JP2012221886A - Power storage device, and method for manufacturing negative electrode for power storage device - Google Patents

Power storage device, and method for manufacturing negative electrode for power storage device Download PDF

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Yusuke Sugiyama
佑介 杉山
Hideyuki Nakano
秀之 中野
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a new power storage device using anions as carriers.SOLUTION: A power storage device in accordance with an embodiment of the present invention comprises a positive electrode, a negative electrode containing a hardly-soluble nitrogen-containing organic material obtained by reducing the solubility of a nitrogen-containing organic polymer and doped with anions, and an ion conducting medium intervening between the positive electrode and the negative electrode and conducting anions, and is charged and discharged by migration of anions. The negative electrode is made from the nitrogen-containing organic polymer by the successive steps of heating a material containing the nitrogen-containing organic polymer to reduce the solubility, doping the nitrogen-containing organic polymer or a material derived from the nitrogen-containing organic polymer with anions, and forming the negative electrode on a collector by mixing the nitrogen-containing organic polymer or the material derived from the nitrogen-containing organic polymer and a binder. The heating may be performed at temperatures equal to or higher than 100°C and equal to or lower than 500°C to reduce the solubility.

Description

本発明は、蓄電デバイス及び蓄電デバイス用負極の製造方法に関する。   The present invention relates to a power storage device and a method for manufacturing a negative electrode for a power storage device.

従来、蓄電デバイスとしては、アニオンホスト材料を含む正極及び負極による収容が可能なアニオン電化キャリアを用いる二次電気化学セルであって、正極にCF、負極にLaなどの金属、アニオンとしてF-を用いるものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, as an electricity storage device, a secondary electrochemical cell using an anion charge carrier that can be accommodated by a positive electrode and a negative electrode containing an anion host material, CF as a positive electrode, a metal such as La as a negative electrode, and F as an anion. The one to be used has been proposed (see, for example, Patent Document 1).

特表2009−529222号公報Special table 2009-529222

しかしながら、上述の特許文献1の蓄電デバイスでは、正極にアニオン担持材料を使用し、負極には金属を用いる電池系であり、放電は負極で、充電は正極で化学反応が進行する電池系であるため、サイクル特性やレイト特性に問題が生じることがあり、新たな蓄電デバイスの開発が望まれていた。   However, in the electricity storage device of Patent Document 1 described above, an anion-supporting material is used for the positive electrode and a metal is used for the negative electrode, discharge is the negative electrode, and charging is a battery system in which a chemical reaction proceeds at the positive electrode. Therefore, problems may occur in cycle characteristics and rate characteristics, and the development of new power storage devices has been desired.

本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、アニオンをキャリアとして用いる新規の蓄電デバイス及び蓄電デバイス用負極の製造方法を提供することを主目的とする。   This invention is made | formed in view of such a subject, and it aims at providing the manufacturing method of the novel electrical storage device which uses an anion as a carrier, and the negative electrode for electrical storage devices.

上述した目的を達成するために鋭意研究したところ、本発明者らは、含窒素有機ポリマーを難溶化してアニオンをドープし負極に用いるものとすると、アニオンをキャリアとして充放電を行うことができることを見いだし、本発明を完成するに至った。   As a result of diligent research to achieve the above-described object, the present inventors can charge and discharge using an anion as a carrier when the nitrogen-containing organic polymer is made slightly soluble and an anion is doped and used for the negative electrode. As a result, the present invention has been completed.

即ち、本発明の蓄電デバイスは、正極と、アニオンがドープされ、含窒素有機ポリマーを難溶化した含窒素有機難溶化物を含む負極と、前記正極と前記負極との間に介在し前記アニオンを伝導するイオン伝導媒体と、を備え、前記アニオンの移動により充放電するものである。   That is, the electricity storage device of the present invention includes a positive electrode, a negative electrode containing a nitrogen-containing organic poorly soluble material doped with an anion and made the nitrogen-containing organic polymer hardly soluble, and the anion interposed between the positive electrode and the negative electrode. An ionic conductive medium that conducts and charges and discharges by movement of the anion.

本発明の蓄電デバイス用負極の製造方法は、含窒素有機ポリマーを原料とし、前記含窒素有機ポリマーを含む物質を加熱する難溶化処理としての加熱処理、前記含窒素有機ポリマー又は前記含窒素有機ポリマー由来の物質にアニオンをドープするドープ処理、前記含窒素有機ポリマー又は前記含窒素有機ポリマー由来の物質と結着材とを混合し集電体上に形成する形成処理、を所定の順に行い負極を作製する工程、を含むものである。   The method for producing a negative electrode for an electricity storage device according to the present invention comprises using a nitrogen-containing organic polymer as a raw material, a heat treatment as a sparing treatment for heating a substance containing the nitrogen-containing organic polymer, the nitrogen-containing organic polymer, or the nitrogen-containing organic polymer. A negative electrode is formed by performing a doping process of doping an anion to a substance derived from the material, a forming process of mixing the nitrogen-containing organic polymer or the substance derived from the nitrogen-containing organic polymer and a binder and forming the mixture on a current collector in a predetermined order. Manufacturing step.

本発明の蓄電デバイス及び蓄電デバイス用負極の製造方法は、アニオンをキャリアとして充放電することができる。このような効果が得られる理由は明らかではないが、以下のように推測される。例えば、正極に炭素材料、負極にポリアニリンを用いて含窒素有機難溶化物を作製した蓄電デバイスでは、負極反応は、次式(1)で表され、正極反応は、次式(2)で表すことができる。充電では、負極に担持されていたアニオンが正極へ移動し、放電では、正極に保持されたアニオンが再び負極へと移動する。このように、キャリアであるアニオンの移動が起こり、蓄電デバイスとして作用するものと推察される。そして、含窒素有機ポリマーが難溶化処理されているため、蓄電中に電解液への含窒素有機ポリマーの溶出が抑制され、蓄電性能を十分易発揮することができるものと推察される。   The method for producing an electricity storage device and an anode for an electricity storage device of the present invention can be charged and discharged using an anion as a carrier. The reason why such an effect is obtained is not clear, but is presumed as follows. For example, in a power storage device in which a carbon material is used for the positive electrode and polyaniline is used for the negative electrode to produce a nitrogen-containing organic poorly soluble product, the negative electrode reaction is represented by the following formula (1), and the positive electrode reaction is represented by the following formula (2). be able to. In charging, the anion supported on the negative electrode moves to the positive electrode, and in discharging, the anion held on the positive electrode moves again to the negative electrode. As described above, it is presumed that the anion as a carrier moves and acts as an electricity storage device. And since the nitrogen-containing organic polymer is hardly solubilized, elution of the nitrogen-containing organic polymer into the electrolytic solution during power storage is suppressed, and it is presumed that the power storage performance can be exhibited sufficiently easily.

