JP2022128927A - Electrolyte solution for fluorine battery, and fluorine battery - Google Patents

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Toru Shiga
真也 森部
Masaya Moribe
律子 八百川
Ritsuko Yaokawa
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Abstract

To provide a novel electrolyte solution for a fluorine battery, which allows a fluorine ion to react with an electrode, and a fluorine battery.SOLUTION: An electrolyte solution for a fluorine battery comprises: a fluorine-containing supporting electrolyte; and a solvent, dissolving the supporting electrolyte, and containing an asymmetric type fluorine-containing chain ether having a linear first carbon chain group and a linear second carbon chain group different from the first carbon chain group, and including one or more fluorine atoms in the first carbon chain group or the second carbon chain group.SELECTED DRAWING: None

Description

本明細書では、フッ素電池用電解液及びフッ素電池を開示する。 Disclosed herein are fluorine battery electrolytes and fluorine batteries.

従来、フッ素電池としては、例えば、正極および前記負極の少なくとも一方に金属イオン含有フッ化物を活物質として含み、電解液に含まれるアニオンレセプターが、金属イオン含有フッ化物のフッ化物イオンと塩または錯体を形成することにより、金属イオン含有フッ化物が電解液に溶解可能であるものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。この電池では、放電時の電圧と充電時の電圧の差が小さくてエネルギー効率が良く、かつ、充放電寿命が長い二次電池を提供することができるとしている。 Conventionally, as a fluorine battery, for example, at least one of the positive electrode and the negative electrode contains a metal ion-containing fluoride as an active material, and the anion receptor contained in the electrolyte is a fluoride ion and a salt or complex of the metal ion-containing fluoride. It has been proposed that a metal ion-containing fluoride can be dissolved in an electrolytic solution by forming a (see, for example, Patent Document 1). This battery is described as being able to provide a secondary battery that has a small difference between the voltage during discharge and the voltage during charge, has good energy efficiency, and has a long charge/discharge life.

特開2015-125934号公報JP 2015-125934 A

しかしながら、上述した特許文献1に記載の二次電池では、電解液の溶媒としてリチウム電池に用いる環状および鎖状カーボネートを用いているが、充電反応において、金属フッ化物が正極上に生成しないものであった。フッ素電池において、充電時には正極上に金属フッ化物が生成し、放電時には正極上の金属フッ化物が分解してフッ素イオンを電解液中に放出することによって充放電するものがある。このような充放電を行うフッ素電池は、エネルギー密度の観点から好ましく、金属フッ化物を電極に生成するような部材が求められていた。 However, in the secondary battery described in Patent Document 1 described above, cyclic and chain carbonates used in lithium batteries are used as the solvent for the electrolyte, but metal fluorides are not generated on the positive electrode in the charging reaction. there were. In some fluorine batteries, metal fluorides are generated on the positive electrode during charging, and the metal fluorides on the positive electrode are decomposed during discharging to release fluorine ions into the electrolyte, thereby charging and discharging. Fluorine batteries that perform such charging and discharging are preferable from the viewpoint of energy density, and there has been a demand for members that generate metal fluorides on the electrodes.

本開示は、このような課題に鑑みなされたものであり、フッ素イオンと電極とが反応することができる新規なフッ素電池用電解液及びフッ素電池を提供することを主目的とする。 The present disclosure has been made in view of such problems, and a main object thereof is to provide a novel fluorine battery electrolyte solution and a fluorine battery in which fluorine ions and electrodes can react.

上述した目的を達成するために鋭意研究したところ、本発明者らは、フッ素電池において、左右非対称なフッ素含有鎖状エーテルを電解液の溶媒に用いると、充電時に金属表面にこの金属のフッ化物を生成できることを見いだし、本明細書で開示する発明を完成するに至った。 As a result of intensive research to achieve the above-mentioned object, the present inventors found that in a fluorine battery, when a bilaterally asymmetric fluorine-containing chain ether is used as a solvent for the electrolyte, a fluoride of this metal is formed on the metal surface during charging. and completed the invention disclosed herein.

即ち、本明細書で開示するフッ素電池用電解液は、
フッ素を含む支持塩と、
前記支持塩を溶解し、鎖状の第1炭素鎖基と前記第1炭素鎖基とは異なる鎖状の第2炭素鎖基とを有し該第1炭素鎖基及び該第2炭素鎖基のうちいずれかにフッ素を1以上含む非対称型フッ素含有鎖状エーテルを含む溶媒と、
を有するものである。
That is, the fluorine battery electrolyte disclosed herein is
a supporting salt containing fluorine;
Dissolving the supporting salt, having a chain-like first carbon chain group and a chain-like second carbon chain group different from the first chain carbon chain group, the first carbon chain group and the second chain carbon chain group A solvent containing an asymmetric fluorine-containing linear ether containing one or more fluorines in any one of
It has

本明細書で開示するフッ素電池は、
金属フッ化物を形成する金属を正極活物質として有する正極と、
負極と、
前記正極と前記負極との間に介在する、請求項1~5のいずれか1項に記載のフッ素電池用電解液と、
を備えたものである。
The fluorine battery disclosed herein is
a positive electrode having a metal that forms a metal fluoride as a positive electrode active material;
a negative electrode;
The fluorine battery electrolyte solution according to any one of claims 1 to 5, interposed between the positive electrode and the negative electrode;
is provided.

