JP2016192279A - Aqueous pseudo solid secondary battery - Google Patents

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Kazunobu Sato
和信 佐藤
祐貴 神崎
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祐貴 神崎
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Takeji Takui
武治 工位
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Yukiko Kitamura
有樹子 北村
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Satoshi Mitani
諭 三谷
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a secondary battery from which electrolyte never leaks outside from a battery case, even if broken during use, as the secondary battery using a safe gelatinous aqueous electrolyte, while having excellent cycle characteristic.SOLUTION: The present invention relates to an aqueous secondary battery comprising a positive electrode including a metallocene compound as an active material, a negative electrode including an orthoquinone compound as an active material, and a gelatinous aqueous electrolyte.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、水系擬似固体二次電池に関する。   The present invention relates to an aqueous quasi-solid 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においては、高電圧の充放電を可能にするため、例えば電解液には有機溶媒を含む非水系電解液が用いられ、電極には正極及び負極のいずれかに、リチウム遷移金属酸化物等が用いられる。また、さらに電池特性を高めたリチウムイオン二次電池として、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たもの等が開示されている(特許文献1)。   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. In a lithium ion secondary battery, for example, a non-aqueous electrolyte solution containing an organic solvent is used as an electrolyte solution in order to enable high-voltage charge / discharge, and a lithium transition metal is used for either a positive electrode or a negative electrode as an electrode. An oxide or the like is used. Further, as a lithium ion secondary battery having further improved battery characteristics, an electrode active material containing a tetraketone compound is used as an electrode (Patent Document 1).

一方、リチウムイオン二次電池に用いられる非水系電解液は有機溶媒を含むため可燃性があり、また人体に有害であるといった不都合がある。そこで、非水系電解液を用いるリチウムイオン二次電池の安全性を改善する技術として、水系電解液を用いる技術、さらにこの水系電解液をゲル化することにより液漏れの心配をなくす技術が開発されている(特許文献2及び3)。   On the other hand, since the non-aqueous electrolyte used for a lithium ion secondary battery contains an organic solvent, it is inflammable and harmful to the human body. Therefore, as a technology to improve the safety of lithium ion secondary batteries that use non-aqueous electrolytes, a technology that uses aqueous electrolytes and a technology that eliminates the risk of liquid leakage by gelling this aqueous electrolyte are developed. (Patent Documents 2 and 3).

国際公開2011/111401号International Publication No. 2011/111401 特開2001−102086号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2001-102086 特開2001−210359号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2001-210359

しかしながら、ゲル化した水系電解液を使用するリチウムイオン二次電池は、安全性を改善することはできるものの、サイクル特性が不十分であるという不都合があった。   However, a lithium ion secondary battery using a gelled aqueous electrolyte solution has the disadvantage that the cycle characteristics are insufficient, although the safety can be improved.

そこで、本発明は、使用時に万が一破損しても、電解液が電池筐体より外部へ漏出することのない、安全なゲル状の水性電解質を使用した二次電池であって、サイクル特性に優れた二次電池を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention is a secondary battery using a safe gel-like aqueous electrolyte that does not leak out of the battery casing even if it is damaged during use, and has excellent cycle characteristics. Another object is to provide a secondary battery.

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、ゲル状の水性電解質と、を備える水系二次電池。   An aqueous secondary battery comprising: a positive electrode including a metallocene compound as an active material; a negative electrode including an orthoquinone compound as an active material; and a gelled aqueous electrolyte.

前記ゲル状の水性電解質が、水性電解液にゲル化剤を添加して得られる水系二次電池。   An aqueous secondary battery obtained by adding the gelling agent to the aqueous electrolytic solution.

前記ゲル化剤が、水溶性ゲル化剤である水系二次電池。   An aqueous secondary battery in which the gelling agent is a water-soluble gelling agent.

前記ゲル化剤が、カルボキシメチルセルロースナトリウム及びアルギン酸ナトリウムからなる群より選択される少なくとも1種の化合物である水系二次電池。   An aqueous secondary battery, wherein the gelling agent is at least one compound selected from the group consisting of sodium carboxymethylcellulose and sodium alginate.

前記正極及び負極の少なくとも一方が、多孔質炭素材料の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 of a porous carbon material.

前記電解質が、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 in which the 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.

前記電解質が、ナトリウム塩を含有する水系二次電池。   The aqueous secondary battery in which the electrolyte contains a sodium salt.

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.

