JP2008235249A - Electrode for secondary battery and method for making same, and secondary battery using this electrode - Google Patents

Electrode for secondary battery and method for making same, and secondary battery using this electrode Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode for secondary batteries that provides a high energy density and a high output density. <P>SOLUTION: An electrode for secondary batteries comprising a positive electrode, a negative electrode and a support electrolyte is used as at least one of the electrodes and comprises a radical compound and a single ion-conducting material. As to a battery reaction in which a radical compound takes part, an instance of a reaction at a positive electrode is illustrated. A radical moiety of a radical compound is oxidized into a cation during a charge, thus taking part in the battery reaction. In the electrode for secondary batteries, a cation dissociates from the single ion-conducting material to generate an anion and the charge of the cation generated from the radical compound is thus compensated, thereby permitting the battery reaction to be continued. The single ion-conducting material is a material having a group of -COOX or SO<SB>3</SB>X wherein X is Li or Na at a terminal end of a molecular structure. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、大電流充放電特性に優れ且つエネルギー密度が高い二次電池及びそのような二次電池が提供可能な二次電池用電極並びにその製造方法に関する。   The present invention relates to a secondary battery that has excellent large current charge / discharge characteristics and high energy density, a secondary battery electrode that can provide such a secondary battery, and a method for manufacturing the same.

近年、ノート型パソコン、デジタルカメラ等の携帯電子機器の普及に伴い、高エネルギー密度を有する小型大容量二次電池への要求が高まっている。また、環境問題の観点から、電気自動車や動力の一部に電力を利用したハイブリッド車が実用化されており、電力の貯蔵手段としての二次電池の高性能化が求められている。   In recent years, with the widespread use of portable electronic devices such as notebook computers and digital cameras, there has been an increasing demand for small high-capacity secondary batteries having high energy density. From the viewpoint of environmental problems, electric vehicles and hybrid vehicles using electric power as part of power have been put into practical use, and there is a demand for higher performance of secondary batteries as power storage means.

これらの要求に応える二次電池の有力候補としてリチウムイオン電池の開発が進んでおり、優れた安定性並びに高エネルギー密度の実現に向けての開発が行われてきた。   Development of a lithium ion battery is progressing as a promising candidate for a secondary battery that meets these requirements, and development has been carried out to achieve excellent stability and high energy density.

しかしながら、リチウムイオン電池は、充放電時において、リチウムイオンの挿入脱離反応を伴うことから、ある程度以上の大電流を流すと電池性能が低下する。従って、高い電池性能を発揮させる目的では、放電速度や充電速度がある程度以上にならないような制限が必要となる。   However, since the lithium ion battery is accompanied by an insertion / release reaction of lithium ions during charging / discharging, the battery performance deteriorates when a large current of a certain level or more is passed. Therefore, for the purpose of exhibiting high battery performance, it is necessary to limit the discharge rate and the charge rate so as not to exceed a certain level.

一方、ポリ(2,2,6,6−テトラメチルピペリジノキシメタクリレート)(PTMA)に代表されるラジカル材料を正極に用いた二次電池は、イオンの吸脱着反応を電離反応に利用しているので、通常のリチウムイオン電池よりも大電流を流すことが可能であり、サイクル特性も優れており携帯電子機器や電気自動車への適用が期待されている。   On the other hand, a secondary battery using a radical material typified by poly (2,2,6,6-tetramethylpiperidinoxymethacrylate) (PTMA) as a positive electrode uses an ion adsorption / desorption reaction for an ionization reaction. Therefore, it is possible to pass a larger current than a normal lithium ion battery, the cycle characteristics are excellent, and application to portable electronic devices and electric vehicles is expected.

ところで、PTMA等のラジカル材料を正極に用いた二次電池において高エネルギー密度を実現するには、正極中のラジカル量を多くすると同時に、そのラジカルに反応するイオンの供給源を電解液中において多く含有させる必要があると考えられていた。例えば、電解液中の支持電解質を二次電池の容量に応じて高い濃度に設定していた。   By the way, in order to realize a high energy density in a secondary battery using a radical material such as PTMA for the positive electrode, the amount of radicals in the positive electrode is increased, and at the same time, a large number of ion sources that react with the radicals are included in the electrolyte. It was thought that it was necessary to contain. For example, the supporting electrolyte in the electrolytic solution is set to a high concentration according to the capacity of the secondary battery.

ここで、LiPFに代表されるような支持電解質の濃度を高くすると電解液の粘度が上昇してイオンの拡散速度が低下して、電解液の導電率が低下する。その結果、電池から取り出すことができる電流の値が小さくなり、出力密度の低下を引き起こすことになる。 Here, when the concentration of the supporting electrolyte as typified by LiPF 6 is increased, the viscosity of the electrolytic solution is increased, the ion diffusion rate is decreased, and the conductivity of the electrolytic solution is decreased. As a result, the value of the current that can be taken out from the battery is reduced, causing a reduction in output density.

更に、電解液中に支持電解質を大量に添加すると、電極に対する電解液の濡れ性が悪化し内部抵抗が上昇して電池としての出力低下を引き起こすことが判明している。   Furthermore, it has been found that when a large amount of a supporting electrolyte is added to the electrolytic solution, the wettability of the electrolytic solution with respect to the electrode is deteriorated, the internal resistance is increased, and the output of the battery is reduced.

つまり、ラジカル材料を用いた二次電池においては、高エネルギー密度と高出力密度を両立することは困難であった。   That is, in a secondary battery using a radical material, it has been difficult to achieve both high energy density and high output density.

ラジカル化合物を用いた二次電池の高エネルギー密度化に関する従来技術としては、正極活物質にラジカル化合物を用い、そのラジカル化合物のスピン濃度を限定する技術が開示されている(特許文献1)。
ラジカル化合物を有する電極にリン酸、スルホン酸、カルボン酸などを有するアニオン性を有する材料を混合する技術が示されている(特許文献2)。
しかし、この技術においては材料を混合してできるペーストの溶剤を有機溶媒にすると分散が不十分となると考えられ、また溶剤を水にするとペーストのpHが小さくなり、アルミ集電箔を腐食し、いずれにしても結果として出力低下を起こす可能性が高く、まだ完全ではない。
特開2002−151084号公報 特開2006−324179号公報
As a conventional technique for increasing the energy density of a secondary battery using a radical compound, a technique is disclosed in which a radical compound is used as a positive electrode active material and the spin concentration of the radical compound is limited (Patent Document 1).
A technique of mixing an anionic material having phosphoric acid, sulfonic acid, carboxylic acid or the like with an electrode having a radical compound has been disclosed (Patent Document 2).
However, in this technology, it is thought that dispersion is insufficient when the solvent of the paste formed by mixing the materials is an organic solvent, and when the solvent is water, the pH of the paste is reduced, corroding the aluminum current collector foil, In any case, there is a high possibility that the output will decrease as a result, and it is not perfect yet.
JP 2002-151084 A JP 2006-324179 A

本発明は上記実情に鑑み完成したものであり、高エネルギー密度及び高出力密度が両立された二次電池及びそのような二次電池を構成できる二次電池用電極並びにその製造方法を提供することを解決すべき課題とする。   The present invention has been completed in view of the above circumstances, and provides a secondary battery in which high energy density and high output density are compatible, a secondary battery electrode capable of constituting such a secondary battery, and a method for manufacturing the same. Is a problem to be solved.

(1)上記課題を解決する目的で本発明者らは鋭意検討を行った結果、分子構造中に−COOX又は−SOX(XはLi又はNa)の官能基を有するシングルイオン伝導性材料及びラジカル化合物を電極中にて共存させることで、ラジカル化合物の特性が充分に発揮できるとの知見を得た。つまり、シングルイオン伝導性材料はラジカル化合物と共存させることで、電解液中に高濃度で支持電解質を添加しなくても高いエネルギー密度を実現できるものである。以下の発明はこの知見に基づき完成したものである。 (1) As a result of intensive studies by the present inventors for the purpose of solving the above problems, a single ion conductive material having a functional group of —COOX or —SO 3 X (X is Li or Na) in the molecular structure. And the knowledge that the characteristic of a radical compound can fully be exhibited by making a radical compound coexist in an electrode was acquired. That is, the single ion conductive material can coexist with the radical compound to realize a high energy density without adding a supporting electrolyte at a high concentration in the electrolytic solution. The following invention has been completed based on this finding.

