JP2012079479A

JP2012079479A - 電極活物質及び二次電池

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Publication number: JP2012079479A
Application number: JP2010221851A
Authority: JP
Inventors: Masaharu Sato; 正春佐藤; Toyonari Sugimoto; 豊成杉本; Takayuki Kubota; 孝幸久保田; Takayuki Matsunaga; 隆行松永
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd; Nard Institute Ltd; Osaka University NUC; Osaka Prefecture University
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd; Nard Institute Ltd; Osaka University NUC; Osaka Prefecture University
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2012-04-19
Anticipated expiration: 2030-09-30
Also published as: US20130216909A1; US9231251B2; JP5692741B2; WO2012043728A1

Abstract

【課題】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実現する。
【解決手段】電極活物質は、シクロアルカンに結合したピラジン構造を構成単位中に含有した有機化合物を主体としている。該有機化合物は、例えば、下記一般式で表わされる。ここで、Ｒ_５〜Ｒ₁₀は任意の置換基である。

【選択図】なし

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。

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。

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。

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。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。

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。

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。

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。

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。

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、リチウム貼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。

また、特許文献２には、ジアジンＮ，Ｎ’−ジオキサイド構造を有する化合物を電極活物質として含有した電極が提案され、特許文献３には、ジアジンＮ，Ｎ’−ジオキサイド構造を側鎖に有するオリゴマー又はポリマー化合物を含有する電極活物質が提案されている。

この特許文献２及び３では、ジアジンＮ，Ｎ’−ジオキサイド化合物又はジアジンＮ，Ｎ’−ジオキサイド構造を側鎖に有するポリマー化合物が、電極内で電極活物質として機能し、電極反応の放電反応、又は充放電反応において、反応出発物、生成物、又は中間生成物として電極中に含有される。そして、酸化還元反応における電子の授受により５つの異なる状態を得ることができ、これにより２電子以上が反応に関与する多電子反応も可能であると考えられる。

特開２００４−２０７２４９号公報（段落番号〔０２７８〕〜〔０２８２〕）特開２００３−１１５２９７号公報（請求項１、段落番号〔００３８〕、〔００３９〕）特開２００３−２４２９８０号公報（請求項１、段落番号〔００４４〕、〔００４５〕）

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。

また、特許文献２及び３では、２電子以上の多電子反応も可能とは考えられるが、酸化状態及び還元状態での安定性が十分ではなく実用化に至っていない。

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ジアジン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い。このように従来の二次電池では、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。

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。

本発明者らは、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、シクロアルカンに結合されたピラジン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り、しかも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。

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、シクロアルカンに結合したピラジン構造を構成単位中に含有する有機化合物を主体としていることを特徴としている。

また、本発明の電極活物質は、前記有機化合物が、一般式

（ただし、式中、Ｒ_１、Ｒ_２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、Ｒ_１及びＲ_２は同一の場合を含み、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。ｎは１〜５０の整数である。）で表わされるのが好ましい。

また、本発明の電極活物質は、前記有機化合物が、一般式

（ただし、式中、Ｒ_３、Ｒ_４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、Ｒ_３及びＲ_４同一の場合を含む。Ｘ_１はＣＨ_２、ＣＦ_２、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｎ−Ｒ’、Ｐ−Ｒ’、及びＡｓ−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、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、Ｒ_３、Ｒ_４及びＸ_１は、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。ｐ、ｑは１〜５０の整数であり、同一の場合を含む。）で表わされるのが好ましい。

さらに、本発明の電極活物質は、前記有機化合物が、一般式

（ただし、式中、Ｒ_５〜Ｒ₁₀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種を示す。Ｒ_５〜Ｒ₁₀は同一の場合を含み、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。）で表わされるのが好ましい。

また、本発明に係る二次電池は、上記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。

また、本発明に係る二次電池は、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。

本発明の電極活物質によれば、シクロアルカンに結合したピラジン構造を構成単位中に含有する有機化合物を主体としているので、多電子反応が可能であり、しかも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。

