導性が得られる。

【0058】

本発明の請求項１２によれば、前記導電助剤が、粉末のカーボン、繊維状のカーボン、フレーク状のカーボンから選択される少なくとも1種であるため、高い電子伝導性が得られる。

【0059】

本発明の請求項１３によれば、前記電極合材が、有機固体電解質を除いた場合、空隙率が５％～５０％の範囲内の多孔質であるため、優れた導電性が得られる。

【0060】

本発明の請求項１４によれば、前記電極合材が、有機固体電解質を除いた場合、孔径０．１μｍ～１００μｍの多孔質であるため、優れた導電性が得られる。

【0061】

本発明の請求項１５によれば、前記電極合材が、粒径０．１μｍ～１００μｍの無機固体電解質粉末を含むため、優れた導電性が得られる。

【0062】

本発明の請求項１６によれば、前記電極合材が、樹脂系バインダを含まないため、イオン伝導性が高くなり、電極へ悪影響を及ぼさない。

【0063】

本発明の請求項１７によれば、前記全固体ナトリウム蓄電池が、対極にナトリウム金属、ナトリウム合金またはナトリウムイオン吸蔵材料を用いたため、高電圧・高容量の電池が得られる。

【0064】

本発明の請求項１８によれば、前記電極合材と、電子伝導性を有する集電体と電気的に接触した構造である全固体ナトリウム蓄電池であって、該集電体が、貫通孔を有する金属または非貫通の金属とからなるため、電源から集電できるため出力特性（急速充放電特性）が向上する。

【0065】

本発明の請求項１９に係る組電池によれば、請求項１乃至１８のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池からなるため、高い電圧が得られる。

【0066】

本発明の請求項２０によれば、請求項１乃至１８のいずれかに記載の全固体ナトリウム蓄電池を備えるため、汎用性が高い、小型かつ高容量の電気機器が実現する。

【図面の簡単な説明】

【0067】

【図1】本発明に係る全固体ナトリウム蓄電池の断面概念を示す図である。

【図2】本発明に係るバイポーラ構造の全固体ナトリウム蓄電池の断面概念を示す図である。

【図3】実施例３および比較例２の充電曲線を比較した図である。

【発明を実施するための形態】

【0068】

本発明の一実施形態にかかる全固体ナトリウム蓄電池について以下に詳述する。

【0069】

前記した目的を達成するために、本発明に係る全固体ナトリウム蓄電池１は、図１に示すように、有機固体電解質３が、電極合材２（活物質層）と無機固体電解質４との間に介在して構成される全固体ナトリウム蓄電池であることを特徴とする。本構成によれば、電圧印加することで、有機固体電解質３が、電極合材２と無機固体電解質４を介してナトリウムイオンを移動させることができる。

【0070】

本発明に係る全固体ナトリウム蓄電池は、該有機固体電解質が、エチレングリコールが重合したポリエーテルまたはその誘導体であり、具体的には、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）又はポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）を含んで構成されることが好ましい。該ＰＥＧ又は該ＰＥＯは、固体電解質としての機能の他、電極合材と無機固体電解質を結合させる粘着剤としての機能を有する。

【0071】

上記ＰＥＧまたは上記ＰＥＯには、硫黄化合物官能基、窒素化合物官能基、リン化合物官能基、またはアクリレート官能基などが含まれていても構わない。

【0072】

上記ＰＥＧまたは上記ＰＥＯは、電極合材と無機固体電解質を結合させる粘着剤としての機能が高い観点から、重量平均分子量（Ｍｗ）１０００以上１００万以下のエチレングリコールが重合したポリエーテルまたはその誘導体であることが好ましい。なお、有機固体電解質としてその他の物質、例えばエチレンカーボネート（ＥＣ）等を使用することも可能であるが、ＰＥＧ又はＰＥＯが粘着剤としての機能に優れるため好ましい。

【0073】

特に、被着体である電極合材や無機固体電解質が、表面に凹凸の形状を有する場合や、空隙を有する場合では、上記有機固体電解質が被着体の凹凸や空隙に食い込み、電極合材と無機固体電解質との接触面積を向上させるため、電池のイオン的抵抗が低下するので好ましい。

【0074】

上記有機固体電解質を、液化させ、電極合材又は（／及び）無機固体電解質に塗布することが好ましい。また、上記有機電解質は不燃性イオン液体であってもかまわない。有機固体電解質は、有機溶媒で対象材料を溶解することで液化可能である。この有機溶媒は、対象材料を溶解できる溶媒であれば特に限定されないが、鎖状炭化水素溶媒や環状炭化水素溶媒などの溶媒が挙げられる。鎖状炭化水素溶媒としては、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、過炭酸ｔｅｒｔ－ブチルイソプロピル、ジクロロメタン、ニトリル系、アルコール系などが、環状炭化水素溶媒としては、Ｎ－メチル－２－ピロリドン（ＮＭＰ）、亜硫酸エチレン、ビニルエチレンカーボネート（ＶＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、１，３－ジオキサン－２－オン、ベンゼン、ラクトン系などが挙げられる。

【0075】

不燃性イオン液体は、イオン伝導性を有していれば特に限定されないが、例えば、カチオンの種類で、ピリジン系、脂環族アミン系、脂肪族アミン系などの不燃性イオン液体が挙げられる。これに組み合わせるアニオンの種類を選択することで、多様な不燃性イオン性液体を合成できる。カチオンには、イミダゾリウム塩類、ピリジニウム塩類、ホスホニウム系イオン、無機系イオンなど、アニオンの採用例としては、臭化物イオンやトリフラート、テトラフェニルボレート、ヘキサフルオロホスフェートなどがある。

【0076】

不燃性イオン性液体は、例えば、イミダゾリニウム等のカチオンと、Ｂｒ^－、Ｃｌ^－、ＢＦ₄ ^－、ＰＦ₆ ^－、（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂Ｎ^－、ＣＦ₃ＳＯ₃ ^－、ＦｅＣｌ₄ ^－等のアニオンと組み合わせて構成するような公知の合成方法で得ることができる。このような不燃性イオン性液体であれば、電解質として機能することができる。

【0077】

電池を組み立てる際は、上記の有機溶媒は多少混在しても電池として動作可能であるが、有機溶媒の揮発による電池の膨張を抑制できるため、減圧や加熱処理することによって十分に除去されていることが好ましい。除去方法としては特に限定されないが、例えば、リチウムイオン電池に用いられる電極用スラリーの乾燥方法を採用することができる。

【0078】

被着体である電極合材や無機固体電解質が、多孔質である場合では、上記有機固体電解質が被着体表面の孔から流れ込むため、電池のイオン伝導に由来する抵抗（イオン的抵抗）を大きく低下させることができる。

【0079】

上記有機固体電解質は、電池を過充電した際には、該ＰＥＧ又は該ＰＥＯが酸化分解され、電池の電圧上昇を抑制するとともに、粘着剤としての機能を消失させるため、電極合材と無機固体電解質とを引き離して電池のインピーダンスを上昇させるシャットダウン機能を兼ね備える。

