JP2016110970A - Aqueous secondary battery - Google Patents
Aqueous secondary battery Download PDFInfo
- Publication number
- JP2016110970A JP2016110970A JP2015070962A JP2015070962A JP2016110970A JP 2016110970 A JP2016110970 A JP 2016110970A JP 2015070962 A JP2015070962 A JP 2015070962A JP 2015070962 A JP2015070962 A JP 2015070962A JP 2016110970 A JP2016110970 A JP 2016110970A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- group
- secondary battery
- active material
- negative electrode
- positive electrode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Landscapes
- Secondary Cells (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
Abstract
Description
本発明は、水系二次電池に関する。 The present invention relates to an aqueous secondary battery.
近年、携帯電話、ノートパソコン等のIT機器や電気自動車の電源に、二次電池が広く用いられている。特に、起電力、エネルギー密度、充放電エネルギー効率等の電池特性が高く、自己放電が少ない等の観点から、リチウムイオン二次電池が広く用いられている。リチウムイオン二次電池は、高電圧の充放電を可能にするため、例えば電解液に、有機溶媒を含む非水系電解液が用いられる。また、電極には、正極および負極のいずれかに、例えばリチウム遷移金属酸化物等が用いられる。 In recent years, secondary batteries have been widely used as power sources for IT devices such as mobile phones and notebook computers and electric vehicles. In particular, lithium ion secondary batteries are widely used from the viewpoints of high battery characteristics such as electromotive force, energy density, charge / discharge energy efficiency, and low self-discharge. Lithium ion secondary batteries use a non-aqueous electrolyte solution containing an organic solvent, for example, as an electrolyte solution in order to enable high voltage charge / discharge. For the electrode, for example, a lithium transition metal oxide or the like is used for either the positive electrode or the negative electrode.
電池特性を高めるため、リチウムイオン二次電池に用いる材料が日々研究されている。特許文献1には、リチウムイオン二次電池の電極に用いる技術として、リチウムイオン二次電池を蓄電デバイスとした蓄電デバイス用電極活物質の技術が開示されている。具体的には、リチウムイオン二次電池において、エネルギー密度を高めるため、電極に、テトラケトン化合物を含む電極活物質が用いられている。
In order to improve battery characteristics, materials used for lithium ion secondary batteries are being researched daily.
しかしながら、リチウムイオン二次電池に用いられる有機溶媒を含む電解液は、可燃性があり、人体に有害である。リチウムイオン二次電池は、使用時に万が一破損し、電解液が電池筐体より外部へ漏出してしまうと、使用者に危険が伴うという問題があった。 However, an electrolytic solution containing an organic solvent used for a lithium ion secondary battery is flammable and harmful to the human body. The lithium ion secondary battery has a problem that it is dangerous for the user if it is damaged in use and the electrolyte solution leaks out of the battery casing.
そこで、本発明は、使用時に万が一破損し、電池筐体より漏出しても安全な電解液を使用した二次電池を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a secondary battery that uses an electrolytic solution that is safe even if it is damaged during use and leaks from the battery casing.
前記課題を解決するための本発明の要旨は以下に示す通りである。 The gist of the present invention for solving the above problems is as follows.
メタロセン化合物を活物質として含む正極と、オルトキノン化合物を活物質として含む負極と、水性電解液と、を備える水系二次電池。 An aqueous secondary battery comprising a positive electrode containing a metallocene compound as an active material, a negative electrode containing an orthoquinone compound as an active material, and an aqueous electrolyte.
前記正極及び負極の少なくとも一方が導電助剤を含む水系二次電池。 An aqueous secondary battery in which at least one of the positive electrode and the negative electrode contains a conductive additive.
前記水性電解液が、アルカリ金属元素の塩及び第2族元素の塩からなる群より選択される少なくとも1種の塩を含有する水系二次電池。 An aqueous secondary battery, wherein the aqueous electrolyte contains at least one salt selected from the group consisting of a salt of an alkali metal element and a salt of a Group 2 element.
前記水性電解液が、ナトリウム塩を含有する水系二次電池。 An aqueous secondary battery in which the aqueous electrolyte contains a sodium salt.
前記水性電解液中の溶存酸素量が、7.3ppm以下である水系二次電池。 An aqueous secondary battery in which the amount of dissolved oxygen in the aqueous electrolytic solution is 7.3 ppm or less.
前記オルトキノン化合物が、下記式(1)で表される化合物、又は下記式(1)で表される化合物に由来する構造単位を含むオリゴマーである水系二次電池。 An aqueous secondary battery in which the orthoquinone compound is an oligomer including a structural unit derived from a compound represented by the following formula (1) or a compound represented by the following formula (1).
(式中、R1〜R4は、それぞれ独立して、水素原子、ハロゲン原子、複素環基、アミノ基、ニトロ基、ホルミル基、シアノ基、ヒドロキシ基、アルコキシ基、チオール基、アルキルチオ基、アルキルカルボニル基、アリールカルボニル基、アルキルスルホニル基、アリールスルホニル基、若しくは炭化水素基である。複素環基、アミノ基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アルキルカルボニル基、アリールカルボニル基、アルキルスルホニル基、アリールスルホニル基、及び炭化水素基は、置換されていてもよい。R1〜R4のいずれか2つ以上の基が一緒になって、それぞれが結合している炭素原子と共に、置換されていてもよい環構造を形成してもよい。)
(In the formula, R 1 to R 4 are each independently a hydrogen atom, a halogen atom, a heterocyclic group, an amino group, a nitro group, a formyl group, a cyano group, a hydroxy group, an alkoxy group, a thiol group, an alkylthio group, Alkylcarbonyl group, arylcarbonyl group, alkylsulfonyl group, arylsulfonyl group, or hydrocarbon group, heterocyclic group, amino group, alkoxy group, alkylthio group, alkylcarbonyl group, arylcarbonyl group, alkylsulfonyl group, arylsulfonyl The group and the hydrocarbon group may be substituted, and any two or more groups of R 1 to R 4 may be substituted together with the carbon atom to which each is bonded. A ring structure may be formed.)
前記オルトキノン化合物が、下記式(2)で表される化合物、又は下記式(2)で表される化合物に由来する構造単位を含むオリゴマーである水系二次電池。 An aqueous secondary battery in which the orthoquinone compound is an oligomer including a structural unit derived from a compound represented by the following formula (2) or a compound represented by the following formula (2).
(式中、R11〜R18は、それぞれ独立して、水素原子、ハロゲン原子、複素環基、アミノ基、ニトロ基、ホルミル基、シアノ基、ヒドロキシ基、アルコキシ基、チオール基、アルキルチオ基、アルキルカルボニル基、アリールカルボニル基、アルキルスルホニル基、アリールスルホニル基、若しくは炭化水素基である。複素環基、アミノ基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アルキルカルボニル基、アリールカルボニル基、アルキルスルホニル基、アリールスルホニル基、及び炭化水素基は、置換されていてもよい。R11〜R18のいずれか2つ以上の基が一緒になって、それぞれが結合している炭素原子と共に、置換されていてもよい環構造を形成してもよい。)
(Wherein R 11 to R 18 are each independently a hydrogen atom, halogen atom, heterocyclic group, amino group, nitro group, formyl group, cyano group, hydroxy group, alkoxy group, thiol group, alkylthio group, Alkylcarbonyl group, arylcarbonyl group, alkylsulfonyl group, arylsulfonyl group, or hydrocarbon group, heterocyclic group, amino group, alkoxy group, alkylthio group, alkylcarbonyl group, arylcarbonyl group, alkylsulfonyl group, arylsulfonyl The group and the hydrocarbon group may be substituted, and any two or more groups of R 11 to R 18 may be substituted together with the carbon atom to which each is bonded. A ring structure may be formed.)
前記メタロセン化合物が、下記式(3)で表される化合物、又は下記式(3)で表される化合物に由来する構造単位を含むオリゴマーである水系二次電池。 An aqueous secondary battery in which the metallocene compound is an oligomer including a structural unit derived from a compound represented by the following formula (3) or a compound represented by the following formula (3).
