JP5549516B2 - Secondary battery and electrolyte and membrane used therefor - Google Patents
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Description
本発明は、二次電池およびそれに用いる電解液並びに膜に関する。 The present invention relates to a secondary battery, an electrolytic solution used therefor, and a membrane.
近年、ノート型パソコン、携帯電話などの携帯電子機器は、通信システムの発展に伴い急激に普及しており、またその性能も年々向上している。特に、携帯機器は、性能の向上に伴い消費電力も大きくなる傾向にある。そこで、その電源である電池に対して、高エネルギー密度、大出力などの要求が高まっている。さらに、地球温暖化や環境問題が深刻化する中、ガソリン車に代わるクリーンな自動車として、電気自動車またはハイブリッド電気自動車の開発が盛んに行われている。このような用途に用いられる蓄電デバイスには、高いエネルギー密度と高い出力特性を両立することが求められると同時に、10年を超える耐久性、高い安全性などが要求される。 In recent years, portable electronic devices such as notebook computers and mobile phones are rapidly spreading with the development of communication systems, and their performance is also improving year by year. In particular, portable devices tend to increase power consumption as performance improves. Therefore, demands for high energy density, high output, etc. are increasing for the battery as the power source. Furthermore, as global warming and environmental problems become more serious, electric vehicles or hybrid electric vehicles are being actively developed as clean vehicles to replace gasoline vehicles. Power storage devices used for such applications are required to achieve both high energy density and high output characteristics, and at the same time, are required to have durability exceeding 10 years, high safety, and the like.
高エネルギー密度の電池としては、リチウムイオン電池が開発され1990年代以降に広く用いられるようになった。このリチウムイオン電池は電極活物質として、例えば正極にマンガン酸リチウム、コバルト酸リチウム、オリビン鉄といったリチウム含有遷移金属酸化物、負極に炭素を用いたものであり、これら電極活物質へのリチウムイオンの挿入、脱離反応を利用して充放電を行っている。このようなリチウムイオン電池はエネルギー密度が大きく、サイクル特性に優れており、携帯電話をはじめとした種々の電子機器に利用されている。しかしながら、電極反応の反応速度が小さいため、大きな電流を取り出すと電池性能は著しく低下する。そのため、大きな出力をだすことが難しく、また充電のためにも長時間要するという欠点があった。 As a high energy density battery, a lithium ion battery has been developed and widely used since the 1990s. This lithium ion battery uses, for example, lithium-containing transition metal oxides such as lithium manganate, lithium cobaltate, and olivine iron as a positive electrode and carbon as a negative electrode as an electrode active material. Charging / discharging is performed using insertion and desorption reactions. Such a lithium ion battery has high energy density and excellent cycle characteristics, and is used in various electronic devices such as mobile phones. However, since the reaction rate of the electrode reaction is small, the battery performance is significantly lowered when a large current is taken out. For this reason, it is difficult to produce a large output, and there is a disadvantage that it takes a long time for charging.
大きな出力を発生することができる蓄電デバイスとして、電気二重層キャパシタが知られている。大電流を一度に放出できるため大きな出力を発生することが可能であり、サイクル特性にも優れており、バックアップ電源として開発が進められている。しかしながら、エネルギー密度は非常に小さく、小型化が困難であることから、携帯電子機器の電源には適していない。 An electric double layer capacitor is known as an electricity storage device capable of generating a large output. Since a large current can be discharged at one time, it is possible to generate a large output, and it has excellent cycle characteristics, and is being developed as a backup power supply. However, since the energy density is very small and it is difficult to reduce the size, it is not suitable as a power source for portable electronic devices.
軽量でエネルギー密度の大きな電極材料を得る目的で、電極活物質に硫黄化合物や有機化合物を用いた電池も開発されてきた。例えば、特許文献1および特許文献2には、ジスルフィド結合を有する有機化合物を正極に用いた電池が記載されている。この電池はジスルフィド結合の生成、解離を伴う電気化学的酸化還元反応を電池の原理として利用したものである。この電池は硫黄や炭素といった比重の小さな元素を主成分とする電極材料から構成されているため、高エネルギー密度の大容量電池という点において一定の効果を奏している。しかし、解離した結合が再度結合する効率が小さいことや電極活物質の電解液への拡散のため、充放電サイクルを重ねると容量が低下しやすい。
In order to obtain an electrode material that is lightweight and has a large energy density, a battery using a sulfur compound or an organic compound as an electrode active material has been developed. For example,
また、有機化合物を利用した電池として、導電性高分子を電極材料に用いた電池が提案されている。これは導電性高分子に対する電解質イオンのドープ、脱ドープ反応を原理とした電池である。ドープ反応とは、導電性高分子の酸化もしくは還元によって生ずる荷電ラジカルを、対イオンによって安定化させる反応のことである。例えば、特許文献3には、このような導電性高分子を正極もしくは負極の材料とする電池が記載されている。この電池は、炭素や窒素といった比重の小さな元素のみから構成されたものであり、高容量電池として期待された。しかし、導電性高分子には、酸化還元によって生じる荷電ラジカルがπ電子共役系の広い範囲に亘って非局在化し、それらが静電反発やラジカルの消失をもたらす相互作用をするという特性がある。これは発生する荷電ラジカルすなわちドープ濃度に限界をもたらすものであり、電池の容量を制限するものである。例えば、ポリアニリンを正極に用いた電池のドープ率は50%以下であり、またポリアセチレンの場合は7%であると報告されている。導電性高分子を電極材料とする電池では軽量化という点では一定の効果を奏しているものの、大きなエネルギー密度をもつ電池は得られていない。
In addition, as a battery using an organic compound, a battery using a conductive polymer as an electrode material has been proposed. This is a battery based on the principle of doping and dedoping of electrolyte ions with respect to a conductive polymer. The dope reaction is a reaction in which a charged radical generated by oxidation or reduction of a conductive polymer is stabilized by a counter ion. For example,
有機化合物を電池の電極活物質と用いる電池として、ラジカル化合物の酸化還元反応を用いる電池が提案されている。たとえば、特許文献4には、ニトロキシドラジカル化合物、アリールオキシラジカル化合物および特定のアミノトリアジン構造を有する高分子化合物などの有機ラジカル化合物が活物質として記載されており、また有機ラジカル化合物を正極もしくは負極の材料として用いる電池が記載されている。さらに、特許文献5には、ニトロキシド化合物の中でも、特に環状ニトロキシド構造を有する化合物を電極活物質として用いる蓄電デバイスが開示されている。また、そこで電極活物質として用いられるラジカル化合物は、2,2,6,6−テトラメチルピペリジンメタクリレートを重合開始剤であるアゾビスイソブチロニトリルと反応させて重合した後、m−クロロ過安息香酸を用いて酸化することで合成されている。 As a battery using an organic compound as a battery electrode active material, a battery using a redox reaction of a radical compound has been proposed. For example, Patent Document 4 describes an organic radical compound such as a nitroxide radical compound, an aryloxy radical compound, and a polymer compound having a specific aminotriazine structure as an active material, and the organic radical compound is used as a positive electrode or a negative electrode. A battery used as a material is described. Further, Patent Document 5 discloses a power storage device using a compound having a cyclic nitroxide structure as an electrode active material among nitroxide compounds. Further, a radical compound used as an electrode active material therefor is prepared by reacting 2,2,6,6-tetramethylpiperidine methacrylate with azobisisobutyronitrile as a polymerization initiator, followed by polymerization, and then m-chloroperbenzoic acid. It is synthesized by oxidizing with an acid.
上述のように、有機ラジカル化合物を電極活物質に用いる二次電池においては、繰り返し使用すると、容量が減少してしまうといった問題があった。 As described above, in a secondary battery using an organic radical compound as an electrode active material, there is a problem in that the capacity decreases when it is repeatedly used.
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、充電サイクル特性に優れた二次電池およびそれに用いる電解液並びに膜を提供することにある。 This invention is made | formed in view of the said situation, The place made into the objective is to provide the secondary battery excellent in the charge cycle characteristic, the electrolyte solution used for it, and a film | membrane.
本発明によれば、
正極と、
負極と、
環状カーボネート化合物を含む電解液と、を備え、
前記正極または前記負極は、下記一般式(1)で示されるニトロキシドラジカル化合物を有しており、
前記電解液は、前記環状カーボネート化合物の含有量よりも少ない、環状エーテル構造を有する環状エーテル化合物を有する、二次電池が提供される。
A positive electrode;
A negative electrode,
An electrolyte solution containing a cyclic carbonate compound,
The positive electrode or the negative electrode has a nitroxide radical compound represented by the following general formula (1),
A secondary battery is provided in which the electrolytic solution has a cyclic ether compound having a cyclic ether structure that is less than the content of the cyclic carbonate compound.
本発明によれば、
正極と、負極と、環状カーボネート化合物を含む電解液と、を備える、二次電池に用いる電解液であって、
前記正極または前記負極は、下記一般式(1)で示されるニトロキシドラジカル化合物を有しており、
前記電解液は、前記環状カーボネート化合物の含有量よりも少ない、環状エーテル構造を有する環状エーテル化合物を有する、電解液が提供される。
An electrolyte solution for use in a secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte solution containing a cyclic carbonate compound,
The positive electrode or the negative electrode has a nitroxide radical compound represented by the following general formula (1),
The electrolytic solution is provided with an electrolytic solution having a cyclic ether compound having a cyclic ether structure that is less than the content of the cyclic carbonate compound.
本発明によれば、
正極と、負極と、環状カーボネート化合物を含む電解液と、を備える、二次電池に用いる膜であって、
前記正極または前記負極は、下記一般式(1)で示されるニトロキシドラジカル化合物を有しており、
前記電解液は、前記環状カーボネート化合物の含有量よりも少ない、環状エーテル構造を有する環状エーテル化合物を有しており、
前記膜は、前記正極上または前記負極上に設けられており、かつ前記環状エーテル化合物の重合物で構成される、膜が提供される。
A membrane for use in a secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode, and an electrolytic solution containing a cyclic carbonate compound,
The positive electrode or the negative electrode has a nitroxide radical compound represented by the following general formula (1),
The electrolytic solution has a cyclic ether compound having a cyclic ether structure, which is less than the content of the cyclic carbonate compound,
The film is provided on the positive electrode or the negative electrode, and a film composed of a polymer of the cyclic ether compound is provided.
本発明によれば、充電サイクル特性に優れた二次電池およびそれに用いる電解液並びに膜が提供される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the secondary battery excellent in the charge cycle characteristic, the electrolyte solution used for it, and a film | membrane are provided.
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same reference numerals are given to the same components, and the description will be omitted as appropriate.
まず、本発明するに至った経緯について説明する。
上記特許文献5に記載の有機ラジカル化合物の酸化還元反応を用いる二次電池は、通常、電解液溶媒として環状カーボネート化合物と鎖状カーボネート化合物との混合物を使用している。本発明者らが検討した結果、ニトロキシドラジカル化合物を活物質とする二次電池の高温における容量劣化やサイクル劣化が、環状カーボネート化合物と下記一般式(3)で示されるNOカチオン(オキソアンモニウムカチオン)の反応によるものであることが判明した。
First, the background that led to the present invention will be described.
The secondary battery using the redox reaction of the organic radical compound described in Patent Document 5 usually uses a mixture of a cyclic carbonate compound and a chain carbonate compound as an electrolyte solution solvent. As a result of investigations by the present inventors, capacity deterioration and cycle deterioration of a secondary battery using a nitroxide radical compound as an active material are cyclic carbonate compounds and NO cations (oxoammonium cations) represented by the following general formula (3). It was found that this was due to the reaction of
一般式(3)において、R1〜R4は、それぞれ独立に置換または無置換のアルキル基である。Xにおいて環員を構成する原子は、炭素原子、酸素原子、窒素原子、または硫黄原子である。ただし、Xは、ポリマーの主鎖または側鎖の一部を構成してもよく、Xは同一でも異なっていてもよい。nは、2または3の整数である。 In General Formula (3), R 1 to R 4 are each independently a substituted or unsubstituted alkyl group. An atom constituting a ring member in X is a carbon atom, an oxygen atom, a nitrogen atom, or a sulfur atom. However, X may constitute a part of the main chain or side chain of the polymer, and X may be the same or different. n is an integer of 2 or 3.
NOカチオンは、NOラジカル化合物を活物質に用いる二次電池の充電状態の化合物である。下記式(4)に、想定される環状カーボネート化合物とNOカチオンとの反応を示す。本発明者は、有機ラジカル化合物の充電によって発生したNOカチオンが、環状カーボネートと反応し、開環することで、充放電できる官能基(NOラジカル)が変性するため、結果として容量が減少することを見出した。ここでは、NOカチオン種の一例としてTEMPOカチオン、環状カーボネート化合物の一例としてエチレンカーボネートを用いるが、NOカチオンと環状カーボネート化合物の反応はこの限りではない。 The NO cation is a compound in a charged state of a secondary battery using an NO radical compound as an active material. The following formula (4) shows the reaction between the assumed cyclic carbonate compound and the NO cation. The present inventor believes that the NO cation generated by the charge of the organic radical compound reacts with the cyclic carbonate and opens the ring, so that the chargeable / dischargeable functional group (NO radical) is modified, resulting in a decrease in capacity. I found. Here, TEMPO cation is used as an example of the NO cation species, and ethylene carbonate is used as an example of the cyclic carbonate compound. However, the reaction between the NO cation and the cyclic carbonate compound is not limited to this.
そこで本発明者は、NOカチオン(オキソアンモニウムカチオン)と環状カーボネート化合物との接触が抑制できれば、電池容量の劣化が抑制できると考えた。 Therefore, the present inventor has considered that if the contact between the NO cation (oxoammonium cation) and the cyclic carbonate compound can be suppressed, the deterioration of the battery capacity can be suppressed.
