JP2011171072A - Nonaqueous electrolyte air battery - Google Patents

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亨 志賀
Yoko Hase
陽子 長谷
Kensuke Takechi
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nonaqueous electrolyte air battery capable of reducing an irreversible capacity. <P>SOLUTION: In an F type electrochemical cell 20, a positive electrode 23 and a negative electrode 25 are mutually opposed and set in a casing 21 via a separator 27, and a nonaqueous electrolyte 28 is injected between the positive electrode 23 and the negative electrode 25. In the positive electrode 23, electrolytic manganese dioxide, a radical polymer having a nitroxyl radical or the like is contained as an oxidation-reduction catalyst to oxygen. Further, in the nonaqueous electrolyte 28, a heavy mass number solvent where a stable isotope larger in mass number in a predetermined element is contained is included. The heavy mass number solvent is stable to an oxygen radical considered to be generated in the positive electrode during discharge. Thus, decomposition of the nonaqueous electrolyte by the reaction between the oxygen radical and the nonaqueous electrolyte or the like is further suppressed to more reduce the irreversible capacity. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、非水電解液空気電池に関する。   The present invention relates to a non-aqueous electrolyte air battery.

従来、非水電解液空気電池としては、リチウムイオンを吸蔵放出可能な負極と、空気中の酸素を正極活物質とし酸素の酸化還元触媒を含む正極と、負極と正極との間に介在するイオン伝導体とを備えたものが知られている。具体的には、例えば、負極として金属リチウムが、正極としてリチウム過酸化物と多孔質炭素と二酸化マンガン触媒とフッ素系樹脂との混合物が、非水電解液としてLiPF6を溶解したプロピレンカーボネートを用いたリチウム空気電池などが知られている(非特許文献1参照)。このリチウム空気電池は、放電電位が2.5〜2.7V、充電電位が4.2〜4.4V、放電容量が炭素あたり1000mAh/g程度である。 Conventionally, as a non-aqueous electrolyte air battery, a negative electrode capable of occluding and releasing lithium ions, a positive electrode including oxygen in the air as a positive electrode active material and an oxygen redox catalyst, and an ion interposed between the negative electrode and the positive electrode A device provided with a conductor is known. Specifically, for example, metallic lithium is used as the negative electrode, a mixture of lithium peroxide, porous carbon, manganese dioxide catalyst, and fluorine resin is used as the positive electrode, and propylene carbonate in which LiPF 6 is dissolved is used as the non-aqueous electrolyte. Known lithium-air batteries are known (see Non-Patent Document 1). This lithium air battery has a discharge potential of 2.5 to 2.7 V, a charge potential of 4.2 to 4.4 V, and a discharge capacity of about 1000 mAh / g per carbon.

ところで、充電電位が放電電位よりも格段に高い場合、エネルギーは電圧と容量との積であるから、充放電で容量が同じであるとすると、充電エネルギーが放電エネルギーを大きく上回ることになり、充放電効率が低下する。この点に関し、非特許文献1では、正極に二酸化マンガン触媒を含まない場合には充電電位が4.5V程度であるのに対し、正極に二酸化マンガン触媒を含むものとすると充電電位が4.2〜4.4V程度となり、二酸化マンガン触媒により充電電位が低下して充放電効率が向上することが示されている。   By the way, when the charge potential is much higher than the discharge potential, the energy is the product of the voltage and the capacity. Therefore, if the capacity is the same in charge and discharge, the charge energy will greatly exceed the discharge energy, Discharge efficiency decreases. In this regard, in Non-Patent Document 1, when the manganese dioxide catalyst is not included in the positive electrode, the charging potential is about 4.5 V, whereas when the positive electrode includes the manganese dioxide catalyst, the charging potential is 4.2 to 4.2. It is about 4.4 V, and it is shown that the charge potential is lowered by the manganese dioxide catalyst and the charge / discharge efficiency is improved.

ジャーナル・オブ・アメリカン・ケミカル・ソサイエティ(J.Am.Chem.Soc.)、128巻、1390−1393頁、2006年Journal of American Chemical Society (J. Am. Chem. Soc.), 128, 1390-1393, 2006

しかしながら、非特許文献1に記載のリチウム空気電池では、まだ充電電位が高く、例えば充電終止電位を4.0Vとして充放電を行う場合などには、初回充放電時の充電容量と放電容量との差を示す不可逆容量が大きくなることがあった。このため、不可逆容量をより低減することが望まれていた   However, in the lithium-air battery described in Non-Patent Document 1, the charge potential is still high. The irreversible capacity indicating the difference sometimes increased. For this reason, it was desired to further reduce the irreversible capacity.

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、不可逆容量をより低減することのできる非水電解液空気電池を提供することを主目的とする。   The present invention has been made to solve such a problem, and a main object of the present invention is to provide a nonaqueous electrolyte air battery capable of further reducing the irreversible capacity.

上述した目的を達成するために、本発明者らは、電解液溶媒に重水素化した非水溶媒を用いた空気電池を作製したところ、不可逆容量を低減できることを見いだし、本発明を完成するに至った   In order to achieve the above-described object, the present inventors have produced an air battery using a non-aqueous solvent deuterated as an electrolyte solvent, and found that the irreversible capacity can be reduced, thereby completing the present invention. Reached

即ち、本発明の非水電解液空気電池は、
酸素の酸化還元触媒を有する正極と、
金属を吸蔵・放出可能な負極活物質を有する負極と、
前記正極と前記負極との間に介在し、所定元素における質量数のより大きい安定同位体を含むものである重質量数溶媒を有する非水電解液と、
を含むものである。
That is, the non-aqueous electrolyte air battery of the present invention is
A positive electrode having an oxygen redox catalyst;
A negative electrode having a negative electrode active material capable of occluding and releasing metal;
A non-aqueous electrolyte solution having a heavy mass solvent that is interposed between the positive electrode and the negative electrode and contains a stable isotope having a larger mass number in a predetermined element;
Is included.

この非水電解液空気電池では、不可逆容量をより低減することができる。このような効果が得られる理由は定かではないが、放電時に正極上に生成する酸素ラジカルに対して、重水素化ジメチルスルホキシド、重水素化アセトニトリルなどの重質量数溶媒が安定であるため、酸素ラジカルと非水溶媒との反応による非水電解液の分解などがより抑制され、不可逆容量をより低減することができるものと考えられる。   In this non-aqueous electrolyte air battery, the irreversible capacity can be further reduced. The reason why such an effect is obtained is not clear, but deuterated dimethyl sulfoxide, deuterated acetonitrile, and other deuterated mass solvents are stable against oxygen radicals generated on the positive electrode during discharge. It is considered that the decomposition of the nonaqueous electrolytic solution due to the reaction between the radical and the nonaqueous solvent is further suppressed, and the irreversible capacity can be further reduced.

F型電気化学セル20の断面図である。2 is a cross-sectional view of an F-type electrochemical cell 20. FIG. 実施例1の充放電曲線である。2 is a charge / discharge curve of Example 1. FIG. 比較例1の充放電曲線である。3 is a charge / discharge curve of Comparative Example 1. 実施例2の充放電曲線である。2 is a charge / discharge curve of Example 2. FIG. 比較例2の充放電曲線である。It is a charging / discharging curve of the comparative example 2. 実施例3の充放電曲線である。4 is a charge / discharge curve of Example 3. 比較例3の充放電曲線である。10 is a charge / discharge curve of Comparative Example 3. 実施例4の充放電曲線である。It is a charging / discharging curve of Example 4. 比較例4の充放電曲線である。It is a charging / discharging curve of the comparative example 4. 実施例5の充放電曲線である。10 is a charge / discharge curve of Example 5. 比較例5の充放電曲線である。10 is a charge / discharge curve of Comparative Example 5. 実施例6の充放電曲線である。7 is a charge / discharge curve of Example 6.