(式中、R21〜R30は、それぞれ独立して、水素原子、ハロゲン原子、複素環基、アミノ基、ニトロ基、ホルミル基、シアノ基、ヒドロキシ基、アルコキシ基、チオール基、アルキルチオ基、アルキルカルボニル基、アリールカルボニル基、アルキルスルホニル基、アリールスルホニル基、若しくは炭化水素基である。複素環基、アミノ基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アルキルカルボニル基、アリールカルボニル基、アルキルスルホニル基、アリールスルホニル基、及び炭化水素基は、置換されていてもよい。Mは、遷移金属原子である。)
(In the formula, R 21 to R 30 are each independently a hydrogen atom, a halogen atom, a heterocyclic group, an amino group, a nitro group, a formyl group, a cyano group, a hydroxy group, an alkoxy group, a thiol group, an alkylthio group, Alkylcarbonyl group, arylcarbonyl group, alkylsulfonyl group, arylsulfonyl group, or hydrocarbon group, heterocyclic group, amino group, alkoxy group, alkylthio group, alkylcarbonyl group, arylcarbonyl group, alkylsulfonyl group, arylsulfonyl The group and the hydrocarbon group may be substituted, and M is a transition metal atom.)
前記メタロセン化合物がフェロセンである水系二次電池。 An aqueous secondary battery in which the metallocene compound is ferrocene.
本発明の水系二次電池は、水性電解液を用いる。これにより、本発明の二次電池は、使用時に万が一破損した場合であっても、安全である。さらに、負極に、活物質としてオルトキノン化合物を用いることにより、安全、高出力かつ充放電のサイクル特性が高い二次電池を提供することができる。 The aqueous secondary battery of the present invention uses an aqueous electrolyte. Thereby, the secondary battery of this invention is safe even if it should be damaged by any chance at the time of use. Furthermore, by using an orthoquinone compound as an active material for the negative electrode, a secondary battery having high safety, high output, and high charge / discharge cycle characteristics can be provided.
以下、本発明の水系二次電池について詳細に説明する。
本発明の水系二次電池は、メタロセン化合物を活物質として含む正極と、オルトキノン化合物を活物質として含む負極と、水性電解液とを備える。これらに加えて、上述した課題を解決する範囲で、必要に応じてその他の構成を備えていてもよい。それぞれについて、以下に説明する。
Hereinafter, the water-based secondary battery of the present invention will be described in detail.
The aqueous secondary battery of the present invention includes a positive electrode containing a metallocene compound as an active material, a negative electrode containing an orthoquinone compound as an active material, and an aqueous electrolyte. In addition to these, other configurations may be provided as needed within the scope of solving the above-described problems. Each will be described below.
[水系二次電池の構造]
はじめに、本発明の水系二次電池の一実施形態の形状、構造について、図1を用いて説明する。本実施形態の水系二次電池10は、正極集電体11にメタロセン化合物を含む正極活物質層12を形成した正極シート13と、負極集電体14の表面にオルトキノン化合物を含む負極活物質層17を形成した負極シート18と、正極シート13と負極シート18との間に設けられたセパレータ19と、正極シート13と負極シート18の間を満たす水性電解液20と、を備えたものである。この水系二次電池10では、正極シート13と負極シート18との間にセパレータ19を挟み、これらを捲回して円筒ケース22に挿入し、正極シート13に接続された正極端子24と負極シート18に接続された負極端子26とを配設して形成されている。本実施形態の正極シート13が、本発明の正極の一例である。本実施形態の負極シート18が、本発明の負極の一例である。本実施形態の水系二次電池では、正極シート13と、負極シート18と、水性電解液20とを収容するケースは、円筒ケース22を用いた円筒形状とするが、いずれの形態であってもよい。ケースの形態はラミネートタイプ、コイン型など多種多様である。形状としては例えば、コイン型、ボタン型、シート型、積層型、円筒型、偏平型、角型等が挙げられる。また、電気自動車等に用いる大型のもの等に適用してもよい。
[Structure of water-based secondary battery]
First, the shape and structure of an embodiment of the aqueous secondary battery of the present invention will be described with reference to FIG. The aqueous
正極集電体11および負極集電体14の材料には、正極、負極それぞれの電位において副反応が発生しない材料が用いられる。より具体的には、正極集電体11および負極集電体14には、正極および負極の電位において溶解等の反応が発生しない耐食性を有する材料を用いればよい。正極集電体11および負極集電体14の材料には、たとえば、金属材料、合金、炭素材料、無機導電性酸化物材料などを用いることができる。金属材料は、例えば、銅、ニッケル、真鍮、亜鉛、アルミニウム、ステンレス、タングステン、金、白金等である。合金は、例えばSUSなどである。炭素材料は、例えば、黒鉛、ハードカーボン、ガラス状炭素等である。
As the material of the positive electrode
(負極活物質)
前述した図1の負極シート18に示す水系二次電池の負極は、例えば、負極集電体上に負極活物質を含む負極活物質層を設けてなる。水系二次電池の負極活物質は、オルトキノン化合物を含む。ここで、オルトキノン化合物とは、隣接する2つのカルボニル基を有するオルトキノン構造を含む芳香環を有する化合物をいう。
(Negative electrode active material)
The negative electrode of the aqueous secondary battery shown in the
前記オルトキノン化合物としては、下記式(1)で表される化合物、又は下記式(1)で表される化合物に由来する構造単位を含むオリゴマーが好ましい。 As the orthoquinone compound, an oligomer containing a structural unit derived from a compound represented by the following formula (1) or a compound represented by the following formula (1) is preferable.
前記式(1)中、R1〜R4は、それぞれ独立して、水素原子、ハロゲン原子、複素環基、アミノ基、ニトロ基、ホルミル基、シアノ基、ヒドロキシ基、アルコキシ基、チオール基、アルキルチオ基、アルキルカルボニル基、アリールカルボニル基、アルキルスルホニル基、アリールスルホニル基、若しくは炭化水素基である。複素環基、アミノ基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アルキルカルボニル基、アリールカルボニル基、アルキルスルホニル基、アリールスルホニル基、及び炭化水素基は、置換されていてもよい。R1〜R4のいずれか2つ以上の基が一緒になって、それぞれが結合している炭素原子と共に、置換されていてもよい環構造を形成してもよい。なお、R1〜R4の基に含まれる炭素数は少ない方が好ましい。 In the formula (1), R 1 to R 4 are each independently a hydrogen atom, a halogen atom, a heterocyclic group, an amino group, a nitro group, a formyl group, a cyano group, a hydroxy group, an alkoxy group, a thiol group, An alkylthio group, an alkylcarbonyl group, an arylcarbonyl group, an alkylsulfonyl group, an arylsulfonyl group, or a hydrocarbon group; The heterocyclic group, amino group, alkoxy group, alkylthio group, alkylcarbonyl group, arylcarbonyl group, alkylsulfonyl group, arylsulfonyl group, and hydrocarbon group may be substituted. Any two or more groups of R 1 to R 4 may be combined to form an optionally substituted ring structure together with the carbon atom to which each is bonded. In addition, it is preferable that the number of carbon atoms contained in the groups R 1 to R 4 is small.
前記式(1)におけるR1〜R4のハロゲン原子としては、例えばフッ素、塩素、臭素、ヨウ素等が挙げられる。これらのうち、塩素、臭素が好ましく、臭素がより好ましい。 Examples of the halogen atom of R 1 to R 4 in the formula (1) include fluorine, chlorine, bromine, iodine and the like. Of these, chlorine and bromine are preferable, and bromine is more preferable.
前記複素環基としては、例えばピリジル基、ピリミジル基、フリル基、チェニル基、テトラヒドロフリル基、ジオキソラニル基、ベンゾオキサゾール−2−イル基、テトラヒドロピラニル基、ピロリジル基、イミダゾリシル基、ピラゾリシル基、チアゾリシル基、インチアゾリシル基、オキサゾリシル基、イソオキサゾリシル基、ピペリジル基、ピペラジル基、モルホリニル基等のヘテロ原子として窒素原子、酸素原子、硫黄原子等を含む5〜6員の芳香族複素環基及び脂肪族複素環基が挙げられる。 Examples of the heterocyclic group include pyridyl group, pyrimidyl group, furyl group, chenyl group, tetrahydrofuryl group, dioxolanyl group, benzoxazol-2-yl group, tetrahydropyranyl group, pyrrolidyl group, imidazolicyl group, pyrazolysyl group, thiazolysyl group 5- to 6-membered aromatic heterocyclic groups containing a nitrogen atom, an oxygen atom, a sulfur atom, etc. as a heteroatom such as a group, inch azolysyl group, oxazolyl group, isoxazolyl group, piperidyl group, piperazyl group, morpholinyl group and the like Group heterocyclic group.
アルキル基、アルケニル基及びアルキニル基は、直鎖状、分岐鎖状のいずれであってもよい。 The alkyl group, alkenyl group and alkynyl group may be either linear or branched.