【0080】

電極合材と固体電解質を強く結合させるという観点からは、該ＰＥＧまたは該ＰＥＯの分子量は、高いほど好ましいが、重量平均分子量が１００万を超える場合では、粘度が高くなり過ぎて、取り扱いが困難となるばかりか、後述するナトリウム塩を含ませた場合に、イオン伝導性が低くなる。逆に、重量平均分子量１０００未満では、接着性に乏しく、電池に振動や衝撃を与えた際に、電極合材と無機固体電解質との界面が破壊され、電池のインピーダンスを上昇させる要因になりやすい。

【0081】

低い分子量では吸湿性を示し、乾燥工程に時間がかかる。そのため、重量平均分子量は１００万を上限として、１０００以上が好ましく、２５００以上がさらに好ましい。なお、これらは架橋物であっても非架橋物であってもかまわない。

【0082】

なお、重量平均分子量は、例えば、液体クロマトグラフィーを使用し、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー（Gel Permeation Chromatography (ＧＰＣ)）法によって測定して求めることができる。

【0083】

上記有機固体電解質は、イオン伝導性が高くなるという観点から、さらにナトリウム塩を含むことが好ましい。

【0084】

ナトリウム塩は、有機固体電解質の重量を１とした場合、０．１以上であることが好ましく、０．３以上がより好ましく、０．４以上がさらに好ましい。ただし、ナトリウム塩の含有量が多すぎる場合、有機固体電解質の粘度が上昇し、電極合材と固体電解質との接着作用が低下するため、１．５以下にすることが好ましく、１．２以下がより好ましく、０．７以下がさらに好ましい。接着作用の低い有機固体電解質では、電池の充放電サイクル特性が悪くなる。

【0085】

ナトリウム塩は、六フッ化リン酸ナトリウム（ＮａＰＦ_６）、過塩素酸ナトリウム（ＮａＣｌＯ_４）、テトラフルオロホウ酸ナトリウム（ＮａＢＦ_４）、トリフルオロメタンスルホン酸ナトリウム（ＮａＣＦ_３ＳＯ_４）、ナトリウムビスオキサレートボレート（ＮａＢＣ_４Ｏ_８）、ジフルオロリン酸ナトリウム（Ｆ_２ＮａＯ_２Ｐ）、ビス－フルオロスルホニルイミドナトリウム（Ｆ_２ＮａＮＯ_４Ｓ_２）、ジフルオロホウ酸ナトリウム（ＮａＢＦ_２Ｏ）、などからなる群より選択される少なくとも一種を用いることができる。上記ナトリウム塩のうち、特に電気的陰性度が高く、イオン化しやすいことから、ＮａＰＦ_６が好ましい。ＮａＰＦ_６を含有した有機固体電解質であれば、入出力特性と充放電サイクル特性に優れる。

【0086】

上記有機固体電解質は、イオン伝導性に優れ、電池のエネルギー密度が高くなるという観点から、その厚さが、０．１μm～５００μｍの範囲内であることが好ましく、０．２μｍ～１００μｍの範囲内がより好ましく、０．５μｍ～５０μｍがさらに好ましく、１μｍ～２０μｍが望ましい。あるいは、上記有機固体電解質は、単位面積当たりの質量が、０．１ｍｇ／ｃｍ^２～８００ｍｇ／ｃｍ^２の範囲内であることが好ましく、０．２ｍｇ／ｃｍ^２～５００ｍｇ／ｃｍ^２の範囲内がより好ましく、０．５ｍｇ／ｃｍ^２～１００ｍｇ／ｃｍ^２がさらに好ましく、１ｍｇ／ｃｍ^２～２０ｍｇ／ｃｍ^２が最も好ましい。

【0087】

無機固体電解質には、硫化物系、酸化物系、水素化物系などがあり、１種を単独で使用してもよく、２種以上を組み合わせて使用してもよい。このような無機固体電解質は、電池のエネルギー密度が高くなり、且つイオン伝導性が高くなるという観点から、厚さ１ｍｍ以下で、空隙率２０％以下であることが好ましい。

【0088】

硫化物系には、例えば、Ａ_４ＳｉＳ_４、Ａ_４ＧｅＳ_４、Ａ_３ＰＳ_４、Ａ_９．５４Ｓｉ_１．７４Ｐ_１．４４Ｓ_１１．７Ｃ_ｌ０．３、Ａ_１０ＧｅＰ_２Ｓ_１２、Ａ_３．２５Ｇｅ_０．２５Ｐ_０．７５Ｓ_４、Ａ_６ＰＳ_５Ｃｌ、Ａ_２Ｓ－Ｂ_２Ｓ_３・ＡＩ、Ａ_２Ｓ－Ｐ_２Ｓ_５－ＡＢＨ_４、Ａ_２Ｓ－ＳｉＳ_２・Ａ_４ＳｉＯ_４、Ａ_２Ｓ－Ｐ_２Ｓ_５、Ａ_７Ｐ_３Ｓ_１１、Ａ_３．２５Ｐ_０．９５Ｓ_４などが挙げられる（ＡはＮａまたは、Ｎａを含むその他アルカリ金属元素を示す）。

【0089】

酸化物系には、例えば、Ａ_１．３Ａｌ_０．３Ｔｉ_１．７（ＰＯ_４）_３、Ａ_０．３４Ｌａ_０．５１ＴｉＯ_２．９４、Ａ_７ＬａＺｒ_２Ｏ_１２、Ａ_４ＳｉＯ_４・Ａ_２ＢＯ_３、Ａ_３ＰＯ_４－Ａ_４ＳｉＯ_４、Ａ_３ＢＯ_３－Ａ_２ＳｉＯ_４、Ａ_３ＢＯ_３－Ａ_２ＳＯ_４、Ａ_２．９ＰＯ_３．３Ｎ_０．４６、Ａ_１．０７Ａｌ_０．６９Ｔｉ_１．４６（ＰＯ_４）_３、Ａ_３．３ＰＯ_３．８Ｎ_０．２２、Ａ_２．９ＰＯ_３．３Ｎ_０．４６（ＡはＮａまたは、Ｎａを含むその他アルカリ金属元素を示す）、ナトリウムを含んだ酸化アルミニウム、ＮＡＳＩＣＯＮ結晶（Ｎａ_１＋ｘＺｒ_２Ｓｉ_ｘＰ_３－ｘＯ_１２、０＜ｘ＜３）などが挙げられる。

【0090】

水素化物系には、例えば、ＡＢＨ_４、ＡＢＨ_４－ＡＩ、ＡＢＨ_４－ＡＢｒ、ＡＢＨ_４－ＡＦ、ＡＢＨ_４－ＡＣｌなどが挙げられる（Ａはアルカリ金属元素を示す）。

【0091】

上記無機固体電解質は、空隙率０％～２０％の範囲内であることが好ましい。すなわち、可能な限り緻密な無機固体電解質でよい。空隙率２０％以下にすることで、イオン伝導性を高くすることができる。逆に、空隙率２０％を超えるとイオン伝導性が乏しく、また充電時に微小短絡が起こりやすい。

