JP2021174774A - Negative electrode for fluoride ion battery and fluoride ion battery - Google Patents

Negative electrode for fluoride ion battery and fluoride ion battery Download PDF

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Gentaro Kano
三津夫 川▲崎▼
Mitsuo Kawasaki
武志 安部
Takeshi Abe
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Abstract

To provide means capable of sufficiently proceeding reversible battery reaction in a fluoride ion battery.SOLUTION: In a negative electrode for a fluoride ion battery having a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material and a negative electrode current collector for collecting a current of the negative electrode active material layer, the negative electrode active material contains metal fluoride whose defluorination reaction potential is nobler than the reduction decomposition potential of an inert coating composed of oxides and fluorides formed on the surface of the negative electrode current collector; a constituent material of the negative electrode current collector is aluminum or magnesium or an alloy thereof; and the negative electrode active material layer does not contain a conductive auxiliary agent made of a carbon material.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、フッ化物イオン電池用負極およびフッ化物イオン電池に関する。 The present invention relates to a negative electrode for a fluoride ion battery and a fluoride ion battery.

高電圧かつ高エネルギー密度の蓄電池としてLiイオン電池(LIB)が知られている。LIBは正極および負極ホスト結晶中へのLiイオンの可逆的挿入・脱挿入反応を利用したカチオンベースの電池であり、非水溶媒(有機電解液)中に溶解したリチウム塩の解離で生じたLiイオンが両極の間を移動することで系内の電荷量と物質量のバランスが保たれる。 A Li-ion battery (LIB) is known as a storage battery having a high voltage and a high energy density. LIB is a cation-based battery that utilizes the reversible insertion / deinsertion reaction of Li + ions into the positive and negative electrode host crystals, and is generated by the dissociation of the lithium salt dissolved in a non-aqueous solvent (organic electrolyte). The balance between the amount of charge and the amount of substance in the system is maintained by the movement of Li + ions between the two electrodes.

また、上記LIBのエネルギー密度を大幅に向上させる革新型の電池としてフッ化物イオン(F)と金属との反応による多価の金属フッ化物の生成とその逆反応(金属フッ化物の脱フッ化反応)を利用したアニオンベースのフッ化物イオン電池がある。この電池で両極の間を移動するのはハロゲン化物イオンの中で最も軽いFイオン(M=19)であり、さらに1金属原子あたり場合により2〜3個もしくはそれ以上の数のFイオン(およびそれと同数の電子)が電極反応に関与することが、上記の高いエネルギー密度をもたらす最大の要因である。 In addition, as an innovative battery that greatly improves the energy density of the LIB, the formation of polyvalent metal fluoride by the reaction of fluoride ion (F − ) with a metal and its reverse reaction (fluoride of the metal fluoride). There are anion-based fluoride ion batteries that utilize reaction). It is the lightest F- ion (M = 19) among the halide ions that moves between the two electrodes in this battery, and in some cases 2-3 or more F - ions per metal atom. The involvement of (and the same number of electrons) in the electrode reaction is the largest factor that results in the high energy density described above.

上記フッ化物イオン電池はLIBの必須部材であるところのホスト格子を必要としない。Fイオンが電極反応と電解質中の電荷移動の両者で主役を演じるこの種の電池はFIB(Fluoride Ion Battery)あるいはFイオンの双方向移動の役割を強調したFSB(Fluoride Shuttle Battery;フッ化物イオンシャトル二次電池)の略称で知られている。 The fluoride ion battery does not require a host grid, which is an essential member of the LIB. F - ions of this kind battery FIB (Fluoride Ion Battery) that play a leading role in both the charge transfer in the electrolyte and the electrode reaction or F - FSB that emphasizes the role of bi-directional movement of ions (Fluoride Shuttle Battery; Fluoride It is known by the abbreviation of (ion shuttle secondary battery).

フッ化物イオン電池の基本要素の一つとなる金属フッ化物の還元(脱フッ化)反応については固体電解質が注目された1970年代の研究ですでに少なくない数の報告がなされている。しかし、二次電池として本質的に欠かせない充放電の有意な可逆性が全固体電池の枠内で不完全ながらも確かめられたのは、比較的最近になってからのことである。 Regarding the reduction (defluoride) reaction of metal fluoride, which is one of the basic elements of fluoride ion batteries, a considerable number of reports have already been made in the 1970s research, which attracted attention to solid electrolytes. However, it was only relatively recently that the significant reversibility of charge and discharge, which is essentially essential for secondary batteries, was confirmed, albeit incompletely, within the framework of all-solid-state batteries.

また、一般的には固体電解質のイオン導電性と固体/固体界面での電気化学的反応性などに関する制約により、固体FIB電池の室温動作の報告はごく最近発表された一例に止まっている。 Also, in general, due to restrictions on the ionic conductivity of solid electrolytes and the electrochemical reactivity at the solid / solid interface, reports of room temperature operation of solid FIB batteries are only one of the most recently published examples.

フッ化物イオンの輸送に非水系電解液を用いる湿式電池では原理的に上記の制約は除かれる。その目的に利用できる電解液に関する先行特許や学術論文も例に事欠かない。代表的な例としては、様々なフッ化物塩を比較的容易に溶解させるイオン液体を用いる手法(特許文献1)があり、その他、高沸点汎用有機溶媒に所謂アニオンレセプター(アニオンアクセプター)なるものを添加することで、フッ化物の溶解を促進する手法も報告されている。 In a wet battery that uses a non-aqueous electrolyte solution for transporting fluoride ions, the above restrictions are basically removed. There is no shortage of prior patents and academic papers on electrolytes that can be used for that purpose. As a typical example, there is a method using an ionic liquid that dissolves various fluoride salts relatively easily (Patent Document 1), and in addition, a so-called anion receptor (anion acceptor) in a high-boiling general-purpose organic solvent. A method of promoting the dissolution of fluoride by adding the above has also been reported.

特開2016−62821号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-62221

ここで、上記特許文献1には、フッ化物イオン電池に用いられる負極活物質として、A
lFが例示されている。しかしながら、本発明者らの検討によれば、フッ化物イオン電池の活物質として三フッ化アルミニウム(AlF)を用いた場合には電池反応を可逆的に進行させることが困難であることが判明した。
Here, in Patent Document 1, A is used as a negative electrode active material used in a fluoride ion battery.
lF x is illustrated. However, according to the studies by the present inventors, it has been found that it is difficult to reversibly proceed the battery reaction when aluminum trifluoride (AlF 3) is used as the active material of the fluoride ion battery. bottom.

また、上記特許文献1には、各種の炭素材料などの電子伝導性を有する材料を導電化材(導電助剤)として負極活物質に含ませてもよいことが開示されている。しかしながら、本発明者らの検討によれば、フッ化物イオン電池に用いられる負極に炭素材料からなる導電化材(導電助剤)を含ませると、本来の電池反応を十分に進行させることができないことも判明した。 Further, Patent Document 1 discloses that a material having electron conductivity such as various carbon materials may be included in the negative electrode active material as a conductive material (conductive auxiliary agent). However, according to the study by the present inventors, if the negative electrode used in the fluoride ion battery contains a conductive material (conductive aid) made of a carbon material, the original battery reaction cannot proceed sufficiently. It turned out that.

そこで本発明は、フッ化物イオン電池における可逆的な電池反応を十分に進行させうる手段を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a means capable of sufficiently advancing a reversible battery reaction in a fluoride ion battery.

上記課題を達成するために、本発明者らは鋭意研究を重ねた。その結果、脱フッ化反応電位が、負極集電体の表面に形成される酸化物およびフッ化物からなる不働態被膜の還元分解電位との間で所定の関係を満たす金属フッ化物を負極活物質として負極活物質層に含ませるとともに、負極集電体の構成材料がアルミニウムもしくはマグネシウムまたはこれらの合金とし、かつ、負極活物質層に炭素材料からなる導電助剤を含まない構成とすることで、可逆的な電池反応を十分に進行させうることを見出し、本発明を完成させるに至った。 In order to achieve the above-mentioned problems, the present inventors have conducted extensive research. As a result, the negative electrode active material is a metal fluoride in which the depolarization reaction potential satisfies a predetermined relationship with the reduction decomposition potential of the inert coating composed of oxide and fluoride formed on the surface of the negative electrode current collector. By including it in the negative electrode active material layer, the constituent material of the negative electrode current collector is aluminum or magnesium or an alloy thereof, and the negative electrode active material layer does not contain a conductive auxiliary agent made of a carbon material. We have found that a reversible battery reaction can proceed sufficiently, and have completed the present invention.

すなわち、本発明の一形態によれば、負極活物質を含有する負極活物質層と、前記負極活物質層の集電を行う負極集電体とを有するフッ化物イオン電池用負極が提供される。ここで、当該負極においては、前記負極活物質が金属フッ化物を含み、前記金属フッ化物の脱フッ化反応電位が前記負極集電体の表面に形成される酸化物およびフッ化物からなる不働態被膜の還元分解電位よりも貴な電位であり、前記負極集電体の構成材料がアルミニウムもしくはマグネシウムまたはこれらの合金であり、前記負極活物質層が炭素材料からなる導電助剤を含まない点に特徴を有する。 That is, according to one embodiment of the present invention, there is provided a negative electrode for a fluoride ion battery having a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material and a negative electrode current collector that collects electricity from the negative electrode active material layer. .. Here, in the negative electrode, the negative electrode active material contains a metal fluoride, and the defluorination reaction potential of the metal fluoride is an inactive state composed of an oxide and a fluoride formed on the surface of the negative electrode current collector. The potential is noble than the reduction decomposition potential of the coating film, the constituent material of the negative electrode current collector is aluminum or magnesium or an alloy thereof, and the negative electrode active material layer does not contain a conductive auxiliary agent made of a carbon material. It has characteristics.

本発明によれば、上記所定の脱フッ化反応電位を有する負極活物質を用いることによって可逆的な電池反応の進行が担保され、しかも特定の構成材料からなる負極集電体を用いるとともに炭素材料からなる導電化材(導電助剤)を用いないことで電解質の還元分解反応の進行が抑制される。その結果、可逆的な電池反応を十分に進行させることが可能となる。 According to the present invention, the reversible progress of the battery reaction is ensured by using the negative electrode active material having the above-mentioned predetermined depolarization reaction potential, and the negative electrode current collector made of a specific constituent material is used and the carbon material is used. By not using a conductive material (conductive auxiliary agent) made of the above material, the progress of the reduction decomposition reaction of the electrolyte is suppressed. As a result, the reversible battery reaction can be sufficiently advanced.