本発明の非水電解液空気電池は、酸素の酸化還元触媒を有する正極と、負極活物質を有する負極と、正極と負極との間に介在し、所定元素における質量数のより大きい安定同位体を含むものである重質量数溶媒を有する非水電解液と、を備えている。   The non-aqueous electrolyte air battery of the present invention comprises a positive electrode having an oxygen redox catalyst, a negative electrode having a negative electrode active material, a stable isotope having a larger mass number in a predetermined element, interposed between the positive electrode and the negative electrode. And a non-aqueous electrolyte solution having a heavy mass solvent.

本発明の非水電解液空気電池において、正極は、気体からの酸素を正極活物質とするものである。気体としては、空気であってもよいし酸素ガスであってもよい。この正極は、酸素の酸化還元触媒を含んでいる。酸素の酸化還元触媒としては、二酸化マンガン、四酸化三コバルトなどの金属酸化物であってもよいし、Pt、Pd、Coなどの金属であってもよいし、金属ポルフィリン、金属フタロシアニン、イオン化フラーレンなどの有機及び無機化合物であってもよい。このうち、電解二酸化マンガンであれば、容易に入手することができる点で好ましい。また、酸素の酸化還元触媒としては、安定なラジカル骨格を含む構造を有する安定ラジカル化合物であってもよい。ここで、安定なラジカル骨格とは、ラジカルとして存在している時間の長いものをいい、例えば電子スピン共鳴分析で測定されたスピン密度が1019spins/g以上、好ましくは1021spins/g以上のものとしてもよい。安定なラジカル化合物としては、例えば、ニトロキシルラジカルを有する骨格、オキシラジカルを有する骨格、窒素ラジカルを有する骨格、硫黄ラジカルを有する骨格、炭素ラジカルを有する骨格及びホウ素ラジカルを有する骨格からなる群より選ばれたラジカル骨格を有するものが好ましい。具体的には、式(1)〜(9)に示すようなニトロキシルラジカルを有する骨格、式(10)に示すようなフェノキシラジカル(オキシラジカル)を有する骨格、式(11)〜(13)に示すようなヒドラジルラジカル(窒素ラジカル)を有する骨格、式(14),(15)に示すような炭素ラジカルを有する骨格を含むものなどが挙げられる。このうち、特にニトロキシルラジカルを有する骨格を含むものが好ましく、式(1),(2),(4)に示すような骨格を有するものがより好ましい。安定ラジカル化合物は、上述した骨格単独のものであってもよいが、多環式芳香環が安定なラジカル骨格に連結した構造を有する化合物であってもよいし、ポリマーが安定なラジカル骨格に連結した構造を有する化合物であってもよい。前者の場合には、正極中で個々に分散して存在しやすいため還元触媒機能を十分発揮することができ、後者の場合には、正極から流出しにくいため長期にわたって還元触媒機能を発揮することができる。多環式芳香環としては、例えばナフタレンやフェナレン、トリフェニレン、アントラセン、ペリレン、フェナントレン、ピレンなどが挙げられる。ポリマーとしては、例えばポリエチレンやポリプロピレンなどが挙げられる。ポリマーや多環式芳香環は、ラジカル骨格に直接連結していてもよいし、エステル結合、アミド結合、ウレア結合、ウレタン結合、カルバミド結合、エーテル結合及びスルフィド結合からなる群より選ばれたものをスペーサとし該スペーサを介してラジカル骨格に連結していてもよい。化合物Aは多環式芳香環(ピレン)がスペーサ(アミド結合)を介して安定なラジカル骨格に連結した構造を有する化合物の一例であり、化合物Xはポリマー(ポリプロピレン)がスペーサ(エステル結合)を介して安定なラジカル骨格に連結した構造を有する化合物の一例である。なお、ポリマーは数平均分子量が5千以上50万以下であることが好ましく、重量平均分子量が1万以上100万以下であることが好ましい。酸化還元触媒は正極合材あたり2重量%以上60重量%以下であることが好ましく、50重量%以上60重量%以下であることがより好ましい。2重量%以上であれば酸素の酸化還元を行うのに少なすぎず、60重量%以下であれば、後述する導電材や結着剤が少なくなりすぎず電気伝導性や強度を確保できるからである。 In the nonaqueous electrolyte air battery of the present invention, the positive electrode uses oxygen from a gas as the positive electrode active material. The gas may be air or oxygen gas. This positive electrode contains an oxygen redox catalyst. The oxygen redox catalyst may be a metal oxide such as manganese dioxide or tricobalt tetroxide, or may be a metal such as Pt, Pd or Co, metal porphyrin, metal phthalocyanine, or ionized fullerene. Organic and inorganic compounds such as Among these, electrolytic manganese dioxide is preferable in that it can be easily obtained. The oxygen redox catalyst may be a stable radical compound having a structure containing a stable radical skeleton. Here, a stable radical skeleton refers to a long radical that exists as a radical. For example, the spin density measured by electron spin resonance analysis is 10 19 spins / g or more, preferably 10 21 spins / g or more. It is good also as a thing. The stable radical compound is selected from the group consisting of, for example, a skeleton having a nitroxyl radical, a skeleton having an oxy radical, a skeleton having a nitrogen radical, a skeleton having a sulfur radical, a skeleton having a carbon radical, and a skeleton having a boron radical. Those having a radical skeleton are preferred. Specifically, a skeleton having a nitroxyl radical as shown in formulas (1) to (9), a skeleton having a phenoxy radical (oxy radical) as shown in formula (10), and formulas (11) to (13) And those containing a skeleton having a hydrazyl radical (nitrogen radical) as shown in the above, and a skeleton having a carbon radical as shown in formulas (14) and (15). Of these, those containing a skeleton having a nitroxyl radical are particularly preferred, and those having a skeleton as represented by formulas (1), (2) and (4) are more preferred. The stable radical compound may be a single skeleton as described above, or may be a compound having a structure in which a polycyclic aromatic ring is linked to a stable radical skeleton, or a polymer is linked to a stable radical skeleton. A compound having the above structure may be used. In the former case, the reduction catalyst function can be sufficiently exerted because it is easily dispersed and present in the positive electrode. In the latter case, the reduction catalyst function is exhibited over a long period of time because it does not easily flow out of the positive electrode. Can do. Examples of the polycyclic aromatic ring include naphthalene, phenalene, triphenylene, anthracene, perylene, phenanthrene, and pyrene. Examples of the polymer include polyethylene and polypropylene. The polymer or polycyclic aromatic ring may be directly connected to the radical skeleton, or may be selected from the group consisting of ester bond, amide bond, urea bond, urethane bond, carbamide bond, ether bond and sulfide bond. A spacer may be connected to the radical skeleton via the spacer. Compound A is an example of a compound having a structure in which a polycyclic aromatic ring (pyrene) is linked to a stable radical skeleton via a spacer (amide bond), and Compound X is a polymer (polypropylene) having a spacer (ester bond). It is an example of a compound having a structure linked to a stable radical skeleton via The polymer preferably has a number average molecular weight of 5,000 to 500,000 and a weight average molecular weight of 10,000 to 1,000,000. The oxidation-reduction catalyst is preferably 2% by weight or more and 60% by weight or less, more preferably 50% by weight or more and 60% by weight or less per positive electrode mixture. If it is 2% by weight or more, it is too little to oxidize and reduce oxygen, and if it is 60% by weight or less, the electrical conductivity and strength can be secured without reducing too much conductive material and binder described later. is there.