すなわち、本発明の二次電池用電極は、ラジカル化合物に反応するイオン(例えば本電極が正極用の場合にはアニオン)を供給できるシングルイオン伝導性材料をラジカル化合物をもつ電極中に含有させることで上記課題を解決するものであり、正極、負極及び支持電解質を有する二次電池の少なくとも一方の電極であって、ラジカル化合物及びシングルイオン伝導性材料を含有することを特徴とする。ここでシングルイオン伝導性材料とは、アニオンかカチオンのどちらか一種類のみが移動する材料のことである。この二次電池用電極は正極に適用することが望ましい。   That is, the electrode for a secondary battery of the present invention contains a single ion conductive material capable of supplying ions that react with a radical compound (for example, an anion when the electrode is used for a positive electrode) in the electrode having the radical compound. In order to solve the above-mentioned problem, at least one electrode of a secondary battery having a positive electrode, a negative electrode, and a supporting electrolyte, which contains a radical compound and a single ion conductive material. Here, the single ion conductive material is a material in which only one type of anion or cation moves. This secondary battery electrode is preferably applied to the positive electrode.

ラジカル化合物が関与する電池反応について、正極での反応を例として説明する。ラジカル化合物がもつラジカル部分は充電時に酸化してカチオンとなり電子を放出することで電池反応に関与している。本発明の二次電池用電極では、シングルイオン伝導性材料からカチオンが解離してアニオンを生成し、ラジカル化合物から生成したカチオンの電荷を補償することで電池反応が継続できるものである。   The battery reaction involving a radical compound will be described by taking the reaction at the positive electrode as an example. The radical portion of the radical compound is involved in the battery reaction by being oxidized during charging to become a cation and release electrons. In the secondary battery electrode of the present invention, the cation is dissociated from the single ion conductive material to generate an anion, and the battery reaction can be continued by compensating the charge of the cation generated from the radical compound.

従って、ラジカル化合物とシングルイオン伝導性材料との間の距離を更に近づけることで反応を容易に進行させることが可能になるので、(a)前記ラジカル化合物及び前記シングルイオン伝導性材料は混合しているものや、(b)前記ラジカル化合物及び前記シングルイオン伝導性材料は化学結合しており、同一分子を形成するものを含むものであることが望ましい。   Therefore, since the reaction can be easily advanced by further reducing the distance between the radical compound and the single ion conductive material, (a) the radical compound and the single ion conductive material are mixed together. (B) The radical compound and the single ion conductive material are preferably chemically bonded and include those that form the same molecule.

また、前記シングルイオン伝導性材料としては、脱離してカチオンになる部分構造であるカチオン構造(Li又はNa)と、該カチオン構造が脱離した後の残部であって該カチオン構造が脱離した後にアニオンを生成する部分構造であるアニオン構造(−COO又は−SO )とをもつ材料であることが望ましい。
また、シングルイオン伝導性材料は重合体でない場合(単量体の場合)は分子構造の末端に−COOX又は−SOX(XはLi又はNa)を有しており、官能基1つあたりの分子量が大きければ、シングルイオン伝導性材料の添加量が増大、活物質量が減少し、電池容量が低下してしまうため、できるだけ小さいほうが望ましい。特にシングルイオン伝導材料は重合体であり、その場合は単位ユニットである単量体の分子量が300以下であること、より好ましくは200以下であることが望ましい。
In addition, the single ion conductive material includes a cation structure (Li + or Na + ) that is a partial structure that is desorbed to become a cation, and a remainder after the cation structure is desorbed, and the cation structure is desorbed. is a partial structure for generating anions after releasing an anion structure (-COO - or -SO 3 -) it is desirable and a material having a.
Further, when the single ion conductive material is not a polymer (in the case of a monomer), it has —COOX or —SO 3 X (X is Li or Na) at the end of the molecular structure, and per functional group If the molecular weight of is large, the amount of the single ion conductive material added increases, the amount of active material decreases, and the battery capacity decreases. In particular, the single ion conductive material is a polymer, and in this case, the molecular weight of the monomer as a unit is preferably 300 or less, more preferably 200 or less.

更に、シングルイオン伝導性材料が電解液中に溶解して電極中から消失することが無いように、また、電解液中に溶解して電解液の粘度が上昇しないように、との理由から、前記シングルイオン伝導性材料は前記電解液に不溶であることが望ましい。
ここで電解液に不溶であるというのは、例えばリチウム電池に用いられている標準電解液にシングルイオン伝導性材料を添加した際に、不溶な沈殿物が見られる状態のことを意味している。特に、代表的な電解液であるエチレンカーボネートとジエチルカーボネートを3:7の割合で含む電解液に対して0.1M添加した際に、導電率が0.1mS/cm以下になることが望ましい。より好ましくは、0.1M添加した際に0.01mS/cm以下である。
また、シングルイオン伝導性材料は重合体構造であることが望ましく、これは分子量を大きくするほど電解液に不溶になるためである。この重合体構造における平均分子量を10万以上にすることにより、電解液への不溶性が顕著に向上する。
Furthermore, so that the single ion conductive material is not dissolved in the electrolytic solution and disappears from the electrode, and the viscosity of the electrolytic solution is not increased by dissolving in the electrolytic solution, The single ion conductive material is preferably insoluble in the electrolytic solution.
Here, insoluble in the electrolytic solution means that, for example, when a single ion conductive material is added to a standard electrolytic solution used in a lithium battery, an insoluble precipitate is observed. . In particular, when 0.1M is added to an electrolytic solution containing ethylene carbonate and diethyl carbonate in a ratio of 3: 7, which is a typical electrolytic solution, the electrical conductivity is desirably 0.1 mS / cm or less. More preferably, it is 0.01 mS / cm or less when 0.1 M is added.
In addition, the single ion conductive material desirably has a polymer structure, because the molecular weight increases so that it becomes insoluble in the electrolytic solution. By making the average molecular weight in this polymer structure 100,000 or more, the insolubility in the electrolytic solution is remarkably improved.

そして、ラジカル化合物にて進行する電池反応により生成する電子を速やかに授受する目的で、(a)前記ラジカル化合物及び前記シングルイオン伝導性材料に混合した導電材を含有させたり、(b)前記ラジカル化合物及び/又は前記シングルイオン伝導性材料は、その分子構造中に導電性をもつ部分構造をもつものを採用したりすることが望ましい。
ラジカル化合物及びシングルイオン伝導性材料を含有する電極作製においては、ラジカル化合物とシングルイオン伝導性材料を均一に分散させることが重要である。単量体(重合体でない場合)は末端に、重合体の場合は末端および側鎖に−COOX又は−SOXを有するシングルイオン伝導性材料は、大半が水に可溶なもののため、分散性を向上させるために、電極作製時の溶媒に水を用いることができる。
For the purpose of promptly giving and receiving electrons generated by the battery reaction that proceeds with the radical compound, (a) a conductive material mixed with the radical compound and the single ion conductive material is contained, or (b) the radical As the compound and / or the single ion conductive material, it is desirable to employ a compound having a conductive partial structure in its molecular structure.
In producing an electrode containing a radical compound and a single ion conductive material, it is important to uniformly disperse the radical compound and the single ion conductive material. Monomer (if not a polymer) is at the end, and in the case of a polymer, the single ion conductive material having —COOX or —SO 3 X at the end and side chain is mostly water-soluble, so dispersed. In order to improve the property, water can be used as a solvent during electrode preparation.

(2)上記課題を解決する本発明の二次電池は(1)にて説明した二次電池用電極を正極及び/又は負極に用いることを特徴とする。   (2) The secondary battery of the present invention that solves the above problems is characterized in that the secondary battery electrode described in (1) is used for a positive electrode and / or a negative electrode.

本発明の二次電池用電極は上記構成を有することで高出力密度及び高エネルギー密度が両立できる。特に、電解液中の支持電解質濃度が低い状態でも高いエネルギー密度を実現できるので、支持電解質を高濃度に溶解させることに起因する電解液の粘度上昇が抑制できる結果、高い出力密度が実現可能になった。   The electrode for a secondary battery according to the present invention can achieve both high output density and high energy density by having the above configuration. In particular, since a high energy density can be realized even when the concentration of the supporting electrolyte in the electrolyte is low, an increase in the viscosity of the electrolyte caused by dissolving the supporting electrolyte at a high concentration can be suppressed, resulting in a high output density. became.

