JP2006048973A - Secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、二次電池に関し、さらに詳しくは出力やサイクル特性にすぐれ、高電圧特性を有する二次電池に関する。 The present invention relates to a secondary battery, and more particularly to a secondary battery having excellent output and cycle characteristics and high voltage characteristics.
近年、地球の環境問題などから、エンジン駆動であるガソリン車やディーゼル車に代わり、電気自動車やハイブリッド車への期待が高まっている。これらの電気自動車やハイブリッド車では、モーターを駆動させるための電源としては、高エネルギー密度かつ高出力密度特性を有する二次電池、電気二重層キャパシタ等の電気化学素子が用いられる。 In recent years, due to environmental problems on the earth, there are increasing expectations for electric vehicles and hybrid vehicles in place of engine-driven gasoline vehicles and diesel vehicles. In these electric vehicles and hybrid vehicles, electrochemical elements such as secondary batteries and electric double layer capacitors having high energy density and high output density characteristics are used as a power source for driving the motor.
このような電気化学素子である電気二重層キャパシタは、活性炭などの分極性電極を正負極とし、酸性水溶液を電解液としている。このような、電気二重層キャパシタは電極表面と電解液との界面に生じる電気二重層を静電容量としており、電池のようなイオンが関与する反応がないので、充放電特性が高く、また充放電サイクルによる容量劣化が少ない。さらにイオン伝導性の高い酸性水溶液を用いているので、充放電の際に大電流が得られる。しかし、二重層容量によるエネルギー密度は電池に比べてエネルギー密度が低く、電気自動車の電源としては、大幅に不足する。これに対して、大容量化を目的として電解液に添加剤を用いた例がある。(特許文献1)
しかしながら、電気二重層容量を用いた電気二重層キャパシタでは容量の増大には限界がある。そこで、本発明は、電気二重層キャパシタと同様に酸性水溶液を用いて充放電特性が良好に保たれ、さらにエネルギー密度が高く、水の電気分解電圧である1.2Vの電圧特性を有する二次電池を提供することをその目的とする。 However, there is a limit in increasing the capacity of an electric double layer capacitor using an electric double layer capacity. Therefore, the present invention uses a secondary solution having a voltage characteristic of 1.2 V, which is an electrolysis voltage of water, in which charge / discharge characteristics are kept good using an acidic aqueous solution, as in the case of an electric double layer capacitor, and the energy density is high. The object is to provide a battery.
本発明は、上記課題を解決するために、電極材料として導電性高分子の検討を行った結果、ポリフルオレンまたはその誘導体を用いた正極と、酸性水溶液からなる電解液を用いると、充放電特性が良好に保たれ、エネルギー密度が高く、1.2Vの電圧特性を有する二次電池が得られることが判明した。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention has been studied on a conductive polymer as an electrode material. As a result, when a positive electrode using polyfluorene or a derivative thereof and an electrolytic solution composed of an acidic aqueous solution are used, charge / discharge characteristics are obtained. Was maintained well, the energy density was high, and a secondary battery having a voltage characteristic of 1.2 V was found to be obtained.
ポリフルオレンまたはその誘導体を用いた正極を用い、負極としてキノキサリン系ポリマー等のプロトンの吸脱着をおこなう負極を用い、酸性水溶液を電解液に用いた二次電池は、酸性水溶液を用いているので充放電特性が良好で、イオンのドープ、脱ドープを蓄電機構としているので、エネルギー密度が高く、正極が従来の導電性高分子よりp−ドープの酸化還元電位が高い状態で作動するので、水系電解液を用いた電池としては最高電圧である1.2Vの電圧特性を有する二次電池を提供することができる。 A secondary battery using a positive electrode using polyfluorene or a derivative thereof, a negative electrode that absorbs and desorbs protons such as a quinoxaline-based polymer as a negative electrode, and an acidic aqueous solution as an electrolytic solution uses an acidic aqueous solution. Since the discharge characteristics are good and the energy storage mechanism is ion doping or dedoping, the energy density is high, and the positive electrode operates in a state where the p-doped redox potential is higher than that of conventional conductive polymers. A secondary battery having a voltage characteristic of 1.2 V, which is the highest voltage, can be provided as a battery using a liquid.
そして、ポリフルオレンの誘導体としては、フルオレンの9位の置換基がアルキル基、カルボキシル基,ニトロ基,シアノ基,アルキルシアノ基,フェニル基(-Ph),ハロゲン原子(-X),-CX3,ハロゲン化フェニル基,アルキルフェニル基,アルキルハロゲン化フェニル基であるものを用いることが好ましい。 As a derivative of polyfluorene, the substituent at the 9-position of fluorene is an alkyl group, a carboxyl group, a nitro group, a cyano group, an alkyl cyano group, a phenyl group (-Ph), a halogen atom (-X), -CX 3 It is preferable to use a halogenated phenyl group, an alkylphenyl group, or an alkylhalogenated phenyl group.