アルキル基として具体的には、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基等が挙げられる。アルケニル基として具体的には、ビニル基、プロペニル基、3−ブテニル基、3−ペンテニル基、3−ヘキセニル基等が挙げられる。アルキニル基として具体的には、エチニル基、2−プロピニル基、2−ブチニル基等が挙げられる。シクロアルキル基として具体的には、シクロプロピル基、シクロブチル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基等が挙げられる。シクロアルケニル基として具体的には、シクロペンテニル基、シクロヘキセニル基、シクロヘキセニル基等が挙げられる。アリール基として具体的には、フェニル基、ナフチル基、アントラニル基等が挙げられる。 Specific examples of the alkyl group include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, and a pentyl group. Specific examples of the alkenyl group include a vinyl group, a propenyl group, a 3-butenyl group, a 3-pentenyl group, and a 3-hexenyl group. Specific examples of the alkynyl group include ethynyl group, 2-propynyl group, and 2-butynyl group. Specific examples of the cycloalkyl group include a cyclopropyl group, a cyclobutyl group, a cyclopentyl group, and a cyclohexyl group. Specific examples of the cycloalkenyl group include a cyclopentenyl group, a cyclohexenyl group, and a cyclohexenyl group. Specific examples of the aryl group include a phenyl group, a naphthyl group, and an anthranyl group.
複素環基、アミノ基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アルキルカルボニル基、アリールカルボニル基、アルキルスルホニル基、アリールスルホニル基、及び炭化水素基は、さらに置換基を有していてもよい。置換基としては、例えばヒドロキシ基、カルボキシ基、アミノ基、シアノ基、ニトロ基、スルホンアミド基、ハロゲン原子、アシル基、アシロキシ基、アルコキシカルボニル基、オキソ基等が挙げられる。 The heterocyclic group, amino group, alkoxy group, alkylthio group, alkylcarbonyl group, arylcarbonyl group, alkylsulfonyl group, arylsulfonyl group, and hydrocarbon group may further have a substituent. Examples of the substituent include a hydroxy group, a carboxy group, an amino group, a cyano group, a nitro group, a sulfonamide group, a halogen atom, an acyl group, an acyloxy group, an alkoxycarbonyl group, and an oxo group.
前記式(1)で表されるオルトキノン化合物の中でも、R1〜R4のいずれか2つ以上の基が一緒になって、それぞれが結合している炭素原子と共に置換されていてもよい環構造を形成している化合物が好ましい。環構造は、ベンゼン環などの芳香族環、脂肪族環のいずれであってもよい。環構造における置換基としては、例えば、炭化水素基、ヒドロキシ基、カルボキシ基、アミノ基、シアノ基、ニトロ基、スルホンアミド基、ハロゲン原子、アシル基、アシロキシ基、アルコキシカルボニル基、オキソ基等が挙げられる。また環構造は、環構造の少なくとも一部に酸素原子、窒素原子、硫黄原子等のヘテロ原子を含んでいてもよい。 Among the orthoquinone compounds represented by the above formula (1), any two or more groups of R 1 to R 4 may be combined and each may be substituted with the carbon atom to which each is bonded. The compound which forms is preferable. The ring structure may be either an aromatic ring such as a benzene ring or an aliphatic ring. Examples of the substituent in the ring structure include a hydrocarbon group, a hydroxy group, a carboxy group, an amino group, a cyano group, a nitro group, a sulfonamide group, a halogen atom, an acyl group, an acyloxy group, an alkoxycarbonyl group, and an oxo group. Can be mentioned. The ring structure may contain a hetero atom such as an oxygen atom, a nitrogen atom, or a sulfur atom in at least a part of the ring structure.
式(1)で表されるオルトキノン化合物は、R1とR2及びR3とR4がそれぞれ互いに結合して芳香環を形成している化合物が好ましく、中でも下記式(2)で表されるオルトキノン化合物がより好ましい。 The orthoquinone compound represented by the formula (1) is preferably a compound in which R 1 and R 2 and R 3 and R 4 are bonded to each other to form an aromatic ring, among which the following formula (2) is preferred. Orthoquinone compounds are more preferred.
前記式(2)中、R11〜R18は、それぞれ独立して、水素原子、ハロゲン原子、複素環基、アミノ基、ニトロ基、ホルミル基、シアノ基、ヒドロキシ基、アルコキシ基、チオール基、アルキルチオ基、アルキルカルボニル基、アリールカルボニル基、アルキルスルホニル基、アリールスルホニル基、若しくは炭化水素基である。複素環基、アミノ基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アルキルカルボニル基、アリールカルボニル基、アルキルスルホニル基、アリールスルホニル基、及び炭化水素基は、置換されていてもよい。R11〜R18のいずれか2つ以上の基が一緒になって、それぞれが結合している炭素原子と共に、置換されていてもよい環構造を形成してもよい。 In the formula (2), R 11 to R 18 are each independently a hydrogen atom, a halogen atom, a heterocyclic group, an amino group, a nitro group, a formyl group, a cyano group, a hydroxy group, an alkoxy group, a thiol group, An alkylthio group, an alkylcarbonyl group, an arylcarbonyl group, an alkylsulfonyl group, an arylsulfonyl group, or a hydrocarbon group; The heterocyclic group, amino group, alkoxy group, alkylthio group, alkylcarbonyl group, arylcarbonyl group, alkylsulfonyl group, arylsulfonyl group, and hydrocarbon group may be substituted. Any two or more groups of R 11 to R 18 may be combined together to form an optionally substituted ring structure together with the carbon atom to which each is bonded.
前記R11〜R18のハロゲン原子、複素環基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アルキルカルボニル基、アリールカルボニル基、アルキルスルホニル基、アリールスルホニル基、及び炭化水素基については、前記式(1)におけるR1〜R4についての説明を適用できる。 Regarding the halogen atom, heterocyclic group, alkoxy group, alkylthio group, alkylcarbonyl group, arylcarbonyl group, alkylsulfonyl group, arylsulfonyl group and hydrocarbon group of R 11 to R 18 , R in the above formula (1) It can be applied to the description of the 1 to R 4.
前記オルトキノン化合物としては、オルトベンゾキノン若しくはそのハロゲン化物、9,10−フェナントレンキノン若しくはそのハロゲン化物、ピレン−4,5−ジオン若しくはそのハロゲン化物又はピレン−4,5,9,10−テトラオン若しくはそのハロゲン化物、又はこれらの化合物に由来する構造単位を含むオリゴマーがさらに好ましく、9,10−フェナントレンキノン、2,7−ジブロモ−9,10−フェナントレンキノン、ピレン−4,5,9,10−テトラオン又は2,7−ジブロモピレン−4,5,9,10−テトラオンが特に好ましく、9,10−フェナントレンキノン又は2,7−ジブロモ−9,10−フェナントレンキノンが最も好ましい。 Examples of the orthoquinone compound include orthobenzoquinone or its halide, 9,10-phenanthrenequinone or its halide, pyrene-4,5-dione or its halide, or pyrene-4,5,9,10-tetraone or its halogen. Or oligomers containing structural units derived from these compounds are more preferred, 9,10-phenanthrenequinone, 2,7-dibromo-9,10-phenanthrenequinone, pyrene-4,5,9,10-tetraone or 2,7-dibromopyrene-4,5,9,10-tetraone is particularly preferred, and 9,10-phenanthrenequinone or 2,7-dibromo-9,10-phenanthrenequinone is most preferred.
オルトキノン化合物は、式(1)で表される化合物に由来する構造単位を含むオリゴマーであることもまた好ましい。式(1)で表される化合物に由来する構造単位とは、式(1)で表される化合物から、少なくとも1つの水素原子を取り除いて構成される基を意味する。水素原子が取り除かれる位置は特に限定されず、芳香環上であっても、芳香環が有する置換基上であってもよい。 The orthoquinone compound is also preferably an oligomer containing a structural unit derived from the compound represented by the formula (1). The structural unit derived from the compound represented by the formula (1) means a group constituted by removing at least one hydrogen atom from the compound represented by the formula (1). The position at which the hydrogen atom is removed is not particularly limited, and may be on an aromatic ring or on a substituent that the aromatic ring has.
本発明におけるオリゴマーは、式(1)又は式(2)で表される化合物に由来する構造単位を含むホモオリゴマーでもよく、これらと他の化合物に由来する構造単位を含むヘテロオリゴマーでもよい。構造単位間の結合は、単結合、フェニレン結合、スルフィド結合、エーテル結合、エステル結合、カーボネート結合、アミド結合、イミド結合など通常の化学結合であればよい。 The oligomer in the present invention may be a homo-oligomer containing a structural unit derived from the compound represented by formula (1) or formula (2), or a hetero-oligomer containing a structural unit derived from these and other compounds. The bonds between the structural units may be ordinary chemical bonds such as single bonds, phenylene bonds, sulfide bonds, ether bonds, ester bonds, carbonate bonds, amide bonds, and imide bonds.