本発明の蓄電デバイスの作動原理を示す模式図。The schematic diagram which shows the operation | movement principle of the electrical storage device of this invention. ポリアニリン及び加熱後の黒色粉末のIRスペクトル。IR spectrum of polyaniline and black powder after heating. アニオンドープ処理前後の加熱処理後のポリアニリンのIRスペクトル。IR spectrum of polyaniline after heat treatment before and after anion doping treatment. アニオンドープ後の含窒素有機難溶化物のEDX測定結果。The EDX measurement result of the nitrogen-containing organic poorly soluble material after anion doping. 実施例1の蓄電デバイスの充放電曲線。2 is a charge / discharge curve of the electricity storage device of Example 1. FIG. アニオンドープ後加熱処理前後でのポリアニリンのIRスペクトル。IR spectrum of polyaniline before and after heat treatment after anion doping. 実施例2の蓄電デバイスの充放電曲線Charging / discharging curve of the electricity storage device of Example 2 上限電位4.2Vでの30サイクルでの電池容量と充放電効率の経時変化。Changes over time in battery capacity and charge / discharge efficiency in 30 cycles at an upper limit potential of 4.2 V. 負極合材の加熱処理前後でのIRスペクトル。IR spectra before and after heat treatment of the negative electrode mixture. 実施例3の蓄電デバイスの充放電曲線。10 is a charge / discharge curve of the electricity storage device of Example 3. 実施例1〜3の各試料の作製スキーム。The production scheme of each sample of Examples 1-3. 実施例1〜3の各試料のB,N,Fに対するXPS測定結果。The XPS measurement result with respect to B, N, and F of each sample of Examples 1-3.

本発明の蓄電デバイスは、正極と、アニオンがドープされ、含窒素有機ポリマーを難溶化した含窒素有機難溶化物を含む負極と、正極と負極との間に介在しアニオンを伝導するイオン伝導媒体と、を備え、アニオンの移動により充放電するものである。図1は、本発明の蓄電デバイスの作動原理を示す模式図である。図1では、正極には炭素材料を用い、カチオンをA、アニオンをBとして表記した。この蓄電デバイスでは、放電時には負極にアニオンを吸蔵し、充電時には負極からアニオンを放出するものである。具体的には、例えば、放電時には含窒素有機難溶化物の窒素の部位にアニオンが結合して負極活物質が酸化され、充電時には含窒素有機難溶化物窒素の部位からアニオンが脱離して負極活物質が還元されると考えられる。このとき、リザーブ型の反応を生じたり、電気二重層による静電容量を生じていてもよい。この蓄電デバイスでは、放電時には正極からアニオンを放出し、充電時には正極にアニオンを吸蔵すると考えられる。   The electricity storage device of the present invention includes a positive electrode, a negative electrode containing a nitrogen-containing organic poorly soluble material doped with an anion and made a nitrogen-containing organic polymer slightly soluble, and an ion conductive medium that is interposed between the positive electrode and the negative electrode to conduct the anion. And charging and discharging by movement of anions. FIG. 1 is a schematic view showing the operating principle of the electricity storage device of the present invention. In FIG. 1, a carbon material is used for the positive electrode, and the cation is represented as A and the anion is represented as B. In this electricity storage device, anions are occluded in the negative electrode during discharging, and anions are released from the negative electrode during charging. Specifically, for example, an anion binds to the nitrogen site of the nitrogen-containing organic poorly soluble product during discharge and the negative electrode active material is oxidized, and during charging, the anion is desorbed from the nitrogen-containing organic poorly soluble product nitrogen site and the negative electrode It is thought that the active material is reduced. At this time, a reserve-type reaction may be generated, or a capacitance due to the electric double layer may be generated. In this electricity storage device, it is considered that anions are released from the positive electrode during discharging and occluded in the positive electrode during charging.

本発明の蓄電デバイスにおいて、正極は、例えば正極活物質と導電材と結着材とを混合し、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。正極活物質は、アニオンを吸蔵放出可能なものであれば特に限定されず、例えば、炭素材料や金属酸化物などが挙げられる。炭素材料としては、黒鉛、カーボンブラック、活性炭などが挙げられ、黒鉛を主成分とするものであることが好ましい。ここで、「黒鉛を主成分とする」とは、黒鉛を50%以上、好ましくは90%以上、より好ましくは95%以上含むものとすることができる。このようなものであれば、非晶質炭素を含んでいてもよいし、その他の活物質を含んでいてもよい。黒鉛としては、天然黒鉛(鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛)や人造黒鉛などが挙げられるが、人造黒鉛であれば、蓄電デバイスの電位をより高めることができ、エネルギー密度を高めることができる点で好ましい。更に、アルカリ賦活した人造黒鉛を用いると、黒鉛の層間が広がりイオンの出入りが容易となり出力特性が向上するため、好ましい。具体的には、NaやKなどのアルカリを黒鉛に添加し、不活性雰囲気中、600℃〜1000℃の高温で処理することにより、アルカリ賦活することができる。正極活物質として炭素材料を用いれば、アニオンを可逆的に吸蔵放出しやすく、好ましい。   In the electricity storage device of the present invention, the positive electrode is prepared by, for example, mixing a positive electrode active material, a conductive material, and a binder, and adding a suitable solvent to form a paste-like positive electrode material on the surface of the current collector. However, it may be compressed to increase the electrode density as necessary. The positive electrode active material is not particularly limited as long as it can occlude and release anions, and examples thereof include carbon materials and metal oxides. Examples of the carbon material include graphite, carbon black, activated carbon, and the like, and those containing graphite as a main component are preferable. Here, “having graphite as a main component” means that graphite is contained in an amount of 50% or more, preferably 90% or more, more preferably 95% or more. If it is such, it may contain amorphous carbon and may contain other active materials. Examples of graphite include natural graphite (scale-like graphite, scale-like graphite), artificial graphite, and the like, but artificial graphite is preferable in that the potential of the electricity storage device can be further increased and the energy density can be increased. . Furthermore, it is preferable to use artificial graphite activated with alkali, since the interlayer of graphite expands and ions easily enter and exit, and output characteristics are improved. Specifically, alkali activation can be performed by adding an alkali such as Na or K to graphite and treating the graphite at a high temperature of 600 ° C. to 1000 ° C. in an inert atmosphere. Use of a carbon material as the positive electrode active material is preferable because it easily absorbs and releases anions reversibly.

導電材は、電極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。結着材は、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。活物質、導電材、結着材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。正極の集電体としては、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼、ニッケル、鉄、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラスなどのほか、接着性、導電性及び耐酸化性向上の目的で、アルミニウムや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を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。集電体の厚さは、例えば1〜500μmのものが用いられる。   The conductive material is not particularly limited as long as it is an electron conductive material that does not adversely affect the electrode performance. A mixture of one or more of 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 serves to bind 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, 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. Examples of the solvent for dispersing the 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-dimethylaminopropylamine. Organic solvents such as 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. Current collectors of the positive electrode include aluminum, titanium, stainless steel, nickel, iron, calcined carbon, conductive polymer, conductive glass, etc., as well as aluminum and titanium for the purpose of improving adhesion, conductivity and oxidation resistance. What processed the surface of copper etc. with carbon, nickel, titanium, silver, etc. can be used. For these, the surface can be oxidized. Examples of the shape of the current collector include foil, film, sheet, net, punched or expanded, lath, porous, foam, and formed fiber group. The thickness of the current collector is, for example, 1 to 500 μm.