【0092】

別の言い方をすれば、上記無機固体電解質は、密度２．７ｇ／ｃｃ～３．５ｇ／ｃｃの範囲内であることが好ましい。２．７ｇ／ｃｃ未満では、空隙が多すぎるためイオン伝導性に乏しく、また充電時に微小短絡が起こりやすい。

【0093】

しかし、空隙率０％の無機固体電解質の製造は、単結晶を用いるほか、現実的でない。このため、無機固体電解質の空隙には有機固体電解質を浸透させ、イオン伝導性をさらに向上させることが好ましい。ここで、無機固体電解質の密度が３．５ｇ／ｃｃを超える場合は、有機固体電解質が浸透しにくくなるため、３．５ｇ／ｃｃ以下であることが好ましい。

【0094】

上記の密度は、一定容積の容器に無機固体電解質を充填し、その内容積を体積とした際の密度であり、より正確には嵩（かさ）密度(Aerated Bulk Density)を意味している。

【0095】

形状については特に限定しないが、フィルム状、シート状、ペレット状、リボン状のいずれかに成型されていればよい。

【0096】

上記無機固体電解質は、水と接触した際に有毒なガスが発生しにくいという観点から、酸化物系であることが好ましい。中でも、電気絶縁性と耐熱性に優れることから、ナトリウムを含んだ酸化アルミニウムであることが好ましい。

【0097】

ナトリウムを含んだ酸化アルミニウムとは、一般式Ｎａ_２Ｏ－ｘＡｌ_２Ｏ_３（ｘ＝２～２０）で表される結晶やセラミックスで、アルミナブロックが作る二次元の層間にナトリウムイオンが分布した構造となる。アルミナブロックの重なり方で、β－アルミナ（Ｎａ_２Ｏ－１１Ａｌ_２Ｏ_３）とβ"－アルミナ（β－ダブルプライムアルミナ（Ｎａ_２Ｏ－５Ａｌ_２Ｏ_３））が知られているが、いずれにしても、アルミナブロックが作る二次元の層間をナトリウムイオンが移動するため、固体電解質として機能する。ナトリウムを含んだ酸化アルミニウムは、例えば、α－アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）と炭酸ナトリウムからなる混合体を、１１００℃～１５００℃で焼成することで合成できる。

【0098】

ナトリウムを含んだ酸化アルミニウムは、さらに、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｋ、Ｒｂ，Ｚｒ、Ｐｂ、Ｙ、Ａｇ、Ｔｌ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｆｅから選択される少なくとも１種の金属または酸化物を含有していることが好ましい。これらの含有量はナトリウムを含んだ酸化アルミニウムに対して５ｖｏｌ．％以下であることが好ましい。これにより、緻密なナトリウムを含んだ酸化アルミニウムが得られやすく、イオン伝導性がさらに向上させることができる。

【0099】

上記無機固体電解質は、電極合材に、粒径０．１μｍ～１００μｍの粉末として含んでも構わない。

【0100】

電極合材には正極合材（正極活物質層）と負極合材（負極活物質層）があるが、本発明においては、いずれの電極合材であっても、ポリリン酸遷移金属酸化物を含有していることが好ましい。特に、電極合材を正極合材として用いる場合では、ポリリン酸遷移金属酸化物が活物質として機能する。

【0101】

ポリリン酸遷移金属酸化物は、一般式Ｎａ_ａＭ_ｂＰ_ｃＯ_ｄで表される結晶であることが好ましい。

【0102】

ポリリン酸遷移金属酸化物のイオン伝導性、充放電容量または出力特性が高いという観点から、０．０＜ａ≦３．５，ｂ＝１，１．０≦ｃ≦３．０，３．０≦ｄ≦３０で、ＭがＦｅ，Ｍｎ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｖから選択される少なくともいずれか１種の元素であることが好ましい。

【0103】

具体的には、Ｎａ_２ＦｅＰ_２Ｏ_７、Ｎａ_３Ｆｅ_２（ＰＯ_４）_３、ＮａＦｅ_３Ｐ_３Ｏ_１２、Ｎａ_２Ｆｅ_３（ＰＯ_４）_３、Ｎａ_４Ｆｅ_３（ＰＯ_４）_２（Ｐ_２Ｏ_７）、Ｎａ_２ＭｎＰ_２Ｏ_７、Ｎａ_２ＣｏＰ_２Ｏ_７、Ｎａ_２ＮｉＰ_２Ｏ_７、Ｎａ_２Ｆｅ_０．５Ｍｎ_０．５Ｐ_２Ｏ_７、Ｎａ_３Ｖ_２（ＰＯ_４）_３、ＮａＶＯＰＯ_４、Ｎａ_９Ｖ_３（Ｐ_２Ｏ_７）_３（ＰＯ_４）_２、などが挙げられ、これらは一種または二種以上を用いてもよい。

【0104】

上記ポリリン酸遷移金属酸化物のうち、ポリリン酸遷移金属酸化物前駆体としてガラスまたは結晶化ガラスが合成しやすく、かつ７００℃以下での焼成（熱処理）過程で、軟化流動し、結晶化しやすいという特徴を有することから、０．０＜ａ≦３．０，ｂ＝１，１．１≦ｃ≦２．９，３．５≦ｄ≦１２がより好ましく、０．７≦ａ≦２．４，ｂ＝１，１．２≦ｃ≦２．８，４．０≦ｄ≦１１がさらに好ましく、１．７≦ａ≦２．３，ｂ＝１，１．４≦ｃ≦２．７，５．０≦ｄ≦１０が最も好ましい。

【0105】

ポリリン酸遷移金属酸化物は、上記材料のＮａサイトの一部にＬｉまたはＫが置換してもよく、Ｏサイト（８面体位置）やＰサイト（８面体位置）の一部にＦ、Ｃｌ、Ｓ、Ｂが置換した材料であってもよい。

【0106】

電極合材には、ポリリン酸遷移金属酸化物の他、さらに、ナトリウムイオン電池、ナトリウム金属電池、ナトリウム空気電池、ナトリウム－硫黄電池、ナトリウム－金属塩化物電池、全固体ナトリウム蓄電池などで用いられる活物質を含んでも構わない。すなわち、ポリリン酸遷移金属酸化物の他に、公知のナトリウム金属、公知のナトリウム合金または公知のナトリウムイオン吸蔵材料を含んでも構わない。

【0107】

電極合材を正極合材として用いる場合では、ポリリン酸遷移金属酸化物とさらに、他の正極活物質を含有させてもよい。正極活物質は、遷移金属酸化物系、硫黄系、固溶体系などを含む公知の材料が用いられる。電極合材を負極合材として用いる場合では、ポリリン酸遷移金属酸化物のみでは、実用的なエネルギー密度が得られないため、ポリリン酸遷移金属酸化物とさらに、他の負極活物質を含有させることが好ましい。負極活物質は、遷移金属酸化物系、硫黄系、ナトリウム金属、ナトリウムと合金化する材料、あるいはナトリウムイオンを可逆的に吸蔵・放出することが可能な材料などを含む公知の材料を含むことが好ましい。