Figure 2011171072
Figure 2011171072

Figure 2011171072
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本発明のリチウム二次電池の正極は、例えばリチウムを吸蔵放出可能な正極活物質と導電材と結着剤とを混合し、適当な溶剤を加えてペースト状の正極材としたものを、集電体の表面に塗布乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成してもよい。導電材は、正極の電池性能に悪影響を及ぼさない電子伝導性材料であれば特に限定されず、例えば、天然黒鉛(鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛)や人造黒鉛などの黒鉛、アセチレンブラック、カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンウィスカ、ニードルコークス、炭素繊維、金属(銅、ニッケル、アルミニウム、銀、金など)などの1種又は2種以上を混合したものを用いることができる。これらの中で、導電材としては、電子伝導性及び塗工性の観点より、カーボンブラック及びアセチレンブラックが好ましい。結着剤は、活物質粒子及び導電材粒子を繋ぎ止める役割を果たすものであり、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、或いはポリプロピレン、ポリエチレン、ポリアクリロニトリル等の熱可塑性樹脂、エチレン−プロピレン−ジエンマー(EPDM)、スルホン化EPDM、天然ブチルゴム(NBR)等を単独で、あるいは2種以上の混合物として用いることができる。また、水系バインダであるセルロース系やスチレンブタジエンゴム(SBR)の水分散体等を用いることもできる。バインダ量としては、触媒を担持した導電材100重量部に対し3重量部以上15重量部以下であることが好ましい。3重量部以上であれば、正極の強度を保つために十分であり、15重量部以下であれば、酸化還元触媒や導電材の量が少なくなりすぎず、電池反応の進行を阻害しないと考えられるからである。正極活物質、導電材、結着剤を分散させる溶剤としては、例えばN−メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、アクリル酸メチル、ジエチルトリアミン、N,N−ジメチルアミノプロピルアミン、エチレンオキシド、テトラヒドロフランなどの有機溶剤を用いることができる。また、水に分散剤、増粘剤等を加え、SBRなどのラテックスで活物質をスラリー化してもよい。増粘剤としては、例えば、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロースなどの多糖類を単独で、あるいは2種以上の混合物として用いることができる。塗布方法としては、例えば、アプリケータロールなどのローラコーティング、スクリーンコーティング、ドクターブレイド方式、スピンコーティング、バーコータなどが挙げられ、これらのいずれかを用いて任意の厚さ・形状とすることができる。集電体としては、酸素の拡散を速やかに行わせるため、網状やメッシュ状など多孔体であることが好ましく、ステンレス鋼やニッケル、アルミニウムなどの多孔体の金属板であってもよい。なお、この集電体は、酸化を抑制するためにその表面に耐酸化性の金属または合金の被膜を被覆したものでもよい。また、InSnO2、SnO2、ZnO、In23等の透明導電材又はフッ素ドープ酸化錫(SnO2:F)、アンチモンドープ酸化錫(SnO2:Sb)、錫ドープ酸化インジウム(In23:Sn)、アルミニウムドープ酸化亜鉛(ZnO:Al)、ガリウムドープ酸化亜鉛(ZnO:Ga)等の不純物がドープされた材料の単層又は積層を、ガラスや高分子上に形成させたものでもよい。その膜厚は、特に限定されるものではないが、3nm以上10μm以下であることが好ましい。なお、ガラスや高分子の表面はフラットなものでもよいし、表面に凹凸を有しているものでもよい。 The positive electrode of the lithium secondary battery of the present invention is, for example, a mixture of a positive electrode active material capable of occluding and releasing lithium, a conductive material, and a binder, and adding a suitable solvent to form a paste-like positive electrode material. It may be formed by applying and drying on the surface of the electric body and, if necessary, compressing to increase the electrode density. The conductive material is not particularly limited as long as it is an electron conductive material that does not adversely affect the battery performance of the positive electrode. For example, graphite such as natural graphite (scale-like graphite, scale-like graphite) or artificial graphite, acetylene black, carbon black, What mixed 1 type (s) or 2 or more types, such as ketjen black, carbon whisker, needle coke, carbon fiber, metal (copper, nickel, aluminum, silver, gold, etc.) can be used. Among these, as the conductive material, carbon black and acetylene black are preferable from the viewpoints of electron conductivity and coatability. The binder plays a role of connecting the active material particles and the conductive material particles. For example, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), fluorine-containing resin such as fluorine rubber, or polypropylene, Thermoplastic resins such as polyethylene and polyacrylonitrile, ethylene-propylene-dienemer (EPDM), sulfonated EPDM, natural butyl rubber (NBR) and the like can be used alone or as a mixture of two or more. In addition, an aqueous dispersion of cellulose or styrene butadiene rubber (SBR) that is an aqueous binder may be used. The amount of the binder is preferably 3 parts by weight or more and 15 parts by weight or less with respect to 100 parts by weight of the conductive material carrying the catalyst. If it is 3 parts by weight or more, it is sufficient to maintain the strength of the positive electrode, and if it is 15 parts by weight or less, the amount of the oxidation-reduction catalyst and the conductive material does not decrease too much and the progress of the battery reaction is not hindered. Because it is. Examples of the solvent for dispersing the positive electrode active material, the conductive material, and the binder include N-methylpyrrolidone, dimethylformamide, dimethylacetamide, methyl ethyl ketone, cyclohexanone, methyl acetate, methyl acrylate, diethyltriamine, and N, N-dimethylaminopropyl. Organic solvents such as amine, ethylene oxide, and tetrahydrofuran can be used. Moreover, a dispersing agent, a thickener, etc. may be added to water, and an active material may be slurried with latex, such as SBR. As the thickener, for example, polysaccharides such as carboxymethyl cellulose and methyl cellulose can be used alone or as a mixture of two or more. Examples of the application method include roller coating such as applicator roll, screen coating, doctor blade method, spin coating, bar coater, and the like, and any of these can be used to obtain an arbitrary thickness and shape. The current collector is preferably a porous body such as a net or mesh to allow oxygen to diffuse quickly, and may be a porous metal plate such as stainless steel, nickel, or aluminum. The current collector may have a surface coated with an oxidation-resistant metal or alloy film in order to suppress oxidation. In addition, a transparent conductive material such as InSnO 2 , SnO 2 , ZnO, In 2 O 3, fluorine-doped tin oxide (SnO 2 : F), antimony-doped tin oxide (SnO 2 : Sb), tin-doped indium oxide (In 2 O 3 : Sn), aluminum-doped zinc oxide (ZnO: Al), gallium-doped zinc oxide (ZnO: Ga) and other materials doped with a single layer or laminate on glass or polymer Good. The film thickness is not particularly limited, but is preferably 3 nm or more and 10 μm or less. The glass or polymer surface may be flat or may have irregularities on the surface.

