JP2011228050A - Electrode active material and secondary battery - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode active material and a secondary battery having high energy density, high output and excellent cycle characteristic with small capacity drop even in repeating charge/discharge.SOLUTION: The electrode active material includes an organic compound comprising two or more unsaturated five-membered ring structure as a constitutional unit as expressed by general formulas (I) and (II). In formulas, n and q are integers of 2 to 50, p is an integer of 1 to 50 and R, R, Xand Xare optional substituent groups.

Description

本発明は電極活物質及び二次電池に関し、より詳しくは有機化合物を使用した電極活物質、及び該電極活物質の電池電極反応を利用して充放電を繰り返す二次電池に関する。   The present invention relates to an electrode active material and a secondary battery, and more particularly to an electrode active material using an organic compound, and a secondary battery that repeats charging and discharging using a battery electrode reaction of the electrode active material.

携帯電話、ノートパソコン、デジタルカメラ等の携帯用電子機器の市場拡大に伴い、これら電子機器のコードレス電源としてエネルギー密度が大きく長寿命の二次電池が待望されている。   With the expansion of the market for portable electronic devices such as mobile phones, notebook computers, and digital cameras, secondary batteries with high energy density and long life are expected as cordless power sources for these electronic devices.

そして、このような要求に応えるべく、リチウムイオン等のアルカリ金属イオンを荷電担体とし、その電荷授受に伴う電気化学反応を利用した二次電池が開発されている。特に、エネルギー密度の大きなリチウムイオン二次電池は、現在では広く普及している。   In response to such demands, secondary batteries have been developed that use an alkali metal ion such as lithium ion as a charge carrier and use an electrochemical reaction associated with the charge exchange. In particular, lithium ion secondary batteries having a high energy density are now widely used.

二次電池の構成要素のうち電極活物質は、充電反応、放電反応という電池電極反応に直接寄与する物質であり、二次電池の中心的役割を有する。すなわち、電池電極反応は、電解質中に配された電極と電気的に接続された電極活物質に電圧を印加することにより、電子の授受を伴って生じる反応であり、電池の充放電時に進行する。したがって、上述したように電極活物質は、システム的には二次電池の中心的役割を有する。   Among the constituent elements of the secondary battery, the electrode active material is a substance that directly contributes to a battery electrode reaction such as a charge reaction and a discharge reaction, and has a central role of the secondary battery. That is, the battery electrode reaction is a reaction that occurs with the transfer of electrons by applying a voltage to an electrode active material that is electrically connected to an electrode disposed in the electrolyte, and proceeds during charge and discharge of the battery. . Therefore, as described above, the electrode active material has a central role of the secondary battery in terms of system.

そして、上記リチウムイオン二次電池では、正極活物質としてリチウム含有遷移金属酸化物を使用し、負極活物質として炭素材料を使用し、これらの電極活物質に対するリチウムイオンの挿入反応、及び脱離反応を利用して充放電を行っている。   In the lithium ion secondary battery, a lithium-containing transition metal oxide is used as a positive electrode active material, a carbon material is used as a negative electrode active material, and lithium ion insertion reaction and desorption reaction with respect to these electrode active materials. Charging and discharging is performed using

しかしながら、上記リチウムイオン二次電池は、正極におけるリチウムイオンの移動が律速となるため、充放電の速度が制限されるという問題があった。すなわち、上述したリチウムイオン二次電池では電解質や負極に比べて正極の遷移金属酸化物中でのリチウムイオンの移動速度が遅く、このため正極での電池反応速度が律速となって充放電速度が制限され、その結果、高出力化や充電時間の短時間化には限界があった。   However, the lithium ion secondary battery has a problem that the rate of charge and discharge is limited because the movement of lithium ions in the positive electrode is rate-limiting. That is, in the lithium ion secondary battery described above, the movement rate of lithium ions in the transition metal oxide of the positive electrode is slower than that of the electrolyte and the negative electrode, and therefore the battery reaction rate at the positive electrode is rate-limiting and the charge / discharge rate is increased. As a result, there is a limit to increasing the output and shortening the charging time.

そこで、このような課題を解決すべく、近年、有機化合物を正極活物質とする二次電池が提案されている。そして、これら有機化合物のうち有機ラジカル化合物を利用した二次電池の研究開発が盛んに行われている。   Therefore, in order to solve such problems, in recent years, secondary batteries using an organic compound as a positive electrode active material have been proposed. Research and development of secondary batteries using organic radical compounds among these organic compounds are being actively conducted.

例えば、特許文献1には、ニトロキシルラジカル化合物、オキシラジカル化合物、及び窒素原子上にラジカルを有する窒素ラジカル化合物を使用した二次電池用活物質が提案されている。   For example, Patent Document 1 proposes an active material for a secondary battery using a nitroxyl radical compound, an oxy radical compound, and a nitrogen radical compound having a radical on a nitrogen atom.

この特許文献1では、ラジカルとして安定性の高いニトロキシルラジカル等を使用した実施例が記載されており、例えばニトロニルニトロキシド化合物を含む電極層を正極とし、リチウム張り合わせ銅箔を負極として二次電池を作製し、繰り返し充放電したところ10サイクル以上にわたって充放電が可能であることが確認されている。   This Patent Document 1 describes an example using a highly stable nitroxyl radical or the like as a radical. For example, a secondary battery using an electrode layer containing a nitronyl nitroxide compound as a positive electrode and a lithium-bonded copper foil as a negative electrode. After repeatedly charging and discharging, it has been confirmed that charging and discharging is possible over 10 cycles.

また、特許文献2には、2つのケトン基をオルト位の位置関係で有するフェナントレンキノン化合物を含有した電極活物質が提案されている。   Patent Document 2 proposes an electrode active material containing a phenanthrenequinone compound having two ketone groups in the ortho position.

特許文献2では、前記フェナントレンキノン化合物を含有した電極活物質で正極活物質を形成し、リチウムイオンを挿入したグラファイト層で負極活物質を形成し、コイン型電池を作製している。そして、充放電試験を行ったところ、可逆的な充放電反応が進行し、5サイクルまでは大きな容量劣化は見られなかったと記載されている。   In Patent Document 2, a positive electrode active material is formed with an electrode active material containing the phenanthrenequinone compound, and a negative electrode active material is formed with a graphite layer into which lithium ions are inserted to produce a coin-type battery. When a charge / discharge test was performed, it was described that a reversible charge / discharge reaction proceeded and no significant capacity deterioration was observed up to 5 cycles.

また、特許文献3には、特定のチオール構造を有する蓄電デバイス用電極活物質が提案されている。   Patent Document 3 proposes an electrode active material for an electricity storage device having a specific thiol structure.

この特許文献3では、正極活物質を特定のチオール構造を有する電極活物質で形成し、負極をリチウム金属で形成してコイン電池を作製している。そして、充放電試験を行ったところ、120Ah/kgの容量密度を得ることができ、50サイクル後も容量劣化がなかったと記載されている。   In Patent Document 3, a positive electrode active material is formed of an electrode active material having a specific thiol structure, and a negative electrode is formed of lithium metal to produce a coin battery. When a charge / discharge test was performed, a capacity density of 120 Ah / kg could be obtained, and it was described that there was no capacity deterioration after 50 cycles.