本発明の二次電池用電極及び二次電池について実施形態に基づき以下詳細に説明を行う。   The electrode for a secondary battery and the secondary battery of the present invention will be described in detail below based on the embodiments.

本実施形態の二次電池用電極は正極、負極及び支持電解質を有する二次電池の少なくとも一方の電極として用いることができる。本実施形態の二次電池用電極はシングルイオン伝導性材料及びラジカル化合物を有する。   The secondary battery electrode of this embodiment can be used as at least one electrode of a secondary battery having a positive electrode, a negative electrode, and a supporting electrolyte. The electrode for a secondary battery of this embodiment has a single ion conductive material and a radical compound.

シングルイオン伝導性材料はアニオン及びカチオンのうちの一方を選択的に利用してイオン伝導を実現する材料であり、本二次電池用電極を二次電池に適用した環境下においてラジカル化合物に対応したイオンが脱離可能な材料である。   A single ion conductive material is a material that realizes ion conduction by selectively using one of anions and cations, and is compatible with radical compounds in an environment where the secondary battery electrode is applied to a secondary battery. It is a material from which ions can be desorbed.

シングルイオン伝導性材料を本電極中に含有させることで、ラジカル化合物が関係する電池反応を円滑に進行させることが可能になると共に、電解液中に含有しているLiイオンの対イオンであるアニオン、例えばLiPFの場合、PF -量を超えて含有させているラジカル化合物に対し、不足するPF -に代わって電池反応の進行に従い反応する作用効果を発揮することができる。 By including a single ion conductive material in the main electrode, it is possible to smoothly advance the battery reaction related to the radical compound, and an anion which is a counter ion of the Li ion contained in the electrolytic solution. for example, in the case of LiPF 6, PF 6 - to radical compound which exceed an amount which is contained, PF 6 is insufficient - it is possible to exert effects which react in accordance with the progress of the cell reaction on behalf of.

つまりシングルイオン伝導性材料は、ラジカル化合物がもつラジカル数と、電解液中のLiPF、LiBFなどのLi塩がもつアニオンの数とを比較して、過剰に存在するラジカル化合物の量に対応して含有させることが望ましい。例えば、ラジカル化合物が過剰に存在する量を補う量を含有させたり、ラジカル化合物が過剰に存在する量よりも更に過剰に含有させることができる。 In other words, the single ion conductive material corresponds to the amount of radical compound present in excess by comparing the number of radicals of the radical compound with the number of anions of the Li salt such as LiPF 6 and LiBF 4 in the electrolyte. It is desirable to contain. For example, it can be added in an amount that compensates for the amount of radical compound present excessively, or can be contained in excess even more than the amount of radical compound present excessively.

上述したように含有量を決定する他、ラジカル化合物の含有量のみを基準として、電極が含有するラジカル化合物中のラジカル数を基準として、シングルイオン伝導性材料を10%以上300%以下の割合で混合することが望ましく、50%以上300%以下の割合で混合することが更に望ましい。   In addition to determining the content as described above, based on only the content of the radical compound, and based on the number of radicals in the radical compound contained in the electrode, the ratio of the single ion conductive material is 10% or more and 300% or less. It is desirable to mix, and it is more desirable to mix in the ratio of 50% or more and 300% or less.

シングルイオン伝導性材料としては、脱離してカチオンになる部分構造であるカチオン構造と、そのカチオン構造が脱離した後の残部であってそのカチオン構造が脱離した後にアニオンを生成する部分構造であるカチオン構造とをもつ材料が例示できる。   Single ion conductive materials include a cation structure that is a partial structure that becomes a cation upon desorption, and a partial structure that generates an anion after the cation structure is desorbed after the cation structure is desorbed. A material having a certain cationic structure can be exemplified.

ここでシングルイオン伝導性材料は、一種類のイオン(ここではカチオン)が伝導に寄与する材料のことである。このシングルイオン伝導性材料として特に、有機酸であるものがラジカルと吸脱着しやすい構造である知見を得ている。   Here, the single ion conductive material is a material in which one kind of ions (here, cations) contributes to conduction. As the single ion conductive material, in particular, it has been found that an organic acid has a structure that is easily adsorbed and desorbed with radicals.

具体的には、−SOXや−COOXの官能基をもつ材料であり、R−SOX、R−COOXで表される有機酸構造が例示できる。これらの有機酸構造はXの解離性が高く、解離した後のアニオンR−SO -、R−COO-がラジカル化合物由来のラジカルと吸脱着しやすい。 Specifically, it is a material having a functional group of —SO 3 X or —COOX, and examples thereof include organic acid structures represented by R—SO 3 X and R—COOX. These organic acid structures have a high dissociation property of X, and the anions R—SO 3 and R—COO after the dissociation easily adsorb and desorb with radicals derived from radical compounds.

ここで、Xは前述したカチオン構造に相当する部分構造であり、1価のカチオンを形成できる基である。XはLi又はNaが望ましく、分子量が小さいLiが特に望ましい。   Here, X is a partial structure corresponding to the cation structure described above, and is a group capable of forming a monovalent cation. X is preferably Li or Na, and particularly preferably Li having a small molecular weight.

XをLiとしたシングルイオン伝導性材料においては、カチオン(構造)としてリチウム(Li)を有し、リチウムが解離した後にアニオン構造としてR−SO 、R−COOなどの置換基の構造が残存する。ここでR部分は、芳香族炭化水素置換基であるベンゼン基、スチレン基、脂肪族系炭化水素置換基であるアルキル基、アリル基、アクリル基、その他の有機物からなる低分子量の化学構造、並びに高分子量の化学構造により構成される。このうち、高分子量の化学構造は導電性を有することで後述する導電材としての作用の発揮が期待できるので望ましい。導電性をもつ化学構造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、ポリアセンなどの一般的な導電性高分子構造を導入することで実現可能である。後述するラジカル化合物においても、このような導電性をもつ化学構造が導入されることが同じように望ましい。またRの部分がHである構造は本実施の形態には含まない。 In a single ion conductive material in which X is Li, lithium (Li + ) is included as a cation (structure), and after lithium is dissociated, substituents such as R—SO 3 and R—COO are included as an anion structure. The structure remains. Here, the R moiety is a low molecular weight chemical structure comprising an aromatic hydrocarbon substituent benzene group, a styrene group, an aliphatic hydrocarbon substituent alkyl group, an allyl group, an acrylic group, or other organic substances, and Consists of a high molecular weight chemical structure. Among these, a high molecular weight chemical structure is desirable because it has conductivity, so that it can be expected to exhibit an effect as a conductive material described later. The chemical structure having conductivity can be realized by introducing a general conductive polymer structure such as polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polyacetylene, polyacene or the like. In the radical compound described later, it is also desirable that such a chemical structure having conductivity is introduced. A structure in which the R portion is H is not included in this embodiment.

Rの部分が高分子量の化学構造からなる場合には前述した−SOX、−COOXなどの置換基は多数結合する構造を採用することもできる。また、このR部分には後述するラジカル化合物が共存していても良い。ここでラジカル化合物が共存するとは、同一の高分子量の化学構造を基材として、−SOX、R−COOXなどのシングルイオン伝導性を付与する構造と、ラジカルを有する官能基(例えば、2,2,6,6−テトラメチルピペリジノキシ基)とが結合して同一化合物を形成することである。 In the case where the R portion has a high molecular weight chemical structure, a structure in which a large number of substituents such as —SO 3 X and —COOX described above are bonded can also be employed. Further, a radical compound described later may coexist in the R portion. The coexistence of a radical compound means that a structure imparting single ion conductivity, such as —SO 3 X, R—COOX, and a functional group having a radical (for example, 2 , 2,6,6-tetramethylpiperidinoxy group) to form the same compound.