【0108】

上記の電極活物質（正極活物質または負極活物質）は、形状として特に限定されないが、粒径０．１μｍ～１００μｍの範囲内の活物質の個の粒子が、結晶性のポリリン酸遷移金属酸化物で複数連結した構造であることが好ましい。すなわち、電極合材は、粒径０．１μｍ～１００μｍの範囲内の個の粒子が複数連結した活物質クラスターを形成していることが好ましい。

【0109】

ここで、粒径とは、レーザー回折・散乱式粒度分布測定法における体積基準での中央値であるメディアン径（Ｄ５０）を意味する。

【0110】

また、本発明に係る全固体ナトリウム蓄電池は、該電極合材が、活物質の他、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ポリエチレンカーボネート（ＰＥＣ）、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）から選択される少なくともいずれか１種を含有することが好ましい。

【0111】

電極合材に導電剤としてＥＣ、ＰＥＣ、ＰＥＧ、ＰＥＯから選択される少なくともいずれか１種を含有することで、電極合材のイオン的抵抗を小さくすることができるので好ましい。

【0112】

なお、電極合材に含まれる導電剤としてのＥＣ、ＰＥＣ、ＰＥＧ、ＰＥＯは、構造や性質を大幅に変えない程度の改変を行っても構わない（すなわち誘導体であってもかまわない）。

【0113】

電極合材の質量にもよるが、電極合材に含まれるＥＣ、ＰＥＣ、ＰＥＧ、ＰＥＯの量は、０．１ｍｇ／ｃｍ^２～５００ｍｇ／ｃｍ^２の範囲内であることが好ましく、０．２ｍｇ／ｃｍ^２～２５０ｍｇ／ｃｍ^２の範囲内がより好ましく、０．５ｍｇ／ｃｍ^２～１００ｍｇ／ｃｍ^２がさらに好ましい。

【0114】

本構成によれば、電極合材に含まれるＥＣ、ＰＥＣ、ＰＥＧ、ＰＥＯから選択される材料が、電極合材中のイオン伝導性を向上させる電解質として機能する。また、電極合材と無機固体電解質との間に介在する有機固体電解質が、電極合材と融着して一体化し、低いインピーダンスの電池となる。これにより、厚みの大きい電極合材を形成しても、室温環境で、高い放電容量を維持しつつ、優れた充放電サイクル特性を発揮できる全固体ナトリウム蓄電池が得られる。

【0115】

また、電池を過充電した際には、電極合材に含まれるＥＣ、ＰＥＣ、ＰＥＧ、ＰＥＯから選択される材料が、酸化分解され、電池の電圧上昇を抑制する機能を備える。

【0116】

電極合材に含まれるＥＣ、ＰＥＣ、ＰＥＧ、ＰＥＯから選択される材料のうち、電極合材の耐熱性に優れ、イオン伝導性が高く、かつ電極合材と無機固体電解質との間に介在する有機固体電解質と融着しやすいという観点から、ＰＥＣ、ＰＥＧ、ＰＥＯから選択される分子量５００以上の高分子材料が好ましく、より好ましくはＰＥＧ又はＰＥＯである。ただし、分子量が２０万を超える高分子材料では、粘度が高くなり過ぎて、後述する製造方法では電極合材に含有させることが困難となり、電極合材のイオン伝導性が低下する。なお、これらは架橋物であっても非架橋物であってもかまわない。

【0117】

また、電極合材には、導電助剤を含んでいることが好ましい。導電助剤は、電子伝導性を有していれば特に制限はなく、例えば、金属、炭素材料、導電性高分子、導電性ガラス等が挙げられるが、高い電子伝導性と小さな比重であるという観点から、カーボン材料が好ましい。具体的にはアセチレンブラック（ＡＢ）、ケッチェンブラック（ＫＢ）、ファーネスブラック（ＦＢ）、サーマルブラック、ランプブラック、チェンネルブラック、ローラーブラック、ディスクブラック、カーボンブラック（ＣＢ）、グラッシーカーボンなどが挙げられ、これらの一種又は二種以上を用いてもよい。

【0118】

上記の電極合材は、少なくともポリリン酸遷移金属酸化物を含む粉末を粉末成型金型に充填し、圧力を加えて成型されたペレット（錠剤）を不活性ガスあるいは還元性ガス雰囲気下で、４００℃～２０００℃の温度で焼成することで製造できる。

【0119】

しかし、ポリリン酸遷移金属酸化物粉末をペレット化させるには１００ＭＰａを超える高圧が必要となるため、大掛かりな圧力装置が必要になる。そこで、上記ポリリン酸遷移金属酸化物は、樹脂系バインダを被覆又は担持されていることが好ましい。ポリリン酸遷移金属酸化物の表面に樹脂系バインダを被覆又は担持させることで、１００ＭＰａ以下の圧力でペレット化させることが可能となる。

【0120】

このような粉末を用いて加圧成型することで、１ＭＰａ～１００ＭＰａの圧力で樹脂系バインダ同士が接着し、緻密なペレットが得られる。加圧成型での圧力が１ＭＰａ未満では、樹脂系バインダ同士が接着しにくい。一方、１００ＭＰａを超える圧力では装置が大掛かりとなる。

【0121】

得られたペレットは、さらに不活性ガスあるいは還元性ガス雰囲気下で、焼成することで、ポリリン酸遷移金属酸化物が軟化流動し一体化した電極合材が得られる。また同時に、樹脂系バインダを熱分解する。したがって、電極合材（焼成後のペレット）には、樹脂が含まれず、空隙率が５％～５０％の範囲内の多孔質の電極合材が得られる。

【0122】

ポリリン酸遷移金属酸化物の他、さらに、ナトリウムイオン電池、ナトリウム金属電池、ナトリウム空気電池、ナトリウム－硫黄電池、ナトリウム－金属塩化物電池、全固体ナトリウム蓄電池などで用いられる活物質を含んで構成される電極合材では、ポリリン酸遷移金属酸化物だけでなく、これらの活物質においても樹脂系バインダを被覆又は担持させることが好ましい。また導電助剤を加える場合であっても同様である。

【0123】

焼成条件は、不活性ガスあるいは還元性ガス雰囲気下で、温度４００℃～２０００℃の範囲内を５分以上維持できれば特に限定されないが、ポリリン酸遷移金属酸化物を軟化流動させ、かつ樹脂系バインダを熱分解させる観点から、０．１℃／ｍｉｎ～５０℃／ｍｉｎの範囲内で昇温し、温度４００℃～２０００℃、維持時間５分以上１０時間以下であることが好ましい。

【0124】

焼成後の電極合材は、電池の入出力特性とエネルギー密度の観点から、厚さが１０μｍ～５０００μｍの範囲内、単位面積当たりの総重量が１ｍｇ～５０００ｍｇ／ｃｍ^２の範囲内であることが好ましい。

【0125】

樹脂系バインダが被覆されたポリリン酸遷移金属酸化物は、ポリリン酸遷移金属酸化物と樹脂系バインダからなる混合粉末に、溶媒を加えて混合後、溶媒を揮発除去し、混合体を粉砕または分級することで得られる。なお、溶媒が水でない限りは、ドライ環境中（露点－４０℃以下）で作業を行うことがよい。

