JP2017010865A - Secondary battery - Google Patents

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小西 宏明
Hiroaki Konishi
宏明 小西
一重 河野
Kazushige Kono
一重 河野
安部 武志
Takeshi Abe
武志 安部
小久見 善八
Zenhachi Okumi
善八 小久見
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Kyoto University
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Kyoto University
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a secondary battery which achieves high capacity exceeding capacity of existing battery systems that include lithium ion secondary batteries.SOLUTION: A secondary battery of the present invention is characterized to include: an electrode including a metal fluoride represented by composition formula: MF(where, M represents Bi, Pb or Sn, and X represents the valence of metal M); and an electrolyte including a boron compound and an alkali metal fluoride salt. In the secondary battery, a fluoride ion (F) moves between a positive electrode and a negative electrode via the electrolyte during a charge/discharge reaction.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、二次電池に関する。   The present invention relates to a secondary battery.

現在実用化されている電池系の中で、鉛蓄電池、ニッケル水素電池などに比べて高いエネルギ密度を有するものとして、リチウムイオン二次電池が知られている(例えば、特許文献1参照)。リチウムイオン二次電池は、充電時にリチウムイオンが正極から電解質を介して負極に移動することで、電気エネルギを化学エネルギに変換して蓄える。逆に放電時には、リチウムイオンが負極から電解質を介して正極に戻ることで電気エネルギを発生させる。また、現行のリチウムイオン二次電池に比べ、さらに高いエネルギ密度を持つ材料を適用した先進リチウムイオン二次電池についても研究開発が行われている。   Among battery systems currently in practical use, lithium ion secondary batteries are known as those having a higher energy density than lead acid batteries, nickel metal hydride batteries, and the like (see, for example, Patent Document 1). Lithium ion secondary batteries convert electrical energy into chemical energy and store it when lithium ions move from the positive electrode to the negative electrode through the electrolyte during charging. Conversely, during discharge, lithium ions return from the negative electrode to the positive electrode through the electrolyte, thereby generating electric energy. Research and development are also being conducted on advanced lithium ion secondary batteries using materials with higher energy density than current lithium ion secondary batteries.

特開2011−165392号公報JP 2011-165392 A

しかしながら、リチウムイオン二次電池系の性能限界となるエネルギ密度も指摘されている。また、先進リチウムイオン二次電池系においても容量などの性能向上には上限がある。
近年の電子機器の高性能化、電気自動車への期待などを考慮すると、リチウムイオン二次電池を含む既存の電池系を超える高容量を実現する革新電池が望まれる。
However, an energy density that is a performance limit of the lithium ion secondary battery system is also pointed out. Further, even in advanced lithium ion secondary battery systems, there is an upper limit for improving performance such as capacity.
Considering the recent high performance of electronic devices and expectations for electric vehicles, an innovative battery that achieves a higher capacity than existing battery systems including lithium ion secondary batteries is desired.

そこで、本発明の課題は、リチウムイオン二次電池を含む既存の電池系を超える高容量を実現する二次電池を提供することにある。   Then, the subject of this invention is providing the secondary battery which implement | achieves the high capacity | capacitance exceeding the existing battery system containing a lithium ion secondary battery.

本発明者らは、充放電反応においてフッ化物イオン(F)が電解液を介して正極と負極との間を移動する二次電池によれば前記課題を達成できることを見出して本発明に到達した。
本発明の二次電池は、組成式MF(ただし、式中、Mは金属であり、Xは金属Mの価数である)で示される金属フッ素化物を含む電極と、ホウ素化合物及びフッ化物塩を含む電解液と、を備えることを特徴とする。
The present inventors have found that the above problem can be achieved by a secondary battery in which fluoride ions (F ) move between a positive electrode and a negative electrode through an electrolytic solution in a charge / discharge reaction, and the present invention has been achieved. did.
The secondary battery of the present invention includes an electrode including a metal fluoride represented by a composition formula MF X (wherein M is a metal and X is a valence of the metal M), a boron compound, and a fluoride. And an electrolyte solution containing a salt.

本発明の二次電池によれば、従来のリチウムイオン二次電池を含む既存の電池系を超える高容量を実現することができる。   According to the secondary battery of the present invention, it is possible to achieve a higher capacity than existing battery systems including conventional lithium ion secondary batteries.

本発明の実施形態に係る二次電池の内部構造を模式的に表す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which represents typically the internal structure of the secondary battery which concerns on embodiment of this invention.

次に、本発明の実施形態について適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
本発明の二次電池は、従来のリチウムイオン二次電池(例えば、特許文献1参照)よりも高容量を達成することができる新規なフッ化物イオン二次電池である。
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate.
The secondary battery of the present invention is a novel fluoride ion secondary battery that can achieve a higher capacity than a conventional lithium ion secondary battery (see, for example, Patent Document 1).

本発明に係る二次電池は、後記の金属フッ素化物を含む電極と、後記のホウ素化合物及び後記のフッ化物塩を含む電解液と、を備えることを主な特徴とする。
以下では、二次電池の全体構成について説明した後に、電極及び電解液についてさらに詳しく説明する。なお、金属フッ素化物は、対極の選択によって正極及び負極のいずれにも含めることができるが、以下に説明する本実施形態の二次電池においては、少なくとも放電前の状態において、正極に金属フッ素化物を含むものについて説明する。
The secondary battery according to the present invention is mainly characterized by including an electrode containing a metal fluoride described later and an electrolytic solution containing a boron compound described later and a fluoride salt described later.
Below, after explaining the whole structure of a secondary battery, it demonstrates in more detail about an electrode and electrolyte solution. The metal fluoride can be included in either the positive electrode or the negative electrode depending on the selection of the counter electrode. However, in the secondary battery of the present embodiment described below, at least in the state before discharge, the metal fluoride is contained in the positive electrode. The thing including is described.

<二次電池の全体構成>
図1は、本発明の実施形態に係る二次電池1の内部構造を模式的に表す縦断面図である。
図1に示すように、本実施形態に係る二次電池1は、電池容器13と、正極10と、セパレータ11と、負極12と、電池蓋20と、電解液22とを備えている。
<Overall configuration of secondary battery>
FIG. 1 is a longitudinal sectional view schematically showing the internal structure of a secondary battery 1 according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, the secondary battery 1 according to the present embodiment includes a battery container 13, a positive electrode 10, a separator 11, a negative electrode 12, a battery lid 20, and an electrolytic solution 22.