本開示は、フッ素イオンと電極とが反応することができる新規なフッ素電池用電解液及びフッ素電池を提供することができる。このような効果が得られる理由は、例えば、以下のように推察される。フッ素電池の電解液の溶媒に、非対称型フッ素含有鎖状エーテルを用いると、フッ素イオンとエーテル溶媒中の酸素原子との相互作用に基づく安定化と、金属界面でのフッ素物生成の促進があり、充電時に金属表面にこの金属のフッ化物を生成できるものと推察される。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present disclosure can provide a novel fluorine battery electrolyte and a fluorine battery in which fluorine ions and electrodes can react. The reason why such an effect is obtained is presumed as follows, for example. When an asymmetric fluorine-containing linear ether is used as a solvent for the electrolyte of a fluorine battery, the interaction between the fluorine ion and the oxygen atom in the ether solvent stabilizes the fluorine ion and promotes the formation of fluorine compounds at the metal interface. , it is presumed that this metal fluoride can be generated on the metal surface during charging.

フッ素電池10の一例を示す模式図。1 is a schematic diagram showing an example of a fluorine battery 10; FIG. フッ素電池の一例を示す説明図。Explanatory drawing which shows an example of a fluorine battery. 実験例1の正極のXRDスペクトル。XRD spectrum of the positive electrode of Experimental Example 1. 実験例1の充放電曲線。3 is a charge/discharge curve of Experimental Example 1. FIG. 実験例2の正極のXRDスペクトル。XRD spectrum of the positive electrode of Experimental Example 2. 実験例2の充放電曲線。The charge-discharge curve of Experimental Example 2. 実験例3の正極のXRDスペクトル。XRD spectrum of the positive electrode of Experimental Example 3. 実験例4の正極のXRDスペクトル。XRD spectrum of the positive electrode of Experimental Example 4. 実験例5の正極のXRDスペクトル。XRD spectrum of the positive electrode of Experimental Example 5. 実験例6の正極のXRDスペクトル。XRD spectrum of the positive electrode of Experimental Example 6. 実験例7の正極のXRDスペクトル。XRD spectrum of the positive electrode of Experimental Example 7. 実験例8の正極のXRDスペクトル。XRD spectrum of the positive electrode of Experimental Example 8. 実験例8の充放電曲線。The charge-discharge curve of Experimental Example 8. 実験例9の正極のXRDスペクトル。XRD spectrum of the positive electrode of Experimental Example 9. 実験例9の充放電曲線。The charge-discharge curve of Experimental Example 9. 実験例10の正極のXRDスペクトル。XRD spectrum of the positive electrode of Experimental Example 10. 実験例10の充放電曲線。The charge-discharge curve of Experimental Example 10. 実験例11の正極のXRDスペクトル。XRD spectrum of the positive electrode of Experimental Example 11. 実験例11の充放電曲線。A charge-discharge curve of Experimental Example 11. FIG. 実験例12の正極のXRDスペクトル。XRD spectrum of the positive electrode of Experimental Example 12.

(フッ素電池用電解液)
本開示のフッ素電池用電解液は、フッ素を用いたフッ素電池に用いられる電解液である。このフッ素電池用電解液は、支持塩と溶媒とを含む。支持塩は、フッ素を含む。また、溶媒は、支持塩を溶解する液体である。
(Electrolyte for fluorine batteries)
The fluorine battery electrolyte of the present disclosure is an electrolyte used in a fluorine battery using fluorine. This fluorine battery electrolyte contains a supporting salt and a solvent. The supporting salt contains fluorine. Also, the solvent is a liquid that dissolves the supporting salt.

(溶媒)
本開示の溶媒は、鎖状の第1炭素鎖基と、第1炭素鎖基とは異なる鎖状の第2炭素鎖基とを有し、この第1炭素鎖基及び第2炭素鎖基のうちいずれかにフッ素を1以上含む非対称型フッ素含有鎖状エーテルを含むものである。第1炭素鎖基は、炭素鎖を有するものとすればよいが、例えば、アルキル基が挙げられる。アルキル基としては、例えば、直鎖としてもよいし、分岐鎖を有してもよい。第1炭素鎖基は、例えば、フッ素電池の利用温度範囲において非対称型フッ素含有鎖状エーテルが液状であるものとすればよく、炭素数が8以下が好ましく、4以下がより好ましい。第1炭素鎖基は、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基などが挙げられる。第1炭素鎖基は、フッ素を1以上有するものとしてもよいし、第2炭素鎖基がフッ素を1以上有する場合は、フッ素を含まないものとしてもよい。第1炭素鎖基は、置換基としてフルオロ基を有する。第1炭素鎖基は、フルオロ基が任意の位置に任意の数含むものとしてもよい。
(solvent)
The solvent of the present disclosure has a chain-shaped first carbon chain group and a chain-shaped second carbon chain group different from the first carbon chain group, and the first carbon chain group and the second carbon chain group Any one of them contains an asymmetric fluorine-containing chain ether containing one or more fluorine atoms. The first carbon chain group may have a carbon chain, and examples thereof include alkyl groups. The alkyl group, for example, may be linear or branched. The first carbon chain group may be, for example, an asymmetric fluorine-containing chain ether that is liquid within the temperature range of the fluorine battery, and preferably has 8 or less carbon atoms, more preferably 4 or less carbon atoms. Examples of the first carbon chain group include methyl group, ethyl group, propyl group, butyl group and the like. The first carbon chain group may contain one or more fluorine atoms, or may be fluorine-free when the second carbon chain group contains one or more fluorine atoms. The first carbon chain group has a fluoro group as a substituent. The first carbon chain group may contain any number of fluoro groups at any position.