特開2004−207249号公報(段落番号〔0278〕〜〔0282〕)JP 2004-207249 A (paragraph numbers [0278] to [0282]) 特開2008−222559号公報(段落番号〔0018〕、〔0072〕〜〔0076〕)JP 2008-222559 A (paragraph numbers [0018], [0072] to [0076]) 特開2008−112630号公報(請求項1、段落番号〔0042〕〜〔0048〕)JP 2008-112630 A (Claim 1, paragraph numbers [0042] to [0048])

しかしながら、特許文献1では、ニトロキシルラジカル化合物等の有機ラジカル化合物を電極活物質に使用しているものの、充放電反応は、1つの電子のみが関与する1電子反応に限定されている。すなわち、有機ラジカル化合物の場合、2電子以上の電子が関与する多電子反応を起こさせると、ラジカルが安定性を欠いて分解等が生じ、ラジカルが消失して充放電反応の可逆性が失われる。このため、特許文献1の有機ラジカル化合物では、1電子反応に限定せざるを得ず、高容量が期待できる多電子反応を実現するのは困難である。   However, in Patent Document 1, although an organic radical compound such as a nitroxyl radical compound is used as an electrode active material, the charge / discharge reaction is limited to a one-electron reaction involving only one electron. That is, in the case of an organic radical compound, when a multi-electron reaction involving two or more electrons is caused, the radical lacks stability and decomposes, and the radical disappears and the reversibility of the charge / discharge reaction is lost. . For this reason, the organic radical compound of Patent Document 1 must be limited to a one-electron reaction, and it is difficult to realize a multi-electron reaction that can be expected to have a high capacity.

また、特許文献2は、正極活物質に前記フェナントレンキノン化合物を含有した電極活物質を使用しているものの、酸化還元状態での安定性が十分ではなく、容量も不足しているため、未だ実用化には至っていないのが現状である。   In addition, Patent Document 2 uses an electrode active material containing the phenanthrenequinone compound as a positive electrode active material, but is not yet practical because it is not sufficiently stable in redox state and lacks capacity. The current situation is that it has not been realized.

さらに、特許文献3は、正極活物質に特定のチオール構造を含有した電極活物質を使用しているものの、特許文献2と同様、酸化還元状態での安定性が十分ではなく、容量も不足しているため、未だ実用化には至っていないのが現状である。   Furthermore, Patent Document 3 uses an electrode active material containing a specific thiol structure as the positive electrode active material, but as in Patent Document 2, the stability in the redox state is not sufficient and the capacity is insufficient. As a result, it has not yet been put to practical use.

このように特許文献1〜3のような従来の二次電池では、有機ラジカル化合物やフェナントレンキノン化合物、特定のチオール構造を有する化合物を電極活物質に使用したとしても、多電子反応による高容量化と充放電サイクルに対する安定性を両立させることは難しく、したがって、未だ十分に大きなエネルギー密度を有し、高出力でサイクル特性が良好、かつ長寿命の電極活物質を実現できていないのが現状である。   As described above, in conventional secondary batteries such as Patent Documents 1 to 3, even if an organic radical compound, a phenanthrenequinone compound, or a compound having a specific thiol structure is used as an electrode active material, the capacity is increased by a multi-electron reaction. Therefore, it is difficult to achieve both stability with respect to the charge / discharge cycle, and therefore, it has not been possible to realize an electrode active material having a sufficiently high energy density, good output, good cycle characteristics, and long life. is there.

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、エネルギー密度が大きく高出力で、充放電を繰り返しても容量低下の少ないサイクル特性の良好な電極活物質及び二次電池を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and provides an electrode active material and a secondary battery that have high energy density, high output, and good cycle characteristics with little decrease in capacity even after repeated charge and discharge. For the purpose.

本発明者らは、電池電極反応によって充放電を繰り返す二次電池の活物質として使用できる有機化合物を得るべく鋭意研究したところ、2つ以上の不飽和五員環構造を構成単位中に含有する有機化合物は、多電子反応が可能である上に酸化還元反応の安定性にも優れ、少ない分子量で多くの電気量を充電することができるという知見を得た。   The inventors of the present invention have intensively studied to obtain an organic compound that can be used as an active material of a secondary battery that repeats charging and discharging by a battery electrode reaction, and contain two or more unsaturated five-membered ring structures in a structural unit. The organic compound is capable of multi-electron reaction and has excellent oxidation-reduction reaction stability, and it has been found that a large amount of electricity can be charged with a small molecular weight.

本発明はこのような知見に基づきなされたものであって、本発明に係る電極活物質は電池電極反応によって充放電を繰り返す二次電池の活物質として使用される電極活物質であって、2つ以上の不飽和五員環構造を構成単位中に含有する有機化合物を有していることを特徴としている。   The present invention has been made based on such knowledge, and the electrode active material according to the present invention is an electrode active material used as an active material of a secondary battery that repeats charge and discharge by a battery electrode reaction. It is characterized by having an organic compound containing one or more unsaturated five-membered ring structures in the structural unit.

本発明の電極活物質は、具体的には、前記有機化合物が、一般式   Specifically, in the electrode active material of the present invention, the organic compound has the general formula

Figure 2011228050
Figure 2011228050

(ただし、式中、R、Rは、水素原子、置換若しくは無置換の炭素数1〜50のアルキル基、アリール基、アラルキル基、シクロアルキル基、アルコキシル基、アルケニル基、アリールオキシ基、アリールアミノ基、アルキルアミノ基、チオアリール基、チオアルキル基、複素環基、ホルミル基、シリル基、ボリル基、スタンニル基、シアノ基、ニトロ基、ニトロソ基、カルボキシル基、アルコキシカルボニル基、及びハロゲン原子の少なくともいずれか1種を示し、互いに連結して飽和若しくは不飽和の環を形成する場合を含む。X、XはCH、CF、O、S、SO、Se、及びN−R(Rは水素原子、置換もしくは無置換の炭素数1〜50のアルキル基、アリール基、アラルキル基、シクロアルキル基、アルコキシル基、アルケニル基、アリールオキシ基、アリールアミノ基、アルキルアミノ基、チオアリール基、チオアルキル基、複素環基、シリル基、ボリル基、スタンニル基、シアノ基、ニトロ基、ニトロソ基及びハロゲン原子のうちの少なくとも1種を示す。)を示し、互いに連結して飽和若しくは不飽和の環を形成する場合を含む。)
で表わされる不飽和五員環構造を含有していることを特徴としている。
(In the formula, R 1 and R 2 are a hydrogen atom, a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 50 carbon atoms, an aryl group, an aralkyl group, a cycloalkyl group, an alkoxyl group, an alkenyl group, an aryloxy group, Arylamino group, alkylamino group, thioaryl group, thioalkyl group, heterocyclic group, formyl group, silyl group, boryl group, stannyl group, cyano group, nitro group, nitroso group, carboxyl group, alkoxycarbonyl group, and halogen atom At least any one of them, including a case where they are linked to each other to form a saturated or unsaturated ring, and X 1 and X 2 are CH 2 , CF 2 , O, S, SO 2 , Se, and N—R 3 (R 3 represents a hydrogen atom, a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 50 carbon atoms, an aryl group, an aralkyl group, a cycloalkyl group, an alkyl group, Coxyl group, alkenyl group, aryloxy group, arylamino group, alkylamino group, thioaryl group, thioalkyl group, heterocyclic group, silyl group, boryl group, stannyl group, cyano group, nitro group, nitroso group and halogen atom Including at least one kind of a saturated or unsaturated ring linked to each other.)
It is characterized by containing an unsaturated five-membered ring structure represented by:

また、本発明の電極活物質は、前記有機化合物が、一般式   In the electrode active material of the present invention, the organic compound has the general formula

Figure 2011228050
Figure 2011228050

(ただし、nは2〜50の整数である。)
で表わされることを特徴としている。
(However, n is an integer of 2 to 50.)
It is characterized by being expressed by.