シングルイオン伝導性材料は二次電池中で固体状態であることが望ましく、更には支持電解質の存在形態として液体を採用した場合に、溶解されないことが望ましい。固体状態又は液体状態、可溶性及び不溶性などのシングルイオン伝導性材料の性質はR部分の構造・分子量を適正に選択することで制御可能である。ここで、二次電池外(本二次電池用電極を二次電池に適用する前及び本二次電池用電極を製造する前)におけるシングルイオン伝導性材料の形態は特に限定しない。   The single ion conductive material is desirably in a solid state in the secondary battery, and further desirably not dissolved when a liquid is used as the existence form of the supporting electrolyte. The properties of single ion conductive materials such as solid state or liquid state, soluble and insoluble can be controlled by appropriately selecting the structure and molecular weight of the R moiety. Here, the form of the single ion conductive material outside the secondary battery (before applying the secondary battery electrode to the secondary battery and before manufacturing the secondary battery electrode) is not particularly limited.

シングルイオン伝導性材料として具体的に望ましい化合物としては、酢酸リチウムや酪酸リチウムなどの脂肪族有機酸のリチウム塩、p−スチレンスルホン酸リチウム、安息香酸リチウムなど芳香族有機酸のリチウム塩、また、ポリスチレンスルホン酸リチウムやポリアクリル酸リチウムなど上記脂肪族、芳香族の有機酸のリチウム塩のうち、高分子化したものも可能である。シングルイオン伝導性材料として具体的に望ましい化合物としては、リチウム塩とナトリウム塩があり、酢酸リチウムや酢酸ナトリウムなどの脂肪酸リチウム塩や脂肪酸ナトリウム塩、p−スチレンスルホン酸リチウムやp−スチレンスルホン酸ナトリウムなどの芳香族有機酸のリチウム塩や芳香族有機酸のナトリウム塩、またこれらの脂肪族有機酸、芳香族有機酸などが高分子化したポリスチレンスルホン酸リチウムやポリスチレンスルホン酸ナトリウム、またはポリアクリル酸リチウムやポリアクリル酸ナトリウムなどがある。また、スルホン酸リチウム塩やスルホン酸ナトリウム塩とカルボン酸リチウム塩やカルボン酸ナトリウム塩とを共重合させたものがある。   As a specific desirable compound as a single ion conductive material, a lithium salt of an aliphatic organic acid such as lithium acetate or lithium butyrate, a lithium salt of an aromatic organic acid such as lithium p-styrenesulfonate or lithium benzoate, Among the above-mentioned lithium salts of aliphatic and aromatic organic acids such as polystyrene sulfonate lithium and lithium polyacrylate, polymerized ones are also possible. Specific desirable compounds as a single ion conductive material include lithium salt and sodium salt, fatty acid lithium salt and fatty acid sodium salt such as lithium acetate and sodium acetate, lithium p-styrenesulfonate and sodium p-styrenesulfonate. Lithium salt of aromatic organic acid such as sodium salt of aromatic organic acid, lithium polystyrene sulfonate, sodium polystyrene sulfonate, or polyacrylic acid in which these aliphatic organic acids and aromatic organic acids are polymerized Examples include lithium and sodium polyacrylate. Further, there are those obtained by copolymerizing lithium sulfonate or sodium sulfonate with lithium carboxylate or sodium carboxylate.

ラジカル化合物はラジカルを分子構造中に有する化合物であり、本実施形態の二次電池用電極を二次電池に適用した場合において、分子構造中に有するラジカルにおける酸化還元が電池反応に対して直接関係する化合物である。従って、ラジカル化合物は本二次電池用電極を適用する二次電池の種類(組み合わせる電極、支持電解質の種類、目的とする電池性能)によって適正に選択できる。   A radical compound is a compound having a radical in its molecular structure. When the secondary battery electrode of this embodiment is applied to a secondary battery, the oxidation-reduction in the radical in the molecular structure is directly related to the battery reaction. It is a compound. Accordingly, the radical compound can be appropriately selected depending on the type of secondary battery to which the secondary battery electrode is applied (the electrode to be combined, the type of supporting electrolyte, and the target battery performance).

リチウムイオンを採用した二次電池に適用する場合において具体的に用いることが可能なラジカル化合物としては、ニトロキシルラジカル化合物、オキシラジカル化合物、アリールオキシラジカル化合物並びにアミノトリアジン構造をもつ化合物などが挙げられ、特にニトロキシルラジカル化合物が望ましい。その中でもラジカル化合物として具体的に望ましい化合物としては、前述のPTMAが挙げられる。   Specific examples of radical compounds that can be used when applied to a secondary battery employing lithium ions include nitroxyl radical compounds, oxy radical compounds, aryloxy radical compounds, and compounds having an aminotriazine structure. Particularly preferred are nitroxyl radical compounds. Among them, the above-mentioned PTMA can be given as a particularly desirable compound as a radical compound.

シングルイオン伝導性材料とラジカル化合物とはできるだけ近接していることが望ましい。例えば、ラジカル化合物及びシングルイオン伝導性材料は混合している(特に分子レベルで)ことが望ましい。   It is desirable that the single ion conductive material and the radical compound are as close as possible. For example, it is desirable that the radical compound and the single ion conductive material are mixed (especially at the molecular level).

また、ラジカル化合物及びシングルイオン伝導性材料は化学結合しており、同一分子を形成するものを含むことが望ましい。例えば、先述したシングルイオン伝導性材料及びラジカル化合物が単純に結合した化合物や、高分子材料の側鎖として、ラジカル化合物及びシングルイオン伝導性材料が結合している化合物が例示できる。   Moreover, it is desirable that the radical compound and the single ion conductive material are chemically bonded and include those that form the same molecule. For example, a compound in which a single ion conductive material and a radical compound are simply bonded as described above, or a compound in which a radical compound and a single ion conductive material are bonded as a side chain of a polymer material can be exemplified.

本実施形態の二次電池用電極は、ラジカル化合物にて進行する電子の授受が円滑に進行するようにする目的で、更に導電材を含有することができる。導電材はラジカル化合物のラジカル及びラジカル化合物からの集電を行う集電体との双方の間の導電性を向上することを目的としているので、分子レベルにおいてまで双方に近接して配設されていることが望ましい。導電材は、正極を構成するラジカル化合物、シングルイオン伝導性材料及び導電材を合わせた質量を基準として、10%から50%の割合で混合することが望ましく、10%から35%の割合で混合することが更に望ましい。   The electrode for a secondary battery of the present embodiment can further contain a conductive material for the purpose of smoothly transferring and receiving electrons progressing with the radical compound. The conductive material is intended to improve the electrical conductivity between the radical of the radical compound and the current collector that collects the current from the radical compound. It is desirable. The conductive material is desirably mixed at a rate of 10% to 50% based on the total mass of the radical compound, the single ion conductive material and the conductive material constituting the positive electrode, and mixed at a rate of 10% to 35%. It is further desirable to do so.

具体的な導電材としては、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、カーボンブラック、グラファイト、カーボンナノチューブ、非晶質炭素等、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、ポリアセンなどの導電性高分子や、金属材料が例示できる。   Specific conductive materials include conductive polymers such as ketjen black, acetylene black, carbon black, graphite, carbon nanotube, amorphous carbon, polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polyacetylene, polyacene, and metal materials. it can.

更に、本実施形態の二次電池用電極はラジカル化合物以外にも電池反応に関連する活物質(リチウムイオンが挿入脱離する化合物など)を含有する構成を採用することができる。   Furthermore, the secondary battery electrode of the present embodiment can employ a configuration containing an active material related to the battery reaction (such as a compound from which lithium ions are inserted and released) in addition to the radical compound.

具体的に混合できる正極の活物質としては、層状構造またはスピネル構造のリチウム−金属複合酸化物が挙げられ、具体的にはLi(1−X)NiO、Li(1−X)MnO、Li(1−X)Mn、Li(1−X)CoO、Li(1−X)FeO等である。この例示におけるXは0〜1の数を示す。各々にLi、Mg、Al、又はCo、Ti、Nb、Cr等の遷移金属を添加または置換した材料等であってもよい。また、これらのリチウム−金属複合酸化物を単独で用いるばかりでなくこれらを複数種類混合して用いることもできる。このなかでも、層状構造又はスピネル構造のリチウムマンガン含有複合酸化物、リチウムニッケル含有複合酸化物及びリチウムコバルト含有複合酸化物のうちの1種以上のリチウム−金属複合酸化物であることが好ましい。 Specific examples of the positive electrode active material that can be mixed include a lithium-metal composite oxide having a layered structure or a spinel structure. Specifically, Li (1-X) NiO 2 , Li (1-X) MnO 2 , Examples include Li (1-X) Mn 2 O 4 , Li (1-X) CoO 2 , and Li (1-X) FeO 2 . X in this illustration shows the number of 0-1. A material obtained by adding or substituting a transition metal such as Li, Mg, Al, or Co, Ti, Nb, or Cr may be used. Moreover, not only these lithium-metal composite oxides are used alone, but also a plurality of them can be mixed and used. Among these, at least one lithium-metal composite oxide of a lithium manganese-containing composite oxide, a lithium nickel-containing composite oxide, and a lithium cobalt-containing composite oxide having a layered structure or a spinel structure is preferable.