前記オルトキノン化合物が、9,10−フェナントレンキノン、ジブロモオルトキノン、ジクロロオルトキノン、ジフルオロオルトキノン及びジヨードオルトキノンより選択される少なくとも1種の化合物である水系二次電池。   An aqueous secondary battery, wherein the orthoquinone compound is at least one compound selected from 9,10-phenanthrenequinone, dibromoorthoquinone, dichloroorthoquinone, difluoroorthoquinone, and diiodoorthoquinone.

本発明の水系二次電池は、ゲル状の水性電解質を用いることにより、使用時に万が一破損した場合であっても安全である。これに加えて、本発明の二次電池は、水性電解質をゲル化することによって自己放電による電池容量の低下を少なくすることができ、かつサイクル特性をさらに向上させることができる。また、正極にメタロセン化合物を、負極にオルトキノン化合物を活物質として用いていることで、さらに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 is safe even if it is damaged in use by using a gel-like aqueous electrolyte. In addition, the secondary battery of the present invention can reduce the decrease in battery capacity due to self-discharge by gelling the aqueous electrolyte, and can further improve the cycle characteristics. In addition, by using a metallocene compound for the positive electrode and an orthoquinone compound for the negative electrode as active materials, a secondary battery with higher output and higher charge / discharge cycle characteristics can be provided.

本発明の一実施形態である水系二次電池の概略構造を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the water-system secondary battery which is one Embodiment of this invention.

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、ゲル状の水性電解質とを備える。これらに加えて、上述した課題を解決できる範囲で、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 a gelled aqueous electrolyte. In addition to these, other configurations may be provided as necessary as long as the above-described problems can be solved. 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の間にゲル状の水性電解質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、ゲル状の水性電解質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 secondary battery 10 of the present embodiment includes a positive electrode sheet 13 in which a positive electrode active material layer 12 containing a metallocene compound is formed on a positive electrode current collector 11 and a negative electrode active material layer containing an orthoquinone compound on the surface of the negative electrode current collector 14. 17, a separator 19 provided between the positive electrode sheet 13 and the negative electrode sheet 18, and a gel-like aqueous electrolyte 20 between the positive electrode sheet 13 and the negative electrode sheet 18. is there. In this aqueous secondary battery 10, the separator 19 is sandwiched between the positive electrode sheet 13 and the negative electrode sheet 18, and these are wound and inserted into the cylindrical case 22, and the positive electrode terminal 24 and the negative electrode sheet 18 connected to the positive electrode sheet 13. And a negative electrode terminal 26 connected to each other. The positive electrode sheet 13 of this embodiment is an example of the positive electrode of the present invention. The negative electrode sheet 18 of this embodiment is an example of the negative electrode of the present invention. In the water-based secondary battery of the present embodiment, the case containing the positive electrode sheet 13, the negative electrode sheet 18, and the gel-like aqueous electrolyte 20 is a cylindrical shape using the cylindrical case 22. May be. There are various types of cases such as a laminate type and a coin type. Examples of the shape include a coin type, a button type, a sheet type, a laminated type, a cylindrical type, a flat type, and a square type. Moreover, you may apply to the large sized thing etc. which are used for an electric vehicle etc.

正極集電体11及び負極集電体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及び負極集電体14には、正極及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及び負極集電体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 current collector 11 and the negative electrode current collector 14, a material that does not cause a side reaction at the potentials of the positive electrode and the negative electrode is used. More specifically, the positive electrode current collector 11 and the negative electrode current collector 14 may be made of a material having corrosion resistance that does not cause a reaction such as dissolution at the potential of the positive electrode and the negative electrode. As a material of the positive electrode current collector 11 and the negative electrode current collector 14, for example, a metal material, an alloy, a carbon material, an inorganic conductive oxide material, or the like can be used. Examples of the metal material include copper, nickel, brass, zinc, aluminum, stainless steel, tungsten, gold, and platinum. The alloy is, for example, SUS. Examples of the carbon material include graphite, hard carbon, and glassy carbon.

(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 negative electrode sheet 18 of FIG. 1 described above is formed, for example, by providing a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material on a negative electrode current collector. The negative electrode active material of the water-based secondary battery includes an orthoquinone compound. Here, the orthoquinone compound refers to a compound having an aromatic ring containing an orthoquinone structure having two adjacent carbonyl groups.

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.

Figure 2016192279
Figure 2016192279

前記式(1)中、R〜R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。R〜R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、R〜R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R〜R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、R〜R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、RとR及びRとR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.