本実施形態での電池容器13は、有底の略円筒形状を呈している。電池容器13内には、正極10、セパレータ11、及び負極12を有する電極群、並びに電解液22が収容される。電池容器13の外形には特に制限がない。   The battery container 13 in the present embodiment has a bottomed substantially cylindrical shape. In the battery container 13, an electrode group having the positive electrode 10, the separator 11, and the negative electrode 12, and the electrolytic solution 22 are accommodated. There is no particular limitation on the outer shape of the battery container 13.

電池容器13の材質としては、電解液22に対し耐食性のある材料から選択される。具体的な電池容器13の材質としては、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼製等が挙げられる。   The material of the battery container 13 is selected from materials that are corrosion resistant to the electrolytic solution 22. Specific examples of the material of the battery container 13 include aluminum, stainless steel, nickel-plated steel, and the like.

正極10と、セパレータ11と、負極12とは、互いに重ね合わせられて軸心21に巻回され、略円柱状の電極群を形成している。セパレータ11は、正極10と負極12との間に挿入されている。電極群については、電極材料とともに後に詳しく説明する。   The positive electrode 10, the separator 11, and the negative electrode 12 are overlapped with each other and wound around the axis 21 to form a substantially cylindrical electrode group. The separator 11 is inserted between the positive electrode 10 and the negative electrode 12. The electrode group will be described in detail later together with the electrode material.

軸心21としては、これに巻回される正極10、セパレータ11及び負極12を支持できれば特に制限はなく公知の軸心を用いることができる。   The shaft center 21 is not particularly limited as long as it can support the positive electrode 10, the separator 11, and the negative electrode 12 wound around the shaft center 21, and a known shaft center can be used.

電池蓋20は、内蓋16と、内圧開放弁17と、ガスケット18と、正温度係数抵抗素子19とが一体化されて形成されている。ちなみに、ガスケット18は、電池容器13の内外を気密、液密に封止するとともに、電池容器13と電池蓋20とを電気的に絶縁している。電池蓋20は、電池容器13の開口側に配置され、電池容器13に対して溶接、かしめ等によって取り付けられている。   The battery lid 20 is formed by integrating an inner lid 16, an internal pressure release valve 17, a gasket 18, and a positive temperature coefficient resistance element 19. Incidentally, the gasket 18 hermetically and liquid-tightly seals the inside and outside of the battery container 13 and electrically insulates the battery container 13 and the battery lid 20. The battery lid 20 is disposed on the opening side of the battery container 13 and is attached to the battery container 13 by welding, caulking, or the like.

電解液22は、電池蓋20が電池容器13に取り付けられる前に、電池容器13の開口側から内部に注入される。これによって前記の電極群は、電解液22に浸漬される。
ちなみに、電解液22は、電池容器13に電池蓋20が取り付けられた後に、電池蓋20に設けられた注入口(図示省略)を介して注入することもできる。この注入口は、電解液22の注入後には塞がれる。なお、電解液22については、後に詳しく説明する。
The electrolytic solution 22 is injected into the battery container 13 from the opening side before the battery cover 20 is attached to the battery container 13. As a result, the electrode group is immersed in the electrolytic solution 22.
Incidentally, the electrolytic solution 22 can be injected through an inlet (not shown) provided in the battery lid 20 after the battery lid 20 is attached to the battery container 13. This inlet is closed after the electrolyte 22 is injected. The electrolytic solution 22 will be described in detail later.

図1中、符号14は、正極集電タブであり、符号15は、負極集電タブである。
正極集電タブ14は、電池容器13内に収容された前記電極群の正極10と、電池容器13の電池蓋20(内蓋16)とを電気的に接続している。
負極集電タブ15は、電池容器13内に収容された前記電極群の負極12と、電池容器13の内壁とを電気的に接続している。
In FIG. 1, reference numeral 14 denotes a positive electrode current collecting tab, and reference numeral 15 denotes a negative electrode current collecting tab.
The positive electrode current collecting tab 14 electrically connects the positive electrode 10 of the electrode group accommodated in the battery container 13 and the battery cover 20 (inner cover 16) of the battery container 13.
The negative electrode current collecting tab 15 electrically connects the negative electrode 12 of the electrode group accommodated in the battery container 13 and the inner wall of the battery container 13.

<電極群>
次に、前記の電極群について説明する。
電極群は、正極10と、負極12と、セパレータ11とを備えている(図1参照)。以下では、正極10、負極12、セパレータ11の順番で説明する。なお、正極10及び負極12については、放電プロセスの初期状態における正極10及び負極12を基準に説明する。
<Electrode group>
Next, the electrode group will be described.
The electrode group includes a positive electrode 10, a negative electrode 12, and a separator 11 (see FIG. 1). Below, it demonstrates in order of the positive electrode 10, the negative electrode 12, and the separator 11. FIG. In addition, about the positive electrode 10 and the negative electrode 12, it demonstrates on the basis of the positive electrode 10 and the negative electrode 12 in the initial stage of a discharge process.

(正極)
本実施形態での正極10は、金属フッ素化物(活物質)と、導電剤と、バインダ(結合剤)と、集電体とを備えている。
金属フッ素化物は、組成式MFで示される。ただし、前記組成式中、Mは金属であり、Xは金属Mの価数である。
金属Mとしては、例えば、Bi、Pb、Sn、Co、Mn、Ni、Cu、Fe、Al、Mg、Ceなどが挙げられる。中でも金属Mは、Bi、Pb、及びSnが望ましく、Biは最も望ましい。
(Positive electrode)
The positive electrode 10 in the present embodiment includes a metal fluoride (active material), a conductive agent, a binder (binder), and a current collector.
Metal fluoride is represented by a composition formula MF X. However, in the said compositional formula, M is a metal and X is the valence of the metal M.
Examples of the metal M include Bi, Pb, Sn, Co, Mn, Ni, Cu, Fe, Al, Mg, and Ce. Among them, the metal M is desirably Bi, Pb, and Sn, and Bi is most desirable.