本発明の一形態に係るフッ化物イオン電池の原理を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the principle of the fluoride ion battery which concerns on one form of this invention. 図2の(A)〜(F)は、参考例1〜6のそれぞれのサイクリックボルタンメトリー(CV)測定の結果として得られたサイクリックボルタモグラムである。(A) to (F) of FIG. 2 are cyclic voltammetrys obtained as a result of each cyclic voltammetry (CV) measurement of Reference Examples 1 to 6. 図3の(A)〜(F)は、参考例1〜6のそれぞれのクロノポテンシオメトリー(CP)測定の結果として得られたクロノポテンシオグラムである。(A) to (F) of FIG. 3 are chronopotencyograms obtained as a result of each chronopotency metric (CP) measurement of Reference Examples 1 to 6. 図4の(A)および(B)は、アルミニウム(Al)箔単体およびマグネシウム(Mg)箔単体のそれぞれについてCV測定を行った結果として得られたサイクリックボルタモグラムである。(A) and (B) of FIG. 4 are cyclic voltammograms obtained as a result of performing CV measurement for each of the aluminum (Al) foil alone and the magnesium (Mg) foil alone. 図5の(A)〜(C)は、実施例1、実施例2および比較例1のそれぞれのサイクリックボルタンメトリー(CV)測定の結果として得られたサイクリックボルタモグラムである。(A) to (C) of FIG. 5 are cyclic voltammetrys obtained as a result of cyclic voltammetry (CV) measurement of each of Example 1, Example 2 and Comparative Example 1. 図6は、実施例2のクロノポテンシオメトリー(CP)測定の結果として得られたクロノポテンシオグラムである。FIG. 6 is a chronopotencygram obtained as a result of the chronopotencymetry (CP) measurement of Example 2. 図7の(A)〜(C)は、実施例3、比較例2および比較例3のそれぞれのクロノポテンシオメトリー(CP)測定の結果として得られたクロノポテンシオグラムである。(A) to (C) of FIG. 7 are chronopotencyograms obtained as a result of chronopotency metric (CP) measurement of each of Example 3, Comparative Example 2 and Comparative Example 3. 図8の(A)〜(D)は、比較例4および実施例4−1〜実施例4−3のそれぞれについての充放電曲線である。(A) to (D) of FIG. 8 are charge / discharge curves for each of Comparative Example 4 and Examples 4-1 to 4-3. 図9の(A)および(B)は、比較例5および実施例5のそれぞれについての充放電曲線である。(A) and (B) of FIG. 9 are charge / discharge curves for each of Comparative Example 5 and Example 5. 図10の(A)〜(C)は、実施例6−1〜実施例6−3のそれぞれについての充放電曲線である。(A) to (C) of FIG. 10 are charge / discharge curves for each of Examples 6-1 to 6-3. 図11の(A)および(B)は、実施例7−1および実施例7−2のそれぞれについての充放電曲線である。(A) and (B) of FIG. 11 are charge / discharge curves for each of Example 7-1 and Example 7-2.

本発明の一形態によれば、負極活物質を含有する負極活物質層と、前記負極活物質層の集電を行う負極集電体とを有するフッ化物イオン電池用負極であって、前記負極活物質が金属フッ化物を含み、前記金属フッ化物の脱フッ化反応電位が、前記負極集電体の表面に形成される酸化物およびフッ化物からなる不働態被膜の還元分解電位よりも貴な電位であり、前記負極集電体の構成材料がアルミニウムもしくはマグネシウムまたはこれらの合金であり、前記負極活物質層が炭素材料からなる導電助剤を含まないことを特徴とする、フッ化物イオン電池用負極が提供される。 According to one embodiment of the present invention, the negative electrode is a negative electrode for a fluoride ion battery having a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material and a negative electrode current collector that collects electricity from the negative electrode active material layer. The active material contains metal fluoride, and the defluorination reaction potential of the metal fluoride is noble than the reduction decomposition potential of the inert coating composed of oxide and fluoride formed on the surface of the negative electrode current collector. For a fluoride ion battery, which is a potential, the constituent material of the negative electrode current collector is aluminum or magnesium or an alloy thereof, and the negative electrode active material layer does not contain a conductive auxiliary agent made of a carbon material. A negative electrode is provided.

以下、図面を参照しながら、本発明に係るフッ化物イオン電池用負極およびフッ化物イオン電池の実施形態について、詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the negative electrode for a fluoride ion battery and the fluoride ion battery according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本発明の一形態に係るフッ化物イオン電池の原理を示す概念図である。図1に示すように、フッ化物イオン電池1は、正極10と、負極20と、正極10および負極20の間に配置された電解質層30と、を有している。図1に示す実施形態において、正極10は、アルミニウム(Al)箔11からなる正極集電体の一方の表面に正極活物質層12が配置された構成を有している。正極活物質層12は、正極活物質13と、図示しないバインダとを含む合材層である。これに対し、負極20は、負極活物質21が、導電性の多孔質構造体(導電性多孔体)である発泡アルミニウム22の空孔内に担持されてなる構成を有している。ここで、負極20側の発泡アルミニウム22は負極集電体として機能する。そして、本実施形態の電解質層30には、フッ化物イオン(F)を含む電解液(液体電解質)が用いられている。なお、上述したアルミニウム(Al)箔11からなる正極集電体と、発泡アルミニウム22からなる負極集電体は、外部負荷40に接続されている。 FIG. 1 is a conceptual diagram showing the principle of a fluoride ion battery according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the fluoride ion battery 1 has a positive electrode 10, a negative electrode 20, and an electrolyte layer 30 arranged between the positive electrode 10 and the negative electrode 20. In the embodiment shown in FIG. 1, the positive electrode 10 has a configuration in which the positive electrode active material layer 12 is arranged on one surface of a positive electrode current collector made of aluminum (Al) foil 11. The positive electrode active material layer 12 is a mixture layer containing a positive electrode active material 13 and a binder (not shown). On the other hand, the negative electrode 20 has a structure in which the negative electrode active material 21 is supported in the pores of the foamed aluminum 22 which is a conductive porous structure (conductive porous body). Here, the foamed aluminum 22 on the negative electrode 20 side functions as a negative electrode current collector. An electrolytic solution (liquid electrolyte) containing fluoride ions (F − ) is used in the electrolyte layer 30 of the present embodiment. The positive electrode current collector made of the aluminum (Al) foil 11 and the negative electrode current collector made of the foamed aluminum 22 are connected to the external load 40.

このような構成を有することにより、フッ化物イオン電池1の放電時には外部負荷40に対して電圧が印加されて電流が流れることとなる。この際、電解質層30に含まれるフッ化物イオン(F)は電解質層30を正極10側から負極20側へと移動することにより電池反応を媒介する。一方、フッ化物イオン電池1の充電時には外部負荷40に代えて外部電源が正極10および負極20に接続され、電解質層30を介して負極20から正極10へとフッ化物イオン(F)を強制的に移動させることにより充電が達成される。 With such a configuration, when the fluoride ion battery 1 is discharged, a voltage is applied to the external load 40 and a current flows. At this time, the fluoride ions (F ) contained in the electrolyte layer 30 mediate the battery reaction by moving the electrolyte layer 30 from the positive electrode 10 side to the negative electrode 20 side. On the other hand, when charging the fluoride ion battery 1, an external power source is connected to the positive electrode 10 and the negative electrode 20 instead of the external load 40, and fluoride ions (F ) are forced from the negative electrode 20 to the positive electrode 10 via the electrolyte layer 30. Charging is achieved by moving the electrode.

《フッ化物イオン電池用負極》
以下、本形態に係るフッ化物イオン電池用負極の主要な構成部材について説明する。本形態に係るフッ化物イオン電池用負極は、負極活物質を含有する負極活物質層と、当該負極活物質層の集電を行う負極集電体と、を有する。
<< Negative electrode for fluoride ion battery >>
Hereinafter, the main constituent members of the negative electrode for a fluoride ion battery according to this embodiment will be described. The negative electrode for a fluoride ion battery according to the present embodiment includes a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material and a negative electrode current collector for collecting current from the negative electrode active material layer.

[負極活物質層]
負極活物質層は、負極活物質を含む。本形態に係る負極において、負極活物質は金属フッ化物を含む。そして、当該金属フッ化物の脱フッ化反応電位は、負極集電体の表面に形成される酸化物およびフッ化物からなる不働態被膜の還元分解電位よりも貴な電位である点に特徴がある。ここで、負極活物質に含まれる金属フッ化物の脱フッ化反応電位は当該負極活物質に固有の値である。例えば、TiF、Al0.97Ti0.03およびCeFの脱フッ化反応電位は、それぞれ−1.95[V vs.SHE(標準水素電極)]、−2.10[V vs.SHE]および−2.62[V vs.SHE]である。したがって、これらの脱フッ化反応電位が、負極集電体の表面に形成される酸化物およびフッ化物からなる不働態被膜の還元分解電位よりも貴な値となるように、負極集電体等の構成を決定すればよい。なお、フッ化物イオン電池用負極が上記所定の関係を満足しているか否かについては、後述する実施例の欄に記載のように、充放電試験を行って得られる充放電曲線から判定することが可能である。
[Negative electrode active material layer]
The negative electrode active material layer contains a negative electrode active material. In the negative electrode according to this embodiment, the negative electrode active material contains metal fluoride. The defluorination reaction potential of the metal fluoride is characterized in that it is noble than the reduction decomposition potential of the inert film composed of oxide and fluoride formed on the surface of the negative electrode current collector. .. Here, the defluorination reaction potential of the metal fluoride contained in the negative electrode active material is a value peculiar to the negative electrode active material. For example, the defluorination reaction potentials of TiF 3 , Al 0.97 Ti 0.03 F 3 and CeF 3 are each 1.95 [V vs. SHE (Standard Hydrogen Electrode)], -2.10 [V vs. SHE] and -2.62 [V vs. SHE]. Therefore, the negative electrode current collector and the like so that these defluorination reaction potentials are more noble than the reductive decomposition potential of the inactive film composed of oxides and fluorides formed on the surface of the negative electrode current collector. You just have to decide the composition of. Whether or not the negative electrode for a fluoride ion battery satisfies the above-mentioned predetermined relationship is determined from the charge / discharge curve obtained by performing a charge / discharge test as described in the column of Examples described later. Is possible.

負極活物質としての金属フッ化物の具体的な種類について特に制限はなく、負極集電体の表面に形成される不働態被膜との間で上記の規定を満足するものであればよい。一例として、金属フッ化物は、Al1−x(Ti)(ここで、0<x≦0.5である)、Ti1−y(Al)(ここで、0≦y≦0.5である)およびCeFからなる群から選択される少なくとも1つを含むことが好ましい。これらの負極活物質は、負極集電体の表面に形成される不働態被膜との間で上記の規定を満足することで、可逆的な電池反応が十分に進行しうる。ここで、xは0よりも大きく0.5以下の実数であれば特に制限はないが、好ましくは0.01以上0.1以下であり、より好ましくは0.02以上0.5以下である。また、yは0以上で0.5以下の実数であれば特に制限はないが、好ましくは0.01以上0.1以下であり、より好ましくは0.02以上0.08以下である。なかでも、特に高容量のフッ化物イオン電池を構成することができるという観点から、金属フッ化物はAl1−x(Ti)(ここで、0<x≦0.5である)を含むことがより好ましい。なお、負極活物質としてのAl1−x(Ti)やTi1−y(Al)(y>0)については、アルゴンや窒素等の不活性雰囲気下で、三フッ化アルミニウム(AlF)の粉末と三フッ化チタン(TiF)の粉末とを所望の質量比で秤量し、ボールミル等の混合装置を用いた混合処理を施すことにより製造することが可能である。 The specific type of the metal fluoride as the negative electrode active material is not particularly limited, and may satisfy the above-mentioned regulations with the passive film formed on the surface of the negative electrode current collector. As an example, the metal fluorides are Al 1-x (Ti) x F 3 (here, 0 <x ≦ 0.5), Ti 1-y (Al) y F 3 (here, 0 ≦ y). ≦ 0.5 at a) and preferably contains at least one selected from the group consisting of CeF 3. These negative electrode active materials can sufficiently proceed with a reversible battery reaction by satisfying the above-mentioned regulations with the passive film formed on the surface of the negative electrode current collector. Here, x is not particularly limited as long as it is a real number larger than 0 and 0.5 or less, but is preferably 0.01 or more and 0.1 or less, and more preferably 0.02 or more and 0.5 or less. .. Further, y is not particularly limited as long as it is a real number of 0 or more and 0.5 or less, but is preferably 0.01 or more and 0.1 or less, and more preferably 0.02 or more and 0.08 or less. Among them, from the viewpoint that a high-capacity fluoride ion battery can be constructed, the metal fluoride is Al 1-x (Ti) x F 3 (here, 0 <x ≦ 0.5). It is more preferable to include it. Regarding Al 1-x (Ti) x F 3 and Ti 1-y (Al) y F 3 (y> 0) as the negative electrode active material, trifluoride is used in an inert atmosphere such as argon or nitrogen. It can be produced by weighing aluminum (AlF 3 ) powder and titanium trifluoride (TiF 3 ) powder at a desired mass ratio and performing a mixing treatment using a mixing device such as a ball mill.