本発明の電極活物質は、前記有機化合物が、一般式   In the electrode active material of the present invention, the organic compound has the general formula

Figure 2011228050
Figure 2011228050

(ただし、pは1〜50の整数であり、qは2〜50の整数である。)
で表わされることを特徴としている。
(However, p is an integer of 1-50, and q is an integer of 2-50.)
It is characterized by being expressed by.

また、本発明の電極活物質は、前記pが偶数であることを特徴としている。   The electrode active material of the present invention is characterized in that the p is an even number.

さらに、本発明の電極活物質は、前記pと前記qの総計が偶数であることを特徴としている。   Furthermore, the electrode active material of the present invention is characterized in that the sum of p and q is an even number.

また、本発明に係る二次電池は、上述したいずれかに記載の電極活物質が、前記電池電極反応の少なくとも放電反応における反応出発物、生成物及び中間生成物のうちのいずれかに含まれることを特徴としている。   In the secondary battery according to the present invention, any of the electrode active materials described above is included in at least one of a reaction starting material, a product, and an intermediate product in the discharge reaction of the battery electrode reaction. It is characterized by that.

また、本発明の二次電池は、正極、負極、及び電解質を有し、前記正極が、前記電極活物質を有していることを特徴としている。   The secondary battery according to the present invention includes a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte, and the positive electrode includes the electrode active material.

本発明の電極活物質によれば、2つ以上の不飽和五員環構造を構成単位中に含有する有機化合物を有しているので、多電子反応が可能である上に酸化還元反応に対する安定性にも優れ、少ない分子量で高容量密度のサイクル特性が良好な電極活物質を得ることができる。   According to the electrode active material of the present invention, since it has an organic compound containing two or more unsaturated five-membered ring structures in a structural unit, it is possible to perform a multi-electron reaction and to be stable against a redox reaction. It is possible to obtain an electrode active material that is excellent in properties and has a low molecular weight and high capacity density and good cycle characteristics.

また、本発明の二次電池によれば、上記電極活物質が、電池電極反応の少なくとも放電反応における反応出発物、生成物及び中間生成物のうちのいずれかに含まれるので、多電子反応と充放電サイクルに対する安定性を両立させることができ、エネルギー密度が大きく高出力で、充放電を繰り返しても容量低下の少ないサイクル特性の良好な長寿命の二次電池を得ることが可能となる。   According to the secondary battery of the present invention, since the electrode active material is included in at least one of a reaction starting material, a product, and an intermediate product in the discharge reaction of the battery electrode reaction, It is possible to achieve both stability with respect to the charge / discharge cycle, high energy density, high output, and a long-life secondary battery with good cycle characteristics with little reduction in capacity even after repeated charge / discharge.

本発明に係る二次電池としてのコイン型電池の一実施の形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows one Embodiment of the coin-type battery as a secondary battery which concerns on this invention.

次に、本発明の実施の形態を詳説する。   Next, an embodiment of the present invention will be described in detail.

本発明の電極活物質は、2つ以上の不飽和五員環構造を構成単位中に含有する有機化合物を有している。そしてこれにより2電子以上の多電子反応が可能である上、酸化還元反応の安定性を向上させることができ、エネルギー密度が大きく、安定性に優れた二次電池を得ることができる。   The electrode active material of the present invention has an organic compound containing two or more unsaturated five-membered ring structures in the structural unit. As a result, a multi-electron reaction of two or more electrons is possible, the stability of the oxidation-reduction reaction can be improved, and a secondary battery having a large energy density and excellent stability can be obtained.

前記不飽和五員環構造は、一般式(1)で表わすことができる。   The unsaturated five-membered ring structure can be represented by the general formula (1).

Figure 2011228050
Figure 2011228050

ここで、R、Rは、水素原子、置換若しくは無置換の炭素数1〜50のアルキル基、アリール基、アラルキル基、シクロアルキル基、アルコキシル基、アルケニル基、アリールオキシ基、アリールアミノ基、アルキルアミノ基、チオアリール基、チオアルキル基、複素環基、ホルミル基、シリル基、ボリル基、スタンニル基、シアノ基、ニトロ基、ニトロソ基、カルボキシル基、アルコキシカルボニル基、及びハロゲン原子の少なくともいずれか1種を示し、互いに連結して飽和若しくは不飽和の環を形成する場合を含む。また、X、XはCH、CF、O、S、SO、Se、及びN−R(Rは水素原子、置換もしくは無置換の炭素数1〜50のアルキル基、アリール基、アラルキル基、シクロアルキル基、アルコキシル基、アルケニル基、アリールオキシ基、アリールアミノ基、アルキルアミノ基、チオアリール基、チオアルキル基、複素環基、シリル基、ボリル基、スタンニル基、シアノ基、ニトロ基、ニトロソ基及びハロゲン原子のうちの少なくとも1種を示す。)を示し、互いに連結して飽和若しくは不飽和の環を形成する場合を含んでいる。 Here, R 1 and R 2 are a hydrogen atom, a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 50 carbon atoms, an aryl group, an aralkyl group, a cycloalkyl group, an alkoxyl group, an alkenyl group, an aryloxy group, and an arylamino group. , Alkylamino group, thioaryl group, thioalkyl group, heterocyclic group, formyl group, silyl group, boryl group, stannyl group, cyano group, nitro group, nitroso group, carboxyl group, alkoxycarbonyl group, and halogen atom 1 type is shown and includes a case where they are linked to each other to form a saturated or unsaturated ring. X 1 and X 2 are CH 2 , CF 2 , O, S, SO 2 , Se, and N—R 3 (R 3 is a hydrogen atom, a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 50 carbon atoms, aryl Group, aralkyl group, cycloalkyl group, alkoxyl group, alkenyl group, aryloxy group, arylamino group, alkylamino group, thioaryl group, thioalkyl group, heterocyclic group, silyl group, boryl group, stannyl group, cyano group, nitro group A group, a nitroso group, and a halogen atom.), Which are linked to each other to form a saturated or unsaturated ring.

尚、R、R及びRの炭素数を50以下としたのは、これらR、R及びRの炭素数が50を超えると、分子量が過度に増大し、容量密度の低下を招くおそれがあるからである。 In addition, the carbon number of R 1 , R 2 and R 3 was set to 50 or less because when the carbon number of R 1 , R 2 and R 3 exceeds 50, the molecular weight increases excessively and the capacity density decreases. It is because there is a possibility of inviting.

そして、上記一般式(1)の範疇に含まれる不飽和五員環構造としては、例えば化学式(1A)〜(1E)で表わされる置換基を挙げることができる。   And as an unsaturated five-membered ring structure included in the category of the said General formula (1), the substituent represented by chemical formula (1A)-(1E) can be mentioned, for example.

Figure 2011228050
Figure 2011228050

そして、上記一般式(1)を含有した有機化合物としては、例えば、一般式(2)で示される物質が挙げられる。   And as an organic compound containing the said General formula (1), the substance shown by General formula (2) is mentioned, for example.

Figure 2011228050
Figure 2011228050

ここで、nは2〜50の整数が好ましい。すなわち、nが1の場合は充放電反応時に複数のカチオンを生成させるのが困難となり、多電子反応が生じないおそれがある。一方、nが50を超えると、分子量が過度に増大し、容量密度の低下を招くおそれがある。   Here, n is preferably an integer of 2 to 50. That is, when n is 1, it is difficult to generate a plurality of cations during the charge / discharge reaction, and there is a possibility that a multi-electron reaction does not occur. On the other hand, when n exceeds 50, the molecular weight increases excessively, which may cause a decrease in capacity density.