本発明の非水電解液空気電池において、負極は、負極活物質を有するものである。負極活物質は、金属を吸蔵放出可能なものであればよく、空気電池に使用されるものであれば特に限定されないが、アルカリ金属及びアルカリ土類金属のうち少なくとも1以上を吸蔵放出可能なものであることが好ましく、このうち、リチウム,マグネシウム,カルシウムのうち少なくとも1以上を吸蔵放出可能なものであることがより好ましい。リチウムを吸蔵放出可能な負極としては、例えば金属リチウムやリチウム合金のほか、金属酸化物、金属硫化物、リチウムを吸蔵放出する炭素質物質などが挙げられる。リチウム合金としては、例えばアルミニウムやスズ、マグネシウム、インジウム、カルシウム、シリコンなどとリチウムとの合金が挙げられる。金属酸化物としては、例えばスズ酸化物、ケイ素酸化物、リチウムチタン酸化物、ニオブ酸化物、タングステン酸化物などが挙げられる。金属硫化物としては、例えばスズ硫化物やチタン硫化物などが挙げられる。リチウムを吸蔵放出する炭素質物質としては、例えば黒鉛、コークス、メソフェーズピッチ系炭素繊維、球状炭素、樹脂焼成炭素などが挙げられる。この他、リン化鉄などとしてもよい。このような負極活物質を有するものとすれば、リチウム空気電池とすることができる。マグネシウムを吸蔵放出可能な負極活物質としては、金属マグネシウムやマグネシウム合金のほか、上述した金属酸化物、金属硫化物、炭素質物質などが挙げられる。マグネシウム合金としては例えばアルミニウムとマグネシウムとの合金などが挙げられる。このような負極活物質を有するものとすれば、マグネシウム空気電池とすることができる。カルシウムを吸蔵放出可能な負極活物質としては、金属カルシウムやカルシウム合金のほか、上述した金属酸化物、金属硫化物、炭素質物質などが挙げられる。このような負極活物質を用いれば、カルシウム空気電池とすることができる。負極に用いられる導電材、結着剤、溶剤などは、それぞれ正極で例示したものを用いることができる。負極の集電体には、銅、ニッケル、ステンレス鋼、チタン、アルミニウム、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラス、Al−Cd合金などのほか、接着性、導電性及び耐還元性向上の目的で、例えば銅などの表面をカーボン、ニッケル、チタンや銀などで処理したものも用いることができる。これらについては、表面を酸化処理することも可能である。集電体の形状は、正極と同様のものを用いることができる。集電体の形状については、箔状、フィルム状、シート状、ネット状、パンチ又はエキスパンドされたもの、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の形成体などが挙げられる。   In the nonaqueous electrolyte air battery of the present invention, the negative electrode has a negative electrode active material. The negative electrode active material is not particularly limited as long as it can occlude and release metals, and can be used for air batteries, but can occlude and release at least one of alkali metals and alkaline earth metals. Among these, it is more preferable that at least one of lithium, magnesium, and calcium can be occluded and released. Examples of the negative electrode capable of occluding and releasing lithium include metal lithium and lithium alloys, metal oxides, metal sulfides, and carbonaceous materials that occlude and release lithium. Examples of the lithium alloy include alloys of lithium with aluminum, tin, magnesium, indium, calcium, silicon, and the like. Examples of the metal oxide include tin oxide, silicon oxide, lithium titanium oxide, niobium oxide, and tungsten oxide. Examples of the metal sulfide include tin sulfide and titanium sulfide. Examples of the carbonaceous material that occludes and releases lithium include graphite, coke, mesophase pitch-based carbon fiber, spherical carbon, and resin-fired carbon. In addition, iron phosphide may be used. If it has such a negative electrode active material, it can be set as a lithium air battery. Examples of the negative electrode active material capable of occluding and releasing magnesium include the metal oxides, metal sulfides, and carbonaceous materials described above in addition to magnesium metal and magnesium alloys. Examples of the magnesium alloy include an alloy of aluminum and magnesium. If it has such a negative electrode active material, it can be set as a magnesium air battery. Examples of the negative electrode active material capable of occluding and releasing calcium include the above-described metal oxides, metal sulfides, and carbonaceous materials in addition to calcium metal and calcium alloys. If such a negative electrode active material is used, it can be set as a calcium air battery. As the conductive material, binder, solvent and the like used for the negative electrode, those exemplified for the positive electrode can be used. The negative electrode current collector includes copper, nickel, stainless steel, titanium, aluminum, calcined carbon, conductive polymer, conductive glass, Al-Cd alloy, etc., as well as improved adhesion, conductivity and reduction resistance. For the purpose, for example, a copper surface treated with carbon, nickel, titanium, silver or the like can be used. For these, the surface can be oxidized. The shape of the current collector can be the same as that of the positive electrode. Examples of the shape of the current collector include foil, film, sheet, net, punched or expanded, lath, porous, foam, and formed fiber group.