第2炭素鎖基は、第1炭素鎖基とは異なるものである。この第2炭素鎖基は、第1炭素鎖基に対し、フッ素及び水素のうちいずれかの位置、炭素数、及びフッ素数、のうち1以上が異なるものとしてもよい。第2炭素鎖基は、第1炭素鎖基に対して同じ炭素数としてもよいし、同じフッ素数としてもよいが、この場合、フッ素の置換位置が異なるものとすればよい。第2炭素鎖基は、炭素鎖を有するものとすればよいが、例えば、アルキル基が挙げられる。アルキル基としては、例えば、直鎖としてもよいし、分岐鎖を有してもよい。第2炭素鎖基は、例えば、フッ素電池の利用温度範囲において非対称型フッ素含有鎖状エーテルが液状であるものとすればよく、炭素数が8以下が好ましく、4以下がより好ましい。第2炭素鎖基は、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基などが挙げられる。第2炭素鎖基は、フッ素を1以上有するものとしてもよいし、第1炭素鎖基がフッ素を1以上有する場合は、フッ素を含まないものとしてもよい。第2炭素鎖基は、フルオロ基が任意の位置に任意の数含むものとしてもよい。 The second carbon chain group is different from the first carbon chain group. The second carbon chain group may differ from the first carbon chain group in one or more of the positions of fluorine and hydrogen, the number of carbon atoms, and the number of fluorine atoms. The second carbon chain group may have the same number of carbon atoms or the same number of fluorine atoms as the first carbon chain group, but in this case, the substitution position of fluorine may be different. The second carbon chain group may have a carbon chain, such as an alkyl group. The alkyl group, for example, may be linear or branched. The second carbon chain group may be, for example, an asymmetric fluorine-containing chain ether that is liquid within the temperature range of the fluorine battery, and preferably has 8 or less carbon atoms, more preferably 4 or less carbon atoms. Examples of the second carbon chain group include methyl group, ethyl group, propyl group, butyl group and the like. The second carbon chain group may contain one or more fluorines, or may not contain fluorine when the first carbon chain group contains one or more fluorines. The second carbon chain group may contain any number of fluoro groups at any position.

本開示の溶媒は、次式(1)に示す非対称型フッ素含有鎖状エーテルであるものとしてもよい。この非対称型フッ素含有鎖状エーテルにおいて、Cn2n+1-xx基が第1炭素鎖基であり、Cm2m+1-yy基が第2炭素鎖基であるものとしてもよいし、その反対でもよい。式(1)において、Cn2n+1-xx基とCm2m+1-yy基とが異なるものとすればよい。また、n≦4、m≦4を満たすものとしてもよい。また、1≦xのとき0≦yとしてもよいし、0≦xのとき1≦yとしてもよい。また、n<mとしてもよいし、n>mとしてもよい。また、n=mであるときには、xとyとが異なるものとしてもよいし、n=m且つx=yであるときには、フルオロ基(-F)の置換位置が異なるものとすればよい。このような、非対称型フッ素含有鎖状エーテルとしては、例えば、式(2)~(4)のエーテル化合物が挙げられる。このエーテル化合物は、例えば、テトラフルオロエチルトリフルオロエチルエーテル(TFTrFEE)、メトキシパーフルオロブタン(MePFB)及びエチルノナフルオロブチルエーテル(ENFBE)のうち1以上が挙げられる。 The solvent of the present disclosure may be an asymmetric fluorine-containing chain ether represented by the following formula (1). In this asymmetric fluorine-containing chain ether, the C n H 2n+1-x F x group is the first carbon chain group and the C m H 2m+1-y F y group is the second carbon chain group. or vice versa. In formula (1), the C n H 2n+1-x F x group and the C m H 2m+1-y F y group may be different. Also, it may satisfy n≦4 and m≦4. Further, when 1≤x, 0≤y may be set, and when 0≤x, 1≤y may be set. Alternatively, n<m or n>m may be used. Also, when n=m, x and y may be different, and when n=m and x=y, the substitution position of the fluoro group (-F) may be different. Examples of such asymmetric fluorine-containing chain ethers include ether compounds represented by formulas (2) to (4). This ether compound includes, for example, one or more of tetrafluoroethyltrifluoroethyl ether (TFTrFEE), methoxyperfluorobutane (MePFB), and ethyl nonafluorobutyl ether (ENFBE).

Figure 2022128927000001
Figure 2022128927000001

Figure 2022128927000002
Figure 2022128927000002

この溶媒には、非対称型フッ素含有鎖状エーテルのほかに、他の添加化合物を含むものとしてもよい。この溶媒は、例えば、添加化合物としてエーテル化合物を含むものとしてもよい。このエーテル化合物としては、例えば、対称型炭化水素鎖状エーテルや対称型フッ素含有鎖状エーテル、環状エーテルやフッ素含有環状エーテルなどが挙げられる。このエーテル化合物としては、例えば、式(5)~(8)のエーテル化合物が挙げられる。このエーテル化合物としては、例えば、ビス(トリフルオロエチルエチル)エーテル(BTFE)、プロピレンカーボネート(PC)、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、テトラグライム(TGym:G4)、トリグライム、ジグライムなどが挙げられる。この溶媒は、例えば、非対称型フッ素含有鎖状エーテルに対するモル比で1/100以上1/2以下の範囲で添加化合物を含むものとしてもよい。 This solvent may contain other additive compounds in addition to the asymmetric fluorine-containing chain ether. This solvent may, for example, contain an ether compound as an additive compound. Examples of the ether compound include symmetric hydrocarbon chain ethers, symmetric fluorine-containing chain ethers, cyclic ethers, and fluorine-containing cyclic ethers. This ether compound includes, for example, ether compounds represented by formulas (5) to (8). Examples of the ether compound include bis(trifluoroethylethyl) ether (BTFE), propylene carbonate (PC), fluoroethylene carbonate (FEC), tetraglyme (TGym: G4), triglyme, diglyme, and the like. This solvent may contain, for example, an additive compound in a molar ratio of 1/100 or more to 1/2 or less with respect to the asymmetric fluorine-containing linear ether.