金属フッ素化物の具体例としては、例えば、BiF、PbF、SnFなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。これらの中でも、容量及び反応電位の観点からはBiFを用いることが好ましい。
なお、金属フッ素化物としては、組成式MFのフッ素原子の一部が不純物としての酸素原子、窒素原子で置き換わったものも許容される。
また、金属フッ化物としては、前記のMが複数の元素で構成されるものも許容される。
Specific examples of the metal fluoride include, but are not limited to, BiF 3 , PbF 2 , SnF 2 and the like. Among these, BiF 3 is preferably used from the viewpoint of capacity and reaction potential.
The metal fluoride is also acceptable that a part of the fluorine atoms of formula MF X is replaced by an oxygen atom, a nitrogen atom as an impurity.
In addition, as the metal fluoride, those in which the M is composed of a plurality of elements are allowed.

導電剤は、電極の電気伝導性を補う粉体であり、必要に応じて正極10に含めることができる。導電剤を含む正極10は望ましい。
導電剤としては、例えば、黒鉛、易黒鉛化炭素、難黒鉛化炭素、グラフェン、カーボンブラック、黒鉛化カーボンブラック、ケッチェンブラック、気相成長炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、メソカーボンマイクロビーズ、多層/単層カーボンナノチューブ、バルカン、アセチレンブラック、酸素含有官能基導入親水性カーボンなどが挙げられる。ただし導電剤はこれらに限定されるものではない。
The conductive agent is a powder that supplements the electrical conductivity of the electrode, and can be included in the positive electrode 10 as necessary. The positive electrode 10 containing a conductive agent is desirable.
Examples of the conductive agent include graphite, graphitizable carbon, non-graphitizable carbon, graphene, carbon black, graphitized carbon black, ketjen black, vapor grown carbon fiber, pitch-based carbon fiber, mesocarbon microbead, multilayer / Single-walled carbon nanotubes, Vulcan, acetylene black, oxygen-containing functional group-introduced hydrophilic carbon and the like. However, the conductive agent is not limited to these.

バインダは、金属フッ素化物の粒子同士を結合する。正極10に導電剤を含む場合には金属フッ素化物の粒子及び導電剤の粒子同士をも結合する。
バインダとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、アクリル系のポリマ、イミド基やアミド基を有するポリマなどが挙げられる。ただしバインダはこれらに限定されるものではない。
The binder bonds the metal fluoride particles. When the positive electrode 10 contains a conductive agent, the metal fluoride particles and the conductive agent particles are also bonded to each other.
Examples of the binder include polyvinylidene fluoride (PVDF), an acrylic polymer, and a polymer having an imide group or an amide group. However, the binder is not limited to these.

集電体としては、例えば、金属箔、金属メッシュ(エキスパンドメタル)、発泡金属、パンチングメタルなどが挙げられる。集電体の材質としては、例えば、アルミニウム、銅、真ちゅう、ニッケル、亜鉛、ステンレスなどが挙げられる。また、集電体としては、導電性を付与した不織布を使用することもできる。ただし集電体は前記のものに限定されるものではない。   Examples of the current collector include metal foil, metal mesh (expanded metal), foam metal, and punching metal. Examples of the material for the current collector include aluminum, copper, brass, nickel, zinc, and stainless steel. Further, as the current collector, a non-woven fabric imparted with conductivity can also be used. However, the current collector is not limited to the above.

正極10は、前記の金属フッ素化物、導電剤、及びバインダを含む組成物を、前記の集電体に付着させることによって形成することができる。
具体的な前記組成物の付着方法としては、例えば、前記の金属フッ素化物、導電剤、及びバインダに所定の液状媒体を加えてスラリーを形成し、このスラリーを集電体の表面に塗布する方法が挙げられる。前記の液状媒体としては、例えば、1−メチル−2−ピロリドン(N−メチルピロリドン)、テトラヒドロフラン、ヘキサノール、ブタノール、プロパノール、イソプロパノール、水などが挙げられる。ただし液状媒体はこれらに限定されるものではない。
The positive electrode 10 can be formed by adhering a composition containing the metal fluoride, conductive agent, and binder to the current collector.
As a specific method of attaching the composition, for example, a slurry is formed by adding a predetermined liquid medium to the metal fluoride, conductive agent, and binder, and the slurry is applied to the surface of the current collector. Is mentioned. Examples of the liquid medium include 1-methyl-2-pyrrolidone (N-methylpyrrolidone), tetrahydrofuran, hexanol, butanol, propanol, isopropanol, and water. However, the liquid medium is not limited to these.

塗布方法としては、例えば、ドクターブレード法、ディッピング法、スプレー法などが挙げられる。ただし塗布方法はこれらに限定されるものではない。
正極10は、集電体に塗布したスラリーを乾燥させ、必要に応じてロールプレスなどによって加圧成形することで得ることができる。また、この加圧成形時には、必要に応じて加熱することもできる。
Examples of the application method include a doctor blade method, a dipping method, and a spray method. However, the coating method is not limited to these.
The positive electrode 10 can be obtained by drying the slurry applied to the current collector and, if necessary, pressing with a roll press or the like. Moreover, at the time of this pressure molding, it can also heat as needed.

また、正極10は、集電体の表面に、前記の金属フッ素化物、導電剤、及びバインダを含む組成物を、圧着、溶着などによって付着させて得ることもできる。   The positive electrode 10 can also be obtained by adhering the composition containing the metal fluoride, conductive agent, and binder to the surface of the current collector by pressure bonding, welding, or the like.

また、前記の金属フッ素化物、導電剤、及びバインダを含む組成物によって集電体の表面に形成される電極層は、集電体の表面に複数積層されるように形成することもできる。   In addition, a plurality of electrode layers formed on the surface of the current collector by the composition containing the metal fluoride, the conductive agent, and the binder may be stacked on the surface of the current collector.

電極層におけるバインダの含有量は、金属フッ素化物、導電剤及びバインダの合計量に対して、例えば5質量%〜20質量%とすることができるが、これに限定されるものではない。
また、電極層に導電剤を含む場合には、導電剤の含有量は、5質量%〜30質量%程度とすることが望ましい。
Although content of the binder in an electrode layer can be 5 mass%-20 mass% with respect to the total amount of a metal fluoride, a electrically conductive agent, and a binder, it is not limited to this, for example.
When the electrode layer contains a conductive agent, the content of the conductive agent is preferably about 5% by mass to 30% by mass.