一方、本発明者は、NOカチオンを重合開始剤として用いることで、環状エーテル化合物の重合が進行することを見出した。下記一般式(5)にNOカチオンを重合開始剤として用い、環状エーテルをモノマーとして用いる重合反応の反応式を示す。本発明者は、この反応によりポリエーテル構造を有する化合物が合成できることを見出した。 On the other hand, this inventor discovered that superposition | polymerization of a cyclic ether compound advances by using NO cation as a polymerization initiator. The following general formula (5) shows a reaction formula of a polymerization reaction using NO cations as polymerization initiators and cyclic ethers as monomers. The present inventor has found that a compound having a polyether structure can be synthesized by this reaction.
一般式(5)において、R1〜R4は、それぞれ独立に置換または無置換のアルキル基である。Xにおいて環員を構成する原子は、炭素原子、酸素原子、窒素原子、または硫黄原子である。ただし、Xは、ポリマーの主鎖または側鎖の一部を構成してもよく、Xは同一でも異なっていてもよい。nは、2または3の整数である。Yは、ハロゲン原子、リン化合物、ホウ素化合物、フッ素化合物、過塩素酸化合物、窒素酸化合物またはイミド化合物である。一般式(5)において、R5〜R8は、それぞれ独立に水素原子、ハロゲン原子、シアノ基、カルボニル基、ニトロ基、アミノ基、スルホ基、アリール基、アルキル基であり、これらは置換基を有してもよい。mは、1〜4の整数である。oは、繰り返し単位数を表し、特に限定されない任意の定数である。一般式(5)に示す化合物の数平均分子量は、特に限定されないが、例えば1,000〜10,000,000 In General formula (5), R < 1 > -R < 4 > is a substituted or unsubstituted alkyl group each independently. An atom constituting a ring member in X is a carbon atom, an oxygen atom, a nitrogen atom, or a sulfur atom. However, X may constitute a part of the main chain or side chain of the polymer, and X may be the same or different. n is an integer of 2 or 3. Y is a halogen atom, a phosphorus compound, a boron compound, a fluorine compound, a perchloric acid compound, a nitrogen acid compound or an imide compound. In the general formula (5), R 5 to R 8 are each independently a hydrogen atom, a halogen atom, a cyano group, a carbonyl group, a nitro group, an amino group, a sulfo group, an aryl group, or an alkyl group, and these are substituents. You may have. m is an integer of 1-4. o represents the number of repeating units, and is an arbitrary constant that is not particularly limited. Although the number average molecular weight of the compound represented by the general formula (5) is not particularly limited, for example, 1,000 to 10,000,000.
そこで、本発明者は有機ラジカル化合物を活物質とする電池に、一般式(5)の反応を適用することで、電極上にポリエーテルの被膜が形成されることを見出した。すなわち、あらかじめ環状エーテル化合物を電解液に添加しておくことで、充電によって発生したNOカチオン(オキソアンモニウムカチオン)が重合開始剤となり、電池内部に存在する環状エーテル化合物を重合させることで、電極上にポリエーテル構造を有する重合体を形成し、それが電極上の被膜となることがわかった。形成した被膜は、正極を保護し、環状カーボネートとNOカチオンが直接接触してNOカチオンが分解することを抑制するため、電池の容量劣化を低減することができる。本発明によれば、電池内部に環状エーテル化合物を添加することにより、高エネルギー密度かつ高出力であり、高温時における劣化の少なくかつ長期信頼性の高い電池を提供することができる。 Accordingly, the present inventor has found that a polyether film is formed on the electrode by applying the reaction of the general formula (5) to a battery using an organic radical compound as an active material. That is, by adding a cyclic ether compound to the electrolyte in advance, the NO cation (oxoammonium cation) generated by charging becomes a polymerization initiator, and the cyclic ether compound existing inside the battery is polymerized, so that It was found that a polymer having a polyether structure was formed, and this became a film on the electrode. The formed coating protects the positive electrode and suppresses the direct contact between the cyclic carbonate and the NO cation and the decomposition of the NO cation, thereby reducing the capacity deterioration of the battery. According to the present invention, by adding a cyclic ether compound inside the battery, it is possible to provide a battery having high energy density and high output, little deterioration at high temperatures, and high long-term reliability.
本発明の二次電池は、少なくとも、正極と、負極と、環状カーボネート化合物を含む電解液とを備え、正極または負極は、下記一般式(1)で示されるニトロキシドラジカル化合物を有しており、電極液は、環状カーボネート化合物の含有量よりも少ない、環状エーテル構造を有する環状エーテル化合物を有する。すなわち、電解液は、環状カーボネート化合物を含む溶剤を含有しており、この溶剤とは別に環状エーテル化合物を有する。このため、充電によって発生したNOカチオン(オキソアンモニウムカチオン)を重合開始剤として用い、添加した環状エーテル化合物の重合反応により得られた膜により、ニトロキシドカチオン化合物と環状カーボネート化合物との反応を抑制することができる。すなわち、電解液には、上記溶剤の電解質を溶解する目的とは別のニトロキシドカチオン化合物と環状カーボネート化合物との反応を抑制する目的で、環状エーテル化合物が添加されている。このため、電解液中の環状エーテルの含有量は、溶剤と比較して少ないほうが好ましい。これにより、環状エーテル化合物を添加した電池は、高温時や長期の使用において、充放電を安定して行うことができ、サイクル特性に優れた電池となる。したがって、本発明によれば、電極活物質として重金属を含まない軽くて安全な元素から構成される電池の高温時や長期間の充放電サイクル特性に対する信頼性を高めることができる。 The secondary battery of the present invention includes at least a positive electrode, a negative electrode, and an electrolytic solution containing a cyclic carbonate compound, and the positive electrode or the negative electrode has a nitroxide radical compound represented by the following general formula (1), The electrode solution has a cyclic ether compound having a cyclic ether structure that is less than the content of the cyclic carbonate compound. That is, the electrolytic solution contains a solvent containing a cyclic carbonate compound, and has a cyclic ether compound separately from this solvent. For this reason, NO cation (oxoammonium cation) generated by charging is used as a polymerization initiator, and the reaction between the nitroxide cation compound and the cyclic carbonate compound is suppressed by the film obtained by the polymerization reaction of the added cyclic ether compound. Can do. That is, a cyclic ether compound is added to the electrolytic solution for the purpose of suppressing the reaction between the nitroxide cation compound and the cyclic carbonate compound, which is different from the purpose of dissolving the electrolyte of the solvent. For this reason, it is preferable that the content of the cyclic ether in the electrolytic solution is smaller than that of the solvent. Thereby, the battery to which the cyclic ether compound is added can be stably charged and discharged at a high temperature or in a long-term use, and becomes a battery having excellent cycle characteristics. Therefore, according to the present invention, it is possible to improve the reliability of a battery composed of a light and safe element that does not contain heavy metal as an electrode active material at a high temperature and for a long-term charge / discharge cycle characteristic.
また、このような重合反応により得られた膜は、電極上に設けられており、例えば、電極全面を覆うように形成されている。本発明に係る膜は、正極と、負極と、溶剤を有する電解液と、を備える、二次電池に用いる膜であって、該膜は、正極上または負極上に設けられており、かつ環状エーテル化合物の重合物で構成される。このため、ニトロキシドカチオン化合物と環状カーボネート化合物との反応を抑制することができる。従って、このような膜を用いた二次電池においては、上記本発明の効果と同様の効果が得られる。 Moreover, the film | membrane obtained by such a polymerization reaction is provided on the electrode, for example, is formed so that the electrode whole surface may be covered. The film | membrane which concerns on this invention is a film | membrane used for a secondary battery provided with a positive electrode, a negative electrode, and the electrolyte solution which has a solvent, Comprising: This film | membrane is provided on the positive electrode or the negative electrode, and is cyclic | annular Consists of a polymerized ether compound. For this reason, reaction with a nitroxide cation compound and a cyclic carbonate compound can be suppressed. Therefore, in the secondary battery using such a film, the same effect as the effect of the present invention can be obtained.
また、本発明では、環状エーテル化合物が電池内部に含有されていれば良く、電解液中に限定されるものではない。ただし、エネルギー密度の観点から、環状エーテル化合物の添加量は少ないほうが好ましい。例えば、本発明に係る電解液は、電解液の全体に対して30wt%以下の環状エーテル化合物を有することが好ましい。 Moreover, in this invention, the cyclic ether compound should just be contained in the inside of a battery, and is not limited in electrolyte solution. However, from the viewpoint of energy density, it is preferable that the amount of cyclic ether compound added is small. For example, the electrolytic solution according to the present invention preferably has 30 wt% or less of a cyclic ether compound with respect to the entire electrolytic solution.
本発明における電池について説明する。図1は本発明に関する電池の一例であるラミネート外装型電池10の断面図である。図1に示す本発明における電池の基本構成としては、ニトロキシドラジカル化合物を有する正極1と、正極1に接続された正極集電体1Aと、正極集電体1Aに接続されエネルギーをセル外部に取り出す正極リード1Bとを有する。また、リチウムイオンを可逆的に挿入・脱離可能な炭素材料を含む負極2と、負極2に接続された負極集電体2Aと、負極集電体2Aに接続されエネルギーをセル外部に取り出す負極リード2Bとを有する。さらに、負極2をプレドープするためのリチウム供給源3と、リチウム供給源3に接続されたリチウム供給源集電体3Aと、正極1及び負極2間、リチウム供給源3及び正極集電体1A間に介在し電子を伝導せずイオンのみを伝導するセパレータ4と、これらを封止する外装体5とを有する。
The battery in the present invention will be described. FIG. 1 is a cross-sectional view of a
さらに、図2に本発明に関する電池の一例であるコイン型電池20の構成を示す。この電池はニトロキシドラジカル化合物を有する正極6と負極7と電解質を含むセパレータ8を介して対向するように重ね合わせ、さらに正極6上に、正極6を重ね合わせた構成体および外装体からなる正極集電体兼外装体6A、負極7下に負極集電体兼外装体7Aを有している。これらは負極側のステンレス外装と正極側のステンレス外装とで外装され、その間には、両者の電気的接触を防ぐ目的で、プラスチック樹脂等の絶縁性材料からなる絶縁パッキン9が配置される。なお、電解質として固体電解質やゲル電解質を用いる場合は、セパレータ4に代えてこれら電解質を電極間に介在させる形態にすることもできる。
Further, FIG. 2 shows a configuration of a coin-
本発明では、このような構成において、負極2、7もしくは正極1、6または両電極に用いられる電極活物質が、後述する一般式(1)で表される部分構造を有するラジカル化合物を含有する電極活物質であることを特徴とする。
In the present invention, in such a configuration, the
本発明の電池は、電池容量の点から、正極活物質として上記の電極活物質を用いたリチウム電池、特にリチウム二次電池とすることが好ましい。 From the viewpoint of battery capacity, the battery of the present invention is preferably a lithium battery using the above electrode active material as a positive electrode active material, particularly a lithium secondary battery.
[1]電極活物質
本発明における電極の電極活物質とは、充電反応および放電反応等の電極反応に直接寄与する物質のことであり、電池システムの中心的役割を果たすものである。
[1] Electrode active material The electrode active material of the electrode in the present invention is a material that directly contributes to electrode reactions such as charge reaction and discharge reaction, and plays a central role in the battery system.
本発明では、電極活物質として、一般式(1)で表されるニトロキシドラジカル化合物を含有する電極活物質を用いる。 In the present invention, an electrode active material containing a nitroxide radical compound represented by the general formula (1) is used as the electrode active material.
一般式(1)において、R1〜R4は、それぞれ独立に置換または無置換のアルキル基である。Xにおいて環員を構成する原子は、炭素原子、酸素原子、窒素原子、または硫黄原子である。ただし、Xは、ポリマーの主鎖または側鎖の一部を構成してもよく、Xは同一でも異なっていてもよい。nは、2または3の整数である。 In the general formula (1), R 1 to R 4 are each independently a substituted or unsubstituted alkyl group. An atom constituting a ring member in X is a carbon atom, an oxygen atom, a nitrogen atom, or a sulfur atom. However, X may constitute a part of the main chain or side chain of the polymer, and X may be the same or different. n is an integer of 2 or 3.
一般式(1)において、R1〜R4は、特に限定されないが、炭素数1〜4のアルキル基が好ましく、入手が容易の観点から、メチル基がより好ましい。アルキル基の置換基としては、例えば、酸素原子、窒素原子、硫黄原子、ケイ素原子、リン原子、ホウ素原子またはハロゲン原子等が挙げられる。 In the general formula (1), R 1 to R 4 are not particularly limited, but an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms is preferable, and a methyl group is more preferable from the viewpoint of easy availability. Examples of the substituent for the alkyl group include an oxygen atom, a nitrogen atom, a sulfur atom, a silicon atom, a phosphorus atom, a boron atom, and a halogen atom.
一般式(1)において、Xは、ポリマー側鎖の一部を構成することにより、またはポリマーの主鎖を構成することにより、本発明に係る環状オキソアンモニウムカチオン塩はポリマーになることができる。
ここでは、一般式(1)に示す−(X)n−は、上記一般式(1)が5員環または6員環を形成するような2価の基を表す。−(X)n−基において、環員を構成する原子は、炭素、酸素、窒素、または硫黄が好ましい。−(X)n−は、例えば、−CH2CH2−、−CH2CH2CH2−、−CH=CH−、−CH=CHCH2−、−CH=CHCH2CH2−等が挙げられる。この中で、隣接しない−CH2−は、−O−、−NH−または−S−によって置き換えられていてもよく、−CH=は−N=によって置き換えられていてもよい。また、環を構成する原子に結合した水素原子は、アルキル基、ハロゲン原子、=O等により置換されていてもよい。
In the general formula (1), X constitutes a part of the polymer side chain, or constitutes the main chain of the polymer, whereby the cyclic oxoammonium cation salt according to the present invention can be a polymer.