本発明の蓄電デバイスにおいて、負極は、例えば負極活物質と導電材と結着材とを混合し、適当な溶剤を加えてペースト状の電極合材としたものを、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。負極活物質は、アニオンがドープされ、含窒素有機ポリマーを難溶化した含窒素有機難溶化物を含む。含窒素有機ポリマーは、窒素を材料内に含むポリマーであれば特に限定されず、例えば、ポリアニリン、ポリピロール、ポリピリジン、ポリエチレンイミンなどが挙げられ、このうち取り扱いやすさやアニオンの吸蔵密度の観点から、ポリアニリンが好ましい。有機ポリマーの分子量は、特に限定されないが2000以上100000以下の範囲であることが好ましい。ドープされたアニオンの種類は、特に限定されず、例えば、ハロゲン、カルコゲン、テトラフルオロホウ酸、ヘキサフルオロリン酸、トリフルオロメタンスルホン酸、ビス(トリフルオロメタンスルホン酸)イミドなどが挙げられ、このうち、充放電時の移動性の観点からテトラフルオロホウ酸(BF4 -)がより好ましい。難溶化の手法は、溶媒への含窒素有機ポリマーの溶解性を低下させることができれば特に限定されず、例えば、ポリマーの加熱処理による熱分解や架橋剤による縮合などが挙げられ、このうち加熱処理がより好ましい。電極は乾燥など加熱工程を経ることがあるため、この工程と共通の処理として行うことができる。この加熱処理は、例えば、100℃以上500℃以下の温度範囲で行うものとしてもよい。 In the electricity storage device of the present invention, the negative electrode is, for example, a mixture of a negative electrode active material, a conductive material, and a binder, and an appropriate solvent is added to form a paste electrode mixture on the surface of the current collector. It may be dried and compressed to increase the electrode density as necessary. The negative electrode active material includes a nitrogen-containing organic hardly-solubilized material that is doped with an anion and hardly dissolves the nitrogen-containing organic polymer. The nitrogen-containing organic polymer is not particularly limited as long as it contains nitrogen in the material, and examples thereof include polyaniline, polypyrrole, polypyridine, polyethyleneimine, and the like. Is preferred. The molecular weight of the organic polymer is not particularly limited, but is preferably in the range of 2,000 to 100,000. The kind of the doped anion is not particularly limited, and examples thereof include halogen, chalcogen, tetrafluoroboric acid, hexafluorophosphoric acid, trifluoromethanesulfonic acid, bis (trifluoromethanesulfonic acid) imide, etc. From the viewpoint of mobility during charging and discharging, tetrafluoroboric acid (BF 4 ) is more preferable. The sparingly soluble method is not particularly limited as long as the solubility of the nitrogen-containing organic polymer in the solvent can be reduced. Examples thereof include thermal decomposition by heat treatment of the polymer and condensation by a crosslinking agent. Is more preferable. Since the electrode may be subjected to a heating process such as drying, it can be performed as a process common to this process. This heat treatment may be performed in a temperature range of 100 ° C. or more and 500 ° C. or less, for example.

負極に用いられる導電材、結着材、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。   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.

本発明の蓄電デバイスのイオン伝導媒体としては、アニオンを伝導可能なものを用いることができ、支持塩を含む非水系電解液や非水系ゲル電解液などを用いることができる。る。このイオン伝導媒体は、イオン液体やカーボネート系などの有機溶媒を含むものとしてもよく、負極活物質に含まれる含窒素有機難溶化物にドープされたものと同種のアニオンを含むものが好ましい。カーボネート系の有機溶媒を含むものとすれば、低温での凍結などを防止し、低温での出力特性などの低温特性をより良好にすることができる。また、カーボネート系の有機溶媒を添加すれば、粘度を低下させて出力特性を良好にすることができる。有機溶媒としては、例えば、エチレンカーボネートやプロピレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ブチレンカーボネート、クロロエチレンカーボネートなどの環状カーボネート類や、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチル−n−ブチルカーボネート、メチル−t−ブチルカーボネート、ジ−i−プロピルカーボネート、t−ブチル−i−プロピルカーボネートなどの鎖状カーボネート類、γ−ブチルラクトン、γ−バレロラクトンなどの環状エステル類、ギ酸メチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酪酸メチルなどの鎖状エステル類、ジメトキシエタン、エトキシメトキシエタン、ジエトキシエタンなどのエーテル類、アセトニトリル、ベンゾニトリルなどのニトリル類、テトラヒドロフラン、メチルテトラヒドロフラン、などのフラン類、スルホラン、テトラメチルスルホランなどのスルホラン類、1,3−ジオキソラン、メチルジオキソランなどのジオキソラン類などが挙げられる。このうち、環状カーボネート類と鎖状カーボネート類との組み合わせが好ましい。   As the ionic conduction medium of the electricity storage device of the present invention, those capable of conducting anions can be used, and non-aqueous electrolytes and non-aqueous gel electrolytes containing a supporting salt can be used. The This ion conductive medium may contain an organic solvent such as an ionic liquid or a carbonate, and preferably contains an anion of the same kind as that doped with a nitrogen-containing organic poorly soluble material contained in the negative electrode active material. If a carbonate-based organic solvent is included, freezing at a low temperature can be prevented, and low-temperature characteristics such as output characteristics at a low temperature can be improved. In addition, if a carbonate-based organic solvent is added, the viscosity can be reduced to improve the output characteristics. Examples of the organic solvent include cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, vinylene carbonate, butylene carbonate, and chloroethylene carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl-n-butyl carbonate, and methyl-t-. Chain carbonates such as butyl carbonate, di-i-propyl carbonate, t-butyl-i-propyl carbonate, cyclic esters such as γ-butyllactone and γ-valerolactone, methyl formate, methyl acetate, ethyl acetate, butyric acid Chain esters such as methyl, ethers such as dimethoxyethane, ethoxymethoxyethane and diethoxyethane, nitriles such as acetonitrile and benzonitrile, tetrahydrofuran, Examples include furans such as methyltetrahydrofuran, sulfolanes such as sulfolane and tetramethylsulfolane, and dioxolanes such as 1,3-dioxolane and methyldioxolane. Among these, the combination of cyclic carbonates and chain carbonates is preferable.