なお、負極活物質層は、上述した負極活物質以外の負極活物質をさらに含んでもよい。ただし、本発明の作用効果を十分に得るという観点からは、負極活物質の全量に占めるAl1−x(Ti)(0<x≦0.5)、Ti1−y(Al)(0≦y≦0.5)またはCeFの含有量は、好ましくは50質量%以上であり、より好ましくは70質量%以上であり、さらに好ましくは80質量%以上であり、いっそう好ましくは90質量%以上であり、特に好ましくは95質量%以上であり、最も好ましくは100質量%である。 The negative electrode active material layer may further contain a negative electrode active material other than the above-mentioned negative electrode active material. However, from the viewpoint of sufficiently obtaining the effects of the present invention, Al 1-x (Ti) x F 3 (0 <x ≦ 0.5) and Ti 1-y (Al) in the total amount of the negative electrode active material. the content of y F 3 (0 ≦ y ≦ 0.5) or CeF 3 is preferably not less than 50 wt%, and more is preferably 70 mass% or more, still more preferably at least 80 wt%, more It is preferably 90% by mass or more, particularly preferably 95% by mass or more, and most preferably 100% by mass.

また、本形態に係る負極活物質層は、バインダをさらに含んでもよい。バインダとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、およびポリイミド(PI)などが挙げられる。 Further, the negative electrode active material layer according to the present embodiment may further contain a binder. Examples of the binder include polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), and polyimide (PI).

一方、本形態に係る負極活物質層は、炭素材料からなる導電助剤を含まない点に特徴がある。これは、後述する実施例の欄において実証されているように、負極活物質層が炭素材料からなる導電助剤を含むことで、電解液の還元分解による副反応が進行し、十分な電池反応が進行せず、十分な充放電特性が得られないことによる。なお、「炭素材料からなる導電助剤を含まない」という規定は、例えば特許侵害の回避を目的として、炭素材料からなる導電助剤を微量に添加する場合も包含する。例えば、負極活物質層における炭素材
料からなる導電助剤の配合量が3質量%以下である場合も、「炭素材料からなる導電助剤を含まない」の条件を満たすものとする。また、負極活物質層は、炭素材料以外の材料(例えば、金属など)からなる導電助剤については含んでもよいが、これについてもできる限り含まないことが好ましい。
On the other hand, the negative electrode active material layer according to this embodiment is characterized in that it does not contain a conductive auxiliary agent made of a carbon material. As demonstrated in the column of Examples described later, this is because the negative electrode active material layer contains a conductive auxiliary agent made of a carbon material, so that a side reaction due to the reductive decomposition of the electrolytic solution proceeds, and a sufficient battery reaction occurs. Is not progressing, and sufficient charge / discharge characteristics cannot be obtained. The provision that "does not contain a conductive auxiliary agent made of carbon material" includes, for example, the case where a small amount of the conductive auxiliary agent made of carbon material is added for the purpose of avoiding patent infringement. For example, even when the blending amount of the conductive auxiliary agent made of carbon material in the negative electrode active material layer is 3% by mass or less, the condition of "does not contain the conductive auxiliary agent made of carbon material" is satisfied. Further, the negative electrode active material layer may contain a conductive auxiliary agent made of a material other than the carbon material (for example, metal), but it is preferable that the negative electrode active material layer is not contained as much as possible.

負極活物質層に含まれる各成分の配合比について特に制限はないが、負極活物質層が負極活物質およびバインダを含む場合におけるこれらの成分の配合比は、好ましくは70:30〜99.5:0.5(活物質:バインダ(質量比))であり、より好ましくは90:10〜99:1(活物質:バインダ(質量比))である。 The blending ratio of each component contained in the negative electrode active material layer is not particularly limited, but when the negative electrode active material layer contains a negative electrode active material and a binder, the blending ratio of these components is preferably 70:30 to 99.5. : 0.5 (active material: binder (mass ratio)), more preferably 90: 10 to 99: 1 (active material: binder (mass ratio)).

[負極集電体]
負極集電体は、負極活物質層の集電を行う部材である。したがって、負極集電体は導電性の材料から構成される必要がある。本形態に係る負極において、負極集電体の構成材料は、アルミニウム(Al)もしくはマグネシウム(Mg)またはこれらの合金である点に特徴がある。このような構成とすることで、後述する実施例の欄において実証されているように、電解液の還元分解による副反応の進行を有意に抑制することができるという利点がある。このような効果が奏されるメカニズムとして、AlまたはMgからなる負極集電体の表面においては、活物質の反応電位領域において不働態被膜が安定であることによるものと推測されている。
[Negative electrode current collector]
The negative electrode current collector is a member that collects current from the negative electrode active material layer. Therefore, the negative electrode current collector needs to be made of a conductive material. In the negative electrode according to the present embodiment, the constituent material of the negative electrode current collector is aluminum (Al), magnesium (Mg), or an alloy thereof. Such a configuration has an advantage that the progress of side reactions due to the reductive decomposition of the electrolytic solution can be significantly suppressed, as demonstrated in the column of Examples described later. It is presumed that the mechanism by which such an effect is exerted is that the passivation film is stable in the reaction potential region of the active material on the surface of the negative electrode current collector made of Al or Mg.

負極集電体の形状については、上述した負極活物質(または負極活物質とバインダ等の添加剤とを含む合材)を保持しうる形状であれば特に制限はない。負極集電体の形状の一例としては、箔状のほか、導電性の多孔質構造体(導電性多孔体)の形状も例示される。導電性多孔体は、多孔質構造(多数の空隙)を内部に有し、導電性を有する部材であり、ここではアルミニウム(Al)もしくはマグネシウム(Mg)またはこれらの合金からなる導電性多孔体が例示される。好ましくは、負極集電体を構成する導電性多孔体は発泡金属から構成されるものであり、より好ましくは発泡アルミニウムから構成されるものである。上述したように本形態に係る負極は炭素材料(例えば、アセチレンブラック等のカーボンブラック、黒鉛、カーボンナノチューブなど)からなる導電助剤を用いない点に特徴の1つがあるが、発泡金属からなる導電性多孔体を用いて負極集電体を構成することにより、このような場合であっても十分に良好な導電パスを形成することが可能となる。 The shape of the negative electrode current collector is not particularly limited as long as it can hold the above-mentioned negative electrode active material (or a mixture containing the negative electrode active material and an additive such as a binder). As an example of the shape of the negative electrode current collector, in addition to the foil shape, the shape of a conductive porous structure (conductive porous body) is also exemplified. A conductive porous body is a member having a porous structure (a large number of voids) inside and having conductivity, and here, a conductive porous body made of aluminum (Al) or magnesium (Mg) or an alloy thereof is used. Illustrated. Preferably, the conductive porous body constituting the negative electrode current collector is made of foamed metal, and more preferably made of foamed aluminum. As described above, the negative electrode according to the present embodiment is characterized in that it does not use a conductive auxiliary agent made of a carbon material (for example, carbon black such as acetylene black, graphite, carbon nanotubes, etc.), but is conductive made of a foamed metal. By constructing the negative electrode current collector using the porous body, it is possible to form a sufficiently good conductive path even in such a case.

《フッ化物イオン電池》
本発明の他の形態によれば、図1に示すように、正極と、負極と、前記正極および前記負極の間に配置された、電解質を含む電解質層とを有するフッ化物イオン電池であって、前記負極が上述した本発明の一形態に係るフッ化物イオン電池用負極である、フッ化物イオン電池もまた、提供される。なお、フッ化物イオン電池の形状は、特に限定されないが、例えばコイン型、ボタン型、シート型、積層型、円筒型、偏平型、角型などが挙げられる。以下、フッ化物イオン電池における負極以外の構成要素についても簡単に説明する。
《Fluoride ion battery》
According to another embodiment of the present invention, as shown in FIG. 1, a fluoride ion battery having a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte layer containing an electrolyte arranged between the positive electrode and the negative electrode. A fluoride ion battery, wherein the negative electrode is the negative electrode for a fluoride ion battery according to the above-described embodiment of the present invention, is also provided. The shape of the fluoride ion battery is not particularly limited, and examples thereof include a coin type, a button type, a sheet type, a laminated type, a cylindrical type, a flat type, and a square type. Hereinafter, components other than the negative electrode in the fluoride ion battery will be briefly described.

[正極集電体]
正極集電体は、正極活物質層の集電を行う部材である。したがって、正極集電体は導電性の材料から構成される必要がある。本形態に係る正極において、正極集電体の構成材料は特に制限されないが、図1に示すようなアルミニウム(Al)箔や、従来公知の二次電池において用いられているその他の金属集電体、導電性樹脂層を有する樹脂集電体などが用いられうる。
[Positive current collector]
The positive electrode current collector is a member that collects current from the positive electrode active material layer. Therefore, the positive electrode current collector needs to be made of a conductive material. In the positive electrode according to the present embodiment, the constituent material of the positive electrode current collector is not particularly limited, but the aluminum (Al) foil as shown in FIG. 1 and other metal current collectors used in conventionally known secondary batteries are used. , A resin current collector having a conductive resin layer and the like can be used.

[正極活物質層]
正極活物質層は、正極活物質を含む。本形態に係る正極に用いられうる正極活物質としては、純金属、合金、金属酸化物、金属フッ化物などが挙げられる。正極活物質に含まれ
る元素としては、例えば、Ag、Pt、Au、Cr、Mo、W、V、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、S、Sb、Bi、Sn、PbおよびCのうち1以上が挙げられる。また、このうち、正極活物質は、Fe、Co、Ni、Cu、Pb、BiおよびZnのうちいずれかの元素を含むことが好ましい。特に、正極活物質は、Cu金属、Cu合金およびCuフッ化物などCuを含むことがより好ましい。
[Positive electrode active material layer]
The positive electrode active material layer contains a positive electrode active material. Examples of the positive electrode active material that can be used for the positive electrode according to this embodiment include pure metals, alloys, metal oxides, and metal fluorides. The element contained in the positive electrode active material is, for example, one of Ag, Pt, Au, Cr, Mo, W, V, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, S, Sb, Bi, Sn, Pb and C. The above can be mentioned. Further, among these, the positive electrode active material preferably contains any one of Fe, Co, Ni, Cu, Pb, Bi and Zn. In particular, the positive electrode active material more preferably contains Cu such as Cu metal, Cu alloy and Cu fluoride.

また、本形態に係る正極を構成する正極活物質層は、負極活物質層の欄で説明したバインダや導電助剤をさらに含んでもよい。 Further, the positive electrode active material layer constituting the positive electrode according to the present embodiment may further contain the binder and the conductive auxiliary agent described in the column of the negative electrode active material layer.

[電解質層]
電解質層は、正極(正極活物質層)と負極(負極活物質層)との間に配置される部材であり、充放電の際にフッ化物イオン(F)が行き来しうるようにフッ化物イオンに対する伝導性を有する層である。本形態に係るフッ化物イオン電池において、電解質層に含まれる電解質は、通常は液体電解質(電解液)である。電解質層が液体電解質(電解液)である場合、電解質層にはセパレータが用いられてもよい。セパレータとしては、フッ化物イオン電池の使用範囲に耐えうる組成であれば特に限定されるものではないが、例えば、ポリプロピレン製不織布やポリフェニレンスルフィド製不織布やアラミド不織布などの高分子不織布、ポリエチレンやポリプロピレンなどのオレフィン系樹脂の微多孔フィルムが挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、複合して用いてもよい。
[Electrolyte layer]
The electrolyte layer is a member arranged between the positive electrode (positive electrode active material layer) and the negative electrode (negative electrode active material layer), and is a fluoride so that fluoride ions (F ) can move back and forth during charging and discharging. It is a layer having conductivity to ions. In the fluoride ion battery according to this embodiment, the electrolyte contained in the electrolyte layer is usually a liquid electrolyte (electrolyte solution). When the electrolyte layer is a liquid electrolyte (electrolyte solution), a separator may be used for the electrolyte layer. The separator is not particularly limited as long as it has a composition that can withstand the range of use of the fluoride ion battery. Examples thereof include a microporous film made of an olefin resin. These may be used alone or in combination.