また、ドーピングしたポリフルオレンまたはその誘導体を塩基性溶媒に溶解した溶液を集電体に付着させ、溶媒を蒸発させて、ポリフルオレンまたはその誘導体の膜を集電体上に形成した電極を用いると、薄く均一な電極膜を形成することができ、電極の抵抗を低減させて放電電圧を高く保つことができるので、高電圧特性を得ることができる。 In addition, when a solution in which a doped polyfluorene or a derivative thereof is dissolved in a basic solvent is attached to a current collector, the solvent is evaporated, and an electrode in which a film of polyfluorene or a derivative thereof is formed on the current collector is used. A thin and uniform electrode film can be formed, and the resistance of the electrode can be reduced to keep the discharge voltage high, so that high voltage characteristics can be obtained.
以上のように、ポリフルオレンまたはその誘導体を用いた正極と、酸性水溶液からなる電解液を用いると、充放電特性が良好に保たれ、エネルギー密度が高く、1.2Vの電圧特性を有する二次電池を得ることができる。 As described above, when a positive electrode using polyfluorene or a derivative thereof and an electrolytic solution made of an acidic aqueous solution are used, the charge / discharge characteristics are kept good, the energy density is high, and the secondary voltage characteristic is 1.2V. A battery can be obtained.
本発明のポリフルオレンまたはその誘導体は、フルオレンまたはその誘導体のモノマーを化学重合、または電解重合によって重合させて得ることができる。化学重合の場合、これらのモノマーと酸化剤の溶液を用いて集電体の上で重合させて重合体の層を形成して電極とすることができる。また、集電体を電解重合の電極に用いて電解重合を行わせて、集電体上に重合体の層を形成して電極とすることもできる。また、ポリフルオレンまたはその誘導体とカーボン等の導電材を混合した後、成型して電極とすることもできる。 The polyfluorene or a derivative thereof of the present invention can be obtained by polymerizing a monomer of fluorene or a derivative thereof by chemical polymerization or electrolytic polymerization. In the case of chemical polymerization, it is possible to form a polymer layer by polymerizing on a current collector using a solution of these monomers and an oxidizing agent to form an electrode. Alternatively, the current collector can be used as an electrode for electropolymerization to perform electropolymerization, and a polymer layer can be formed on the current collector to form an electrode. Moreover, after mixing polyfluorene or its derivative (s), and conductive materials, such as carbon, it can also shape | mold and use as an electrode.
さらに、ポリフルオレンまたはその誘導体は、フルオレンまたはその誘導体のモノマーを化学重合、または電解重合によって重合させて得、このポリフルオレンまたはその誘導体をドーピングした状態で、クロロホルム、テトラヒドロフラン、N−メチルピロリドン等の塩基性の溶媒に溶解して溶液を作成する。そして、この溶液を集電体に塗布、乾燥してポリフルオレンまたはその誘導体の層を形成する。このようにして形成した電極は薄く均一なので、電極の抵抗が低減し、放電の際のIRドロップが低減して、電極の電圧を高く保つことができる。 Furthermore, polyfluorene or a derivative thereof is obtained by polymerizing a monomer of fluorene or a derivative thereof by chemical polymerization or electrolytic polymerization, and in a state doped with this polyfluorene or a derivative thereof, such as chloroform, tetrahydrofuran, N-methylpyrrolidone, etc. Dissolve in basic solvent to make a solution. Then, this solution is applied to a current collector and dried to form a layer of polyfluorene or a derivative thereof. Since the electrode formed in this way is thin and uniform, the resistance of the electrode is reduced, the IR drop during discharge is reduced, and the voltage of the electrode can be kept high.
そして、このようにして重合形成したポリフルオレンまたはその誘導体は重合液中のアニオンがドーピングして酸化状態となっているので、これを正極として用いる。この正極はアニオンを脱ドーピングすることによって放電反応、還元反応を生ずる。 The polyfluorene or its derivative thus polymerized is in an oxidized state by doping with anions in the polymerization solution, and this is used as the positive electrode. This positive electrode causes a discharge reaction and a reduction reaction by undoping an anion.