イオン液体は、常温で溶融しているカチオンとアニオンとの塩であるが、カチオンとしては、イミダゾリウム、アンモニウム、コリン、ピリジニウム、ピペリジニウムなどが挙げられる。イミダゾリウムとしては、1−(ヒドロキシエチル)−3−メチルイミダゾリウム、1−メチル−3−オクチルイミダゾリウム等が挙げられ、アンモニウムとしては、N,N−ジメチルアンモニウム、テトラブチルアンモニウム等が挙げられ、ピリジニウムとしては、1−ブチル−3−メチルピリジニウムや1−ブチルピリジニウム等が挙げられ、ピペリジニウムとしては、1−エチル−1−メチルピペリジニウム等が挙げられる。また、アニオンとしては、TFSI-やBETI-等のイミドアニオンのほか、BF4 -、ClO4 -、PF6 -、Br-、Cl-、F-等の無機アニオンが挙げられる。このうち、アニオンをテトラフルオロボレートとすれば、蓄電デバイスをより軽量化することができる。また、アニオンをTFSI-とすれば充放電特性をより高めることができる。アニオンをBF4 -とするものとしては、具体的には、ジエチルメチル(2メトキシエチル)アンモニウム・BF4などが挙げられる。アニオンをTFSIとするものとしては、具体的には、N−メチル−N−プロピルピペリジニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(略称:PP13TFSI)、1−エチル−3−メチル−イミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(略称:EMITFSI)、N,N,N−トリメチル−N−プロピルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(略称:TMPATFSI)、N,N−ジエチル−N−メチル−N−(2−メトキシエチル)アンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドなどが挙げられる。このうち、PP13TFSIが好ましい。イオン液体と有機溶媒とを混合して用いる場合、イオン液体の濃度は、0.5M以上2.0M以下が望ましい。 The ionic liquid is a salt of a cation and an anion melted at room temperature, and examples of the cation include imidazolium, ammonium, choline, pyridinium, piperidinium and the like. Examples of imidazolium include 1- (hydroxyethyl) -3-methylimidazolium and 1-methyl-3-octylimidazolium, and examples of ammonium include N, N-dimethylammonium and tetrabutylammonium. Examples of pyridinium include 1-butyl-3-methylpyridinium and 1-butylpyridinium, and examples of piperidinium include 1-ethyl-1-methylpiperidinium. As the anion, TFSI - and BETI - other imide anion, such as, BF 4 -, ClO 4 - , PF 6 -, Br -, Cl -, F - inorganic anions and the like. Among these, if the anion is tetrafluoroborate, the power storage device can be further reduced in weight. If the anion is TFSI , the charge / discharge characteristics can be further enhanced. Specific examples of the anion as BF 4 include diethylmethyl (2 methoxyethyl) ammonium and BF 4 . Specific examples of the anion used as TFSI include N-methyl-N-propylpiperidinium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (abbreviation: PP13TFSI), 1-ethyl-3-methyl-imidazolium bis (trifluoro) (Romethanesulfonyl) imide (abbreviation: EMITFSI), N, N, N-trimethyl-N-propylammonium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (abbreviation: TMPATFSI), N, N-diethyl-N-methyl-N- (2- And methoxyethyl) ammonium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide. Of these, PP13TFSI is preferred. When the ionic liquid and the organic solvent are mixed and used, the concentration of the ionic liquid is preferably 0.5 M or more and 2.0 M or less.

本発明の蓄電デバイスに含まれている支持塩は、例えば、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiN(CF3SO22、LiC(CF3SO23、LiSbF6、LiSiF6、LiAlF4、LiSCN、LiClO4、LiCl、LiF、LiBr、LiI、LiAlCl4などが挙げられる。このうち、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiClO4などの無機塩、及びLiCF3SO3、LiN(CF3SO22、LiC(CF3SO23などの有機塩からなる群より選ばれる1種又は2種以上の塩を組み合わせて用いることが電気特性の点から見て好ましい。この電解質塩は、非水電解液中の濃度が0.1mol/L以上5mol/L以下であることが好ましく、0.5mol/L以上2mol/L以下であることがより好ましい。電解質塩の濃度が0.1mol/L以上では、十分な電流密度を得ることができ、5mol/L以下では、電解液をより安定させることができる。また、この非水電解液には、リン系、ハロゲン系などの難燃剤を添加してもよい。 The supporting salt contained in the electricity storage device of the present invention is, for example, LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3 , LiSbF 6. , LiSiF 6 , LiAlF 4 , LiSCN, LiClO 4 , LiCl, LiF, LiBr, LiI, LiAlCl 4 and the like. Among these, from the group consisting of inorganic salts such as LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiClO 4 , and organic salts such as LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3. It is preferable from the viewpoint of electrical characteristics to use a combination of one or two or more selected salts. This electrolyte salt preferably has a concentration in the non-aqueous electrolyte of 0.1 mol / L or more and 5 mol / L or less, and more preferably 0.5 mol / L or more and 2 mol / L or less. When the concentration of the electrolyte salt is 0.1 mol / L or more, a sufficient current density can be obtained, and when the concentration is 5 mol / L or less, the electrolytic solution can be made more stable. Moreover, you may add flame retardants, such as a phosphorus type and a halogen type, to this non-aqueous electrolyte.

本発明の蓄電デバイスは、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、蓄電デバイスの使用範囲に耐えうる組成であれば特に限定されないが、例えば、ガラス繊維製のガラスフィルタや、ポリプロピレン製不織布、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薄い微多孔膜が挙げられる。このうち、ガラスフィルタであれば、例えばBF4
のイオン液体などの電解液との濡れ性が良好であり、アニオンの移動を円滑にすることができる。これらは単独で用いてもよいし、複数を混合して用いてもよい。
The electricity storage device of the present invention may include a separator between the negative electrode and the positive electrode. The separator is not particularly limited as long as it is a composition that can withstand the use range of the electricity storage device. For example, glass fiber glass filters, polypropylene nonwoven fabrics, polymer nonwoven fabrics such as polyphenylene sulfide nonwoven fabrics, polyethylene and polypropylene, etc. A thin microporous film of an olefin resin can be mentioned. Among these, a glass filter has good wettability with an electrolytic solution such as a BF 4 -based ionic liquid, and can smoothly move the anion. These may be used alone or in combination.

本発明の蓄電デバイスの形状は、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 electricity storage device 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 etc. which are used for an electric vehicle etc.

次にこの蓄電デバイスの製造方法について説明する。この蓄電デバイスの負極は、含窒素有機ポリマーを原料とし、含窒素有機ポリマーを含む物質を加熱する難溶化処理としての加熱処理、含窒素有機ポリマー又は含窒素有機ポリマー由来の物質にアニオンをドープするドープ処理、含窒素有機ポリマー又は含窒素有機ポリマー由来の物質と結着材とを混合し集電体上に形成する形成処理、を所定の順に行い作製する負極作製工程を含む。   Next, a method for manufacturing the electricity storage device will be described. The negative electrode of this electricity storage device uses a nitrogen-containing organic polymer as a raw material, and heat treatment as a sparing treatment for heating a substance containing a nitrogen-containing organic polymer, a nitrogen-containing organic polymer or a substance derived from a nitrogen-containing organic polymer is doped with an anion A negative electrode manufacturing step in which a doping process, a forming process in which a nitrogen-containing organic polymer or a substance derived from a nitrogen-containing organic polymer and a binder are mixed and formed on a current collector are performed in a predetermined order.