Figure 2022128927000003
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支持塩は、例えば、フッ素電池の利用温度域で上記溶媒に溶解し、フッ素イオンを含む化合物が挙げられ、例えば、アルキルアンモニウムフッ化物塩などが好ましい。アルキルアンモニウムイオンは、負極に吸着することによって、キャリアとして利用できる。この支持塩は、例えば、式(9)に示すアルキルアンモニウムフッ化物塩としてもよい。式(9)において、R1~R4は、炭化水素基であり、それぞれ2以上が同じであってもよいし、それぞれが異なるものとしてもよい。この炭化水素基は、例えば、直鎖あるいは分岐鎖を有する鎖状のアルキル基としてもよい。この炭化水素基は、炭素数が6以下としてもよいし、炭素数が4以下としてもよいし、置換基を有してもよい。置換基としては、例えば、アルキル基やフルオロ基などが挙げられる。この支持塩は、テトラメチルアンモニウムフルオリド、テトラエチルアンモニウムフルオリド、テトラプロピルアンモニウムフルオリド、テトラブチルアンモニウムフルオリド、などが挙げられる。このうち、例えば、式(10)に示すテトラエチルアンモニウムフルオリド(TEAF)が好ましい。 The supporting salt is, for example, a compound that dissolves in the above solvent in the temperature range of use of the fluorine battery and contains fluorine ions. For example, an alkylammonium fluoride salt is preferable. Alkyl ammonium ions can be used as carriers by being adsorbed on the negative electrode. This supporting salt may be, for example, an alkylammonium fluoride salt represented by formula (9). In formula (9), R1 to R4 are hydrocarbon groups, and two or more of each may be the same or may be different. This hydrocarbon group may be, for example, a linear or branched chain alkyl group. The hydrocarbon group may have 6 or less carbon atoms, 4 or less carbon atoms, or may have a substituent. Examples of substituents include alkyl groups and fluoro groups. The supporting salts include tetramethylammonium fluoride, tetraethylammonium fluoride, tetrapropylammonium fluoride, tetrabutylammonium fluoride, and the like. Among these, for example, tetraethylammonium fluoride (TEAF) represented by formula (10) is preferable.

Figure 2022128927000004
Figure 2022128927000004

Figure 2022128927000005
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(フッ素電池)
本開示のフッ素電池は、正極と、負極と、正極と負極との間に介在する上述したフッ素電池用電解液と、を備えるものとしてもよい。フッ素電池用電解液は、上述した支持塩と溶媒とを含むものであり、その詳細な説明を省略する。
(fluorine battery)
The fluorine battery of the present disclosure may include a positive electrode, a negative electrode, and the above-described fluorine battery electrolyte interposed between the positive electrode and the negative electrode. The fluorine battery electrolyte contains the above-described supporting salt and solvent, and detailed description thereof will be omitted.

正極は、例えば、金属フッ化物を形成する金属を正極活物質として有するものとしてもよい。また、正極は、正極集電体と、正極集電体に形成された正極活物質とを備えるものとしてもよい。正極活物質としては、例えば、Au、Pt、S、Ag、Fe、Co、Ni、Cu、Cr、Mo、W、V、Sb、Bi、Sn、In、Ce及びPbのうち1以上の元素を含むものとしてもよい。この正極活物質は、例えば、Sn、In、Ce及びPbのうち1以上の金属及びその合金であるものとしてもよい。この正極活物質は、例えば、上記1以上の元素を含むフッ化物を含むものとしてもよい。この正極活物質は、例えば、金属箔や合金箔により形成されていてもよいし、金属粉末や合金粉末を含んだ圧粉体でもよいし、蒸着法により形成されているものとしてもよい。正極集電体は、導電体であり、正極活物質に対して酸化還元電位が貴であれば特に限定されず、例えば、C、Au、Pt、Ag、Co、Mo、Cu、W、V、Sb、Bi、Sn、Ni、Pb、Fe、Cr、Zn、In、Ti、Ga、Mn、Al及びZrのうち1以上を含むものとしてもよい。また、正極集電体は、正極活物質上に層状に形成されているものとしてもよい。正極集電体や正極活物質は、例えば、金属箔又は合金箔としてもよく、これらを加圧貼付したものとしてもよいし、正極活物質及び正極集電体のいずれかが他方に蒸着法で形成されているものとしてもよい。 The positive electrode may have, for example, a metal that forms a metal fluoride as a positive electrode active material. Also, the positive electrode may include a positive electrode current collector and a positive electrode active material formed on the positive electrode current collector. As the positive electrode active material, for example, one or more elements selected from Au, Pt, S, Ag, Fe, Co, Ni, Cu, Cr, Mo, W, V, Sb, Bi, Sn, In, Ce and Pb are used. may be included. This positive electrode active material may be, for example, one or more metals selected from Sn, In, Ce, and Pb, and alloys thereof. This positive electrode active material may contain, for example, a fluoride containing one or more of the above elements. For example, the positive electrode active material may be formed of metal foil or alloy foil, may be a green compact containing metal powder or alloy powder, or may be formed by vapor deposition. The positive electrode current collector is a conductor, and is not particularly limited as long as it has a noble oxidation-reduction potential with respect to the positive electrode active material. One or more of Sb, Bi, Sn, Ni, Pb, Fe, Cr, Zn, In, Ti, Ga, Mn, Al and Zr may be included. Also, the positive electrode current collector may be formed in a layer on the positive electrode active material. The positive electrode current collector and the positive electrode active material may be, for example, metal foils or alloy foils, which may be applied under pressure, or one of the positive electrode active material and the positive electrode current collector may be deposited on the other by a vapor deposition method. It is good also as what is formed.