さらに、フルオレンまたはその誘導体に、アルキルスルフォン酸、アルキルホスホン酸のようなフルオレンと共有結合することができるアニオンを反応させて、自己ドープ型の正極とすることができる。この正極は電解液中のカチオンとドーピングすることによって放電反応、酸化反応を生ずる。 Furthermore, a self-doped positive electrode can be obtained by reacting fluorene or a derivative thereof with an anion that can be covalently bonded to fluorene such as alkyl sulfonic acid or alkyl phosphonic acid. This positive electrode causes a discharge reaction and an oxidation reaction by doping with a cation in the electrolytic solution.
ここで、ポリフルオレンの誘導体としては、フルオレンの9位に置換基がある誘導体が好ましい。それは電子伝導性が低下せず、この置換基によってドーピングするアニオン、カチオンの反応が速くなって出力特性が向上するからである。なお、置換基としては、アルキル基、カルボキシル基,ニトロ基,シアノ基,アルキルシアノ基,フェニル基(-Ph),ハロゲン原子(-X),-CX3,ハロゲン化フェニル基,アルキルフェニル基,アルキルハロゲン化フェニル基であるものを用いることが好ましい。 Here, the polyfluorene derivative is preferably a derivative having a substituent at the 9-position of fluorene. This is because the electron conductivity is not lowered and the reaction of the anion and cation doped by this substituent is accelerated and the output characteristics are improved. In addition, as a substituent, an alkyl group, a carboxyl group, a nitro group, a cyano group, an alkyl cyano group, a phenyl group (-Ph), a halogen atom (-X), -CX 3 , a halogenated phenyl group, an alkylphenyl group, It is preferable to use an alkyl halogenated phenyl group.
このようなポリフルオレンの誘導体のなかでも、9位の置換基がアルキル基またはフェニル基を有する置換基であるとドーピングするアニオン、カチオンの反応がさらに速くなって出力特性が向上するので好ましい。前者としては9,9−ジメチルフルオレン、9,9−ジオクチルフルオレン等、後者としては9−メチル−9−フェニルフルオレン,9−メチル−9−ベンジルフルオレン,ベンザルフルオレン,ベンズヒドリリジンフルオレン等を挙げることができる。なかでも、分子の大きなカチオンをドープ、脱ドープする自己ドープ型の正極として用いる場合は、n=1〜8のアルキル基が好ましい。 Among these polyfluorene derivatives, it is preferable that the substituent at the 9-position is an alkyl group or a substituent having a phenyl group, since the reaction of the anion and cation to be doped becomes faster and the output characteristics are improved. The former includes 9,9-dimethylfluorene, 9,9-dioctylfluorene, and the latter includes 9-methyl-9-phenylfluorene, 9-methyl-9-benzylfluorene, benzalfluorene, benzhydrylidinefluorene, and the like. be able to. Especially, when using as a positive electrode of a self-doping type | mold which dopes and dedopes a cation with a big molecule | numerator, the alkyl group of n = 1-8 is preferable.
以上の電極と電解液を用いて本発明の二次電池を形成することができる。電解液としては、カチオンとしてプロトンを用いる水系電解液を用いる。アニオンとしては硫酸、硝酸、塩酸、リン酸、テトラフルオロほう酸、六フッ化リン酸、六フッ化ケイ酸などの無機酸、飽和モノカルボン酸、脂肪族カルボン酸、オキシカルボン酸、p―トルエンスルホン酸、ポリビニルスルホン酸、ラウリン酸などの有機酸をプロトンとともに形成するアニオンを挙げることができる。 The secondary battery of the present invention can be formed using the above electrode and the electrolytic solution. As the electrolytic solution, an aqueous electrolytic solution using protons as cations is used. As anions, inorganic acids such as sulfuric acid, nitric acid, hydrochloric acid, phosphoric acid, tetrafluoroboric acid, hexafluorophosphoric acid, hexafluorosilicic acid, saturated monocarboxylic acid, aliphatic carboxylic acid, oxycarboxylic acid, p-toluenesulfone The anion which forms organic acids, such as an acid, polyvinylsulfonic acid, and lauric acid with a proton can be mentioned.
そして、ポリフルオレンまたはその誘導体を用いた正極を用い、負極としてキノキサリン系ポリマー等のプロトンの吸脱着をおこなう負極を用い、酸性水溶液を電解液に用いて、本発明の二次電池を形成することができる。この二次電池は、酸性水溶液を用いているので充放電特性が良好で、イオンのドープ、脱ドープを蓄電機構としているので、エネルギー密度が高く、正極が従来の導電性高分子よりp−ドープの酸化還元電位が高い状態で作動するので、水系電解液を用いた電池としては最高電圧である1.2Vの電圧特性を有する。 The secondary battery of the present invention is formed using a positive electrode using polyfluorene or a derivative thereof, a negative electrode that adsorbs and desorbs protons such as a quinoxaline polymer as a negative electrode, and an acidic aqueous solution as an electrolyte. Can do. Since this secondary battery uses an acidic aqueous solution, the charge / discharge characteristics are good, and since ion storage and doping are used as a power storage mechanism, the energy density is high, and the positive electrode is more p-doped than conventional conductive polymers. Therefore, it has a voltage characteristic of 1.2 V which is the highest voltage as a battery using an aqueous electrolyte.