液体電解質(電解液)としては、フッ化物イオン電池用の電解液として従来公知のものが用いられてもよいが、特に好ましくは、α位水素を有するエステル系もしくはラクトン系(例えば、γ−ブチロラクトンやε−カプロラクトンなど)の単独もしくは混合有機溶媒と、アルカリ金属カチオンおよびフッ化物イオンを有するアルカリ金属フッ化物(例えば、フッ化セシウムなど)と、を含有する有機電解液が用いられる。このような電解液を電解質として用いることにより、優れた容量特性を発現させることができる。 As the liquid electrolyte (electrolyte solution), conventionally known electrolytes for fluoride ion batteries may be used, but particularly preferably, ester-based or lactone-based (for example, γ-butyrolactone) having α-hydrogen. An organic electrolyte solution containing a single or mixed organic solvent (such as ε-caprolactone) and an alkali metal fluoride having an alkali metal cation and a fluoride ion (for example, cesium fluoride) is used. By using such an electrolytic solution as an electrolyte, excellent capacitance characteristics can be exhibited.

[アルカリ金属フッ化物]
電極反応に直接与るイオン伝導性フッ化物イオンは、有機フッ化物の溶解によっても電解液中に導入することができるが、共存する有機カチオンの電気化学的安定性の問題などの理由で高容量フッ化物イオン電池には適さない。その他の条件として二次電池の重量エネルギー密度への影響も考慮すると、フッ化物イオンの最も望ましい供給源は、フッ化リチウム(LiF)、フッ化ナトリウム(NaF)、フッ化カリウム(KF)、フッ化ルビジウム(RbF)、フッ化セシウム(CsF)等のアルカリ金属フッ化物である。
[Alkali metal fluoride]
Ion-conducting fluoride ions that directly contribute to the electrode reaction can be introduced into the electrolytic solution by dissolving organic fluoride, but they have a high capacity due to problems such as the electrochemical stability of coexisting organic cations. Not suitable for fluoride ion batteries. Considering the effect on the weight energy density of the secondary battery as another condition, the most desirable sources of fluoride ions are lithium fluoride (LiF), sodium fluoride (NaF), potassium fluoride (KF), and fluoride. It is an alkali metal fluoride such as rubidium fluoride (RbF) and cesium fluoride (CsF).

[混合リチウム塩]
アルカリ金属フッ化物のみが1mM以上の濃度で解離溶解した該フッ化物イオン伝導性電解液は、負高電位領域でフッ化物イオン由来の溶媒が関与した副還元反応を生じやすく、亜鉛よりもさらに卑な金属のフッ化反応と競合して本来の電池動作を妨げる。この問題は、LiFSA(FSA:ビス(フルオロスルホニル)アミド)に代表される、本実施形態の電解液に共溶解可能な任意のリチウム塩を該電解液に過剰に混合することで容易に解決でき、アルミニウムやランタンなどの最も卑な金属種のフッ化反応を利用した電池を動作させることが可能になる。
[Mixed lithium salt]
The fluoride ion conductive electrolytic solution in which only alkali metal fluoride is dissociated and dissolved at a concentration of 1 mM or more is likely to cause a side reduction reaction involving a fluoride ion-derived solvent in a negative high potential region, and is even more base than zinc. It competes with the fluorination reaction of various metals and interferes with the original battery operation. This problem can be easily solved by excessively mixing an arbitrary lithium salt co-dissolvable in the electrolytic solution of the present embodiment, represented by LiFSA (FSA: bis (fluorosulfonyl) amide), in the electrolytic solution. , It becomes possible to operate a battery utilizing the fluorination reaction of the most base metal species such as aluminum and lantern.

上記の混合電解液の作製において、過剰に添加するリチウム塩の濃度は、解離したアルカリ金属フッ化物の濃度の少なくとも3倍以上、好ましくは5倍以上、より好ましくは10倍程度に調製することが望ましい。このリチウム塩の濃度(添加量)が3倍以上であれば、フッ化物イオンとリチウムイオンが不溶性の固形物を形成しないためフッ化物イオン濃度を低下させることもなく望ましい。 In the preparation of the above mixed electrolytic solution, the concentration of the lithium salt added in excess may be adjusted to be at least 3 times or more, preferably 5 times or more, more preferably about 10 times the concentration of the dissociated alkali metal fluoride. desirable. When the concentration (addition amount) of the lithium salt is 3 times or more, it is desirable that the fluoride ion concentration is not lowered because the fluoride ion and the lithium ion do not form an insoluble solid substance.

該リチウム塩のアニオン種としては、FSA以外にTFSA、BETA、BF 、PF 、ClO でも差し支えない。すなわち、過剰に添加するリチウム塩は、LiFSA、LiTFSA、LiBETA、LiBF、LiPF、LiClOのいずれか1つまたはそれらの2つ以上の混合物であることが好ましい。 As the anion species of the lithium salt, TFSA , BETA , BF 4 , PF 6 , and ClO 4 may be used in addition to FSA − . That is, the lithium salt to be added in excess is preferably any one of LiFSA, LiTFSA, LiBETA, LiBF 4 , LiPF 6 , and LiClO 4 or a mixture of two or more thereof.

[混合バリウム塩]
リチウム塩ほどの効果は期待できないものの、Ba(FSA)に代表されるバリウム塩を該電解液に過剰に混合することでも負高電位領域での不可逆還元電流を抑制することができる。上記の混合電解液の作製において、過剰に添加するバリウム塩の濃度は、解離したアルカリ金属フッ化物の濃度の少なくとも3倍以上、好ましくは5倍以上、より好ましくは10倍程度に調製することが望ましい。このバリウム塩の濃度(添加量)が3倍以上であれば、フッ化物イオンとバリウムイオンとが不溶性の固形物を形成しないためフッ化物イオン濃度を低下させることもなく望ましい。該バリウム塩のアニオン種としては、FSA以外にTFSA、BETA、BF でも差し支えない。すなわち、過剰に添加するバリウム塩は、Ba(FSA)、Ba(TFSA)、Ba(BETA)、Ba(BFのいずれか1つまたはそれらの2つ以上の混合物であることが好ましい。
[Mixed barium salt]
Although not as effective as a lithium salt, an irreversible reduction current in a negative high potential region can be suppressed by excessively mixing a barium salt typified by Ba (FSA) 2 with the electrolytic solution. In the preparation of the above mixed electrolyte, the concentration of the barium salt added in excess may be adjusted to be at least 3 times or more, preferably 5 times or more, more preferably about 10 times the concentration of the dissociated alkali metal fluoride. desirable. When the concentration (addition amount) of this barium salt is 3 times or more, it is desirable that the fluoride ion concentration is not lowered because the fluoride ion and the barium ion do not form an insoluble solid substance. Examples of the anionic species of the barium salt, FSA - except the TFSA -, BETA -, BF 4 - but no problem. That is, the barium salt to be added in excess is any one of Ba (FSA) 2 , Ba (TFSA) 2 , Ba (BETA) 2 , Ba (BF 4 ) 2 , or a mixture of two or more thereof. Is preferable.

[ホウ素を含む化合物]
本形態に係るフッ化物イオン電池において、電解質(電解液)は、ホウ素を含む化合物を添加剤として含むことで、より高い可逆容量を実現することができる。ホウ素を含む化合物の種類について特に制限はなく、従来公知のホウ素化合物が挙げられるが、なかでもボロキシン構造を1つ有する化合物(単環ボロキシン化合物)であることが好ましい。「ボロキシン」とは、Bの化学式で表される複素環化合物であり、水素原子1つと結合したホウ素原子と酸素原子とが交互に並んだ六員環構造を有している。このようなボロキシン構造を1つ有する単環ボロキシン化合物としては、例えば、2,4,6−トリメトキシボロキシン(TMBx)、2,4,6−トリフェニルボロキシン(TPBx)、2,4,6−トリス(4−フルオロフェニル)ボロキシン(TFPBx)および2,4,6−トリス(m−ターフェニル−5’−イル)ボロキシン(TTBx)などが挙げられる。また、国際公開第2017/082268号パンフレットに開示されている単環ボロキシン化合物が用いられてもよい。
[Compounds containing boron]
In the fluoride ion battery according to the present embodiment, the electrolyte (electrolyte solution) can realize a higher reversible capacity by containing a compound containing boron as an additive. The type of the compound containing boron is not particularly limited, and conventionally known boron compounds can be mentioned, but among them, a compound having one boroxine structure (monocyclic boroxine compound) is preferable. "Boroxine" is a heterocyclic compound represented by the chemical formula of B 3 H 3 O 3 , and has a six-membered ring structure in which boron atoms bonded to one hydrogen atom and oxygen atoms are alternately arranged. .. Examples of the monocyclic boroxine compound having one such boroxine structure include 2,4,6-trimethoxyboroxine (TMBx), 2,4,6-triphenylboroxine (TPBx), 2,4. Examples thereof include 6-tris (4-fluorophenyl) boroxine (TFBPx) and 2,4,6-tris (m-terphenyl-5'-yl) boroxine (TTBx). In addition, monocyclic boroxine compounds disclosed in International Publication No. 2017/082268 pamphlet may be used.

電解質(電解液)がホウ素を含む化合物を含む場合、その濃度は特に制限されないが、高い可逆容量が得られるという観点からは、好ましくは0.8M以下であり、より好ましくは0.5M以下であり、さらに好ましくは0.05〜0.5Mであり、特に好ましくは0.05〜0.3Mであり、最も好ましくは0.05〜0.1Mである。 When the electrolyte (electrolyte solution) contains a compound containing boron, its concentration is not particularly limited, but from the viewpoint of obtaining a high reversible capacity, it is preferably 0.8 M or less, more preferably 0.5 M or less. Yes, more preferably 0.05 to 0.5 M, particularly preferably 0.05 to 0.3 M, and most preferably 0.05 to 0.1 M.

以下に実験例示して本発明をさらに具体的に説明する。 The present invention will be described in more detail below by exemplifying experiments.

[参考例1]
市販のアルミニウム(Al)箔(厚さ20μm)からなる集電体を5mm×10mmのサイズにカットし、反応面が5mm×5mmのサイズとなるように、反応面以外の金属面を、端子接続部を一部残すようにしてポリプロピレン(PP)シールフィルムで熱融着してマスクすることにより、本参考例の電極を作製した。
[Reference example 1]
A collector made of commercially available aluminum (Al) foil (thickness 20 μm) is cut to a size of 5 mm × 10 mm, and a metal surface other than the reaction surface is connected to the terminals so that the reaction surface has a size of 5 mm × 5 mm. The electrode of this reference example was produced by heat-sealing and masking with a polypropylene (PP) seal film so as to leave a part of the portion.

[参考例2]
アルミニウム(Al)箔に代えて市販のマグネシウム(Mg)箔を集電体として用いたこと以外は、上述した参考例1と同様の手法により、本参考例の電極を作製した。
[Reference example 2]
The electrodes of this reference example were produced by the same method as in Reference Example 1 described above, except that a commercially available magnesium (Mg) foil was used as the current collector instead of the aluminum (Al) foil.

[参考例3]
アルミニウム(Al)箔に代えて市販の銅(Cu)箔を集電体として用いたこと以外は、上述した参考例1と同様の手法により、本参考例の電極を作製した。
[Reference example 3]
The electrodes of this reference example were produced by the same method as in Reference Example 1 described above, except that a commercially available copper (Cu) foil was used as the current collector instead of the aluminum (Al) foil.

[参考例4]
アルミニウム(Al)箔に代えて市販のニッケル(Ni)箔を集電体として用いたこと以外は、上述した参考例1と同様の手法により、本参考例の電極を作製した。
[Reference example 4]
The electrodes of this reference example were produced by the same method as in Reference Example 1 described above, except that a commercially available nickel (Ni) foil was used as the current collector instead of the aluminum (Al) foil.