Figure 2016192279
Figure 2016192279

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R〜R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、9,10−フェナントレンキノン等の置換基を有しないオルトキノン;ジブロモオルトキノン、ジクロロオルトキノン、ジヨードオルトキノン、ジフルオロオルトキノン等のハロゲン化オルトキノン等が挙げられる。これらのうち、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が好ましく、9,10−フェナントレキノン、2,7−ジブロモ−9,10−フェナントレキノン、ピレン−4,5,9,10−テトラオン、2,7−ジブロモピレン−4,5,9,10−テトラオンがより好ましく、9,10−フェナントレキノン、2,7−ジブロモ−9,10−フェナントレキノンがさらに好ましい。   Examples of the orthoquinone compound include orthoquinones having no substituent such as 9,10-phenanthrenequinone; halogenated orthoquinones such as dibromoorthoquinone, dichloroorthoquinone, diiodoorthoquinone, and difluoroorthoquinone. Of these, 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 halide. Preferably, 9,10-phenanthrequinone, 2,7-dibromo-9,10-phenanthrequinone, pyrene-4,5,9,10-tetraone, 2,7-dibromopyrene-4,5,9 , 10-tetraone, more preferably 9,10-phenanthrequinone and 2,7-dibromo-9,10-phenanthrequinone.

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 positive electrode sheet 13 of FIG. 1 described above includes, for example, a positive electrode active material layer containing a metallocene compound on a positive electrode current collector. The active material in the positive electrode of the water-based secondary battery includes a metallocene compound. Here, the metallocene compound is a sandwich-type bis (cyclopentadienyl) complex in which two cyclopentadienyl rings are arranged in parallel and a transition metal ion is inserted between them.

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.

Figure 2016192279
Figure 2016192279

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R〜R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).

Figure 2016192279

(式中、Mは、遷移元素である。)
Figure 2016192279

(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、結着材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、結着材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 above-described orthoquinone compound, which is the negative electrode active material, 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.

正極及び負極に含まれる導電助剤としては、炭素材料を使用することができる。炭素材料としては、例えば、活性炭、活性炭素繊維等の多孔質炭素材料が挙げられる。これらのうち、導電助剤としては、正極、負極の少なくとも一方が、多孔質炭素材料として活性炭を含むことがより好ましい。導電助剤には、多孔質炭素材料に加えて、ナノ構造を有する炭素材料またはナノ構造を有する粉末金属材料が含まれていてもよい。   A carbon material can be used as the conductive additive contained in the positive electrode and the negative electrode. Examples of the carbon material include porous carbon materials such as activated carbon and activated carbon fibers. Among these, as the conductive auxiliary agent, it is more preferable that at least one of the positive electrode and the negative electrode contains activated carbon as the porous carbon material. In addition to the porous carbon material, the conductive additive may contain a carbon material having a nanostructure or a powder metal material having a nanostructure.

正極及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.

正極活物質層及び負極活物質層に含まれる導電助剤及び結着材は、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.

負極活物質層及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、結着材は、付加されなくてもよい。また、負極活物質層及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 constituent 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.

(ゲル状の水性電解質)
本発明におけるゲル状の水性電解質は、水性電解液をゲル状としたものであり、水性電解液にゲル化剤を添加して得ることができる。ゲル状とは、擬似固体の一例である。本発明において、ゲル状とは、分散系の一種で、ゾルのような液体分散媒のコロイドだが、分散質のネットワークにより高い粘性を持ち流動性を失い、系全体としては固体状になったものをいう。本発明のゲル状の水性電解質は、動的粘弾性測定による損失係数(tanδ)の値が、ひずみ5.0%のとき0.2〜100であることが好ましい。より好ましい範囲は、0.2〜3.0である。損失係数(tanδ)を上記数値範囲内とすることで、本発明の水系二次電池の安全性を確保することができ、また自己放電による電池容量の低下を少なくすることができると共にサイクル特性をさらに向上させることができる。なお、損失係数(tanδ)は、レオメーターにより角周波数に応じた貯蔵弾性率(G')と損失弾性率(G’’)を求め、その値から計算することができる。
(Gelled aqueous electrolyte)
The gel-like aqueous electrolyte in the present invention is a gel obtained from an aqueous electrolyte, and can be obtained by adding a gelling agent to the aqueous electrolyte. A gel is an example of a pseudo-solid. In the present invention, gel is a type of dispersion, which is a colloid of a liquid dispersion medium such as sol, but has a high viscosity due to a dispersoid network and loses fluidity, and the entire system becomes solid. Say. The gel-like aqueous electrolyte of the present invention preferably has a loss coefficient (tan δ) measured by dynamic viscoelasticity measurement of 0.2 to 100 when the strain is 5.0%. A more preferable range is 0.2 to 3.0. By making the loss coefficient (tan δ) within the above numerical range, the safety of the water-based secondary battery of the present invention can be ensured, the decrease in battery capacity due to self-discharge can be reduced, and the cycle characteristics can be improved. Further improvement can be achieved. The loss coefficient (tan δ) can be calculated from the values obtained by obtaining the storage elastic modulus (G ′) and loss elastic modulus (G ″) corresponding to the angular frequency with a rheometer.