【0126】

上記の混合粉末の作製や、溶媒を加えての混合手法としては、公知の混合手法を用いることができ、例えば、転動ミル、振動ミル、遊星ミル、揺動ミル、水平ミル、アトライターミル、ジェットミル、擂潰機、ホモジナイザー、フルイダイザー、ペイントシェイカー、ミキサーなどが挙げられる。

【0127】

また、溶媒を揮発除去し、混合体を粉砕または分級する方法としては、公知の造粒方法が適用可能であり、例えば、流動層造粒法、撹拌粉砕造粒法、転動式造粒法、スプレードライ法、押出造粒法、およびコーティング造粒法などが挙げられる。このうち、スプレードライ法と流動層造粒法が特に好ましい。

【0128】

スプレードライ法では、例えば、ポリリン酸遷移金属酸化物と樹脂系バインダを分散させた懸濁液を、５０～３００℃に加温した温室に上方より、１～３０ｍＬ／ｍｉｎ、空気圧０．０１～５ＭＰａで噴霧することで、凝集粒をつくり、これを乾燥させることにより造粒物を得る。

【0129】

流動層造粒法では、例えば、粉体原料を流動層造粒装置に入れ、下方から５０～３００℃に加温した温風を送り込むことで、粉体原料（造粒物前駆体）を流動させて混合し、この混合粉体原料に樹脂系バインダを溶解あるいは分散した液体を上方よりノズル噴霧し、粉体表面に均一に樹脂系バインダを１～３０ｍＬ／ｍｉｎ、空気圧０．０１～５ＭＰａで噴霧することで、凝集粒をつくり、これを乾燥させることにより造粒物を得る。

【0130】

電極合材にＥＣ、ＰＥＣ、ＰＥＧ、ＰＥＯから選択される材料を含ませるには、活物質とこれらの材料を混合してペレット化しても構わないが、ポリリン酸遷移金属酸化物の多結晶ガラスまたはガラスを焼成により、ポリリン酸遷移金属酸化物の結晶を生成して製造される場合では、予めＥＣ、ＰＥＣ、ＰＥＧ、ＰＥＯを含ませた状態で焼成すると熱分解され、合材にＥＣ、ＰＥＣ、ＰＥＧ、ＰＥＯを含有させることができない。このため、ポリリン酸遷移金属酸化物の多結晶ガラスまたはガラスを焼成後に、ＥＣ、ＰＥＣ、ＰＥＧ、ＰＥＯなどの材料を含有させる必要がある。

【0131】

そこで、ＥＣ、ＰＥＣ、ＰＥＧ、ＰＥＯなどを液化させた状態にして、焼成後のポリリン酸遷移金属酸化物に塗布、あるいは、ＥＣ、ＰＥＣ、ＰＥＧ、ＰＥＯなどを液化させたものに焼成後のポリリン酸遷移金属酸化物を浸漬することで、電極合材にＥＣ、ＰＥＣ、ＰＥＧ、ＰＥＯから選択される材料を含ませることができる。

【0132】

ＥＣ、ＰＥＣ、ＰＥＧ、ＰＥＯなどの液化には、対象材料の温度を上げてもよいが、有機溶媒を加え、液化することが好ましい。この有機溶媒は、対象材料を溶解し液化できるものであれば特に限定されない。例えば、鎖状炭化水素溶媒（ＤＭＣ、ＤＥＣ、ＥＭＣ、ジクロロメタン、アルコール系など）や環状炭化水素溶媒（ＮＭＰ、ベンゼン、ラクトン系など）、などが挙げられる。有機溶媒は、減圧や加熱処理することで取り除くことが好ましい。例えば、リチウムイオン電池に用いられる電極用スラリーの乾燥方法を採用することができる。

【0133】

電極合材の厚みが大きい場合は、液化したＥＣ、ＰＥＣ、ＰＥＧ、ＰＥＯなどを単に塗布しただけでは、浸透しにくいため、焼成後のポリリン酸遷移金属酸化物を液化したＥＣ、ＰＥＣ、ＰＥＧ、ＰＥＯに浸漬することが好ましい。この状態で、さらに減圧環境にすることで、焼成後のポリリン酸遷移金属酸化物に含まれる細孔の奥深くまで浸透させることができる。減圧環境の条件は、大気圧よりも低い圧力（負圧）にすればよく、例えば、真空ポンプを用いてゲージ圧として０ＭＰａ～－０．１ＭＰａの負圧環境を作ればよい。

【0134】

上記電極合材は、電極合材に含まれるＥＣ、ＰＥＣ、ＰＥＧ、ＰＥＯから選択される材料を除いた場合、空隙率が５％～５０％の範囲内の多孔質であることが好ましい。空隙率が５％未満であるとＥＣ、ＰＥＣ、ＰＥＧ、ＰＥＯを十分に電極合材に含ませることができない。また５０％を超える場合は、ＥＣ、ＰＥＣ、ＰＥＧ、ＰＥＯなどを電極合材に多く含ませることが可能であるが、電極合材中に占める活物質の割合が少なくなるため、エネルギー密度が低くなる。

【0135】

ここで、空隙率とは、対象の見掛け密度と構成材料の真密度から、以下の式により算出した値である。

【0136】

空隙率（％）＝１００－（対象の見掛け密度／構成材料の真密度）×１００

【0137】

また、上記電極合材は、電極合材に含まれるＥＣ、ＰＥＣ、ＰＥＧ、ＰＥＯから選択される材料を除いた場合、孔径０．１μｍ～１００μｍの孔を複数有する多孔質であることが好ましい。当該孔径範囲外となると、後述する電極合材の製造方法において、ＥＣ、ＰＥＣ、ＰＥＧ、ＰＥＯなどを十分に電極合材に含ませることが困難になるためである。すなわち、孔径０．１μｍ未満では、ＥＣ、ＰＥＣ、ＰＥＧ、ＰＥＯなどが電極合材に浸透しにくく、逆に１００μｍを超える場合は、電極合材の強度が低く、破損しやすくなる。

【0138】

本発明に係る全固体ナトリウム蓄電池は、例えば、上述したようにして得た電極合材を、露点－４０℃以下のドライ環境下で、有機固体電解質を介して無機固体電解質の一方の表面に密着させ、無機固体電解質の他方の表面に対極を設けた状態で密閉することで製造できる。

【0139】

対極としては、特に制限はなく、電極合材を正極合材として用いる場合では、対極は負極活物質を含む電極合材あるいは、公知のナトリウム金属負極、公知のナトリウム合金負極、公知のナトリウムイオン吸蔵負極が使用可能である。また、電極合材を負極合材として用いる場合では、対極は正極合材、あるいは公知のナトリウム合金正極、公知のナトリウムイオン吸蔵正極が使用可能である。

【0140】

また、全固体ナトリウム蓄電池は、対極と無機固体電解質との間にも上述した有機固体電解質を介して構成されることが好ましい。

【0141】

すなわち、本発明に係る全固体ナトリウム電池は、電極合材中に樹脂系バインダを含まないことが好ましい。電極合材中に樹脂系バインダを含むと電子抵抗およびイオン抵抗を増大させる要因になる。

