JP2013182741A - Separator and electrochemical cell including the same - Google Patents

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Norifumi Hasegawa
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a separator for an electrochemical cell, capable of withstanding a high voltage exceeding 4.5 V, and an electrochemical cell including the separator.SOLUTION: A separator 10 is inserted between a positive electrode active material pellet 14 and a lithium negative electrode active material 18 so as to be brought into contact with both electrodes. The separator 10 is formed of two porous films one of which in contact with the positive electrode active material pellet 14 comprises a porous PTFE film 10a and the other of which in contact with on a side of the lithium negative electrode active material 18 comprises a PE film 10b. A phosphoric acid-based positive electrode material such as LiNiPOand LiCoPOand an olivine fluoride-based positive electrode material having high charging voltage, such as LiNiPOF and LiCoPOF, can be used as a positive electrode active material constituting the positive electrode active material pellet 14.

Description

本発明は高い電圧で作動する電気化学セルに好適に用いることができるセパレータ及びそれを用いた電気化学セルに関する。   The present invention relates to a separator that can be suitably used for an electrochemical cell that operates at a high voltage, and an electrochemical cell using the separator.

Liイオン電池やNaイオン電池やキャパシター等の電気化学セルでは、正極と負極との間の短絡を防ぎつつイオンの通過を可能とすべく、セパレータと呼ばれる多孔性の絶縁膜が用いられている。こうしたセパレータの材料としては、ポリエチレン(以下「PE」という)やポリプロピレン(以下「PP」という)からなる多孔性の膜が用いられている。   In electrochemical cells such as Li-ion batteries, Na-ion batteries, and capacitors, a porous insulating film called a separator is used so as to allow passage of ions while preventing a short circuit between the positive electrode and the negative electrode. As a material for such a separator, a porous film made of polyethylene (hereinafter referred to as “PE”) or polypropylene (hereinafter referred to as “PP”) is used.

しかしながら、近年、電気化学セルの分野においては、単一のセルでなるべく高い電圧を得ることが求められており、高電圧化を可能にする正極材料や負極材料や電解液が開発されている。こうした新たな電極材料や電解液の開発に伴い、セパレータについても高い電圧にも耐えうるものが求められている。   However, in recent years, in the field of electrochemical cells, it has been required to obtain as high a voltage as possible with a single cell, and positive electrode materials, negative electrode materials, and electrolytic solutions that enable higher voltages have been developed. With the development of such new electrode materials and electrolytes, separators that can withstand high voltages are also required.

一方、特許文献1及び特許文献2には、セパレータを多層構造とすることに関する記述がある。   On the other hand, Patent Document 1 and Patent Document 2 have a description relating to a separator having a multilayer structure.

特開2006−261093号JP 2006-261093 A 特開平10−302749号Japanese Patent Laid-Open No. 10-302749

従来のリチウムイオン電池等のセパレータでは、単一セルの電圧が4.5Vを超えるような高電圧になると、正常な充電とは無関係な余計な反応電流が流れたり、電池の劣化を引き起こしたり、負極と正極との間でショートしたりするという問題が生じていた。   In a separator such as a conventional lithium ion battery, when the voltage of a single cell exceeds 4.5 V, an extra reaction current unrelated to normal charging flows or the battery deteriorates. There has been a problem of short circuit between the negative electrode and the positive electrode.

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであり、高電圧に耐え得る電気化学セル用のセパレータを提供することを解決すべき課題としている。   This invention is made | formed in view of the said conventional situation, and makes it the problem which should be solved to provide the separator for electrochemical cells which can endure a high voltage.

本発明者らは、4.5Vを超える高電圧に耐え得るセパレータ材料を見出すべく、各種のセパレータ材料について鋭意試験・研究を行った。しかしながら、PPでは4.3V程度が限界である。このため、化学的安定性に優れた材料としてポリテトラフルオロエチレン(PTFE)やポリフッ化ビニリデン(PVdF)等のフッ素樹脂についても調べたが、負極と接触する側において劣化することが明らかとなった。   In order to find a separator material that can withstand a high voltage exceeding 4.5 V, the present inventors have conducted extensive tests and research on various separator materials. However, PP has a limit of about 4.3V. For this reason, fluorine resins such as polytetrafluoroethylene (PTFE) and polyvinylidene fluoride (PVdF) were also investigated as materials having excellent chemical stability, but it was found that they deteriorate on the side in contact with the negative electrode. .

そこで、本発明者らは、正極側と負極側とを異なる材料からなるセパレータとし、強い酸化力が作用する正極側において、耐酸化性の大きい材料を用い、強い還元作用が作用する負極側では、リチウム金属やナトリウム金属等の極めて酸化し易い金属との接触にも耐えうる材料を用いるという、多層膜化したセパレータを材料設計するに至った。そして、さらに鋭意研究を行った結果、本発明を完成した。   Therefore, the present inventors use a separator made of different materials for the positive electrode side and the negative electrode side, use a material with high oxidation resistance on the positive electrode side where strong oxidizing power acts, and on the negative electrode side where strong reducing action acts. As a result, it has been possible to design a multilayer separator using a material that can withstand contact with a metal that is highly oxidizable such as lithium metal and sodium metal. As a result of further intensive studies, the present invention was completed.

すなわち、本発明の電気化学セルは、正極と負極との間にセパレータが密着して挿入された電気化学セルであって、該セパレータは多孔性を有する多層膜とされており、該多層膜のうち該正極側と接触する膜はポリテトラフルオロエチレンからなり、該多層膜のうち負極側と接する膜はポリエチレンまたはポリプロピレンからなることを特徴とする。   That is, the electrochemical cell of the present invention is an electrochemical cell in which a separator is inserted in close contact between a positive electrode and a negative electrode, and the separator is a porous multilayer film. Of these, the film in contact with the positive electrode side is made of polytetrafluoroethylene, and the film in contact with the negative electrode side of the multilayer film is made of polyethylene or polypropylene.

本発明の電気化学セルでは、多孔性のセパレータが多層膜とされており、多層膜のうち強い酸化力が作用する正極側に接している膜には、耐酸化性の大きい鎖状飽和炭化水素の水素がフッ素で完全に置換された高分子が用いられている。このため、4.5Vを超えるような高い電圧に対しても、セパレータの正極側表面が変色したり劣化したりすることはない。また、多層膜のうち、強い還元作用が作用する負極側に接する膜には、低い電位によって析出するリチウムやナトリウム等の還元性の強い金属に耐える鎖状飽和炭化水素からなる高分子が用いられている。このため、セパレータの負極側面が分解したり劣化したりすることもない。
したがって、本発明の電気化学セルによれば、高電圧に対してもセパレータの機能が低下し難い電気化学セルとなる。
In the electrochemical cell of the present invention, the porous separator is a multilayer film, and the film in contact with the positive electrode side where strong oxidizing power acts on the multilayer film is a chain saturated hydrocarbon having high oxidation resistance. In this case, a polymer in which hydrogen is completely substituted with fluorine is used. For this reason, the positive electrode side surface of the separator is not discolored or deteriorated even at a high voltage exceeding 4.5V. Among the multilayer films, the polymer in contact with the negative electrode side on which a strong reducing action acts is made of a polymer composed of chain saturated hydrocarbons that can withstand highly reducing metals such as lithium and sodium that are deposited by a low potential. ing. For this reason, the negative electrode side surface of the separator is not decomposed or deteriorated.
Therefore, according to the electrochemical cell of this invention, it becomes an electrochemical cell in which the function of a separator does not fall easily also to a high voltage.

前記鎖状飽和炭化水素の水素がフッ素で完全に置換された高分子としては、例えばポリテトラフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体等が挙げられる。また、これらを混合した材料でもよい。
一方、鎖状飽和炭化水素からなる高分子としては、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体等が挙げられる。また、これらを混合した材料でもよい。
Examples of the polymer in which hydrogen of the chain saturated hydrocarbon is completely substituted with fluorine include polytetrafluoroethylene, polyhexafluoropropylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, and the like. Moreover, the material which mixed these may be sufficient.
On the other hand, examples of the polymer composed of chain saturated hydrocarbon include polyethylene, polypropylene, and ethylene-propylene copolymer. Moreover, the material which mixed these may be sufficient.

電気化学セルの種類としては、正極と負極との間にセパレータが密着して挿入された電気化学セルであれば特に限定されない。このような電気化学セルとして、Liイオン電池やNaイオン電池等のアルカリ金属イオン電池や、キャパシター等が挙げられる。電気化学セルがアルカリ金属イオン電池の場合、LiCoPOやNaFeO等の高い放電電圧を得ることのできる正極物質を用いることも可能となるため、電池の電圧やエネルギー密度を高めることが可能となる。 The type of electrochemical cell is not particularly limited as long as it is an electrochemical cell in which a separator is inserted in close contact between a positive electrode and a negative electrode. Examples of such electrochemical cells include alkali metal ion batteries such as Li ion batteries and Na ion batteries, capacitors, and the like. When the electrochemical cell is an alkali metal ion battery, it is possible to use a positive electrode material capable of obtaining a high discharge voltage such as LiCoPO 4 or NaFeO 2, so that the voltage and energy density of the battery can be increased. .

また、セパレータの耐電圧特性をさらに優れたものとするという観点から、セパレータ中に絶縁性セラミックを含有させることも好ましい。このような絶縁性セラミックとしては、例えばアルミナ粉やシリカ粉等が挙げられる。   Further, from the viewpoint of further improving the withstand voltage characteristics of the separator, it is also preferable to include an insulating ceramic in the separator. Examples of such an insulating ceramic include alumina powder and silica powder.

PTFE粉をバインダーとしてDLC粉末を成形した電極のLiBF溶液中での電位−電流曲線である。Potential at the LiBF 4 solution in the electrode formed by molding DLC powder PTFE powder as a binder - a current curve. 実施形態のセパレータの斜視図である。It is a perspective view of the separator of an embodiment. 実施形態のリチウムイオン電池に用いた電池ケースの断面図である。It is sectional drawing of the battery case used for the lithium ion battery of embodiment. 実施形態のリチウムイオン電池の断面図であるである。It is sectional drawing of the lithium ion battery of embodiment.

本発明のセパレータは、電解液中へ浸漬され、正極と負極とを分離し両者の短絡を防ぐとともに、イオンの通過を許容するものであり、セパレータが多層膜とされている。そして、そのうち強い酸化力が作用する正極側に接する膜として、耐酸化性の大きい、鎖状飽和炭化水素の水素がフッ素で完全に置換された高分子からなる膜(例えばPTFE)が用いられている。一方、多層膜のうち強い還元作用が作用する負極側に接する膜は、低い電位によって析出するリチウムやナトリウム等の還元性の強い金属に耐える鎖状飽和炭化水素からなる高分子(例えばポリエチレンやポリプロピレン)が用いられている。このため、4.5Vを超えるような高い電圧に対しても、セパレータの正極側表面が変色したり劣化したりすることはなく、セパレータの負極側面が分解したり劣化したりすることもない。   The separator of the present invention is immersed in an electrolytic solution, separates the positive electrode and the negative electrode to prevent a short circuit therebetween, and allows the passage of ions. The separator is a multilayer film. As a film in contact with the positive electrode side on which strong oxidizing power acts, a film made of a polymer in which hydrogen of chain saturated hydrocarbon is completely substituted with fluorine (for example, PTFE) having high oxidation resistance is used. Yes. On the other hand, a film in contact with the negative electrode side on which a strong reducing action acts in a multilayer film is a polymer (for example, polyethylene or polypropylene) made of a chain saturated hydrocarbon that can withstand a highly reducing metal such as lithium and sodium deposited by a low potential. ) Is used. For this reason, even if the voltage exceeds 4.5 V, the positive electrode side surface of the separator is not discolored or deteriorated, and the negative electrode side surface of the separator is not decomposed or deteriorated.