(負極)
負極12としては、放電時にフッ化物イオン(F)をフッ素原子として吸蔵し、充電時にフッ化物イオン(F)を放出するものであれば特に制限はない。
本実施形態での負極12としては、例えば、金属フッ素化物(MF)よりも卑な電位を示す活物質を含むものを使用することができる。
(Negative electrode)
Examples of the negative electrode 12, fluoride ions during discharge (F -) occludes a fluorine atom, fluoride ions during charging - not particularly limited as long as it emits (F).
As the negative electrode 12 in the present embodiment, for example, a material containing an active material showing a lower potential than a metal fluoride (MF X ) can be used.

負極12の活物質としては、例えば、金属フッ素化物(MF)を構成する金属M単体を挙げることができる。
金属M単体としては、前記のように、例えば、Bi、Pb、Sn、Co、Mn、Ni、Cu、Fe、Al、Mg、Ceなどが挙げられる。中でも金属Mは、Mg、Al及びCeが望ましい。
また、負極12には、必要に応じて前記の活物質とともに、バインダ、導電剤、集電体などを含めることができる。これらバインダ、導電剤、及び集電体は、正極10と同様のものを使用することができる。
Examples of the active material of the negative electrode 12 include a metal M simple substance constituting a metal fluoride (MF X ).
Examples of the metal M alone include Bi, Pb, Sn, Co, Mn, Ni, Cu, Fe, Al, Mg, and Ce as described above. Among them, the metal M is preferably Mg, Al, and Ce.
In addition, the negative electrode 12 can contain a binder, a conductive agent, a current collector, and the like as necessary together with the active material. The same binder, conductive agent, and current collector as those of the positive electrode 10 can be used.

(セパレータ)
セパレータ11は、前記のように正極10と負極12との間に挿入され、正極10及び負極12の直接接触による短絡を防止する。
セパレータ11としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、アラミド樹脂などの微多孔質の高分子フィルム、高分子フィルムの表面上にアルミナ粒子などの耐熱性物質を被覆した膜などが挙げられる。
(Separator)
The separator 11 is inserted between the positive electrode 10 and the negative electrode 12 as described above, and prevents a short circuit due to direct contact between the positive electrode 10 and the negative electrode 12.
Examples of the separator 11 include a microporous polymer film such as polyethylene, polypropylene, and aramid resin, and a film in which a heat resistant material such as alumina particles is coated on the surface of the polymer film.

<電解液>
電解液22は、ホウ素化合物と、フッ化物塩と、非水溶媒とを含んでいる。
(ホウ素化合物)
ホウ素化合物は、非水溶媒中で溶解度が比較的低いフッ化物塩の解離を促進する。また、ホウ素化合物には、フッ化物イオンに配位して安定化させる役割もある。
ホウ素化合物は、単独で、又はフッ化物塩とともに使用して非水溶媒に溶解するものを選択することが望ましい。またホウ素化合物は、標準水素電極に対し、1Vから−2Vの範囲で安定であることが望ましい。
ホウ素化合物としては、例えば、有機ホウ素化合物、含フッ素有機ホウ素化合物などを挙げることができる。
<Electrolyte>
The electrolytic solution 22 contains a boron compound, a fluoride salt, and a nonaqueous solvent.
(Boron compound)
Boron compounds promote the dissociation of fluoride salts with relatively low solubility in non-aqueous solvents. The boron compound also has a role of coordinating and stabilizing fluoride ions.
It is desirable to select a boron compound that is used alone or in combination with a fluoride salt and that dissolves in a non-aqueous solvent. Further, it is desirable that the boron compound is stable in the range of 1V to -2V with respect to the standard hydrogen electrode.
Examples of the boron compound include organic boron compounds and fluorine-containing organic boron compounds.

有機ホウ素化合物としては、次式:B≡(R
(式中、Rは互いに同一でも異なっていてもよい一価の有機基)
で示されるものが挙げられる。
As the organoboron compound, the following formula: B≡ (R 1 ) 3
(Wherein R 1 are monovalent organic groups which may be the same or different from each other)
The thing shown by is mentioned.

前記Rの有機基としては、例えば、アルキル基、アルコキシ基、シクロヘキシル基、アリール基、アリールオキシ基などが挙げられる。 Examples of the organic group for R 1 include an alkyl group, an alkoxy group, a cyclohexyl group, an aryl group, and an aryloxy group.

含フッ素有機ホウ素化合物としては、次式:F−B=(R
(式中、Rは前記と同義であり、互いに同一でも異なっていてもよい)
で示されるもの、
次式:B≡(R
(式中、Rは水素原子の全部若しくは一部がフッ素原子で置換された一価のアルキル基又はアルコキシ基であり、Rは互いに同一でも異なっていてもよい)
で示されるものなどが挙げられる。
As the fluorine-containing organic boron compound, the following formula: FB = (R 1 ) 2
(Wherein R 1 has the same meaning as described above, and may be the same as or different from each other).
Indicated by
The following formula: B≡ (R 2 ) 3
(In the formula, R 2 is a monovalent alkyl group or alkoxy group in which all or part of the hydrogen atoms are substituted with fluorine atoms, and R 2 may be the same or different from each other.)
And the like shown in FIG.

また、有機ホウ素化合物及び含フッ素有機ホウ素化合物としては、ボロキシン環(ボロキシンから3つの水素原子を除いた≡(BO)で示される複素環)を有するボロキシン系化合物を使用することもできる。
ボロキシン系化合物としては、例えば、次式:R (BO)
(式中、Rは互いに同一でも異なっていてもよい一価の有機基)
で示されるものが挙げられる。
前記Rの有機基としては、例えば、アルキル基、アルコキシ基、シクロヘキシル基、シクロヘキシルオキシ基、アリール基、アリールオキシ基、これらの基の水素原子の全部又は一部がフッ素原子で置換されたものなどが挙げられる。
Further, as the organoboron compound and the fluorine-containing organoboron compound, a boroxine compound having a boroxine ring (a heterocycle represented by ≡ (BO) 3 obtained by removing three hydrogen atoms from boroxine) can also be used.
Examples of boroxine compounds include the following formula: R 3 3 (BO) 3
(Wherein R 3 are monovalent organic groups which may be the same or different from each other)
The thing shown by is mentioned.
Examples of the organic group for R 3 include an alkyl group, an alkoxy group, a cyclohexyl group, a cyclohexyloxy group, an aryl group, an aryloxy group, and all or part of hydrogen atoms of these groups substituted with fluorine atoms. Etc.