そして、一般式(2)の範疇に属する有機化合物としては、環状構造を有する化学式(2A)〜(2J)に示す有機化合物を挙げることができる。   And as an organic compound which belongs to the category of General formula (2), the organic compound shown to Chemical formula (2A)-(2J) which has a cyclic structure can be mentioned.

Figure 2011228050
Figure 2011228050

Figure 2011228050
Figure 2011228050

Figure 2011228050
Figure 2011228050

また、上記一般式(1)を含有した有機化合物としては、一般式(3)で示される物質を挙げることもできる。   Moreover, as an organic compound containing the said General formula (1), the substance shown by General formula (3) can also be mentioned.

Figure 2011228050
Figure 2011228050

ここで、pは1〜50の整数、qは2〜50の整数が好ましい。尚、p、qを50以下としたのは、p、qが50を超えると、分子量が過度に増大し、容量密度の低下を招くおそれがあるからである。また、qを2以上の整数としたのは、上述したnの場合と同様(一般式(2)参照)、充放電反応時に複数のカチオンを生成させるのが困難となり、多電子反応が生じないおそれがあるからである。   Here, p is preferably an integer of 1 to 50, and q is preferably an integer of 2 to 50. Note that the reason why p and q are set to 50 or less is that when p and q exceed 50, the molecular weight is excessively increased and the capacity density may be lowered. Further, q is an integer of 2 or more, as in the case of n described above (see general formula (2)), it is difficult to generate a plurality of cations during the charge / discharge reaction, and a multi-electron reaction does not occur. Because there is a fear.

また、少なくともpは偶数であるのが好ましく、より好ましくはpとqの総計が偶数であるのが望ましい。これは少なくともpを偶数、より好ましくはpとqの総計を偶数とすることにより、有機化合物が共鳴構造となって安定化するからである。   Further, at least p is preferably an even number, and more preferably, the total of p and q is an even number. This is because when at least p is an even number, more preferably, the total of p and q is an even number, the organic compound becomes a resonance structure and is stabilized.

そして、上記一般式(3)の範疇に属する有機化合物としては、環状モノオン構造を有する化学式(3A)〜(3K)で表わされる有機化合物や、環状ジオン構造を有する化学式(3A′)〜(3P′)で表わされる有機化合物を挙げることができる。   And as an organic compound which belongs to the category of the said General formula (3), Chemical formula (3A ')-(3P) which has an organic compound represented by Chemical formula (3A)-(3K) which has a cyclic | annular monoone structure, and cyclic dione structure An organic compound represented by ′) can be mentioned.

Figure 2011228050
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上記電極活物質は、電気化学的な酸化反応により、カチオンが生成するものと考えられる。   The electrode active material is considered to generate cations by an electrochemical oxidation reaction.

化学反応式(4)は、化学式(3A)で示された2,3,4,5-テトラキス[1,3-ジチオール-2-イリデン]シクロペンタノンの予想される充放電反応の一例を示している。   Chemical reaction formula (4) shows an example of the expected charge / discharge reaction of 2,3,4,5-tetrakis [1,3-dithiol-2-ylidene] cyclopentanone represented by chemical formula (3A). ing.

Figure 2011228050
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このように2,3,4,5-テトラキス[1,3-ジチオール-2-イリデン]シクロペンタノン(I)の一分子が4個の電子と反応して(II)で示すカチオンを生成するので、一電子反応の場合に比べ容量密度を大きくすることができる。   Thus, one molecule of 2,3,4,5-tetrakis [1,3-dithiol-2-ylidene] cyclopentanone (I) reacts with four electrons to form a cation represented by (II). Therefore, the capacity density can be increased as compared with the case of the one-electron reaction.

尚、上記電極活物質を構成する有機化合物の分子量は、特に限定されないが、不飽和五員環構造以外の部分が大きくなると単位質量あたりに蓄電できる容量、すなわち容量密度が小さくなる。不飽和五員環構造を構成単位中に有する有機化合物の重合体として利用する場合には分子量や分子量分布は特に限定されない。   The molecular weight of the organic compound constituting the electrode active material is not particularly limited. However, when the portion other than the unsaturated five-membered ring structure increases, the capacity that can be stored per unit mass, that is, the capacity density decreases. When used as a polymer of an organic compound having an unsaturated five-membered ring structure in the structural unit, the molecular weight and molecular weight distribution are not particularly limited.

次に、前記電極活物質を使用した二次電池について記述する。   Next, a secondary battery using the electrode active material will be described.

図1は、本発明に係る二次電池の一実施の形態としてのコイン型二次電池を示す断面図であって、本実施の形態では、本発明の電極活物質を正極活物質として使用している。   FIG. 1 is a cross-sectional view showing a coin-type secondary battery as an embodiment of a secondary battery according to the present invention. In this embodiment, the electrode active material of the present invention is used as a positive electrode active material. ing.

電池缶1は、正極ケース2と負極ケース3とを有し、該正極ケース2及び負極ケース3は、いずれも円盤状の薄板形状に形成されている。正極集電体を構成する正極ケース2の底部中央には、電極活物質をシート状に成型した正極4が配されている。そして、正極4上には微多孔膜、織布、不織布などの多孔性のシートまたはフィルムで形成されたセパレータ5が積層され、さらにセパレータ5には負極6が積層されている。負極6としては、例えば、銅箔にリチウムの金属箔を重ね合わせたものや、黒鉛やハードカーボン等のリチウム吸蔵材料を銅箔に塗布したものを使用することができる。負極6には金属からなる負極集電体7が積層されるとともに、該負極集電体7には金属製ばね8が載置されている。そして、電解質9が内部空間に充填されると共に、負極ケース3は金属製ばね8の付勢力に抗して正極ケース2に固着され、ガスケット10を介して封止されている。   The battery can 1 has a positive electrode case 2 and a negative electrode case 3, and both the positive electrode case 2 and the negative electrode case 3 are formed in a disk-like thin plate shape. In the center of the bottom of the positive electrode case 2 constituting the positive electrode current collector, a positive electrode 4 in which an electrode active material is molded into a sheet shape is disposed. A separator 5 formed of a porous sheet or film such as a microporous film, a woven fabric, or a nonwoven fabric is laminated on the positive electrode 4, and a negative electrode 6 is laminated on the separator 5. As the negative electrode 6, for example, a copper foil laminated with a lithium metal foil or a lithium foil occlusion material such as graphite or hard carbon applied to the copper foil can be used. A negative electrode current collector 7 made of metal is laminated on the negative electrode 6, and a metal spring 8 is placed on the negative electrode current collector 7. The electrolyte 9 is filled in the internal space, and the negative electrode case 3 is fixed to the positive electrode case 2 against the urging force of the metal spring 8 and sealed with a gasket 10.

次に、上記二次電池の製造方法の一例を詳述する。   Next, an example of a method for manufacturing the secondary battery will be described in detail.

まず、電極活物質を電極形状に形成する。例えば、電極活物質を導電補助剤、及び結着剤と共に混合し、溶媒を加えてスラリーとし、該スラリーを正極集電体上に任意の塗工方法で塗工し、乾燥することにより正極を形成する。   First, an electrode active material is formed into an electrode shape. For example, the electrode active material is mixed with a conductive auxiliary agent and a binder, and a solvent is added to form a slurry. The slurry is applied on the positive electrode current collector by an arbitrary coating method, and dried to obtain the positive electrode. Form.