例えば、負極作製工程では、含窒素有機ポリマーにアニオンをドープするドープ処理を行い、次にアニオンをドープした含窒素有機ポリマーと結着材とを混合し集電体上に形成する形成処理を行ったのち、集電体上に形成された含窒素有機ポリマーを含む物質を加熱する加熱処理を行うものとしてもよい。こうすれば、集電体上に電極合材を形成したのちに加熱工程を行うため、乾燥工程と兼ねた加熱工程とすることができる。用いる含窒素有機ポリマーは、例えばポリアニリン、ポリピロール、ポリピリジン、ポリエチレンイミンなどが挙げられ、このうちポリアニリンを用いることが好ましい。また、ドープするアニオンとしては、ハロゲン、カルコゲン、テトラフルオロホウ酸、ヘキサフルオロリン酸、トリフルオロメタンスルホン酸、ビス(トリフルオロメタンスルホン酸)イミドなどが挙げられ、このうちテトラフルオロホウ酸がより好ましい。ドープ処理では、例えば、含窒素有機ポリマーを有機溶媒に分散させ、アニオン成分を含む化合物を加え、攪拌することにより行うことができる。有機溶媒としては、例えば、アセトンやアルコール、ジエチルエーテルなどが挙げられる。アニオン成分を含む化合物としては、例えば、テトラフルオロホウ酸ジエチルエーテル錯体などが挙げられる。形成工程では、例えば、アニオンドープ後の含窒素有機ポリマーと導電材と結着材とを混合し、適当な溶剤を加えてペースト状の電極合材としたものを、集電体の表面に形成するものとしてもよい。なお、導電材、結着材、溶剤、集電体は、蓄電デバイスで説明したものを適宜用いることができる。加熱処理では、含窒素有機ポリマーが熱分解する温度で、且つ電極合材に含まれる材料の耐熱性を考慮した温度範囲で行うことが望ましい。例えば、100℃以上180℃以下の範囲で行うことが好ましく、120℃以上160℃以下の範囲がより好ましい。加熱雰囲気は、例えば、大気中としてもよいし、希ガスや窒素ガス中など不活性雰囲気中としてもよい。こうすれば、難溶化処理を施したアニオンをドープした含窒素有機難溶化物を含む負極を作製することができる。また、加熱処理の温度範囲がより低く、好ましい。更に、充放電効率や充放電容量をより高めることができる。   For example, in the negative electrode preparation process, a nitrogen-containing organic polymer is doped with an anion, and then an anion-doped nitrogen-containing organic polymer and a binder are mixed and formed on the current collector. After that, heat treatment may be performed in which a substance containing a nitrogen-containing organic polymer formed on the current collector is heated. If it carries out like this, since a heating process is performed after forming an electrode compound material on a collector, it can be set as the heating process which served as the drying process. Examples of the nitrogen-containing organic polymer to be used include polyaniline, polypyrrole, polypyridine, polyethyleneimine, etc. Among them, polyaniline is preferably used. Examples of the anion to be doped include halogen, chalcogen, tetrafluoroboric acid, hexafluorophosphoric acid, trifluoromethanesulfonic acid, bis (trifluoromethanesulfonic acid) imide, etc. Among them, tetrafluoroboric acid is more preferable. The dope treatment can be performed, for example, by dispersing a nitrogen-containing organic polymer in an organic solvent, adding a compound containing an anionic component, and stirring. Examples of the organic solvent include acetone, alcohol, diethyl ether, and the like. Examples of the compound containing an anionic component include tetrafluoroboric acid diethyl ether complex. In the formation process, for example, a nitrogen-containing organic polymer after anion doping, a conductive material, and a binder are mixed, and an appropriate solvent is added to form a paste-like electrode mixture on the surface of the current collector It is good also as what to do. Note that as the conductive material, the binder, the solvent, and the current collector, those described for the electricity storage device can be used as appropriate. The heat treatment is desirably performed at a temperature at which the nitrogen-containing organic polymer is thermally decomposed and in a temperature range in consideration of the heat resistance of the material included in the electrode mixture. For example, it is preferably performed in the range of 100 ° C. or higher and 180 ° C. or lower, and more preferably in the range of 120 ° C. or higher and 160 ° C. or lower. The heating atmosphere may be, for example, air or an inert atmosphere such as a rare gas or nitrogen gas. If it carries out like this, the negative electrode containing the nitrogen-containing organic poorly soluble material which doped the anion which performed the poorly soluble process can be produced. Moreover, the temperature range of heat processing is lower and preferable. Furthermore, charge / discharge efficiency and charge / discharge capacity can be further increased.

あるいは、負極作製工程では、含窒素有機ポリマーにアニオンをドープするドープ処理を行い、次に、アニオンをドープした含窒素有機ポリマーを加熱する加熱処理を行ったのち、加熱処理した含窒素有機ポリマー由来の物質と結着材とを混合し集電体上に形成する形成処理を行うものとしてもよい。このとき、加熱処理では、含窒素有機ポリマーが熱分解する温度で、且つドープされたアニオンの耐熱温度を考慮した温度範囲で行うことが望ましい。例えば、100℃以上250℃以下の範囲で行うことが好ましく、150℃以上200℃以下の範囲で行うことがより好ましい。こうしても、難溶化処理を施したアニオンをドープした含窒素有機難溶化物を含む負極を作製することができる。なお、その他のドープ処理、形成処理などは、上述した方法を採用してもよい。   Alternatively, in the negative electrode preparation step, the nitrogen-containing organic polymer is doped with anions, then the anion-doped nitrogen-containing organic polymer is heated, and then the heat-treated nitrogen-containing organic polymer is derived. It is good also as what performs the formation process which mixes the substance and binder, and forms on a collector. At this time, the heat treatment is desirably performed at a temperature at which the nitrogen-containing organic polymer is thermally decomposed and in a temperature range in consideration of the heat resistant temperature of the doped anion. For example, it is preferably performed in the range of 100 ° C. or higher and 250 ° C. or lower, and more preferably performed in the range of 150 ° C. or higher and 200 ° C. or lower. Even in this case, a negative electrode containing a nitrogen-containing organic hardly soluble material doped with an anion subjected to poorly soluble treatment can be produced. In addition, you may employ | adopt the method mentioned above for other dope processing, formation processing, etc.

あるいは、負極作製工程では、含窒素有機ポリマーを原料とし含窒素有機ポリマーを含む物質を加熱する加熱処理を行い、加熱した含窒素有機ポリマー由来の物質にアニオンをドープするドープ処理を行ったのち、アニオンをドープした含窒素有機ポリマー由来の物質と結着材とを混合し集電体上に形成する形成処理を行うものとしてもよい。このとき、加熱処理では、含窒素有機ポリマーが熱分解する温度で、且つ含窒素有機ポリマーの構造が破壊されない温度範囲で行うことが望ましい。例えば、100℃以上500℃以下の範囲で行うことが好ましく、250℃以上350℃以下の範囲で行うことがより好ましい。こうしても、難溶化処理を施したアニオンをドープした含窒素有機難溶化物を含む負極を作製することができる。なお、その他のドープ処理、形成処理などは、上述した方法を採用してもよい。   Alternatively, in the negative electrode preparation step, a heat treatment is performed by heating a substance containing a nitrogen-containing organic polymer using a nitrogen-containing organic polymer as a raw material, and after performing a doping treatment in which a substance derived from the heated nitrogen-containing organic polymer is doped with an anion, It is good also as what performs the formation process which mixes the substance derived from the nitrogen-containing organic polymer which doped the anion, and a binder, and forms on a collector. At this time, the heat treatment is desirably performed at a temperature at which the nitrogen-containing organic polymer is thermally decomposed and at a temperature range in which the structure of the nitrogen-containing organic polymer is not destroyed. For example, it is preferably performed in the range of 100 ° C. or more and 500 ° C. or less, and more preferably in the range of 250 ° C. or more and 350 ° C. or less. Even in this case, a negative electrode containing a nitrogen-containing organic hardly soluble material doped with an anion subjected to poorly soluble treatment can be produced. In addition, you may employ | adopt the method mentioned above for other dope processing, formation processing, etc.