中でもホウ素化合物として望ましいものは、B≡(OPh)[ただしPhはフェニル基]、B≡(Ph)[ただしPhはフェニル基]、F−B=(C11[ジメシチルフルオロボラン]、B≡(OCHCFCHF、(Ph)(BO)[ただしPhはフェニル基]、(CF)(BO)[ただしCFはフェニル基の一つの水素原子をフッ素原子で置換した基(例えば、2,4,6−トリス(4−フルオロフェニル)ボロキシン基)]などが挙げられる。
以上のようなホウ素化合物は、単独で、又は2種以上を組み合わせて用いることもできる。
Among these, preferred boron compounds are B≡ (OPh) 3 [where Ph is a phenyl group], B≡ (Ph) 3 [where Ph is a phenyl group], FB = (C 9 H 11 ) 2 [Dimesi Tylfluoroborane], B≡ (OCH 2 CF 2 CHF 2 ) 3 , (Ph) 3 (BO) 3 [where Ph is a phenyl group], (C 6 H 4 F) 3 (BO) 3 [where C 6 H 4 F includes a group in which one hydrogen atom of a phenyl group is substituted with a fluorine atom (for example, 2,4,6-tris (4-fluorophenyl) boroxine group)] and the like.
The above boron compounds can be used alone or in combination of two or more.

(フッ化物塩)
フッ化物塩は、アルカリ金属塩が望ましい。
フッ化物塩としては、例えば、フッ化リチウム、フッ化ナトリウム、フッ化カリウム、フッ化ルビジウム、フッ化セシウムなどが挙げられる。
中でもフッ化物塩としては、非水溶媒への溶解度の観点から、フッ化セシウムが特に望ましい。
フッ化物塩は、単独で、又は2種以上を組み合わせて用いることもできる。
(Fluoride salt)
The fluoride salt is preferably an alkali metal salt.
Examples of the fluoride salt include lithium fluoride, sodium fluoride, potassium fluoride, rubidium fluoride, and cesium fluoride.
Among these, as the fluoride salt, cesium fluoride is particularly desirable from the viewpoint of solubility in a non-aqueous solvent.
Fluoride salts can be used alone or in combination of two or more.

(非水溶媒)
非水溶媒としては、例えば、テトラエチレングリコールジメチルエーテル(テトラグライム)、トリエチレングリコールジメチルエーテル(トリグライム)、ジエチレングリコールジメチルエーテル(ジグライム)、エチレングリコールジメチルエーテル(モノグライム)、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネートなどが挙げられる。
中でも非水溶媒としては、フッ化物塩の溶解しやすさの観点から、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、プロピレンカーボネートが望ましい。
非水溶媒は、単独で、又は2種以上を組み合わせて用いることもできる。
(Non-aqueous solvent)
Examples of the non-aqueous solvent include tetraethylene glycol dimethyl ether (tetraglyme), triethylene glycol dimethyl ether (triglyme), diethylene glycol dimethyl ether (diglyme), ethylene glycol dimethyl ether (monoglyme), ethylene carbonate, propylene carbonate, γ-butyrolactone, dimethyl carbonate. , Ethyl methyl carbonate, diethyl carbonate and the like.
Among these, tetraethylene glycol dimethyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, and propylene carbonate are desirable as the non-aqueous solvent from the viewpoint of ease of dissolution of the fluoride salt.
A non-aqueous solvent can also be used individually or in combination of 2 or more types.

電解液22におけるフッ化物塩の濃度が高いと電解液のイオン導電率が向上する傾向がある。そこで、フッ化物塩の濃度は0.1mol/L以上、であることが望ましく、0.5mol/L以上がより望ましい。
また、フッ化物塩をより多く溶解させるためには、ホウ素化合物も多く加える必要がある。電解液22におけるホウ素化合物の濃度は、0.1mol/L以上、が望ましく、0.5mol/L以上がより望ましい。
When the concentration of the fluoride salt in the electrolytic solution 22 is high, the ionic conductivity of the electrolytic solution tends to be improved. Therefore, the concentration of the fluoride salt is desirably 0.1 mol / L or more, and more desirably 0.5 mol / L or more.
Moreover, in order to dissolve more fluoride salts, it is necessary to add more boron compounds. The concentration of the boron compound in the electrolytic solution 22 is desirably 0.1 mol / L or more, and more desirably 0.5 mol / L or more.

また、電解液22には、必要に応じて、イオン伝導性向上剤、過充電抑制剤、難燃性付与剤、濡れ性改善剤などを添加することもできる。   In addition, an ion conductivity improver, an overcharge inhibitor, a flame retardant imparting agent, a wettability improver, and the like can be added to the electrolytic solution 22 as necessary.

次に、本実施形態に係る二次電池1の動作を説明しながらこの二次電池1の奏する作用効果について説明する。ここでは、放電プロセスの初期の状態において、正極10に前記の金属フッ素化物(MF)を含み、負極12に前記金属フッ素化物(MF)と異なる金属フッ素化物(M´F)を構成する金属M´単体を含む二次電池1を例にとって説明する。なお、負極12に含まれる金属M´は、金属フッ素化物(MF)よりも卑な電位を示し、価数が後記するYであるものを想定している。まず、二次電池1の放電プロセスについて説明する。 Next, the effects of the secondary battery 1 will be described while explaining the operation of the secondary battery 1 according to the present embodiment. Here, in the initial state of the discharge process, the positive electrode 10 includes the metal fluoride (MF X ), and the negative electrode 12 includes a metal fluoride (M′F Y ) different from the metal fluoride (MF X ). The secondary battery 1 including a single metal M ′ will be described as an example. It is assumed that the metal M ′ included in the negative electrode 12 has a lower potential than the metal fluoride (MF X ) and has a valence of Y as described later. First, the discharge process of the secondary battery 1 will be described.