更に、本実施形態の二次電池用電極は、シングルイオン伝導性材料、ラジカル化合物、活物質などを結合する結着材、ラジカル化合物にて生成する電子を集電する集電体(金属箔などから形成することができる)などを有することができる。   Furthermore, the secondary battery electrode of the present embodiment includes a single ion conductive material, a radical compound, a binder that binds an active material, and a current collector that collects electrons generated by the radical compound (such as a metal foil). And the like can be formed.

結着材は高分子材料から形成されることが望ましく、二次電池内の雰囲気において化学的・物理的に安定な材料であることが望ましい。そして、前述のシングルイオン伝導性材料、ラジカル化合物、導電材のいずれかについて高分子材料から構成した場合に、その材料に結着材としての作用を発揮させることも考えられる。   The binder is preferably formed of a polymer material, and is desirably a material that is chemically and physically stable in the atmosphere in the secondary battery. Then, when any of the above-mentioned single ion conductive material, radical compound, and conductive material is made of a polymer material, it can be considered that the material exerts an action as a binder.

本実施形態の二次電池用電極は、(a)金属箔などから形成される集電体と、(b)ラジカル化合物及びシングルイオン伝導性材料の混合物を必須要素とし、前述の正極活物質、結着材、導電材その他の材料から必要に応じて選択される添加材を混合した電極合材からなる層であってその集電体の表面に形成された電極合材層とを有する形態とすることが一般的である。集電体の表面に電極合材層を形成する方法としては電極合材を適正な分散媒中に分散乃至溶解させた後、集電体の表面に塗布・乾燥する方法が例示できる。   The electrode for the secondary battery of the present embodiment includes (a) a current collector formed of a metal foil or the like, and (b) a mixture of a radical compound and a single ion conductive material as essential elements, the positive electrode active material described above, A layer composed of an electrode mixture in which an additive selected from a binder, a conductive material, and other materials as needed is mixed, and an electrode mixture layer formed on the surface of the current collector; It is common to do. Examples of the method for forming the electrode mixture layer on the surface of the current collector include a method in which the electrode mixture is dispersed or dissolved in an appropriate dispersion medium and then applied to the surface of the current collector and dried.

本実施形態の二次電池用電極が正極である場合には負極と組み合わせて二次電池を構成するが、シングルイオン伝導性材料が供給するカチオンがリチウムイオンである場合に、組み合わせる負極が有する活物質としては、リチウムイオンを充電時には吸蔵し且つ放電時には放出する化合物が採用できる。この負極活物質は、その材料構成で特に限定されるものではなく、公知の材料、構成のものを用いることができる。例えば、リチウム金属、グラファイト又は非晶質炭素等の炭素材料等、ケイ素、スズなどを含有する合金材料、LiTi12、Nb等の酸化物材料である。 When the secondary battery electrode of the present embodiment is a positive electrode, a secondary battery is configured in combination with the negative electrode. However, when the cation supplied by the single ion conductive material is lithium ion, the active property of the combined negative electrode is As the substance, a compound that occludes lithium ions during charging and releases lithium ions during discharging can be used. The negative electrode active material is not particularly limited in its material configuration, and known materials and configurations can be used. For example, a lithium metal, a carbon material such as graphite or amorphous carbon, an alloy material containing silicon, tin, or the like, or an oxide material such as Li 4 Ti 5 O 12 or Nb 2 O 5 .

支持電解質としては特に限定しないが、有機溶媒などの溶媒に支持塩を溶解させたもの、自身が液体状であるイオン液体、そのイオン液体に対して更に支持塩を溶解させたものが例示できる。有機溶媒としては、通常リチウム二次電池の電解液に用いられる有機溶媒が例示できる。例えば、カーボネート類、ハロゲン化炭化水素、エーテル類、ケトン類、ニトリル類、ラクトン類、オキソラン化合物等を用いることができる。特に、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、1,2−ジメトキシエタン、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等及びそれらの混合溶媒が適当である。   Although it does not specifically limit as supporting electrolyte, What melt | dissolved supporting salt in solvent, such as an organic solvent, self-liquid ionic liquid, and what melt | dissolved supporting salt further in the ionic liquid can be illustrated. As an organic solvent, the organic solvent normally used for the electrolyte solution of a lithium secondary battery can be illustrated. For example, carbonates, halogenated hydrocarbons, ethers, ketones, nitriles, lactones, oxolane compounds and the like can be used. In particular, propylene carbonate, ethylene carbonate, 1,2-dimethoxyethane, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, and the like, and mixed solvents thereof are suitable.

例に挙げたこれらの有機溶媒のうち、特に、カーボネート類、エーテル類からなる群より選ばれた一種以上の非水溶媒を用いることにより、支持塩の溶解性、誘電率および粘度において優れ、電池の充放電効率も高いので、好ましい。   Among these organic solvents mentioned in the examples, in particular, by using one or more non-aqueous solvents selected from the group consisting of carbonates and ethers, the solubility of the supporting salt, the dielectric constant and the viscosity are excellent, and the battery The charge / discharge efficiency is also preferable.

イオン液体は、通常リチウム二次電池の電解液に用いられるイオン液体であれば特に限定されるものではない。例えば、イオン液体のカチオン成分としては、導電性の高い1−メチル−3−エチルイミダゾリウムカチオン、ジメチルエチルメトキシアンモニウムカチオン等が挙げられ、アニオン成分としは、BF 、N(SO 等が挙げられる。 An ionic liquid will not be specifically limited if it is an ionic liquid normally used for the electrolyte solution of a lithium secondary battery. For example, examples of the cation component of the ionic liquid include 1-methyl-3-ethylimidazolium cation and dimethylethylmethoxyammonium cation having high conductivity, and examples of the anion component include BF 4 , N (SO 2 C 2 F 5 ) 2 — and the like.

本実施形態の支持電解質において用いられる支持塩としては、特に限定されない。例えば、LiPF、LiBF、LiCFSO、LiN(CFSO、LiC(CFSO、LiSbF、LiSiF、LiAlF、LiSCN、LiClO、LiCl、LiF、LiBr、LiI、LiAlF、LiAlCl、NaClO、NaBF、NaI、これらの誘導体等の塩化合物が挙げられる。これらの中でも、LiPF、LiBF、LiClO、LiCFSO、LiN(CFSO、LiC(CFSO、LiCFSOの誘導体、LiN(CFSOの誘導体及びLiC(CFSOの誘導体からなる群から選ばれる1種以上の塩を用いることが、電気特性の観点からは好ましい。 The supporting salt used in the supporting electrolyte of the present embodiment is not particularly limited. For example, LiPF 6 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3 , LiSbF 6 , LiSiF 5 , LiAlF 4 , LiSCN, LiClO 4 , LiCl, LiF, LiBr , LiI, LiAlF 4 , LiAlCl 4 , NaClO 4 , NaBF 4 , NaI, and derivatives thereof. Among these, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3 , LiCF 3 SO 3 derivatives, LiN (CF 3 SO 2 ) it is preferable from the viewpoint of electrical characteristics using one or more salts selected from 2 derivatives and LiC (CF 3 SO 2) group consisting of 3 derivatives.

正極と負極との間には電気的な絶縁作用とイオン伝導作用とを両立する部材であるセパレータを介装することが望ましい。支持電解質が液状である場合にはセパレータは、液状の支持電解質を保持する役割をも果たす。セパレータとしては、多孔質合成樹脂膜、特にポリオレフィン系高分子(ポリエチレン、ポリプロピレン)の多孔質膜が例示できる。更に、セパレータは、正極及び負極の間の絶縁を担保する目的で、正極及び負極よりも更に大きい形態を採用することが好ましい。   It is desirable to interpose a separator that is a member that achieves both electrical insulation and ion conduction between the positive electrode and the negative electrode. When the supporting electrolyte is liquid, the separator also plays a role of holding the liquid supporting electrolyte. Examples of the separator include a porous synthetic resin film, particularly a porous film of a polyolefin polymer (polyethylene or polypropylene). Furthermore, it is preferable that the separator has a larger size than the positive electrode and the negative electrode for the purpose of ensuring insulation between the positive electrode and the negative electrode.