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。

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。

次に、本発明の実施の形態を詳説する。

本発明の電極活物質は、シクロアルカンに結合したピラジン構造を構成単位中に含有する有機化合物を主体としている。そしてこれにより２電子以上の多電子反応が可能であり、しかも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。

シクロアルカンに結合したピラジン構造を有する有機化合物は、具体的には一般式（１）で表わすことができる。

ここで、Ｒ_１、Ｒ_２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、Ｒ_１及びＲ_２は同一の場合を含み、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。ｎは１〜５０の整数である。

尚、ｎを１〜５０としたのは、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からである。

また、シクロアルカンに結合したピラジン構造を有する前記有機化合物としては、下記一般式（２）に示すような環状オン構造（モノオン、ジオン及びその誘導体を含む。）を有する有機化合物を挙げることもできる。

ここで、Ｒ_３、Ｒ_４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、Ｒ_３及びＲ_４同一の場合を含む。Ｘ_１はＣＨ_２、ＣＦ_２、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｎ−Ｒ’、Ｐ−Ｒ’、及びＡｓ−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、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、Ｒ_３、Ｒ_４及びＸ_１は、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。ｐ、ｑは１〜５０の整数であり、同一の場合を含む。

尚、ｐ、ｑを１〜５０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、上述した一般式（１）の範疇に含まれる有機化合物の中でも、シクロアルカンがシクロヘキサンで形成される下記一般式（３）に示す有機化合物が特に好ましい。

ここで、Ｒ_５〜Ｒ₁₀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種を示す。Ｒ_５〜Ｒ₁₀は同一の場合を含み、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。

上記一般式（１）〜（３）で列挙した各置換基Ｒ_１〜Ｒ₁₀は、それぞれの範疇に属するものであれば限定されるものではないが、分子量が大きくなると活物質単位質量あたりに蓄積できる電荷量が小さくなるので、分子量が２５０程度までの範囲で選択するのが好ましい。

そして、一般式（３）の範疇に属する有機化合物としては、例えば化学式（４Ａ）〜（４Ｎ）に示す有機化合物を挙げることができる。

また、上記一般式（１）で表わされる有機化合物としては、一般式（３）で表わされる有機化合物以外に、シクロアルカンがシクロブタンで形成された化学式（５Ａ）に示す有機化合物、シクロアルカンがシクロオクタンで形成された化学式（５Ｂ）に示す有機化合物を挙げることができる。

さらに、一般式（２）で表わされる環状オン構造を有する有機化合物としては、シクロアルカンがシクロペンタンで形成された化学式（６Ａ）〜（６Ｃ）に示す有機化合物、シクロアルカンがシクロヘプタンで形成された化学式（７Ａ）〜（７Ｃ）に示す有機化合物、シクロアルカンがシクロヘキサンで形成された化学式（８Ａ）〜（８Ｃ）に示す有機化合物を挙げることができる。

上記電極活物質は、電気化学的な還元反応により、ポリアニオンを生成する。化学反応式（９）は、電極活物質として化学式（４Ａ）で示されるトリキノキサリニレンを使用した場合に予想される充放電反応の一例を示している。

このようにトリキノキサリニレン（II）の一分子が６個の電子と反応して（Ｉ）で示すポリアニオンを生成すると考えられることから、一電子反応の場合に比べ容量密度を飛躍的に大きくすることができる。

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、シクロヘキサン等のシクロアルカンに結合したピラジン構造以外の部分が大きくなると、単位質量あたりに蓄電される容量、すなわち容量密度が小さくなる。したがって、上述したように置換基の分子量は、２５０程度までの範囲で選択するのが好ましい。シクロアルカンに結合したピラジン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。

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。

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。

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。

次に、上記二次電池の製造方法の一例を詳述する。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

ここで、電解質塩としては、例えば、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３、ＬｉＣ_２Ｆ_５ＳＯ_３、Ｌｉ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２Ｎ、Ｌｉ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２Ｎ、ＬｉＣ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_３、ＬｉＣ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_３等を使用することができる。