Here,-(X) n- shown in the general formula (1) represents a divalent group such that the general formula (1) forms a 5-membered ring or a 6-membered ring. In the-(X) n- group, the atom constituting the ring member is preferably carbon, oxygen, nitrogen, or sulfur. - (X) n-it is, for example, -CH 2 CH 2 -, -
本発明の電池において電極活物質は電極に固定された状態であっても、また、電解質へ溶解または分散した状態であってもよい。ただし、電極に固定された状態で用いる場合、電解液への溶解による容量低下を抑制するために、固体状態でさらに電解液に対し不溶性または低溶解性であることが好ましい。この際、電解液に対して不溶性または低溶解性であれば、膨潤しても良い。電解液への溶解性が高い場合、電極から電解液中に電極活物質が溶出することで、充放電サイクルに伴い容量が低下する場合があるためである。 In the battery of the present invention, the electrode active material may be fixed to the electrode, or may be dissolved or dispersed in the electrolyte. However, when used in a state of being fixed to the electrode, in order to suppress a decrease in capacity due to dissolution in the electrolytic solution, it is preferably insoluble or low-soluble in the electrolytic solution in the solid state. At this time, it may swell as long as it is insoluble or has low solubility in the electrolytic solution. This is because when the solubility in the electrolytic solution is high, the electrode active material is eluted from the electrode into the electrolytic solution, so that the capacity may decrease with the charge / discharge cycle.
このため、一般式(1)で表される部分構造を有するラジカル化合物は、数平均分子量が500以上であることが好ましく、数平均分子量が2000以上であることがより好ましく、数平均分子量が5000以上であることがさらに好ましい。これは、数平均分子量が500以上であると電池用電解液に溶解しにくくなり、さらに数平均分子量が2000以上になるとほぼ不溶となるからである。形状としては鎖状、分岐状、網目状のいずれでもよい。なお、得られたポリマーがジメチルホルムアミド、テトラヒドロフランなどに溶解しにくく、分子量が測定出来ない場合もある。明確な分子量が測定できないような構造でもよく、架橋剤で架橋したような構造でもよい。なお、上記数平均分子量は、ジメチルホルムアミド(DMF)を溶離液としたGPCにより、試料のDMF可溶部について測定を行うことで算出される値とする。 Therefore, the radical compound having a partial structure represented by the general formula (1) preferably has a number average molecular weight of 500 or more, more preferably a number average molecular weight of 2000 or more, and a number average molecular weight of 5000. More preferably, it is the above. This is because when the number average molecular weight is 500 or more, it is difficult to dissolve in the battery electrolyte, and when the number average molecular weight is 2000 or more, it is almost insoluble. The shape may be any of a chain, a branch, and a mesh. In addition, the obtained polymer is difficult to dissolve in dimethylformamide, tetrahydrofuran, etc., and the molecular weight may not be measured. A structure in which a clear molecular weight cannot be measured may be used, or a structure in which the molecular weight is crosslinked with a crosslinking agent may be used. The number average molecular weight is a value calculated by measuring the DMF soluble part of the sample by GPC using dimethylformamide (DMF) as an eluent.
上記のラジカル化合物としては、一般式(1)で表される部分構造のみを有する単独重合体を用いることも、他の部分構造を有する共重合体を用いることもできる。合成の都合上、単独重合体が好ましい。共重合体の場合、一般式(1)で表される部分構造が高分子化合物全体に対して、60モル%以上であることが好ましく、70モル%以上であることがより好ましく、80モル%以上であることがさらに好ましく、90モル%以上であることがもっとも好ましい。これは、ラジカル化合物中において一般式(1)で表される部分構造の割合が高いほど、電池容量が大きくなるためである。 As said radical compound, the homopolymer which has only the partial structure represented by General formula (1) can be used, and the copolymer which has another partial structure can also be used. For the convenience of synthesis, a homopolymer is preferred. In the case of a copolymer, the partial structure represented by the general formula (1) is preferably 60 mol% or more, more preferably 70 mol% or more, more preferably 80 mol% with respect to the entire polymer compound. More preferably, it is more preferably 90 mol% or more. This is because the battery capacity increases as the proportion of the partial structure represented by the general formula (1) in the radical compound increases.
一般式(1)で表される部分構造を有するラジカル化合物の例として、下記式(6)〜(13)で表される部分構造を有するラジカル化合物が挙げられる。 Examples of the radical compound having a partial structure represented by the general formula (1) include radical compounds having a partial structure represented by the following formulas (6) to (13).
上記式(6)で表されるラジカル化合物は、特許文献5(特開2002−304996号公報)に記載の方法で合成することができる。また、(7)で表されるラジカル化合物は、非特許文献1(須黒ら、マクロモレキュラー ラピッド コミュニケーションズ(Macromolecular Rapid Communications)28巻1929〜1933頁(2007年))に記載の方法で合成することができる。さらに、(9)及び(10)であらわされるラジカル化合物は、非特許文献2(須黒ら、マクロモレキュラー ケミストリー アンド フィジクス(Macromolecular Chemistry and Physics)210巻、1402〜1407頁(2009年))に記載の方法で合成することができる。上記式中のrは、繰り返し単位数を表し、特に限定されない任意の定数である。 The radical compound represented by the above formula (6) can be synthesized by the method described in Patent Document 5 (Japanese Patent Laid-Open No. 2002-304996). Further, the radical compound represented by (7) can be synthesized by the method described in Non-Patent Document 1 (Sukuro et al., Macromolecular Rapid Communications, Vol. 28, pages 1929-1933 (2007)). it can. Furthermore, the radical compound represented by (9) and (10) is described in Non-Patent Document 2 (Suguro et al., Macromolecular Chemistry and Physics 210, 1402-1407 (2009)). It can be synthesized by the method. In the above formula, r represents the number of repeating units, and is an arbitrary constant that is not particularly limited.
また、本発明の電解液において、添加剤として、環状エーテル化合物が使用され、特に下記一般式(2)で示される環状エーテル化合物が好ましい。本発明に係る環状エーテル化合物としては、様々な構造のものがあげられ、例えば、エチレンオキシド誘導体(3員環)、オキセタン誘導体(4員環)、テトラヒドロフラン誘導体(5員環)、テトラヒドロピラン誘導体(6員環)などの広く一般的に販売されている市販品を用いることが出来る。特に、エチレンオキシド誘導体はクロロメチルオキシラン、オキセタン誘導体はクロロメチルオキセタンを原料に、対応するナトリウムアルコキシドを反応させることで、簡便に合成することができる。 In the electrolytic solution of the present invention, a cyclic ether compound is used as an additive, and a cyclic ether compound represented by the following general formula (2) is particularly preferable. Examples of the cyclic ether compound according to the present invention include those having various structures. For example, an ethylene oxide derivative (3-membered ring), an oxetane derivative (4-membered ring), a tetrahydrofuran derivative (5-membered ring), a tetrahydropyran derivative (6 Commercially available products that are widely sold such as (membered rings) can be used. In particular, ethylene oxide derivatives can be easily synthesized by reacting chloromethyloxirane and oxetane derivatives with chloromethyloxetane as a raw material and corresponding sodium alkoxide.
一般式(2)において、アルキル基は、炭素数が1〜10であることが好ましく、置換または無置換のアリール基、エーテル、エステル等を有することが好ましい。ハロゲン原子は、置換または無置換のアルキル基、置換または無置換のアリール基等を有することが好ましい。 In the general formula (2), the alkyl group preferably has 1 to 10 carbon atoms, and preferably has a substituted or unsubstituted aryl group, ether, ester or the like. The halogen atom preferably has a substituted or unsubstituted alkyl group, a substituted or unsubstituted aryl group, or the like.
一般式(2)において、置換基としては、特に限定されないが、例えば、ハロゲン原子、アルキル基、カルボニル基、アミノ基、イミノ基、シアノ基、アゾ基、アジ基、チオール基、スルホ基、ニトロ基、ヒドロキシ基、アシル基、アルデヒド基、シクロアルキル基、アリール基等が挙げられる。 In the general formula (2), the substituent is not particularly limited, and examples thereof include a halogen atom, an alkyl group, a carbonyl group, an amino group, an imino group, a cyano group, an azo group, an azide group, a thiol group, a sulfo group, and a nitro group. Group, hydroxy group, acyl group, aldehyde group, cycloalkyl group, aryl group and the like.
また、一般式(2)で示される環状エーテル化合物の例として、下記式(14)〜(51)で表される化合物が挙げられる。もちろん、本出願の化合物はこれらの例に限定されるものではなく、様々な態様が考えられることは言うまでもない。 Examples of the cyclic ether compound represented by the general formula (2) include compounds represented by the following formulas (14) to (51). Of course, the compound of this application is not limited to these examples, and it cannot be overemphasized that various aspects can be considered.
また、本発明の電池の一つの極の電極活物質において、一般式(1)で表される部分構造を有するラジカル化合物は、単独で用いることができるが、二種類以上を組み合わせて用いても良い。また、他の電極活物質と組み合わせて用いても良い。このとき、電極活物質中に、一般式(1)で表される部分構造を有するラジカル化合物が10〜90質量%含まれていることが好ましく、50〜90質量%含まれていることがより好ましい。
Moreover, in the electrode active material of one electrode of the battery of the present invention, the radical compound having the partial structure represented by the general formula (1) can be used alone, but two or more kinds may be used in combination. good. Moreover, you may use in combination with another electrode active material. At this time, it is preferable that the radical compound which has the partial structure represented by General formula (1) is contained in the electrode
一般式(1)で表される部分構造を有するラジカル化合物を正極に用いる場合、他の電極活物質として、金属酸化物、ジスルフィド化合物、他の安定ラジカル化合物、および導電性高分子等を組み合わせることができる。ここで、金属酸化物としては、例えば、LiMnO2、LixMn2O4(0<x<2)等のマンガン酸リチウムまたはスピネル構造を有するマンガン酸リチウム、MnO2、LiCoO2、LiNiO2、あるいはLiyV2O5(0<y<2)、LiFePO4、LiCoPO4、LiMnPO4等のオリビン系材料、LiNi0.5Mn1.5O4、LiCr0.5Mn1.5O4、LiCo0.5Mn1.5O4、LiCoMnO4、LiNi0.5Mn0.5O2、LiNi0.33Mn0,33Co0.33O2、LiNi0.8Co0.2O2、LiN0.5Mn1.5−zTizO4(0<z<1.5)、Li2MnO3等のスピネル構造中のMnの一部を他の遷移金属で置換した材料、等が挙げられる。ジスルフィド化合物としては、ジチオグリコール、2,5−ジメルカプト−1,3,4−チアジアゾール、S−トリアジン−2,4,6−トリチオール等が挙げられる。他の安定ラジカル化合物としては、ポリ(4−メタクリロイロキシ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−N−オキシル)、ポリ(4−アクリロイロキシ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−N−オキシル)、ポリ(4−ビニロキシ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−N−オキシル)等が挙げられる。また、導電性高分子としては、ポリアセチレン、ポリフェニレン、ポリアニリン、ポリピロール等が挙げられる。これらの中でも特に、マンガン酸リチウムまたはLiCoO2と組み合わせることが好ましい。本発明では、これらの他の電極活物質を単独、もしくは2種以上を組み合わせて使用することもできる。 When a radical compound having a partial structure represented by the general formula (1) is used for the positive electrode, a metal oxide, a disulfide compound, another stable radical compound, a conductive polymer, or the like is combined as another electrode active material. Can do. Here, as the metal oxide, for example, lithium manganate such as LiMnO 2 , Li x Mn 2 O 4 (0 <x <2) or lithium manganate having a spinel structure, MnO 2 , LiCoO 2 , LiNiO 2 , Or olivine materials such as Li y V 2 O 5 (0 <y <2), LiFePO 4 , LiCoPO 4 , LiMnPO 4 , LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 , LiCr 0.5 Mn 1.5 O 4 LiCo 0.5 Mn 1.5 O 4 , LiCoMnO 4 , LiNi 0.5 Mn 0.5 O 2 , LiNi 0.33 Mn 0,33 Co 0.33 O 2 , LiNi 0.8 Co 0.2 O 2 , part of Mn in spinel structure such as LiN 0.5 Mn 1.5-z Ti z O 4 (0 <z <1.5), Li 2 MnO 3 and other transition gold And materials substituted with a genus. Examples of the disulfide compound include dithioglycol, 2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole, S-triazine-2,4,6-trithiol and the like. Other stable radical compounds include poly (4-methacryloyloxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-N-oxyl), poly (4-acryloyloxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine -N-oxyl), poly (4-vinyloxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-N-oxyl) and the like. Examples of the conductive polymer include polyacetylene, polyphenylene, polyaniline, and polypyrrole. Among these, it is particularly preferable to combine with lithium manganate or LiCoO 2 . In the present invention, these other electrode active materials can be used alone or in combination of two or more.