ここで、導電補助剤としては、特に限定されるものでなく、例えば、グラファイト、カーボンブラック、アセチレンブラック等の炭素質微粒子、気相成長炭素繊維(VGCF)、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等の炭素繊維、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリアセン等の導電性高分子などを使用することができる。また、導電補助剤を2種類以上混合して用いることもできる。尚、導電補助剤の正極4中の含有率は10〜80質量%が望ましい。   Here, the conductive auxiliary agent is not particularly limited, and examples thereof include carbonaceous fine particles such as graphite, carbon black, and acetylene black, carbon fibers such as vapor grown carbon fiber (VGCF), carbon nanotube, and carbon nanohorn. , Conductive polymers such as polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polyacetylene, and polyacene can be used. Further, two or more kinds of conductive assistants can be mixed and used. In addition, as for the content rate in the positive electrode 4 of a conductive support agent, 10-80 mass% is desirable.

また、結着剤も特に限定されるものではなく、ポリエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリヘキサフルオロプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレンオキサイド、カルボキシメチルセルロース等の各種樹脂を使用することができる。   Further, the binder is not particularly limited, and various resins such as polyethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polytetrafluoroethylene, polyethylene oxide, carboxymethylcellulose, and the like can be used.

さらに、溶媒についても、特に限定されるものではなく、例えば、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、1−メチル−2−ピロリドン、プロピレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、γ−ブチロラクトン等の塩基性溶媒、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、ニトロベンゼン、アセトン等の非水溶媒、メタノール、エタノール等のプロトン性溶媒、さらには水等を使用することができる。   Further, the solvent is not particularly limited, and examples thereof include basic solvents such as dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, 1-methyl-2-pyrrolidone, propylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, and γ-butyrolactone, acetonitrile, Nonaqueous solvents such as tetrahydrofuran, nitrobenzene, and acetone, protic solvents such as methanol and ethanol, water, and the like can be used.

また、有機溶剤の種類、有機化合物と有機溶剤との配合比、添加剤の種類とその添加量等は、二次電池の要求特性や生産性等を考慮し、任意に設定することができる。次いで、この正極4を電解質9に含浸させて該正極4に前記電解質9を染み込ませ、その後、正極集電体を構成する正極ケース2の底部中央の正極4を載置する。次いで、前記電解質9を含浸させたセパレータ5を正極4上に積層し、さらに負極6及び負極集電体7を順次積層し、その後内部空間に電解質9を注入する。そして、負極集電体7上に金属製ばね8を載置すると共に、ガスケット10を周縁に配し、かしめ機等で負極ケース3を正極ケース2に固着して外装封止し、これによりコイン型二次電池が作製される。   Moreover, the kind of organic solvent, the compounding ratio of the organic compound and the organic solvent, the kind of additive and the addition amount thereof can be arbitrarily set in consideration of the required characteristics and productivity of the secondary battery. Next, the positive electrode 4 is impregnated into the electrolyte 9 so that the electrolyte 9 is impregnated with the positive electrode 4, and then the positive electrode 4 at the bottom center of the positive electrode case 2 constituting the positive electrode current collector is placed. Next, the separator 5 impregnated with the electrolyte 9 is laminated on the positive electrode 4, the negative electrode 6 and the negative electrode current collector 7 are sequentially laminated, and then the electrolyte 9 is injected into the internal space. Then, a metal spring 8 is placed on the negative electrode current collector 7, and a gasket 10 is arranged on the periphery, and the negative electrode case 3 is fixed to the positive electrode case 2 with a caulking machine or the like, and the outer casing is sealed. A type secondary battery is produced.

尚、上記電解質9は、正極(電極活物質)4と対向電極である負極6との間に介在して両電極間の荷電担体輸送を行うが、このような電解質9としては、室温で10−5〜10−1S/cmのイオン伝導度を有するものを使用することができ、例えば、電解質塩を有機溶剤に溶解させた電解液を使用することができる。 The electrolyte 9 is interposed between the positive electrode (electrode active material) 4 and the negative electrode 6 which is the counter electrode, and transports charge carriers between the two electrodes. Those having an ionic conductivity of −5 to 10 −1 S / cm can be used. For example, an electrolytic solution in which an electrolyte salt is dissolved in an organic solvent can be used.

ここで、電解質塩としては、例えば、LiPF、LiClO、LiBF、LiCFSO、LiCSO3、Li(CFSON、Li(CSON、Li(CFSOC、Li(CSOC等を使用することができる。 Here, examples of the electrolyte salt include LiPF 6 , LiClO 4 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 , LiC 2 F 5 SO 3, Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, and Li (C 2 F 5 SO 2 ). 2 N, Li (CF 3 SO 2 ) 3 C, Li (C 2 F 5 SO 2 ) 3 C, or the like can be used.

また、有機溶剤としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、γ一ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、スルホラン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、1−メチル−2−ピロリドン等を使用することができる。   As the organic solvent, ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, γ-butyrolactone, tetrahydrofuran, dioxolane, sulfolane, dimethylformamide, dimethylacetamide, 1-methyl-2-pyrrolidone, etc. are used. be able to.

また、電解質9には、固体電解質を使用してもよい。固体電解質に用いられる高分子化合物としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン-エチレン共重合体、フッ化ビニリデン-モノフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン-トリフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン-テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン-テトラフルオロエチレン三元共重合体等のフッ化ビニリデン系重合体、アクリロニトリル−メチルメタクリレート共重合体、アクリロニトリル−メチルアクリレート共重合体、アクリロニトリル−エチルメタクリレート共重合体、アクリロニトリル−エチルアクリレート共重合体、アクリロニトリル−メタクリル酸共重合体、アクリロニトリル-アクリル酸共重合体、アクリロニトリル−ビニルアセテート共重合体等のアクリロニトリル系重合体、さらにはポリエチレンオキサイド、エチレンオキサイド-プロピレンオキサイド共重合体、及びこれらのアクリレート体やメタクリレート体の重合体等を挙げることができる。また、これらの高分子化合物に電解液を含ませてゲル状にしたものを電解質9として使用したり、或いは電解質塩を含有させた高分子化合物のみをそのまま電解質9に使用してもよい。   The electrolyte 9 may be a solid electrolyte. Examples of the polymer compound used in the solid electrolyte include polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-ethylene copolymer, vinylidene fluoride-monofluoroethylene copolymer, fluoride Vinylidene fluoride polymers such as vinylidene-trifluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene terpolymer, and acrylonitrile-methyl methacrylate copolymer Polymer, acrylonitrile-methyl acrylate copolymer, acrylonitrile-ethyl methacrylate copolymer, acrylonitrile-ethyl acrylate copolymer, acrylonitrile-methacrylic acid copolymer, acrylonitrile-acrylic acid copolymer Examples thereof include acrylonitrile polymers such as polymers, acrylonitrile-vinyl acetate copolymers, polyethylene oxide, ethylene oxide-propylene oxide copolymers, and polymers of these acrylates and methacrylates. Further, these polymer compounds containing an electrolytic solution in a gel form may be used as the electrolyte 9 or only a polymer compound containing an electrolyte salt may be used as the electrolyte 9 as it is.

二次電池の電極活物質は、充放電により可逆的に酸化もしくは還元されるため、充電状態、放電状態、あるいはその途中の状態で異なる構造、状態を取るが、本実施の形態では、前記電極活物質は、少なくとも放電反応における反応出発物(電池電極反応で化学反応を起こす物質)、生成物(化学反応の結果生じる物質)、及び中間生成物のうちのいずれかに含まれている。   Since the electrode active material of the secondary battery is reversibly oxidized or reduced by charge and discharge, it has a different structure and state depending on the charged state, discharged state, or intermediate state. The active material is contained in at least one of a reaction starting material in the discharge reaction (a material that causes a chemical reaction in the battery electrode reaction), a product (a material resulting from the chemical reaction), and an intermediate product.