次の式(1)は、放電プロセスにおける正極10の反応機構を示す反応式である。式(2)は、放電プロセスにおける負極12の反応機構を示す反応式である。   The following equation (1) is a reaction equation showing the reaction mechanism of the positive electrode 10 in the discharge process. Formula (2) is a reaction formula showing the reaction mechanism of the negative electrode 12 in the discharge process.

正極10:
MF + Xe → M + XF ・・・式(1)
負極12:
(X/Y)M´ + XF → (X/Y)M´F + Xe ・・・式(2)
(前記式(1)及び式(2)中、M、M´、X、Fは前記と同義であり、Yは金属M´の価数であり、eは電子である)
Positive electrode 10:
MF X + Xe → M + XF Formula (1)
Negative electrode 12:
(X / Y) M ′ + XF → (X / Y) M′F Y + Xe (2)
(In the formulas (1) and (2), M, M ′, X, and F are as defined above, Y is the valence of the metal M ′, and e is an electron)

式(1)に示すように、放電プロセスにおける正極10では、活物質としての金属フッ素化物(MF)の還元反応によって、脱フッ化反応が進行する。正極10では、金属(M)とフッ化物イオン(F)を生起する。
正極10で生起したフッ化物イオン(F)は、電解液22を介して負極12に移動する。
As shown in Formula (1), in the positive electrode 10 in the discharge process, the defluorination reaction proceeds by the reduction reaction of the metal fluoride (MF X ) as the active material. In the positive electrode 10, metal (M) and fluoride ions (F ) are generated.
Fluoride ions (F ) generated at the positive electrode 10 move to the negative electrode 12 through the electrolytic solution 22.

式(2)に示すように、放電プロセスにおける負極12では、負極12の活物質としての金属M´(単体)とフッ化物イオン(F)との反応によって、金属フッ素化物(M´F)が生成する。負極12では、この酸化反応によって電子(e)が生起する。つまり、この二次電池1における放電プロセスでは、正極10及び負極12のそれぞれにおける酸化還元反応によって、互いに結線された負極12から正極10に向かって電子(e)が流れる。電流は、正極10から負極12に向かって流れる。 As shown in the formula (2), in the negative electrode 12 in the discharge process, a metal fluoride (M′F Y ) is obtained by a reaction between the metal M ′ (simple substance) as an active material of the negative electrode 12 and fluoride ions (F ). ) Is generated. In the negative electrode 12, electrons (e ) are generated by this oxidation reaction. That is, in the discharge process in the secondary battery 1, electrons (e ) flow from the negative electrode 12 connected to each other toward the positive electrode 10 by the oxidation-reduction reaction in each of the positive electrode 10 and the negative electrode 12. The current flows from the positive electrode 10 toward the negative electrode 12.

これとは逆に充電プロセスでは、式(1)における逆方向の反応が正極10で進行し、式(2)における逆方向の反応が負極12で進行する。つまり、この充電プロセスを経た二次電池1の正極10では、再び活物質としての金属フッ素化物(MF)が生成される。これにより二次電池1は復元して次の放電プロセスに備えることができる。
なお、前記の式(1)及び式(2)に示す例では、負極に用いる金属M´として、正極のMFの金属Mと異なるものを想定しているが、負極には正極での金属種と同じ金属M単体を使用することもできる。この場合の負極反応は、下記式(2)´のようになる。
M + XF → MF + Xe ・・・式(2)´
In contrast, in the charging process, the reverse reaction in Formula (1) proceeds at the positive electrode 10, and the reverse reaction in Formula (2) proceeds at the negative electrode 12. That is, in the positive electrode 10 of the secondary battery 1 that has undergone this charging process, a metal fluoride (MF X ) as an active material is generated again. Thereby, the secondary battery 1 can be restored and prepared for the next discharge process.
In the example shown in the above formula (1) and (2), as the metal M'used for the negative electrode, it is assumed that different from the metal M of the positive electrode of the MF X, metals in the positive electrode to the negative electrode The same metal M as the seed can also be used. The negative electrode reaction in this case is represented by the following formula (2) ′.
M + XF → MF X + Xe Expression (2) ′

また、本実施形態の二次電池1における電解液22には、ホウ素化合物とフッ化物塩とが含まれている。これにより正極10及び負極12の両極間を流れるフッ化物イオン(F)の移動が円滑となる。特に、ホウ素化合物は、電解液22に対するフッ化物イオン(F)の溶解を促す。 Further, the electrolytic solution 22 in the secondary battery 1 of the present embodiment contains a boron compound and a fluoride salt. Thereby, the movement of fluoride ions (F ) flowing between both electrodes of the positive electrode 10 and the negative electrode 12 becomes smooth. In particular, the boron compound promotes dissolution of fluoride ions (F ) in the electrolytic solution 22.

このようにフッ化物イオン(F)が電解液22を介して正極10及び負極12の両極間を移動する際に、例えば固体電解質中をフッ化物イオン(F)が移動する場合と比較してフッ化物イオン(F)の拡散が格段に速くなる。これにより本実施形態の二次電池1は、出力、レート特性に一段と優れたものとなる。 Thus, when the fluoride ion (F ) moves between both the positive electrode 10 and the negative electrode 12 through the electrolytic solution 22, for example, compared with the case where the fluoride ion (F ) moves in the solid electrolyte. Accordingly, the diffusion of fluoride ions (F ) is remarkably accelerated. Thereby, the secondary battery 1 of the present embodiment is further improved in output and rate characteristics.

また、アルカリ金属のフッ化物塩及び有機ホウ素化合物を含む電解液22は、フッ化物イオン(F)の移動をより円滑にさせる。中でもボロキシン系化合物は、電解液22の前記の性能をより高めることができる。 Moreover, the electrolyte solution 22 containing an alkali metal fluoride salt and an organoboron compound makes the movement of fluoride ions (F ) smoother. Among them, the boroxine-based compound can further improve the performance of the electrolytic solution 22.