正極、負極、支持電解質、セパレータなどは何らかのケース内に収納することが一般的である。ケースは、特に限定されるものではなく、公知の材料、形態で作成することができる。   In general, the positive electrode, the negative electrode, the supporting electrolyte, the separator, and the like are housed in some case. The case is not particularly limited and can be made of a known material and form.

本発明の二次電池用電極及び二次電池について、以下の具体的な実施例に基づき、更に詳細に説明する。但し、以下の実施例は本発明の例示であり、本発明は以下の実施例によって制限を受けるものではない。   The secondary battery electrode and the secondary battery of the present invention will be described in more detail based on the following specific examples. However, the following examples are illustrative of the present invention, and the present invention is not limited by the following examples.

〔実施例1〕
(本実施例の二次電池用電極としての正極の作製)
シングルイオン伝導性材料としてのp−スチレンスルホン酸リチウム、ラジカル化合物としてのPTMA、導電材としてのカーボンブラック、カルボキシメチルセルロースナトリウム塩(CMC)と、ポリエチレンオキシド(PEO)、分散媒としての水を22:31:35:1:1:80の質量割合(質量部)で混合分散させた。更に、結着材としてのポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を1質量部追加し分散させ、スラリー状の正極合材を得た。
[Example 1]
(Preparation of positive electrode as secondary battery electrode of this example)
Lithium p-styrenesulfonate as a single ion conductive material, PTMA as a radical compound, carbon black as a conductive material, carboxymethylcellulose sodium salt (CMC), polyethylene oxide (PEO), and water as a dispersion medium 22: It was mixed and dispersed at a mass ratio (parts by mass) of 31: 35: 1: 1: 80. Furthermore, 1 part by mass of polytetrafluoroethylene (PTFE) as a binder was added and dispersed to obtain a slurry-like positive electrode mixture.

得られたスラリーをアルミニウム製の薄膜である正極集電体の両面に塗布し、乾燥後、プレスして、正極板とした。その後、この正極板を所定の大きさにカットした上で、電流取り出し用のリードタブ溶接部となる部分の電極合剤を掻き取ってシート状の正極を作製した。   The obtained slurry was applied to both surfaces of a positive electrode current collector, which is an aluminum thin film, dried, and pressed to obtain a positive electrode plate. Thereafter, the positive electrode plate was cut into a predetermined size, and then the electrode mixture at the portion to be a lead tab weld for extracting current was scraped off to produce a sheet-like positive electrode.

(電解液の調製)
エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)とを3:7の質量比で混合した有機溶媒をそのまま電解液とした。なお、通常のリチウム二次電池では、この混合有機溶媒にLiPFなどの支持塩が溶解されていることが多い。
(Preparation of electrolyte)
An organic solvent in which ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) were mixed at a mass ratio of 3: 7 was used as an electrolyte as it was. In general lithium secondary batteries, a supporting salt such as LiPF 6 is often dissolved in this mixed organic solvent.

(三極セルの作製)
正極の評価を行う目的で三極セルを調製した。調製した前記正極をそのまま正極に用い、負極にはリチウム金属、参照極にもリチウム金属を用いた。電解液は調製した前記電解液を用いた。セパレータは厚さ25μmのポリエチレン製の多孔質膜をそれぞれ用いた。調製した三極セルの電気化学的特性を評価することで、正極(ラジカル化合物)の酸化還元挙動の評価を行った。
(Production of triode cell)
A triode cell was prepared for the purpose of evaluating the positive electrode. The prepared positive electrode was directly used for the positive electrode, lithium metal for the negative electrode, and lithium metal for the reference electrode. As the electrolytic solution, the prepared electrolytic solution was used. As the separator, a polyethylene porous film having a thickness of 25 μm was used. By evaluating the electrochemical characteristics of the prepared triode cell, the oxidation-reduction behavior of the positive electrode (radical compound) was evaluated.

〔比較例1〕
シングルイオン伝導性材料を添加しない以外は概ね実施例1と同様の正極を調製した。正極として、PTMA、カーボンブラック、CMC、PEO、水を63:35:1:1:80の質量割合(質量部)で混合分散させた。更にPTFEを1質量部追加、分散させて正極合材とし正極を調製した。調製した正極を用い、実施例1と同様の負極及び電解液を用いて三極セルを作成した。
[Comparative Example 1]
A positive electrode substantially similar to Example 1 was prepared except that no single ion conductive material was added. As the positive electrode, PTMA, carbon black, CMC, PEO, and water were mixed and dispersed at a mass ratio (parts by mass) of 63: 35: 1: 1: 80. Further, 1 part by mass of PTFE was added and dispersed to prepare a positive electrode mixture to prepare a positive electrode. Using the prepared positive electrode, a triode cell was prepared using the same negative electrode and electrolyte as in Example 1.

〔比較例2〕
(電解液の調製)
ECとDECとを質量比で3:7の混合有機溶媒に、p−スチレンスルホン酸リチウムを1.0mol/Lの濃度で添加し電解液とした。電解液以外の正極及び負極は比較例1と同じものを用いて三極セルを作成した。
[Comparative Example 2]
(Preparation of electrolyte)
EC and DEC were added to a mixed organic solvent having a mass ratio of 3: 7 at a concentration of 1.0 mol / L of lithium p-styrenesulfonate to obtain an electrolytic solution. A tripolar cell was prepared using the same positive electrode and negative electrode as those in Comparative Example 1 except for the electrolyte.

〔比較例3〕
(電解液の調製)
ECとDECとを質量比で3:7の混合有機溶媒に、LiPFを1.0mol/Lの濃度で添加し電解液とした。電解液以外の正極及び負極は比較例1と同じものを用いて三極セルを作成した。
[Comparative Example 3]
(Preparation of electrolyte)
LiPF 6 was added at a concentration of 1.0 mol / L to a mixed organic solvent having a mass ratio of EC and DEC of 3: 7 to obtain an electrolytic solution. A tripolar cell was prepared using the same positive electrode and negative electrode as those in Comparative Example 1 except for the electrolyte.

〔評価〕
実施例及び比較例のそれぞれの三極セルについて、ラジカル化合物の酸化還元挙動の電気化学的評価を行った。結果を表1に示す。
[Evaluation]
About each tripolar cell of an Example and a comparative example, the electrochemical evaluation of the oxidation-reduction behavior of a radical compound was performed. The results are shown in Table 1.

表1から明らかなように、正極内にシングルイオン伝導性材料であるp−スチレンスルホン酸リチウムを添加することで、従来技術に相当する電解液中にLiPFを添加した比較例3と同様に、ラジカルの酸化還元ピークを確認することができた。つまり、シングルイオン伝導性材料を電極中に含有させることで電解液中に支持電解質を溶解させることなく電池反応を進行できることが分かった。 As apparent from Table 1, by adding lithium p-styrenesulfonate as a single ion conductive material in the positive electrode, the same as in Comparative Example 3 in which LiPF 6 was added to the electrolyte corresponding to the prior art. The radical redox peak could be confirmed. That is, it was found that the battery reaction can proceed without dissolving the supporting electrolyte in the electrolytic solution by including the single ion conductive material in the electrode.

また、p−スチレンスルホン酸リチウムを添加していない比較例2の三極セルはもちろん、正極中には添加せずに、電解液中のみに添加した比較例1についてもラジカルの酸化還元反応が進行しないことから、シングルイオン伝導性材料は、ラジカル化合物が存在する正極内に存在することによって初めて、ラジカルの酸化還元反応に寄与することが明らかとなった。   In addition to the tripolar cell of Comparative Example 2 to which lithium p-styrenesulfonate was not added, the radical redox reaction was also carried out in Comparative Example 1 which was not added in the positive electrode but only in the electrolytic solution. From the fact that it does not proceed, it became clear that the single ion conductive material contributes to the oxidation-reduction reaction of the radical only when it exists in the positive electrode where the radical compound is present.