一般式(1)で表される部分構造を有するラジカル化合物を負極に用いる場合、他の電極活物質として、グラファイトや非晶質カーボン、金属リチウムやリチウム合金、リチウムイオン吸蔵炭素、金属ナトリウム、導電性高分子等を用いることができる。また、他の安定ラジカル化合物を用いてもよい。他の安定ラジカル化合物としては、ポリ(4−メタクリロイロキシ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−N−オキシル)、ポリ(4−アクリロイロキシ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−N−オキシル)、ポリ(4−ビニロキシ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−N−オキシル)、などが挙げられる。これらの形状としては特に限定されず、例えば金属リチウムでは薄膜状のものに限らず、バルク状のもの、粉末を固めたもの、繊維状のもの、フレーク状のもの等であっても良い。これらの中でも特に、金属リチウムまたはグラファイトと組み合わせることが好ましい。また、これらの他の電極活物質を単独、もしくは2種以上を組み合わせて使用できる。 When the radical compound having the partial structure represented by the general formula (1) is used for the negative electrode, as other electrode active materials, graphite, amorphous carbon, metallic lithium, lithium alloy, lithium ion occlusion carbon, metallic sodium, conductive Can be used. Moreover, you may use another stable radical compound. Other stable radical compounds include poly (4-methacryloyloxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-N-oxyl), poly (4-acryloyloxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine -N-oxyl), poly (4-vinyloxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-N-oxyl), and the like. These shapes are not particularly limited. For example, metallic lithium is not limited to a thin film shape, and may be a bulk shape, a powdered shape, a fiber shape, a flake shape, or the like. Among these, it is preferable to combine with metallic lithium or graphite. These other electrode active materials can be used alone or in combination of two or more.
本発明の電池は、正極もしくは負極の一方の電極反応、または両方の電極反応における電極活物質として、一般式(1)で表される部分構造を有するラジカル化合物を用いるが、一方の電極反応における電極活物質として用いる場合、もう一方の電極における電極活物質として上記例示のような従来公知の電極活物質が利用できる。これらの電極活物質を単独、もしくは2種以上を組み合わせて使用することもでき、これらの電極活物質の少なくとも1種と一般式(1)で表される部分構造を有するラジカル化合物とを組み合わせて用いてもよい。また、一般式(1)で表される部分構造を有するラジカル化合物を単独で用いることもできる。 The battery of the present invention uses a radical compound having a partial structure represented by the general formula (1) as an electrode active material in one electrode reaction of the positive electrode or the negative electrode, or in both electrode reactions. When using as an electrode active material, conventionally well-known electrode active materials as exemplified above can be used as the electrode active material in the other electrode. These electrode active materials can be used alone or in combination of two or more kinds, and a combination of at least one of these electrode active materials and a radical compound having a partial structure represented by the general formula (1). It may be used. Moreover, the radical compound which has the partial structure represented by General formula (1) can also be used independently.
本発明では、正極もしくは負極での電極反応に、一般式(1)で表される部分構造を有するラジカル化合物が直接寄与していればよく、電極活物質材料として用いる電極は正極もしくは負極のいずれかに限定されるものではない。ただし、エネルギー密度の観点から、特にこの一般式(1)で表される部分構造を有するラジカル化合物を正極の電極活物質として用いることが好ましい。このとき、正極活物質としては、一般式(1)で表される部分構造を有するラジカル化合物を単独で用いることが好ましい。ただし、他の正極活物質と組み合わせて使用することもでき、その際の他の正極活物質としては、マンガン酸リチウム、LiCoO2、LiFePO4が好ましい。さらに、上記の正極活物質を用いる場合、負極活物質として金属リチウムまたはグラファイトを用いることが好ましい。 In the present invention, the radical compound having the partial structure represented by the general formula (1) may directly contribute to the electrode reaction at the positive electrode or the negative electrode, and the electrode used as the electrode active material is either a positive electrode or a negative electrode. It is not limited to crab. However, from the viewpoint of energy density, it is particularly preferable to use a radical compound having a partial structure represented by the general formula (1) as the electrode active material of the positive electrode. At this time, as the positive electrode active material, a radical compound having a partial structure represented by the general formula (1) is preferably used alone. However, it can also be used in combination with other positive electrode active materials, and as the other positive electrode active materials at that time, lithium manganate, LiCoO 2 , LiFePO 4 are preferable. Furthermore, when using said positive electrode active material, it is preferable to use metallic lithium or graphite as a negative electrode active material.
[2]導電付与剤(補助導電材)およびイオン伝導補助材
一般式(1)で表されるラジカル化合物を用いて電極を形成する場合に、インピーダンスを低下させ、エネルギー密度、出力特性を向上させる目的で、導電付与剤(補助導電材)やイオン伝導補助材を混合させることもできる。これらの材料としては、補助導電材としては、グラファイト、カーボンブラック、アセチレンブラック等の炭素質微粒子、気相成長炭素繊維(VGCF)、カーボンナノチューブ等の炭素繊維、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリアセン等の導電性高分子、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーンが挙げられ、イオン伝導補助材としては高分子ゲル電解質、高分子固体電解質等が挙げられる。これらの中でも、炭素繊維を混合することが好ましい。炭素繊維を混合することで電極の引張り強度がより大きくなり、電極にひびが入ったり剥がれたりすることが少なくなる。より好ましくは、気相成長炭素繊維を混合することがより好ましい。これらの材料は、単独でまたは2種類以上混合して用いることもできる。電極中のこれらの材料の割合としては、10〜80質量%が好ましい。
[2] Conductivity-imparting agent (auxiliary conductive material) and ion conduction auxiliary material When forming an electrode using the radical compound represented by the general formula (1), the impedance is lowered, and the energy density and output characteristics are improved. For the purpose, a conductivity-imparting agent (auxiliary conductive material) or an ion conduction auxiliary material may be mixed. Among these materials, auxiliary conductive materials include carbonaceous fine particles such as graphite, carbon black, and acetylene black, carbon fibers such as vapor grown carbon fiber (VGCF) and carbon nanotube, polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polyacetylene, and polyacetylene. Conductive polymers such as carbon nanotubes and carbon nanohorns, and examples of the ion conduction auxiliary material include polymer gel electrolytes and polymer solid electrolytes. Among these, it is preferable to mix carbon fibers. By mixing carbon fiber, the tensile strength of the electrode is increased, and the electrode is less likely to crack or peel off. More preferably, it is more preferable to mix vapor growth carbon fiber. These materials can be used alone or in admixture of two or more. As a ratio of these materials in an electrode, 10-80 mass% is preferable.
[3]結着剤
電極の各構成材料間の結びつきを強めるために、結着剤を用いることもできる。このような結着剤としては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ビニリデンフロライド−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ビニリデンフロライド−テトラフルオロエチレン共重合体、スチレン・ブタジエン共重合ゴム、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ワニス、各種ポリウレタン等の樹脂バインダが挙げられる。これらの樹脂バインダは、単独でまたは2種類以上混合して用いることもできる。電極中の結着剤の割合としては、1〜30質量%が好ましく、1〜15質量%がさらに好ましい。
[3] Binder A binder can also be used to strengthen the connection between the constituent materials of the electrode. Examples of such binders include polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene copolymer, styrene / butadiene copolymer rubber, polypropylene, and polyethylene. , Resin binders such as polyamide, polyimide, polyamideimide, varnish, and various polyurethanes. These resin binders can be used alone or in admixture of two or more. As a ratio of the binder in an electrode, 1-30 mass% is preferable, and 1-15 mass% is more preferable.
[4]触媒
電極反応をより潤滑に行うために、酸化還元反応を助ける触媒を用いることもできる。このような触媒としては、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリアセン等の導電性高分子、ピリジン誘導体、ピロリドン誘導体、ベンズイミダゾール誘導体、ベンゾチアゾール誘導体、アクリジン誘導体等の塩基性化合物、金属イオン錯体等が挙げられる。これらの触媒は、単独でまたは2種類以上混合して用いることもできる。電極中の触媒の割合としては、10質量%以下が好ましい。
[4] Catalyst In order to perform the electrode reaction more smoothly, a catalyst that assists the redox reaction can be used. Examples of such catalysts include conductive polymers such as polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polyacetylene, and polyacene, basic compounds such as pyridine derivatives, pyrrolidone derivatives, benzimidazole derivatives, benzothiazole derivatives, and acridine derivatives, and metal ion complexes. Can be mentioned. These catalysts can be used alone or in admixture of two or more. The ratio of the catalyst in the electrode is preferably 10% by mass or less.
[5]集電体およびセパレータ
負極集電体、正極集電体としては、ニッケル、アルミニウム、銅、金、銀、アルミニウム合金、ステンレス、炭素等からなる箔、金属平板、メッシュ状などの形状のものを用いることができる。また、集電体に触媒効果を持たせたり、電極活物質と集電体とを化学結合させたりしてもよい。
一方、上記の正極、および負極が接触しないようにポリエチレン、ポリプロピレン等からなる多孔質フィルムや不織布などのセパレータを用いることもできる。
[5] Current collector and separator As the negative electrode current collector and the positive electrode current collector, foils made of nickel, aluminum, copper, gold, silver, aluminum alloy, stainless steel, carbon, etc., metal flat plates, mesh shapes, etc. Things can be used. Further, the current collector may have a catalytic effect, or the electrode active material and the current collector may be chemically bonded.
On the other hand, a separator such as a porous film or non-woven fabric made of polyethylene, polypropylene, or the like can be used so that the positive electrode and the negative electrode are not in contact with each other.
[6]電解質
本発明において、電解質は、負極と正極の両極間の荷電担体輸送を行うものであり、一般には20℃で10−5〜10−1S/cmのイオン伝導性を有していることが好ましい。電解質としては、例えば電解質塩を溶剤に溶解した電解液を利用することができる。電解質塩として、例えばLiPF6、LiClO4、LiBF4、LiCF3SO3、Li(CF3SO2)2N、Li(C2F5SO2)2N、Li(CF3SO2)3C、Li(C2F5SO2)3C等の従来公知の材料を用いることができる。これらの電解質塩は、単独でまたは2種類以上混合して用いることもできる。
[6] Electrolyte In the present invention, the electrolyte performs charge carrier transport between the negative electrode and the positive electrode, and generally has an ionic conductivity of 10 −5 to 10 −1 S / cm at 20 ° C. Preferably it is. As the electrolyte, for example, an electrolytic solution in which an electrolyte salt is dissolved in a solvent can be used. Examples of the electrolyte salt include LiPF 6 , LiClO 4 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N, Li (CF 3 SO 2 ) 3 C Conventionally known materials such as Li (C 2 F 5 SO 2 ) 3 C can be used. These electrolyte salts can be used alone or in admixture of two or more.
また,電解液に溶剤を用いる場合、溶剤としては例えばアセトニトリル、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、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、γ−ブチロラクトン、ジオキソラン、スルホラン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン等の有機溶媒を用いることができる。これらの溶剤を単独もしくは2種類以上混合して用いることもできる。 When a solvent is used for the electrolytic solution, examples of the solvent include acetonitrile, ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, γ-butyrolactone, dioxolane, sulfolane, dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methyl- An organic solvent such as 2-pyrrolidone can be used. These solvents can be used alone or in admixture of two or more.
さらに、本発明の電解質としてはイオン液体を用いることもできる。これらイオン液体としては、1−ブチル−2,3−ジメチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスファート、1−ブチル−2,3−ジメチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、1−ブチル−2,3−ジメチルイミダゾリウムテトラフルオロボラート、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスファート、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボラート、1−エチル−2,3−ジメチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスファート、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボラート、1−メチル−3−n−オクチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスファートなどのイミダゾリウム塩、1−ブチル−1−メチルピロリジニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、1−メチル−1−プロピルピロリジニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドなどのピロリジニウム塩、1−ブチル−4−メチルピリジニウムヘキサフルオロホスファート、1−ブチルピリジニウムヘキサフルオロホスファート、1−エチル−3−メチルピリジニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、などのピリジニウム塩、トリエチルペンチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、シクロヘキシルトリメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、メチルトリ−n−オクチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、トリブチルメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドなどのアンモニウム塩等の有機溶媒を用いることができる。これらの溶剤を単独もしくは2種類以上混合して用いることもできる。 Furthermore, an ionic liquid can also be used as the electrolyte of the present invention. These ionic liquids include 1-butyl-2,3-dimethylimidazolium hexafluorophosphate, 1-butyl-2,3-dimethylimidazolium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide, 1-butyl-2,3-dimethyl. Imidazolium tetrafluoroborate, 1-butyl-3-methylimidazolium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide, 1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate, 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate 1-ethyl-2,3-dimethylimidazolium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide, 1-ethyl-3-methylimidazolium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide, 1-ethyl-3-methylimidazolium hexafluoro Imidazolium salts such as phosphate, 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, 1-methyl-3-n-octylimidazolium hexafluorophosphate, 1-butyl-1-methylpyrrolidinium bis (trifluoro) Pyrrolidinium salts such as 1-methyl-1-propylpyrrolidinium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide, 1-butyl-4-methylpyridinium hexafluorophosphate, 1-butylpyridinium hexafluorophosphate, -Pyridinium salts such as ethyl-3-methylpyridinium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide, triethylpentylammonium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide, cyclohexyltrimethylan Niumubisu (trifluoromethanesulfonyl) imide, can be used organic solvents such as ammonium salts, such as methyltri -n- octyl ammonium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide, tributyl ammonium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide. These solvents can be used alone or in admixture of two or more.