また、フッ化物塩が飽和状態になるまで溶解する電解液22を有する二次電池1は、良好なサイクル特性を実現することができる。これは、フッ化物塩を飽和状態にすることで、電極(正極10、負極12)に使用した金属フッ素化物(MF、M´F)の電解液22への溶出を抑制することができるためである。 In addition, the secondary battery 1 having the electrolytic solution 22 that dissolves until the fluoride salt is saturated can achieve good cycle characteristics. This is because the fluoride salt in a saturated state, it is possible to suppress the electrode (positive electrode 10, negative electrode 12) metal fluoride (MF X, M'F Y) used for the elution into the electrolytic solution 22 Because.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、種々の他の形態で実施することができる。
前記実施形態では、正極10に金属フッ素化物を含む二次電池1について説明したが、本発明は、負極12に金属単体ではなく金属フッ素化物を含む二次電池1とすることもできる。つまり、本発明の二次電池1は、少なくとも作用極に金属フッ素化物(MF)を含む構成となる。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment, It can implement with a various other form.
In the above-described embodiment, the secondary battery 1 including the metal fluoride in the positive electrode 10 has been described. However, the present invention may be a secondary battery 1 in which the negative electrode 12 includes a metal fluoride instead of a single metal. That is, the secondary battery 1 of the present invention has a configuration including at least a metal fluoride (MF X ) in the working electrode.

前記実施形態では、電極群を円筒形状としたが、その他に、短冊状電極を積層したもの、あるいは正極10及び負極12を扁平状の任意の形状に捲回したものなど、種々の形状にすることができる。また、電池容器13の形状は、扁平長円形状、扁平楕円形状、角形などの形状から選択しても良い。さらに、軸心21は、電池形状によって、あるいは電池内部における電極の体積占有率を向上させる目的で、省略することも可能である。   In the embodiment, the electrode group has a cylindrical shape, but in addition, various shapes such as a laminate of strip-shaped electrodes or a positive electrode 10 and a negative electrode 12 wound in an arbitrary flat shape are used. be able to. Further, the shape of the battery case 13 may be selected from shapes such as a flat oval shape, a flat oval shape, and a square shape. Furthermore, the axis 21 can be omitted depending on the battery shape or for the purpose of improving the volume occupancy of the electrode inside the battery.

また、前記実施形態の二次電池1は、前記のような利点を有するため、様々な用途に用いることができる。特に、二次電池1は、安全性に優れるという利点に加えて電池特性も良好であるため、携帯電話、ノート型パソコン等のモバイル情報機器の駆動電源用の二次電池としてだけではなく、例えば電気自動車やハイブリッド電気自動車等の様々な機器の電源として幅広く利用することができる。   Moreover, since the secondary battery 1 of the said embodiment has the above advantages, it can be used for various applications. In particular, since the secondary battery 1 has good battery characteristics in addition to the advantage of being excellent in safety, it is not only used as a secondary battery for driving power sources of mobile information devices such as mobile phones and laptop computers, It can be widely used as a power source for various devices such as electric vehicles and hybrid electric vehicles.

以下に、本発明の作用効果を検証した実施例1から15及び比較例1から3について説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、任意に変更して実施することができる。   Hereinafter, Examples 1 to 15 and Comparative Examples 1 to 3 for verifying the effects of the present invention will be described. In addition, this invention is not limited to a following example, In the range which does not deviate from the summary of this invention, it can change arbitrarily and can implement.

<電極の作製>
実施例及び比較例では、表1に示すように、電極の活物質として、BiF、PbF、SnFをそれぞれ使用した。
<Production of electrode>
In Examples and Comparative Examples, as shown in Table 1, BiF 3 , PbF 2 , and SnF 2 were used as electrode active materials, respectively.

Figure 2017010865
Figure 2017010865

まず、活物質60質量部と、アセチレンブラック(導電剤)25質量部と、ポリフッ化ビニリデン(バインダ)15質量部を混合した後、これに粘度調整剤としての1−メチル−2−ピロリドン350〜400質量部を加えてスラリー組成部を調製した。
このスラリー組成物を集電体としてのアルミニウム箔の片面に塗布した。次いで、スラリー組成物を塗布したアルミニウム箔を、110℃で加熱乾燥した後にプレス成形した。このプレス成形品から反応領域が5mm×5mmとなる面積の切片を切り出して電極とした。
First, 60 parts by mass of an active material, 25 parts by mass of acetylene black (conductive agent), and 15 parts by mass of polyvinylidene fluoride (binder) were mixed, and then 1-methyl-2-pyrrolidone 350- 400 parts by mass was added to prepare a slurry composition part.
This slurry composition was applied to one side of an aluminum foil as a current collector. Next, the aluminum foil coated with the slurry composition was heat-dried at 110 ° C. and then press-molded. From this press-molded product, a section having an area with a reaction area of 5 mm × 5 mm was cut out to form an electrode.

<電解液の調製>
表1に示すフッ化物塩、ホウ素化合物及び非水溶媒を使用して電解液を調整した。表1に、電解液中のフッ化物塩の濃度、及びホウ素化合物の濃度を記す。
なお、表1中、組成式で示したホウ素化合物は、次のとおりである。
F−B=(C11[ジメシチルフルオロボラン]
B≡(OPh)[Phはフェニル基]
B≡(Ph)[Phはフェニル基]
(Ph)(BO)[Phはフェニル基、(BO)はボロキシン環]
(CF)(BO)[2,4,6−トリス(4−フルオロフェニル)ボロキシン]
<Preparation of electrolyte>
An electrolyte solution was prepared using the fluoride salt, boron compound and non-aqueous solvent shown in Table 1. Table 1 shows the concentration of the fluoride salt and the concentration of the boron compound in the electrolytic solution.
In Table 1, the boron compounds represented by the composition formula are as follows.
FB = (C 9 H 11 ) 2 [Dimesitylfluoroborane]
B≡ (OPh) 3 [Ph is a phenyl group]
B≡ (Ph) 3 [Ph is a phenyl group]
(Ph) 3 (BO) 3 [Ph is a phenyl group, (BO) 3 is a boroxine ring]
(C 6 H 4 F) 3 (BO) 3 [2,4,6-Tris (4-fluorophenyl) boroxine]

<試作電池の作製>
作製した前記の電極と、対極としての白金メッシュとを所定の容器内に配置し、次いで、この容器内に調製した前記の電解液を投入することでこれら電極と対極とを電解液に浸漬させた。参照極には、アセトニトリル中に、0.1mol/LのAgNO、及び0.1mol/LのC20ClNOを含む溶液を使用した。
<Production of prototype battery>
Place the prepared electrode and a platinum mesh as a counter electrode in a predetermined container, and then immerse the electrode and the counter electrode in the electrolyte by introducing the prepared electrolyte in the container. It was. For the reference electrode, a solution containing 0.1 mol / L AgNO 3 and 0.1 mol / L C 8 H 20 ClNO 4 in acetonitrile was used.