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種の塩を含有することが好ましく、ナトリウム塩、マグネシウム塩、カルシウム塩、リチウム塩及びベリリウム塩からなる群より選択される少なくとも1種の塩を含有することがより好ましく、ナトリウム塩、マグネシウム塩を含有することがさらに好ましく、ナトリウム塩を含有することが特に好ましい。
Aqueous Electrolytic Solution The aqueous electrolytic solution in the present invention contains water and at least one water-soluble salt. The water-soluble salt preferably contains at least one salt selected from the group consisting of salts of alkali metal elements and group 2 elements, and includes sodium salts, magnesium salts, calcium salts, lithium salts and beryllium salts. More preferably, it contains at least one salt selected from the group consisting of sodium salt and magnesium salt, more preferably 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、塩化リチウム等からなる群から選ばれる少なくとも1種の中性のマグネシウム塩がより好ましく、塩化ナトリウム、硫酸ナトリウム、塩化マグネシウムがさらに好ましく、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. More preferably, at least one neutral magnesium salt selected from the group consisting of magnesium chloride, magnesium bromide, magnesium iodide, magnesium sulfate, magnesium nitrate, lithium chloride, and the like, and sodium chloride, sodium sulfate, and magnesium chloride are further included. Sodium chloride and sodium sulfate are 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。水溶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、水溶電解液が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、水溶液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、濃度が高い方がより好ましい。   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 electrolyte varies depending on the temperature and solute. For example, when the water-soluble electrolyte 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. If the aqueous solution 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 more 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.

ゲル化剤
本発明におけるゲル化剤としては、液体をゲル化して固化する化学物質であれば特に限定されるものではない。本発明の水系二次電池の安全性を向上させる点、電池容量の低下の低減効果の点、サイクル特性をさらに向上させる点から鑑みて、本発明において用いられるゲル化剤としては、水溶性ゲル化剤が好ましい。
Gelling agent The gelling agent in the present invention is not particularly limited as long as it is a chemical substance that gels and solidifies a liquid. In view of improving the safety of the water-based secondary battery of the present invention, reducing the battery capacity, and further improving the cycle characteristics, the gelling agent used in the present invention is a water-soluble gel. An agent is preferred.

水溶性ゲル化剤としては、食品添加物として通常使用されるゲル化剤、増粘剤、安定剤、糊料等の増粘多糖類、水溶性高分子等が挙げられる。増粘多糖類としては、例えば、カルボキシメチルセルロースナトリウム、アルギン酸ナトリウム、カラギナン、キサンタンガム、グァーガム、寒天、ペクチン、ローカストビーンガム、タマリンドシードガム、アラビアガム、プルラン、ヒアルロン酸、キトサン、大豆多糖類等が挙げられる。水溶性高分子としては、例えば、ポリビニルアルコール、ポリエチレンオキサイド、ポリアクリロニトリル、ポリアクリル酸、ポリビニルアミン、ポリビニルアセトアミド、ポリオキサドリン、ポリビニルピロリドン、ポリリジン、ゼラチン等が挙げられる。これらのうち、カルボキシメチルセルロースナトリウム、アルギン酸ナトリウムが好ましい。なお、これらのゲル化剤は、1種のものを単独で使用してもよいし、複数種のものを組み合わせて用いてもよい。   Examples of the water-soluble gelling agent include gelling agents usually used as food additives, thickeners, stabilizers, thickening polysaccharides such as pastes, water-soluble polymers, and the like. Examples of thickening polysaccharides include sodium carboxymethylcellulose, sodium alginate, carrageenan, xanthan gum, guar gum, agar, pectin, locust bean gum, tamarind seed gum, gum arabic, pullulan, hyaluronic acid, chitosan, soy polysaccharide, etc. It is done. Examples of the water-soluble polymer include polyvinyl alcohol, polyethylene oxide, polyacrylonitrile, polyacrylic acid, polyvinylamine, polyvinylacetamide, polyoxazine, polyvinylpyrrolidone, polylysine, and gelatin. Of these, sodium carboxymethylcellulose and sodium alginate are preferred. In addition, these gelling agents may be used individually by 1 type, and may be used combining several types.