本発明の非水電解液空気電池において、正極と負極との間に介在する非水電解液としては、例えば支持塩を非水溶媒に溶解させた非水電解液を用いることができる。この非水電解液は、重質量数溶媒を有している。ここで、重質量数溶媒とは、所定元素における質量数のより大きい安定同位体を含むもの、すなわち、所定元素における自然界に最も多く存在する安定同位体に対して質量数が大きい安定同位体を含む溶媒をいうものとする。ここで、所定元素とは、非水溶媒分子を構成する元素の全部又は一部の元素をいい、1種であっても複数種であってもよい。また、非水溶媒分子を構成する元素で同種のものが複数ある場合には、その全部であってもよいし、一部であってもよい。重質量数溶媒は、特に限定されるものではないが、ジメチルスルホキシドなどのスルホキシド類、アセトニトリル,プロピルニトリルなどのニトリル類、テトラヒドロフラン,2−メチルテトラヒドロフランなどのフラン類などの重質量数溶媒とすることができる。このとき、N,N−ジエチル−N−エチル−N−(2−メトキシエチル)アンモニウムビス(トリフルオロスルホニル)イミド、N−メチル−N−プロピルピペリジウムビス(トリフルオロスルホニル)イミド、1−メチル−3−プロピルイミダゾリウムビス(トリフルオロスルホニル)イミド、1−エチル−3−ブチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、などのイオン液体と、上述した重質量数溶媒とを含む混合溶媒としてもよい。また上述したイオン液体自体を重質量数溶媒としたものとしてもよい。重質量数溶媒における所定の元素としては、水素,炭素,窒素,酸素などがあげられる。すなわち、重質量数溶媒としては、溶媒中の水素1Hを重水素2Hとした重水素化溶媒や、溶媒中の12Cを13Cとしたもの、溶媒中の14Nを15Nとしたもの、溶媒中の16Oを18Oとしたものなどが挙げられる。重質量数溶媒は、このうち、重水素化溶媒であることが好ましい。重質量数溶媒であれば、放電時に正極で発生する酸素ラジカルに対して安定であると考えられるが、重水素化溶媒であれば、酸素ラジカルに対してより安定であり、酸素ラジカルと非水溶媒との反応による非水電解液の分解などをより抑制できると考えられるからである。重水素化溶媒において、重水素化される水素の割合は特に限定されないが、多いほうが好ましい。例えば、上述したジメチルスルホキシド((CH32SO)のように溶媒分子1分子あたり6個の水素を有している場合には、1個の水素だけが重水素化したジメチルスルホキシド−d1であってもよいが、6個の水素すべてが重水素化しているジメチルスルホキシド−d6が好ましい。また、上述したアセトニトリル(CH3CN)であれば、3個の水素全てが重水素化したアセトニトリル−d3であることが好ましい。酸素ラジカルに対してより安定となり、非水電解液の分解をより抑制できると考えられるからである。また、重水素化溶媒が鎖状の炭化水素骨格を有するものである場合には炭素鎖が短いものであることが好ましく、例えば炭素鎖が1以上5以下が好ましく、1以上3以下がより好ましい。酸素ラジカルと反応しやすい炭化水素鎖部分を少なくすることで、非水電解液の分解をより抑制できると考えられるからである。ここで、リチウム空気電池に用いる重質量数溶媒としては重水素化ジメチルスルホキシドが特に好ましい。また、マグネシウム空気電池やカルシウム空気電池に用いる重質量数溶媒としては、重水素化ジメチルスルホキシドまたは重水素化アセトニトリルであることが好ましい。これらの電解液は、ゲル電解液として用いてもよく、例えば、ポリフッ化ビニリデンやポリエチレングリコール、ポリアクリロニトリルなどの高分子類またはアミノ酸誘導体やソルビトール誘導体などの糖類に、支持塩を含む電解液を含ませてなるゲル電解質などとして用いることができる。 In the nonaqueous electrolyte air battery of the present invention, as the nonaqueous electrolyte solution interposed between the positive electrode and the negative electrode, for example, a nonaqueous electrolyte solution in which a supporting salt is dissolved in a nonaqueous solvent can be used. This non-aqueous electrolyte has a heavy mass number solvent. Here, the heavy mass solvent includes a stable isotope having a larger mass number in a given element, that is, a stable isotope having a larger mass number than the stable isotope existing most frequently in nature in the given element. It shall mean the solvent it contains. Here, the predetermined element means all or a part of elements constituting the nonaqueous solvent molecule, and may be one kind or plural kinds. Moreover, when there are a plurality of the same kind of elements constituting the nonaqueous solvent molecule, all or a part of them may be used. The heavy mass solvent is not particularly limited, but should be a heavy mass solvent such as sulfoxides such as dimethyl sulfoxide, nitriles such as acetonitrile and propyl nitrile, and furans such as tetrahydrofuran and 2-methyltetrahydrofuran. Can do. At this time, N, N-diethyl-N-ethyl-N- (2-methoxyethyl) ammonium bis (trifluorosulfonyl) imide, N-methyl-N-propylpiperidium bis (trifluorosulfonyl) imide, 1-methyl A mixed solvent including an ionic liquid such as -3-propylimidazolium bis (trifluorosulfonyl) imide, 1-ethyl-3-butylimidazolium tetrafluoroborate, and the above-described heavy mass solvent may be used. The ionic liquid itself described above may be a heavy mass solvent. Examples of the predetermined element in the heavy mass solvent include hydrogen, carbon, nitrogen, and oxygen. That is, as the heavy mass solvent, a deuterated solvent in which hydrogen 1 H in the solvent is deuterium 2 H, 12 C in the solvent is 13 C, 14 N in the solvent is 15 N And those in which 16 O in the solvent is changed to 18 O. Of these, the heavy mass solvent is preferably a deuterated solvent. A heavy mass solvent is considered to be stable against oxygen radicals generated at the positive electrode during discharge, but a deuterated solvent is more stable against oxygen radicals, oxygen radicals and non-water This is because it is considered that decomposition of the non-aqueous electrolyte due to reaction with the solvent can be further suppressed. In the deuterated solvent, the proportion of hydrogen to be deuterated is not particularly limited, but it is preferably larger. For example, in the case of having 6 hydrogens per molecule of solvent molecules such as the above-mentioned dimethyl sulfoxide ((CH 3 ) 2 SO), dimethyl sulfoxide-d 1 in which only one hydrogen is deuterated. However, dimethyl sulfoxide-d 6 in which all six hydrogens are deuterated is preferred. Further, if the above acetonitrile (CH 3 CN), it is preferable that all three hydrogen is acetonitrile -d 3 deuterated. This is because it becomes more stable against oxygen radicals and it is considered that the decomposition of the non-aqueous electrolyte can be further suppressed. Further, when the deuterated solvent has a chain hydrocarbon skeleton, the carbon chain is preferably short, for example, the carbon chain is preferably 1 or more and 5 or less, more preferably 1 or more and 3 or less. . This is because it is considered that the decomposition of the non-aqueous electrolyte can be further suppressed by reducing the number of hydrocarbon chain portions that easily react with oxygen radicals. Here, deuterated dimethyl sulfoxide is particularly preferable as the heavy mass solvent used in the lithium-air battery. Moreover, as a heavy mass number solvent used for a magnesium air battery or a calcium air battery, it is preferable that they are deuterated dimethyl sulfoxide or deuterated acetonitrile. These electrolytic solutions may be used as a gel electrolytic solution. For example, the electrolyte contains a polymer such as polyvinylidene fluoride, polyethylene glycol, and polyacrylonitrile, or a saccharide such as an amino acid derivative or a sorbitol derivative, which contains a supporting salt. It can be used as a gel electrolyte.

支持塩としては、特に限定されるものではなく、公知の支持塩を用いることができる。例えば、リチウム空気電池であれば、LiPF6,LiClO4,LiAsF6,LiBF4,Li(CF3SO22N,Li(CF3SO3),LiN(C25SO22などを用いることができる。これらの支持塩は、単独で用いてもよいし、複数を組み合わせて用いてもよい。リチウム空気電池の場合支持塩の濃度としては、0.1〜2.0Mであることが好ましく、0.8〜1.2Mであることがより好ましい。また、マグネシウム空気電池やカルシウム空気電池のようなアルカリ土類金属系空気電池であれば、アルカリ土類金属元素をMとすると、パークロレート塩(M(ClO42)、ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド塩(M[N(CF3SO22])、トリフルオロメタンスルホネート塩(M(CF3SO32)、フルオロブタンスルホネート塩(M(C49SO32)、有機アルミン酸塩などの公知の第2族元素を含む塩を用いることができる。具体的には、マグネシウム空気電池の場合、支持塩としては、マグネシウムパークロレート、マグネシウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド、マグネシウムトリフルオロメタンスルホネート、マグネシウムフルオロブタンスルホネート、有機アルミン酸マグネシウムなどが挙げられる。また、カルシウム空気電池の場合、支持塩としては、カルシウムパークロレート、カルシウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド、カルシウムトリフルオロメタンスルホネート、カルシウムフルオロブタンスルホネート、有機アルミン酸カルシウムなどが挙げられる。アルカリ土類金属系空気電池の場合、支持塩の濃度としては、0.1〜1.5Mであることが好ましく、0.3〜0.6Mであることがより好ましい。 The supporting salt is not particularly limited, and a known supporting salt can be used. For example, in the case of a lithium-air battery, LiPF 6 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiBF 4 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, Li (CF 3 SO 3 ), LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2, etc. Can be used. These supporting salts may be used alone or in combination. In the case of a lithium air battery, the concentration of the supporting salt is preferably 0.1 to 2.0M, and more preferably 0.8 to 1.2M. In the case of an alkaline earth metal air battery such as a magnesium air battery or a calcium air battery, when the alkaline earth metal element is M, perchlorate salt (M (ClO 4 ) 2 ), bis (trifluoromethyl) Sulfonyl) imide salt (M [N (CF 3 SO 2 ) 2 ]), trifluoromethanesulfonate salt (M (CF 3 SO 3 ) 2 ), fluorobutanesulfonate salt (M (C 4 F 9 SO 3 ) 2 ), A salt containing a known group 2 element such as an organic aluminate can be used. Specifically, in the case of a magnesium air battery, examples of the supporting salt include magnesium perchlorate, magnesium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide, magnesium trifluoromethanesulfonate, magnesium fluorobutanesulfonate, and organic magnesium aluminate. In the case of a calcium air battery, examples of the supporting salt include calcium perchlorate, calcium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide, calcium trifluoromethanesulfonate, calcium fluorobutanesulfonate, and calcium organic aluminate. In the case of an alkaline earth metal air battery, the concentration of the supporting salt is preferably 0.1 to 1.5M, and more preferably 0.3 to 0.6M.

本発明の非水電解液空気電池は、リチウム負極と正極との間にセパレータを備えていてもよい。セパレータとしては、非水電解液空気電池の使用に耐え得る組成であれば特に限定されないが、例えば、ポリプロピレン製不織布やポリフェニレンスルフィド製不織布などの高分子不織布、ポリエチレンやポリプロピレンなどのオレフィン系樹脂の微多孔フィルムが挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、複合して用いてもよい。   The nonaqueous electrolyte air battery of the present invention may include a separator between the lithium negative electrode and the positive electrode. The separator is not particularly limited as long as it is a composition that can withstand the use of a nonaqueous electrolyte air battery. A porous film is mentioned. These may be used alone or in combination.