負極活物質であるオルトキノン化合物は、キノン部分が還元されたアニオンとして、アルカリ金属イオン又はアルカリ土類金属イオンと塩を形成した形で負極活物質層に含まれていてもよい。 The orthoquinone compound as the negative electrode active material may be contained in the negative electrode active material layer in the form of a salt formed with an alkali metal ion or alkaline earth metal ion as an anion having a reduced quinone moiety.
負極活物質層は、オルトキノン化合物を1種単独でも、2種以上を組合せて含んでいてもよい。 The negative electrode active material layer may contain an orthoquinone compound alone or in combination of two or more.
(正極活物質)
前述した図1の正極シート13に示す水系二次電池の正極は、例えば、正極集電体上にメタロセン化合物を含む正極活物質層を設けてなる。水系二次電池の正極における活物質は、メタロセン化合物を含む。ここで、メタロセン化合物とは、シクロペンタジエニル環2つが平行に並び、その間に遷移金属イオンが入りこんだサンドイッチ形のビス(シクロペンタジエニル)錯体である。
(Positive electrode active material)
The positive electrode of the water-based secondary battery shown in the
前記正極活物質として好ましいメタロセン化合物としては、下記式(3)で表される化合物、又は下記式(3)で表される化合物に由来する構造単位を含むオリゴマーが挙げられる。式(3)には、D5d対称の構造式を示したが、D5h対称であってもよい。 As a metallocene compound preferable as the positive electrode active material, an oligomer including a structural unit derived from a compound represented by the following formula (3) or a compound represented by the following formula (3) can be given. In formula (3), a structural formula of D 5d symmetry is shown, but D 5h symmetry may be used.
前記式(3)中、R21〜R30は、それぞれ独立して、水素原子、ハロゲン原子、複素環基、アミノ基、ニトロ基、ホルミル基、シアノ基、ヒドロキシ基、アルコキシ基、チオール基、アルキルチオ基、アルキルカルボニル基、アリールカルボニル基、アルキルスルホニル基、アリールスルホニル基、若しくは炭化水素基である。複素環基、アミノ基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アルキルカルボニル基、アリールカルボニル基、アルキルスルホニル基、アリールスルホニル基、及び炭化水素基は、置換されていてもよい。Mは、遷移金属原子である。 In the formula (3), R 21 to R 30 each independently represent a hydrogen atom, a halogen atom, a heterocyclic group, an amino group, a nitro group, a formyl group, a cyano group, a hydroxy group, an alkoxy group, a thiol group, An alkylthio group, an alkylcarbonyl group, an arylcarbonyl group, an alkylsulfonyl group, an arylsulfonyl group, or a hydrocarbon group; The heterocyclic group, amino group, alkoxy group, alkylthio group, alkylcarbonyl group, arylcarbonyl group, alkylsulfonyl group, arylsulfonyl group, and hydrocarbon group may be substituted. M is a transition metal atom.
前記式(3)におけるR21〜R30のハロゲン原子としては、例えばフッ素、塩素、臭素、ヨウ素等が挙げられる。前記複素環基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アルキルカルボニル基、アリールカルボニル基、アルキルスルホニル基、アリールスルホニル基、及び炭化水素基については、前記式(1)におけるR1〜R4についての説明を適用できる。 Examples of the halogen atom of R 21 to R 30 in the formula (3) include fluorine, chlorine, bromine, iodine and the like. For the heterocyclic group, alkoxy group, alkylthio group, alkylcarbonyl group, arylcarbonyl group, alkylsulfonyl group, arylsulfonyl group, and hydrocarbon group, the description of R 1 to R 4 in the formula (1) is applied. it can.
前記式(3)におけるMとしては、Fe(鉄)、Ni(ニッケル)、Sc(スカンジウム)、Ti(チタン)、V(バナジウム)、Cr(クロム)、Mn(マンガン)、Co(コバルト)、Cu(銅)、Zn(亜鉛)等が挙げられる。水系二次電池のサイクル特性を向上させるという観点から、Fe、Niが好ましく、Feがより好ましい。即ち、より好ましいメタロセン化合物は、式(3)において、MがFeであるフェロセン化合物、オリゴフェロセン化合物である。最も好ましくは、フェロセンである。また、Mにはハロゲン化物などの、他の分子が付加してもよい。 As M in the formula (3), Fe (iron), Ni (nickel), Sc (scandium), Ti (titanium), V (vanadium), Cr (chromium), Mn (manganese), Co (cobalt), Cu (copper), Zn (zinc), etc. are mentioned. From the viewpoint of improving the cycle characteristics of the aqueous secondary battery, Fe and Ni are preferable, and Fe is more preferable. That is, more preferred metallocene compounds are ferrocene compounds and oligoferrocene compounds in which M is Fe in the formula (3). Most preferred is ferrocene. Further, other molecules such as halides may be added to M.
メタロセン化合物は、式(3)で表される化合物に由来する構造単位を含むオリゴマーであることもまた好ましい。式(3)で表される化合物に由来する構造単位とは、式(3)で表される化合物から、少なくとも1つの水素原子を取り除いて構成される基を意味する。水素原子が取り除かれる位置は特に限定されず、シクロペンタジエニル環上であっても、シクロペンタジエニル環が有する置換基上であってもよい。式(3)で表される化合物に由来する構造単位として具体的には以下の構造単位を挙げることができる。また、Mには式(3)と同様にハロゲン化物などの、他の分子が付加してもよい。 It is also preferable that the metallocene compound is an oligomer containing a structural unit derived from the compound represented by the formula (3). The structural unit derived from the compound represented by the formula (3) means a group constituted by removing at least one hydrogen atom from the compound represented by the formula (3). The position at which the hydrogen atom is removed is not particularly limited, and may be on a cyclopentadienyl ring or a substituent of the cyclopentadienyl ring. Specific examples of the structural unit derived from the compound represented by the formula (3) include the following structural units. In addition, other molecules such as halides may be added to M as in the formula (3).
(式中、Mは、遷移元素である。)
(In the formula, M is a transition element.)
正極活物質であるメタロセン化合物は、遷移金属原子部分が酸化されたカチオンとして、ハロゲンイオン、硫酸イオン、水酸化物イオン等と塩を形成した形で正極活物質層に含まれていてもよい。 The metallocene compound that is a positive electrode active material may be contained in the positive electrode active material layer in the form of a salt formed with a halogen ion, a sulfate ion, a hydroxide ion, or the like as a cation in which the transition metal atom portion is oxidized.
正極活物質層は、メタロセン化合物を1種単独でも、2種以上を組合せて含んでいてもよい。 The positive electrode active material layer may contain one or more metallocene compounds in combination.
このように、負極は、オルトキノン化合物を含む負極活物質層を備え、正極は、メタロセン化合物を含む正極活物質層を備える構成である。また、負極は、負極活物質層に、上述した負極活物質であるオルトキノン化合物に加えて、導電助剤、結着剤等を含んでいてもよい。正極は、正極活物質層に、上述した正極活物質であるメタロセン化合物に加えて、導電助剤、結着剤等を含んでいてもよい。 Thus, the negative electrode includes a negative electrode active material layer including an orthoquinone compound, and the positive electrode includes a positive electrode active material layer including a metallocene compound. In addition, the negative electrode may include a conductive additive, a binder, and the like in addition to the orthoquinone compound that is the negative electrode active material described above, in the negative electrode active material layer. In the positive electrode active material layer, in addition to the metallocene compound that is the positive electrode active material described above, a conductive additive, a binder, and the like may be included.
正極および負極に含まれる導電助剤としては、炭素材料、導電性高分子、粉末金属、無機導電性酸化物等を使用することができる。炭素材料は、例えば、活性炭、活性炭素繊維、多孔質炭素、黒鉛、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、グラフェン等である。導電性高分子は、例えば、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリフルオレン、ポリピロール、ポリチオフェン等である。粉末金属は、例えば、アルミニウム、金、白金等である。これらのうち、炭素材料が好ましく、中でも活性炭が好ましい。 As the conductive auxiliary agent contained in the positive electrode and the negative electrode, a carbon material, a conductive polymer, a powder metal, an inorganic conductive oxide, or the like can be used. Examples of the carbon material include activated carbon, activated carbon fiber, porous carbon, graphite, carbon black, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nanohorn, and graphene. Examples of the conductive polymer include polyaniline, polyacetylene, polyfluorene, polypyrrole, and polythiophene. Examples of the powder metal include aluminum, gold, and platinum. Of these, carbon materials are preferable, and activated carbon is particularly preferable.