(実験例1)
多孔性のポリテトラフルオロエチレン膜を電気化学セルのセパレータ材料として用いた場合、どの程度の高電位まで安定に存在するかを調べるため、以下に示す実験例1を行った。すなわち、ダイヤモンドライクカーボン(DLC)粉末(平均粒径0.03μm)とPTFE粉体とを80:20の重量比で混合し、ホットプレスによって8mmφの円盤状の電極を作製した。
(Experimental example 1)
In order to investigate how high a potential is stably present when a porous polytetrafluoroethylene film is used as a separator material for an electrochemical cell, Experimental Example 1 shown below was performed. That is, diamond-like carbon (DLC) powder (average particle size 0.03 μm) and PTFE powder were mixed at a weight ratio of 80:20, and a disk-shaped electrode of 8 mmφ was produced by hot pressing.

・電位−電流曲線の測定
上記のようにして作製した実験例1の電極について、リチウムイオン電池用電解液中で電位走査し、電位−電流曲線を測定した。電解液は次のように調製した。すなわち、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとセバコニトリルとを容量比で25:25:50となるように混合液を調製し、さらにリチウム電解質としてLiBFを1mol/Lとなるように溶解した溶液を電解液とし、三極式電解セル容器に入れた。電位−電流曲線の測定は、作用極として上記電極(面積1.0cm)、対極として白金網、参照電極としてLi金属を用いた。掃引速度は5mV/secとした。
Measurement of potential-current curve The electrode of Experimental Example 1 produced as described above was subjected to potential scanning in an electrolyte for a lithium ion battery, and a potential-current curve was measured. The electrolytic solution was prepared as follows. That is, a mixed solution was prepared so that ethylene carbonate, dimethyl carbonate, and sebaconitrile were in a volume ratio of 25:25:50, and a solution in which LiBF 4 was dissolved as a lithium electrolyte so as to be 1 mol / L was used as the electrolytic solution. And placed in a three-electrode electrolytic cell container. In the measurement of the potential-current curve, the above electrode (area 1.0 cm 2 ) was used as a working electrode, a platinum net as a counter electrode, and Li metal as a reference electrode. The sweep speed was 5 mV / sec.

・測定結果
測定結果を図1に示す。ダイヤモンドライクカーボンは広い電位窓を有することが知られているが、PTFEをバインダーとしてダイヤモンドライクカーボンの粉末を成形した実験例1の電極では、(Li/Li+)電極に対して6.7V付近までほとんど酸化電流は流れなかった。また、電位−電流曲線の測定終了後、電極の表面を肉眼や光学顕微鏡やFESEMによって観察しても、電位走査前後において変化は認められなかった。この結果から、PTFEは(Li/Li+)電極に対して6.7Vという高い電位まで、酸化されず、安定に存在しうることが分かった。
• Measurement results The measurement results are shown in FIG. Diamond-like carbon is known to have a wide potential window, but in the electrode of Experimental Example 1 in which diamond-like carbon powder was molded using PTFE as a binder, around 6.7 V with respect to the (Li / Li + ) electrode. Almost no oxidation current flowed. In addition, after the measurement of the potential-current curve, no change was observed before and after potential scanning even when the surface of the electrode was observed with the naked eye, an optical microscope, or FESEM. From this result, it was found that PTFE was not oxidized to a high potential of 6.7 V with respect to the (Li / Li + ) electrode and could exist stably.

以下、本発明のセパレータ及びそれを用いたリチウム2次電池の実施形態について説明する。
<セパレータの作製>
図2に示すように、実施形態のセパレータ10は円形のPTFE膜10aと、同一直径の円形のPE膜10bとが積層されて構成されている。PTFE膜10aはポリテトラエチレンからなる多孔性の膜(例えば日本ミリポア社製のLSWP03700、LSWP09025)であり、PE膜10bはポリエチレンからなる多孔性の膜(例えばPP単層:Celgard社製2400、2500、PE単層:Celgard社製 象徴単層PEセパレータ、3層PP/PE/PP膜:Celgard社製、2320)である。ここでPTFE膜10aとPE膜10bとは、単に重ねあわされているだけでも良いし、カレンダー加工等によって多孔性を保ちつつ熱圧着したりして、一体化させたものであってもよい。また、PE(ポリエチレン)の多孔性膜の替りにPP(ポリプロピレン)多孔性膜を用いてもよい。さらには、セパレータの耐電圧特性をさらに優れたものとするという観点から、セパレータ中にアルミナ粉やシリカ粉等の絶縁性セラミックを含有させてもよい。
Hereinafter, embodiments of a separator of the present invention and a lithium secondary battery using the separator will be described.
<Preparation of separator>
As shown in FIG. 2, the separator 10 of the embodiment is configured by laminating a circular PTFE film 10a and a circular PE film 10b having the same diameter. The PTFE membrane 10a is a porous membrane made of polytetraethylene (for example, LSWP03700, LSWP09025 made by Nihon Millipore), and the PE membrane 10b is a porous membrane made of polyethylene (for example, PP single layer: 2400, 2500 made by Celgard). PE single layer: Celgard's symbolic single layer PE separator, 3-layer PP / PE / PP membrane: Celgard's, 2320). Here, the PTFE film 10a and the PE film 10b may be simply overlapped, or may be integrated by thermocompression bonding while maintaining porosity by calendaring or the like. Further, a PP (polypropylene) porous film may be used instead of the PE (polyethylene) porous film. Furthermore, from the viewpoint of further improving the withstand voltage characteristics of the separator, the separator may contain an insulating ceramic such as alumina powder or silica powder.

<リチウムイオン電池の作製>
本発明のセパレータを用いた電気化学セルとして、リチウムイオン電池の作製例を以下に示す。
まず、図3に示すように、有底円筒状のチタン製又はニッケル製の正極缶11と、有底円筒状で扁平状のチタン製又はニッケル製の負極キャップ12とを用意する。正極缶11と負極キャップ12とで電池ケースが構成される。
<Production of lithium ion battery>
As an electrochemical cell using the separator of the present invention, a production example of a lithium ion battery is shown below.
First, as shown in FIG. 3, a bottomed cylindrical titanium or nickel positive electrode can 11 and a bottomed cylindrical and flat titanium or nickel negative electrode cap 12 are prepared. The positive electrode can 11 and the negative electrode cap 12 constitute a battery case.

ついで、図4に示すように、正極缶11内に、チタン製又はニッケル製のスペーサー13、正極活物質ペレット14、PTFE膜10a、PE膜10bの順でを充填する。一方、負極キャップ12内に、チタン製又はニッケル製の波座金16、チタン製又はニッケル製のスペーサー17及びリチウム負極活物質18を充填する。そして、正極缶11内に電解液を入れた後、絶縁ガスケット19を介して負極キャップ12を載置してかしめて密封してリチウムイオン電池とする。
正極活物質ペレット14を構成する正極活物質としては、Li1−xCoO、Li1−xNiO等の酸化系正極活物質の他、さらに高い充電電圧を有するLi1−xNiPO、Li1−xCoPO等のリン酸系正極活物質、Li2−xNiPOF、Li2−xCoPOF等のオリビンフッ化物系正極活物質、ペロブスカイト構造を有するFeF等が挙げられる。また、リチウム負極活物質18を構成する負極活物質としては、人造黒鉛、天然黒鉛、ハードカーボン等の種々の炭素材料やチタン酸リチウム(LiTi12)、HTi1225、HTi13、Feなどが挙げられる。
Next, as shown in FIG. 4, the positive electrode can 11 is filled with a titanium or nickel spacer 13, a positive electrode active material pellet 14, a PTFE film 10a, and a PE film 10b in this order. On the other hand, the negative electrode cap 12 is filled with a wave washer 16 made of titanium or nickel, a spacer 17 made of titanium or nickel, and a lithium negative electrode active material 18. And after putting electrolyte solution in the positive electrode can 11, the negative electrode cap 12 is mounted and crimped | sealed through the insulating gasket 19, and it is set as a lithium ion battery.
Examples of the positive electrode active material constituting the positive electrode active material pellet 14 include Li 1-x NiPO 4 having an even higher charging voltage in addition to an oxidized positive electrode active material such as Li 1-x CoO 2 and Li 1-x NiO 2 . Examples thereof include phosphoric acid-based positive electrode active materials such as Li 1-x CoPO 4 , olivine fluoride-based positive electrode active materials such as Li 2-x NiPO 4 F and Li 2-x CoPO 4 F, and FeF 3 having a perovskite structure. Further, lithium as the negative electrode active material constituting the negative electrode active material 18, artificial graphite, natural graphite, various carbon materials and lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12), such as hard carbon, H 2 Ti 12 O 25, such as H 2 Ti 6 O 13, Fe 2 O 3 and the like.

以上のように構成された実施形態のリチウムイオン電池では、強い酸化作用が働く正極活物質ペレット14(すなわち正極)側に接する膜として、耐酸化性の大きいPTFE膜10aが用いられている。また、強い還元作用が作用するリチウム負極活物質18(すなわち負極)側に接する膜に、リチウムの還元力にも十分耐えうるPE膜10bが用いられている。このため、4.5Vを超えるような高い電圧に対しても、セパレータの正極側表面が変色したり劣化したりすることはなく、セパレータの負極側面が分解したり劣化したりすることもない。このため、高い充電電圧を有するLi1−xNiPO、Li1−xCoPO等のリン酸系正極活物質、Li2−xNiPOF、Li2−xCoPOF等のオリビンフッ化物系正極活物質等を用いたリチウムイオン電池であっても、セパレータ10が劣化したりすることはない。 In the lithium ion battery of the embodiment configured as described above, the PTFE film 10a having high oxidation resistance is used as a film in contact with the positive electrode active material pellet 14 (that is, positive electrode) side on which a strong oxidizing action works. In addition, a PE film 10b that can sufficiently withstand the reducing power of lithium is used as a film that is in contact with the lithium negative electrode active material 18 (that is, the negative electrode) side on which a strong reducing action acts. For this reason, even if the voltage exceeds 4.5 V, the positive electrode side surface of the separator is not discolored or deteriorated, and the negative electrode side surface of the separator is not decomposed or deteriorated. Therefore, phosphoric acid-based positive electrode active materials such as Li 1-x NiPO 4 and Li 1-x CoPO 4 having a high charging voltage, and olivine fluorides such as Li 2−x NiPO 4 F and Li 2−x CoPO 4 F Even in a lithium ion battery using a positive electrode active material or the like, the separator 10 does not deteriorate.