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。

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。

二次電池の電極活物質は、充放電により可逆的に酸化又は還元されるため、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、状態を有するが、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。

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。

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（４Ａ）〜（４Ｎ）、（５Ａ）、（５Ｂ）、（６Ａ）〜（６Ｃ）、（７Ａ）〜（７Ｃ）、（８Ａ）〜（８Ｃ）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、少なくともシクロアルカンに結合したピラジン構造を構成単位中に含有していれば、化学反応式（９）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。

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。

また、本実施の形態では、シクロアルカンに結合したピラジン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。

次に、本発明の実施例を具体的に説明する。

〔有機化合物の合成〕
下記の合成スキーム（Ａ）に従い、トリキノキサリニレン（４Ａ）を合成した。

すなわち、ヘキサケトシクロヘキサン８水和物（Ａ_１）：２００ｍｇ(０．６mmol)、１，２−フェニレンジアミン（Ａ_２）：５２０ｍｇ(４．５mmol)を酢酸：４０ｍＬ中に溶解し、還流下２４時間反応させた。不溶分を濾別した後、濾液に水：５０ｍＬ、クロロホルム：５０ｍＬを加え分液した。有機層を濃縮し残渣をシリカゲルカラムクロマトグラフィー（溶出液クロロホルム）にて精製し、淡黄色の固体であるトリキノキサリニレン（４Ａ）：２００ｍｇを得た。

〔二次電池の作製〕
上述のようにして合成されたトリキノキサリニレン：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。

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、トリキノキサリニレンを主体とする正極（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_６（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。

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。

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、正極活物質としてトリキノキサリニレン、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。

〔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２．４Ｖ及び１．５Ｖの２箇所で電圧平坦部を有し、放電容量が０．４ｍＡｈ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、４２０Ａｈ／ｋｇであった。

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。

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。

トリキノキサリニレンの分子量は３８４．４であるから、電池電極反応に関与する電子数Ｚを６とすると、数式（１）より理論容量密度は４１８Ａｈ／ｋｇとなる。すなわち、放電容量の実測値に基づいて得られた容量密度は、理論容量密度と略同一となり、したがって、トリキノキサリニレンは、一分子当たり６電子の授受が可能であることが確認された。

その後、上記二次電池について、４．０〜１．５Ｖ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。

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。

〔有機化合物の合成〕
下記の合成スキーム（Ｂ）に従い、トリフルオロトリキノキサリニレン（４Ｂ）を合成した。

ヘキサケトシクロヘキサン８水和物（４Ｂ_１）：２００ｍｇ(０．６mmol)、４−フルオロ−１，２−フェニレンジアミン（４Ｂ_２）：５６８ｍｇ(４．５mmol)を酢酸：４０ｍＬ中に溶解し、還流下２４時間反応させた。不溶分を濾別後、濾液に水：５０ｍＬ、クロロホルム：５０ｍＬを加え分液した。有機層を濃縮し残渣をシリカゲルカラムクロマトグラフィー（溶出液クロロホルム）にて精製し、黄土色の固体であるトリフルオロトリキノキサリニレン（４Ｂ）：１５０ｍｇを得た。

〔二次電池の作製〕
トリフルオロトリキノキサリニレン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。

〔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２．５Ｖ及び１．６Ｖの２箇所で電圧平坦部を有し、放電容量が０．３２ｍＡｈ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、２３０Ａｈ／ｋｇであった。

一方、トリフルオロトリキノキサリニレンの分子量は４３８．４であるから、電池電極反応に関与する電子数Ｚを６とすると、上記数式（１）より理論容量密度は３６６Ａｈ／ｋｇとなる。放電容量の実測値に基づいて得られた容量密度容量密度（＝２３０Ａｈ／ｋｇ）は、理論容量密度（＝３６６Ａｈ／ｋｇ）よりは小さいが、電子数Ｚを３とすると理論容量密度は１８３Ａｈ／ｋｇである。したがって、トリフルオロトリキノキサリニレンは一分子当たり、少なくとも３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。