【0142】

樹脂系バインダとは、カーボンを主たる分子骨格とする化合物のバインダであり、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアクリル、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、エチレン－酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）、ポリプロピレンカルボナート（ＰＰＣ）、スチレン－エチレン－ブチレン－スチレン共重合体（ＳＥＢＳ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、キサンサンガム、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）、エチレンビニルアルコール、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸リチウム、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリアクリル酸カリウム、ポリアクリル酸アンモニウム、ポリアクリル酸メチル、ポリアクリル酸エチル、ポリアクリル酸アミン、ポリアクリル酸エステル、エポキシ樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ナイロン、塩化ビニル、シリコーンゴム、ニトリルゴム、シアノアクリレート、ユリア樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、ラテックス、ポリウレタン、シリル化ウレタン、ニトロセルロース、デキストリン、ポリビニルピロリドン、酢酸ビニル、ポリスチレン、クロロプロピレン、レゾルシノール樹脂、ポリアロマティック、変性シリコーン、メタクリル樹脂、ポリブテン、ブチルゴム、２－プロペン酸、シアノアクリル酸、メチルメタクリレート、グリシジルメタクリレート、アクリルオリゴマー、２－ヒドロキシエチルアクリレート、ポリアセタール、アルギン酸、デンプン、ショ糖、うるし、にかわ、カゼイン等の材料が挙げられる。

【0143】

これら多くの樹脂系バインダは、１５０℃以上から熱分解して炭化するが、ポリプロピレンカルボナート（ＰＰＣ）においては、不活性環境や還元性環境であっても、２００℃以上の熱処理によって炭酸ガスに変化し、カーボンも残さずに消失するバインダであり、電極への影響が極めて少ないためより好ましい。樹脂系バインダが熱分解することによって生成するカーボンは、高温での焼成を行わない限り、導電性が低いため、電極への悪影響を及ぼすことがある。

【0144】

また、本発明に係る全固体ナトリウム蓄電池は、電極合材が電子伝導性を有する集電体と電気的に接触した構造であることが好ましい。この集電体は、貫通孔を有する金属または非貫通の金属のいずれであっても構わないが、非貫通の金属を用いることで、図２に示すようなバイポーラ構造の全固体電池を作製することができる。バイポーラ電極は、金属箔や金属板などの非貫通の金属からなる集電体６を電極合材２に接触させて作製してもよいし、電極合材に対して電気めっきや気相成長法などの手法にて集電体６を形成して得られるものでも構わない。バイポーラ構造の全固体電池であれば、１つのセルで高い電圧を得ることができる。

【0145】

一方、集電体として貫通孔を有する金属を用いる場合では、電極合材を集電体に充填することで、三次元的に電極合材から集電することができる。これにより、電極合材の電子伝導性を向上させ、出力特性に優れた電池が得られる。また、活物質前駆体を含む合材を焼成によって、電極合材とする場合には、活物質前駆体が大きな体積収縮を起こすため、大きな応力を発生させるが、電極合材を非貫通の金属に充填することで、凝集応力が緩和され、電極合材にひび割れなどの発生を抑制できる。また、充放電によって大きな体積変化が起こる活物質を用いる場合では、集電体から電極合材の脱落が抑制され、長寿命な電池となる。

【0146】

このような集電体の材質は、電子伝導性を有し、電極合材に含まれる活物質に通電し得る材料であれば特に限定されない。例えば、金属やカーボン、導電性セラミックス、導電性ガラスなどが挙げられる。具体的には、金、アルミニウム、カーボン、銅、モリブデン、チタン、クロム、ニッケル、タンタル、タングステン、白金などの導電性物質、これら導電性物質の二種類以上を含有する金属（例えば、ステンレス鋼、Ａｌ－Ｆｅ合金など）を使用し得る。このうち、材料が低廉であり、且つ出力特性に優れる電池が得られる観点から、アルミニウムまたはアルミニウム合金に対してカーボンを被覆した集電体であることが好ましい。より具体的には、金属の表面に厚さ０．１μｍ～３μｍのカーボン層を有する集電体が好ましい。

【0147】

集電体の形状には、上述したように、大別して貫通孔を有する金属と非貫通の金属がある。貫通孔を有する金属は、例えば、発泡金属、貫通孔を有するエンボス体、エキスパンド、パンチング体、不織布、織布などが挙げられ、空隙率が１０％～９８％であることが好ましい。ただし、空隙率１０％未満では、非貫通の金属と大差なく、９８％を超える場合では、集電体の強度が低く、電極が破損しやすくなる。非貫通の金属は、例えば、箔、板、非貫通エンボス体などがある。

【0148】

このように電極は、電極合材と集電体から構成される。しかし、電池の外装体（電槽）が電気伝導性を有し、それ自体が集電体としての役割を兼ねることができる場合には、必ずしも集電体を必要としない。

【0149】

以上のとおり、全固体ナトリウム蓄電池について説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。例えば、本発明の全固体ナトリウム蓄電池の電解質は、電解液やイオン性液体、ゲル電解質をさらに加えたものであっても構わない。例えば、電池のキャリアイオンをナトリウムイオンから他のアルカリ金属イオン（リチウムイオンやカリウムイオンなど）に代えて、全固体リチウムイオン蓄電池や全固体カリウムイオン蓄電池としても構わない。

【0150】

本発明に係る一の態様の組電池は、本発明の全固体ナトリウム蓄電池を備えることを特徴とする。すなわち、本発明の全固体ナトリウム蓄電池同士を直結、又はブスバーを介して電気的に接続し、２個以上の単電池からなる電池群であればよい。