さらに、本発明では電解質として固体電解質を用いることもできる。これら固体電解質に用いられる高分子化合物としては、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−エチレン共重合体、フッ化ビニリデン−モノフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン三元共重合体等のフッ化ビニリデン系重合体や、アクリロニトリル−メチルメタクリレート共重合体、アクリロニトリル−メチルアクリレート共重合体、アクリロニトリル−エチルメタクリレート共重合体、アクリロニトリル−エチルアクリレート共重合体、アクリロニトリル−メタクリル酸共重合体、アクリロニトリル−アクリル酸共重合体、アクリロニトリル−ビニルアセテート共重合体等のアクリルニトリル系重合体、さらにポリエチレンオキサイド、エチレンオキサイド−プロピレンオキサイド共重合体、これらのアクリレート体やメタクリレート体の重合体などが挙げられる。これらの高分子化合物に電解液を含ませてゲル状にしたものを用いても、電解質塩を含有させた高分子化合物のみをそのまま用いても良い。 Furthermore, in the present invention, a solid electrolyte can be used as the electrolyte. Polymer compounds used in these solid electrolytes include polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-ethylene copolymer, vinylidene fluoride-monofluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride. -Vinylidene fluoride polymers such as trifluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene terpolymer, and acrylonitrile-methyl methacrylate copolymer Polymer, acrylonitrile-methyl acrylate copolymer, acrylonitrile-ethyl methacrylate copolymer, acrylonitrile-ethyl acrylate copolymer, acrylonitrile-methacrylic acid copolymer, acrylonitrile-acrylic Le acid copolymers, acrylonitrile - vinyl acetate copolymer, acrylonitrile-based polymer, further polyethylene oxide, ethylene oxide - propylene oxide copolymers, and polymers of these acrylates body or methacrylate body thereof. These polymer compounds may be used in the form of a gel containing an electrolytic solution, or only a polymer compound containing an electrolyte salt may be used as it is.
このように、本発明に係る電解液を、正極と、負極と、溶剤を有する電解液と、を備えており、正極または負極は、上記一般式(1)で示されるニトロキシドラジカルを有しており、電解液は、溶剤とは別に環状エーテル構造を有する環状エーテル化合物を有する、二次電池に用いることができる。これにより、容量密度が高く、かつ大きな電流を取り出すことができる電極活物質、および、高エネルギー密度、かつ高出力であり、高温時や長期信頼性の高い電池を提供することができる。 Thus, the electrolytic solution according to the present invention includes a positive electrode, a negative electrode, and an electrolytic solution having a solvent, and the positive electrode or the negative electrode has a nitroxide radical represented by the general formula (1). In addition, the electrolytic solution can be used for a secondary battery having a cyclic ether compound having a cyclic ether structure separately from the solvent. Accordingly, it is possible to provide an electrode active material having a high capacity density and capable of taking out a large current, and a battery having a high energy density and a high output, and having a high temperature and a long-term reliability.
[7]電池形状
本発明において、電池の形状は特に限定されず、従来公知のものを用いることができる。電池形状としては、電極積層体、あるいは巻回体を金属ケース、樹脂ケース、あるいはアルミニウム箔などの金属箔と合成樹脂フィルムからなるラミネートフィルム等によって封止したもの等が挙げられ、円筒型、角型、コイン型、およびシート型等で作製されるが、本発明はこれらに限定されるものではない。
[7] Battery shape In the present invention, the shape of the battery is not particularly limited, and a conventionally known battery can be used. Examples of the battery shape include an electrode laminate or a wound body sealed with a metal case, a resin case, or a laminate film made of a metal foil such as an aluminum foil and a synthetic resin film, etc. A mold, a coin mold, and a sheet mold are used, but the present invention is not limited to these.
[8]電池の製造方法
電池の製造方法としては特に限定されず、材料に応じて適宜選択した方法を用いることができる。例えば、電極活物質、導電付与剤などに溶剤を加えスラリー状にして電極集電体に塗布し、加熱もしくは常温で溶剤を揮発させることにより電極を作製し、さらにこの電極を対極、セパレータを挟んで積層または巻回して外装体で包み、電解液を注入して封止するといった方法である。スラリー化のための溶剤としては、テトラヒドロフラン、ジエチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテルなどのエーテル系溶媒、N、N−ジメチルホルムアミド、N−メチルピロリドン等のアミン系溶媒、ベンゼン、トルエン、キシレンなどの芳香族炭化水素系溶媒、ヘキサン、ヘプタンなどの脂肪族炭化水素系溶媒、クロロホルム、ジクロロメタン、ジクロロエタン、トリクロロエタン、四塩化炭素等のハロゲン化炭化水素系溶媒、アセトン、メチルエチルケトンなどのアルキルケトン系溶媒、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコールなどのアルコール系溶媒、ジメチルスルホキシド等が挙げられる。また、電極の作製法としては、電極活物質、導電付与剤などを乾式で混練した後、薄膜化し電極集電体上に積層する方法もある。電極の作製において、特に有機物の電極活物質、導電付与剤などに溶剤を加えスラリー状にして電極集電体に塗布し、加熱もしくは常温で溶剤を揮発させる方法の場合、電極の剥がれ、ひび割れ等が発生しやすい。本発明の一般式(1)で表される部分構造を有するラジカル化合物を用い、好ましくは80μm以上で500μm以下の厚さの電極を作製した場合、電極の剥がれ、ひび割れ等が発生しにくい、均一な電極が作製できるといった特徴を有している。
[8] Battery Manufacturing Method The battery manufacturing method is not particularly limited, and a method appropriately selected according to the material can be used. For example, a solvent is added to an electrode active material, a conductivity-imparting agent, etc. to form a slurry, which is applied to an electrode current collector, and the electrode is produced by heating or volatilizing the solvent at room temperature, and this electrode is sandwiched between a counter electrode and a separator. And then wrapped or wrapped in an outer package, and an electrolyte solution is injected and sealed. Solvents for slurrying include ether solvents such as tetrahydrofuran, diethyl ether and ethylene glycol dimethyl ether, amine solvents such as N, N-dimethylformamide and N-methylpyrrolidone, and aromatic carbonization such as benzene, toluene and xylene. Hydrogen solvents, aliphatic hydrocarbon solvents such as hexane and heptane, halogenated hydrocarbon solvents such as chloroform, dichloromethane, dichloroethane, trichloroethane and carbon tetrachloride, alkyl ketone solvents such as acetone and methyl ethyl ketone, methanol, ethanol, Examples include alcohol solvents such as isopropyl alcohol, dimethyl sulfoxide, and the like. In addition, as a method for manufacturing an electrode, there is a method in which an electrode active material, a conductivity-imparting agent, and the like are kneaded in a dry method and then thinned and laminated on an electrode current collector. In the production of electrodes, in particular, in the case of a method in which a solvent is added to an organic electrode active material, a conductivity imparting agent, etc. and applied to an electrode current collector, and the solvent is volatilized by heating or at room temperature, peeling of the electrode, cracking, etc. Is likely to occur. When a radical compound having a partial structure represented by the general formula (1) of the present invention is used, and an electrode having a thickness of preferably 80 μm or more and 500 μm or less is produced, the electrode is less likely to be peeled off or cracked, and the like. This makes it possible to produce a simple electrode.
電池を製造する際には、電極活物質として前記一般式(1)で表されるラジカル化合物そのものを用いて電池を製造する場合と、電極反応によって前記一般式(1)で表されるラジカル化合物に変化する重合体を用いて電池を製造する場合とがある。このような電極反応によって前記一般式(1)で表されるラジカル化合物に変化する重合体の例としては、ラジカル化合物を還元したアニオン体とリチウムイオンやナトリウムイオンといった電解質カチオンとからなるリチウム塩やナトリウム塩、あるいは、前記一般式(3)で表される化合物を酸化したカチオン体とPF6 −やBF4 −といった電解質アニオンとからなる塩などが挙げられる。 When manufacturing a battery, a case where a battery is manufactured using the radical compound itself represented by the general formula (1) as an electrode active material, and a radical compound represented by the general formula (1) by an electrode reaction. In some cases, a battery is produced using a polymer that changes into a slab. Examples of the polymer that changes to the radical compound represented by the general formula (1) by such an electrode reaction include a lithium salt composed of an anion body obtained by reducing the radical compound and an electrolyte cation such as lithium ion or sodium ion. sodium salt or the general formula cation body obtained by oxidizing the compound represented by (3) and PF 6 - or BF 4 -, salts consisting of such electrolyte anions.
本発明における蓄電デバイス(二次電池)は、高エネルギー密度と高い出力特性、低環境負荷、高い安全性を同時にできるため、電気自動車、ハイブリッド電気自動車などの駆動用または補助用蓄電源、または高い出力が求められる各種携帯電子機器の電源、ソーラーエネルギーや風力発電などの各種エネルギーの蓄電装置、あるいは家庭用電気器具の蓄電源などとして用いることができる。 The power storage device (secondary battery) according to the present invention can simultaneously achieve high energy density and high output characteristics, low environmental load, and high safety. It can be used as a power source for various portable electronic devices that require output, a power storage device for various types of energy such as solar energy and wind power generation, or a storage power source for household appliances.
本発明に於いて、電極からのリードの取り出し、外装等のその他の製造条件は電池の製造方法として従来公知の方法を用いることができる。 In the present invention, a conventionally known method can be used as a method for manufacturing a battery for other manufacturing conditions such as taking out leads from electrodes and packaging.
以下、本発明の詳細について合成例、実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。尚、本実施例におけるセル作製工程は全て、露点−60℃以下のドライルーム中において行ったものである。 Hereinafter, although the detail of this invention is concretely demonstrated by a synthesis example and an Example, this invention is not limited to these Examples. In addition, all the cell preparation processes in a present Example were performed in the dry room whose dew point is -60 degrees C or less.
(実施例1)
<正極の作製>
ラジカル化合物(6)200mg、グラファイト粉末700mg、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)樹脂バインダ100mgを量り採り、メノウ乳鉢を用い混練した。10分ほど乾式混合して得られた混合体を、圧力を掛けてローラー延伸することにより、厚さ約150μmの薄膜とした。これを、真空中80℃で一晩乾燥した後、直径12mmの円形に打ち抜き、コイン電池用電極を成型した。なお、この電極の質量は15.0mgだった。
Example 1
<Preparation of positive electrode>
200 mg of radical compound (6), 700 mg of graphite powder, and 100 mg of polytetrafluoroethylene (PTFE) resin binder were weighed and kneaded using an agate mortar. The mixture obtained by dry-mixing for about 10 minutes was subjected to roller stretching under pressure to obtain a thin film having a thickness of about 150 μm. This was dried overnight at 80 ° C. in a vacuum, and then punched into a circle with a diameter of 12 mm to form a coin battery electrode. The mass of this electrode was 15.0 mg.
<セル作製>
次に、得られた電極を電解液に浸して、電極中の空隙に電解液を染み込ませた。電解液としては、1.0mol/LのLiPF6電解質塩、4wt%の環状エーテル化合物(18)の両方を含むエチレンカーボネート/ジエチルカーボネート混合溶液(混合体積比3:7)を用いた。電解液を含浸させた電極は、正極集電体上に置き、その上に同じく電解液を含浸させたポリプロピレン多孔質フィルムセパレータを積層した。さらに負極となるリチウムディスクを積層し、さらに、周囲に絶縁パッキンを配置した状態で正極側及び負極側からそれぞれのステンレス外装を重ね合わせた。これを、かしめ機によって圧力を加えることで、正極活物質としてラジカル化合物(6)、負極活物質として金属リチウムを用いた密閉型のコイン型電池とした。
<Cell fabrication>
Next, the obtained electrode was immersed in an electrolytic solution, and the electrolytic solution was infiltrated into voids in the electrode. As the electrolytic solution, an ethylene carbonate / diethyl carbonate mixed solution (mixing volume ratio 3: 7) containing both 1.0 mol / L LiPF 6 electrolyte salt and 4 wt% of the cyclic ether compound (18) was used. The electrode impregnated with the electrolytic solution was placed on the positive electrode current collector, and a polypropylene porous film separator impregnated with the electrolytic solution was laminated thereon. Further, a lithium disk serving as a negative electrode was laminated, and further, the respective stainless steel sheaths were stacked from the positive electrode side and the negative electrode side with an insulating packing disposed around. By applying pressure with a caulking machine, a sealed coin-type battery using a radical compound (6) as a positive electrode active material and metallic lithium as a negative electrode active material was obtained.
<充放電評価>
以上のように作製したコイン電池にコンディショニング充放電を行い、さらに0.1mAの定電流で電圧が4.0Vになるまで充電し、その後、0.1mAの定電流で3.0Vまで放電を行った。その結果、3.5V付近に電圧平坦部が観測され、電極活物質あたりの放電容量は110mAh/gだった。さらに、50℃の温度において電圧範囲4.0〜3.0Vで充放電を50回繰り返した。その結果、50回の充放電すべてにおいて、放電時に3.5V付近で電圧が一定になり、(50回目の放電容量)/(1回目の放電容量)は95%だった。
<Evaluation of charge / discharge>
Conditioning charge / discharge is performed on the coin battery manufactured as described above, and further, charging is performed at a constant current of 0.1 mA until the voltage reaches 4.0 V, and then discharging is performed at a constant current of 0.1 mA to 3.0 V. It was. As a result, a voltage flat portion was observed in the vicinity of 3.5 V, and the discharge capacity per electrode active material was 110 mAh / g. Furthermore, charging / discharging was repeated 50 times in the voltage range 4.0-3.0V in the temperature of 50 degreeC. As a result, in all 50 charge / discharge cycles, the voltage was constant at around 3.5 V during discharge, and (50th discharge capacity) / (1st discharge capacity) was 95%.