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。

〔有機化合物の合成〕
下記の合成スキーム（Ｃ）に従い、トリクロロトリキノキサリニレン（４Ｃ）を合成した。

ヘキサケトシクロヘキサン８水和物（４Ｃ_１）：２００ｍｇ(０．６mmol)、４−クロロ−１，２−フェニレンジアミン（４Ｃ_２）：６４２ｍｇ(４．５mmol)を酢酸：４０ｍＬ中に溶解し、還流下２４時間反応させた。不溶分を濾別後、濾液に水：５０ｍＬ、クロロホルム：５０ｍＬを加え分液した。有機層を濃縮し残渣をシリカゲルカラムクロマトグラフィー（溶出液クロロホルム）にて精製し、黄土色の固体であるトリクロロトリキノキサリニレン（４Ｃ）：１８０ｍｇを得た。

〔二次電池の作製〕
トリクロロトリキノキサリニレン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。

〔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２．４Ｖ及び１．５Ｖの２箇所で電圧平坦部を有し、放電容量が０．４２ｍＡｈ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、３４３Ａｈ／ｋｇであった。

一方、トリクロロトリキノキサリニレンの分子量は４８７．７であるから、電池電極反応に関与する電子数Ｚを６とすると、上記数式（１）より理論容量密度は３３０Ａｈ／ｋｇとなる。すなわち、放電容量の実測値に基づいて得られた容量密度は、理論容量密度と略一致しており、トリクロロトリキノキサリニレンは、一分子当たり少なくとも６電子の授受が可能であることが確認された。

〔有機化合物の合成〕
下記の合成スキーム（Ｄ）に従い、トリブロモトリキノキサリニレン（４Ｄ）を合成した。

ヘキサケトシクロヘキサン８水和物（４Ｄ_１）：２００ｍｇ(０．６mmol)、４−ブロモ−１，２−フェニレンジアミン（４Ｄ_２）：８４１ｍｇ(４．５mmol)を酢酸：４０ｍＬ中に溶解し、還流下２４時間反応させた。不溶分を濾別後、濾液に水：５０ｍＬ、クロロホルム：５０ｍＬを加え分液した。有機層を濃縮し残渣をシリカゲルカラムクロマトグラフィー（溶出液クロロホルム）にて精製し、暗褐色の固体であるトリブロモトリキノキサリニレン（４Ｄ）：２３０ｍｇを得た。

〔二次電池の作製〕
トリブロモトリキノキサリニレン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。

〔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２．５Ｖ及び１．８Ｖの２箇所で電圧平坦部を有し、放電容量が０．３５ｍＡｈ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、２６０Ａｈ／ｋｇであった。

一方、トリブリモトリキノキサリニレンの分子量は６２１．１であるから、電池電極反応に関与する電子数Ｚを６とすると、上記数式（１）より理論容量密度は２５８Ａｈ／ｋｇとなる。すなわち、放電容量の実測値に基づいて得られた容量密度は、理論容量密度と略一致しており、トリブロモトリキノキサリニレンは、一分子当たり少なくとも６電子の授受が可能であることが確認された。

〔有機化合物の合成〕
下記の合成スキーム（Ｅ）に従い、トリメチルトリキノキサリニレン（４Ｈ）を合成した。

ヘキサケトシクロヘキサン８水和物（４Ｈ_１）：２００ｍｇ(０．６mmol)、４−メチル−１，２−フェニレンジアミン（４Ｈ_２）：５５０ｍｇ(４．５mmol)を酢酸：４０ｍＬ中に溶解し、還流下２４時間反応させた。不溶分を濾別後、濾液に水：５０ｍＬ、クロロホルム：５０ｍＬを加え分液した。有機層を濃縮し残渣をシリカゲルカラムクロマトグラフィー（溶出液クロロホルム）にて精製し、オレンジ色の固体であるトリメチルトリキノキサキニレン（４Ｈ）：１１０ｍｇを得た。