【0151】

本発明に係る一の態様の電気機器は、本発明の全固体ナトリウム蓄電池または組電池を備えることを特徴とする。

【0152】

電気機器としては、例えば、アイロン、泡だて器、一体型パソコン、衣類乾燥機、医療機器、インターホン、ウェアラブル端末、映像機器、エアコン、エアサーキュレーター、園芸機械、オートバイ、オーブン、音楽プレーヤー、音楽レコーダー、温風ヒーター、おもちゃ類、カーコンポ、懐中電灯、拡声器、カーナビ、カセットコンロ、家庭用蓄電池、介護機械、加湿器、乾燥機、給油機、給水器、吸引機、金庫、グルーガン、携帯電話、携帯情報機器、空気清浄器、空調服、ゲーム機、蛍光灯、毛玉取り機、コードレス電話、コーヒーメーカー、コーヒーウォーマー、氷かき機、こたつ、コピー機、散髪器具、シェーバー、芝刈り機、自動車、照明器具、除湿器、シーラー、シュレッダー、自動体外式除細動器、炊飯器、ステレオ、ストーブ、スピーカー、ズボンプレッサー、スマートフォン、精米機、洗濯機、洗浄機能付便座、センサー、扇風機、潜水艦、送風機、掃除機、空飛ぶ車、タブレット、体脂肪計、釣り具、デジタルカメラ、テレビ、テレビ受像機、テレビゲーム、ディスプレイ、ディスクチェンジャー、デスクトップ型パソコン、鉄道、テレビ、電気カーペット、電気スタンド、電気ストーブ、電気ポット、電気毛布、電卓、電動カート、電動車椅子、電動工具、電気自動車、電気浮（うき）、電動歯ブラシ、電話機、電動自転車、電撃殺虫器、電磁調理器、電子手帳、電子楽器、電子錠、電子カード、電子レンジ、電子蚊取り、電子たばこ、電話、電力負荷平準機、トースター、ドライヤー、トランシーバー、時計、ドローン、生ごみ処理機、ノートパソコン、白熱電球、はんだごて、パネルヒーター、ハロゲンヒーター、発酵機、パン焼き機、ハイブリッド自動車、パソコン、パソコン周辺機器、バリカン、パネルヒーター、ビデオカメラ、ビデオデッキ、飛行機、非常用電灯、非常用蓄電池、船、美容機器、プリンター、複写機、粉砕機、噴霧器、ファクシミリ、フォークリフト、プラグインハイブリッド自動車、プロジェクタ、ヘアドライア、ヘアーアイロン、ヘッドホン、防災機器、防犯機器、ホームシアター、ホットサンドメーカー、ホットプレート、ポンプ、芳香機、マッサージ機、ミキサー、ミル、ムービープレーヤー、モニター、もちつき機、湯沸かし器、床暖房パネル、ラジオ、ラジオカセット、ランタン、ラジコン、ラミネーター、リモコン、レンジ、冷水器、冷蔵庫、冷風機、冷風扇、冷房機器、ロボット、ワープロ、ＧＰＳ、などが挙げられる。

【実施例0153】

＜実施例＞
以下、本発明に係る実施例を具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。特に、実施例においては、固体電解質としてβ’’－アルミナを用いた全固体ナトリウム蓄電池を例に説明するが、本発明はこれに限らない。また、電極合材中に含まれる活物質として、Ｎａ_２ＦｅＰ_２Ｏ_７を例に説明するが、これに限らない。

【0154】

＜正極活物質前駆体粉末の作製＞
正極活物質前駆体は溶融急冷法により作製した。原料としてメタリン酸ソーダ（ＮａＰＯ_３）、酸化鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）、オルトリン酸（Ｈ_３ＰＯ_４）を組成がモル比で４０Ｎａ_２Ｏ－２０Ｆｅ_２Ｏ_３－４０Ｐ_２Ｏ_５となるように調合し、１３５０℃にて１時間、大気雰囲気中にて溶融を行った。得られた溶融ガラスを１対の冷却ローラー間に流し出し、急冷しながら成形し、厚み０．１～１ｍｍのフィルム状のガラス体を得た。このガラス体に対し、φ２０ｍｍのＺｒＯ_２玉石を使用したボールミル粉砕を１０時間行い、目開き１２０μｍの樹脂製篩に通過させ、平均粒子径７μｍのガラス粗粉末を得た。さらに、このガラス粗粉末に対し、粉砕助剤としてエタノールを用い、φ３ｍｍのＺｒＯ_２玉石を使用したボールミル粉砕を８０時間行うことで、平均粒子径０．６μｍのガラス粉末（正極活物質前駆体粉末）を得た。粉末Ｘ線回折測定の結果、ガラス粉末は非晶質であることを確認した。

【0155】

＜正極活物質粉末の作製＞
前記で得られたガラス体を窒素雰囲気中、６５０℃にて１時間焼成を行なうことで結晶化させて結晶体を得た。この結晶体に対し、φ２０ｍｍのＺｒＯ_２玉石を使用したボールミル粉砕を１０時間行い、目開き１２０μｍの樹脂製篩に通過させ、平均粒子径７μｍの粗粉末を得た。さらに、この粗粉末に対し、粉砕助剤としてエタノールを用い、φ３ｍｍのＺｒＯ_２玉石を使用したボールミル粉砕を１２時間行うことで、平均粒子径０．２μｍの結晶体粉末を得た。この結晶体粉末７０ｗｔ．％に対して、カーボン源として非イオン性界面活性剤であるポリエチレンオキシドノニルフェニルエーテル（質量平均分子量：６６０）を３０ｗｔ．％を混合した後、１００℃で１時間乾燥させた。その後、窒素雰囲気中で６２０℃、３０分間焼成を行い平均粒子径０．２μｍの正極活物質粉末を得た。この正極活物質粉末を粉末Ｘ線回折測定の結果、Ｎａ_２ＦｅＰ_２Ｏ_７結晶由来の回折線であることを確認した。

【0156】

＜電極合材（活物質層）の作製＞
電極合材（活物質層）は、アルゴン環境中、ポリプロピレンカルボナート（ＰＰＣ）が被覆された合材粉末を粉末成型金型（エヌピーエーシステム株式会社製，Φ１０ｍｍ）に充填後、３０ＭＰａの圧力を加えて成型されたペレットを窒素（Ｎ_２）／水素（Ｈ_２）混合ガス（＝９６／４ｖｏｌ．％）雰囲気下、５５０℃、１ｈ、３℃／ｍｉｎの条件で焼成し、次いで集電体としてペレットの片面に物理気相成長法（ＰＶＤ）にて厚さ３００ｎｍの金を成膜することで作製した。焼成工程により、電極合材中に含まれるＰＰＣはすべて熱分解して炭酸ガスに変化したため、得られた電極合材はＰＰＣを差し引いた重量となった。

【0157】

焼成後の電極合材は、厚さが２９８μｍ、総重量が０．０３０７ｇ、直径が９．２４２ｍｍ、電極合材に含まれる活物質の重量が０．０２７９４ｇであった。電極合材の断面のSEM（走査型電子顕微鏡）画像を確認したところ、正極活物質粒子が複数連結したクラスターの形成からなり、かつ、細孔を含む多孔質構造であることが確認された。このクラスターは、合材粉末を焼成する際に、正極活物質前駆体粉末が軟化流動して、正極活物質粉末同士を結着することにより形成されたものである。なお、正極活物質前駆体粉末は軟化流動するとともに結晶化し、Ｎａ_２ＦｅＰ_２Ｏ_７結晶を析出していることが確認された。

【0158】

なお、ＰＰＣが被覆された合材粉末は、ドライ環境中（露点－４０℃以下）、正極活物質前駆体粉末および正極活物質、導電助剤、ＰＰＣ（３２．３：４８．５：２．５：１６．７ｗｔ％）にＮ－メチル－２－ピロリドン（ＮＭＰ）を加えて自公転式ミキサー（シンキー製、練太郎，２０００ｒｐｍ，１ｈ）で混合後、ガラス板上で加熱乾燥処理（８０℃，１ｈ）することでＮＭＰを揮発除去し、混合体を擂潰機（日陶科学製，ＡＭＭ－１４０Ｄ）で粉砕（１ｈ）することで得た。導電助剤としては、カーボンブラックおよび気相成長炭素繊維（昭和電工製，ＶＧＣＦ－Ｈ）を５：１ｗｔ．％となるように混合したものを用いた。

【0159】

＜無機固体電解質＞
組成式Ｎａ_１．６Ｌｉ_０．３４Ａｌ_{１０．６６}Ｏ_１７のＬｉ_２Ｏ安定化β’’－アルミナ（Ｉｏｎｏｔｅｃ社製）をそのまま用いた。無機固体電解質の厚さは、１ｍｍであった。