本発明のゲル状の水性電解質は、前記水性電解液に、15〜90℃の条件で、前記ゲル化剤を0.1〜20質量%加え、スパチュラ等でつぶし、ホモミキサー等で攪拌後、所定の容器内で0.1〜10時間静置することにより得られる。前記ゲル化剤の濃度としては、温度や溶質により溶解度が異なるが、本発明の水系二次電池の電池容量の低下の低減効果の点、サイクル特性をさらに向上させる点から、水性電解液の飽和溶解度以下で、濃度が高い方が好ましい。前記ゲル化剤の濃度は、例えば、室温状態において、1モル/Lの塩化ナトリウム水溶液の水性電解液にゲル化剤を加えるとき、ゲル化剤をカルボキシメチルセルロースとする場合は、1.0〜7.5質量%程度が好ましく、ゲル化剤をアルギン酸ナトリウムとする場合は、0.5〜2.5質量%程度が好ましい。   The gelled aqueous electrolyte of the present invention is added to the aqueous electrolyte under the condition of 15 to 90 ° C., 0.1 to 20% by mass of the gelling agent, crushed with a spatula or the like, stirred with a homomixer or the like, It is obtained by leaving still for 0.1 to 10 hours in a predetermined container. As the concentration of the gelling agent, the solubility varies depending on the temperature and solute. From the viewpoint of reducing the battery capacity reduction of the aqueous secondary battery of the present invention and further improving the cycle characteristics, the aqueous electrolyte is saturated. A lower concentration and a higher concentration are preferred. The concentration of the gelling agent is, for example, 1.0 to 7 when the gelling agent is carboxymethylcellulose when the gelling agent is added to an aqueous electrolyte of a 1 mol / L sodium chloride aqueous solution at room temperature. About 0.5% by mass is preferable, and when the gelling agent is sodium alginate, about 0.5 to 2.5% by mass is preferable.

本発明の水系二次電池においては、ゲル状の水系電解質を用いることで、電解質中に溶解しているイオンとゲル化剤との相互作用によって電解質中のイオンの拡散かつイオン導電性が抑制される。これにより、自己放電による電池容量の低下が抑えられ、サイクル特性を向上させることができると考えられる。ゲル状の水系電解質のイオンの拡散およびイオン導電性の低下は後述するレート試験の結果で示される。また、電解質をゲル状とすることで、電解質の状態が飽和溶解度に近づいたため、正極及び負極の活物質の溶出の抑制や、溶存酸素が減少することも考えられる。   In the aqueous secondary battery of the present invention, by using a gelled aqueous electrolyte, the diffusion of ions in the electrolyte and the ionic conductivity are suppressed by the interaction between the ions dissolved in the electrolyte and the gelling agent. The Thereby, it is considered that a decrease in battery capacity due to self-discharge can be suppressed and cycle characteristics can be improved. The diffusion of ions and the decrease in ionic conductivity of the gel-like aqueous electrolyte are shown by the results of the rate test described later. Moreover, since the electrolyte state is close to the saturation solubility by making the electrolyte into a gel state, suppression of elution of the active material of the positive electrode and the negative electrode and a decrease in dissolved oxygen may be considered.

(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、ゲル状の水性電解質とを、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。具体的な組み立て手順を以下に説明する。なお、本発明の水系二次電池の具体的な製造方法については、実施例において詳細に説明する。
[Method for producing water-based secondary battery]
The aqueous secondary battery of the present invention is manufactured by enclosing a negative electrode and a positive electrode, and a gelled aqueous electrolyte in a housing case such as the cylindrical case 22 of FIG. A specific assembly procedure will be described below. In addition, the specific manufacturing method of the water-system secondary battery of this invention is demonstrated in detail in an Example.

正極及び負極は、例えば四辺形等の形状に切断し、集電体を電極が形成されていない側の面の端部に、白金を取り付けた白金メッシュ等を正極又は負極端子として、スポット溶接で取り付けることができる。ラミネートセル等に、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る。正極と負極の間にゲル状の水性電解質を入れ、真空シーラー装置等を使用してラミネートセルを密封することができる。   The positive electrode and the negative electrode are cut into a shape such as a quadrilateral, and the current collector is spot welded using a platinum mesh or the like with platinum attached to the end of the surface on which the electrode is not formed, as a positive electrode or a negative electrode terminal. Can be attached. A separator made of the electrode and the regenerated cellulose nonwoven fabric is attached to a laminate cell or the like. A gelled aqueous electrolyte is placed between the positive electrode and the negative electrode, and the laminate cell can be sealed using a vacuum sealer device or the like.