負極は、キャリアイオンを吸蔵放出するものが好ましく、キャパシタのようにキャリアイオンを吸着、吸着解除するものとしてもよいし、イオン二次電池のようにキャリアイオンを挿入、脱離するものとしてもよい。負極をキャパシタの構成にする場合は、キャリアイオンを吸着可能なものであれば特に限定されず、例えば、貴金属板としてもよい。負極は、例えば、Pt、Au、Agなどのうち1以上としてもよい。負極は、負極集電体と、負極集電体に形成された負極活物質とを備えるものとしてもよい。負極集電体は、上述した正極集電体と同様のものを用いることができる。 The negative electrode preferably absorbs and releases carrier ions, and may be one that adsorbs and releases carrier ions like a capacitor, or one that inserts and desorbs carrier ions like an ion secondary battery. . When the negative electrode is configured as a capacitor, it is not particularly limited as long as it can adsorb carrier ions. For example, it may be a noble metal plate. The negative electrode may be made of, for example, one or more of Pt, Au, Ag, and the like. The negative electrode may include a negative electrode current collector and a negative electrode active material formed on the negative electrode current collector. As the negative electrode current collector, the same one as the positive electrode current collector described above can be used.

本開示のフッ素電池は、負極と正極との間にセパレータを備えていてもよい。このセパレータは、正極と負極との直接的な接触を防ぐ部材であり、フッ素電池用電解液を通過するものである。セパレータとしては、フッ素電池の使用範囲に耐えうる組成であれば特に限定されないが、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薄い微多孔体が挙げられる。あるいは、濾紙をセパレータとして用いてもよい。これらは単独で用いてもよいし、複数を混合して用いてもよい。 A fluorine battery of the present disclosure may include a separator between the negative electrode and the positive electrode. This separator is a member that prevents direct contact between the positive electrode and the negative electrode, and allows the fluorine battery electrolyte to pass therethrough. The separator is not particularly limited as long as it has a composition that can withstand the range of use of the fluorine battery. are mentioned. Alternatively, filter paper may be used as a separator. These may be used alone, or may be used in combination.

フッ素電池の形状は、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。図1は、フッ素電池10の一例を示す模式図である。このフッ化物イオン電池10は、正極17と、負極18と、フッ素電池用電解液16とを備えている。正極17は、正極集電体11と、正極集電体11上に形成された正極活物質12とを有している。負極18は、負極集電体14と、負極集電体14上に形成された負極活物質15とを有している。また、正極17と負極18との間にはセパレータ19が配設されている。フッ素電池用電解液16は、正極17と負極18との間に介在している。そして、フッ素電池用電解液16には、支持塩と、上述した非対称型フッ素含有鎖状エーテルを含む溶媒とが含まれている。 The shape of the fluorine battery is not particularly limited, and examples thereof include coin type, button type, sheet type, laminated type, cylindrical type, flat type, rectangular type, and the like. FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a fluorine battery 10. As shown in FIG. This fluoride ion battery 10 includes a positive electrode 17, a negative electrode 18, and an electrolyte solution 16 for a fluorine battery. The positive electrode 17 has a positive electrode current collector 11 and a positive electrode active material 12 formed on the positive electrode current collector 11 . The negative electrode 18 has a negative electrode current collector 14 and a negative electrode active material 15 formed on the negative electrode current collector 14 . A separator 19 is arranged between the positive electrode 17 and the negative electrode 18 . The fluorine battery electrolyte 16 is interposed between the positive electrode 17 and the negative electrode 18 . The fluorine battery electrolyte 16 contains a supporting salt and a solvent containing the asymmetric fluorine-containing chain ether described above.

フッ素電池の具体例を説明する。図2は、フッ素電池の一例を示す説明図である。このフッ素電池では、正極をSn、負極をPtとし、フッ素電池用電解液として、支持塩をTEAF、溶媒を非対称型フッ素含有鎖状エーテルとする。このフッ素電池では、SnとF-とが金属フッ化物であるSnF2を生成し、カチオンが負極に吸着することによって充電し、カチオンが電解液中に放出されると共に金属フッ化物が分解して放電する。このフッ素電池では、標準水素電極(SHE)に対して-0.1375Vの起電力を示す。 A specific example of a fluorine battery will be described. FIG. 2 is an explanatory diagram showing an example of a fluorine battery. In this fluorine battery, the positive electrode is Sn, the negative electrode is Pt, the electrolyte for the fluorine battery is TEAF as a supporting salt, and the asymmetric fluorine-containing chain ether is used as a solvent. In this fluorine battery, Sn and F generate SnF2, which is a metal fluoride, and cations are adsorbed on the negative electrode to charge the battery, and as the cations are released into the electrolyte, the metal fluoride is decomposed to discharge. do. This fluorine battery exhibits an electromotive force of -0.1375 V with respect to a standard hydrogen electrode (SHE).