本発明のセパレータは、以下に示すリチウムイオン電池やナトリウムイオン電池等のアルカリ金属2次電池に適用することができる。   The separator of the present invention can be applied to alkali metal secondary batteries such as lithium ion batteries and sodium ion batteries shown below.

−リチウムイオン電池−
ここに、リチウムイオン電池は電解液、正極、負極、セパレータ及びケースを備えてなる。
-Lithium ion battery-
Here, the lithium ion battery includes an electrolytic solution, a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a case.

(電解液)
電解液はLi塩(電解質)と有機溶媒とを含んでいる。
(1)Li塩には、Liイオン電池用の一般的なLi塩を用いることができる。例えば、LiPF6(六フッ化リン酸リチウム)、LiBF(四フッ化ホウ酸リチウム)、LiTFSI(リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド)、LiTFS(トリフルオロメタンスルホン酸リチウム)、LiBETI(リチウムビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド)、LiB1212−x、また、Bを含むボレイト系アニオンである、LiBOB(Lithium bis[oxalate]borate)、LiBCB(Lithium bis[croconato]borate)、LiCSB(Li bis[croconato salicylato]borate)、LiBSB(Li bis[salicylato(2-)]borate)、LiBBB(Li bis[1,2-benzenediolato(2-)]borate)、LiBNB(Li bis[2,3-naphtalene-diolato(2-)-O,O’]borate)、LiBBPB(Li bis[2,3-biphenyldiolato(2-)-O,O’]borate)又はこれらの2種以上を用いることができる。なかでも、正極の酸化還元電位が4.5V以上でも使用可能なリチウム塩を用いることは、本発明のセパレータの耐高電圧という特性を有効に発揮できることから特に好ましい。このような電解質としては、LiPF、LiBF及びLiBOBの少なくとも1種を使用することが好ましい。また、LiTFSIやLiTFSやLiBETIを用いる場合、LiPF6、LiBF及びLiBOBの少なくとも1種を添加することが好ましい。
(Electrolyte)
The electrolytic solution contains a Li salt (electrolyte) and an organic solvent.
(1) As the Li salt, a general Li salt for a Li ion battery can be used. For example, LiPF 6 (lithium hexafluorophosphate), LiBF 4 (lithium tetrafluoroborate), LiTFSI (lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide), LiTFS (lithium trifluoromethanesulfonate), LiBETI (lithium bis ( Pentafluoroethanesulfonyl) imide), LiB 12 F 12-x H x , and borate anions containing B, such as LiBOB (Lithium bis [oxalate] borate), LiBCB (Lithium bis [croconato] borate), LiCSB ( Li bis [croconato salicylato] borate), LiBSB (Li bis [salicylato (2-)] borate), LiBBB (Li bis [1,2-benzenediolato (2-)] borate), LiBNB (Li bis [2,3- naphtalene-diolato (2-)-O, O ′] borate), LiBBPB (Libis [2,3-biphenyldiolato (2-)-O, O ′] borate), or two or more thereof can be used. Among these, the use of a lithium salt that can be used even when the oxidation-reduction potential of the positive electrode is 4.5 V or more is particularly preferable because the high voltage resistance characteristic of the separator of the present invention can be effectively exhibited. As such an electrolyte, it is preferable to use at least one of LiPF 6 , LiBF 4 and LiBOB. Further, when LiTFSI, LiTFS, or LiBETI is used, it is preferable to add at least one of LiPF 6, LiBF 4 and LiBOB.

有機溶媒もLiイオン電池に用いられる一般的なものを採用できる。かかる有機溶媒としては環状炭酸エステル、環状カルボン酸エステル及び鎖状炭酸エステルの中から選ばれる1種、又は2種以上が好ましい。更に好ましくは、環状炭酸エステルと鎖状炭酸エステルとを併用する。具体的には、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとを併用することが特に好ましい。両者の配合割合は特に限定されない。環状カルボン酸エステルとしてはγ−ブチロラクトン、プロピレンカーボネート(PC)などを用いることができる。鎖状炭酸エステルとしては、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)などを用いることができる
更にはニトリル化合物を有機溶媒として用いることができる。ここで、ニトリル化合物としては、鎖式飽和炭化水素化合物の両末端にニトリル基が結合した鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物、鎖式エーテル化合物の末端の少なくとも一つにニトリル基が結合した鎖式シアノエーテル化合物及びシアノ酢酸エステルのうち少なくとも一つのニトリル化合物を挙げることができる。
As the organic solvent, a general solvent used for a Li ion battery can be adopted. Such an organic solvent is preferably one or more selected from cyclic carbonates, cyclic carboxylic acid esters and chain carbonates. More preferably, a cyclic carbonate and a chain carbonate are used in combination. Specifically, it is particularly preferable to use ethylene carbonate and dimethyl carbonate in combination. The blending ratio of both is not particularly limited. As the cyclic carboxylic acid ester, γ-butyrolactone, propylene carbonate (PC), or the like can be used. As the chain carbonate, dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC) and the like can be used. Furthermore, a nitrile compound can be used as the organic solvent. Here, as the nitrile compound, a chain saturated hydrocarbon dinitrile compound in which a nitrile group is bonded to both ends of a chain saturated hydrocarbon compound, or a chain cyano in which a nitrile group is bonded to at least one terminal of a chain ether compound. Mention may be made of at least one nitrile compound among ether compounds and cyanoacetic acid esters.

鎖式飽和炭化水素化合物の両末端にニトリル基が結合した鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物としては、例えば、スクシノニトリルNC(CHCN、グルタロニトリルNC(CHCN、アジポニトリルNC(CHCN、ピメロニトリルNC(CHCN、スベロニトリルNC(CHCN、セバコニトリルNC(CHCN、ドデカンジニトリルNC(CH10CNなどのような直鎖状のジニトリル化合物の他、2−メチルグルタロニトリルNCCH(CH)CHCHCN等のように分枝を有していても良い。これらの鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物は、炭素数は特に限定されないが20以下であることが好ましい。更に好ましくは7〜12である。 Examples of the chain saturated hydrocarbon dinitrile compound in which nitrile groups are bonded to both ends of the chain saturated hydrocarbon compound include succinonitrile NC (CH 2 ) 2 CN, glutaronitrile NC (CH 2 ) 3 CN, adiponitrile NC (CH 2 ) 4 CN, Pimeonitrile NC (CH 2 ) 5 CN, Suberonitrile NC (CH 2 ) 6 CN, Sebacononitrile NC (CH 2 ) 8 CN, Dodecandinitrile NC (CH 2 ) 10 CN, etc. In addition to the chain dinitrile compound, it may have a branch such as 2-methylglutaronitrile NCCH (CH 3 ) CH 2 CH 2 CN. These chain saturated hydrocarbon dinitrile compounds are not particularly limited in carbon number, but are preferably 20 or less. More preferably, it is 7-12.

鎖式エーテル化合物の末端の少なくとも一つにニトリル基が結合した鎖式シアノエーテル化合物としては、オキシジプロピオニトリルNCCHCH−O−CHCHCNや、3−メトキシプロピオニトリルCH−O−CHCHCN等が挙げられる。これらの鎖式シアノエーテル化合物は、炭素数は特に限定されないが、20以下であることが好ましい。
また、電解液に鎖式シアノエーテル化合物を用いる場合、さらにBFを添加することも好ましい。BFはホウ素原子が電気陰性度の大きなフッ素原子3個と結合しているため、強いルイス酸としての性質を示す。このため、BFの空軌道はエーテル分子に存在する酸素の孤立電子対に強く配位して錯体を形成し、酸素の電子密度が減少する。その結果、エーテル分子の耐酸化性が向上し、電解液が広い電位窓を有することとなる。特に、ニトリル基を2つ以上有するシアノエーテル化合物にBFを添加すれば、ニトリル基の電子吸引効果が増大し、さらに電位窓を広げることができる。
シアノ酢酸エステルとしてはシアノ酢酸メチル、シアノ酢酸エチル、シアノ酢酸プロピル、シアノ酢酸ブチル等が挙げられる。これらのシアノ酢酸エステルは、炭素数は特に限定されないが、20以下であることが好ましい。
Examples of the chain cyanoether compound in which a nitrile group is bonded to at least one end of the chain ether compound include oxydipropionitrile NCCH 2 CH 2 —O—CH 2 CH 2 CN and 3-methoxypropionitrile CH 3. -O-CH 2 CH 2 CN, and the like. These chain cyano ether compounds are not particularly limited in carbon number, but are preferably 20 or less.
Further, when a chain cyanoether compound is used in the electrolytic solution, it is also preferable to add BF 3 . BF 3 exhibits properties as a strong Lewis acid because a boron atom is bonded to three fluorine atoms having a high electronegativity. For this reason, the vacant orbit of BF 3 is strongly coordinated to the oxygen lone pair present in the ether molecule to form a complex, and the electron density of oxygen decreases. As a result, the oxidation resistance of the ether molecules is improved, and the electrolytic solution has a wide potential window. In particular, if BF 3 is added to a cyanoether compound having two or more nitrile groups, the electron withdrawing effect of the nitrile group is increased, and the potential window can be further widened.
Examples of cyanoacetic acid esters include methyl cyanoacetate, ethyl cyanoacetate, propyl cyanoacetate, and butyl cyanoacetate. These cyanoacetic acid esters are not particularly limited in carbon number, but are preferably 20 or less.

これらニトリル化合物は電解液において電位窓を特に正方向に広げる作用を奏する。
電位窓を広げる作用の観点からジニトリル化合物が好ましい。中でも、セバコニトリルの採用が更に好ましい。
ただし、ニトリル化合物は粘度が高いので、上述の鎖状炭酸エステル、環状炭酸エステル及び/又は環状カルボン酸エステルと併用することが好ましい。更に好ましくはニトリル化合物と鎖状炭酸エステル及び環状炭酸エステルとを併用する。鎖状炭酸エステルとしてはジメチルカーボネートを採用することができ、環状炭酸エステルとしてはエチレンカーボネートを採用することができる。
この場合、有機溶媒全体に占めるニトリル化合物の配合割合は1〜90容量%とすることが好ましい。更に好ましくは5〜70容量%であり、更に更に好ましくは、10〜50容量%である。
These nitrile compounds have the effect of expanding the potential window particularly in the positive direction in the electrolytic solution.
A dinitrile compound is preferable from the viewpoint of the action of expanding the potential window. Of these, the use of sebacononitrile is more preferable.
However, since a nitrile compound has high viscosity, it is preferable to use together with the above-mentioned chain carbonate ester, cyclic carbonate ester, and / or cyclic carboxylic acid ester. More preferably, a nitrile compound, a chain carbonate ester and a cyclic carbonate ester are used in combination. Dimethyl carbonate can be employed as the chain carbonate, and ethylene carbonate can be employed as the cyclic carbonate.
In this case, the blending ratio of the nitrile compound in the whole organic solvent is preferably 1 to 90% by volume. More preferably, it is 5-70 volume%, More preferably, it is 10-50 volume%.