本発明の非水電解液空気電池の形状は、特に限定されないが、例えばコイン型、ボタン型、シート型、積層型、円筒型、偏平型、角型などが挙げられる。また、電気自動車等に用いる大型のものなどに適用してもよい。   The shape of the nonaqueous electrolyte air battery of the present invention is not particularly limited, and examples thereof include a coin type, a button type, a sheet type, a laminated type, a cylindrical type, a flat type, and a square type. Moreover, you may apply to the large sized thing used for an electric vehicle etc.

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。   It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it goes without saying that the present invention can be implemented in various modes as long as it belongs to the technical scope of the present invention.

以下には、リチウム二次電池を具体的に作製した例を実施例として説明する。   Below, the example which produced the lithium secondary battery concretely is demonstrated as an Example.

[実施例1]
正極は次のようにして作製した。触媒として電解二酸化マンガンを10重量部、導電助剤としてケッチェンブラック(三菱化学製ECP−600JD)を85重量部、バインダーとしてテフロンパウダー(ダイキン工業製)(テフロンは登録商標)を5重量部の比率で、乳鉢を用いて混合かつ練り合わせた後、薄膜状に成形した正極合材を5mg、ステンレス製のメッシュ(ニラコ製SUS304)に圧着して、真空乾燥を行い、非水電解液空気二次電池の正極とした。負極には直径10mm、厚さ0.4mmの金属リチウム(本城金属製)を用いた。
[Example 1]
The positive electrode was produced as follows. 10 parts by weight of electrolytic manganese dioxide as a catalyst, 85 parts by weight of Ketjen black (ECP-600JD manufactured by Mitsubishi Chemical) as a conductive auxiliary agent, and 5 parts by weight of Teflon powder (manufactured by Daikin Industries) (Teflon is a registered trademark) as a binder After mixing and kneading in a ratio using a mortar, 5 mg of the positive electrode mixture formed into a thin film was pressure-bonded to a stainless steel mesh (SUS304 made by Niraco), vacuum-dried, and non-aqueous electrolyte air secondary A positive electrode of the battery was obtained. For the negative electrode, metallic lithium (made by Honjo Metal) having a diameter of 10 mm and a thickness of 0.4 mm was used.

図1は充放電試験に使用したF型電気化学セル20(北斗電工製)の断面図である。F型電気化学セル20はアルゴン雰囲気下のグローブボックス内で次のようにして組み立てた。まず、SUS製のケーシング21に負極25を設置し、セパレータ27(東燃タピルス製E25MMS)を介して正極23と負極25とを対向するようにセットした。次に、1mol/Lのリチウムビストリフルオロメタンスルホニルイミドを重水素化ジメチルスルホキシド(DMSO−D体)(東京化成製)に溶解した電解液5mLを正極23と負極25との間に注入した。その後、正極23に発泡ニッケル板22を載せ、その上から空気が正極23側へ流通可能な押さえ部材29で押しつけることにより、セルを固定して実験例1の電気化学セルを得た。なお、F型電気化学セル20のガス溜め24にはドライ酸素を充填した。   FIG. 1 is a cross-sectional view of an F-type electrochemical cell 20 (made by Hokuto Denko) used in the charge / discharge test. The F-type electrochemical cell 20 was assembled as follows in a glove box under an argon atmosphere. First, the negative electrode 25 was installed in the casing 21 made of SUS, and the positive electrode 23 and the negative electrode 25 were set to face each other through a separator 27 (E25MMS manufactured by Tonen Tapils). Next, 5 mL of an electrolytic solution in which 1 mol / L lithium bistrifluoromethanesulfonylimide was dissolved in deuterated dimethyl sulfoxide (DMSO-D form) (manufactured by Tokyo Chemical Industry) was injected between the positive electrode 23 and the negative electrode 25. Thereafter, the foamed nickel plate 22 was placed on the positive electrode 23, and air was pressed from above with a pressing member 29 capable of flowing to the positive electrode 23 side, whereby the cell was fixed and the electrochemical cell of Experimental Example 1 was obtained. The gas reservoir 24 of the F-type electrochemical cell 20 was filled with dry oxygen.

このようにして得られたF型電気化学セル20を、北斗電工製の充放電装置(HJ1001SM8A)に接続し、正極23と負極25との間で正極合材あたり20mA/gの電流を流して2.4Vまで放電し、その後10mA/gの電流で4.0Vまで充電し、不可逆容量を求めた。不可逆容量は放電容量と充電容量の差とし、百分率で標記した。図2には、実施例1の充放電曲線を示す。不可逆容量は28.9%であった。   The F-type electrochemical cell 20 thus obtained was connected to a charge / discharge device (HJ1001SM8A) manufactured by Hokuto Denko, and a current of 20 mA / g per positive electrode mixture was passed between the positive electrode 23 and the negative electrode 25. The battery was discharged to 2.4 V, then charged to 4.0 V with a current of 10 mA / g, and the irreversible capacity was determined. The irreversible capacity is expressed as a percentage between the discharge capacity and the charge capacity. In FIG. 2, the charging / discharging curve of Example 1 is shown. The irreversible capacity was 28.9%.

[比較例1]
電解液を、重水素化ジメチルスルホキシドに代えてジメチルスルホキシド(DMSO−H体)(和光純薬工業製、脱水品)を用いたものとした以外は、実施例1と同様に比較例1の電気化学セルを作成し、充放電試験を行った。図3には、比較例1の充放電曲線を示す。比較例1の不可逆容量は39.1%であった。
[Comparative Example 1]
The electricity of Comparative Example 1 was the same as Example 1 except that the electrolytic solution was dimethyl sulfoxide (DMSO-H form) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, dehydrated) instead of deuterated dimethyl sulfoxide. A chemical cell was created and a charge / discharge test was performed. In FIG. 3, the charging / discharging curve of the comparative example 1 is shown. The irreversible capacity of Comparative Example 1 was 39.1%.

[実施例2]
正極を、電解二酸化マンガン(三井金属鉱業)に代えて上述した化合物Xを用い、この化合物Xを166mg、ケッチェンブラックを116mg、テフロンパウダーを24mg、用いて正極合材とした以外は、実施例1と同様に実施例2の電気化学セルを作成し、充放電試験を行った。図4には、実施例2の充放電曲線を示す。実施例2の不可逆容量は27.3%であった。
[Example 2]
Except that the positive electrode was replaced with electrolytic manganese dioxide (Mitsui Mining & Mining) and the above-mentioned compound X was used, except that this compound X was 166 mg, ketjen black was 116 mg, teflon powder was 24 mg, and the positive electrode mixture was used. In the same manner as in Example 1, an electrochemical cell of Example 2 was prepared and a charge / discharge test was performed. In FIG. 4, the charging / discharging curve of Example 2 is shown. The irreversible capacity of Example 2 was 27.3%.

この化合物Xとしては、Chem.Phys.Lett.Vol.359,p351(2002)に従い、2、2'−アゾビスイソブチロニトリルを開始剤として、2,2,6,6−テトラメチルピペリジンメタクリレートモノマーの重合を行い、続いて、3−クロロパーベンゾイックアシッドで酸化することにより得られたものを用いた(数平均分子量9.2万,重量平均分子量22.9万)。   As this compound X, Chem. Phys. Lett. Vol. 359, p351 (2002), polymerization of 2,2,6,6-tetramethylpiperidine methacrylate monomer using 2,2′-azobisisobutyronitrile as an initiator, followed by 3-chloroperben What was obtained by oxidizing with zoic acid was used (number average molecular weight 92,000, weight average molecular weight 2299,000).