(実施例2)
<正極の作製>
小型ホモジナイザー容器にN−メチルピロリドン20gを量り採り、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)300mgを加え、30分間撹拌し完全に溶解させた。そこへ、ラジカル化合物(6)を200mg加え全体が均一なオレンジ色になるまで5分間撹拌した。ここへ気相成長炭素繊維(VGCF)500mgを加え、さらに15分間撹拌することによりスラリーを得た。得られたスラリーをアルミニウム箔上に塗布し、120℃で乾燥させて正極を作製した。正極層の厚みは120μmだった。作製した電極に、剥がれ、ひび割れ等は見られなく、表面は均一であった。これを、直径12mmの円形に打ち抜き、コイン電池用電極を成型した。なお、この電極の質量は16.2mg(うち、アルミニウム箔は6.0mg)だった。
(Example 2)
<Preparation of positive electrode>
In a small homogenizer container, 20 g of N-methylpyrrolidone was weighed, 300 mg of polyvinylidene fluoride (PVdF) was added, and stirred for 30 minutes to completely dissolve. Thereto, 200 mg of the radical compound (6) was added and stirred for 5 minutes until the whole became a uniform orange color. To this was added 500 mg of vapor grown carbon fiber (VGCF), and the mixture was further stirred for 15 minutes to obtain a slurry. The obtained slurry was applied on an aluminum foil and dried at 120 ° C. to produce a positive electrode. The thickness of the positive electrode layer was 120 μm. The produced electrode was not peeled off or cracked, and the surface was uniform. This was punched out into a circle with a diameter of 12 mm to mold a coin battery electrode. In addition, the mass of this electrode was 16.2 mg (of which aluminum foil was 6.0 mg).
<負極の作製>
グラファイト粉末(粒径6ミクロン)13.5gと、ポリフッ化ビニリデン1.35g、カーボンブラック0.15g、N−メチル−2−ピロリドン溶媒30gを良く混合し、負極スラリーを作製した。カーボン系導電塗料でコートされた厚さ32μmのエキスパンドメタル銅箔片面に負極のスラリーを塗布し、真空乾燥させることにより負極を作製した。集電体を含む負極全体の厚みは90ミクロンであった。
<Production of negative electrode>
13.5 g of graphite powder (particle size 6 microns), 1.35 g of polyvinylidene fluoride, 0.15 g of carbon black, and 30 g of N-methyl-2-pyrrolidone solvent were mixed well to prepare a negative electrode slurry. A negative electrode slurry was applied to one side of an expanded metal copper foil having a thickness of 32 μm coated with a carbon-based conductive paint, and vacuum-dried to prepare a negative electrode. The total thickness of the negative electrode including the current collector was 90 microns.
<セル作製>
次に、得られた電極を電解液に浸して、電極中の空隙に電解液を染み込ませた。電解液としては、1.0mol/LのLiPF6電解質塩、4wt%の環状エーテル化合物(18)の両方を含むエチレンカーボネート/ジエチルカーボネート混合溶液(混合体積比3:7)を用いた。電解液を含浸させた電極は、正極集電体(アルミ箔)上に置き、その上に同じく電解液を含浸させたポリプロピレン多孔質フィルムセパレータを積層した。さらに負極となるグラファイト層を片面に付した銅箔を積層した。さらに、周囲に絶縁パッキンを配置した状態で正極側及び負極側からそれぞれのステンレス外装を重ね合わせた。これを、かしめ機によって圧力を加えることで、正極活物質としてラジカル化合物(2)、負極活物質としてグラファイトを用いた密閉型のコイン型電池とした。
<Cell fabrication>
Next, the obtained electrode was immersed in an electrolytic solution, and the electrolytic solution was infiltrated into voids in the electrode. As the electrolytic solution, an ethylene carbonate / diethyl carbonate mixed solution (mixing volume ratio 3: 7) containing both 1.0 mol / L LiPF 6 electrolyte salt and 4 wt% of the cyclic ether compound (18) was used. The electrode impregnated with the electrolytic solution was placed on a positive electrode current collector (aluminum foil), and a polypropylene porous film separator impregnated with the electrolytic solution was laminated thereon. Furthermore, the copper foil which attached | coated the graphite layer used as a negative electrode on one side was laminated | stacked. Further, the respective stainless steel sheaths were overlapped from the positive electrode side and the negative electrode side with the insulating packing disposed around the periphery. By applying pressure with a caulking machine, a sealed coin type battery using radical compound (2) as a positive electrode active material and graphite as a negative electrode active material was obtained.
<充放電評価>
以上のように作製したコイン電池にコンディショニング充放電を行い、さらに0.1mAの定電流で電圧が4.0Vになるまで充電し、その後、0.1mAの定電流で3.0Vまで放電を行った。その結果、3.5V付近に電圧平坦部が観測され、電極活物質あたりの放電容量は101mAh/gだった。さらに、50℃の温度において電圧範囲4.0〜3.0Vで充放電を50回繰り返した。その結果、50回の充放電すべてにおいて、放電時に3.5V付近で電圧が一定になり、(50回目の放電容量)/(1回目の放電容量)は95%だった。
次に、コイン電池を0.1mAの定電流で電圧が4.0Vになるまで充電し、その後、5.0mAの定電流で放電を行った。その結果、電圧は3.4V付近で一定となり、その後急激に低下した。(5.0mA放電における放電容量)/(0.1mA放電における放電容量)は92%だった。
<Evaluation of charge / discharge>
Conditioning charge / discharge is performed on the coin battery manufactured as described above, and further, charging is performed at a constant current of 0.1 mA until the voltage reaches 4.0 V, and then discharging is performed at a constant current of 0.1 mA to 3.0 V. It was. As a result, a voltage flat portion was observed in the vicinity of 3.5 V, and the discharge capacity per electrode active material was 101 mAh / g. Furthermore, charging / discharging was repeated 50 times in the voltage range 4.0-3.0V in the temperature of 50 degreeC. As a result, in all 50 charge / discharge cycles, the voltage was constant at around 3.5 V during discharge, and (50th discharge capacity) / (1st discharge capacity) was 95%.
Next, the coin battery was charged with a constant current of 0.1 mA until the voltage reached 4.0 V, and then discharged with a constant current of 5.0 mA. As a result, the voltage became constant around 3.4 V and then dropped rapidly. (Discharge capacity at 5.0 mA discharge) / (discharge capacity at 0.1 mA discharge) was 92%.
(実施例3)
<正極の作製>
ホモジナイザーのカップに純水(42mL)、カルボキシメチルセルロース(CMC)400mg(4wt%)を加え、ホモジナイザーで完全に溶解させた後、PTFEの水分散溶液100mg(1wt%)を加えて攪拌させた。さらに、VGCF2.5g(15wt%)を少しずつ加えて均一になるまで攪拌させた。得られた黒色のスラリーに、ラジカル化合物(6)、7g(70wt%)を加えて、さらに均一になるまで攪拌しスラリーを作製した。さらに、得られたスラリーをアルミ箔(20μm)上に塗布した後、50℃で乾燥させることで正極を作製した。作製した電極に、剥がれ、ひび割れ等は見られなく、表面は均一であった。これを、直径12mmの円形に打ち抜き、コイン電池用電極を成型した。なお、この電極の質量は17.2mg(うち、アルミニウム箔は6.0mg)だった。
(Example 3)
<Preparation of positive electrode>
Pure water (42 mL) and carboxymethylcellulose (CMC) 400 mg (4 wt%) were added to the homogenizer cup and completely dissolved by the homogenizer, and then 100 mg (1 wt%) of an aqueous dispersion of PTFE was added and stirred. Further, 2.5 g (15 wt%) of VGCF was added little by little and stirred until uniform. Radical compound (6), 7 g (70 wt%) was added to the resulting black slurry, and stirred until it became more uniform to prepare a slurry. Furthermore, after apply | coating the obtained slurry on aluminum foil (20 micrometers), the positive electrode was produced by making it dry at 50 degreeC. The produced electrode was not peeled off or cracked, and the surface was uniform. This was punched out into a circle with a diameter of 12 mm to mold a coin battery electrode. The mass of this electrode was 17.2 mg (including 6.0 mg for aluminum foil).
<セル作製>
次に、得られた電極を電解液に浸して、電極中の空隙に電解液を染み込ませた。電解液としては、1.0mol/LのLiPF6電解質塩、4wt%の環状エーテル化合物(18)の両方を含むエチレンカーボネート/ジエチルカーボネート混合溶液(混合体積比3:7)を用いた。電解液を含浸させた電極は、正極集電体上に置き、その上に同じく電解液を含浸させたポリプロピレン多孔質フィルムセパレータを積層した。さらに負極となるリチウムディスクを積層した。周囲に絶縁パッキンを配置した状態で正極側及び負極側からそれぞれのステンレス外装を重ね合わせた。これを、かしめ機によって圧力を加えることで、正極活物質としてラジカル化合物(6)、負極活物質として金属リチウムを用いた密閉型のコイン型電池とした。
<Cell fabrication>
Next, the obtained electrode was immersed in an electrolytic solution, and the electrolytic solution was infiltrated into voids in the electrode. As the electrolytic solution, an ethylene carbonate / diethyl carbonate mixed solution (mixing volume ratio 3: 7) containing both 1.0 mol / L LiPF 6 electrolyte salt and 4 wt% of the cyclic ether compound (18) was used. The electrode impregnated with the electrolytic solution was placed on the positive electrode current collector, and a polypropylene porous film separator impregnated with the electrolytic solution was laminated thereon. Further, a lithium disk serving as a negative electrode was laminated. The respective stainless steel sheaths were overlapped from the positive electrode side and the negative electrode side in a state where the insulating packing was arranged around the periphery. By applying pressure with a caulking machine, a sealed coin-type battery using a radical compound (6) as a positive electrode active material and metallic lithium as a negative electrode active material was obtained.
<充放電評価>
以上のように作製したコイン電池にコンディショニング充放電を行い、さらに0.1mAの定電流で電圧が4.0Vになるまで充電し、その後、0.1mAの定電流で3.0Vまで放電を行った。その結果、3.5V付近で電圧平坦部が観測され、電極活物質あたりの放電容量は103mAh/gだった。さらに、50℃の温度において電圧範囲4.0〜3.0Vで充放電を50回繰り返した。その結果、50回の充放電すべてにおいて、放電時に3.5V付近で電圧が一定になり、(50回目の放電容量)/(1回目の放電容量)は96%だった。
<Evaluation of charge / discharge>
Conditioning charge / discharge is performed on the coin battery manufactured as described above, and further, charging is performed at a constant current of 0.1 mA until the voltage reaches 4.0 V, and then discharging is performed at a constant current of 0.1 mA to 3.0 V. It was. As a result, a voltage flat portion was observed around 3.5 V, and the discharge capacity per electrode active material was 103 mAh / g. Furthermore, charging / discharging was repeated 50 times in the voltage range 4.0-3.0V in the temperature of 50 degreeC. As a result, in all 50 charge / discharge cycles, the voltage was constant at around 3.5 V during discharge, and (50th discharge capacity) / (1st discharge capacity) was 96%.
(実施例4)
<セル作製>
ラジカル化合物(6)の代わりに、ラジカル化合物(7)を用いること以外は、実施例3と同様の方法を用いて正極を作製し、それを用いてコイン電池を作製した。作製した電極に、剥がれ、ひび割れ等は見られなく、表面は均一であった。このコイン電池の正極の重さは16.8mgであった(うち、アルミニウム箔は6.0mg)。
(Example 4)
<Cell fabrication>
A positive electrode was produced using the same method as in Example 3 except that the radical compound (7) was used instead of the radical compound (6), and a coin battery was produced using it. The produced electrode was not peeled off or cracked, and the surface was uniform. The weight of the positive electrode of this coin battery was 16.8 mg (of which aluminum foil was 6.0 mg).
<充放電評価>
以上のように作製したコイン電池にコンディショニング充放電を行い、さらに0.1mAの定電流で電圧が4.0Vになるまで充電し、その後、0.1mAの定電流で3.0Vまで放電を行った。その結果、3.5V付近で電圧平坦部が観測され、電極活物質あたりの放電容量は120mAh/gだった。さらに、50℃の温度において電圧範囲4.0〜3.0Vで充放電を50回繰り返した結果、(50回目の放電容量)/(1回目の放電容量)は96%だった。
次に、コイン電池を0.1mAの定電流で電圧が4.0Vになるまで充電し、その後、5.0mAの定電流で放電を行った。(5.0mA放電における放電容量)/(0.1mA放電における放電容量)は94%だった。
<Evaluation of charge / discharge>
Conditioning charge / discharge is performed on the coin battery manufactured as described above, and further, charging is performed at a constant current of 0.1 mA until the voltage reaches 4.0 V, and then discharging is performed at a constant current of 0.1 mA to 3.0 V. It was. As a result, a voltage flat portion was observed around 3.5 V, and the discharge capacity per electrode active material was 120 mAh / g. Furthermore, as a result of repeating charging and discharging 50 times in a voltage range of 4.0 to 3.0 V at a temperature of 50 ° C., (50th discharge capacity) / (1st discharge capacity) was 96%.
Next, the coin battery was charged with a constant current of 0.1 mA until the voltage reached 4.0 V, and then discharged with a constant current of 5.0 mA. (Discharge capacity at 5.0 mA discharge) / (discharge capacity at 0.1 mA discharge) was 94%.
(実施例5)
<セル作製>
ラジカル化合物(6)の代わりに、ラジカル化合物(9)を用いること以外は、実施例3と同様の方法を用いて正極を作製し、それを用いてコイン電池を作製した。作製した電極に、剥がれ、ひび割れ等は見られなく、表面は均一であった。このコイン電池の正極重さは17.3mg(うち、アルミニウム箔は6.0mg)であった。
(Example 5)
<Cell fabrication>
A positive electrode was produced in the same manner as in Example 3 except that the radical compound (9) was used instead of the radical compound (6), and a coin battery was produced using the positive electrode. The produced electrode was not peeled off or cracked, and the surface was uniform. The coin battery had a positive electrode weight of 17.3 mg (of which aluminum foil was 6.0 mg).