以上詳述した本実施形態の蓄電デバイスでは、アニオンがドープされ、含窒素有機ポリマーを難溶化した含窒素有機難溶化物を負極に含んでおり、アニオンの移動により充放電することができる。また、本発明の蓄電デバイスでは、アニオンをキャリアとして用いる蓄電デバイスであるため、例えばLiイオン電池などに比して、過負荷によるショートなどの発生を著しく低くすることができる。また、蓄電系はキャパシタ的な挙動でアニオンの出し入れを行うため、高出力が期待される。容量は含窒素有機ポリマーにドープする量や用いるアニオンによって変化させることも容易に可能であり、高容量蓄電デバイスの構築も可能である。また構成される電極はいずれも大気中で安定であるため、その製造過程も非常に容易である。   In the electricity storage device of the present embodiment described in detail above, an anion is doped, and the nitrogen-containing organic poorly soluble product in which the nitrogen-containing organic polymer is hardly soluble is contained in the negative electrode, and can be charged and discharged by the movement of the anion. In addition, since the electricity storage device of the present invention is an electricity storage device using anions as carriers, the occurrence of a short circuit due to overload can be significantly reduced as compared with, for example, a Li ion battery. In addition, the power storage system is expected to have high output because it takes in and out anions in a capacitor-like manner. The capacity can be easily changed depending on the amount doped in the nitrogen-containing organic polymer and the anion used, and a high-capacity electricity storage device can also be constructed. Moreover, since all the electrodes comprised are stable in air | atmosphere, the manufacturing process is also very easy.

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、本発明の蓄電デバイス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 electrical storage device of this invention concretely is demonstrated as an Example.

[実施例1]
ポリアニリン(平均分子量20000)を300℃、1時間、加熱処理を行うことで黒色粉末を得た。この黒色粉末はほとんどの溶媒に難分散であった(含窒素有機難溶化物)。図2は、ポリアニリン及び加熱後の黒色粉末のIRスペクトルである。図2は、加熱処理前のポリアニリン(上段)と300℃加熱処理後のポリアニリン(下段)のIRスペクトルである。IRスペクトルは、IR測定装置(ニコレー社製Magna760型フーリエ赤外分光計)を用いてKBr法で行った。図2に示すIRスペクトルから、完全な炭化は起こらず、元のポリアニリンの部分構造を保持していることが示唆された。次に、この加熱処理ポリアニリン100mgにアセトン中で、テトラフルオロホウ酸ジエチルエーテル錯体を加え、室温で18時間撹拌した。沈殿物をろ過で分取し、ジエチルエーテル、アセトンで洗浄後、真空乾燥することにより、アニオンドープ処理を行い、こげ茶色粉体を100mg得た。図3は、アニオンドープ処理前後の加熱処理後のポリアニリンのIRスペクトルである。図3に示すIRスペクトルから、部分構造を保持したまま、ドープされたBF4アニオン由来のB−F結合に対応すると考えられる伸縮振動を500cm-1付近に観測した。また、電子顕微鏡観察(SEM)でのEDX組成分析を行った。図4は、アニオンドープ後の含窒素有機難溶化物のEDX測定結果である。このEDX組成分析結果において、アニオンドープ後にフッ素のピークが観測された事から、図3の500cm-1に観測されたピークがBF4アニオン由来であることを相補的に支持している。
[Example 1]
A polyaniline (average molecular weight 20000) was heat-treated at 300 ° C. for 1 hour to obtain a black powder. This black powder was hardly dispersed in most solvents (nitrogen-containing organic poorly soluble product). FIG. 2 is an IR spectrum of polyaniline and black powder after heating. FIG. 2 is an IR spectrum of polyaniline before heat treatment (upper) and polyaniline after heat treatment at 300 ° C. (lower). The IR spectrum was measured by the KBr method using an IR measuring device (Magna 760 type Fourier infrared spectrometer manufactured by Nicorey). From the IR spectrum shown in FIG. 2, it was suggested that complete carbonization did not occur and the partial structure of the original polyaniline was retained. Next, tetrafluoroboric acid diethyl ether complex was added to 100 mg of this heat-treated polyaniline in acetone, and the mixture was stirred at room temperature for 18 hours. The precipitate was collected by filtration, washed with diethyl ether and acetone, and then vacuum-dried to perform anion doping treatment to obtain 100 mg of a dark brown powder. FIG. 3 is an IR spectrum of polyaniline after heat treatment before and after anion doping treatment. From the IR spectrum shown in FIG. 3, the stretching vibration considered to correspond to the BF bond derived from the doped BF 4 anion was observed in the vicinity of 500 cm −1 while maintaining the partial structure. Moreover, the EDX composition analysis by electron microscope observation (SEM) was performed. FIG. 4 is an EDX measurement result of the nitrogen-containing organic poorly soluble product after anion doping. In this EDX composition analysis result, since a fluorine peak was observed after anion doping, it is complementarily supported that the peak observed at 500 cm −1 in FIG. 3 is derived from the BF 4 anion.

この難溶化HBF4ドープポリアニリン(アニオンドープ含窒素有機難溶化物)を活物質として70質量%、導電材としてECPを25質量%、電極形成の結着材としてPTEFを5質量%の割合で混合し、負極合材とした。この負極合材10mgをメッシュに押し付けることにより、形成工程を行い、負極を作製した。この負極と、人造黒鉛(12.1mg)を正極、電解液としてLiBF4炭酸プロピレン溶液(1M)を用いて、実施例1の電池セルとした。電流値0.7mA、上限電圧を3.5V、3.75V、4.0V、4.2Vとし、3サイクル充放電測定を行い、電池評価を行った。図5は、実施例1の蓄電デバイスの充放電曲線である。また、測定結果を表1にまとめた。図5及び表1に示すように、300℃難溶化処理、HBF4ドープ後の含窒素有機難溶化物の蓄電性能(3.5V、3.75V、4.0V、4.2V)では、アニオンをキャリアとして充放電することがわかり、電位が上昇するに従い容量が増加することがわかった。また、充放電効率は3.5Vでは0.80、3.75Vでは0.68、4.0Vでは0.63、4.2Vでは0.66であった。 70% by mass of this hardly soluble HBF 4 doped polyaniline (anion doped nitrogen-containing organic slightly soluble material), 25% by mass of ECP as a conductive material, and 5% by mass of PTEF as a binder for electrode formation are mixed. And it was set as the negative electrode compound material. By forming 10 mg of this negative electrode mixture against the mesh, a forming step was performed to produce a negative electrode. A battery cell of Example 1 was obtained by using this negative electrode, artificial graphite (12.1 mg) as a positive electrode, and LiBF 4 propylene carbonate solution (1M) as an electrolytic solution. The battery value was evaluated by carrying out a 3-cycle charge / discharge measurement with a current value of 0.7 mA and an upper limit voltage of 3.5 V, 3.75 V, 4.0 V, and 4.2 V. 5 is a charge / discharge curve of the electricity storage device of Example 1. FIG. The measurement results are summarized in Table 1. As shown in FIG. 5 and Table 1, in the storage performance (3.5 V, 3.75 V, 4.0 V, 4.2 V) of the nitrogen-containing organic poorly soluble product after 300 ° C. insolubilization treatment and HBF 4 doping, anions As a carrier, it was found that the capacity increased as the potential increased. The charge / discharge efficiency was 0.80 at 3.5V, 0.68 at 3.75V, 0.63 at 4.0V, and 0.66 at 4.2V.