正極および負極に含まれる結着材としては、使用する電位領域で分解しない、用途に適したものを選んで使用することができる。例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、カルボキシメチルセルロース、スチレンブタジエンゴム、ポリアクリル酸、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、フッ素系ゴム等である。 As the binder contained in the positive electrode and the negative electrode, a material suitable for the application that does not decompose in the potential region to be used can be selected and used. For example, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, carboxymethyl cellulose, styrene butadiene rubber, polyacrylic acid, polyimide resin, polyamide resin, fluorine rubber, and the like.
正極活物質層および負極活物質層に含まれる導電助剤および結着剤は、それぞれ1種単独でも、2種以上を組合せて含むものであってもよい。 Each of the conductive additive and the binder contained in the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer may be used alone or in combination of two or more.
負極活物質層および正極活物質層の各電極活物質層において、正極または負極の電極活物質、導電助剤及び結着材の構成比率は、質量基準でそれぞれ、5〜100質量%、0〜90質量%、0〜30質量%の範囲で適宜調整すればよい。導電助剤、結着剤は、付加されなくてもよい。また、負極活物質層および正極活物質層の厚みは特に制限されない。なお、正極の電極活物質と負極の電極活物質の質量比は特に限定されないが、例えば正極/負極が0.5〜10.0であることが好ましく、1.0〜5.0であることがより好ましい。 In each of the electrode active material layers of the negative electrode active material layer and the positive electrode active material layer, the composition ratios of the positive electrode or negative electrode electrode active material, the conductive additive and the binder are 5 to 100% by mass, 0 to 0%, respectively. What is necessary is just to adjust suitably in the range of 90 mass% and 0-30 mass%. The conductive auxiliary agent and the binder may not be added. Moreover, the thickness of the negative electrode active material layer and the positive electrode active material layer is not particularly limited. The mass ratio of the positive electrode active material to the negative electrode active material is not particularly limited. For example, the positive electrode / negative electrode is preferably 0.5 to 10.0, and preferably 1.0 to 5.0. Is more preferable.
(水性電解液)
本発明における水性電解液は、水と少なくとも1種の水溶性塩とを含有する。水溶性塩はアルカリ金属元素の塩及び第2族元素の塩からなる群より選択される少なくとも1種の塩であることが好ましく、ナトリウム塩、マグネシウム塩、カルシウム塩、リチウム塩、ベリリウム塩からなる群から選ばれる少なくとも1種の塩であることがより好ましく、ナトリウム塩又はマグネシウム塩であることが更に好ましく、ナトリウム塩であることが特に好ましい。
(Aqueous electrolyte)
The aqueous electrolytic solution in the present invention contains water and at least one water-soluble salt. The water-soluble salt is preferably at least one salt selected from the group consisting of alkali metal element salts and Group 2 element salts, and includes sodium salts, magnesium salts, calcium salts, lithium salts, and beryllium salts. It is more preferably at least one salt selected from the group, more preferably a sodium salt or magnesium salt, and particularly preferably a sodium salt.
水溶性塩に含まれるアニオンの種類は特に制限されない。アニオンとしては例えば、ハロゲン化物イオン、硫酸イオン、硝酸イオン、リン酸イオン等を挙げることができる。ハロゲン化物イオンは、具体的には、塩化物イオン、臭化物イオン、ヨウ化物イオン等である。 The kind of anion contained in the water-soluble salt is not particularly limited. Examples of anions include halide ions, sulfate ions, nitrate ions, phosphate ions, and the like. Specifically, the halide ions are chloride ions, bromide ions, iodide ions and the like.
水溶性塩は25℃において中性塩であることが好ましく、中でも、塩化ナトリウム、臭化ナトリウム、ヨウ化ナトリウム、硫酸ナトリウム、硝酸ナトリウム等からなる群から選ばれる少なくとも1種の中性のナトリウム塩、塩化マグネシウム、臭化マグネシウム、ヨウ化マグネシウム、硫酸マグネシウム、硝酸マグネシウム等からなる群から選択される少なくとも1種の中性のマグネシウム塩、塩化リチウム、臭化リチウム等からなる群から選択される少なくとも1種の中性のリチウム塩がより好ましく、塩化ナトリウム、硫酸ナトリウム、塩化マグネシウム等が更に好ましく、塩化ナトリウム、硫酸ナトリウムが特に好ましい。 The water-soluble salt is preferably a neutral salt at 25 ° C., among which at least one neutral sodium salt selected from the group consisting of sodium chloride, sodium bromide, sodium iodide, sodium sulfate, sodium nitrate and the like. At least one neutral magnesium salt selected from the group consisting of magnesium chloride, magnesium bromide, magnesium iodide, magnesium sulfate, magnesium nitrate, etc., at least selected from the group consisting of lithium chloride, lithium bromide, etc. One neutral lithium salt is more preferable, sodium chloride, sodium sulfate, magnesium chloride and the like are more preferable, and sodium chloride and sodium sulfate are particularly preferable.
水性電解液における水溶性塩の濃度は、水溶性塩の種類等に応じて適宜選択される。水性電解液における水溶性塩の濃度は、温度や溶質により溶解度が異なるが、例えば、水性電解液が20℃であるとき、水溶性塩が塩化ナトリウムであれば、0.1モル/L〜6.1モル/Lの範囲であることが好ましく、水溶性塩が塩化マグネシウムであれば、0.1モル/L〜5.7モル/Lの範囲であることが好ましい。水性電解液における水溶性塩の濃度は、飽和溶解度以下であればよく、濃度が高い方が好ましい。 The concentration of the water-soluble salt in the aqueous electrolyte is appropriately selected according to the type of the water-soluble salt. The concentration of the water-soluble salt in the aqueous electrolytic solution varies depending on the temperature and solute. For example, when the aqueous electrolytic solution is 20 ° C. and the water-soluble salt is sodium chloride, 0.1 mol / L to 6 It is preferably in the range of 1 mol / L, and if the water-soluble salt is magnesium chloride, it is preferably in the range of 0.1 mol / L to 5.7 mol / L. The concentration of the water-soluble salt in the aqueous electrolytic solution may be equal to or lower than the saturation solubility, and a higher concentration is preferable.
水性電解液は、水溶性の有機溶剤を含んでいてもよい。有機溶剤としては例えば、アセトニトリル、アセトン等が挙げられる。 The aqueous electrolytic solution may contain a water-soluble organic solvent. Examples of the organic solvent include acetonitrile and acetone.
水性電解液が有機溶剤を含む場合、その含有率は水に対して50質量%以下であり、10質量%以下が好ましい。 When the aqueous electrolyte contains an organic solvent, the content is 50% by mass or less with respect to water, and preferably 10% by mass or less.
水性電解液は、必要に応じて各種の添加剤を含んでいてもよい。添加剤としては例えば、亜硫酸ナトリウム等が挙げられる。 The aqueous electrolyte may contain various additives as required. Examples of the additive include sodium sulfite.
水性電解液は、その溶存酸素量が、7.3ppm以下であることが好ましい。溶存酸素量が7.3ppm以下であると二次電池のサイクル特性がより向上する傾向がある。より好ましい溶存酸素量は、5ppm以下であり、最も好ましい溶存酸素量は4ppm以下である。 The aqueous electrolyte preferably has a dissolved oxygen content of 7.3 ppm or less. When the dissolved oxygen amount is 7.3 ppm or less, the cycle characteristics of the secondary battery tend to be further improved. A more preferable dissolved oxygen amount is 5 ppm or less, and a most preferable dissolved oxygen amount is 4 ppm or less.
一般に水性電解液の常温(22℃〜23℃)における飽和溶存酸素量は8.2〜8.6ppmであり、一般的に用いられる操作により、溶存酸素量を7.3ppm以下にすることができる。たとえば、電池製造時に少なくとも1回以上脱気する、電池製造の際にパッキングを設けて酸素量の増加を抑制する構造を設ける等により、溶存酸素量を所望の範囲に維持することができる。脱気方法は通常用いられる方法から適宜選択され、例えば、減圧、加熱等をすることにより行うことができる。 Generally, the saturated dissolved oxygen content at room temperature (22 ° C. to 23 ° C.) of the aqueous electrolyte is 8.2 to 8.6 ppm, and the dissolved oxygen content can be reduced to 7.3 ppm or less by a commonly used operation. . For example, the amount of dissolved oxygen can be maintained in a desired range by degassing at least once at the time of battery manufacture, or by providing a structure for suppressing an increase in the amount of oxygen by providing packing at the time of battery manufacture. The degassing method is appropriately selected from commonly used methods, and can be performed, for example, by reducing pressure, heating, or the like.