なお、前述するラミネートセルにより密封して製造される構造の他、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、例えば以下の通りである。まず、正極及び負極は、例えば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、白金を取り付けた白金メッシュ等を正極又は負極端子として、スポット溶接で取り付ける。そして、ガラス製サンプル瓶セル等に、前記電極を取り付け、正極と負極の間にゲル状の水性電解質を入れ、サンプル瓶セルを蓋で密閉することができる。   In addition to the structure manufactured by sealing with the laminate cell described above, it may be manufactured with a structure using a glass sample bottle cell or the like. The manufacturing method in the structure using a glass sample bottle cell etc. is as follows, for example. First, the positive electrode and the negative electrode are spot-welded, for example, by cutting into a quadrilateral shape and using a platinum mesh or the like with platinum attached to the end of the surface on which the electrode is not formed as a positive electrode or a negative electrode terminal. Attach with. Then, the electrode is attached to a glass sample bottle cell or the like, a gel-like aqueous electrolyte is placed between the positive electrode and the negative electrode, and the sample bottle cell can be sealed with a lid.

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、正極及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 electrode active material layer 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.

(ゲル状水性電解質の作製)
下記表1に記載の水性電解液30mlをスナップカップに入れ、各ゲル化剤を表1に記載の配合量加えてスパチュラでつぶした。ホモミキサーを用い室温で5分間攪拌し(10,000rpm)、室温で静置して、下記[1]〜[10]の水性電解質を得た。[1]及び[2]は比較例に用いるための水性電解液のみであり、[3]〜[10]がゲル状水性電解質である。
(Production of gelled aqueous electrolyte)
30 ml of the aqueous electrolytic solution described in Table 1 below was put in a snap cup, and each gelling agent was added in the amount shown in Table 1 and crushed with a spatula. The mixture was stirred at room temperature for 5 minutes using a homomixer (10,000 rpm) and allowed to stand at room temperature to obtain the following aqueous electrolytes [1] to [10]. [1] and [2] are only aqueous electrolytes for use in comparative examples, and [3] to [10] are gel aqueous electrolytes.

Figure 2016192279
Figure 2016192279

(動的粘弾性測定)
得られた各ゲル状の水性電解質の動的粘弾性測定をレオメーターMCR301(Anton Paar製)にて行い、角周波数に応じた貯蔵弾性率(G')と損失弾性率(G’’)を求め、その値から、ひずみ5.0%のときの損失係数(tanδ)を計算した。測定治具はPP25−SN978を使用し、測定距離は1.0mm、測定温度は25℃とした。tanδの計算式は以下の通りである。

tanδ=G’’/G’

結果を上記表1に合わせて示す。
(Dynamic viscoelasticity measurement)
The dynamic viscoelasticity measurement of each obtained gel-like aqueous electrolyte was performed with a rheometer MCR301 (manufactured by Anton Paar), and the storage elastic modulus (G ′) and loss elastic modulus (G ″) corresponding to the angular frequency were calculated. The loss coefficient (tan δ) at a strain of 5.0% was calculated from the obtained value. PP25-SN978 was used as the measurement jig, the measurement distance was 1.0 mm, and the measurement temperature was 25 ° C. The formula for calculating tan δ is as follows.

tan δ = G ″ / G ′

The results are shown in Table 1 above.

(電池の組み立て方法)
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、白金を取り付けた白金メッシュ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、正極と負極の間にゲル状の水性電解質を入れた。サンプル瓶セルを蓋で密閉した。
(Battery assembly method)
The obtained positive electrode and negative electrode were cut into a quadrilateral shape, and the current collector was spot welded using a platinum mesh with a platinum mesh attached to the end of the surface where no electrode was formed, as a positive electrode or a negative electrode terminal. Attached. And the said electrode was attached to the glass sample bottle cell, and the gelatinous aqueous electrolyte was put between the positive electrode and the negative electrode. The sample bottle cell was sealed with a lid.

(レート試験)
上記表1に記載の各水性電解質を用いて、比較例1、2、及び実施例1〜8の水系二次電池を作製した。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、並びに電解質の種類を下記表2に示す。
(Rate test)
Using each of the aqueous electrolytes described in Table 1 above, water-based secondary batteries of Comparative Examples 1 and 2 and Examples 1 to 8 were produced. Table 2 below shows the types and masses of the positive electrode active material, the negative electrode active material, the conductive auxiliary, the binder, and the electrolyte used.