〔二次電池の作製〕
トリメチルトリキノキサリニレン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。

〔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２．５Ｖ、２．０Ｖ及び１．５Ｖの３箇所で電圧平坦部を有し、放電容量が０．２８ｍＡｈ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、２００Ａｈ／ｋｇであった。

一方、トリメチルトリキノキサリニレンの分子量は４２６．５であるから、電池電極反応に関与する電子数Ｚを６とすると、上記数式（１）より理論容量密度は３７５Ａｈ／ｋｇとなる。放電容量の実測値に基づいて得られた容量密度（＝２００Ａｈ／ｋｇ）は、理論容量密度（＝３７５Ａｈ／ｋｇ）よりは小さいが、電子数Ｚを３とすると理論容量密度は１８９Ａｈ／ｋｇである。したがって、トリメチルトリキノキサリニレンは一分子当たり、少なくとも３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。

〔有機化合物の合成〕
下記の合成スキーム（Ｆ）に従い、トリベンゾイルトリキノキサリニレン（４Ｊ）を合成した。

ヘキサケトシクロヘキサン８水和物（４Ｊ_１）：２００ｍｇ(０．６mmol)、３，４−ジアミノベンゾフェノン（４Ｊ_２）：９５５ｍｇ(４．５mmol)を酢酸：４０ｍＬ中に溶解し、還流下２４時間反応させた。不溶分を濾別後、濾液に水：５０ｍＬ、クロロホルム：５０ｍＬを加え分液した。有機層を濃縮し残渣をシリカゲルカラムクロマトグラフィー（溶出液クロロホルム）にて精製し、黄褐色の固体であるトリベンゾイルトリキノキサリニレン（４Ｊ）：２５０ｍｇを得た。

〔二次電池の作製〕
トリベンゾイルトリキノキサリニレン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。

〔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２．５Ｖ及び１．５Ｖの２箇所で電圧平坦部を有し、放電容量が０．２６ｍＡｈ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、２４０Ａｈ／ｋｇであった。

一方、トリベンゾイルトリキノキサリニレンの分子量は６９６．７であるから、電池電極反応に関与する電子数Ｚを６とすると、上記数式（１）より理論容量密度は２３１Ａｈ／ｋｇとなる。すなわち、放電容量の実測値に基づいて得られた容量密度は、理論容量密度と略一致しており、トリベンゾイルトリキノキサリニレンは、一分子当たり少なくとも６電子の授受が可能であることが確認された。

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。

４正極
６負極
９電解質

Claims

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、
シクロアルカンに結合したピラジン構造を構成単位中に含有する有機化合物を主体としていることを特徴とする電極活物質。
前記有機化合物は、一般式

（ただし、式中、Ｒ_１、Ｒ_２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、Ｒ_１及びＲ_２は同一の場合を含み、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。ｎは１〜５０の整数である。）
で表わされることを特徴とする請求項１記載の電極活物質。
前記有機化合物は、一般式

（ただし、式中、Ｒ_３、Ｒ_４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、Ｒ_３及びＲ_４は同一の場合を含む。Ｘ_１はＣＨ_２、ＣＦ_２、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｎ−Ｒ’、Ｐ−Ｒ’、及びＡｓ−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、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、Ｒ_３、Ｒ_４及びＸ_１は、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。ｐ、ｑは１〜５０の整数であり、同一の場合を含む。）
で表わされることを特徴とする請求項１記載の電極活物質。
前記有機化合物は、一般式

（ただし、式中、Ｒ_５〜Ｒ₁₀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種を示す。Ｒ_５〜Ｒ₁₀は同一の場合を含み、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。）
で表わされることを特徴とする請求項１記載の電極活物質。
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の電極活物質が、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ことを特徴とする二次電池。
正極、負極、及び電解質を有し、前記正極が、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の電極活物質を有していることを特徴とする二次電池。