[比較例2]
電解液を、重水素化ジメチルスルホキシドに代えてジメチルスルホキシドを用いたものとした以外は、実施例2と同様に比較例2の電気化学セルを作成し、充放電試験を行った。図5には比較例2の充放電曲線を示す。比較例2の不可逆容量は43.1%であった。
[Comparative Example 2]
An electrochemical cell of Comparative Example 2 was prepared in the same manner as in Example 2 except that dimethyl sulfoxide was used instead of deuterated dimethyl sulfoxide, and a charge / discharge test was performed. FIG. 5 shows a charge / discharge curve of Comparative Example 2. The irreversible capacity of Comparative Example 2 was 43.1%.

[実施例3]
正極を、化合物Xに代えて上述した化合物Aで示されるピレニル−2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−1−オキシルを用い、この化合物Aの添加量を0.056mmolとした以外は、実施例2と同様に実施例3の電気化学セルを作成し、充放電試験を行った。図6には、実施例3の充放電曲線を示す。実施例3の不可逆容量は、24.3%であった。
[Example 3]
Except for using Pyrenyl-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl represented by Compound A in place of Compound X as the positive electrode and adding the amount of Compound A to 0.056 mmol, The electrochemical cell of Example 3 was created in the same manner as Example 2, and a charge / discharge test was performed. In FIG. 6, the charging / discharging curve of Example 3 is shown. The irreversible capacity of Example 3 was 24.3%.

化合物Aは以下のように合成した。アルゴン雰囲気下、100mLの2口ナスフラスコに1−ヒドロキシカルボニルピレン(アルドリッチ製)246mgを入れ、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)6mLを加えて溶解した。続いて、4−(4,6−ジメトキシ−1,3,5−トリアジン−2−イル)−4−メチルモルフォニウムクロリド(DMT−MM、和光純薬工業製)304mg、4−アミノー2,2,6,6−テトラメチル−1−オキシピペリジン(東京化成工業製)188mgをそれぞれ15mLのメタノールに溶解して加え、室温で24時間攪拌して反応させた。反応終了後、溶媒を脱気、除去し、得られた反応生成物をクロロホルム50mLに溶解させた。クロロホルム溶液を水(10mLで2回)、1N塩酸水溶液(10mL)、飽和食塩水(10mL)で抽出した後、有機層に無水硫酸マグネシウムを加えて脱水操作を行うことにより、粗生成物を得た。得られた粗生成物はシリカゲルクロマトグラフィーにより精製を行い、化合物式2のオレンジ色の固体260mgを得た。   Compound A was synthesized as follows. Under an argon atmosphere, 246 mg of 1-hydroxycarbonylpyrene (manufactured by Aldrich) was placed in a 100 mL 2-neck eggplant flask, and 6 mL of N, N-dimethylformamide (DMF) was added and dissolved. Then, 304 mg of 4- (4,6-dimethoxy-1,3,5-triazin-2-yl) -4-methylmorphonium chloride (DMT-MM, manufactured by Wako Pure Chemical Industries), 4-amino-2,2 , 6,6-tetramethyl-1-oxypiperidine (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) (188 mg) was dissolved in 15 mL of methanol and added, and the mixture was reacted at room temperature for 24 hours. After completion of the reaction, the solvent was degassed and removed, and the resulting reaction product was dissolved in 50 mL of chloroform. The chloroform solution was extracted with water (twice with 10 mL), 1N aqueous hydrochloric acid (10 mL), and saturated brine (10 mL), and then anhydrous magnesium sulfate was added to the organic layer to perform dehydration, whereby a crude product was obtained. It was. The obtained crude product was purified by silica gel chromatography to obtain 260 mg of an orange solid of compound formula 2.

[比較例3]
電解液を、重水素化ジメチルスルホキシドに代えてジメチルスルホキシドを用いたものとした以外は、実施例3と同様に比較例3の電気化学セルを作成し、充放電試験を行った。図7には、比較例3の充放電曲線を示す。比較例3の不可逆容量は38.1%であった。
[Comparative Example 3]
An electrochemical cell of Comparative Example 3 was prepared in the same manner as in Example 3 except that dimethyl sulfoxide was used instead of deuterated dimethyl sulfoxide, and a charge / discharge test was performed. In FIG. 7, the charging / discharging curve of the comparative example 3 is shown. The irreversible capacity of Comparative Example 3 was 38.1%.

[実施例4]
負極を、金属リチウムに代えて以下のように作成したものとした以外は、実施例1と同様に実施例4の電気化学セルを作成した。まず、チタン酸リチウム(石原産業)80重量部、ケッチェンブラック(三菱化学)10重量部、テフロンパウダー(ダイキン工業製)10重量部を乾式で乳鉢を用いて練り合わせてシートにした。これに金属リチウムを使って、Liイオンをドーピングして負極を作成した。
[Example 4]
An electrochemical cell of Example 4 was prepared in the same manner as in Example 1 except that the negative electrode was prepared as follows instead of metallic lithium. First, 80 parts by weight of lithium titanate (Ishihara Sangyo), 10 parts by weight of Ketjen Black (Mitsubishi Chemical) and 10 parts by weight of Teflon powder (manufactured by Daikin Industries) were kneaded using a mortar to form a sheet. Metal lithium was used for this, and Li ion was doped, and the negative electrode was created.

このようにして得られたF型電気化学セル20を、北斗電工製の充放電装置(HJ1001SM8A)に接続し、正極23と負極25の間で正極材料あたり20mA/gの電流を流して1.0Vまで放電し、その後10mA/gの電流で2.5Vまで充電し、不可逆容量を求めた。図8には、実施例4の充放電曲線を示す。実施例4の不可逆容量は2.3%であった。   The F-type electrochemical cell 20 thus obtained was connected to a charge / discharge device (HJ1001SM8A) manufactured by Hokuto Denko, and a current of 20 mA / g per positive electrode material was allowed to flow between the positive electrode 23 and the negative electrode 25. The battery was discharged to 0 V and then charged to 2.5 V with a current of 10 mA / g, and the irreversible capacity was determined. In FIG. 8, the charging / discharging curve of Example 4 is shown. The irreversible capacity of Example 4 was 2.3%.

[比較例4]
電解液を、重水素化ジメチルスルホキシドに代えてジメチルスルホキシドを用いたものとした以外は、実施例4と同様に比較例4の電気化学セルを作成し、充放電試験を行った。図9には、比較例4の充放電曲線を示す。比較例4の不可逆容量は13.7%であった。
[Comparative Example 4]
An electrochemical cell of Comparative Example 4 was prepared in the same manner as in Example 4 except that dimethyl sulfoxide was used instead of deuterated dimethyl sulfoxide, and a charge / discharge test was performed. In FIG. 9, the charging / discharging curve of the comparative example 4 is shown. The irreversible capacity of Comparative Example 4 was 13.7%.

[実施例5]
負極を、金属リチウムに代えて直径10mm、厚さ0.5mmのMg・Al合金(Al3%添加)とし、電解液を、0.5モル/リットルのマグネシウムパークロレートを重水素化アセトニトリル(アセトニトリル−D体)とした以外は、実施例1と同様に実施例5の電気化学セルを作成した。
[Example 5]
The negative electrode was replaced with metallic lithium by a Mg · Al alloy (Al 3% added) having a diameter of 10 mm and a thickness of 0.5 mm, and the electrolyte was dehydrated acetonitrile (acetonitrile-0.5 mol / liter of magnesium perchlorate). An electrochemical cell of Example 5 was prepared in the same manner as in Example 1 except that the D-form was used.