[実施例2]
ポリアニリン(平均分子量20000)100mgをアセトンに分散させ、テトラフルオロホウ酸ジエチルエーテル錯体0.6mlを加え、室温で18時間撹拌した。溶媒を除去することでアニオンドープ処理を行い、濃緑色粉体211.3mgを得た。このアニオンドープポリアニリンを180℃、1.5時間加熱する加熱処理(難溶化処理)を行い、ほとんどの溶媒に難溶性の黒色粉体を169.9mg得た。図6は、アニオンドープ後加熱処理前後でのポリアニリンのIRスペクトルである。図6に示すIRスペクトルから、完全な炭化は起こらず、元のポリアニリンの部分構造を保持していることが示唆された。特に500cm-1付近にBF4塩に特徴的なピークを観測したため、加熱によるアニオンの完全な脱離は起こっていないと考えられた。この試料はほとんどの有機溶剤に対して難分散性であった。
[Example 2]
100 mg of polyaniline (average molecular weight 20000) was dispersed in acetone, 0.6 ml of tetrafluoroboric acid diethyl ether complex was added, and the mixture was stirred at room temperature for 18 hours. By removing the solvent, anion doping treatment was performed to obtain 211.3 mg of dark green powder. The anion-doped polyaniline was heated at 180 ° C. for 1.5 hours (solubilization treatment) to obtain 169.9 mg of a black powder hardly soluble in most solvents. FIG. 6 is an IR spectrum of polyaniline before and after heat treatment after anion doping. From the IR spectrum shown in FIG. 6, it was suggested that complete carbonization did not occur and the partial structure of the original polyaniline was retained. In particular, since a characteristic peak of BF 4 salt was observed in the vicinity of 500 cm −1, it was considered that complete desorption of anions due to heating did not occur. This sample was difficult to disperse in most organic solvents.

このHBF4ドープ含窒素有機難溶化物を活物質として70質量%、導電材としてECPを25質量%、電極形成の結着材としてPTEFを5質量%の割合で混合し、負極合材とし、10mgをメッシュに押し付けることにより形成処理を行い負極を得た。この負極と、人造黒鉛(12.1mg)を正極とし、電解液としてLiBF4炭酸プロピレン溶液(1M)を用いて、実施例2の電池セルとした。実施例1と同様の条件で電池評価を行った。図7は、実施例2の蓄電デバイスの充放電曲線である。また、測定結果を表2にまとめた。その結果、図7に示す充放電曲線が得られ、アニオンをキャリアとして充放電することがわかり、電位が上昇するに従い容量が増加することがわかった。また、充放電効率は3.5Vでは0.78、3.75Vでは0.85、4.0Vでは0.83、4.2Vでは0.68であった。図8は、上限電位4.2Vでの30サイクルでの電池容量と充放電効率の経時変化である。図8に示すように、30サイクルの充放電を繰り返すことで充電量は徐々に減少していくが、放電量は充電量に比べ減少度は緩やかであった。充放電効率も若干の推移はあるもの、放電/充電=0.7程度の効率を保てることを確認した。 70% by mass of this HBF 4 -doped nitrogen-containing organic poorly soluble product as an active material, 25% by mass of ECP as a conductive material, and 5% by mass of PTEF as a binder for electrode formation were mixed to form a negative electrode mixture, A forming process was performed by pressing 10 mg against the mesh to obtain a negative electrode. The negative electrode and artificial graphite (12.1 mg) were used as the positive electrode, and a LiBF 4 propylene carbonate solution (1M) was used as the electrolytic solution to obtain a battery cell of Example 2. The battery was evaluated under the same conditions as in Example 1. FIG. 7 is a charge / discharge curve of the electricity storage device of Example 2. The measurement results are summarized in Table 2. As a result, the charge / discharge curve shown in FIG. 7 was obtained, and it was found that charge / discharge was performed using anions as carriers, and the capacity increased as the potential increased. The charge / discharge efficiency was 0.78 at 3.5V, 0.85 at 3.75V, 0.83 at 4.0V, and 0.68 at 4.2V. FIG. 8 shows changes over time in battery capacity and charge / discharge efficiency in 30 cycles at the upper limit potential of 4.2V. As shown in FIG. 8, the charge amount gradually decreased by repeating 30 cycles of charge / discharge, but the decrease rate of the discharge amount was moderate compared to the charge amount. It was confirmed that the charge / discharge efficiency was slightly changed, but the efficiency of discharge / charge = about 0.7 could be maintained.

[実施例3]
ポリアニリン(平均分子量20000)210mgをアセトンに分散させ、テトラフルオロホウ酸ジエチルエーテル錯体を加え、室温で18時間撹拌した。溶媒を除去することでアニオンドープ処理を行い、濃緑色粉体を365mg得た。このHBF4ドープポリアニリンを70質量%、導電材としてECPを25質量%、電極形成の結着材としてPTEFを5%の割合で混合し、負極合材を調製した。この負極合材を150℃、1.5時間加熱処理することで難溶化し電極材料を得た。図9は、負極合材の加熱処理前後でのIRスペクトルである。図9に示すIRスペクトルから、完全な炭化は起こらず、元のポリアニリンの部分構造を保持していることが示唆された。特に500cm-1付近にBF4塩に特徴的なピークを観測したため、加熱によるアニオンの完全な脱離は起こっていないと考えられた。この負極合材は、ほとんどの有機溶剤に対して難分散性であった。
[Example 3]
210 mg of polyaniline (average molecular weight 20000) was dispersed in acetone, tetrafluoroboric acid diethyl ether complex was added, and the mixture was stirred at room temperature for 18 hours. Anion doping treatment was performed by removing the solvent to obtain 365 mg of dark green powder. A negative electrode mixture was prepared by mixing 70% by mass of this HBF 4 -doped polyaniline, 25% by mass of ECP as a conductive material, and 5% of PTEF as a binder for electrode formation. This negative electrode mixture was made insoluble by heat treatment at 150 ° C. for 1.5 hours to obtain an electrode material. FIG. 9 is an IR spectrum before and after the heat treatment of the negative electrode mixture. From the IR spectrum shown in FIG. 9, it was suggested that complete carbonization did not occur and the partial structure of the original polyaniline was retained. In particular, since a characteristic peak of BF 4 salt was observed in the vicinity of 500 cm −1, it was considered that complete desorption of anions due to heating did not occur. This negative electrode composite was difficult to disperse in most organic solvents.

この加熱処理を行った負極合材を負極に、人造黒鉛(12.1mg)を正極とし、電解液としてLiBF4炭酸プロピレン溶液(1M)を用いて、実施例3の電池セルとした。実施例1と同様の条件で、電池評価を行った。図10は、実施例3の蓄電デバイスの充放電曲線である。また、測定結果を表3にまとめた。その結果、図10に示す充放電曲線が得られ、アニオンをキャリアとして充放電することがわかり、電位が上昇するに従い容量が増加することがわかった。また、充放電効率は3.5Vでは0.73、3.75Vでは0.80、4.0Vでは0.76、4.2Vでは0.73であった。 The heat-treated negative electrode mixture was used as the negative electrode, artificial graphite (12.1 mg) was used as the positive electrode, and a LiBF 4 propylene carbonate solution (1M) was used as the electrolytic solution to form a battery cell of Example 3. The battery was evaluated under the same conditions as in Example 1. FIG. 10 is a charge / discharge curve of the electricity storage device of Example 3. The measurement results are summarized in Table 3. As a result, the charge / discharge curve shown in FIG. 10 was obtained, and it was found that charge / discharge was performed using anions as carriers, and the capacity increased as the potential increased. The charge / discharge efficiency was 0.73 at 3.5V, 0.80 at 3.75V, 0.76 at 4.0V, and 0.73 at 4.2V.