以上詳述したフッ素電池用電解液及びフッ素電池では、フッ素イオンと電極とが反応することができる新規なフッ素電池用電解液及びフッ素電池を提供することができる。このような効果が得られる理由は、例えば、以下のように推察される。例えば、電解液の溶媒に、左右の基が同じである対称型鎖状エーテルや、環状エーテルを用いても、正極には金属フッ化物が生成しない。一方、フッ素電池の電解液の溶媒に、非対称型フッ素含有鎖状エーテルを用いると、フッ素イオンとエーテル溶媒中の酸素原子との相互作用に基づく安定化と、金属界面でのフッ素物生成の促進があり、充電時に金属表面にこの金属のフッ化物を生成できるものと推察される。 With the fluorine battery electrolyte and the fluorine battery described in detail above, it is possible to provide a novel fluorine battery electrolyte and a fluorine battery in which fluorine ions and electrodes can react. The reason why such an effect is obtained is presumed as follows, for example. For example, even if a symmetric chain ether having the same left and right groups or a cyclic ether is used as the solvent for the electrolytic solution, no metal fluoride is produced at the positive electrode. On the other hand, when an asymmetric fluorine-containing chain ether is used as a solvent for the electrolyte of a fluorine battery, the interaction between fluorine ions and oxygen atoms in the ether solvent stabilizes the solution and promotes the formation of fluorine compounds at the metal interface. It is speculated that this metal fluoride can be generated on the metal surface during charging.

なお、本開示は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。 It goes without saying that the present disclosure is not limited to the above-described embodiments, and can be implemented in various forms as long as they fall within the technical scope of the present disclosure.

以下には、本明細書で開示する電解液を具体的に作製した例を実験例として説明する。なお、実験例1、3~6、8~10が実施例に該当し、実験例2、7、11、12が比較例に該当する。 An example in which the electrolytic solution disclosed in the present specification was specifically prepared will be described below as an experimental example. Experimental Examples 1, 3 to 6, and 8 to 10 correspond to Examples, and Experimental Examples 2, 7, 11, and 12 correspond to Comparative Examples.

[実験例1]
テトラエチルアンモニウムフルオライド(TEAF、アルドリッチ製)をテトラフルオロエチルトリフルオロエチルエーテル(TFTrFEE、東京化成)をモル比で1:36の割合で混合してフッ素電池電解液を調製した。この電解液と、厚さ0.1mmの錫円板(Sn、直径18mm、ニラコ製)と厚さ0.05mmの白金円板(Pt、直径14mm、ニラコ製)、厚さ0.25mmの濾紙(直径18mm、アドバンテック製5C)からなる加圧型コインセルを作製した。北斗電工製の充放電装置を用いて、Sn極を正極、Pt極を負極として0.01mAの電流で2時間充電し、その後0.005mAの電流で-0.6Vまで放電し、これを2回繰り返した。続いて、0.01mAの電流で6~10時間充電した後、コインセルからSn電極を取り出し、洗浄後、Sn電極のXRD測定(リガク製Ultimate、掃引速度10℃/分、X線源CuKα)を実施して、SnF2の生成の有無を市販のSnF2粉のXRDスペクトルと比較することで確認した。図3は、実験例1の正極のXRDスペクトルである。図4は、実験例1の充放電曲線である。図3の※印がSnF2由来のシグナルであり、左右非対称の鎖状エーテル溶媒を用いると、Sn電極表面にSnF2が生成することを確認した。
[Experimental example 1]
Tetraethylammonium fluoride (TEAF, manufactured by Aldrich) and tetrafluoroethyltrifluoroethyl ether (TFTrFEE, Tokyo Kasei) were mixed at a molar ratio of 1:36 to prepare a fluorine battery electrolyte. This electrolytic solution, a 0.1 mm thick tin disc (Sn, 18 mm in diameter, manufactured by Nilaco), a 0.05 mm thick platinum disc (Pt, 14 mm in diameter, manufactured by Nilaco), and a 0.25 mm thick filter paper. (18 mm in diameter, 5C manufactured by Advantech) was produced. Using a Hokuto Denko charge/discharge device, the Sn electrode is the positive electrode and the Pt electrode is the negative electrode, and the battery is charged at a current of 0.01 mA for 2 hours, and then discharged at a current of 0.005 mA to −0.6 V. repeated times. Subsequently, after charging with a current of 0.01 mA for 6 to 10 hours, the Sn electrode was taken out from the coin cell, and after washing, the XRD measurement of the Sn electrode (Rigaku Ultimate, sweep rate 10 ° C./min, X-ray source CuKα) was performed. The presence or absence of SnF 2 formation was confirmed by comparison with the XRD spectrum of commercially available SnF 2 powder. 3 is an XRD spectrum of the positive electrode of Experimental Example 1. FIG. 4 is a charge/discharge curve of Experimental Example 1. FIG. The * mark in FIG. 3 is a signal derived from SnF 2 , and it was confirmed that SnF 2 was generated on the Sn electrode surface when a bilaterally asymmetric chain ether solvent was used.

(実験例2)
実験例1のテトラフルオロエチルトリフルオロエチルエーテルの代わりに、ビス(トリフルオロエチル)エーテル(BTFE、アルドリッチ製)を用いた以外は実験例1と同じものを実験例2とした。TEAF:BTFEのモル比は1:23とした。図5は、実験例2の正極のXRDスペクトルである。図6は、実験例2の充放電曲線である。図5に示すように、左右対称の鎖状エーテル溶媒である実験例2では、SnF2由来のシグナルを検出できなかった。
(Experimental example 2)
Experimental Example 2 was the same as Experimental Example 1, except that bis(trifluoroethyl)ether (BTFE, manufactured by Aldrich) was used instead of tetrafluoroethyltrifluoroethyl ether in Experimental Example 1. The TEAF:BTFE molar ratio was 1:23. 5 is an XRD spectrum of the positive electrode of Experimental Example 2. FIG. 6 is a charge/discharge curve of Experimental Example 2. FIG. As shown in FIG. 5, in Experimental Example 2, which is a symmetrical linear ether solvent, no signal derived from SnF 2 was detected.