[参考例5]
炭素材料であるアセチレンブラック(AB)からなる導電助剤と、バインダであるポリフッ化ビニリデン(PVdF)とを50:50の質量比で混練し、さらにN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を加えて適当な粘度のスラリーとした。得られたスラリーを参考例1と同様のアルミニウム(Al)箔からなる集電体の一方の表面に塗工し、120℃で真空乾燥した。次いで、空隙率が40〜50%となるようにプレス処理を施して電極シートを作製した。得られた電極シートを5mm×10mmのサイズにカットし、さらに合材面が5mm×5mmのサイズとなるように合材面の一部を剥離して、本参考例の電極を作製した。
[Reference Example 5]
A conductive auxiliary agent made of acetylene black (AB), which is a carbon material, and polyvinylidene fluoride (PVdF), which is a binder, are kneaded at a mass ratio of 50:50, and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) is further added. A slurry having an appropriate viscosity was prepared. The obtained slurry was applied to one surface of a current collector made of an aluminum (Al) foil similar to that in Reference Example 1, and vacuum dried at 120 ° C. Next, an electrode sheet was prepared by performing a press treatment so that the porosity was 40 to 50%. The obtained electrode sheet was cut into a size of 5 mm × 10 mm, and a part of the mixed material surface was peeled off so that the mixed material surface had a size of 5 mm × 5 mm to prepare an electrode of this reference example.

[参考例6]
アセチレンブラック(AB)に代えて、同様に炭素材料であるカーボンナノチューブ(CNT)を導電助剤として用いたこと以外は、上述した参考例5と同様の手法により、本参考例の電極を作製した。
[Reference example 6]
The electrodes of this reference example were produced by the same method as in Reference Example 5 described above, except that carbon nanotubes (CNT), which is also a carbon material, was used as a conductive auxiliary agent in place of acetylene black (AB). ..

[電解液の耐還元性の評価]
上述した参考例1〜参考例6のそれぞれで作製した電極に対する電解液の耐還元性を評価した。
[Evaluation of reduction resistance of electrolytic solution]
The reduction resistance of the electrolytic solution to the electrodes prepared in each of the above-mentioned Reference Examples 1 to 6 was evaluated.

具体的には、まず、上記参考例のそれぞれで作製した電極を作用極として、活性炭とバインダであるポリテトラフルオロエチレン(PTFE)とからなる電極シート(活性炭:PTFE=70:30(質量比))を対極に用い、参照極にAg線を用いて、ビーカーセルを作製した。ここで、電解液としては、LiFSA(0.5mol/L)およびCsF(0.038mol/L)をγ−ブチロラクトン(GBL)に溶解したものを用いた(特開2021−36512号公報を参照)。 Specifically, first, an electrode sheet composed of activated carbon and polytetrafluoroethylene (PTFE), which is a binder, with the electrodes prepared in each of the above reference examples as working electrodes (activated carbon: PTFE = 70:30 (mass ratio)). ) Was used as the counter electrode, and the Ag line was used as the reference electrode to prepare a beaker cell. Here, as the electrolytic solution, one in which LiFSA (0.5 mol / L) and CsF (0.038 mol / L) were dissolved in γ-butyrolactone (GBL) was used (see JP-A-2021-36512). ..

上記で作製した各ビーカーセルを用いて、サイクリックボルタンメトリー(CV)測定およびクロノポテンシオメトリー(CP)測定により、電解液の耐還元性を評価した。 Using each beaker cell prepared above, the reduction resistance of the electrolytic solution was evaluated by cyclic voltammetry (CV) measurement and chronopotencyometry (CP) measurement.

サイクリックボルタンメトリー(CV)測定については、アルゴン雰囲気中、室温で行い、掃引速度は1mV/secとした。参考例1〜参考例6のサイクリックボルタンメトリー(CV)測定の結果として得られたサイクリックボルタモグラムを図2の(A)〜(F)にそれぞれ示す。また、それぞれのサイクリックボルタモグラムをもとにAl/AlFのフッ化脱フッ化反応電位である−2.4V(vs. Ag)付近までの電解液の還元分解電流値を比較した。そして、その電流値が0.1mA/cm以下となるものを〇(OK)とし、0.1mA/cm超となるものを×(NG)として下記の表1に示す。 Cyclic voltammetry (CV) measurement was performed in an argon atmosphere at room temperature, and the sweep rate was 1 mV / sec. Cyclic voltammetrys obtained as a result of the cyclic voltammetry (CV) measurement of Reference Examples 1 to 6 are shown in FIGS. 2A to 2F, respectively. Further, based on each cyclic voltammogram, the reduction and decomposition current values of the electrolytic solutions up to the vicinity of the fluorinated defluorination reaction potential of Al / AlF 3 of -2.4 V (vs. Ag) were compared. Then, what the current value thereof becomes 0.1 mA / cm 2 or less and 〇 (OK), shown in Table 1 below what a 0.1 mA / cm 2 than as × (NG).

また、クロノポテンシオメトリー(CP)測定については、アルゴン雰囲気中、室温で行い、定電流試験の電流レートは10μAとした。参考例1〜参考例6のクロノポテンシオメトリー(CP)測定の結果として得られたクロノポテンシオグラムを図3の(A)〜(F)にそれぞれ示す。また、それぞれのクロノポテンシオグラムをもとに電位が一定となる反応プラトーを観察し、その電位がAl/AlFのフッ化脱フッ化反応電位である−2.4V(vs. Ag)付近より卑な電位となるものを〇(OK)とし、それよりも貴な電位となるものを×(NG)として下記の表1に示す。表1に示すように、参考例1
および参考例2が〇(OK)であった。
The chronopotencyometry (CP) measurement was performed in an argon atmosphere at room temperature, and the current rate of the constant current test was 10 μA. The chronopotencygrams obtained as a result of the chronopotencymetry (CP) measurement of Reference Examples 1 to 6 are shown in FIGS. 3A to 3F, respectively. In addition, a reaction plateau in which the potential becomes constant was observed based on each chronopotensiogram, and the potential was around 2.4 V (vs. Ag), which is the fluorinated defluorination reaction potential of Al / AlF 3. Table 1 below shows those with a lower potential as 〇 (OK) and those with a more noble potential as × (NG). As shown in Table 1, Reference Example 1
And Reference Example 2 was 〇 (OK).

Figure 2021174774
Figure 2021174774

ここで、図2(A)および図3(A)、並びに図2(B)および図3(B)に示す結果からわかるように、参考例1および参考例2では電解液の還元分解による副反応はAl/AlF反応電位よりも卑な電位とならなければ進行しない。したがって、これらの材料を集電体として用いたフッ化物イオン電池用負極においては、フッ化物イオン電池の充電時に負極活物質からの脱フッ化反応が電解液の還元分解による副反応よりも優先的に進むと考えられる。 Here, as can be seen from the results shown in FIGS. 2 (A) and 3 (A), and FIGS. 2 (B) and 3 (B), in Reference Example 1 and Reference Example 2, the secondary by reductive decomposition of the electrolytic solution is used. the reaction does not proceed unless become lower potential than Al / AlF 3 reaction potential. Therefore, in the negative electrode for a fluoride ion battery using these materials as a current collector, the defluorination reaction from the negative electrode active material is prioritized over the side reaction due to the reductive decomposition of the electrolytic solution when the fluoride ion battery is charged. It is thought that it will proceed to.

これに対し、図2(C)および図3(C)、並びに図2(D)および図3(D)に示す結果からわかるように、参考例3および参考例4では、−0.6V(vs. 標準水素電極(SHE))付近から、電解液の還元分解と思われる副反応が観察された。したがって、これらの材料を集電体として用いたフッ化物イオン電池用負極においては、フッ化物イオン電池の充電時に負極活物質からの脱フッ化反応よりも電解液の還元分解による副反応の方が優先的に進むと考えられる。 On the other hand, as can be seen from the results shown in FIGS. 2 (C) and 3 (C), and FIGS. 2 (D) and 3 (D), in Reference Example 3 and Reference Example 4, -0.6 V ( A side reaction that seems to be a reductive decomposition of the electrolytic solution was observed from the vicinity of the standard hydrogen electrode (SHE). Therefore, in the negative electrode for a fluoride ion battery using these materials as a current collector, the side reaction by the reductive decomposition of the electrolytic solution is more than the defluorination reaction from the negative electrode active material when the fluoride ion battery is charged. It is considered that priority will be given to the progress.

さらに、図2(E)および図3(E)、並びに図2(F)および図3(F)に示す結果からわかるように、炭素材料からなる導電助剤を用いた参考例5および参考例6では、−1.0V(vs. SHE)付近から、電解液の還元分解と思われる副反応が観察された。このように、炭素材料からなる導電助剤の表面ではAl/AlF反応電位よりも貴な電位で電解液の還元分解が生じることから、本来の電極反応である負極活物質の脱フッ化反応が阻害されるものと考えられる。 Further, as can be seen from the results shown in FIGS. 2 (E) and 3 (E), and FIGS. 2 (F) and 3 (F), Reference Example 5 and Reference Example using a conductive aid made of a carbon material. In No. 6, a side reaction that seems to be a reductive decomposition of the electrolytic solution was observed from around −1.0 V (vs. SHE). In this way, the reducing decomposition of the electrolytic solution occurs at a potential noble than the Al / AlF 3 reaction potential on the surface of the conductive auxiliary agent made of carbon material, so that the defluorination reaction of the negative electrode active material, which is the original electrode reaction, occurs. Is considered to be inhibited.

[実施例1]
(活物質の合成)
市販のAlF粉末(富士フイルム和光純薬株式会社)に添加剤として市販のTiF粉末(Sigma−Aldrich)を所定の比率で加えて、アルゴン雰囲気下にてボールミルで混合処理を行い、本実施例の活物質であるAl0.97Ti0.03を合成した。
[Example 1]
(Synthesis of active material)
Commercially available TiF 3 powder (Sigma-Aldrich) was added as an additive to commercially available AlF 3 powder (Fuji Film Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) at a predetermined ratio, and mixed treatment was performed with a ball mill under an argon atmosphere. the Al 0.97 Ti 0.03 F 3 example in which the active material was synthesized.

(電極の作製)
市販のアルミニウム(Al)箔からなる集電体の一方の表面に、上記で作製した活物質(Al0.97Ti0.03)を圧着して、本実施例の電極を作製した。
(Preparation of electrodes)
The active material (Al 0.97 Ti 0.03 F 3 ) prepared above was pressure-bonded to one surface of a current collector made of a commercially available aluminum (Al) foil to prepare the electrodes of this example.

(セルの作製)
上記で作製した電極を作用極として、活性炭とバインダであるポリテトラフルオロエチレン(PTFE)とからなる電極シート(活性炭:PTFE=70:30(質量比))を
対極に用い、参照極にAg線を用いて、本実施例のビーカーセルを作製した。電解液としては、LiFSA(0.14mol/L)およびCsF(0.012mol/L)をγ−ブチロラクトン(GBL)に溶解したものを用いた。
(Creation of cell)
Using the electrode prepared above as the working electrode, an electrode sheet (activated carbon: PTFE = 70:30 (mass ratio)) composed of activated carbon and the binder polytetrafluoroethylene (PTFE) was used as the counter electrode, and the Ag wire was used as the reference electrode. Was used to prepare the beaker cell of this example. As the electrolytic solution, one in which LiFSA (0.14 mol / L) and CsF (0.012 mol / L) were dissolved in γ-butyrolactone (GBL) was used.

[実施例2]
アルミニウム(Al)箔に代えて市販のマグネシウム(Mg)箔を集電体として用いたこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、本実施例のビーカーセルを作製した。
[Example 2]
The beaker cell of this example was produced by the same method as in Example 1 described above except that a commercially available magnesium (Mg) foil was used as the current collector instead of the aluminum (Al) foil.