【0160】

＜有機固体電解質の作製＞
有機固体電解質は、重量平均分子量（Ｍｗ）７０００のポリエチレングリコール（ＰＥＧ）およびＮａＰＦ_６（１：０．３ｗｔ．）にアセトニトリルを加えて自公転式ミキサー（シンキー製、練太郎，２０００ｒｐｍ，１ｈ）で混合することで作製した。

【0161】

＜全固体ナトリウム蓄電池の作製＞
（実施例１：全固体ナトリウム蓄電池）
実施例１の電池は、アルゴン環境中、前述のとおりに作製された電極合材及び無機固体電解質の間に前述のとおりに作製された有機固体電解質を０．００５ｇ／ｃｍ^２となるように介在させ、対極としてナトリウム金属を用いることで作製した。なお、前記有機固体電解質はアセトニトリルに溶解した前記有機固体電解質を前記電極合材に刷毛で塗布後、真空乾燥（６０℃、１ｈ）することで介在した。

【0162】

（実施例２：全固体ナトリウム蓄電池）
実施例２の電池は、ＰＥＧおよびＮａＰＦ_６（１：０．３ｗｔ．）からなる混合体を０．００６ｇ／ｃｍ^２となるように充填させた電極合材を用いた他、実施例１と同様の電池構成である。なお、電極合材へ充填される混合体は、アセトニトリルに溶解したＰＥＧおよびＮａＰＦ_６に電極合材を浸漬後、真空乾燥（６０℃、１ｈ）することで脱アセトニトリル処理を行うことで充填した。

【0163】

（実施例３：全固体ナトリウム蓄電池）
実施例３の電池は、エチレンカーボネート（ＥＣ）およびＮａＰＦ_６（１：０．３ｗｔ％）からなる混合体を電極合材に充填した他、実施例２と同様の電池構成である。なお、電極合材へ充填させる混合体は、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）に溶解したＥＣおよびＮａＰＦ_６に電極合材を浸漬後、真空乾燥（６０℃、１ｈ）することで脱ＤＥＣ処理を行うことで充填した。

【0164】

（比較例１：全固体ナトリウム蓄電池）
比較例１の電池は、有機固体電解質を具備していない他、実施例１と同様の電池構成である。

【0165】

（比較例２：液式ナトリウムイオン電池）
比較例２の電池は、有機固体電解質、無機固体電解質を具備していない代わりに、ガラス不織布（アドバンテック社製，ＧＡ－１００）とポリオレフィン系微多孔膜（セルガード社製，＃２３２０）を重ねたセパレータに１Ｍ ＮａＰＦ_６／（ＥＣ：ＤＥＣ＝１：１ｖｏｌ．）を含浸させた部材を用いた他、実施例１と同様の電池構成である。

【0166】

＜電池試験＞
電池試験は、６０℃、０．０１Ｃ率、カットオフ電圧３．８～２．０Ｖの条件で定電流充放電を繰り返すことで行った。以下、実施例１～３および比較例１～２の充放電試験結果を示す。

【0167】

（実施例１）
実施例１の全固体ナトリウム蓄電池は、有機固体電解質としてＰＥＧとＮａＰＦ_６からなる混合体を、電極合材と無機固体電解質との間に介在させたことで、電極合材と無機固体電解質とが一体化された。しかし、電池の抵抗が高く、活物質の放電容量が１０．１ｍＡｈ／ｇ（０．４２ｍAh/cm²）であった。

【0168】

（実施例２）
実施例２の全固体ナトリウム蓄電池は、有機固体電解質としてＰＥＧとＮａＰＦ_６からなる混合体を、電極合材と無機固体電解質との間に介在させたことで、電極合材と無機固体電解質とが一体化された。また、電極合材中に有機固体電解質が含侵されていた。その結果、活物質の放電容量が８９．２ｍＡｈ／ｇ（３．７２ｍAh/cm²）であった。

【0169】

（実施例３）
実施例３の全固体ナトリウム蓄電池は、有機固体電解質としてＰＥＧとＮａＰＦ_６からなる混合体を、電極合材と無機固体電解質との間に介在させたことで、電極合材と無機固体電解質とが一体化された。また、電極合材中に有機固体電解質が含侵されていた。その結果、活物質の放電容量が９２．６ｍＡｈ／ｇ（３．８６ｍAh/cm²）であった。

【0170】

（比較例１）
比較例１の全固体ナトリウム蓄電池は、有機固体電解質を具備していないため、電極合材と無機固体電解質とが一体化されなかった。また、活物質の放電容量が０．０ｍＡｈ／ｇ（０ｍAh/cm²）で、電池としてまったく機能しなかった。これは、０．０１Ｃ率という微小電流を流しても電極と、固体電解質との間の界面でイオンの流れに大きな抵抗があったということを意味している。

【0171】

（比較例２）
比較例２の液式ナトリウムイオン電池は、活物質の放電容量が９４．２ｍＡｈ／ｇ（３．９２ｍAh/cm²）であった。

【0172】

以上述べた実施例１―３、比較例１－２の電池試験結果を表１に示す。

【0173】

【表1】

【0174】

＜電池の過充電試験＞
電池の過充電試験は、６０℃、０．０１Ｃ率、充電カットオフ電圧４．５Ｖの条件で定電流充電した。実施例３および比較例２の充電曲線を比較して図３に示す。縦軸には電池電圧を、横軸には充電時間を示している。１００時間を超える充電が過充電領域となる。図３から明らかなように、実施例３の電池では４．２Ｖ付近に充電プラトーが確認され、充電カットオフ電圧である４．５Ｖにまで到達しなかった。一方、比較例２の電池では４．２Ｖ付近の充電プラトーは確認されず、充電カットオフ電圧まで充電された。実施例３の電池では電極合材と無機固体電解質との間に介在した有機固体電解質が４．２Ｖ付近で酸化分解しているものだと考えられる。この結果から、有機固体電解質が電池内に具備されることで過充電を抑止できることが示された（表２参照）

【0175】

【表2】

【0176】

また、実施例３の電池を、６０℃、０．０１Ｃ率、充電カットオフ電圧４．５Ｖの条件で、ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）２００％になるまで定電流定電圧充電後、０．１Ｃ率で２．０Ｖになるまで定電流放電したところ、放電容量を示さなかった。有機固体電解質が酸化分解されたことで、電池抵抗が増大し、シャットダウンしたものと思われる。

【産業上の利用可能性】

【0177】

本発明に係る全固体ナトリウム蓄電池は、室温環境で、高い放電容量を維持しつつ、優れた充放電サイクル特性を発揮し、かつ過充電でシャットダウンすることができる。このため、ＥＶ（電気自動車）用、定置用の電源への適用が見込まれる。

【符号の説明】

【0178】

１ 全固体ナトリウム蓄電池の断面概念
２ 電極合材
３ 有機固体電解質
４ 無機固体電解質
５ 対極
６ 集電体
１１ バイポーラ構造の電池の断面概念

【図1】

【図2】

【図3】