Figure 2016192279

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)
Figure 2016192279

Positive electrode active material: Ferrocene negative electrode active material: 2,7-dibromo-9,10-phenanthrenequinone conductive auxiliary agent: activated carbon binder: polytetrafluoroethylene (PTFE)

比較例1〜2及び実施例1〜8の水系二次電池を充放電試験に供した。充放電試験の条件は、0.5Cでの容量を理論容量と仮定し、1C、2C、3C、5C、10C、15C、20Cとなる電流値で電圧範囲0〜1.1Vとした。各充放電条件で得られた結果について、各レートでの容量維持率(%)を表3に示す。   The aqueous secondary batteries of Comparative Examples 1-2 and Examples 1-8 were subjected to a charge / discharge test. The conditions of the charge / discharge test were set to a voltage range of 0 to 1.1 V with current values of 1C, 2C, 3C, 5C, 10C, 15C, and 20C assuming that the capacity at 0.5C was a theoretical capacity. Table 3 shows the capacity retention rate (%) at each rate for the results obtained under each charge / discharge condition.

Figure 2016192279
Figure 2016192279

(充放電サイクル特性評価)
上記表1に記載の各水性電解質を用いて、比較例3、4、及び実施例9〜16の水系二次電池を作製した。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、並びに電解質の種類を下記表4に示す。
(Charge / discharge cycle characteristics evaluation)
Using each aqueous electrolyte described in Table 1 above, water-based secondary batteries of Comparative Examples 3 and 4 and Examples 9 to 16 were produced. Table 4 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.

Figure 2016192279

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)
Figure 2016192279

Positive electrode active material: Ferrocene negative electrode active material: 2,7-dibromo-9,10-phenanthrenequinone conductive auxiliary agent: activated carbon binder: polytetrafluoroethylene (PTFE)

比較例3〜4及び実施例9〜16の水系二次電池を充放電試験に供した。充放電試験の条件は、電池の理論容量に対して2C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、繰り返し容量維持率は、放電容量が最大となったサイクルの放電容量に対する25サイクル、50サイクル、100サイクル、200サイクル目の放電容量の百分率として表した。結果を表5に示す。最大値サイクルとして、最大の放電容量を示したサイクルを記載した。   The aqueous secondary batteries of Comparative Examples 3 to 4 and Examples 9 to 16 were subjected to a charge / discharge test. The conditions for the charge / discharge test were a current value at a 2C rate relative to the theoretical capacity of the battery, and a voltage range of 0 to 1.1V. The charge / discharge test was started from the charge, and the repetition capacity maintenance rate was expressed as a percentage of the discharge capacity at the 25th, 50th, 100th, and 200th cycles with respect to the discharge capacity of the cycle where the discharge capacity was maximized. . The results are shown in Table 5. The cycle showing the maximum discharge capacity was described as the maximum value cycle.

Figure 2016192279
Figure 2016192279

表5に示すように、実施例9〜16の水系二次電池は、比較例3及び4の水系二次電池と比較して、繰り返し容量維持率に優れることが確認された。   As shown in Table 5, it was confirmed that the aqueous secondary batteries of Examples 9 to 16 were superior in the capacity retention rate compared to the aqueous secondary batteries of Comparative Examples 3 and 4.

(自己放電評価)
上記表1に記載の水性電解液を用いて、比較例5、6、及び実施例17〜24の水系二次電池を作製した。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、並びに電解質の種類を下記表6に示す。
(Self-discharge evaluation)
Using the aqueous electrolytic solution described in Table 1, water-based secondary batteries of Comparative Examples 5 and 6 and Examples 17 to 24 were produced. Table 6 below shows the types and masses of the positive electrode active material, the negative electrode active material, the conductive auxiliary, the binder, and the electrolyte used.

Figure 2016192279

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)
Figure 2016192279

Positive electrode active material: Ferrocene negative electrode active material: 2,7-dibromo-9,10-phenanthrenequinone conductive auxiliary agent: activated carbon binder: polytetrafluoroethylene (PTFE)

比較例5〜6及び実施例17〜24の水系二次電池を、2Cで19サイクル充放電を行った後、20サイクル目に充電し、電圧の経時変化をモニターした。開始時の電圧1.1Vを100%とし、10時間後、24時間後の電圧を開始時の電圧に対する百分率で示した(表7)。   The aqueous secondary batteries of Comparative Examples 5 to 6 and Examples 17 to 24 were charged and discharged for 19 cycles at 2C, and then charged at the 20th cycle, and the change in voltage over time was monitored. The voltage at the start of 1.1V was taken as 100%, and the voltage after 10 hours and 24 hours was shown as a percentage of the voltage at the start (Table 7).