[比較例1]
Al0.97Ti0.03に代えて、TiFを混合していないAlF粉末を活物質として用いたこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、本比較例のビーカーセルを作製した。
[Comparative Example 1]
By the same method as in Example 1 described above, the beaker of this comparative example was used except that AlF 3 powder not mixed with TiF 3 was used as the active material instead of Al 0.97 Ti 0.03 F 3. A cell was prepared.

[活物質の反応性の評価]
上述した実施例1、実施例2および比較例1のそれぞれで作製したビーカーセルにおける活物質の反応性を評価した。具体的には、上記の各実験例で作製したビーカーセルを用いて、サイクリックボルタンメトリー(CV)測定およびクロノポテンシオメトリー(CP)測定により、電解液の耐還元性を評価した。
[Evaluation of reactivity of active material]
The reactivity of the active material in the beaker cells prepared in each of Example 1, Example 2 and Comparative Example 1 described above was evaluated. Specifically, the reduction resistance of the electrolytic solution was evaluated by cyclic voltammetry (CV) measurement and chronopotencyometry (CP) measurement using the beaker cells prepared in each of the above experimental examples.

サイクリックボルタンメトリー(CV)測定については、アルゴン雰囲気中、室温で行い、掃引速度は20mV/secとした。ここで、集電体であるアルミニウム(Al)箔およびマグネシウム(Mg)箔のそれぞれの表面における電解液中での酸化還元反応の進行度合いを確認する目的で、アルミニウム(Al)箔単体およびマグネシウム(Mg)箔単体のそれぞれについてCV測定を行った結果として得られたサイクリックボルタモグラムを図4の(A)および(B)に示す。一方、実施例1、実施例2および比較例1のサイクリックボルタンメトリー(CV)測定の結果として得られたサイクリックボルタモグラムを図5の(A)〜(C)にそれぞれ示す。また、それぞれのサイクリックボルタモグラムをもとにAl/AlFのフッ化脱フッ化反応電位である−2.4V(vs. Ag)付近を挟んで還元電流ピークおよび酸化電流ピークの大きさを比較し、フッ化脱フッ化反応活性を判断した。その結果、可逆的な反応活性が十分に得られていると判断されたものを〇(OK)とし、十分な可逆反応活性が得られていないと判断されたものを×(NG)として下記の表2に示す。表2に示すように、実施例1および実施例2が〇(OK)であった。 Cyclic voltammetry (CV) measurement was performed in an argon atmosphere at room temperature, and the sweep rate was 20 mV / sec. Here, for the purpose of confirming the progress of the redox reaction in the electrolytic solution on each surface of the aluminum (Al) foil and the magnesium (Mg) foil which are the current collectors, the aluminum (Al) foil alone and magnesium ( The cyclic voltammograms obtained as a result of CV measurement for each of the Mg) foils are shown in FIGS. 4A and 4B. On the other hand, the cyclic voltammetrys obtained as a result of the cyclic voltammetry (CV) measurement of Example 1, Example 2 and Comparative Example 1 are shown in FIGS. 5A to 5C, respectively. In addition, based on each cyclic voltammogram, the magnitudes of the reduction current peak and the oxidation current peak are compared with the vicinity of the fluorinated defluorination reaction potential of Al / AlF 3 of -2.4 V (vs. Ag). Then, the fluorinated defluorination reaction activity was judged. As a result, those judged to have sufficiently reversible reaction activity were evaluated as 〇 (OK), and those judged not to have sufficient reversible reaction activity were evaluated as × (NG) as follows. It is shown in Table 2. As shown in Table 2, Example 1 and Example 2 were 〇 (OK).

なお、実施例2についてはクロノポテンシオメトリー(CP)測定も行った。具体的には、CP測定をアルゴン雰囲気中、室温で行い、定電流試験の電流レートは0.25mA/cmとした。実施例2のCP測定の結果として得られたクロノポテンシオグラムを図6に示す。 For Example 2, chronopotencyometry (CP) measurement was also performed. Specifically, CP measurement was performed in an argon atmosphere at room temperature, and the current rate of the constant current test was 0.25 mA / cm 2 . The chronopotencyogram obtained as a result of the CP measurement of Example 2 is shown in FIG.

Figure 2021174774
Figure 2021174774

ここで、図4(A)と図5(A)との対比からわかるように、集電体であるアルミニウ
ム(Al)箔の表面に活物質としてAl0.97Ti0.03を担持することにより、可逆的な酸化還元反応が進行している。同様に、図4(B)と図5(B)との対比からわかるように、集電体であるマグネシウム(Mg)箔の表面に活物質としてAl0.97Ti0.03を担持することにより、Mg箔単体の場合における還元副反応が強く抑制され、しかも可逆的な酸化還元反応が進行している。このことは、図6に示す実施例2についてのクロノポテンシオグラムからも裏付けられる。これらのことから、本発明に係るフッ化物イオン電池用負極は、フッ化物イオン電池の電池性能を向上させうる有望な候補であるということができる。なお、図5(C)に示す比較例1についてのサイクリックボルタモグラムでは可逆的な酸化還元反応の進行は確認されなかった。これは、絶縁性の高い活物質であるAlFが集電体であるアルミニウム(Al)箔の表面に担持されたことで、Al箔の表面における酸化還元反応の進行が阻害されたことによるものと考えられる。
Here, as can be seen from the comparison between FIGS. 4 (A) and 5 (A), Al 0.97 Ti 0.03 F 3 is supported as an active material on the surface of the aluminum (Al) foil which is the current collector. By doing so, a reversible redox reaction is proceeding. Similarly, as can be seen from the comparison between FIGS. 4 (B) and 5 (B), Al 0.97 Ti 0.03 F 3 is supported as an active material on the surface of the magnesium (Mg) foil which is a current collector. By doing so, the reduction side reaction in the case of the Mg foil alone is strongly suppressed, and the reversible redox reaction is proceeding. This is also supported by the chronopotency gram for Example 2 shown in FIG. From these facts, it can be said that the negative electrode for a fluoride ion battery according to the present invention is a promising candidate capable of improving the battery performance of the fluoride ion battery. In the cyclic voltammogram of Comparative Example 1 shown in FIG. 5 (C), the reversible progress of the redox reaction was not confirmed. This is because AlF 3, which is a highly insulating active material, is supported on the surface of the aluminum (Al) foil, which is a current collector, and thus the progress of the redox reaction on the surface of the Al foil is hindered. it is conceivable that.

[実施例3]
(活物質の合成)
市販のAlF粉末に添加剤としてTiFを所定の比率で加えて、アルゴン雰囲気下にてボールミルで混合処理を行い、本実施例の活物質であるAl0.97Ti0.03を合成した。
[Example 3]
(Synthesis of active material)
TiF 3 as an additive is added to a commercially available AlF 3 powder at a predetermined ratio, and the mixture is mixed with a ball mill in an argon atmosphere to obtain Al 0.97 Ti 0.03 F 3 , which is the active material of this example. Synthesized.

(電極の作製)
上記で作製した活物質と、バインダであるポリフッ化ビニリデン(PVdF)とを95:5の質量比で混練し、さらにN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を加えて適当な粘度のスラリーとした。得られたスラリーを導電性多孔体である発泡アルミニウム(住友電工株式会社製、Aluminum Celmet、空隙率96%)に充填し、乾燥後にプレス処理を施して、本実施例の電極を作製した。
(Preparation of electrodes)
The active material prepared above and polyvinylidene fluoride (PVdF), which is a binder, were kneaded at a mass ratio of 95: 5, and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) was further added to obtain a slurry having an appropriate viscosity. .. The obtained slurry was filled with aluminum foam (Sumitomo Electric Industries, Ltd., Aluminum Celmet, porosity 96%) which is a conductive porous body, dried and then pressed to prepare an electrode of this example.

(セルの作製)
上記で作製した電極を作用極として、活性炭とバインダであるポリテトラフルオロエチレン(PTFE)とからなる電極シート(活性炭:PTFE=70:30(質量比))を対極に用い、参照極にAg線を用いて、本実施例のビーカーセルを作製した。電解液としては、LiFSA(0.14mol/L)およびCsF(0.012mol/L)をγ−ブチロラクトン(GBL)に溶解したものを用いた。
(Creation of cell)
Using the electrode prepared above as the working electrode, an electrode sheet (activated carbon: PTFE = 70:30 (mass ratio)) composed of activated carbon and the binder polytetrafluoroethylene (PTFE) was used as the counter electrode, and the Ag wire was used as the reference electrode. Was used to prepare the beaker cell of this example. As the electrolytic solution, one in which LiFSA (0.14 mol / L) and CsF (0.012 mol / L) were dissolved in γ-butyrolactone (GBL) was used.

[比較例2]
上述した実施例3で作製した活物質と、炭素材料からなる導電助剤であるアセチレンブラック(AB)と、バインダであるポリフッ化ビニリデン(PVdF)とを75:12.5:12.5の質量比で混練し、さらにN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を加えて適当な粘度のスラリーとした。得られたスラリーを集電体である銅(Cu)箔(厚さ20μm)の一方の表面に塗工し、乾燥後にプレス処理を施して、本比較例の電極を作製した。そして、この電極を用いたこと以外は上述した実施例3と同様の手法により、本比較例のビーカーセルを作製した。
[Comparative Example 2]
The active material prepared in Example 3 described above, acetylene black (AB), which is a conductive auxiliary agent made of a carbon material, and polyvinylidene fluoride (PVdF), which is a binder, have a mass of 75: 12.5: 12.5. After kneading at a ratio, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) was further added to obtain a slurry having an appropriate viscosity. The obtained slurry was applied to one surface of a copper (Cu) foil (thickness 20 μm) as a current collector, dried, and then pressed to prepare an electrode of this comparative example. Then, a beaker cell of this comparative example was produced by the same method as in Example 3 described above except that this electrode was used.

[比較例3]
銅(Cu)箔に代えて、アルミニウム(Al)箔を集電体として用いたこと以外は、上述した比較例2と同様の手法により、本比較例のビーカーセルを作製した。
[Comparative Example 3]
A beaker cell of this Comparative Example was produced by the same method as in Comparative Example 2 described above, except that an aluminum (Al) foil was used as a current collector instead of the copper (Cu) foil.

[充放電特性の評価]
上述した実施例3、比較例2および比較例3のそれぞれで作製したビーカーセルにおける充放電特性を評価した。具体的には、上記の各実験例で作製したビーカーセルを用いて、クロノポテンシオメトリー(CP)測定により、各セルの充放電特性を評価した。
[Evaluation of charge / discharge characteristics]
The charge / discharge characteristics of the beaker cells produced in each of Example 3, Comparative Example 2 and Comparative Example 3 described above were evaluated. Specifically, using the beaker cells prepared in each of the above experimental examples, the charge / discharge characteristics of each cell were evaluated by chronopotencyometry (CP) measurement.

クロノポテンシオメトリー(CP)測定については、アルゴン雰囲気中、室温で行い、定電流試験の電流レートは0.04C相当とした。実施例3、比較例2および比較例3のクロノポテンシオメトリー(CP)測定の結果として得られたクロノポテンシオグラムを図7の(A)〜(C)にそれぞれ示す。また、それぞれのクロノポテンシオグラムをもとに、活物質のフッ化脱フッ化による可逆的な充放電反応が進行しているか、十分なサイクル特性が達成できているかを評価し、実用上問題ないものを〇(OK)とし、そうではないものを×(NG)として下記の表3に示す。表3に示すように、実施例3のみが〇(OK)であった。 Chronopotencyometry (CP) measurement was performed in an argon atmosphere at room temperature, and the current rate of the constant current test was equivalent to 0.04 C. The chronopotencygrams obtained as a result of the chronopotencyometry (CP) measurement of Example 3, Comparative Example 2 and Comparative Example 3 are shown in FIGS. 7A to 7C, respectively. In addition, based on each chronopotency gram, it is evaluated whether the reversible charge / discharge reaction by fluoridation and defluorination of the active material is proceeding and whether sufficient cycle characteristics are achieved, which is a practical problem. Table 3 below shows those that do not exist as 〇 (OK) and those that do not as × (NG). As shown in Table 3, only Example 3 was 〇 (OK).