さらに、自己ドープ型の正極を用いると、充放電反応において、カチオンのみが同量、反応に関与するので、電解液中のカチオン、アニオン濃度が変化せず、電解液の伝導度を一定に保つことができる。 Furthermore, when a self-doped positive electrode is used, only the cations are involved in the reaction in the same amount in the charge / discharge reaction, so that the cation and anion concentrations in the electrolytic solution do not change and the conductivity of the electrolytic solution is kept constant. be able to.
以下に実施例により本発明をさらに具体的に説明する。 The present invention will be described more specifically with reference to the following examples.
アセトニトリルにフルオレンの誘導体を溶解後,十分量の塩化鉄(III)を溶解させ72時間撹拌して重合を進行させた。次に反応液を減圧下で濾過し,濾過物を60COで約12時間真空乾燥して粗生成物を得た。この粗生成物をクロロホルムに溶解させ飽和状態にし,メタノールを加えることで生成物を再析出させた。再析出物を再び減圧濾過し,濾過物を60COで約12時間真空乾燥して精製したポリフルオレンの誘導体を得た。 After dissolving the fluorene derivative in acetonitrile, a sufficient amount of iron (III) chloride was dissolved and stirred for 72 hours to proceed the polymerization. Next, the reaction solution was filtered under reduced pressure, and the filtrate was vacuum dried with 60 C 2 O for about 12 hours to obtain a crude product. This crude product was dissolved in chloroform to be saturated, and methanol was added to reprecipitate the product. The reprecipitate was again filtered under reduced pressure, and the filtrate was vacuum-dried with 60 C 2 O for about 12 hours to obtain a purified polyfluorene derivative.
ついで、テトラヒドロフラン溶媒1Lに対して,得られたポリフルオレンの誘導体1.2gを溶解させ,この溶液をカーボンからなる集電体上に滴下,乾燥させた。滴下と乾燥を繰り返すことで集電体上にポリフルオレンの誘導体膜を形成した。この集電体/ポリフルオレンの誘導体膜をポリフルオレンの誘導体からなる電極として用いた。この電極を用いて二次電池を作成し、定電流充放電試験を行った。充放電電流値を0.5mA cm-2とし,充放電を繰り返した。用いた電極と作動電圧を(表1)に示す。なお、電極として用いたポリマーについてはモノマー名のみ記載した。 Subsequently, 1.2 g of the obtained polyfluorene derivative was dissolved in 1 L of tetrahydrofuran solvent, and this solution was dropped on a current collector made of carbon and dried. By repeating the dropping and drying, a polyfluorene derivative film was formed on the current collector. This current collector / polyfluorene derivative film was used as an electrode made of a polyfluorene derivative. A secondary battery was prepared using this electrode, and a constant current charge / discharge test was conducted. The charge / discharge current was set to 0.5 mA cm -2 and charge / discharge was repeated. The electrodes and operating voltage used are shown in (Table 1). In addition, only the monomer name was described about the polymer used as an electrode.
以上のように、本発明の二次電池は1.2Vの作動電圧を示している。また、この作動電圧での充放電特性も10000サイクルまで良好であった。
As described above, the secondary battery of the present invention exhibits an operating voltage of 1.2V. The charge / discharge characteristics at this operating voltage were also good up to 10,000 cycles.
Claims (3)
Claims using an electrode in which a solution of doped polyfluorene or a derivative thereof in a basic solvent is attached to a current collector, the solvent is evaporated, and a film of polyfluorene or a derivative thereof is formed on the current collector. The secondary battery according to 1 or 2.
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CN111875783A (en) * | 2020-06-24 | 2020-11-03 | 浙江传媒学院 | Fluorenyl terpolymer/ferric oxide nanoparticle composite material, preparation method and application thereof in electric storage device |
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2004
- 2004-07-30 JP JP2004224818A patent/JP2006048973A/en active Pending
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CN111875783A (en) * | 2020-06-24 | 2020-11-03 | 浙江传媒学院 | Fluorenyl terpolymer/ferric oxide nanoparticle composite material, preparation method and application thereof in electric storage device |
CN111875783B (en) * | 2020-06-24 | 2021-07-27 | 浙江传媒学院 | Fluorenyl terpolymer/ferric oxide nanoparticle composite material, preparation method and application thereof in electric storage device |
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