これは、p−スチレンスルホン酸リチウムからリチウムが解離した後のアニオン基(アニオン構造)であるp−スチレンスルホン酸アニオンがラジカル化合物のラジカル近傍に存在することによって、ラジカルの酸化還元反応に寄与することができるものと推測できる。   This contributes to the radical redox reaction by the presence of the p-styrenesulfonate anion, which is an anion group (anion structure) after lithium is dissociated from the lithium p-styrenesulfonate, in the vicinity of the radical of the radical compound. Can be guessed.

また、p−スチレンスルホン酸リチウム以外のシングルイオン伝導性材料としてポリアクリル酸リチウムについても同様の検討を行った結果、p−スチレンスルホン酸リチウムと同様に正極内に添加することでラジカルの酸化還元反応の進行に寄与することを同様の試験によって明らかになっている。   In addition, as a result of the same investigation of lithium polyacrylate as a single ion conductive material other than lithium p-styrene sulfonate, it was added to the positive electrode in the same manner as lithium p-styrene sulfonate. Similar tests have shown that it contributes to the progress of the reaction.

〔実施例2〕
(電解液の調製)
ECとDECとを質量比で3:7の混合有機溶媒に、LiPFを0.6mol/Lの濃度で添加した溶液を電解液とした。
[Example 2]
(Preparation of electrolyte)
A solution obtained by adding LiPF 6 at a concentration of 0.6 mol / L to a mixed organic solvent having a mass ratio of EC and DEC of 3: 7 was used as an electrolytic solution.

(コイン型電池の作製)
作成したコイン型電池の断面図を図1に示す。電解液以外の正極及び負極は実施例1と同じものを用いた。すなわち、調製した実施例1の正極をそのまま正極1に用い、負極2にはリチウム金属を用いた。電解液3は調製した前記電解液を用いた。セパレータ7は厚さ25μmのポリエチレン製の多孔質膜をそれぞれ用いてコイン型電池を製造した。正極1には正極集電体1aをもち、負極2には負極集電体2aをもつ。
(Production of coin-type battery)
FIG. 1 shows a cross-sectional view of the produced coin-type battery. The positive electrode and negative electrode other than the electrolytic solution were the same as those in Example 1. That is, the prepared positive electrode of Example 1 was used for the positive electrode 1 as it was, and lithium metal was used for the negative electrode 2. As the electrolytic solution 3, the prepared electrolytic solution was used. Separator 7 manufactured a coin type battery using a 25-micrometer-thick polyethylene porous membrane, respectively. The positive electrode 1 has a positive electrode current collector 1a, and the negative electrode 2 has a negative electrode current collector 2a.

これらの発電要素をステンレス製のケース(正極ケース4と負極ケース5から構成されている)中に収納した。正極ケース4と負極ケース5とは正極端子と負極端子とを兼ねている。正極ケース4と負極ケース5との間にはポリプロピレン製のガスケット6を介装することで密閉性と正極ケース4と負極ケース5との間の絶縁性とを担保している。   These power generation elements were housed in a stainless steel case (consisting of a positive electrode case 4 and a negative electrode case 5). The positive electrode case 4 and the negative electrode case 5 serve as a positive electrode terminal and a negative electrode terminal. A gasket 6 made of polypropylene is interposed between the positive electrode case 4 and the negative electrode case 5 to ensure sealing and insulation between the positive electrode case 4 and the negative electrode case 5.

〔実施例3〕
(電解液の調製)
ECとDECとを質量比で3:7の混合有機溶媒に、LiPFを1.0mol/Lの濃度で添加し電解液とした。電解液以外の正極及び負極は実施例2と同じものを用いてコイン型電池を作成した。
〔実施例4〕
シングルイオン伝導性材料としてのポリアクリル酸リチウム、ラジカル化合物としてのPTMA、導電材としてのカーボンブラック、CMCと、PEO、分散媒としての水を15.5:47.5:35:1:1:80の質量割合(質量部)で混合分散させ、さらに結着材としてPTFEを1質量部追加し、分散させスラリー状の正極合材を得た。電解液は実施例2と同じものを用いてコイン型電池を作成した。
(電解液の調製)
ECとDECとを質量比で3:7の混合有機溶媒に、LiPFを0.6mol/Lの濃度で添加した溶液を電解液とした。
〔実施例5〕
(電解液の調製)
ECとDECとを質量比で3:7の混合有機溶媒に、LiPFを1.0mol/Lの濃度で添加し電解液とした。電解液以外の正極及び負極は実施例4と同じものを用いてコイン型電池を作成した。
Example 3
(Preparation of electrolyte)
LiPF 6 was added at a concentration of 1.0 mol / L to a mixed organic solvent having a mass ratio of EC and DEC of 3: 7 to obtain an electrolytic solution. A coin-type battery was prepared using the same positive electrode and negative electrode as in Example 2 except for the electrolytic solution.
Example 4
Lithium polyacrylate as a single ion conductive material, PTMA as a radical compound, carbon black as a conductive material, CMC, PEO, and water as a dispersion medium 15.5: 47.5: 35: 1: 1: 80 parts by mass (parts by mass) was mixed and dispersed, and 1 part by mass of PTFE was further added and dispersed as a binder to obtain a slurry-like positive electrode mixture. A coin-type battery was prepared using the same electrolyte as in Example 2.
(Preparation of electrolyte)
A solution obtained by adding LiPF 6 at a concentration of 0.6 mol / L to a mixed organic solvent having a mass ratio of EC and DEC of 3: 7 was used as an electrolytic solution.
Example 5
(Preparation of electrolyte)
LiPF 6 was added at a concentration of 1.0 mol / L to a mixed organic solvent having a mass ratio of EC and DEC of 3: 7 to obtain an electrolytic solution. A coin-type battery was prepared using the same positive electrode and negative electrode as in Example 4 except for the electrolytic solution.

〔比較例4〕
比較例3で製造した正極、負極及び電解液を用いてコイン型電池を作成した。
[Comparative Example 4]
A coin-type battery was prepared using the positive electrode, negative electrode, and electrolyte solution produced in Comparative Example 3.

〔評価〕
コイン型電池は、25℃の恒温槽内に入れ、1C相当の電流値(1Cは電池容量を1時間で放電できる電流値)にて4.1Vまで定電流充電し、1C相当の電流値で3.0Vまで定電流放電を行った。この試験を5回行った後、5回目の放電容量値を各コイン電池の容量値とした。
さらに、25℃の恒温槽内に入れ、0.2C相当の電流値にて4.1Vまで定電流定電圧充電し、電流値を変えて10秒間放電を実施した。各電流値での10秒放電後の電圧値からI−V曲線を作成し、3.0Vとなる電流値を求め、その電流値と電圧値(3.0V)の積を出力とした。
容量比と出力比は、比較例4を1.0としたときの比で表記する。
得られた結果を表2に示す。
[Evaluation]
The coin-type battery is placed in a constant temperature bath at 25 ° C., and is charged at a constant current of up to 4.1 V at a current value equivalent to 1C (1C is a current value that can discharge the battery capacity in 1 hour). Constant current discharge was performed up to 3.0V. After conducting this test five times, the fifth discharge capacity value was used as the capacity value of each coin battery.
Furthermore, it was placed in a constant temperature bath at 25 ° C., charged with constant current and constant voltage up to 4.1 V at a current value equivalent to 0.2 C, and discharged for 10 seconds while changing the current value. An IV curve was created from the voltage value after 10 seconds of discharge at each current value to obtain a current value of 3.0 V, and the product of the current value and the voltage value (3.0 V) was used as the output.
The capacity ratio and the output ratio are expressed as a ratio when Comparative Example 4 is 1.0.
The obtained results are shown in Table 2.