Figure 2016192279
Figure 2016192279

表7に示すように、実施例17〜24の10時間後及び24時間後の電池容量保持率は、比較例5及び6と比較して高い値となった。実施例17〜24の水系二次電池は自己放電による電池容量の低下が少ないことが確認された。   As shown in Table 7, the battery capacity retention after 10 hours and 24 hours of Examples 17 to 24 was higher than that of Comparative Examples 5 and 6. It was confirmed that the water-based secondary batteries of Examples 17 to 24 had little decrease in battery capacity due to self-discharge.

本発明の水系二次電池は、ゲル状の水性電解質を用いることにより、使用時に万が一破損した場合であっても安全である。これに加えて、本発明の二次電池は、水性電解質をゲル化することによって自己放電による電池容量の低下を少なくすることができ、かつサイクル特性をさらに向上させることができる。また、正極にメタロセン化合物を、負極にオルトキノン化合物を活物質として用いることにより、さらに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。そのため、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 aqueous secondary battery of the present invention is safe even if it is damaged in use by using a gel-like aqueous electrolyte. In addition, the secondary battery of the present invention can reduce the decrease in battery capacity due to self-discharge by gelling the aqueous electrolyte, and can further improve the cycle characteristics. Further, by using a metallocene compound for the positive electrode and an orthoquinone compound for the negative electrode as active materials, a secondary battery with higher output and higher charge / discharge cycle characteristics can be provided. Therefore, it is suitably used for the power source or uninterruptible power supply of various portable electronic devices and transportation devices.

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 ゲル状の水性電解質
22 円筒ケース
24 正極端子
26 負極端子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Water-system secondary battery 11 Positive electrode collector 12 Positive electrode active material layer 13 Positive electrode sheet 14 Negative electrode collector 17 Negative electrode active material layer 18 Negative electrode sheet 19 Separator 20 Gel-like aqueous electrolyte 22 Cylindrical case 24 Positive electrode terminal 26 Negative electrode terminal

Claims (9)

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、ゲル状の水性電解質と、を備える水系二次電池。   An aqueous secondary battery comprising: a positive electrode including a metallocene compound as an active material; a negative electrode including an orthoquinone compound as an active material; and a gelled aqueous electrolyte. 前記ゲル状の水性電解質が、水性電解液にゲル化剤を添加して得られる、請求項1記載の水系二次電池。   The aqueous secondary battery according to claim 1, wherein the gel-like aqueous electrolyte is obtained by adding a gelling agent to an aqueous electrolytic solution. 前記ゲル化剤が、水溶性ゲル化剤である、請求項1又は2記載の水系二次電池。   The aqueous secondary battery according to claim 1 or 2, wherein the gelling agent is a water-soluble gelling agent. 前記ゲル化剤が、カルボキシメチルセルロースナトリウム及びアルギン酸ナトリウムからなる群より選択される少なくとも1種の化合物である、請求項3記載の水系二次電池。   The aqueous secondary battery according to claim 3, wherein the gelling agent is at least one compound selected from the group consisting of sodium carboxymethylcellulose and sodium alginate. 前記正極及び負極の少なくとも一方が、多孔質炭素材料の導電助剤を含む、請求項1〜4のいずれか1項記載の水系二次電池。   The water-based secondary battery according to any one of claims 1 to 4, wherein at least one of the positive electrode and the negative electrode contains a conductive assistant of a porous carbon material. 前記電解質が、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、請求項1〜5のいずれか1項記載の水系二次電池。   6. The aqueous secondary battery according to claim 1, wherein the 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. 前記電解質が、ナトリウム塩を含有する、請求項6記載の水系二次電池。   The aqueous secondary battery according to claim 6, wherein the electrolyte contains a sodium salt. 前記メタロセン化合物がフェロセンである、請求項1〜7のいずれか1項記載の水系二次電池。   The aqueous secondary battery according to claim 1, wherein the metallocene compound is ferrocene. 前記オルトキノン化合物が、9,10−フェナントレンキノン、ジブロモオルトキノン、ジクロロオルトキノン、ジフルオロオルトキノン及びジヨードオルトキノンより選択される少なくとも1種の化合物である、請求項1〜8のいずれか1項記載の水系二次電池。   The said orthoquinone compound is at least 1 sort (s) of compound selected from 9,10-phenanthrene quinone, dibromo ortho quinone, dichloro ortho quinone, difluoro ortho quinone, and diiodo ortho quinone. The aqueous secondary battery as described.
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