(実験例3)
実験例1の電解液に、フルオロエチレンカーボネート(FEC、キシダ化学)を微量添加した以外は実験例1と同じものを実験例3とした。TEAF:FEC:TFTrFEETEAF:FEC:TFTrFEEのモル比は1:1:15とした。図7は、実験例3の正極のXRDスペクトルである。図中の※印がSnF2由来のシグナルであり、左右非対称の鎖状エーテル溶媒を含む実験例3においても、Sn電極表面にSnF2の生成を確認した。
(Experimental example 3)
Experimental Example 3 was the same as Experimental Example 1 except that a small amount of fluoroethylene carbonate (FEC, Kishida Chemical Co., Ltd.) was added to the electrolytic solution of Experimental Example 1. The molar ratio of TEAF:FEC:TFTrFEETEAF:FEC:TFTrFEE was 1:1:15. 7 is an XRD spectrum of the positive electrode of Experimental Example 3. FIG. The * mark in the figure is a signal derived from SnF 2 , and it was confirmed that SnF 2 was formed on the Sn electrode surface also in Experimental Example 3 containing a bilaterally asymmetric chain ether solvent.

(実験例4)
実験例3のテトラフルオロエチルトリフルオロエチルエーテルの代わりに、メトキシパーフルオロブタン(MePFB、アルドリッチ製)を用いた以外は実験例3と同じものを実験例4とした。TEAF:FEC:MePFBのモル比は1:1:18とした。図8は、実験例4の正極のXRDスペクトルである。図中の※印がSnF2由来のシグナルであり、左右非対称の鎖状エーテル溶媒を含む実験例4においても、Sn電極表面にSnF2の生成を確認した。
(Experimental example 4)
Experimental Example 4 was the same as Experimental Example 3, except that methoxyperfluorobutane (MePFB, manufactured by Aldrich) was used instead of tetrafluoroethyltrifluoroethyl ether in Experimental Example 3. The molar ratio of TEAF:FEC:MePFB was 1:1:18. 8 is an XRD spectrum of the positive electrode of Experimental Example 4. FIG. The * mark in the figure indicates a signal derived from SnF 2 , and it was confirmed that SnF 2 was formed on the Sn electrode surface also in Experimental Example 4 containing a bilaterally asymmetric chain ether solvent.

(実験例5)
実験例3のテトラフルオロエチルトリフルオロエチルエーテルの30%を、ビス(トリフルオロエチル)エーテル(BTFE)で置き換えた以外は実験例3と同じものを実験例5とした。TEAF:FEC:TFTrFEE:BTFEのモル比は1:1:16:8とした。図9は、実験例5の正極のXRDスペクトルである。図中の※印がSnF2由来のシグナルであり、左右非対称の鎖状エーテル溶媒を含む実験例5においても、Sn電極表面にSnF2の生成を確認した。
(Experimental example 5)
Experimental Example 5 was the same as Experimental Example 3, except that 30% of the tetrafluoroethyltrifluoroethyl ether in Experimental Example 3 was replaced with bis(trifluoroethyl)ether (BTFE). The molar ratio of TEAF:FEC:TFTrFEE:BTFE was 1:1:16:8. 9 is an XRD spectrum of the positive electrode of Experimental Example 5. FIG. The * mark in the figure is a signal derived from SnF 2 , and it was confirmed that SnF 2 was formed on the Sn electrode surface also in Experimental Example 5 containing a bilaterally asymmetric chain ether solvent.

(実験例6)
実験例3においてテトラフルオロエチルトリフルオロエチルエーテルの代わりにエチルノアフルオロブチルエーテル(ENFBE、東京化成工業)を用いた以外は実験例3と同じものを実験例6とした。TEAF:FEC:ENFBEのモル比は1:1:15とした。図10は、実験例6の正極のXRDスペクトルである。図中の※印がSnF2由来のシグナルであり、左右非対称の鎖状エーテル溶媒を含む実験例6においても、Sn電極表面にSnF2の生成を確認した。
(Experimental example 6)
Experimental example 6 was the same as experimental example 3, except that ethylnoafluorobutyl ether (ENFBE, Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) was used instead of tetrafluoroethyltrifluoroethyl ether. The molar ratio of TEAF:FEC:ENFBE was 1:1:15. 10 is the XRD spectrum of the positive electrode of Experimental Example 6. FIG. The * mark in the figure indicates a signal derived from SnF 2 , and the generation of SnF 2 on the Sn electrode surface was also confirmed in Experimental Example 6 containing a bilaterally asymmetric chain ether solvent.

(実験例7)
実験例1のテトラフルオロエチルトリフルオロエチルエーテルの代わりに、フルオロエチレンカーボネート(FEC)を用いた以外は実験例1と同じものを実験例7とした。TEAF:FECのモル比は1:24とした。図11は、実験例7の正極のXRDスペクトルである。この実験例7では、SnF2由来のシグナルを検出できなかった。
(Experimental example 7)
Experimental Example 7 was the same as Experimental Example 1 except that fluoroethylene carbonate (FEC) was used in place of tetrafluoroethyltrifluoroethyl ether in Experimental Example 1. The TEAF:FEC molar ratio was 1:24. 11 is the XRD spectrum of the positive electrode of Experimental Example 7. FIG. In Experimental Example 7, no signal derived from SnF 2 was detected.