<試作電池の充放電試験>
充放電試験は、放電、充電の順で行った。また、充放電は、1/40C相当の電流で2サイクルさせた。放電は理論容量まで行い、充電は参照極に対し、0Vになるまで行った。ただし、電位が一定となるプラトー領域が観測され、その後急激に電位が低下または増加した場合は、充放電の終止を電位により制御した。
実施例1〜13、比較例1〜3における1、2サイクル目の充電容量、充放電の終止条件を表2に示す。
<Charge / discharge test of prototype battery>
The charge / discharge test was performed in the order of discharge and charge. Moreover, charging / discharging was made to perform 2 cycles with the electric current equivalent to 1 / 40C. Discharging was performed up to the theoretical capacity, and charging was performed up to 0 V with respect to the reference electrode. However, when a plateau region where the potential becomes constant was observed and then the potential suddenly decreased or increased, the end of charge / discharge was controlled by the potential.
Table 2 shows the charge capacity and charge / discharge termination conditions in the first and second cycles in Examples 1 to 13 and Comparative Examples 1 to 3.

Figure 2017010865
Figure 2017010865

(二次電池の性能評価)
比較例1〜3では充電容量が得られなかった。これは、比較例1〜3で用いた電解液にはフッ化物塩が含まれていないため、電解液がほとんどイオン伝導率を示さないためである。
一方、実施例1〜12では、充電容量が得られた。これは、電解液中にフッ化物塩が溶解し、フッ化物イオン伝導を示す電解液を用いているためである。
(Performance evaluation of secondary battery)
In Comparative Examples 1 to 3, the charge capacity was not obtained. This is because the electrolyte solution used in Comparative Examples 1 to 3 does not contain fluoride salt, and therefore the electrolyte solution hardly exhibits ionic conductivity.
On the other hand, in Examples 1-12, the charge capacity was obtained. This is because a fluoride salt is dissolved in the electrolyte and an electrolyte that exhibits fluoride ion conduction is used.

実施例1では、1サイクル目から2サイクル目にかけて充電容量が半分以下になるが、その他の実施例では、高いサイクル特性を示している。   In Example 1, the charge capacity becomes half or less from the first cycle to the second cycle, but in other examples, high cycle characteristics are shown.

実施例2〜5では、フッ化物塩が飽和状態であるため、高いサイクル特性を有している。また、実施例6〜12では、ホウ素化合物として、ボロキシン系化合物[(Ph)(BO)3 、(CF)(BO)]を用いていることが高いサイクル特性と関係している。 In Examples 2-5, since the fluoride salt is in a saturated state, it has high cycle characteristics. In Examples 6 to 12, the use of boroxin compounds [(Ph) 3 (BO) 3, (C 6 H 4 F) 3 (BO) 3 ] as a boron compound is related to high cycle characteristics. doing.

また、実施例13〜15により、電極材料として、PbF、SnFを用いた場合においても、可逆的な充放電が可能であることが示されている。 Further, Examples 13 to 15 show that reversible charging / discharging is possible even when PbF 2 or SnF 2 is used as the electrode material.

1 二次電池
10 正極
11 セパレータ
12 負極
13 電池容器
14 正極集電タブ
15 負極集電タブ
16 内蓋
17 内圧開放弁
18 ガスケット
19 正温度係数抵抗素子
20 電池蓋
21 軸心
22 電解液
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Secondary battery 10 Positive electrode 11 Separator 12 Negative electrode 13 Battery container 14 Positive electrode current collection tab 15 Negative electrode current collection tab 16 Inner cover 17 Internal pressure release valve 18 Gasket 19 Positive temperature coefficient resistance element 20 Battery cover 21 Shaft center 22 Electrolyte

Claims (7)

組成式MF(ただし、式中、Mは金属であり、Xは金属Mの価数である)で示される金属フッ素化物を含む電極と、
ホウ素化合物及びフッ化物塩を含む電解液と、を備えることを特徴とする二次電池。
An electrode containing a metal fluoride represented by a composition formula MF X (wherein M is a metal and X is a valence of the metal M);
A secondary battery comprising: an electrolytic solution containing a boron compound and a fluoride salt.
請求項1に記載の二次電池において、
前記金属Mは、Bi、Pb又はSnであることを特徴とする二次電池。
The secondary battery according to claim 1,
The secondary battery, wherein the metal M is Bi, Pb, or Sn.
請求項1に記載の二次電池において、
前記金属フッ素化物は、BiF、PbF又はSnFであることを特徴とする二次電池。
The secondary battery according to claim 1,
The secondary battery according to claim 1 , wherein the metal fluoride is BiF 3 , PbF 2, or SnF 2 .
請求項1に記載の二次電池において、
前記ホウ素化合物は、ボロキシン系化合物であることを特徴とする二次電池。
The secondary battery according to claim 1,
The secondary battery is a boroxine compound.
請求項1に記載の二次電池において、
前記フッ化物塩は、アルカリ金属のフッ化物塩であることを特徴とする二次電池。
The secondary battery according to claim 1,
The secondary battery is characterized in that the fluoride salt is an alkali metal fluoride salt.
請求項1に記載の二次電池において、
前記フッ化物塩は、フッ化セシウムであることを特徴とする二次電池。
The secondary battery according to claim 1,
The secondary battery is characterized in that the fluoride salt is cesium fluoride.
請求項1に記載の二次電池において、
前記フッ化物塩は、前記電解液中に飽和状態となるまで溶解していることを特徴とする二次電池。
The secondary battery according to claim 1,
The secondary battery is characterized in that the fluoride salt is dissolved in the electrolytic solution until saturated.
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