Figure 2021174774
Figure 2021174774

ここで、図7(A)に示すように、実施例3ではAl/AlFのフッ化脱フッ化反応電位である−2.4V(vs. Ag)付近で充放電反応のプラトー電位が確認できたことから、活物質のフッ化脱フッ化による可逆的な充放電反応が進行しているものと考えられる。また、図7(A)に示すように実施例3ではサイクル特性も良好であった。 Here, as shown in FIG. 7 (A), in Example 3, the plateau potential of the charge / discharge reaction was confirmed near the fluorinated defluorination reaction potential of Al / AlF 3 at 2.4 V (vs. Ag). From this, it is considered that the reversible charge / discharge reaction by fluoridation and defluorination of the active material is in progress. Further, as shown in FIG. 7A, the cycle characteristics were also good in Example 3.

一方、図7(B)に示す比較例2では、可逆的な充放電容量が得られなかった。これは、炭素材料からなる導電助剤であるABを用いていること、および集電体として銅(Cu)箔を用いていることで、電解液の還元分解反応が優先的に進行したことによるものと思われる。また、図7(C)に示す比較例3では、充放電不可逆容量が大きく、充放電サイクルに伴う容量劣化も大きかった。これは、集電体としてアルミニウム(Al)箔を用いているにもかかわらず、やはり炭素材料からなる導電助剤(AB)を用いていることで電解液の還元分解反応が優先的に進行したことによるものと思われる。 On the other hand, in Comparative Example 2 shown in FIG. 7B, a reversible charge / discharge capacity could not be obtained. This is because AB, which is a conductive auxiliary agent made of a carbon material, is used, and copper (Cu) foil is used as a current collector, so that the reduction and decomposition reaction of the electrolytic solution proceeds preferentially. It seems to be. Further, in Comparative Example 3 shown in FIG. 7C, the charge / discharge irreversible capacity was large, and the capacity deterioration due to the charge / discharge cycle was also large. This is because, despite the fact that aluminum (Al) foil is used as the current collector, the reduction and decomposition reaction of the electrolytic solution proceeded preferentially because the conductive auxiliary agent (AB), which is also made of carbon material, was used. It seems that this is due to.

[比較例4]
(電極の作製)
市販のTiF粉末に導電助剤(AB:アセチレンブラック)を90:10の質量比で加えて、アルゴン雰囲気下にてボールミルで混合処理を行い、TiF/AB合材を作製した。得られた合材にABおよびPVdFをさらに加え、TiF:AB:PVdF=75:12.5:12.5の質量比とした後にNMPを加えて混練して、適当な粘度のスラリーとした。得られたスラリーをAl箔上に塗工し、120℃にて真空乾燥した後に、空隙率が40〜50%となるようにプレスして電極シートを作製した。得られた電極シートを5mm×10mmにカットし、さらに合材面が5mm×5mmとなるように合材面を一部剥離して、本比較例の電極を作製した。
[Comparative Example 4]
(Preparation of electrodes)
A conductive auxiliary agent (AB: acetylene black) was added to a commercially available TiF 3 powder at a mass ratio of 90:10 and mixed with a ball mill in an argon atmosphere to prepare a TiF 3 / AB mixture. AB and PVdF were further added to the obtained mixture to obtain a mass ratio of TiF 3 : AB: PVdF = 75: 12.5: 12.5, and then NMP was added and kneaded to obtain a slurry having an appropriate viscosity. .. The obtained slurry was applied onto an Al foil, vacuum dried at 120 ° C., and then pressed so that the porosity was 40 to 50% to prepare an electrode sheet. The obtained electrode sheet was cut into a size of 5 mm × 10 mm, and the surface of the mixture was partially peeled off so that the surface of the mixture was 5 mm × 5 mm to prepare an electrode of this comparative example.

(セルの作製)
上記で作製した電極を作用極として、活性炭とPTFEとからなる電極シート(活性炭:PTFE=70:30(質量比))を対極に用い、参照極にAg線を用いて、本比較例のビーカーセルを作製した。電解液としては、LiFSA(0.14mol/L)およびCsF(0.012mol/L)をGBLに溶解したものを用いた。
(Creation of cell)
Using the electrode produced above as the working electrode, an electrode sheet composed of activated carbon and PTFE (activated carbon: PTFE = 70:30 (mass ratio)) is used as the counter electrode, and an Ag wire is used as the reference electrode, and the beaker of this comparative example is used. A cell was prepared. As the electrolytic solution, one in which LiFSA (0.14 mol / L) and CsF (0.012 mol / L) were dissolved in GBL was used.

[実施例4−1]
市販のマグネシウム(Mg)箔からなる集電体の一方の表面に、比較例4と同様の活物質(TiF)を圧着して、本実施例の電極を作製した。そして、この電極を用いたこと以外は上述した比較例4と同様の手法により、本実施例のビーカーセルを作製した。
[Example 4-1]
The same active material (TiF 3 ) as in Comparative Example 4 was pressure-bonded to one surface of a current collector made of a commercially available magnesium (Mg) foil to prepare an electrode of this example. Then, the beaker cell of this example was produced by the same method as in Comparative Example 4 described above except that this electrode was used.

[実施例4−2]
比較例4と同様の活物質(TiF)と、PVdFとを95:5の質量比で混練し、さらにNMPを加えて適当な粘度のスラリーとした。得られたスラリーを導電性多孔体である発泡アルミニウム(空隙率96%)に充填し、乾燥後にプレス処理を施して、本実施例の電極を作製した。そして、この電極を用いたこと以外は上述した比較例4と同様の手法により、本実施例のビーカーセルを作製した。
[Example 4-2]
The same active material (TiF 3 ) as in Comparative Example 4 and PVdF were kneaded at a mass ratio of 95: 5, and NMP was further added to prepare a slurry having an appropriate viscosity. The obtained slurry was filled with foamed aluminum (porosity 96%), which is a conductive porous body, dried, and then pressed to prepare an electrode of this example. Then, the beaker cell of this example was produced by the same method as in Comparative Example 4 described above except that this electrode was used.

[実施例4−3]
(活物質の合成)
市販のTiF粉末に添加剤としてAlFを所定の比率で加えて、アルゴン雰囲気下にてボールミルで混合処理を行い、本実施例の活物質であるTi0.95Al0.05を合成した。そして、この活物質を用いたこと以外は上述した実施例4−2と同様の手法により、本実施例の電極およびビーカーセルを作製した。
[Example 4-3]
(Synthesis of active material)
AlF 3 as an additive is added to a commercially available TiF 3 powder at a predetermined ratio, and the mixture is mixed with a ball mill in an argon atmosphere to obtain Ti 0.95 Al 0.05 F 3 , which is the active material of this example. Synthesized. Then, the electrodes and the beaker cell of this example were produced by the same method as in Example 4-2 described above except that this active material was used.

[充放電特性の評価]
上述した比較例4および実施例4−1〜実施例4−3のそれぞれで作製したビーカーセルの充放電特性を評価した。具体的には、上記の各実験例で作製したビーカーセルを用いた室温(25℃)での定電流試験(充放電レートは0.02C)により、各ビーカーセルの充放電試験を行い、3サイクルでの可逆容量を測定した。結果を下記の表4に示す。なお、上記の実施例4−1〜実施例4−3で作製したビーカーセルのいずれにおいても、負極活物質の脱フッ化反応電位が負極集電体の表面に形成される酸化物およびフッ化物からなる不働態被膜の還元分解電位よりも貴な電位であることを各負極活物質の反応電位および充放電曲線から確認した。
[Evaluation of charge / discharge characteristics]
The charge / discharge characteristics of the beaker cells produced in Comparative Example 4 and Examples 4-1 to 4-3 described above were evaluated. Specifically, the charge / discharge test of each beaker cell is performed by a constant current test (charge / discharge rate is 0.02C) at room temperature (25 ° C.) using the beaker cells prepared in each of the above experimental examples. The reversible capacitance in the cycle was measured. The results are shown in Table 4 below. In any of the beaker cells produced in Examples 4-1 to 4-3 above, the depolarization reaction potential of the negative electrode active material is the oxide and fluoride formed on the surface of the negative electrode current collector. It was confirmed from the reaction potential and charge / discharge curve of each negative electrode active material that the potential was noble than the reduction / decomposition potential of the inactive film composed of.

Figure 2021174774
Figure 2021174774

ここで、上記の各実験例で作製したビーカーセルについての充放電曲線を図8の(A)〜(D)に示す。これらの結果からわかるように、負極活物質層がABを含む比較例4では、十分な可逆容量を得ることができなかった。これに対し、各実施例では十分な可逆容量を得ることができた。また、負極集電体として発泡アルミニウムを用いた実施例4−2および実施例4−3ではより高い可逆容量を得ることができ、さらに負極活物質としてTiFに少量のAlを添加したものを用いた実施例4−3では特に優れた充放電特性が実現できた。 Here, the charge / discharge curves for the beaker cells produced in each of the above experimental examples are shown in FIGS. 8A to 8D. As can be seen from these results, in Comparative Example 4 in which the negative electrode active material layer contained AB, a sufficient reversible capacity could not be obtained. On the other hand, in each example, a sufficient reversible capacity could be obtained. Further, in Examples 4-2 and 4-3 in which foamed aluminum was used as the negative electrode current collector, a higher reversible capacity could be obtained, and a TiF 3 to which a small amount of Al was added was added as the negative electrode active material. In Example 4-3 used, particularly excellent charge / discharge characteristics could be realized.

[比較例5]
負極活物質として、TiF粉末に代えて市販のCeF粉末(Sigma−Aldrich)を用い、負極集電体として、Al箔に代えてMg箔を用いたこと以外は、上述した比較例4と同様の手法により、本比較例の電極およびビーカーセルを作製した。
[Comparative Example 5]
As the negative electrode active material, a commercially available CeF 3 powder (Sigma-Aldrich) was used instead of the TiF 3 powder, and an Mg foil was used instead of the Al foil as the negative electrode current collector. The electrodes and beaker cells of this comparative example were prepared by the same method.

[実施例5]
負極活物質として、TiF粉末に代えて比較例5と同様の活物質(CeF)を用いたこと以外は、上述した実施例4−1と同様の手法により、本実施例の電極およびビーカーセルを作製した。
[Example 5]
The electrode and beaker of this example were carried out by the same method as in Example 4-1 described above, except that the same active material (CeF 3 ) as in Comparative Example 5 was used instead of TiF 3 powder as the negative electrode active material. A cell was prepared.

[充放電特性の評価]
上述した比較例5および実施例5のそれぞれで作製したビーカーセルの充放電特性を評価した。具体的には、上記の各実験例で作製したビーカーセルを用いた室温(25℃)での定電流試験(充放電レートは0.02C)により、各ビーカーセルの充放電試験を行い、1サイクルでの可逆容量を測定した。結果を下記の表5に示す。なお、上記の実施例5で作製したビーカーセルにおいては、負極活物質の脱フッ化反応電位が負極集電体の表面に形成される酸化物およびフッ化物からなる不働態被膜の還元分解電位よりも貴な電位であることを負極活物質の反応電位および充放電曲線から確認した。
[Evaluation of charge / discharge characteristics]
The charge / discharge characteristics of the beaker cells produced in each of Comparative Example 5 and Example 5 described above were evaluated. Specifically, the charge / discharge test of each beaker cell is performed by a constant current test (charge / discharge rate is 0.02C) at room temperature (25 ° C.) using the beaker cells prepared in each of the above experimental examples. The reversible capacitance in the cycle was measured. The results are shown in Table 5 below. In the beaker cell produced in Example 5 above, the depolarization reaction potential of the negative electrode active material is based on the reduction decomposition potential of the non-functional coating composed of oxides and fluorides formed on the surface of the negative electrode current collector. It was confirmed from the reaction potential and charge / discharge curve of the negative electrode active material that the potential was also noble.