また、電解液に各種添加剤(例えば、ビニレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネート、エチレンサルファイト、プロパンサルトン)を0.1−3重量%程度入れることも好ましい。これにより、負極側で耐食性皮膜が形成され、耐食性が向上する。   In addition, it is also preferable to add various additives (for example, vinylene carbonate, fluoroethylene carbonate, ethylene sulfite, propane sultone) to the electrolyte solution in an amount of about 0.1 to 3% by weight. Thereby, a corrosion-resistant film is formed on the negative electrode side, and the corrosion resistance is improved.

Li塩の濃度は0.01mol/L以上であって、飽和状態よりも低い濃度とする。Li塩の濃度が0.01mol/L未満であると、Liイオンによるイオン伝導が小さくなり、電解液の電気抵抗が高くなるので好ましくない。他方、飽和状態を超えると、温度等の環境変化によって溶解しているLi塩が析出するので好ましくない。   The concentration of the Li salt is 0.01 mol / L or more and is lower than the saturated state. When the concentration of the Li salt is less than 0.01 mol / L, ion conduction by Li ions is reduced, and the electric resistance of the electrolytic solution is increased, which is not preferable. On the other hand, exceeding the saturation state is not preferable because the dissolved Li salt precipitates due to environmental changes such as temperature.

なお、電解液中の水分含有量は、できるだけ少なくなるようにすることが好ましい。水分含有量が多いとリチウムイオン電解質が溶解し難くなり、リチウムイオンのその結果、電解液の比電導度が低くなって、電池の内部抵抗や過電圧が高くなるという問題が生ずるからである。このため、電解液調整においては、ゼオライト等の脱水剤によって、溶媒の水分含有量を100ppm以下となるようにしておくことが好ましい。さらに好ましくは50ppm以下であり、最も好ましいのは30ppm以下である。   In addition, it is preferable that the water content in the electrolytic solution is as small as possible. This is because when the water content is high, the lithium ion electrolyte is difficult to dissolve, and as a result of the lithium ions, the specific conductivity of the electrolytic solution is lowered, and the internal resistance and overvoltage of the battery are increased. For this reason, in the adjustment of the electrolytic solution, it is preferable that the water content of the solvent be 100 ppm or less with a dehydrating agent such as zeolite. More preferred is 50 ppm or less, and most preferred is 30 ppm or less.

(正極)
正極は正極活物質と集電体とを備える。
(正極活物質)
正極活物質とは「負極よりも高い電位で結晶構造内にリチウムが挿入/離脱され、それに伴って酸化/還元が行われる物質」をいう。
正極活物質としては(1)酸化物系、(2)オリビン型結晶構造を有するリン酸塩系、(3)オリビンフッ化物系、(4)メタルふっ化物、等を挙げることができる。
(Positive electrode)
The positive electrode includes a positive electrode active material and a current collector.
(Positive electrode active material)
The positive electrode active material refers to “a material in which lithium is inserted / extracted in the crystal structure at a higher potential than the negative electrode, and oxidation / reduction is performed accordingly”.
Examples of the positive electrode active material include (1) oxides, (2) phosphates having an olivine crystal structure, (3) olivine fluorides, and (4) metal fluorides.

(1)酸化物系
1−1具体的物質
酸化物系としては、Li1−xCoO(x=0〜1:層状構造)、Li1−xNiO(x=0〜1:層状構造)、Li1−xMn(x=0〜1:スピネル構造)、Li2−yMnO(y=0〜2)及びこれらの固溶体(ここで固溶体とは、上記酸化物系の正極活物質において金属原子が自由な割合で混合された物質を指す。)を挙げることができる。ここでxは充放電にともなうリチウムのインターカレーション−デインターカレーションによって変化する。また、これらのうちの金属原子を他の金属原子でドープしたものも含まれる。ドーパントとしては酸化還元反応において電気化学的な特性を変化させられるものであれば特に限定されるものではない。例えば、Li、Mg、Al、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb及びMoの1種又はそれ以上を用いることができる。
1−2 特性
この正極活物質の一般的な放電電位は5V(vs Li/Li)未満である。但し、LiMn系でNiに一部置換した、LiNi0.5Mn1.5は、放電電位が4.7Vであり、急速充電をおこなう際には過電圧分を加味し、5Vを超える充電電圧を必要とする場合がある。また、LiCoMnOは放電電圧が5.2V程度から始まるため、これも充電電圧は5Vを超える。こうした高い充電電圧となる正極活物質においては、本発明のセパレータの耐高電圧という特性を有効に発揮できることから、好適に用いることができる。また、酸化物系は一般に300℃未満で分解し、酸素発生とともに比較的大きな発熱反応がある。このため、過充電が起こらないような制御回路が必要とされる。
(1) Oxide-based 1-1 specific substances As oxide-based materials, Li 1-x CoO 2 (x = 0 to 1: layered structure), Li 1-x NiO 2 (x = 0 to 1 : layered structure) ), Li 1-x Mn 2 O 4 (x = 0 to 1: spinel structure), Li 2−y MnO 3 (y = 0 to 2) and their solid solutions (herein, solid solutions are those of the above oxide series) In the positive electrode active material, it refers to a material in which metal atoms are mixed in a free ratio. Here, x varies depending on lithium intercalation-deintercalation accompanying charging and discharging. Moreover, what doped the metal atom of these with the other metal atom is also contained. The dopant is not particularly limited as long as the electrochemical characteristics can be changed in the oxidation-reduction reaction. For example, one or more of Li, Mg, Al, Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, and Mo can be used.
1-2 Characteristics The general discharge potential of this positive electrode active material is less than 5 V (vs Li / Li + ). However, LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 partially substituted with Ni in the LiMn 2 O 4 system has a discharge potential of 4.7 V, and takes into account overvoltage when performing rapid charging, and 5 V May require a charging voltage exceeding. Further, since LiCoMnO 4 starts with a discharge voltage of about 5.2V, the charge voltage also exceeds 5V. Such a positive electrode active material having a high charging voltage can be suitably used because it can effectively exhibit the high voltage resistance characteristic of the separator of the present invention. In addition, oxide systems generally decompose at less than 300 ° C., and have a relatively large exothermic reaction as oxygen is generated. Therefore, a control circuit that does not cause overcharging is required.

(2)オリビン型結晶構造を有するリン酸塩系
2−1具体的物質
オリビン型結晶構造を有するリン酸塩系としては、Li1−xNiPO(x=0〜1)、Li1−xCoPO(x=0〜1)、Li1−xMnPO(x=0〜1)、Li1−xFePO(x=0〜1)及びこれらの固溶体(ここで固溶体とは、上記リン酸塩系の正極活物質において金属原子が自由な割合で混合された物質を指す。)を挙げることができる。ここでxは充放電にともなうリチウムのインターカレーション−デインターカレーションによって変化する。また、これらのうちの金属原子を他の金属原子でドープしたものも含まれる。ドーパントとしては酸化還元反応において電気化学的な特性を変化させられるものであれば特に限定されるものではない。例えば、Mg、Al、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb及びMoの1種又は2種以上を用いることができる(特開2008−130525号参照)。
2−2 特性
この正極活物質の酸化還元電位は、上記酸化物系とは異なり300℃未満では発熱反応が小さい上、酸素は発生せず、安全性が高いことから注目されている。また、リン酸塩系のうち、LiCoPO系は放電電位が4.8V程度であり、急速充電に際しては5V以上で耐電圧を有する電解液が必要とされる。LiNiPOの放電電位は5.2V(vs Li/Li)が示唆されている。
(2) Phosphate-based 2-1 specific substance having olivine-type crystal structure As phosphate-based substances having olivine-type crystal structure, Li 1-x NiPO 4 (x = 0 to 1 ), Li 1-x CoPO 4 (x = 0 to 1 ), Li 1-x MnPO 4 (x = 0 to 1 ), Li 1-x FePO 4 (x = 0 to 1) and their solid solutions (herein the solid solution is the above-mentioned phosphorus In the acid salt positive electrode active material, it refers to a material in which metal atoms are mixed in a free ratio. Here, x varies depending on lithium intercalation-deintercalation accompanying charging and discharging. Moreover, what doped the metal atom of these with the other metal atom is also contained. The dopant is not particularly limited as long as the electrochemical characteristics can be changed in the oxidation-reduction reaction. For example, one or more of Mg, Al, Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, and Mo can be used (see JP 2008-130525 A).
2-2 Characteristics The oxidation-reduction potential of this positive electrode active material is attracting attention because, unlike the above oxide system, if it is less than 300 ° C., the exothermic reaction is small, oxygen is not generated, and safety is high. Of the phosphate systems, the LiCoPO 4 system has a discharge potential of about 4.8 V, and an electrolyte having a withstand voltage of 5 V or more is required for rapid charging. It is suggested that the discharge potential of LiNiPO 4 is 5.2 V (vs Li / Li + ).

(3)オリビンフッ化物系
3−1 具体的物質
Li2−xNiPOF(x=0〜2)、Li2−xCoPOF(x=0〜2)が知られており、その他Li2−xMnPOF(x=0〜2)、Li2−xFePOF(x=0〜2)が考えられる。ここでxは充放電にともなうリチウムのインターカレーション−デインターカレーションによって変化する。
また、これらの固溶体(ここで固溶体とは、上記オリビンフッ化物系の正極活物質において金属原子が自由な割合で混合された物質を指す。)も挙げることができる。さらに、これらのうちの金属原子を他の金属原子でドープしたものも含まれる。ドーパントとしては酸化還元反応において電気化学的な特性を変化させられるものであれば特に限定されるものではない。例えば、Mg、Al、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb及びMoの1種又はそれ以上を用いることができる。
3−2 特性
この正極活物質の酸化還元電位はオリビン系と同様に、上記酸化物系とは異なり、300℃未満の分解では、発熱反応が小さい上、酸素発生がないため、正極活物質由来の電池発火の影響は小さいと考えられ安全性の面で注目されている。また、電池の電気容量密度(mAh/g)を上記リン酸塩系よりも高くできる(特開2003−229126号公報参照)。しかし、例えばLiCoPOF系は、平均放電電位が4.8V程度であり、急速充電に際しては5V以上で耐電圧を有する電解液が必要とされる。また、LiNiPOF系の放電電位は5.3V(vs Li/Li)程度であり、5V以上で耐電圧を有する電解液が必要とされる。
(3) Olivine fluoride system 3-1 Specific substances Li 2-x NiPO 4 F (x = 0 to 2), Li 2-x CoPO 4 F (x = 0 to 2) are known, and other Li 2 -x MnPO 4 F (x = 0~2 ), Li 2-x FePO 4 F (x = 0~2) are considered. Here, x varies depending on lithium intercalation-deintercalation accompanying charging and discharging.
Further, these solid solutions (herein, the solid solution refers to a material in which metal atoms are mixed in a free ratio in the olivine fluoride-based positive electrode active material) can also be mentioned. Furthermore, the thing which doped the metal atom of these with another metal atom is also contained. The dopant is not particularly limited as long as the electrochemical characteristics can be changed in the oxidation-reduction reaction. For example, one or more of Mg, Al, Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, and Mo can be used.
3-2 Characteristics Similar to the olivine system, the redox potential of this positive electrode active material is different from that of the above oxide system. The effect of battery ignition is considered to be small, and is attracting attention in terms of safety. Moreover, the electric capacity density (mAh / g) of a battery can be made higher than the said phosphate system (refer Unexamined-Japanese-Patent No. 2003-229126). However, for example, the Li 2 CoPO 4 F system has an average discharge potential of about 4.8 V, and an electrolytic solution having a withstand voltage of 5 V or more is required for rapid charging. Further, the discharge potential of the Li 2 NiPO 4 F system is about 5.3 V (vs Li / Li + ), and an electrolytic solution having a withstand voltage at 5 V or more is required.