<充放電評価>
以上のように作製したコイン電池にコンディショニング充放電を行い、さらにこのコイン電池を、0.1mAの定電流で電圧が4.0Vになるまで充電し、その後、0.1mAの定電流で3.0Vまで放電を行った。その結果、3.5V付近で電圧平坦部が観測され、電極活物質あたりの放電容量は109mAh/gだった。さらに、50℃の温度において電圧範囲4.0〜3.0Vで充放電を50回繰り返した結果、(50回目の放電容量)/(1回目の放電容量)は95%だった。
<Evaluation of charge / discharge>
Conditioning charging / discharging is performed on the coin battery manufactured as described above, and the coin battery is further charged at a constant current of 0.1 mA until the voltage reaches 4.0 V, and thereafter, the coin battery is charged with a constant current of 0.1 mA. Discharge was performed to 0V. As a result, a voltage flat portion was observed around 3.5 V, and the discharge capacity per electrode active material was 109 mAh / g. Furthermore, as a result of repeating charge and discharge 50 times in a voltage range of 4.0 to 3.0 V at a temperature of 50 ° C., (50th discharge capacity) / (first discharge capacity) was 95%.
(実施例6)
<セル作製>
実施例3で作製したラジカル化合物(6)を含有する正極と実施例2で作製したグラファイト負極とをセパレータを介して順に重ねあわせ、電極積層体を作製した。積層体の最上部には、リチウム供給源となるリチウム金属張り合わせ銅箔を挿入した。正極集電体アルミ箔および正極リードを超音波溶接し、さらに同様に負極集電体銅箔、リチウム供給源集電体銅箔、および負極リードを溶接した。それらを厚み115ミクロンのアルミラミネートフィルムで覆い、リード部を含む3辺を先に熱融着した。次に、1mol/LのLiPF6、4wt%の環状エーテル化合物(18)を含む、EC/DEC=3/7の混合電解液をセル中に挿入し、電極中に良く含浸させた。最終的に減圧下にて最後の4辺目を熱融着し、蓄電デバイスを作製した。
(Example 6)
<Cell fabrication>
The positive electrode containing the radical compound (6) prepared in Example 3 and the graphite negative electrode prepared in Example 2 were sequentially stacked via a separator to prepare an electrode laminate. A lithium metal-laminated copper foil serving as a lithium supply source was inserted into the uppermost part of the laminate. The positive electrode current collector aluminum foil and the positive electrode lead were ultrasonically welded, and the negative electrode current collector copper foil, the lithium supply source current collector copper foil, and the negative electrode lead were similarly welded. These were covered with an aluminum laminate film having a thickness of 115 microns, and the three sides including the lead portions were heat-sealed first. Next, a mixed electrolyte solution of EC / DEC = 3/7 containing 1 mol / L LiPF 6 , 4 wt% of the cyclic ether compound (18) was inserted into the cell, and the electrode was well impregnated. Finally, the last four sides were thermally fused under reduced pressure to produce an electricity storage device.
<充放電評価>
以上のように作製したアルミラミネートセルにコンディショニング充放電を行い、1mAの電流で4Vまで充電を行った。その後同じく1mAの電流で放電を行い3.0Vまでの容量を測定した。その結果、電圧平坦部が3.5V付近で観測され、電極活物質あたりの放電容量は102mAh/gだった。さらに、50℃の温度において電圧範囲4.0〜3.0Vで充放電を50回繰り返した結果、(50回目の放電容量)/(1回目の放電容量)は94%だった。
<Evaluation of charge / discharge>
The aluminum laminate cell produced as described above was subjected to conditioning charge / discharge, and charged to 4 V with a current of 1 mA. Thereafter, discharge was similarly performed at a current of 1 mA, and the capacity up to 3.0 V was measured. As a result, a flat voltage portion was observed around 3.5 V, and the discharge capacity per electrode active material was 102 mAh / g. Furthermore, as a result of repeating charging and discharging 50 times in a voltage range of 4.0 to 3.0 V at a temperature of 50 ° C., (50th discharge capacity) / (1st discharge capacity) was 94%.
(実施例7)
<セル作製>
実施例3で作製したラジカル化合物(6)を含有する正極の代わりに、実施例4で作製したラジカル化合物(7)を含有する正極を用いること以外は、実施例6と同様の方法でアルミラミネート電池を作製した。
(Example 7)
<Cell fabrication>
An aluminum laminate was prepared in the same manner as in Example 6 except that the positive electrode containing the radical compound (7) prepared in Example 4 was used instead of the positive electrode containing the radical compound (6) prepared in Example 3. A battery was produced.
<充放電評価>
以上のように作製したアルミラミネートセルにコンディショニング充放電を行い、1mAの電流で4.0Vまで充電を行った。その後同じく1mAの電流で放電を行い3.0Vまでの容量を測定した。その結果、電圧平坦部が3.5V付近で観測され、電極活物質あたりの放電容量は121mAh/gだった。さらに、50℃の温度において電圧範囲4.0〜3.0Vで充放電を50回繰り返した結果、(50回目の放電容量)/(1回目の放電容量)は96%だった。
<Evaluation of charge / discharge>
The aluminum laminate cell produced as described above was subjected to conditioning charge / discharge, and charged to 4.0 V with a current of 1 mA. Thereafter, discharge was similarly performed at a current of 1 mA, and the capacity up to 3.0 V was measured. As a result, a flat voltage portion was observed around 3.5 V, and the discharge capacity per electrode active material was 121 mAh / g. Furthermore, as a result of repeating charging and discharging 50 times in a voltage range of 4.0 to 3.0 V at a temperature of 50 ° C., (50th discharge capacity) / (1st discharge capacity) was 96%.
(実施例8)
<セル作製>
実施例3で作製したラジカル化合物(6)を含有する正極の代わりに、実施例5で作製したラジカル化合物(9)を含有する正極を用いること以外は、実施例6と同様の方法によりアルミラミネートセルを作製した。
(Example 8)
<Cell fabrication>
An aluminum laminate was prepared in the same manner as in Example 6 except that the positive electrode containing the radical compound (9) prepared in Example 5 was used instead of the positive electrode containing the radical compound (6) prepared in Example 3. A cell was produced.
<充放電評価>
以上のように作製したアルミラミネートセルにコンディショニング充放電を行い、1mAの電流で4.0Vまで充電を行った。その後同じく1mAの電流で放電を行い3.0Vまでの容量を測定した。その結果、電圧平坦部が3.5V付近で観測され、電極活物質あたりの放電容量は105mAh/gだった。さらに、50℃の温度において電圧範囲4.0〜3.0Vで充放電を50回繰り返した結果、(50回目の放電容量)/(1回目の放電容量)は96%だった。
<Evaluation of charge / discharge>
The aluminum laminate cell produced as described above was subjected to conditioning charge / discharge, and charged to 4.0 V with a current of 1 mA. Thereafter, discharge was similarly performed at a current of 1 mA, and the capacity up to 3.0 V was measured. As a result, a flat voltage portion was observed around 3.5 V, and the discharge capacity per electrode active material was 105 mAh / g. Furthermore, as a result of repeating charging and discharging 50 times in a voltage range of 4.0 to 3.0 V at a temperature of 50 ° C., (50th discharge capacity) / (1st discharge capacity) was 96%.
(実施例9〜112)
以下、実施例9〜112における実験操作について説明する。
<セル作製>
環状エーテル化合物(18)の代わりに、前記環状エーテル化合物を電解液中に添加し、実施例6と同様の方法によりアルミラミネートセルを作製した。
<充放電評価>
以上のように作製したアルミラミネートセルにコンディショニング充放電を行い、1mAの電流で4.0Vまで充電を行った。その後同じく1mAの電流で放電を行い3.0Vまでの容量を測定した。さらに、50℃の温度において電圧範囲4.0〜3.0Vで充放電を50回繰り返した。それらの結果を表1〜表3にまとめる。
(Examples 9 to 112)
Hereinafter, experimental operations in Examples 9 to 112 will be described.
<Cell fabrication>
Instead of the cyclic ether compound (18), the cyclic ether compound was added to the electrolytic solution, and an aluminum laminate cell was produced in the same manner as in Example 6.
<Evaluation of charge / discharge>
The aluminum laminate cell produced as described above was subjected to conditioning charge / discharge, and charged to 4.0 V with a current of 1 mA. Thereafter, discharge was similarly performed at a current of 1 mA, and the capacity up to 3.0 V was measured. Furthermore, charging / discharging was repeated 50 times in the voltage range 4.0-3.0V in the temperature of 50 degreeC. The results are summarized in Tables 1 to 3.
(比較例1)
実施例1と同様の方法で、ただし、環状エーテル化合物(18)を添加しないでコイン電池を作製した。
作製した電池に対して、実施例1と同様にして充放電を行い、電極活物質あたりの放電容量を計算したところ、109mAh/gだった。さらに、50℃の温度において電圧範囲4.0〜3.0Vで充放電を50回繰り返した結果、(50回目の放電容量)/(1回目の放電容量)は20%だった。
(Comparative Example 1)
A coin battery was produced in the same manner as in Example 1, but without adding the cyclic ether compound (18).
The produced battery was charged / discharged in the same manner as in Example 1, and the discharge capacity per electrode active material was calculated to be 109 mAh / g. Furthermore, as a result of repeating charging and discharging 50 times in a voltage range of 4.0 to 3.0 V at a temperature of 50 ° C., (50th discharge capacity) / (1st discharge capacity) was 20%.
(比較例2)
実施例2と同様の方法で、ただし、環状エーテル化合物(18)を添加しないでコイン電池を作製した。
作製した電池に対して、実施例1と同様にして充放電を行い、電極活物質あたりの放電容量を計算したところ、102mAh/gであった。さらに、50℃の温度において電圧範囲4.0〜3.0Vで充放電を50回繰り返した結果、(50回目の放電容量)/(1回目の放電容量)は16%だった。
(Comparative Example 2)
A coin battery was produced in the same manner as in Example 2, except that the cyclic ether compound (18) was not added.
The produced battery was charged and discharged in the same manner as in Example 1, and the discharge capacity per electrode active material was calculated to be 102 mAh / g. Furthermore, as a result of repeating charging and discharging 50 times in a voltage range of 4.0 to 3.0 V at a temperature of 50 ° C., (50th discharge capacity) / (1st discharge capacity) was 16%.
(比較例3)
実施例3と同様の方法で、ただし、環状エーテル化合物(18)を添加しないでコイン電池を作製した。
作製した電池に対して、実施例1と同様にして充放電を行い、電極活物質あたりの放電容量を計算したところ、102mAh/gであった。さらに、50℃の温度において電圧範囲4.0〜3.0Vで充放電を50回繰り返した結果、(50回目の放電容量)/(1回目の放電容量)は15%だった。
(Comparative Example 3)
A coin battery was produced in the same manner as in Example 3 except that the cyclic ether compound (18) was not added.
The produced battery was charged and discharged in the same manner as in Example 1, and the discharge capacity per electrode active material was calculated to be 102 mAh / g. Furthermore, as a result of repeating charging and discharging 50 times in a voltage range of 4.0 to 3.0 V at a temperature of 50 ° C., (50th discharge capacity) / (first discharge capacity) was 15%.
(比較例4)
実施例6と同様の方法で、ただし、環状エーテル化合物(18)を添加しないでアルミラミネート電池を作製した。
作製した電池に対して、実施例1と同様にして充放電を行い、電極活物質あたりの放電容量を計算したところ、108mAh/gであった。さらに、50℃の温度において電圧範囲4.0〜3.0Vで充放電を50回繰り返した結果、(50回目の放電容量)/(1回目の放電容量)は11%だった。
(Comparative Example 4)
An aluminum laminate battery was produced in the same manner as in Example 6 except that the cyclic ether compound (18) was not added.
The produced battery was charged and discharged in the same manner as in Example 1, and the discharge capacity per electrode active material was calculated to be 108 mAh / g. Furthermore, as a result of repeating charge and discharge 50 times in a voltage range of 4.0 to 3.0 V at a temperature of 50 ° C., (50th discharge capacity) / (first discharge capacity) was 11%.
(比較例5)
実施例7と同様の方法で、ただし、環状エーテル化合物(18)を添加しないでアルミラミネート電池を作製した。
作製した電池に対して、実施例1と同様にして充放電を行い、電極活物質あたりの放電容量を計算したところ、122mAh/gであった。さらに、50℃の温度において電圧範囲4.0〜3.0Vで充放電を50回繰り返した結果、(50回目の放電容量)/(1回目の放電容量)は10%だった。
(Comparative Example 5)
An aluminum laminate battery was produced in the same manner as in Example 7 except that the cyclic ether compound (18) was not added.
The produced battery was charged and discharged in the same manner as in Example 1, and the discharge capacity per electrode active material was calculated to be 122 mAh / g. Furthermore, as a result of repeating charging and discharging 50 times in a voltage range of 4.0 to 3.0 V at a temperature of 50 ° C., (50th discharge capacity) / (first discharge capacity) was 10%.
(比較例6)
実施例8と同様の方法で、ただし、環状エーテル化合物(18)を添加しないでアルミラミネート電池を作製した。
作製した電池に対して、実施例1と同様にして充放電を行い、電極活物質あたりの放電容量を計算したところ、108mAh/gであった。さらに、50℃の温度において電圧範囲4.0〜3.0Vで充放電を50回繰り返した結果、(50回目の放電容量)/(1回目の放電容量)は12%だった。
(Comparative Example 6)
An aluminum laminate battery was produced in the same manner as in Example 8, except that the cyclic ether compound (18) was not added.