Figure 2021174774
Figure 2021174774

ここで、上記の各実験例で作製したビーカーセルについての充放電曲線を図9の(A)(比較例5)および(B)(実施例5)に示す。これらの結果からわかるように、負極活物質層がABを含む比較例5では副反応のみが進行し、十分な可逆容量を得ることができなかった。これに対し、実施例5では、CeFのフッ化/脱フッ化反応が進行して、十分な可逆容量を得ることができた。 Here, the charge / discharge curves for the beaker cells produced in each of the above experimental examples are shown in FIGS. 9A (A) (Comparative Example 5) and (B) (Example 5). As can be seen from these results, in Comparative Example 5 in which the negative electrode active material layer contained AB, only a side reaction proceeded and a sufficient reversible capacity could not be obtained. In contrast, in Example 5, fluoride / defluorinated reaction of CeF 3 progresses, it was possible to obtain a sufficient reversible capacity.

[実施例6−1]
上述した実施例4−3で作製したビーカーセルを、本実施例のビーカーセルとした。
[Example 6-1]
The beaker cell produced in Example 4-3 described above was used as the beaker cell of this example.

[実施例6−2]
ボロキシン化合物の1種である2,4,6−トリメトキシボロキシン(TMBx)を、0.05Mの濃度で電解液に添加したこと以外は、上述した実施例6−1と同様の手法により、本実施例のビーカーセルを作製した。
[Example 6-2]
By the same method as in Example 6-1 described above, except that 2,4,6-trimethoxyboroxine (TMBx), which is one of the boroxine compounds, was added to the electrolytic solution at a concentration of 0.05 M. The beaker cell of this example was prepared.

[実施例6−3]
TMBxの添加濃度を0.1Mとしたこと以外は、上述した実施例6−2と同様の手法により、本実施例のビーカーセルを作製した。
[Example 6-3]
A beaker cell of this example was prepared by the same method as in Example 6-2 described above except that the concentration of TMBx added was 0.1 M.

[実施例6−4]
TMBxの添加濃度を0.5Mとしたこと以外は、上述した実施例6−2と同様の手法により、本実施例のビーカーセルを作製した。
[Example 6-4]
A beaker cell of this example was prepared by the same method as in Example 6-2 described above except that the concentration of TMBx added was 0.5 M.

[充放電特性の評価]
上述した実施例6−1〜実施例6−4のそれぞれで作製したビーカーセルの充放電特性を評価した。具体的には、上記の各実施例で作製したビーカーセルを用いた室温(25℃)での定電流試験(充放電レートは0.02C)により、各ビーカーセルの充放電試験を行い、3サイクルでの可逆容量を測定した。結果を下記の表6に示す。
[Evaluation of charge / discharge characteristics]
The charge / discharge characteristics of the beaker cells produced in each of Examples 6-1 to 6-4 described above were evaluated. Specifically, the charge / discharge test of each beaker cell is performed by a constant current test (charge / discharge rate is 0.02C) at room temperature (25 ° C.) using the beaker cells produced in each of the above examples. The reversible capacitance in the cycle was measured. The results are shown in Table 6 below.

Figure 2021174774
Figure 2021174774

ここで、上記の実施例6−2〜実施例6−4で作製したビーカーセルについての充放電曲線を図10の(A)〜(C)に示す。これらの結果からわかるように、ボロキシン化合物の添加によって、充放電特性が向上した。これは、ボロキシン化合物の添加によって負極活物質層の表面にフッ化物イオン伝導性の被膜が形成されることで、当該表面における電解液の還元分解といった不可逆反応の進行が抑制されることによるものと考えられる。また、ボロキシン化合物の添加濃度が0.05〜0.1Mの範囲内である実施例6−2および実施例6−3では、特に優れた充放電特定を実現することができた。 Here, the charge / discharge curves of the beaker cells produced in Examples 6-2 to 6-4 are shown in FIGS. 10A to 10C. As can be seen from these results, the addition of the boroxine compound improved the charge / discharge characteristics. This is because the addition of the booxine compound forms a fluoride ion conductive film on the surface of the negative electrode active material layer, which suppresses the progress of irreversible reactions such as reduction decomposition of the electrolytic solution on the surface. Conceivable. Further, in Examples 6-2 and 6-3 in which the addition concentration of the booxine compound was in the range of 0.05 to 0.1 M, particularly excellent charge / discharge identification could be realized.

[実施例7−1]
上述した実施例3で作製したビーカーセルを、本実施例のビーカーセルとした。
[Example 7-1]
The beaker cell produced in Example 3 described above was used as the beaker cell of this example.

[実施例7−2]
ボロキシン化合物の1種である2,4,6−トリメトキシボロキシン(TMBx)を、0.1Mの濃度で電解液に添加したこと以外は、上述した実施例7−1と同様の手法により、本実施例のビーカーセルを作製した。
[Example 7-2]
By the same method as in Example 7-1 described above, except that 2,4,6-trimethoxyboroxine (TMBx), which is one of the boroxine compounds, was added to the electrolytic solution at a concentration of 0.1 M. The beaker cell of this example was prepared.

[充放電特性の評価]
上述した実施例7−1および実施例7−2のそれぞれで作製したビーカーセルの充放電特性を評価した。具体的には、上記の各実施例で作製したビーカーセルを用いた室温(25℃)での定電流試験(充放電レートは0.04C)により、各ビーカーセルの充放電試験を行い、3サイクルでの可逆容量を測定した。結果を下記の表7に示す。
[Evaluation of charge / discharge characteristics]
The charge / discharge characteristics of the beaker cells produced in Examples 7-1 and 7-2 described above were evaluated. Specifically, the charge / discharge test of each beaker cell is performed by a constant current test (charge / discharge rate is 0.04C) at room temperature (25 ° C.) using the beaker cells produced in each of the above examples. The reversible capacitance in the cycle was measured. The results are shown in Table 7 below.

Figure 2021174774
Figure 2021174774

ここで、上記の実施例7−1および実施例7−2で作製したビーカーセルについての充放電曲線を図11の(A)および(B)に示す。これらの結果からわかるように、Al(Ti)Fを負極活物質として用いた場合にも、ボロキシン化合物の添加によって充放電特性が向上した。 Here, the charge / discharge curves for the beaker cells produced in Examples 7-1 and 7-2 are shown in FIGS. 11A and 11B. As can be seen from these results, even when Al (Ti) F 3 was used as the negative electrode active material, the charge / discharge characteristics were improved by the addition of the booxine compound.

1 フッ化物イオン電池、
10 正極、
11 アルミニウム(Al)箔(正極集電体)、
12 正極活物質層、
13 正極活物質、
20 負極、
21 負極活物質、
22 発泡アルミニウム(負極集電体)、
30 電解質層、
40 外部負荷、
フッ化物イオン。
1 Fluoride ion battery,
10 Positive electrode,
11 Aluminum (Al) foil (positive electrode current collector),
12 Positive electrode active material layer,
13 Positive electrode active material,
20 negative electrode,
21 Negative electrode active material,
22 Aluminum foam (negative electrode current collector),
30 Electrolyte layer,
40 external load,
F - fluoride ion.

Claims (10)

負極活物質を含有する負極活物質層と、
前記負極活物質層の集電を行う負極集電体と、
を有するフッ化物イオン電池用負極であって、
前記負極活物質が金属フッ化物を含み、前記金属フッ化物の脱フッ化反応電位が、前記負極集電体の表面に形成される酸化物およびフッ化物からなる不働態被膜の還元分解電位よりも貴な電位であり、
前記負極集電体の構成材料がアルミニウムもしくはマグネシウムまたはこれらの合金であり、
前記負極活物質層が炭素材料からなる導電助剤を含まないことを特徴とする、フッ化物イオン電池用負極。
A negative electrode active material layer containing a negative electrode active material and
A negative electrode current collector that collects electricity from the negative electrode active material layer and
It is a negative electrode for a fluoride ion battery having
The negative electrode active material contains metal fluoride, and the defluorination reaction potential of the metal fluoride is higher than the reduction decomposition potential of the inert film composed of oxide and fluoride formed on the surface of the negative electrode current collector. It ’s a precious potential,
The constituent material of the negative electrode current collector is aluminum, magnesium, or an alloy thereof.
A negative electrode for a fluoride ion battery, wherein the negative electrode active material layer does not contain a conductive auxiliary agent made of a carbon material.
..
前記金属フッ化物が、Al1−x(Ti)(ここで、0<x≦0.5である)、Ti1−y(Al)(ここで、0≦y≦0.5である)およびCeFからなる群から選択される少なくとも1つを含む、請求項1に記載のフッ化物イオン電池用負極。 The metal fluorides are Al 1-x (Ti) x F 3 (here, 0 <x ≦ 0.5), Ti 1-y (Al) y F 3 (here, 0 ≦ y ≦ 0). a .5) and CeF at least one 3 is selected from the group consisting of negative electrode for fluoride ion battery according to claim 1. 前記金属フッ化物が、Al1−x(Ti)(ここで、0<x≦0.5である)を含む、請求項2に記載のフッ化物イオン電池用負極。 The negative electrode for a fluoride ion battery according to claim 2, wherein the metal fluoride contains Al 1-x (Ti) x F 3 (here, 0 <x ≦ 0.5). 前記負極集電体が空孔を有する導電性多孔体から構成され、前記空孔に前記負極活物質が担持されてなる、請求項1〜3のいずれか1項に記載のフッ化物イオン電池用負極。 The fluoride ion battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the negative electrode current collector is composed of a conductive porous body having pores, and the negative electrode active material is supported in the pores. Negative electrode. 前記負極集電体を構成する前記導電性多孔体が発泡アルミニウムからなる、請求項4に記載のフッ化物イオン電池用負極。 The negative electrode for a fluoride ion battery according to claim 4, wherein the conductive porous body constituting the negative electrode current collector is made of foamed aluminum. 正極と、
負極と、
前記正極および前記負極の間に配置された、電解質を含む電解質層と、
を有するフッ化物イオン電池であって、
前記負極が請求項1〜5のいずれか1項に記載のフッ化物イオン電池用負極である、フッ化物イオン電池。
With the positive electrode
With the negative electrode
An electrolyte layer containing an electrolyte, which is arranged between the positive electrode and the negative electrode,
It is a fluoride ion battery having
A fluoride ion battery in which the negative electrode is the negative electrode for a fluoride ion battery according to any one of claims 1 to 5.
前記電解質が、α位水素を有するエステル系もしくはラクトン系の単独もしくは混合有機溶媒と、アルカリ金属カチオンおよびフッ化物イオンを有するアルカリ金属フッ化物と、を含有する有機電解液である、請求項6に記載のフッ化物イオン電池。 According to claim 6, the electrolyte is an organic electrolytic solution containing an ester-based or lactone-based single or mixed organic solvent having α-hydrogen and an alkali metal fluoride having an alkali metal cation and a fluoride ion. The fluoride ion battery of the description. 前記電解質が、ホウ素を含む化合物を添加剤として含む、請求項6または7に記載のフッ化物イオン電池。 The fluoride ion battery according to claim 6 or 7, wherein the electrolyte contains a compound containing boron as an additive. 前記ホウ素を含む化合物が、ボロキシン構造を1つ有する化合物を含む、請求項8に記載のフッ化物イオン電池。 The fluoride ion battery according to claim 8, wherein the boron-containing compound contains a compound having one booxine structure. 前記電解質における前記ホウ素を含む化合物の濃度が0.5M以下である、請求項8または9に記載のフッ化物イオン電池。 The fluoride ion battery according to claim 8 or 9, wherein the concentration of the boron-containing compound in the electrolyte is 0.5 M or less.
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