また、開放系の電池では、水性電解液内に挿入管を設け、常時窒素ガスのバブリングを行うことにより溶存酸素量を低下させることができる。 In an open battery, the amount of dissolved oxygen can be reduced by providing an insertion tube in the aqueous electrolyte and constantly bubbling nitrogen gas.
(セパレータ)
水系二次電池は、セパレータを備えてもよい。セパレータは正極及び負極を隔てるように配置されるものであり、イオンを通し、かつ正負極間のショートを防止することが求められる。セパレータとしては、特に制限されず、従来公知のものを用いることができる。例えば、ポリオレフィン繊維性の不織布やポリオレフィン製の微多孔膜、ガラスフィルター、セラミックの多孔質材料などを用いることができる。
(Separator)
The aqueous secondary battery may include a separator. The separator is disposed so as to separate the positive electrode and the negative electrode, and is required to pass ions and prevent a short circuit between the positive and negative electrodes. The separator is not particularly limited, and a conventionally known separator can be used. For example, a polyolefin fiber nonwoven fabric, a microporous membrane made of polyolefin, a glass filter, a ceramic porous material, or the like can be used.
[水系二次電池の製造方法]
本発明の水系二次電池は、負極及び正極と、電解液とを、図1の円筒ケース22などの収容ケースに封入して製造する。具体的な製造手順を、以下に説明する。
[Method for producing water-based secondary battery]
The aqueous secondary battery of the present invention is manufactured by enclosing a negative electrode, a positive electrode, and an electrolyte in a housing case such as the
次に実施例により本発明の具体的態様を説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。 Next, specific embodiments of the present invention will be described with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
<水系二次電池の作製>
(正極の作製)
導電助剤である活性炭に正極活物質を担持させた。乳鉢内で、前記正極活物質を担持させた活性炭と結着材としてポリテトラフルオロエチレン(PTFE)とを混合、混練した。この混合物を圧延して形成される正極活物質層を集電体上に設けることで、正極を作製した。
<Production of water-based secondary battery>
(Preparation of positive electrode)
A positive electrode active material was supported on activated carbon as a conductive aid. In a mortar, the activated carbon supporting the positive electrode active material and polytetrafluoroethylene (PTFE) as a binder were mixed and kneaded. A positive electrode was produced by providing a positive electrode active material layer formed by rolling the mixture on a current collector.
(負極の作製)
導電助剤である活性炭に負極活物質を担持させた。乳鉢内で、前記負極活物質を担持させた活性炭と結着材としてポリテトラフルオロエチレン(PTFE)とを混合、混練した。この混合物を圧延して形成される負極活物質層を集電体上に設けることで、負極を作製した。
(Preparation of negative electrode)
A negative electrode active material was supported on activated carbon as a conductive aid. In a mortar, the activated carbon supporting the negative electrode active material and polytetrafluoroethylene (PTFE) as a binder were mixed and kneaded. A negative electrode was produced by providing a negative electrode active material layer formed by rolling the mixture on a current collector.
各電極において、各電極活物質を導電助剤に担持する方法としては、例えば液相を介して導電助剤に各電極活物質を均一に付着させる方法等が挙げられる。また、圧延は、ローラープレス等を用いたロール圧延等により行われる。このロール圧延により、正極および負極の各電極活物質層はさらに所定の厚さに圧縮されて平滑化した平面を有する電極とすることができる。 Examples of a method for supporting each electrode active material on the conductive assistant in each electrode include a method of uniformly attaching each electrode active material to the conductive assistant via a liquid phase. The rolling is performed by roll rolling using a roller press or the like. By this roll rolling, each of the electrode active material layers of the positive electrode and the negative electrode can be made into an electrode having a flat surface that is further compressed to a predetermined thickness and smoothed.
(電池の組み立て方法1)
得られた正極及び負極は、四辺形の形状に切断し、集電体を電極が形成されていない側の面の端部に、ニッケル金属箔を正極又は負極端子として、スポット溶接で取り付けた。ラミネートセルに、前記電極及び再生セルロース不織布からなるセパレータを取り付けた。セル内に、電解液(3M−NaCl水溶液、又は1M−MgCl2水溶液)を注入し、真空環境下で電極に電解液を含浸させ、真空シーラー装置をしてラミネートセルを密封した。
(Battery assembly method 1)
The obtained positive electrode and negative electrode were cut into a quadrilateral shape, and the current collector was attached to the end of the surface on which the electrode was not formed by spot welding using nickel metal foil as the positive electrode or the negative electrode terminal. The separator which consists of the said electrode and a regenerated cellulose nonwoven fabric was attached to the lamination cell. An electrolytic solution (3M-NaCl aqueous solution or 1M-MgCl 2 aqueous solution) was injected into the cell, the electrode was impregnated with the electrolytic solution under a vacuum environment, and the laminate cell was sealed using a vacuum sealer device.
(電池の組み立て方法2)
なお、前述するラミネートセルにより密閉されて製造される構造のほか、ガラス製サンプル瓶セルなどを用いた構造で製造されてもよい。ガラス製サンプル瓶セルなどを用いた構造における製造方法は、以下の通りである。まず、得られた正極及び負極は、四辺形の形状に切断し、集電体を電極が形成されていない側の面の端部に、ニッケル金属箔を正極又は負極端子として、スポット溶接で取り付けた。そして、ガラス製サンプル瓶セルに、前記電極を取り付け、電解液(3M−NaCl水溶液、又は1M−MgCl2水溶液)を加えた。サンプル瓶セルを蓋で密閉し、電解液内に挿入管を設け、常時窒素ガスをバブリングさせた。
(Battery assembly method 2)
In addition to the structure manufactured by sealing with the laminate cell described above, the structure may be manufactured using a glass sample bottle cell or the like. A manufacturing method in a structure using a glass sample bottle cell or the like is as follows. First, the obtained positive electrode and negative electrode are cut into a quadrilateral shape, and the current collector is attached to the end of the surface on which the electrode is not formed by using a nickel metal foil as a positive electrode or a negative electrode terminal by spot welding. It was. Then, the glass sample bottle cell, attaching the electrode, electrolyte (3M-NaCl aqueous solution or 1M-MgCl 2 solution) was added. The sample bottle cell was sealed with a lid, an insertion tube was provided in the electrolyte, and nitrogen gas was constantly bubbled.
上記方法により実施例1〜8の水系二次電池を作製した。実施例1〜8において用いた正極活物質、負極活物質、導電助剤、結着材の種類及び質量、並びに電解液の種類を下記表1に示す。また、電池の組み立て方法の別も合わせて表1に示す。 The water-system secondary battery of Examples 1-8 was produced by the said method. Table 1 below shows the positive electrode active material, the negative electrode active material, the conductive additive, the type and mass of the binder, and the type of the electrolyte used in Examples 1 to 8. Table 1 also shows the different battery assembly methods.
正極活物質:フェロセン
負極活物質:2,7−ジブロモ−9,10−フェナントレンキノン
導電助剤:活性炭
結着材:ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)
Positive electrode active material: Ferrocene negative electrode active material: 2,7-dibromo-9,10-phenanthrenequinone conductive additive: activated carbon binder: polytetrafluoroethylene (PTFE)
(溶存酸素量の測定)
電解液の溶存酸素量は、溶存酸素計(OM-71-L1;堀場製作所製)を用いて、電解液をラミネートセル内に注入する直前に室温(約23℃)で測定した。その結果、実施例1の水系二次電池の溶存酸素量は、0.37ppmであった。実施例2の水系二次電池の溶存酸素量は、3.09ppmであった。実施例3の水系二次電池の溶存酸素量は、7.27ppmであった。実施例7の水系二次電池の溶存酸素量は0.6ppm、実施例8の水系二次電池の溶存酸素量は3.1ppmであった。
(Measurement of dissolved oxygen)
The amount of dissolved oxygen in the electrolytic solution was measured at room temperature (about 23 ° C.) immediately before injecting the electrolytic solution into the laminate cell using a dissolved oxygen meter (OM-71-L1; manufactured by HORIBA, Ltd.). As a result, the dissolved oxygen content of the aqueous secondary battery of Example 1 was 0.37 ppm. The dissolved oxygen content of the aqueous secondary battery of Example 2 was 3.09 ppm. The amount of dissolved oxygen of the aqueous secondary battery of Example 3 was 7.27 ppm. The dissolved oxygen content of the aqueous secondary battery of Example 7 was 0.6 ppm, and the dissolved oxygen content of the aqueous secondary battery of Example 8 was 3.1 ppm.