The produced battery was charged and discharged in the same manner as in Example 1, and the discharge capacity per electrode active material was calculated to be 108 mAh / g. Furthermore, as a result of repeating charging and discharging 50 times in a voltage range of 4.0 to 3.0 V at a temperature of 50 ° C., (50th discharge capacity) / (1st discharge capacity) was 12%.
表4に、比較例をまとめる。 Table 4 summarizes comparative examples.
これらの実施例と比較例を比較検討することにより、活物質にニトロキシドラジカルを用いる二次電池の高温時における容量維持率は環状エーテル化合物の添加によって向上することが示された。 By comparing and examining these examples and comparative examples, it was shown that the capacity retention rate at high temperature of the secondary battery using a nitroxide radical as the active material is improved by the addition of the cyclic ether compound.
なお、当然ながら、上述した実施の形態および複数の変形例は、その内容が相反しない範囲で組み合わせることができる。また、上述した実施の形態および変形例では、各部の構造などを具体的に説明したが、その構造などは本願発明を満足する範囲で各種に変更することができる。
本発明の参考形態の一例を付記する。
<付記>
(付記1)
正極と、
負極と、
環状カーボネート化合物を含む電解液と、を備え、
前記正極または前記負極は、下記一般式(1)で示されるニトロキシドラジカル化合物を有しており、
前記電解液は、前記環状カーボネート化合物の含有量よりも少ない、環状エーテル構造を有する環状エーテル化合物を有する、二次電池。
[一般式(1)において、R 1 〜R 4 は、それぞれ独立に置換または無置換のアルキル基である。Xにおいて環員を構成する原子は、炭素原子、酸素原子、窒素原子、または硫黄原子である。ただし、Xは、ポリマーの主鎖または側鎖の一部を構成してもよく、Xは同一でも異なっていてもよい。nは、2または3の整数である。]
(付記2)
前記電解液は、前記電解液の全体に対して30wt%以下の前記環状エーテル化合物を有する、付記1に記載の二次電池。
(付記3)
前記環状エーテル化合物が下記一般式(2)で表される、付記1または2に記載の二次電池。
[一般式(2)において、R 5 〜R 8 は、それぞれ独立に水素原子、ハロゲン原子、シアノ基、カルボニル基、ニトロ基、アミノ基、スルホ基、アリール基、アルキル基であり、これらは置換基を有してもよい。mは、1〜4の整数である。]
(付記4)
正極と、負極と、環状カーボネート化合物を含む電解液と、を備える、二次電池に用いる電解液であって、
前記正極または前記負極は、下記一般式(1)で示されるニトロキシドラジカル化合物を有しており、
前記電解液は、前記環状カーボネート化合物の含有量よりも少ない、環状エーテル構造を有する環状エーテル化合物を有する、電解液。
[一般式(1)において、R 1 〜R 4 は、それぞれ独立に置換または無置換のアルキル基である。Xにおいて環員を構成する原子は、炭素原子、酸素原子、窒素原子、または硫黄原子である。ただし、Xは、ポリマーの主鎖または側鎖の一部を構成してもよく、Xは同一でも異なっていてもよい。nは、2または3の整数である。]
(付記5)
前記電解液の全体に対して30wt%以下の前記環状エーテル化合物を有する、付記4に記載の電解液。
(付記6)
前記環状エーテル化合物が下記一般式(2)で表される、付記4または5に記載の電解液。
[一般式(2)において、R 5 〜R 8 は、それぞれ独立に水素原子、ハロゲン原子、シアノ基、カルボニル基、ニトロ基、アミノ基、スルホ基、アリール基、アルキル基であり、これらは置換基を有してもよい。mは、1〜4の整数である。]
(付記7)
正極と、負極と、環状カーボネート化合物を含む電解液と、を備える、二次電池に用いる膜であって、
前記正極または前記負極は、下記一般式(1)で示されるニトロキシドラジカル化合物を有しており、
前記電解液は、前記環状カーボネート化合物の含有量よりも少ない、環状エーテル構造を有する環状エーテル化合物を有しており、
前記膜は、前記正極上または前記負極上に設けられており、かつ前記環状エーテル化合物の重合物で構成される、膜。
[一般式(1)において、R 1 〜R 4 は、それぞれ独立に置換または無置換のアルキル基である。Xにおいて環員を構成する原子は、炭素原子、酸素原子、窒素原子、または硫黄原子である。ただし、Xは、ポリマーの主鎖または側鎖の一部を構成してもよく、Xは同一でも異なっていてもよい。nは、2または3の整数である。]
(付記8)
前記電解液は、前記電解液の全体に対して30wt%以下の前記環状エーテル化合物を有する、付記7に記載の膜。
(付記9)
前記環状エーテル化合物が下記一般式(2)で表される、付記7または8に記載の膜。
[一般式(2)において、R 5 〜R 8 は、それぞれ独立に水素原子、ハロゲン原子、シアノ基、カルボニル基、ニトロ基、アミノ基、スルホ基、アリール基、アルキル基であり、これらは置換基を有してもよい。mは、1〜4の整数である。]
Needless to say, the above-described embodiment and a plurality of modifications can be combined within a range in which the contents do not conflict with each other. Further, in the above-described embodiments and modifications, the structure of each part has been specifically described, but the structure and the like can be changed in various ways within a range that satisfies the present invention.
An example of a reference form of the present invention will be added.
<Appendix>
(Appendix 1)
A positive electrode;
A negative electrode,
An electrolyte solution containing a cyclic carbonate compound,
The positive electrode or the negative electrode has a nitroxide radical compound represented by the following general formula (1),
The said electrolyte solution is a secondary battery which has a cyclic ether compound which has less cyclic carbonate structure than content of the said cyclic carbonate compound.
[In General Formula (1), R 1 to R 4 are each independently a substituted or unsubstituted alkyl group. An atom constituting a ring member in X is a carbon atom, an oxygen atom, a nitrogen atom, or a sulfur atom. However, X may constitute a part of the main chain or side chain of the polymer, and X may be the same or different. n is an integer of 2 or 3. ]
(Appendix 2)
The secondary battery according to
(Appendix 3)
The secondary battery according to
[In General Formula (2), R 5 to R 8 are each independently a hydrogen atom, a halogen atom, a cyano group, a carbonyl group, a nitro group, an amino group, a sulfo group, an aryl group, or an alkyl group. It may have a group. m is an integer of 1-4. ]
(Appendix 4)
An electrolyte solution for use in a secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte solution containing a cyclic carbonate compound,
The positive electrode or the negative electrode has a nitroxide radical compound represented by the following general formula (1),
The electrolyte solution has a cyclic ether compound having a cyclic ether structure that is less than the content of the cyclic carbonate compound.
[In General Formula (1), R 1 to R 4 are each independently a substituted or unsubstituted alkyl group. An atom constituting a ring member in X is a carbon atom, an oxygen atom, a nitrogen atom, or a sulfur atom. However, X may constitute a part of the main chain or side chain of the polymer, and X may be the same or different. n is an integer of 2 or 3. ]
(Appendix 5)
The electrolyte solution according to appendix 4, which has 30% by weight or less of the cyclic ether compound with respect to the whole electrolyte solution.
(Appendix 6)
The electrolyte solution according to appendix 4 or 5, wherein the cyclic ether compound is represented by the following general formula (2).
[In General Formula (2), R 5 to R 8 are each independently a hydrogen atom, a halogen atom, a cyano group, a carbonyl group, a nitro group, an amino group, a sulfo group, an aryl group, or an alkyl group. It may have a group. m is an integer of 1-4. ]
(Appendix 7)
A membrane for use in a secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode, and an electrolytic solution containing a cyclic carbonate compound,
The positive electrode or the negative electrode has a nitroxide radical compound represented by the following general formula (1),
The electrolytic solution has a cyclic ether compound having a cyclic ether structure, which is less than the content of the cyclic carbonate compound,
The film is provided on the positive electrode or the negative electrode, and is composed of a polymer of the cyclic ether compound.
[In General Formula (1), R 1 to R 4 are each independently a substituted or unsubstituted alkyl group. An atom constituting a ring member in X is a carbon atom, an oxygen atom, a nitrogen atom, or a sulfur atom. However, X may constitute a part of the main chain or side chain of the polymer, and X may be the same or different. n is an integer of 2 or 3. ]
(Appendix 8)
The membrane according to
(Appendix 9)
The membrane according to
[In General Formula (2), R 5 to R 8 are each independently a hydrogen atom, a halogen atom, a cyano group, a carbonyl group, a nitro group, an amino group, a sulfo group, an aryl group, or an alkyl group. It may have a group. m is an integer of 1-4. ]
1 正極
1A 正極集電体
1B 正極リード
2 負極
2A 負極集電体
2B 負極リード
3 リチウム供給源
3A リチウム供給源集電体
4 セパレータ
5 外装体
6 正極
6A 正極集電体兼外装体
7 負極
7A 負極集電体兼外装体
8 セパレータ
9 絶縁パッキン
10 ラミネート外装型電池
20 コイン型電池
DESCRIPTION OF
Claims (12)
負極と、
環状カーボネート化合物を含む電解液と、を備え、
前記正極または前記負極は、下記一般式(1)で示されるニトロキシドラジカル化合物を有しており、
前記電解液は、前記環状カーボネート化合物の含有量よりも少ない、環状エーテル構造を有する環状エーテル化合物を有する、二次電池。
A negative electrode,
An electrolyte solution containing a cyclic carbonate compound,
The positive electrode or the negative electrode has a nitroxide radical compound represented by the following general formula (1),
The said electrolyte solution is a secondary battery which has a cyclic ether compound which has less cyclic carbonate structure than content of the said cyclic carbonate compound.
前記正極または前記負極は、下記一般式(1)で示されるニトロキシドラジカル化合物を有しており、
前記電解液は、前記環状カーボネート化合物の含有量よりも少ない、環状エーテル構造を有する環状エーテル化合物を有する、電解液。
[一般式(1)において、R1〜R4は、それぞれ独立に置換または無置換のアルキル基である。Xにおいて環員を構成する原子は、炭素原子、酸素原子、窒素原子、または硫黄原子である。ただし、Xは、ポリマーの主鎖または側鎖の一部を構成している。Xは同一でも異なっていてもよい。nは、2または3の整数である。] An electrolyte solution for use in a secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte solution containing a cyclic carbonate compound,
The positive electrode or the negative electrode has a nitroxide radical compound represented by the following general formula (1),
The electrolyte solution has a cyclic ether compound having a cyclic ether structure that is less than the content of the cyclic carbonate compound.
[In General Formula (1), R 1 to R 4 are each independently a substituted or unsubstituted alkyl group. An atom constituting a ring member in X is a carbon atom, an oxygen atom, a nitrogen atom, or a sulfur atom. However, X constitutes a part of the main chain or side chain of the polymer . X may be the same or different. n is an integer of 2 or 3. ]
[一般式(2)において、R5〜R8は、それぞれ独立に水素原子、ハロゲン原子、シアノ基、カルボニル基、ニトロ基、アミノ基、スルホ基、アリール基、アルキル基であり、これらは置換基を有してもよい。mは、1〜4の整数である。] The electrolytic solution according to claim 5 or 6 , wherein the cyclic ether compound is represented by the following general formula (2).
[In General Formula (2), R 5 to R 8 are each independently a hydrogen atom, a halogen atom, a cyano group, a carbonyl group, a nitro group, an amino group, a sulfo group, an aryl group, or an alkyl group. It may have a group. m is an integer of 1-4. ]
前記正極または前記負極は、下記一般式(1)で示されるニトロキシドラジカル化合物を有しており、
前記電解液は、前記環状カーボネート化合物の含有量よりも少ない、環状エーテル構造を有する環状エーテル化合物を有しており、
前記膜は、前記正極上または前記負極上に設けられており、かつ前記環状エーテル化合物の重合物で構成される、膜。
[一般式(1)において、R1〜R4は、それぞれ独立に置換または無置換のアルキル基である。Xにおいて環員を構成する原子は、炭素原子、酸素原子、窒素原子、または硫黄原子である。ただし、Xは、ポリマーの主鎖または側鎖の一部を構成している。Xは同一でも異なっていてもよい。nは、2または3の整数である。] A membrane for use in a secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode, and an electrolytic solution containing a cyclic carbonate compound,
The positive electrode or the negative electrode has a nitroxide radical compound represented by the following general formula (1),
The electrolytic solution has a cyclic ether compound having a cyclic ether structure, which is less than the content of the cyclic carbonate compound,
The film is provided on the positive electrode or the negative electrode, and is composed of a polymer of the cyclic ether compound.
[In General Formula (1), R 1 to R 4 are each independently a substituted or unsubstituted alkyl group. An atom constituting a ring member in X is a carbon atom, an oxygen atom, a nitrogen atom, or a sulfur atom. However, X constitutes a part of the main chain or side chain of the polymer . X may be the same or different. n is an integer of 2 or 3. ]
[一般式(2)において、R5〜R8は、それぞれ独立に水素原子、ハロゲン原子、シアノ基、カルボニル基、ニトロ基、アミノ基、スルホ基、アリール基、アルキル基であり、これらは置換基を有してもよい。mは、1〜4の整数である。] The film according to claim 9 or 10 , wherein the cyclic ether compound is represented by the following general formula (2).
[In General Formula (2), R 5 to R 8 are each independently a hydrogen atom, a halogen atom, a cyano group, a carbonyl group, a nitro group, an amino group, a sulfo group, an aryl group, or an alkyl group. It may have a group. m is an integer of 1-4. ]
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