このように本実施の形態によれば、多電子反応する上記電極活物質を使用して二次電池を構成しているので、エネルギー密度が大きく、安定性に優れた二次電池を得ることができる。   As described above, according to this embodiment, since the secondary battery is configured using the electrode active material that undergoes multi-electron reaction, it is possible to obtain a secondary battery having a large energy density and excellent stability. it can.

尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲において種々の変形が可能である。例えば、電極活物質の主体となる有機化合物についても、上記列挙した化学式(2A)〜(2J)、(3A)〜(3K)、(3A′)〜(3P′)はその一例であって、これらに限定されるものではない。すなわち、少なくとも不飽和五員環構造を構成単位中に含有していれば、化学反応式(4)と略同様の電池電極反応が進行し、エネルギー密度が大きく、安定性に優れた所望の二次電池を得ることが可能である。   In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation is possible in the range which does not deviate from a summary. For example, the above-described chemical formulas (2A) to (2J), (3A) to (3K), and (3A ′) to (3P ′) are also examples of the organic compound that is the main component of the electrode active material. It is not limited to these. That is, if at least an unsaturated five-membered ring structure is contained in the structural unit, a battery electrode reaction substantially the same as in the chemical reaction formula (4) proceeds, the energy density is large, and the desired two-components excellent in stability are obtained. It is possible to obtain a secondary battery.

また、本実施の形態では、コイン型二次電池について説明したが、電池形状は特に限定されるものでないのはいうまでもなく、円筒型、角型、シート型等にも適用できる。また、外装方法も特に限定されず、金属ケースや、モールド樹脂、アルミラミネートフィルム等を使用してもよい。   In this embodiment, a coin-type secondary battery has been described. However, the battery shape is not particularly limited, and can be applied to a cylindrical shape, a square shape, a sheet shape, and the like. Also, the exterior method is not particularly limited, and a metal case, mold resin, aluminum laminate film, or the like may be used.

また、本実施の形態では、不飽和五員環構造を構成単位中に有する有機化合物を正極活物質に使用したが、負極活物質に使用するのも有用である。   In this embodiment, an organic compound having an unsaturated five-membered ring structure in the structural unit is used as the positive electrode active material, but it is also useful to use it as the negative electrode active material.

次に、本発明の実施例を具体的に説明する。   Next, examples of the present invention will be specifically described.

〔有機化合物の合成〕
下記の合成スキーム(A)に従い、2,3,4,5-テトラキス[1,3-ジチオール-2-イリデン]シクロペンタノン(以下、「合成物A」という。)を合成した。
(Synthesis of organic compounds)
According to the following synthesis scheme (A), 2,3,4,5-tetrakis [1,3-dithiol-2-ylidene] cyclopentanone (hereinafter referred to as “Compound A”) was synthesized.

Figure 2011228050
Figure 2011228050

すなわち、化合物(3A)(4.62g、10.0mmol)をジクロロメタン(CHCl)150mLに溶解し、N−ブロモスクシンイミド(以下、「NBS」という。)(3.56g、20mmol)を加えた。そして、室温にて2時間反応させ、化合物(3A)を6.18g作製した。尚、収率は100%であった。 That is, the compound (3A 1 ) (4.62 g, 10.0 mmol) was dissolved in 150 mL of dichloromethane (CH 2 Cl 2 ), and N-bromosuccinimide (hereinafter referred to as “NBS”) (3.56 g, 20 mmol) was added. added. The reaction at room temperature for 2 hours, Compound (3A 2) to produce 6.18 g. The yield was 100%.

次に、Ni[P(CBr(595mg、0.80mmol)、(CP(423mg、1.6mmol)、Zn−Cu(1.31g、20mmol)を不活性ガス雰囲気下で80mLのテトラヒドロフラン(以下、「THF」という。)に溶解させ触媒を調製した。次いで、CO雰囲気下で撹拌しながら化合物(3A)のTHF溶液を80mL加え、6時間撹拌を行い、1.45gの化合物(3A)を得た。 Next, Ni [P (C 6 H 5) 3] 2 Br 2 (595mg, 0.80mmol), (C 6 H 5) 3 P (423mg, 1.6mmol), Zn-Cu (1.31g, 20mmol ) Was dissolved in 80 mL of tetrahydrofuran (hereinafter referred to as “THF”) under an inert gas atmosphere to prepare a catalyst. Next, 80 mL of a THF solution of the compound (3A 2 ) was added with stirring in a CO atmosphere, and the mixture was stirred for 6 hours to obtain 1.45 g of the compound (3A 3 ).

次に、化合物(3A)(475mg、0.5mmol)とLiBr・HO(2.10g、20mmol)を70mLのヘキサメチルリン酸トリアミド[(CHN]P=O)(HMPA)に溶解させ、12時間加熱撹拌を行った。そして、反応溶液を室温まで冷やし、200mLの純水に投入して析出物をろ別し、減圧乾燥を行って赤褐色の合成物(3A)を作製した。 Next, compound (3A 3 ) (475 mg, 0.5 mmol) and LiBr · H 2 O (2.10 g, 20 mmol) were added to 70 mL of hexamethylphosphoric triamide [(CH 3 ) 2 N] 3 P═O) ( HMPA) and stirred with heating for 12 hours. The reaction solution was cooled to room temperature, poured into 200 mL of pure water, the precipitate was filtered off, and dried under reduced pressure to prepare a reddish brown compound (3A).

〔二次電池の作製〕
上記合成物A:100mg、導電補助剤としてのグラファイト粉末:200mg、結着剤としてのポリテトラフルオロエチレン樹脂:100mgをそれぞれ秤量し、全体が均一になるように混合しながら混練し、混合物を得た。そして、この混合体を加圧成形し、厚さ約150μmのシート状部材を作製した。
[Production of secondary battery]
The above composite A: 100 mg, graphite powder as a conductive auxiliary agent: 200 mg, and polytetrafluoroethylene resin as a binder: 100 mg were weighed and kneaded while mixing to obtain a mixture. It was. And this mixture was pressure-molded and the sheet-like member about 150 micrometers thick was produced.

次に、このシート状部材を、真空中80℃で1時間乾燥した後、直径12mmの円形に打ち抜き、合成物Aを主体とする正極(正極活物質)を作製した。次に、この正極を電解液に含浸し、該正極中の空隙に電解液を染み込ませた。電解液としては、モル濃度が1.0mol/LのLiPF(電解質塩)を含有した有機溶剤であるエチレンカーボネート/ジエチルカーボネート混合溶液を使用した。尚、エチレンカーボネート/ジエチルカーボネートの混合比率は、体積%でエチレンカーボネート:ジエチルカーボネート=3:7とした。 Next, this sheet-like member was dried in a vacuum at 80 ° C. for 1 hour, and then punched into a circle having a diameter of 12 mm to produce a positive electrode (positive electrode active material) mainly composed of the composite A. Next, the positive electrode was impregnated with an electrolytic solution, and the electrolytic solution was infiltrated into voids in the positive electrode. As the electrolytic solution, an ethylene carbonate / diethyl carbonate mixed solution, which is an organic solvent containing LiPF 6 (electrolyte salt) having a molar concentration of 1.0 mol / L, was used. The mixing ratio of ethylene carbonate / diethyl carbonate was ethylene carbonate: diethyl carbonate = 3: 7 in volume%.

次に、この正極を正極集電体上に載置し、前記電解液を含浸させたポリプロピレン多孔質フィルムからなる厚さ20μmのセパレータを前記正極上に積層し、さらに銅箔の両面にリチウムを貼布した負極をセパレータ上に積層した。   Next, this positive electrode was placed on a positive electrode current collector, a 20 μm thick separator made of a polypropylene porous film impregnated with the electrolytic solution was laminated on the positive electrode, and lithium was further applied to both sides of the copper foil. The pasted negative electrode was laminated on the separator.