(4)メタルふっ化物
4−1 具体的物質及び特性
ペロブスカイト構造を有するFeFが挙げられる。この化合物はLiイオンを一分子あたり一個挿入した場合の理論容量密度が220mAh/gと計算され、従来のオリビン型結晶構造を有するリン酸塩系の正極活物質の理論容量密度(例えば、LiFePOでは170mAh/g)よりも大きなエネルギー密度を有するという利点がある。
また、FeFよりもさらに放電電位及びエネルギー密度(Wh/kg)が大きい正極活物質として、(LiNa1−x−y)nMF(式中、x,y及びnは0以上1以下の数であり、MはMn,Co及びNiのいずれかであり、該Mの一部はMg,Cu,Co,Mn,Al,Cr,Ga,V及びInの一種又は二種以上で置換されていてもよい)が挙げられる。この正極活物質はフッ素系のペロブスカイト構造を有し、MとしてMnやCoやNiを構成元素としている。完全な充電状態ではMFとなり、Mは+3価の状態と考えられる。また、完全な放電状態では、n=1となり、Mは+2価の状態と考えられる。この正極活物質はサイクリックボルタンメトリーにおいて4V(vs Li/Li)以上という高い電位において酸化還元波が観測され、4V(vs Li/Li)を超える高い放電電位を有することとなる。この値は、FeFの放電電圧3.3V(vs Li/Li)と比べて高いため、エネルギー密度がFeFよりも大きい正極活物質となる。さらには、リチウムイオンのみならず、ナトリウムイオンも出入りが可能であるため、リチウムイオン電池やナトリウムイオン電池の正極活物質として駆動させることができる。
(5)その他
その他、リチウム非含有のFeF、有機導電性物質を用いた共役系ポリマー、シェブレル相化合物等を用いることもできる。また、遷移金属カルコゲン化物、バナジウム酸化物およびそのリチウム塩、ニオブ酸化物およびそのリチウム塩、さらには、複数の異なった正極活物質を混合して用いることも可能である。
正極活物質粒子の平均粒径は、特に限定はされないが、10nm〜30μmであることが好ましい。
(4) FeF 3 having a metal fluoride 4-1 specific materials and properties perovskite structure. This compound has a theoretical capacity density of 220 mAh / g when one Li ion is inserted per molecule, and the theoretical capacity density of a phosphate-based positive electrode active material having a conventional olivine type crystal structure (for example, LiFePO 4 Has the advantage of having an energy density greater than 170 mAh / g).
Further, as a positive electrode active material having a discharge potential and energy density (Wh / kg) larger than that of FeF 3 , (Li x K y Na 1-xy ) nMF 3 (wherein x, y, and n are 0 or more) 1 or less, M is any one of Mn, Co and Ni, and a part of M is one or more of Mg, Cu, Co, Mn, Al, Cr, Ga, V and In. Which may be substituted). This positive electrode active material has a fluorine-based perovskite structure, and M is Mn, Co, or Ni as a constituent element. In the fully charged state, it becomes MF 3 and M is considered to be a +3 state. In a complete discharge state, n = 1 and M is considered to be a +2 state. In this positive electrode active material, a redox wave is observed at a high potential of 4 V (vs Li / Li + ) or higher in cyclic voltammetry, and the positive electrode active material has a high discharge potential exceeding 4 V (vs Li / Li + ). This value is higher than the FeF 3 discharge voltage 3.3V (vs Li / Li +) , the energy density is positive electrode active material larger than FeF 3. Furthermore, since not only lithium ions but also sodium ions can enter and exit, it can be driven as a positive electrode active material of a lithium ion battery or a sodium ion battery.
(5) Others In addition, lithium-free FeF 3 , conjugated polymers using organic conductive materials, chevrel phase compounds, and the like can also be used. In addition, transition metal chalcogenides, vanadium oxides and lithium salts thereof, niobium oxides and lithium salts thereof, and a plurality of different positive electrode active materials may be used in combination.
The average particle diameter of the positive electrode active material particles is not particularly limited, but is preferably 10 nm to 30 μm.

(正極用集電体)
正極用集電体とは正極活物質を担持する導電性の基体である。
正極の集電体の成形材料は、充電時において安定であることが要求される。特に、酸化還元電位の高いオリビン型結晶構造を有するリン酸塩系及びオリビンフッ化物系の正極活物質を用いるときには、耐食性に優れた素材を使用することが好ましい。
例えば、電解質としてLiPF、LiBFを使用する場合、オーステナイト系ステンレス、Ni、Al、Ti等を用いることができるが、使用する正極活物質の動作電位を考慮し、適宜選択することが好ましい。例えば、電解質としてLiPFを用いる場合は、Li/Li+電極に対して6Vでも使用することができるが、電解質としてLiBFを用いる場合、SUS304はLi/Li+電極に対し5.8V以下で充放電可能な場合のみ用いることができる。さらに好ましいのは、耐食性向上のためにモリブデンが添加されたSUS316、SUS316L及びSUS317が挙げられる。また、電解質としてLiTFSIを使用する場合、正極集電体表面に耐食性皮膜を形成させるべく、LiPFを共存させることが好ましい。LiBETI及びLiTFSもLiTFSIの場合と同様である。
また、Al、Ni、チタン、オーステナイト系ステンレス等の導電金属材料へ導電性DLC(ダイヤモンドライクカーボン)、グラッシーカーボン、金及び白金のうちの一種又は二種以上からなる導電性の耐食性皮膜が形成されたものを集電体として用いることもできる。電解質がLiBFやLiPFなど、容易にフッ化物皮膜を形成するようなリチウム塩の場合は、アルミニウム上へ厚いフッ化皮膜が形成し、耐食性は向上するものの、電子伝導性が低下し、ひいてはオーミック過電圧増加に伴う、高出力化が阻害されることとなる。Al等の導電金属材料へ導電性DLCを被覆すれば、フッ化物皮膜は導電性DLCの欠陥部分の極わずかな面積でのみ発生するだけである。このため、高電圧化しても電子伝導性の低下は無視できる程度となり、懸念されている高電圧化による出力低下は防ぐことが可能となる。
ここで、導電性ダイヤモンドライクカーボンとは、ダイヤモンド結合(炭素同士のSP混成軌道結合)とグラファイト結合(炭素同士のSP混成軌道結合)の両方の結合が混在しているアモルファス構造をとるカーボンのうち、導電性が1000Ωcm以下のものをいう。ただし、アモルファス構造以外に、部分的にグラファイト構造からなる結晶構造(すなわちSP混成軌道結合からなる六方晶系結晶構造)からなる相を有し、これにより導電性が発揮されるものも含まれる。グラファイトとダイヤモンドの中間の性質を有するダイヤモンドライクカーボンは、成膜時にダイヤモンドライクカーボンを構成する炭素原子のSP混成軌道結合とSP混成軌道結合の比率を調整することで、導電性を調節することができる。
勿論、上記耐食性導電性金属材料を導電性DLCで被覆してもよい。
集電体の形状及び構造は、正極活物質や電池の構造に応じて、任意に設計可能である。
(Current collector for positive electrode)
The positive electrode current collector is a conductive substrate carrying a positive electrode active material.
The molding material for the current collector of the positive electrode is required to be stable during charging. In particular, when using a phosphate-based and olivine fluoride-based positive electrode active material having an olivine-type crystal structure with a high redox potential, it is preferable to use a material excellent in corrosion resistance.
For example, when LiPF 6 or LiBF 4 is used as the electrolyte, austenitic stainless steel, Ni, Al, Ti, or the like can be used, but it is preferable to select them appropriately in consideration of the operating potential of the positive electrode active material to be used. For example, when LiPF 6 is used as the electrolyte, it can be used even at 6 V with respect to the Li / Li + electrode. However, when LiBF 4 is used as the electrolyte, SUS304 is 5.8 V or less with respect to the Li / Li + electrode. It can be used only when charge / discharge is possible. More preferable are SUS316, SUS316L and SUS317 to which molybdenum is added for improving corrosion resistance. Further, when LiTFSI is used as the electrolyte, it is preferable that LiPF 6 coexists in order to form a corrosion-resistant film on the surface of the positive electrode current collector. LiBETI and LiTFS are the same as in LiTFSI.
In addition, a conductive corrosion-resistant film made of one or more of conductive DLC (diamond-like carbon), glassy carbon, gold, and platinum is formed on a conductive metal material such as Al, Ni, titanium, and austenitic stainless steel. Can also be used as a current collector. When the electrolyte is a lithium salt such as LiBF 4 or LiPF 6 that easily forms a fluoride film, a thick fluoride film is formed on the aluminum and the corrosion resistance is improved, but the electronic conductivity is lowered, and consequently The increase in output accompanying the increase in ohmic overvoltage is impeded. If the conductive metal material such as Al is coated with the conductive DLC, the fluoride film is generated only in a very small area of the defective portion of the conductive DLC. For this reason, even if the voltage is increased, the decrease in electron conductivity is negligible, and it is possible to prevent the decrease in output due to the increased voltage, which is a concern.
Here, the conductive diamond-like carbon is carbon having an amorphous structure in which both bonds of diamond bonds (SP 3 hybrid orbital bonds between carbons) and graphite bonds (SP 2 hybrid orbital bonds between carbons) are mixed. Among them, the one whose conductivity is 1000 Ωcm or less. However, in addition to the amorphous structure, those having a phase composed of a crystal structure partially composed of a graphite structure (that is, a hexagonal crystal structure composed of SP 2 hybrid orbital bonds) and thereby exhibiting conductivity are also included. . Diamond-like carbon having properties intermediate between graphite and diamond adjusts the conductivity by adjusting the ratio of SP 2 hybrid orbital bonds and SP 3 hybrid orbital bonds of the carbon atoms constituting diamond-like carbon during film formation. be able to.
Of course, you may coat | cover the said corrosion-resistant electroconductive metal material with electroconductive DLC.
The shape and structure of the current collector can be arbitrarily designed according to the structure of the positive electrode active material and the battery.