(サイクリックボルタンメトリー用セルの組み立て)
得られた正極を、白金線を取り付けた白金メッシュに張り付け、作用極とした。対極に活性炭とPTFEからなる電極を、白金線を取り付けた電極にプレス張り付けした。ガラス製サンプル瓶セルに電解液(3M−NaCl水溶液)を加えた。サンプル瓶セルを蓋で密閉し、電極内に挿入管を設け、常時窒素ガスをバブリングさせた。また、負極も、正極と同様のセル構成にした。
(Assembly of cyclic voltammetry cell)
The obtained positive electrode was attached to a platinum mesh provided with a platinum wire to obtain a working electrode. An electrode made of activated carbon and PTFE was press bonded to the electrode with a platinum wire attached to the counter electrode. An electrolyte (3M-NaCl aqueous solution) was added to a glass sample bottle cell. The sample bottle cell was sealed with a lid, an insertion tube was provided in the electrode, and nitrogen gas was constantly bubbled. The negative electrode also has the same cell configuration as the positive electrode.
(サイクリックボルタンメトリー)
上述した方法により作製された作用極および対極の作製条件を表2に示す。実施例9、11では、正極電極を作用極として作製した。実施例10、12では、負極電極を作用極として作製した。実施例9,10は、電解液に、3M−NaCl水溶液を用いた。実施例11,12は、電解液に、1M−MgCl2水溶液を用いた。
(Cyclic voltammetry)
Table 2 shows the production conditions of the working electrode and the counter electrode produced by the method described above. In Examples 9 and 11, a positive electrode was produced as a working electrode. In Examples 10 and 12, a negative electrode was produced as a working electrode. In Examples 9 and 10, 3M-NaCl aqueous solution was used as the electrolyte. In Examples 11 and 12, 1M-MgCl 2 aqueous solution was used as the electrolytic solution.
正極活物質:フェロセン
負極活物質:2,7−ジブロモ−9,10−フェナントレンキノン
導電助剤:活性炭
結着材:ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)
Positive electrode active material: Ferrocene negative electrode active material: 2,7-dibromo-9,10-phenanthrenequinone conductive additive: activated carbon binder: polytetrafluoroethylene (PTFE)
実施例9で得られた正極電極を作用極とした水系二次電池をサイクリックボルタンメトリーに供した。サイクリックボルタモグラムを図2に示す。参照電極にAg/AgClを使用し、掃引範囲−0.5〜0.5V、掃引速度1mV/sでおこなった。また、同様に実施例10で得られた負極電極を作用極とした水系二次電池をサイクリックボルタンメトリーに供した。サイクリックボルタモグラムを図3に示す。参照電極にAg/AgClを使用し、掃引範囲−0.7〜0.7V、掃引速度1mV/sでおこなった。実施例11で得られた正極電極を作用極とした水系二次電池をサイクリックボルタンメトリーに供した。サイクリックボルタモグラムを図4に示す。参照電極にAg/AgClを使用し、掃引範囲−0.7〜0.6V、掃引速度1mV/sでおこなった。実施例12で得られた負極電極を作用極とした水系二次電池をサイクリックボルタンメトリーに供した。サイクリックボルタモグラムを図5に示す。参照電極にAg/AgClを使用し、掃引範囲−0.7〜0.5V、掃引速度1mV/sでおこなった。 The aqueous secondary battery using the positive electrode obtained in Example 9 as a working electrode was subjected to cyclic voltammetry. A cyclic voltammogram is shown in FIG. Ag / AgCl was used for the reference electrode, and the sweep range was −0.5 to 0.5 V and the sweep speed was 1 mV / s. Similarly, the aqueous secondary battery using the negative electrode obtained in Example 10 as a working electrode was subjected to cyclic voltammetry. A cyclic voltammogram is shown in FIG. Ag / AgCl was used for the reference electrode, and the sweep range was −0.7 to 0.7 V and the sweep speed was 1 mV / s. The aqueous secondary battery using the positive electrode obtained in Example 11 as a working electrode was subjected to cyclic voltammetry. A cyclic voltammogram is shown in FIG. Ag / AgCl was used for the reference electrode, and the sweep range was −0.7 to 0.6 V and the sweep speed was 1 mV / s. The aqueous secondary battery using the negative electrode obtained in Example 12 as a working electrode was subjected to cyclic voltammetry. A cyclic voltammogram is shown in FIG. Ag / AgCl was used for the reference electrode, and the sweep range was −0.7 to 0.5 V and the sweep speed was 1 mV / s.
(充放電サイクル特性評価)
実施例1〜3、7、8で得られた水系二次電池を充放電試験に供した。充放電試験の充放電条件は、電池の理論容量に対して20Cレートとなる電流値で、電圧範囲0〜1.1Vとした。充放電試験は、充電から先に開始し、1000回繰り返した。容量維持率は、初回の放電容量に対する100回目、500回目、700回目、1000回目の放電容量の百分率として表した。結果を表3に示す。なお、表3では、前述した実施例1〜3、7、8の各水系二次電池の溶存酸素量も示している。
(Charge / discharge cycle characteristics evaluation)
The aqueous secondary batteries obtained in Examples 1 to 3, 7, and 8 were subjected to a charge / discharge test. The charge / discharge conditions of the charge / discharge test were a current value at a rate of 20 C relative to the theoretical capacity of the battery, and a voltage range of 0 to 1.1V. The charge / discharge test was started 1000 times and repeated 1000 times. The capacity maintenance rate was expressed as a percentage of the 100th, 500th, 700th, and 1000th discharge capacities with respect to the initial discharge capacity. The results are shown in Table 3. Table 3 also shows the amount of dissolved oxygen in each of the aqueous secondary batteries of Examples 1 to 3, 7, and 8 described above.
表3に示すように、実施例1〜3、7、8の電解液中の溶存酸素量及び二次電池の繰り返し容量維持率の値より、本発明の水系二次電池は、溶存酸素量が小さくなると繰り返し容量維持率が増加し、サイクル特性が向上することが分かった。実施例1〜3、7、8の水系二次電池はサイクル特性に優れることが確認された。 As shown in Table 3, from the amount of dissolved oxygen in the electrolyte solutions of Examples 1 to 3, 7, and 8, and the value of the repetitive capacity retention rate of the secondary battery, the aqueous secondary battery of the present invention has a dissolved oxygen amount. It was found that the repetition capacity retention rate increased and the cycle characteristics improved as the value decreased. It was confirmed that the aqueous secondary batteries of Examples 1 to 3, 7, and 8 were excellent in cycle characteristics.
(レート試験)
また、実施例4〜6で得られた水系二次電池を充放電試験に供した。充放電試験の充放電条件は、電池の理論容量に対して、20C、15C、10C、5C、2Cとなる電流値で電圧範囲0〜1.1Vとした。この充放電条件で得られた結果について、2Cの放電容量を100としたときの各レートでの放電容量を、比較例1と合わせて表4に示す。なお、比較例1では、正極活物質としてリン酸鉄リチウム(LiFePO4)を、負極活物質として人造黒鉛を、電解液としてエチレンカーボネート(EC)と、ジメチルカーボネート(DMC)とを同じ重量で混合した混合溶媒に、LiPF6を1mol/Lとなるように溶解させて、さらに、トリス(ペンタフルオロフェニル)ボラン(TPFPB)0.05wt%と、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン(FEC)0.05wt%とを含むものを使用したリチウム二次電池を用いた。
(Rate test)
Moreover, the water-system secondary battery obtained in Examples 4-6 was used for the charging / discharging test. The charge / discharge conditions of the charge / discharge test were set to a voltage range of 0 to 1.1 V with current values of 20C, 15C, 10C, 5C, and 2C with respect to the theoretical capacity of the battery. Table 4 shows the discharge capacity at each rate when the discharge capacity of 2C is set to 100 for the results obtained under the charge / discharge conditions together with Comparative Example 1. In Comparative Example 1, lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) was used as the positive electrode active material, artificial graphite was used as the negative electrode active material, and ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) were mixed at the same weight as the electrolyte. In the mixed solvent, LiPF 6 was dissolved so as to be 1 mol / L, and further 0.05 wt% of tris (pentafluorophenyl) borane (TPFPB) and 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one (FEC) A lithium secondary battery using 0.05 wt% was used.
表4に示す、実施例4〜6の水系二次電池の充放電曲線より、高レートにしても、容量の低下が少なく、高出力性能が確認された。 From the charge / discharge curves of the water-based secondary batteries of Examples 4 to 6 shown in Table 4, even when the rate is high, there is little decrease in capacity, and high output performance is confirmed.