次いで、負極上にCu製の負極集電体を積層した後、内部空間に電解液を注入した。その後負極集電体上に金属製ばねを載置すると共に、周縁にガスケットを配置した状態で負極ケースを正極ケースに接合し、かしめ機によって外装封止した。そしてこれにより、正極活物質として合成物A、負極活物質として金属リチウムを有する密閉型のコイン型電池を作製した。   Next, after a negative electrode current collector made of Cu was laminated on the negative electrode, an electrolytic solution was injected into the internal space. Thereafter, a metal spring was placed on the negative electrode current collector, and the negative electrode case was joined to the positive electrode case in a state where a gasket was disposed on the periphery, and the outer casing was sealed with a caulking machine. Thus, a sealed coin-type battery having the composite A as the positive electrode active material and metal lithium as the negative electrode active material was produced.

〔二次電池の動作確認〕
以上のように作製した二次電池を、0.1mAの定電流で電圧が4.2Vになるまで充電し、その後、0.1mAの定電流で1.5Vまで放電した。その結果、充放電電圧が3.6V及び3.2Vの2箇所で電圧平坦部を有し、放電容量が0.2mAhの二次電池であることが確認された。この容量から電極活物質当たりの容量密度を計算したところ、210Ah/kgであった。
[Confirmation of secondary battery operation]
The secondary battery produced as described above was charged with a constant current of 0.1 mA until the voltage reached 4.2 V, and then discharged to 1.5 V with a constant current of 0.1 mA. As a result, it was confirmed that the secondary battery had a voltage flat portion at two places where the charge / discharge voltage was 3.6 V and 3.2 V, and the discharge capacity was 0.2 mAh. When the capacity density per electrode active material was calculated from this capacity, it was 210 Ah / kg.

一方、二次電池の理論容量密度Q(Ah/kg)は、数式(1)で表わされる。   On the other hand, the theoretical capacity density Q (Ah / kg) of the secondary battery is expressed by Equation (1).

Figure 2011228050
Figure 2011228050

ここで、Zは電池電極反応に関与した電子数、Wは電極活物質の分子量である。   Here, Z is the number of electrons involved in the battery electrode reaction, and W is the molecular weight of the electrode active material.

合成物Aの分子量は484.8であるから、電池電極反応に関与する電子数Zを4とすると、数式(1)より理論容量密度は221Ah/kgとなる。したがって、合成物Aは、構成単位当たり少なくとも4電子以上が関与する多電子反応をしていることが確認された。   Since the molecular weight of the composite A is 484.8, when the number of electrons Z involved in the battery electrode reaction is 4, the theoretical capacity density is 221 Ah / kg from Equation (1). Therefore, it was confirmed that the composite A has a multi-electron reaction involving at least 4 electrons or more per structural unit.

その後、上記二次電池について、4.2〜1.5Vの範囲で充放電を繰り返したところ、10サイクル後においても初期の80%以上の容量を確保することができた。すなわち、充放電を繰り返しても容量低下の少ない安定性に優れた二次電池を得ることができることが分かった。   Thereafter, when the secondary battery was repeatedly charged and discharged in the range of 4.2 to 1.5 V, the initial capacity of 80% or more could be secured even after 10 cycles. That is, it was found that a secondary battery having excellent stability with little decrease in capacity can be obtained even when charging and discharging are repeated.

また、同様に作製した二次電池を0.1mAの定電流で電圧が4.0Vになるまで充電した後、電圧を印加したまま保持し、168時間後に0.1mAの定電流で放電した。その結果、放電容量は充電後すぐに放電した場合に比べて減少したが、80%以上を維持することができた。すなわち、自己放電の少ない安定性に優れた二次電池を得ることができた。   In addition, a secondary battery manufactured in the same manner was charged at a constant current of 0.1 mA until the voltage reached 4.0 V, and then held while the voltage was applied, and discharged at a constant current of 0.1 mA after 168 hours. As a result, the discharge capacity decreased as compared with the case where the battery was discharged immediately after charging, but it was possible to maintain 80% or more. That is, a secondary battery excellent in stability with little self-discharge could be obtained.

〔有機化合物の合成〕
下記の合成スキーム(B)に従い、テトラキス[1,3-ベンゾジチオール−2−イリデン]シクロペンタノン(以下、「合成物B」という。)を合成した。
(Synthesis of organic compounds)
Tetrakis [1,3-benzodithiol-2-ylidene] cyclopentanone (hereinafter referred to as “Compound B”) was synthesized according to the following synthesis scheme (B).

Figure 2011228050
Figure 2011228050

すなわち、化合物(3G)(990mg、3.0mmol)をジクロロメタン120mLに溶解し、NBS(1.07g、6.0mmol)を加えた。そして、室温にて2時間反応させ、化合物(3G)を1.30g作製した。尚、収率は89%であった。 That is, the compound (3G 1 ) (990 mg, 3.0 mmol) was dissolved in 120 mL of dichloromethane, and NBS (1.07 g, 6.0 mmol) was added. The reaction at room temperature for 2 hours, Compound (3G 2) was prepared 1.30 g. The yield was 89%.

次に、Ni[P(CBr(223mg、0.30mmol)、(CP(157mg、0.60mmol)、Zn−Cu(493mg、7.6mmol)を不活性ガス雰囲気下で40mLのTHFに溶解させ触媒を調製した。次いで、CO雰囲気下で撹拌しながら化合物(3G)のTHF溶液を20mL加え、6時間撹拌を行い、暗褐色の化合物(3G)を430mg得た。 Next, Ni [P (C 6 H 5) 3] 2 Br 2 (223mg, 0.30mmol), (C 6 H 5) 3 P (157mg, 0.60mmol), Zn-Cu (493mg, 7.6mmol ) Was dissolved in 40 mL of THF under an inert gas atmosphere to prepare a catalyst. Next, 20 mL of a THF solution of the compound (3G 2 ) was added with stirring under a CO atmosphere, and the mixture was stirred for 6 hours to obtain 430 mg of a dark brown compound (3G).

〔二次電池の作製〕
上記合成物Bを正極活物質に使用した以外は、〔実施例1〕と同様の方法で二次電池を作製した。
[Production of secondary battery]
A secondary battery was produced in the same manner as in [Example 1] except that the composite B was used as a positive electrode active material.

〔二次電池の動作確認〕
以上のように作製した二次電池を、0.1mAの定電流で電圧が4.2Vになるまで充電し、その後、0.1mAの定電流で1.5Vまで放電した。その結果、充放電電圧が4.0V及び3.3Vの2箇所で電圧平坦部を有し、放電容量が0.22mAhの二次電池であることが確認された。この容量から電極活物質当たりの容量密度を計算したところ、150Ah/kgであった。
[Confirmation of secondary battery operation]
The secondary battery produced as described above was charged with a constant current of 0.1 mA until the voltage reached 4.2 V, and then discharged to 1.5 V with a constant current of 0.1 mA. As a result, it was confirmed that the secondary battery had a voltage flat portion at two locations of charge / discharge voltages of 4.0 V and 3.3 V and a discharge capacity of 0.22 mAh. When the capacity density per electrode active material was calculated from this capacity, it was 150 Ah / kg.

一方、合成物Bの分子量は685.0であるから、電池電極反応に関与する電子数Zを4とすると、理論容量密度は156Ah/kgとなる。したがって、合成物Bは構成単位当たり少なくとも4電子以上が関与する多電子反応をしていることが確認された。   On the other hand, since the molecular weight of the composite B is 685.0, if the number of electrons Z involved in the battery electrode reaction is 4, the theoretical capacity density is 156 Ah / kg. Therefore, it was confirmed that the composite B has a multi-electron reaction involving at least 4 electrons or more per structural unit.