(正極の前処理)
リチウムイオン電池用正極は、リチウムイオン電池に組み込む前に、ニトリル化合物を1容量%以上含む有機溶媒中にリチウム塩が溶解した前処理用電解液中に正電極を浸漬する浸漬処理工程を行い、さらに電極に正電圧を付与する正電圧処理工程を行なう。こうして前処理された電極は、ニトリル化合物を全く含まない電解液や、ニトリル化合物の添加量の少ない電解液を用いたリチウムイオン電池に用いても、電位窓が広く、高い電位においても電解液を分解し難くなる(特願2009−180007号参照)。このような広い電位窓の電極となる理由は、電極上に窒素を成分として含む耐食性の皮膜が形成されるためであると推測される。
(Pretreatment of positive electrode)
The positive electrode for a lithium ion battery performs an immersion treatment step of immersing the positive electrode in a pretreatment electrolytic solution in which a lithium salt is dissolved in an organic solvent containing 1% by volume or more of a nitrile compound before being incorporated in the lithium ion battery, Further, a positive voltage processing step for applying a positive voltage to the electrode is performed. The electrode thus pretreated has a wide potential window even when used in an electrolyte solution containing no nitrile compound or in a lithium ion battery using an electrolyte solution with a small amount of nitrile compound added. It becomes difficult to disassemble (see Japanese Patent Application No. 2009-180007). The reason why the electrode has such a wide potential window is presumed to be that a corrosion-resistant film containing nitrogen as a component is formed on the electrode.

(負極)
負極は負極活物質と集電体とを備える。
(負極活物質)
負極活物質とは「正極よりも低い電位で結晶構造内にリチウムが挿入/離脱され、それに伴って酸化/還元が行われる物質」をいう。
負極活物質としては、例えば、人造黒鉛、天然黒鉛、ハードカーボン等の種々の炭素材料やチタン酸リチウム(LiTi12)、HTi1225、HTi13、Feなどが挙げられる。また、これらを適宜混合した複合体も挙げることができる。さらには、Si微粒子やSi薄膜、これらのSiがSi−Ni、Si−Cu、Si−Nb、Si−Zn、Si−Sn等のSi系合金となった微粒子や薄膜が挙げられる。さらには、SiO酸化物、Si−SiO複合体、Si−SiO−カーボンなどの複合体等を挙げることができる。
(Negative electrode)
The negative electrode includes a negative electrode active material and a current collector.
(Negative electrode active material)
The negative electrode active material refers to “a material in which lithium is inserted / extracted in the crystal structure at a lower potential than the positive electrode, and oxidation / reduction is performed accordingly”.
Examples of the negative electrode active material include various carbon materials such as artificial graphite, natural graphite, and hard carbon, lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ), H 2 Ti 12 O 25 , H 2 Ti 6 O 13 , Fe 2 O 3 etc. are mentioned. Moreover, the composite material which mixed these suitably can also be mentioned. Furthermore, there may be mentioned Si fine particles and Si thin films, and fine particles and thin films in which these Si are Si-based alloys such as Si—Ni, Si—Cu, Si—Nb, Si—Zn, Si—Sn. Further, SiO oxide, Si-SiO 2 composite, Si-SiO 2 - can be given complex, etc., such as carbon.

(負極用集電体)
負極用の集電体は汎用的な導電性金属材料、Cu、Al、Ni、Ti、オーステナイト系ステンレス等で形成することができる。
但し、電解液にニトリル化合物を用いたとき(他の有機溶剤との併用を含む)には、電解液中のLi塩に応じて適宜選択する必要がある。すなわち、電解質としてLiPF、LiBFを使用する場合、オーステナイト系ステンレス、Ni、Al、Ti等の使用が可能となる。ただし、使用する負極活物質の動作電位に応じて、適宜選択する必要がある。負極活物質としてカーボン系やSi系を使用する場合において、電解質としてLiBFを使用した場合は、Cu以外のAl、Ni、Ti、オーステナイト系ステンレス等からなる集電体を使用することができる。負極活物質としてチタン酸リチウムやFe系の化合物を用いた場合は、Cuを含む上記材料の全てが適用可能である。一方、電解質としてLiPF使用時はAl、Ni及びTiが好ましく、オーステナイト系ステンレス及びCuは好ましくない。また、電解質としてLiTFSIや、LiBETI、やLiTFSを使用する場合、Ni、Ti、Al、Cu、オーステナイト系ステンレスの何れも使用することができる。
(Current collector for negative electrode)
The current collector for the negative electrode can be formed of a general-purpose conductive metal material, Cu, Al, Ni, Ti, austenitic stainless steel, or the like.
However, when a nitrile compound is used for the electrolytic solution (including combined use with other organic solvents), it is necessary to select appropriately according to the Li salt in the electrolytic solution. That is, when LiPF 6 or LiBF 4 is used as the electrolyte, austenitic stainless steel, Ni, Al, Ti, or the like can be used. However, it is necessary to select appropriately according to the operating potential of the negative electrode active material to be used. In the case of using carbon or Si as the negative electrode active material, when LiBF 4 is used as the electrolyte, a current collector made of Al, Ni, Ti, austenitic stainless or the like other than Cu can be used. In the case where lithium titanate or a Fe 2 O 3 based compound is used as the negative electrode active material, all of the above materials containing Cu are applicable. On the other hand, when LiPF 6 is used as the electrolyte, Al, Ni and Ti are preferable, and austenitic stainless steel and Cu are not preferable. In addition, when LiTFSI, LiBETI, or LiTFS is used as the electrolyte, any of Ni, Ti, Al, Cu, and austenitic stainless steel can be used.

(正極用電子伝導部材)
正極活物質には導電性の小さいものがある。従って、正極活物質と集電体との間に導電性の電子伝導部材を介在させて、両者の間に十分な電子伝導パスを確保することが好ましい。
ここで電子伝導部材は正極活物質と集電体との間に電子伝導パスを形成できればその形態は特に限定されるものではなく、例えばアセチレンブラック等のカーボンブラック、グラファイト粉、ダイヤモンドライクカーボン、グラッシーカーボン等の導電性粉体(導電助剤)を用いることができる。ダイヤモンドライクカーボン及びグラッシーカーボンは、カーボンブラックやグラファイトよりもはるかに広い電位窓を有しており、高電位を付与した場合の耐食性に優れているため、好適に用いることができる。また、これらの導電助剤に金属微粒子が担持されていることも好ましい。金属微粒子としては、例えばPt、Au、Ni等が挙げられる。これらは、単独で用いても良いし、これらの合金であっても良い。
また、正極活物質からなる粒子に、乾式めっき法によって導電性ダイヤモンドライクカーボンを付着させてもよい。こうであれば、導電性ダイヤモンドライクカーボンが導電助剤の役割を果たし、二次電池用正極のために必要な特性である電子伝導性が付与される。さらに、導電性ダイヤモンドライクカーボンは電位窓が広くて高い電位に対する耐久性に優れているため、高い電位で充電反応が行われる、エネルギー密度の高い正極活物質を有効に活用することができる。同様に、ダイヤモンドライクカーボンの代わりにグラッシーカーボンを用いることもできる。
電子伝導材料として、正極活物質を被覆する導電性皮膜(DLC膜等)、正極活物質を埋入させた導電性薄膜(金の薄膜等)を用いることができる。
特に、LiNiPOF系の正極活物質はそれ自身の及び/又はその表面皮膜の導電性が小さいので、これを集電体へ単に担持させてなるものではリチウムイオン電池の正極として機能しない場合がある。LiNiPOF系の正極活物質の性能評価のために、これを金等の導電薄膜へハンマー等で物理的に打ち込み、電池の正極を形成することができる。
ここにLiNiPOF系正極活物質とはLiNiPOF及びこれへ適宜ドーパントをドープしたものを指す。
(Electroconductive member for positive electrode)
Some positive electrode active materials have low electrical conductivity. Therefore, it is preferable to provide a sufficient electron conduction path between the positive electrode active material and the current collector by interposing a conductive electron conduction member.
Here, the form of the electron conducting member is not particularly limited as long as an electron conducting path can be formed between the positive electrode active material and the current collector. For example, carbon black such as acetylene black, graphite powder, diamond-like carbon, glassy Conductive powder (conductive aid) such as carbon can be used. Diamond-like carbon and glassy carbon have a much wider potential window than carbon black and graphite, and are excellent in corrosion resistance when a high potential is applied, and therefore can be suitably used. Moreover, it is also preferable that metal fine particles are supported on these conductive assistants. Examples of the metal fine particles include Pt, Au, Ni and the like. These may be used alone or an alloy thereof.
Further, conductive diamond-like carbon may be attached to the particles made of the positive electrode active material by a dry plating method. In this case, the conductive diamond-like carbon plays the role of a conductive auxiliary agent, and the electron conductivity that is a characteristic necessary for the positive electrode for the secondary battery is imparted. Furthermore, since conductive diamond-like carbon has a wide potential window and is excellent in durability against a high potential, a positive electrode active material having a high energy density in which a charging reaction is performed at a high potential can be effectively used. Similarly, glassy carbon can be used instead of diamond-like carbon.
As the electron conductive material, a conductive film (such as a DLC film) covering the positive electrode active material or a conductive thin film (such as a gold thin film) in which the positive electrode active material is embedded can be used.
In particular, since the Li 2 NiPO 4 F-based positive electrode active material has low conductivity of its own and / or its surface coating, it does not function as a positive electrode of a lithium ion battery if it is simply supported on a current collector. There is a case. In order to evaluate the performance of the Li 2 NiPO 4 F-based positive electrode active material, it can be physically driven into a conductive thin film such as gold with a hammer or the like to form the positive electrode of the battery.
Here, the Li 2 NiPO 4 F-based positive electrode active material refers to Li 2 NiPO 4 F and a material appropriately doped with dopant.

(負極用電子伝導部材)
正極用電子伝導部材と同様な物を用いることができる。
(Electroconductive member for negative electrode)
The thing similar to the electron conductive member for positive electrodes can be used.

(ケース)
ケースは電解液に対する耐食性を有する材質で形成される。その形状は、電池の目的用途に応じて任意に設計できる。
リチウム塩が溶解している電解液を使用する場合には、オーステナイト系ステンレスからなる基材、Ti、Ni及び/又はAlからなるケースを用いることができる。但し使用する正極、負極活物質の動作電位により適宜選択しなければならない場合もある。
ケースが集電体を兼ねる場合や集電体に電気的に結合される場合は、各電極の集電体形成材料と同一若しくは同種の材料で形成される。
ケースはAl箔をポリエチレン(PE)やポリプロピレン(PP)で覆ったAlラミネートフィルムを用いてもよい。その形状は、電池の目的用途に応じて任意に設計できる。
(Case)
The case is formed of a material having corrosion resistance against the electrolytic solution. The shape can be arbitrarily designed according to the intended use of the battery.
When using an electrolytic solution in which a lithium salt is dissolved, a base material made of austenitic stainless steel, a case made of Ti, Ni and / or Al can be used. However, there are cases where it is necessary to select appropriately depending on the operating potential of the positive electrode and negative electrode active material to be used.
When the case also serves as a current collector or is electrically coupled to the current collector, the case is formed of the same or the same material as the current collector forming material of each electrode.
The case may be an Al laminate film in which an Al foil is covered with polyethylene (PE) or polypropylene (PP). The shape can be arbitrarily designed according to the intended use of the battery.

−ナトリウムイオン電池−
この発明はナトリウムイオン電池にも適用することができる。
ここに、ナトリウムイオン電池は電解液、正極、負極、セパレータ及びケースを備えてなる。
-Sodium ion battery-
The present invention can also be applied to sodium ion batteries.
Here, the sodium ion battery includes an electrolytic solution, a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a case.