図2、3に示す、実施例9、10の水系二次電池のサイクリックボルタモグラムより、可逆的な充放電反応が進行することが確認された。また、表4に示す、比較例1のリチウム二次電池の充放電曲線と比較すると、実施例4〜6の水系二次電池の反応の可逆性が良いことが確認された。 From the cyclic voltammograms of the aqueous secondary batteries of Examples 9 and 10 shown in FIGS. 2 and 3, it was confirmed that a reversible charge / discharge reaction proceeds. Moreover, when compared with the charge / discharge curve of the lithium secondary battery of Comparative Example 1 shown in Table 4, it was confirmed that the reversibility of the aqueous secondary batteries of Examples 4 to 6 was good.
本発明の水系二次電池は、資源問題、コスト問題が少なく、有機溶媒を使用しないため安全性が大きく向上し、高出力でサイクル特性に優れるため、各種携帯電子機器や輸送機器の電源又は無停電電源装置などに好適に用いられる。 The water-based secondary battery of the present invention has few resource problems and cost problems, greatly improves safety because it does not use organic solvents, and has high output and excellent cycle characteristics. It is suitably used for a power failure power supply device.
10 水系二次電池
11 正極集電体
12 正極活物質層
13 正極シート
14 負極集電体
17 負極活物質層
18 負極シート
19 セパレータ
20 水性電解液
22 円筒ケース
24 正極端子
26 負極端子
DESCRIPTION OF
Claims (9)
(式中、R1〜R4は、それぞれ独立して、水素原子、ハロゲン原子、複素環基、アミノ基、ニトロ基、ホルミル基、シアノ基、ヒドロキシ基、アルコキシ基、チオール基、アルキルチオ基、アルキルカルボニル基、アリールカルボニル基、アルキルスルホニル基、アリールスルホニル基、若しくは炭化水素基である。複素環基、アミノ基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アルキルカルボニル基、アリールカルボニル基、アルキルスルホニル基、アリールスルホニル基、及び炭化水素基は、置換されていてもよい。R1〜R4のいずれか2つ以上の基が一緒になって、それぞれが結合している炭素原子と共に、置換されていてもよい環構造を形成してもよい。) The said orthoquinone compound is an oligomer containing the structural unit derived from the compound represented by the compound represented by the following formula (1), or the following formula (1). Water-based secondary battery.
(In the formula, R 1 to R 4 are each independently a hydrogen atom, a halogen atom, a heterocyclic group, an amino group, a nitro group, a formyl group, a cyano group, a hydroxy group, an alkoxy group, a thiol group, an alkylthio group, Alkylcarbonyl group, arylcarbonyl group, alkylsulfonyl group, arylsulfonyl group, or hydrocarbon group, heterocyclic group, amino group, alkoxy group, alkylthio group, alkylcarbonyl group, arylcarbonyl group, alkylsulfonyl group, arylsulfonyl The group and the hydrocarbon group may be substituted, and any two or more groups of R 1 to R 4 may be substituted together with the carbon atom to which each is bonded. A ring structure may be formed.)
(式中、R11〜R18は、それぞれ独立して、水素原子、ハロゲン原子、複素環基、アミノ基、ニトロ基、ホルミル基、シアノ基、ヒドロキシ基、アルコキシ基、チオール基、アルキルチオ基、アルキルカルボニル基、アリールカルボニル基、アルキルスルホニル基、アリールスルホニル基、若しくは炭化水素基である。複素環基、アミノ基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アルキルカルボニル基、アリールカルボニル基、アルキルスルホニル基、アリールスルホニル基、及び炭化水素基は、置換されていてもよい。R11〜R18のいずれか2つ以上の基が一緒になって、それぞれが結合している炭素原子と共に、置換されていてもよい環構造を形成してもよい。) The aqueous secondary battery according to claim 6, wherein the orthoquinone compound is an oligomer including a structural unit derived from a compound represented by the following formula (2) or a compound represented by the following formula (2).
(Wherein R 11 to R 18 are each independently a hydrogen atom, halogen atom, heterocyclic group, amino group, nitro group, formyl group, cyano group, hydroxy group, alkoxy group, thiol group, alkylthio group, Alkylcarbonyl group, arylcarbonyl group, alkylsulfonyl group, arylsulfonyl group, or hydrocarbon group, heterocyclic group, amino group, alkoxy group, alkylthio group, alkylcarbonyl group, arylcarbonyl group, alkylsulfonyl group, arylsulfonyl The group and the hydrocarbon group may be substituted, and any two or more groups of R 11 to R 18 may be substituted together with the carbon atom to which each is bonded. A ring structure may be formed.)
(式中、R21〜R30は、それぞれ独立して、水素原子、ハロゲン原子、複素環基、アミノ基、ニトロ基、ホルミル基、シアノ基、ヒドロキシ基、アルコキシ基、チオール基、アルキルチオ基、アルキルカルボニル基、アリールカルボニル基、アルキルスルホニル基、アリールスルホニル基、若しくは炭化水素基である。複素環基、アミノ基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アルキルカルボニル基、アリールカルボニル基、アルキルスルホニル基、アリールスルホニル基、及び炭化水素基は、置換されていてもよい。Mは、遷移金属原子である。) The metallocene compound is an oligomer including a structural unit derived from a compound represented by the following formula (3) or a compound represented by the following formula (3). Water-based secondary battery.
(In the formula, R 21 to R 30 are each independently a hydrogen atom, a halogen atom, a heterocyclic group, an amino group, a nitro group, a formyl group, a cyano group, a hydroxy group, an alkoxy group, a thiol group, an alkylthio group, Alkylcarbonyl group, arylcarbonyl group, alkylsulfonyl group, arylsulfonyl group, or hydrocarbon group, heterocyclic group, amino group, alkoxy group, alkylthio group, alkylcarbonyl group, arylcarbonyl group, alkylsulfonyl group, arylsulfonyl The group and the hydrocarbon group may be substituted, and M is a transition metal atom.)
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2014242010 | 2014-11-28 | ||
| JP2014242010 | 2014-11-28 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2016110970A true JP2016110970A (en) | 2016-06-20 |
Family
ID=56122349
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2015070962A Pending JP2016110970A (en) | 2014-11-28 | 2015-03-31 | Aqueous secondary battery |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2016110970A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112072062A (en) * | 2020-09-04 | 2020-12-11 | 西北工业大学 | Multi-carbonyl aza-condensed ring material for proton battery and preparation method of electrode thereof |
-
2015
- 2015-03-31 JP JP2015070962A patent/JP2016110970A/en active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112072062A (en) * | 2020-09-04 | 2020-12-11 | 西北工业大学 | Multi-carbonyl aza-condensed ring material for proton battery and preparation method of electrode thereof |
| CN112072062B (en) * | 2020-09-04 | 2023-04-11 | 西北工业大学 | Multi-carbonyl aza-condensed ring material for proton battery and preparation method of electrode thereof |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6423453B2 (en) | Aqueous electrolyte for power storage device and power storage device including the aqueous electrolyte | |
| JP6827232B2 (en) | Water-based secondary battery | |
| JP7062155B2 (en) | Electrolytes for secondary batteries and secondary batteries containing them | |
| JP6195236B2 (en) | Aluminum secondary battery | |
| JP6414997B2 (en) | Non-aqueous electrolyte magnesium secondary battery | |
| JP6370584B2 (en) | Lithium sulfur secondary battery | |
| JP2017126500A (en) | Water-based electrolytic solution for power storage device and power storage device including the same | |
| KR101591233B1 (en) | Electrode body and cell provided with same | |
| JP2022034033A (en) | Lithium ion capacitor | |
| JP7321432B2 (en) | Aqueous secondary battery | |
| JP6268833B2 (en) | Non-aqueous electrolyte secondary battery and method for producing non-aqueous electrolyte secondary battery | |
| JP2015097161A (en) | Sodium secondary battery | |
| JP2016192279A (en) | Water-based pseudo-solid secondary battery | |
| JP5763161B2 (en) | Air battery | |
| JP2012028366A (en) | Power storage device | |
| JP2016110970A (en) | Aqueous secondary battery | |
| JP6875818B2 (en) | Electrolyte and electrochemical device using it | |
| JP4998392B2 (en) | Non-aqueous electrolyte battery | |
| JP4858107B2 (en) | Electrolyte | |
| JP2016178199A (en) | Non-aqueous electrolyte and electricity storage device | |
| JP2019041091A (en) | Power storage device | |
| JP2010111639A (en) | Process for producing ketone compound and process for producing electricity storage device | |
| JP2016086153A (en) | Electrochemical device | |
| JP2020027787A (en) | Conductive composite material with excellent mechanical properties |