このようにして得られたF型電気化学セル20を、北斗電工製の充放電装置(HJ1001SM8A)に接続し、正極23と負極25の間で正極材料あたり2mA/gの電流を流して1.3mAhまで放電し、その後1mA/gの電流で3.0Vまで充電し、不可逆容量を求めた。図10には、実施例5の充放電曲線を示す。不可逆容量は13.4%であった。   The F-type electrochemical cell 20 thus obtained was connected to a charge / discharge device (HJ1001SM8A) manufactured by Hokuto Denko, and a current of 2 mA / g per positive electrode material was passed between the positive electrode 23 and the negative electrode 25 to obtain 1. The battery was discharged to 3 mAh and then charged to 3.0 V with a current of 1 mA / g to determine the irreversible capacity. In FIG. 10, the charging / discharging curve of Example 5 is shown. The irreversible capacity was 13.4%.

[比較例5]
電解液を、重水素化アセトニトリルに代えてアセトニトリル(アセトニトリル−H体)を用いたものとした以外は、実施例5と同様に比較例5の電気化学セルを作成し、充放電試験を行った。図11には、比較例5の充放電曲線を示す。比較例5の不可逆容量は28.4%であった。
[Comparative Example 5]
The electrochemical cell of Comparative Example 5 was prepared in the same manner as in Example 5 except that acetonitrile (acetonitrile-H form) was used instead of deuterated acetonitrile, and a charge / discharge test was performed. . In FIG. 11, the charging / discharging curve of the comparative example 5 is shown. The irreversible capacity of Comparative Example 5 was 28.4%.

[実施例6]
電解液を、重水素化アセトニトリルに代えて重水素化ジメチルスルホキシドを用いたものとした以外は、実施例5と同様に実施例6の電気化学セルを作成し、充放電試験を行った。なお、放電容量は2.1mAhとした。図12には、実施例6の充放電曲線を示す。実施例6の不可逆容量は10.2%であった。
[Example 6]
An electrochemical cell of Example 6 was prepared in the same manner as in Example 5 except that deuterated dimethyl sulfoxide was used instead of deuterated acetonitrile, and a charge / discharge test was performed. The discharge capacity was 2.1 mAh. In FIG. 12, the charging / discharging curve of Example 6 is shown. The irreversible capacity of Example 6 was 10.2%.

表1は、実施例1〜5及び比較例1〜6の不可逆容量をまとめた表である。なお、上述した実施例においては、重水素化ジメチルスルホキシドとしてジメチルスルホキシド−d6を、重水素化アセトニトリルとしてアセトニトリル−d3を用いた。電解液溶媒を重水素化したもの(D体)とした実施例1〜5は、電解液溶媒を重水素化していないもの(H体)とした比較例1〜5より、それぞれ不可逆容量が低減することがわかった。このことから、正極や負極、電解液溶媒や支持塩の種類によらず、電解液溶媒を重水素化したものでは、不可逆容量を低減することができるものと推察された。正極の種類を変えた実施例1〜3では、実施例1の不可逆容量が最も小さく、次いで実施例2の不可逆容量が小さかったことから、正極としては、安定なラジカル骨格を含む構造を有する化合物が好ましく、化合物Aや化合物Xでなくても不可逆容量を低減できると推察された。また、電解液溶媒の種類を変えた実施例5,6では、重水素化ジメチルスルホキシドを用いた実施例6のほうが、重水素化アセトニトリルを用いた実施例5より不可逆容量が小さかったことから、電解液溶媒としては、重水素化ジメチルスルホキシドがより好ましいことがわかった。また、マグネシウム空気電池でも不可逆容量を低減することができたことから、同じアルカリ土類金属元素であるカルシウムを用いたカルシウム空気電池でも不可逆容量を低減することができるものと推察された。 Table 1 summarizes the irreversible capacities of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 6. In the examples described above, dimethyl sulfoxide-d 6 was used as deuterated dimethyl sulfoxide, and acetonitrile-d 3 was used as deuterated acetonitrile. Examples 1 to 5 in which the electrolyte solvent was deuterated (D-form) were less irreversible than Comparative Examples 1 to 5 in which the electrolyte solvent was not deuterated (H-form). I found out that From this, it was speculated that the irreversible capacity can be reduced by deuterating the electrolyte solvent regardless of the type of the positive electrode, the negative electrode, the electrolyte solvent or the supporting salt. In Examples 1 to 3 in which the type of the positive electrode was changed, the irreversible capacity of Example 1 was the smallest, and then the irreversible capacity of Example 2 was small. Therefore, as the positive electrode, a compound having a structure containing a stable radical skeleton It was presumed that the irreversible capacity could be reduced without using compound A or compound X. Further, in Examples 5 and 6 in which the type of the electrolyte solvent was changed, Example 6 using deuterated dimethyl sulfoxide had a smaller irreversible capacity than Example 5 using deuterated acetonitrile. As an electrolytic solution solvent, it was found that deuterated dimethyl sulfoxide is more preferable. Moreover, since the irreversible capacity could be reduced even in the magnesium air battery, it was speculated that the irreversible capacity could also be reduced in the calcium air battery using calcium which is the same alkaline earth metal element.

Figure 2011171072
Figure 2011171072

20 F型電気化学セル、21 ケーシング、22 発泡ニッケル板、23 正極、24 ガス溜め、25 負極、27 セパレータ、28 電解液、29 押さえ部材。   20 F-type electrochemical cell, 21 casing, 22 nickel foam plate, 23 positive electrode, 24 gas reservoir, 25 negative electrode, 27 separator, 28 electrolyte, 29 holding member.

Claims (5)

酸素の酸化還元触媒を有する正極と、
金属を吸蔵・放出可能な負極活物質を有する負極と、
前記正極と前記負極との間に介在し、所定元素における質量数のより大きい安定同位体を含むものである重質量数溶媒を有する非水電解液と、
を含む非水電解液空気電池。
A positive electrode having an oxygen redox catalyst;
A negative electrode having a negative electrode active material capable of occluding and releasing metal;
A non-aqueous electrolyte solution having a heavy mass solvent that is interposed between the positive electrode and the negative electrode and contains a stable isotope having a larger mass number in a predetermined element;
Non-aqueous electrolyte air battery containing.
前記重質量数溶媒は、重水素化溶媒である、請求項1に記載の非水電解液空気電池。   The non-aqueous electrolyte air battery according to claim 1, wherein the heavy mass solvent is a deuterated solvent. 前記非水電解液は、前記重質量数溶媒として、重水素化ジメチルスルホキシドおよび重水素化アセトニトリルのいずれか一方を含むものである、請求項1又は2に記載の非水電解液空気電池。   3. The non-aqueous electrolyte air battery according to claim 1, wherein the non-aqueous electrolyte includes one of deuterated dimethyl sulfoxide and deuterated acetonitrile as the deuterium mass solvent. 前記金属は、リチウム,マグネシウム,カルシウムのうちのいずれか1以上である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の非水電解液空気電池。   The non-aqueous electrolyte air battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the metal is one or more of lithium, magnesium, and calcium. 前記正極は、前記酸化還元触媒として、安定なラジカル骨格を含む構造を有する化合物を含むものである、請求項1〜4のいずれか1項に記載の非水電解液空気電池。   The non-aqueous electrolyte air battery according to any one of claims 1 to 4, wherein the positive electrode includes a compound having a structure including a stable radical skeleton as the redox catalyst.
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