(電解液)
電解液はNa塩(電解質)と有機溶媒とを含んでいる。
Na塩には、従来からNaイオン電池用のNa塩として知られているものを用いることができる。例えば、例えば、NaClO、NaPF、NaBF、NaCFSO、NaN(CFSO、NaN(FSO、NaN(CSO、NaC(CFSO、NaB1212−x、また、Bを含むボレイト系アニオンである、NaBOB(Sodium bis[oxalate]borate)、LiBCB(Sodium bis[croconato]borate)、NaCSB(Sodium bis[croconato salicylato]borate)、NaBSB(Sodium bis[salicylato(2-)]borate)、NaBBB(Sodium bis[1,2-benzenediolato(2-)]borate)、NaBNB(Sodium bis[2,3-naphtalene-diolato(2-)-O,O’]borate)、NaBBPB(Sodium bis[2,3-biphenyldiolato(2-)-O,O’]borate)等が挙げられる。溶媒及び溶質の混合比は特に限定されず、目的に応じて適宜設定される。
また、各種添加剤(例えば、ビニレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネート、エチレンサルファイト、プロパンサルトン)を0.1−3%程度入れることも好ましい。これにより、負極側で耐食性皮膜で形成され、耐食性が向上する。
(Electrolyte)
The electrolytic solution contains Na salt (electrolyte) and an organic solvent.
As the Na salt, those conventionally known as Na salts for Na ion batteries can be used. For example, for example, NaClO 4 , NaPF 6 , NaBF 4 , NaCF 3 SO 3 , NaN (CF 3 SO 2 ) 2 , NaN (FSO 2 ) 2 , NaN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , NaC (CF 3 SO 2 ) 3 , NaB 12 F 12-x H x , and borate anions containing B, such as NaBOB (Sodium bis [oxalate] borate), LiBCB (Sodium bis [croconato] borate), NaCSB (Sodium bis [croconato] salicylato] borate), NaBSB (Sodium bis [salicylato (2-)] borate), NaBBB (Sodium bis [1,2-benzenediolato (2-)] borate), NaBNB (Sodium bis [2,3-naphtalene-diolato ( 2-)-O, O ′] borate), NaBBPB (Sodium bis [2,3-biphenyldiolato (2-)-O, O ′] borate) and the like. The mixing ratio of the solvent and the solute is not particularly limited and is appropriately set according to the purpose.
Moreover, it is also preferable to add various additives (for example, vinylene carbonate, fluoroethylene carbonate, ethylene sulfite, propane sultone) about 0.1 to 3%. Thereby, it forms with a corrosion-resistant film | membrane by the negative electrode side, and corrosion resistance improves.

有機溶媒もNaイオン電池に用いられる一般的なものを採用できる。かかる有機溶媒とし環状炭酸エステル、環状カルボン酸エステル及び鎖状炭酸エステルの中から選ばれる1種、又は2種以上が好ましい。更に好ましくは、環状炭酸エステルと鎖状炭酸エステルとを併用する。具体的には、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとを併用することが特に好ましい。両者の配合割合は特に限定されない。環状カルボン酸エステルとしはγ−ブチロラクトンやプロピレンカーボネートを用いることができる。
鎖状カーボネートは、ジメチルカーボネートのほかに、ジエチルカーボネートやエチルメチルカーボネートを使用することができる。
更にはニトリル化合物を有機溶媒として用いることができる。ここで、ニトリル化合物としては、鎖式飽和炭化水素化合物の両末端にニトリル基が結合した鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物、鎖式エーテル化合物の末端の少なくとも一つにニトリル基が結合した鎖式エーテルニトリル化合物及びシアノ酢酸エステルのうち少なくとも一つのニトリル化合物を挙げることができる。
As the organic solvent, a general one used for a Na ion battery can be adopted. As such an organic solvent, one kind or two or more kinds selected from cyclic carbonates, cyclic carboxylic acid esters and chain carbonates are preferable. More preferably, a cyclic carbonate and a chain carbonate are used in combination. Specifically, it is particularly preferable to use ethylene carbonate and dimethyl carbonate in combination. The blending ratio of both is not particularly limited. As the cyclic carboxylic acid ester, γ-butyrolactone or propylene carbonate can be used.
As the chain carbonate, in addition to dimethyl carbonate, diethyl carbonate or ethyl methyl carbonate can be used.
Furthermore, a nitrile compound can be used as an organic solvent. Here, as the nitrile compound, a chain saturated hydrocarbon dinitrile compound in which a nitrile group is bonded to both ends of a chain saturated hydrocarbon compound, a chain ether in which a nitrile group is bonded to at least one terminal of a chain ether compound. Mention may be made of at least one nitrile compound among nitrile compounds and cyanoacetic acid esters.

鎖式飽和炭化水素化合物の両末端にニトリル基が結合した鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物としては、例えば、スクシノニトリルNC(CHCN、グルタロニトリルNC(CHCN、アジポニトリルNC(CHCN、ピメロニトリルNC(CHCN、スベロニトリルNC(CHCN、セバコニトリルNC(CHCN、ドデカンジニトリルNC(CH10CNなどのような直鎖状のジニトリル化合物の他、2−メチルグルタロニトリルNCCH(CH)CHCHCN等のように分枝を有していても良い。これらの鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物は、炭素数は特に限定されないが、7〜20であることが好ましい。更に好ましくは10〜12である。 Examples of the chain saturated hydrocarbon dinitrile compound in which nitrile groups are bonded to both ends of the chain saturated hydrocarbon compound include succinonitrile NC (CH 2 ) 2 CN, glutaronitrile NC (CH 2 ) 3 CN, adiponitrile NC (CH 2 ) 4 CN, Pimeonitrile NC (CH 2 ) 5 CN, Suberonitrile NC (CH 2 ) 6 CN, Sebacononitrile NC (CH 2 ) 8 CN, Dodecandinitrile NC (CH 2 ) 10 CN, etc. In addition to the chain dinitrile compound, it may have a branch such as 2-methylglutaronitrile NCCH (CH 3 ) CH 2 CH 2 CN. These chain saturated hydrocarbon dinitrile compounds are not particularly limited in carbon number, but are preferably 7 to 20. More preferably, it is 10-12.

鎖式エーテル化合物の末端の少なくとも一つにニトリル基が結合した鎖式エーテルニトリル化合物としては、オキシジプロピオニトリルNCCHCH−O−CHCHCNや、3−メトキシプロピオニトリルCH−O−CHCHCN等が挙げられる。これらの鎖式エーテルニトリル化合物は、炭素数は特に限定されないが、20以下であることが好ましい。
シアノ酢酸エステルとしてはシアノ酢酸メチル、シアノ酢酸エチル、シアノ酢酸プロピル、シアノ酢酸ブチル等が挙げられる。これらのシアノ酢酸エステルは、炭素数は特に限定されないが、20以下であることが好ましい。
Examples of the chain ether nitrile compound in which a nitrile group is bonded to at least one end of the chain ether compound include oxydipropionitrile NCCH 2 CH 2 —O—CH 2 CH 2 CN and 3-methoxypropionitrile CH 3. -O-CH 2 CH 2 CN, and the like. These chain ether nitrile compounds are not particularly limited in carbon number, but are preferably 20 or less.
Examples of cyanoacetic acid esters include methyl cyanoacetate, ethyl cyanoacetate, propyl cyanoacetate, and butyl cyanoacetate. These cyanoacetic acid esters are not particularly limited in carbon number, but are preferably 20 or less.

これらニトリル化合物は電解液において電位窓を特に正方向に広げる作用を奏する。
電位窓を広げる作用の観点からジニトリル化合物が好ましい。中でも、セバコニトリルの採用が更に好ましい。
ただし、ニトリル化合物は粘度が高いので、上述の鎖状炭酸エステル、環状炭酸エステル及び/又は環状カルボン酸エステルと併用することが好ましい。更に好ましくはニトリル化合物と鎖状炭酸エステル及び環状炭酸エステルとを併用する。鎖状炭酸エステルとしてはジメチルカーボネートを採用することができ、環状炭酸エステルとしてはエチレンカーボネートを採用することができる。
この場合、有機溶媒全体に占めるニトリル化合物の配合割合は1〜90容量%とすることが好ましい。更に好ましくは15〜70容量%であり、更に更に好ましくは、30〜50容量%である。
These nitrile compounds have the effect of expanding the potential window particularly in the positive direction in the electrolytic solution.
A dinitrile compound is preferable from the viewpoint of the action of expanding the potential window. Of these, the use of sebacononitrile is more preferable.
However, since a nitrile compound has high viscosity, it is preferable to use together with the above-mentioned chain carbonate ester, cyclic carbonate ester, and / or cyclic carboxylic acid ester. More preferably, a nitrile compound, a chain carbonate ester and a cyclic carbonate ester are used in combination. Dimethyl carbonate can be employed as the chain carbonate, and ethylene carbonate can be employed as the cyclic carbonate.
In this case, the blending ratio of the nitrile compound in the whole organic solvent is preferably 1 to 90% by volume. More preferably, it is 15-70 volume%, More preferably, it is 30-50 volume%.

Na塩の濃度は0.01mol/L以上であって、飽和状態よりも低い濃度とする。Na塩の濃度が0.01mol/L未満であると、Naイオンによるイオン伝導が小さくなり、電解液の電気抵抗が高くなるので好ましくない。他方、飽和状態を超えると、温度等の環境変化によって溶解しているNa塩が析出するので好ましくない。   The concentration of Na salt is 0.01 mol / L or more, which is lower than the saturated state. If the concentration of Na salt is less than 0.01 mol / L, ion conduction due to Na ions is reduced, and the electric resistance of the electrolytic solution is increased, which is not preferable. On the other hand, exceeding the saturated state is not preferable because a dissolved Na salt is precipitated due to environmental changes such as temperature.