[実施例4]
難溶化の手法による、組成比及び元素の電子状態をXPS(アルバック・ファイ社製PHI500)によって評価した。図11は、実施例1〜3の各試料の作製スキームである。図12は、実施例1〜3の各試料のB,N,Fに対するXPS測定結果である。また、測定結果を表4にまとめた。図11に示すように、原料であるポリアニリンをサンプル1、原料を300℃で加熱処理したものをサンプル2、サンプル2にアニオンドープしたものをサンプル3(ここまで実施例1)、原料にアニオンドープしたものをサンプル4、サンプル4を180℃で加熱処理したものをサンプル5(ここまで実施例2)、サンプル4に導電材及び結着材を混合し負極合材としたものをサンプル6、サンプル6を150℃で加熱処理したものをサンプル7とした(ここまで実施例3)。XPS測定結果によると、各試料において、結合エネルギーに関してはほとんど変化がなく、構造の構成結合に大きな変化がないことが示された。表面の組成を確認すると、ドープ直後はBやFの組成比が高くなっているが、加熱処理後は10at%程度に落ち着いた。難溶化処理(加熱処理)後には、有機溶媒に溶解しにくくなったが、基本的な構造は変化していないことが示唆された。
[Example 4]
The composition ratio and the electronic state of the element were evaluated by XPS (PHI500 manufactured by ULVAC-PHI Co., Ltd.) according to the hardly soluble method. FIG. 11 is a production scheme of each sample of Examples 1 to 3. FIG. 12 shows XPS measurement results for B, N, and F of the samples of Examples 1 to 3. The measurement results are summarized in Table 4. As shown in FIG. 11, polyaniline, which is a raw material, is sample 1, sample 2 is heat-treated at 300 ° C., sample 2 is sample 2 is anion-doped, and sample 3 is (Example 1 so far), and the raw material is anion-doped. Sample 4 obtained by heat-treating Sample 4 at 180 ° C. (Example 2 so far), Sample 6 obtained by mixing a conductive material and a binder with Sample 4 and Sample 6 and Sample Sample 6 was heat-treated at 150 ° C. as Sample 7 (Example 3 so far). The XPS measurement results showed that there was almost no change in the binding energy in each sample, and there was no significant change in the structural bond. When the composition of the surface was confirmed, the composition ratio of B and F was high immediately after the doping, but settled to about 10 at% after the heat treatment. Although it became difficult to dissolve in an organic solvent after the poorly soluble treatment (heat treatment), it was suggested that the basic structure was not changed.

Claims (7)

正極と、
アニオンがドープされ、含窒素有機ポリマーを難溶化した含窒素有機難溶化物を含む負極と、
前記正極と前記負極との間に介在し前記アニオンを伝導するイオン伝導媒体と、を備え、
前記アニオンの移動により充放電する、蓄電デバイス。
A positive electrode;
A negative electrode containing a nitrogen-containing organic poorly soluble product doped with an anion and made the nitrogen-containing organic polymer poorly soluble;
An ion conductive medium that is interposed between the positive electrode and the negative electrode and conducts the anion,
An electricity storage device that is charged and discharged by movement of the anion.
前記負極は、難溶化処理として、100℃以上500℃以下の温度範囲で加熱処理されている、請求項1に記載の蓄電デバイス。   The electricity storage device according to claim 1, wherein the negative electrode is heat-treated in a temperature range of 100 ° C. or higher and 500 ° C. or lower as a hardly soluble treatment. 前記負極は、ポリアニリンを前記含窒素有機ポリマーとして用い難溶化した含窒素有機難溶化物を含む、請求項1又は2に記載の蓄電デバイス。   3. The electricity storage device according to claim 1, wherein the negative electrode includes a nitrogen-containing organic poorly soluble product obtained by making polyaniline difficult to use as the nitrogen-containing organic polymer. 含窒素有機ポリマーを原料とし、前記含窒素有機ポリマーを含む物質を加熱する難溶化処理としての加熱処理、前記含窒素有機ポリマー又は前記含窒素有機ポリマー由来の物質にアニオンをドープするドープ処理、前記含窒素有機ポリマー又は前記含窒素有機ポリマー由来の物質と結着材とを混合し集電体上に形成する形成処理、を所定の順に行い負極を作製する工程、を含む、蓄電デバイス用負極の製造方法。   Using a nitrogen-containing organic polymer as a raw material, a heat treatment as a poorly soluble treatment for heating the substance containing the nitrogen-containing organic polymer, a doping treatment for doping the nitrogen-containing organic polymer or the substance derived from the nitrogen-containing organic polymer with an anion, A process for forming a negative electrode by performing a predetermined process in which a nitrogen-containing organic polymer or a material derived from the nitrogen-containing organic polymer and a binder are mixed and formed on a current collector to form a negative electrode. Production method. 前記工程では、前記含窒素有機ポリマーにアニオンをドープするドープ処理を行い、前記アニオンをドープした含窒素有機ポリマーと結着材とを混合し集電体上に形成する形成処理を行ったのち、前記集電体上に形成された含窒素有機ポリマーを含む物質を加熱する加熱処理を行う、請求項4に記載の蓄電デバイス用負極の製造方法。   In the step, the nitrogen-containing organic polymer is doped with anions, and after the anion-doped nitrogen-containing organic polymer and a binder are mixed and formed on the current collector, The manufacturing method of the negative electrode for electrical storage devices of Claim 4 which performs the heat processing which heat the substance containing the nitrogen-containing organic polymer formed on the said electrical power collector. 前記工程では、前記含窒素有機ポリマーにアニオンをドープするドープ処理を行い、前記アニオンをドープした含窒素有機ポリマーを加熱する加熱処理を行ったのち、前記加熱処理した含窒素有機ポリマー由来の物質と結着材とを混合し集電体上に形成する形成処理を行う、請求項4に記載の蓄電デバイス用負極の製造方法。   In the step, the nitrogen-containing organic polymer is doped with an anion, the nitrogen-containing organic polymer doped with the anion is heated, and then the heat-treated nitrogen-containing organic polymer-derived substance and The manufacturing method of the negative electrode for electrical storage devices of Claim 4 which performs the formation process which mixes with a binder and forms on a collector. 前記工程では、含窒素有機ポリマーを原料とし前記含窒素有機ポリマーを含む物質を加熱する加熱処理を行い、該加熱した含窒素有機ポリマー由来の物質にアニオンをドープするドープ処理を行ったのち、前記アニオンをドープした含窒素有機ポリマー由来の物質と結着材とを混合し集電体上に形成する形成処理を行う、請求項4に記載の蓄電デバイス用負極の製造方法。   In the step, a heat treatment is performed by heating a substance containing the nitrogen-containing organic polymer using a nitrogen-containing organic polymer as a raw material, and after performing a dope treatment of doping the substance derived from the heated nitrogen-containing organic polymer with an anion, The manufacturing method of the negative electrode for electrical storage devices of Claim 4 which performs the formation process which mixes the substance derived from the nitrogen-containing organic polymer doped with an anion, and a binder, and forms on a collector.
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