表2から明らかなように、実施例2から5の電池は比較例3の電池よりも高い容量と出力が実現できた。すなわち、正極内にシングルイオン伝導性材料であるp−スチレンスルホン酸リチウム、ポリアクリル酸リチウムを添加することで、電解液中の支持電解質の濃度が低くても同等以上の容量が実現できると共に、同程度の濃度の支持電解質を溶解させることで更なる高容量化、高出力化が実現できた。
さらに、コイン電池を25℃の恒温槽内に入れ、0.2C相当の電流値にて4.1Vまで定電流定電圧充電し、10C相当の電流値で3.0Vまで定電流放電を行った際の容量を測定した。
容量比は、比較例4の10C相当の容量を1.0としたときの比で表記する。
その結果を表3に示す。
表3から明らかなように、放電電流値を高くした場合にも同様に正極内にシングルイオン伝導性材料を添加することで、未添加の場合と比較して高い容量、高容量化と高出力化が実現できた。
As is apparent from Table 2, the batteries of Examples 2 to 5 were able to realize higher capacity and output than the battery of Comparative Example 3. That is, by adding p-styrene sulfonate lithium and lithium polyacrylate, which are single ion conductive materials, in the positive electrode, a capacity equal to or higher than that can be realized even if the concentration of the supporting electrolyte in the electrolytic solution is low, A higher capacity and higher output could be achieved by dissolving a supporting electrolyte of the same concentration.
Furthermore, the coin battery was placed in a constant temperature bath at 25 ° C., charged at a constant current and a constant voltage up to 4.1 V at a current value equivalent to 0.2 C, and discharged at a constant current up to 3.0 V at a current value equivalent to 10 C. The capacity was measured.
The capacity ratio is expressed as a ratio when the capacity corresponding to 10 C of Comparative Example 4 is 1.0.
The results are shown in Table 3.
As can be seen from Table 3, even when the discharge current value is increased, a single ion conductive material is added in the positive electrode in the same manner, so that a higher capacity, a higher capacity, and a higher output are obtained as compared with the case of no addition. Was realized.

つまり、電解液中の指示電解質濃度を低くしても高い容量が実現できるので、高いイオン伝導度が必要な場合には電解液中の支持電解質濃度を低くしてイオン伝導度を高くしても高い容量を保つことが可能になることが明らかになった。
また、実施例2と3でシングルイオン伝導性材料としてポリアクリル酸リチウムを用いた場合においてp−スチレンスルホン酸リチウムを用いた場合と比較して容量比ならびに出力比が向上したのは、溶媒に水を用いることによりシングルイオン伝導性材料のポリアクリル酸リチウムとラジカルとの分散性が向上したためであると思われる。
In other words, a high capacity can be realized even if the indicator electrolyte concentration in the electrolyte is lowered. Therefore, if high ionic conductivity is required, the ionic conductivity can be increased by lowering the supporting electrolyte concentration in the electrolyte. It became clear that it was possible to maintain a high capacity.
In addition, when lithium polyacrylate was used as the single ion conductive material in Examples 2 and 3, the capacity ratio and the output ratio were improved as compared with the case where lithium p-styrenesulfonate was used. This is presumably because the use of water improved the dispersibility between lithium polyacrylate, a single ion conductive material, and radicals.

本実施例で製造したコイン型電池の構造を概略的に示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows roughly the structure of the coin-type battery manufactured in the present Example.

符号の説明Explanation of symbols

1 …正極
1a…正極集電体
2 …負極
2a…負極集電体
3 …電解液
4 …正極ケース
5 …負極ケース
6 …ガスケット
7 …セパレータ
10…コイン型の非水電解液二次電池
1 ... Positive electrode
1a: positive electrode current collector
2 ... Negative electrode
2a ... Negative electrode current collector
3 ... Electrolytic solution
4 ... Positive electrode case
5 ... Negative electrode case
6… Gasket
7 ... Separator
10 ... Coin-type non-aqueous electrolyte secondary battery

Claims (14)

正極、負極及び支持電解質を有する二次電池の少なくとも一方の電極であって、 ラジカル化合物と、分子構造中に−COOX又は−SOX(XはLi又はNa)の官能基を有するシングルイオン伝導性材料とを含有することを特徴とする二次電池用電極。 It is at least one electrode of a secondary battery having a positive electrode, a negative electrode and a supporting electrolyte, and has a radical compound and a single ion conduction having a functional group of -COOX or -SO 3 X (X is Li or Na) in the molecular structure An electrode for a secondary battery comprising a functional material. 前記ラジカル化合物及び前記シングルイオン伝導性材料は混合している請求項1に記載の二次電池用電極。   The electrode for a secondary battery according to claim 1, wherein the radical compound and the single ion conductive material are mixed. 前記ラジカル化合物及び前記シングルイオン伝導性材料は化学結合しており、同一分子を形成するものを含む請求項1又は2に記載の二次電池用電極。   3. The electrode for a secondary battery according to claim 1, wherein the radical compound and the single ion conductive material are chemically bonded to each other to form the same molecule. 4. 前記シングルイオン伝導性材料は、脱離してカチオンになる部分構造であるカチオン構造(Li又はNa)と、該カチオン構造が脱離した後の残部であって該カチオン構造が脱離した後にアニオンを生成する部分構造であるアニオン構造(−COO又は−SO )とをもつ材料である請求項1〜3のいずれかに記載の二次電池用電極。 The single ion conductive material has a cation structure (Li + or Na + ) that is a partial structure that is desorbed to become a cation, and a remainder after the cation structure is desorbed, after the cation structure is desorbed. anion structure is a partial structure for generating an anion (-COO - or -SO 3 -) and materials a secondary battery electrode according to any of claims 1 to 3 with. 前記XはLiである請求項1〜4のいずれかに記載の二次電池用電極。   Said X is Li, The electrode for secondary batteries in any one of Claims 1-4. 前記シングルイオン伝導性材料は分子構造中に−COOX又は−SOX(XはLi又はNa)の官能基を有し、単位ユニットである単量体(モノマー)の分子量が300以下の重合体であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の二次電池用電極。 The single ion conductive material is a polymer having a functional group of —COOX or —SO 3 X (X is Li or Na) in the molecular structure, and the molecular weight of the monomer (monomer) as a unit unit is 300 or less. The electrode for a secondary battery according to claim 1, wherein the electrode is a secondary battery electrode. 前記シングルイオン伝導性材料は重合体構造(ポリマー構造)をもつことを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の二次電池用電極。   The secondary battery electrode according to claim 1, wherein the single ion conductive material has a polymer structure (polymer structure). 前記重合体構造のシングルイオン伝導性材料は平均分子量が10万以上であることを特徴とする請求項6又は7に記載の二次電池用電極。   The secondary battery electrode according to claim 6 or 7, wherein the single ion conductive material having a polymer structure has an average molecular weight of 100,000 or more. 前記二次電池は支持電解質とその支持電解質を溶解する電解液とを有し、前記シングルイオン伝導性材料は前記電解液に不溶である請求項1〜8のいずれかに記載の二次電池用電極。   9. The secondary battery according to claim 1, wherein the secondary battery includes a supporting electrolyte and an electrolytic solution that dissolves the supporting electrolyte, and the single ion conductive material is insoluble in the electrolytic solution. electrode. 前記ラジカル化合物及び前記シングルイオン伝導性材料に混合した導電材を含有する請求項1〜9のいずれかに記載の二次電池用電極。   The electrode for secondary batteries in any one of Claims 1-9 containing the electrically conductive material mixed with the said radical compound and the said single ion conductive material. 前記ラジカル化合物及び/又は前記シングルイオン伝導性材料は、その分子構造中に導電性をもつ部分構造をもつ請求項1〜10のいずれかに記載の二次電池用電極。   The electrode for a secondary battery according to claim 1, wherein the radical compound and / or the single ion conductive material has a partial structure having conductivity in a molecular structure thereof. 正極に用いられる請求項1〜11のいずれかに記載の二次電池用電極。   The secondary battery electrode according to claim 1, which is used for a positive electrode. 請求項1〜12の何れかに記載の二次電池用電極であって集電体をもつ電極を製造する方法であって、
前記ラジカル化合物及び前記シングルイオン伝導性材料を水に溶解乃至は分散させたペーストを調製する工程と、
前記ペーストを前記集電体の表面に塗布する工程とを有することを特徴とする二次電池用電極の製造方法。
A method for producing an electrode for a secondary battery according to any one of claims 1 to 12, wherein the electrode has a current collector,
Preparing a paste in which the radical compound and the single ion conductive material are dissolved or dispersed in water;
And a step of applying the paste to the surface of the current collector.
正極及び/又は負極が請求項1〜12のいずれかに記載の二次電池用電極であることを特徴とする二次電池。   A secondary battery, wherein the positive electrode and / or the negative electrode is the electrode for a secondary battery according to claim 1.
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