(正極)
正極は正極活物質と集電体とを備える。
正極活物質とは「二次電池の正極として充放電によって可逆的に酸化−還元を繰り返すことのできる物質」をいう。また、ナトリウムイオン電池の正極活物質としては、ナトリウムイオンを可逆的にインターカレート−デインターカレートできる物質であることが要求される。
このような正極活物質としては、特開2009−129741号公報に記載されているNaFeO、NaNiO、NaCoO、NaMnO、NaFe1−x1 x、NaNi1−x1 x2、NaCo1−x1 x、NaMn1−x1 x(ただし、M1は3価金属からなる群より選ばれる1種以上の元素であり、0≦x<0.5である。)で示される化合物等が挙げられる。これらのなかでも、主に鉄とナトリウムとを含有する複合酸化物であって、六方晶の結晶構造からなる複合酸化物を正極活物質として用いることにより、高い放電電圧を得ることができ、エネルギー密度の高い二次電池を得ることができる。
また、(LiNa(3−x)Fe(式中、nは0以上1以下の数であり、xは0以上3以下の数であり、Feの一部はMg,Ni,Cu,Co,Mn,Al,Cr,Ga,V及びInの一種又は二種以上で置換されていてもよい)で表される化合物も正極活物質として用いることができる。
この正極活物質は、4V(vs Li/Li+)程度という、高い放電電位を有する。また、理論容量密度は、理論的に最高の充電状態と考えられるFeの状態(すなわちn=0の状態)から、理論的に最高の放電状態と考えられるLiNa(3−x)Feの状態(すなわちn=1の状態)までで、リチウムイオンベースとして190mAh/gという高い値を示す。このため、電圧と電気容量密度を加味した理論容量密度は、700Wh/kg(=3.7V×190mAh/g)であり、高い容量密度が期待できる。この値は、LiFePOの理論容量密度である570Wh/kg(=3.4V×170mAh/g)の約1.23倍である。しかも、出入りするアルカリ金属として、リチウムイオン以外にナトリウムイオンも可能であるため、リチウムイオン電池の正極活物質としてだけでなく、ナトリウムイオン電池の正極活物質としても、用いることができる。
メタルふっ化物もナトリウムイオン電池の正極活物質として用いることができる。ペロブスカイト構造を有するFeFが挙げられる。この化合物はLiイオンを一分子あたり一個挿入した場合の理論容量密度が220mAh/gと計算され、従来のオリビン型結晶構造を有するリン酸塩系の正極活物質の理論容量密度(例えば、LiFePOでは170mAh/g)よりも大きなエネルギー密度を有するという利点がある。
また、FeFよりもさらに放電電位及びエネルギー密度(Wh/kg)が大きい正極活物質として、(LiNa1−x−y)nMF(式中、x,y及びnは0以上1以下の数であり、MはMn,Co及びNiのいずれかであり、該Mの一部はMg,Cu,Co,Mn,Al,Cr,Ga,V及びInの一種又は二種以上で置換されていてもよい)が挙げられる。この正極活物質はフッ素系のペロブスカイト構造を有し、MとしてMnやCoやNiを構成元素としている。完全な充電状態ではMFとなり、Mは+3価の状態と考えられる。また、完全な放電状態では、n=1となり、Mは+2価の状態と考えられる。ナトリウムイオンのみならず、リチウムイオンも出入りが可能であるため、リチウムイオン電池やナトリウムイオン電池の正極活物質として駆動させることができる。
(Positive electrode)
The positive electrode includes a positive electrode active material and a current collector.
The positive electrode active material refers to a “substance that can be reversibly oxidized and reduced by charge and discharge as a positive electrode of a secondary battery”. Further, the positive electrode active material of the sodium ion battery is required to be a material capable of reversibly intercalating and deintercalating sodium ions.
Examples of such positive electrode active materials include NaFeO 2 , NaNiO 2 , NaCoO 2 , NaMnO 2 , NaFe 1-x M 1 x O 2 , and NaNi 1-x M 1 x described in JP-A-2009-129741. O 2 , NaCo 1-x M 1 x O 2 , NaMn 1-x M 1 x O 2 (where M 1 is one or more elements selected from the group consisting of trivalent metals, and 0 ≦ x <0 .5)) and the like. Among these, a composite oxide mainly containing iron and sodium, and using a composite oxide having a hexagonal crystal structure as a positive electrode active material, a high discharge voltage can be obtained. A secondary battery having a high density can be obtained.
Further, (Li x Na (3-x) ) n Fe 2 F 7 (wherein n is a number of 0 or more and 1 or less, x is a number of 0 or more and 3 or less, and a part of Fe is Mg, A compound represented by one or more of Ni, Cu, Co, Mn, Al, Cr, Ga, V, and In may also be used as the positive electrode active material.
This positive electrode active material has a high discharge potential of about 4 V (vs Li / Li + ). The theoretical capacity density is Li x Na (3-x ) which is considered to be the theoretically highest discharge state from the state of Fe 2 F 7 which is theoretically considered to be the highest charged state (ie, the state where n = 0). ) It shows a high value of 190 mAh / g as a lithium ion base up to the state of Fe 2 F 7 (that is, the state of n = 1). For this reason, the theoretical capacity density in consideration of voltage and electric capacity density is 700 Wh / kg (= 3.7 V × 190 mAh / g), and a high capacity density can be expected. This value is about 1.23 times the theoretical capacity density of LiFePO 4 570 Wh / kg (= 3.4 V × 170 mAh / g). Moreover, since sodium ions can be used as the incoming and outgoing alkali metals in addition to lithium ions, they can be used not only as positive electrode active materials for lithium ion batteries but also as positive electrode active materials for sodium ion batteries.
Metal fluorides can also be used as the positive electrode active material for sodium ion batteries. An example is FeF 3 having a perovskite structure. This compound has a theoretical capacity density of 220 mAh / g when one Li ion is inserted per molecule, and the theoretical capacity density of a phosphate-based positive electrode active material having a conventional olivine type crystal structure (for example, LiFePO 4 Has the advantage of having an energy density greater than 170 mAh / g).
Further, as a positive electrode active material having a discharge potential and energy density (Wh / kg) larger than that of FeF 3 , (Li x K y Na 1-xy ) nMF 3 (wherein x, y, and n are 0 or more) 1 or less, M is any one of Mn, Co and Ni, and a part of M is one or more of Mg, Cu, Co, Mn, Al, Cr, Ga, V and In. Which may be substituted). This positive electrode active material has a fluorine-based perovskite structure, and M is Mn, Co, or Ni as a constituent element. In the fully charged state, it becomes MF 3 and M is considered to be a +3 state. In a complete discharge state, n = 1 and M is considered to be a +2 state. Since not only sodium ions but also lithium ions can enter and exit, it can be driven as a positive electrode active material for lithium ion batteries and sodium ion batteries.

上記正極活物質として、さらに好ましくは、主に鉄とナトリウムとを含有する複合酸化物であって、六方晶の結晶構造を有し、かつ該複合酸化物のX線回折分析において、面間隔2.20オングストロームのピークの強度を面間隔5.36オングストロームのピークの強度で除した値が2以下である複合酸化物である。またナトリウム化合物と鉄化合物とを含有する金属化合物混合物を、400℃以上900℃以下の温度範囲で加熱するにあたり、温度上昇中の100℃未満の温度範囲においては雰囲気を不活性雰囲気として加熱することが好ましい。
また、これらの化合物うちの遷移金属原子を他の金属原子でドープしたものでもよい。ドーパントとしては酸化還元反応において電気化学的な特性を変化させられるものであれば特に限定されるものではない。
(正極の前処理)
ナトリウムイオン電池用正極は、ナトリウムイオン電池に組み込む前に、ニトリル化合物を1容量%以上含む有機溶媒中にナトリウム塩が溶解した前処理用電解液中に正電極を浸漬する浸漬処理工程を行い、さらに電極に正電圧を付与する正電圧処理工程を行なうこともできる。こうして前処理された電極は、ニトリル化合物を全く含まない電解液や、ニトリル化合物の添加量の少ない電解液を用いたナトリウムイオン電池に用いても、電位窓が広く、高い電位においても電解液を分解し難くなる。このような広い電位窓の電極となる理由は、電極上に窒素を成分として含む耐食性の皮膜が形成されるためであると推測される。
More preferably, the positive electrode active material is a composite oxide mainly containing iron and sodium, has a hexagonal crystal structure, and has an interplanar spacing of 2 in the X-ray diffraction analysis of the composite oxide. A complex oxide having a value obtained by dividing the intensity of a peak of 20 angstroms by the intensity of a peak of 5.36 angstroms in plane spacing is 2 or less. In heating a metal compound mixture containing a sodium compound and an iron compound in a temperature range of 400 ° C. or more and 900 ° C. or less, the atmosphere is heated as an inert atmosphere in a temperature range of less than 100 ° C. during the temperature increase. Is preferred.
Moreover, what doped the transition metal atom of these compounds with the other metal atom may be used. The dopant is not particularly limited as long as the electrochemical characteristics can be changed in the oxidation-reduction reaction.
(Pretreatment of positive electrode)
The positive electrode for a sodium ion battery is subjected to an immersion treatment step of immersing the positive electrode in a pretreatment electrolyte solution in which a sodium salt is dissolved in an organic solvent containing 1% by volume or more of a nitrile compound before being incorporated in the sodium ion battery, Furthermore, a positive voltage processing step of applying a positive voltage to the electrode can be performed. The electrode thus pretreated has a wide potential window even when used in an electrolyte solution containing no nitrile compound or an electrolyte solution with a small amount of nitrile compound added. It becomes difficult to disassemble. The reason why the electrode has such a wide potential window is presumed to be that a corrosion-resistant film containing nitrogen as a component is formed on the electrode.

(負極)
負極は負極活物質と集電体とを備える。
負極活物質とは「二次電池の負極として充放電によってナトリウムイオンが出入りするとともに可逆的に酸化−還元を繰り返すことのできる物質」であり、本発明においてはLiTi12を用いる。
(Negative electrode)
The negative electrode includes a negative electrode active material and a current collector.
The negative electrode active material is a “substance that allows sodium ions to enter and exit as a negative electrode of a secondary battery and reversibly repeat oxidation and reduction”. In the present invention, Li 4 Ti 5 O 12 is used.

集電体、正極用電子伝導部材、負極用電子伝導部材及びケースについては、上記リチウムイオン電池の説明で述べた材料を同様に用いることができる。   For the current collector, the positive electrode electron conductive member, the negative electrode electron conductive member, and the case, the materials described in the description of the lithium ion battery can be similarly used.

この発明は、上記発明の実施形態の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。   The present invention is not limited to the description of the embodiment of the invention. Various modifications may be included in the present invention as long as those skilled in the art can easily conceive without departing from the description of the scope of claims.

10…セパレータ(10a…PTFE膜、10b…PE膜)、11…正極缶、12…負極キャップ、14…正極活物質ペレット(正極)、18…リチウム負極活物質(負極) DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Separator (10a ... PTFE film | membrane, 10b ... PE film | membrane), 11 ... Positive electrode can, 12 ... Negative electrode cap, 14 ... Positive electrode active material pellet (positive electrode), 18 ... Lithium negative electrode active material (negative electrode)

Claims (3)

正極と負極との間にセパレータが密着して挿入された電気化学セルであって、
該セパレータは多孔性を有する多層膜とされており、該多層膜のうち該正極側と接触する膜はポリテトラフルオロエチレンからなり、該多層膜のうち負極側と接する膜はポリエチレンまたはポリプロピレンからなることを特徴とする電気化学セル。
An electrochemical cell in which a separator is inserted in close contact between a positive electrode and a negative electrode,
The separator is a multilayer film having porosity, and the film in contact with the positive electrode side of the multilayer film is made of polytetrafluoroethylene, and the film in contact with the negative electrode side of the multilayer film is made of polyethylene or polypropylene. An electrochemical cell characterized by that.
前記セパレータ中に絶縁性セラミック粉体が含有されている請求項1記載の電気化学セル。   The electrochemical cell according to claim 1, wherein an insulating ceramic powder is contained in the separator. 前記正極と前記負極との間に印加される電圧が4.5V以上である、請求項1又は2に記載の電気化学セル。   The electrochemical cell according to claim 1 or 2, wherein a voltage applied between the positive electrode and the negative electrode is 4.5 V or more.
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CN112514152A (en) * 2018-08-10 2021-03-16 日本瑞翁株式会社 Slurry composition for nonaqueous secondary battery adhesive layer, adhesive layer for nonaqueous secondary battery, separator for nonaqueous secondary battery, and nonaqueous secondary battery

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