その後、上記二次電池について、4.2〜1.5Vの範囲で充放電を繰り返したところ、10サイクル後においても初期の80%以上の容量を確保することができた。すなわち、充放電を繰り返しても容量低下の少ない安定性に優れた二次電池を得ることのできることが分かった。   Thereafter, when the secondary battery was repeatedly charged and discharged in the range of 4.2 to 1.5 V, the initial capacity of 80% or more could be secured even after 10 cycles. That is, it was found that a secondary battery having excellent stability with little decrease in capacity can be obtained even when charging and discharging are repeated.

また、同様に作製した二次電池を0.1mAの定電流で電圧が4.0Vになるまで充電した後、電圧を印加したまま保持し、168時間後に0.1mAの定電流で放電した。その結果、放電容量は充電後すぐに放電した場合に比べて減少したが、80%以上を維持することができた。すなわち、自己放電の少ない安定性に優れた二次電池を得ることができた。   In addition, a secondary battery manufactured in the same manner was charged at a constant current of 0.1 mA until the voltage reached 4.0 V, and then held while the voltage was applied, and discharged at a constant current of 0.1 mA after 168 hours. As a result, the discharge capacity decreased as compared with the case where the battery was discharged immediately after charging, but it was possible to maintain 80% or more. That is, a secondary battery excellent in stability with little self-discharge could be obtained.

比較例Comparative example

関東化学社製、シクロペンタノンを80℃で30分間減圧乾燥し、電極活物質とした。   A cyclopentanone manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd. was dried under reduced pressure at 80 ° C. for 30 minutes to obtain an electrode active material.

[二次電池の作製]
正極活物質にシクロペンタノンを使用した以外は実施例1と同様の方法で二次電池を作製した。
[Production of secondary battery]
A secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that cyclopentanone was used as the positive electrode active material.

[二次電池の動作確認]
以上のように作製した二次電池を、0.1mAの定電流で電圧が4.2Vになるまで充電し、その後、0.1mAの定電流で1.8Vまで放電したところ、電圧平坦部が存在せずに電圧が低下した。したがって二次電池としては適していないことが分かった。
[Confirmation of secondary battery operation]
The secondary battery manufactured as described above was charged with a constant current of 0.1 mA until the voltage reached 4.2 V, and then discharged with a constant current of 0.1 mA to 1.8 V. The voltage dropped without being present. Therefore, it turned out that it is not suitable as a secondary battery.

エネルギー密度が大きく高出力で、充放電を繰り返しても容量低下の少ないサイクル特性が良好で安定した二次電池を実現する。   A stable secondary battery with high energy density, high output, good cycle characteristics with little decrease in capacity even after repeated charge and discharge is realized.

4 正極
6 負極
9 電解質
4 Positive electrode 6 Negative electrode 9 Electrolyte

Claims (8)

電池電極反応によって充放電を繰り返す二次電池の活物質として使用される電極活物質であって、
2つ以上の不飽和五員環構造を構成単位中に含有した有機化合物を有していることを特徴とする電極活物質。
An electrode active material used as an active material of a secondary battery that repeats charging and discharging by a battery electrode reaction,
An electrode active material comprising an organic compound containing two or more unsaturated five-membered ring structures in a structural unit.
前記有機化合物は、一般式
Figure 2011228050
(ただし、式中、R、Rは、水素原子、置換若しくは無置換の炭素数1〜50のアルキル基、アリール基、アラルキル基、シクロアルキル基、アルコキシル基、アルケニル基、アリールオキシ基、アリールアミノ基、アルキルアミノ基、チオアリール基、チオアルキル基、複素環基、ホルミル基、シリル基、ボリル基、スタンニル基、シアノ基、ニトロ基、ニトロソ基、カルボキシル基、アルコキシカルボニル基、及びハロゲン原子の少なくともいずれか1種を示し、互いに連結して飽和若しくは不飽和の環を形成する場合を含む。X、XはCH、CF、O、S、SO、Se、及びN−R(Rは水素原子、置換もしくは無置換の炭素数1〜50のアルキル基、アリール基、アラルキル基、シクロアルキル基、アルコキシル基、アルケニル基、アリールオキシ基、アリールアミノ基、アルキルアミノ基、チオアリール基、チオアルキル基、複素環基、シリル基、ボリル基、スタンニル基、シアノ基、ニトロ基、ニトロソ基及びハロゲン原子のうちの少なくとも1種を示す。)を示し、互いに連結して飽和若しくは不飽和の環を形成する場合を含む。)
で表わされる不飽和五員環構造を含有していることを特徴とする請求項1記載の電極活物質。
The organic compound has the general formula
Figure 2011228050
(In the formula, R 1 and R 2 are a hydrogen atom, a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 50 carbon atoms, an aryl group, an aralkyl group, a cycloalkyl group, an alkoxyl group, an alkenyl group, an aryloxy group, Arylamino group, alkylamino group, thioaryl group, thioalkyl group, heterocyclic group, formyl group, silyl group, boryl group, stannyl group, cyano group, nitro group, nitroso group, carboxyl group, alkoxycarbonyl group, and halogen atom At least any one of them, including a case where they are linked to each other to form a saturated or unsaturated ring, and X 1 and X 2 are CH 2 , CF 2 , O, S, SO 2 , Se, and N—R 3 (R 3 represents a hydrogen atom, a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 50 carbon atoms, an aryl group, an aralkyl group, a cycloalkyl group, an alkyl group, Coxyl group, alkenyl group, aryloxy group, arylamino group, alkylamino group, thioaryl group, thioalkyl group, heterocyclic group, silyl group, boryl group, stannyl group, cyano group, nitro group, nitroso group and halogen atom Including at least one kind of a saturated or unsaturated ring linked to each other.)
The electrode active material according to claim 1, which contains an unsaturated five-membered ring structure represented by the formula:
前記有機化合物は、一般式
Figure 2011228050
(ただし、nは2〜50の整数である。)
で表わされることを特徴とする請求項2記載の電極活物質。
The organic compound has the general formula
Figure 2011228050
(However, n is an integer of 2 to 50.)
The electrode active material according to claim 2, wherein
前記有機化合物は、一般式
Figure 2011228050
(ただし、pは1〜50の整数であり、qは2〜50の整数である。)
で表わされることを特徴とする請求項2記載の電極活物質。
The organic compound has the general formula
Figure 2011228050
(However, p is an integer of 1-50, and q is an integer of 2-50.)
The electrode active material according to claim 2, wherein
前記pは、偶数であることを特徴とする請求項4記載の電極活物質。   The electrode active material according to claim 4, wherein the p is an even number. 前記pと前記qの総計は、偶数であることを特徴とする請求項4又は請求項5記載の電極活物質。   6. The electrode active material according to claim 4, wherein the sum of p and q is an even number. 前記請求項1乃至請求項6のいずれかに記載の電極活物質が、前記電池電極反応の少なくとも放電反応における反応出発物、生成物及び中間生成物のうちのいずれかに含まれることを特徴とする二次電池。   The electrode active material according to any one of claims 1 to 6 is included in at least one of a reaction starting material, a product, and an intermediate product in a discharge reaction of the battery electrode reaction. Secondary battery. 正極、負極、及び電解質を有し、前記正極が、前記電極活物質を有していることを特徴とする請求項7記載の二次電池。   The secondary battery according to claim 7, comprising a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte, wherein the positive electrode includes the electrode active material.
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