(実験例8:In電極の場合)
実験例3において、錫Snの代わりにインジウムIn(ニラコ製)を用いた以外は実験例3と同じものを実験例8とした。In極を正極、Pt極を負極として0.01mAの電流で2時間充電し、その後0.005mAの電流で-0.6Vまで放電し、続いて、0.01mAの電流で4時間充電した。図12は、実験例8の正極のXRDスペクトルである。図13は、実験例8の充放電曲線である。図中の※印がInF3由来のシグナルであり、In電極表面にInF3の生成を確認した。
(Experimental Example 8: In case of In electrode)
Experimental Example 8 was the same as Experimental Example 3 except that indium In (manufactured by The Nilaco Corporation) was used instead of tin Sn. With the In electrode as the positive electrode and the Pt electrode as the negative electrode, the battery was charged at a current of 0.01 mA for 2 hours, then discharged at a current of 0.005 mA to −0.6 V, and then charged at a current of 0.01 mA for 4 hours. 12 is the XRD spectrum of the positive electrode of Experimental Example 8. FIG. 13 is a charge-discharge curve of Experimental Example 8. FIG. The * mark in the figure is the signal derived from InF 3 , and the formation of InF 3 on the In electrode surface was confirmed.

(実験例9:Ce電極の場合)
実験例3において、錫Snの代わりにセリウムCe(ジョンソンマッセイ製)を用いた以外は、実験例3と同じものを実験例9とした。Ce極を正極、Pt極を負極として0.005mAの電流で1.5時間充電し、その後0.005mAの電流で-1.9Vまで放電し、続いて、0.005mAの電流で4時間充電した。図14は、実験例9の正極のXRDスペクトルである。図15は、実験例9の充放電曲線である。図中の※印がCeF3由来のシグナルであり、Ce電極表面にCeF3の生成を確認した。
(Experimental Example 9: Ce electrode)
Experimental example 9 was the same as experimental example 3 except that cerium (Ce) (manufactured by Johnson Matthey) was used instead of tin Sn. With the Ce electrode as the positive electrode and the Pt electrode as the negative electrode, charge at a current of 0.005 mA for 1.5 hours, then discharge at a current of 0.005 mA to −1.9 V, and then charge at a current of 0.005 mA for 4 hours. did. 14 is the XRD spectrum of the positive electrode of Experimental Example 9. FIG. 15 is a charge/discharge curve of Experimental Example 9. FIG. The * mark in the figure is a signal derived from CeF 3 , and the formation of CeF 3 on the Ce electrode surface was confirmed.

(実験例10:Pb電極の場合)
実験例3において、錫Snの代わりに鉛Pb(ニラコ製)を用いた以外は実験例3と同じものを実験例10とした。Pb極を正極、Pt極を負極として0.01mAの電流で2時間充電し、その後0.005mAの電流で-0.6Vまで放電し、これを2回繰り返した。続いて、0.01mAの電流で5時間充電した。図16は、実験例10の正極のXRDスペクトルである。図17は、実験例10の充放電曲線である。図16に示すように、図中の※印がPbF2由来のシグナルであり、Pb電極表面にPbF2の生成を確認した。
(Experimental Example 10: Pb electrode)
Experimental example 10 was the same as experimental example 3 except that lead Pb (manufactured by The Nilaco Corporation) was used instead of tin Sn. With the Pb electrode as the positive electrode and the Pt electrode as the negative electrode, the battery was charged at a current of 0.01 mA for 2 hours, and then discharged to −0.6 V at a current of 0.005 mA, which was repeated twice. Subsequently, the battery was charged with a current of 0.01 mA for 5 hours. 16 is the XRD spectrum of the positive electrode of Experimental Example 10. FIG. 17 shows charge-discharge curves of Experimental Example 10. FIG. As shown in FIG. 16, the * mark in the figure indicates the signal derived from PbF 2 , and the formation of PbF 2 on the Pb electrode surface was confirmed.

(実験例11)
実験例7のフルオロエチレンカーボネート(FEC)の代わりにプロピレンカーボネートPC(キシダ化学製)を用いた以外は実験例7と同じものを実験例11とした。TEAF:PCのモル比は1:24とした。図18は、実験例11の正極のXRDスペクトルである。図19は、実験例11の充放電曲線である。この実験例11では、SnF2由来のシグナルを検出できなかった。
(Experimental example 11)
Experimental Example 11 was the same as Experimental Example 7 except that propylene carbonate PC (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) was used in place of fluoroethylene carbonate (FEC) in Experimental Example 7. The TEAF:PC molar ratio was 1:24. 18 is the XRD spectrum of the positive electrode of Experimental Example 11. FIG. 19 is a charge-discharge curve of Experimental Example 11. FIG. In Experimental Example 11, no signal derived from SnF 2 was detected.

(実験例12)
実験例7のフルオロエチレンカーボネート(FEC)の代わりにテトラグライムTGym(G4、キシダ化学製)を用いた以外は実験例7と同じものを実験例12とした。TEAF:TGymのモル比は1:24とした。図20は、実験例12の正極のXRDスペクトルである。図20に示すように、実験例12では、SnF2由来のシグナルを検出できなかった。
(Experimental example 12)
Experimental Example 12 was the same as Experimental Example 7 except that Tetraglyme TGym (G4, manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) was used instead of fluoroethylene carbonate (FEC) in Experimental Example 7. The TEAF:TGym molar ratio was 1:24. 20 is the XRD spectrum of the positive electrode of Experimental Example 12. FIG. As shown in FIG. 20, in Experimental Example 12, no signal derived from SnF 2 was detected.

実験例の溶媒、電極上へのフッ化物の生成の有無、溶媒の化学構造などを表1にまとめた。表1に示すように、環状のエーテルや左右対称の鎖状エーテルのみでは、金属上にフッ化物は生成しなかった。一方、左右非対称のフッ素含有鎖状エーテルを含むものでは、例えば、環状のエーテルや左右対称の鎖状エーテルを含んでいても、金属上にフッ化物が生成することがわかった。 Table 1 summarizes the solvents used in the experimental examples, the presence or absence of fluoride formation on the electrode, the chemical structures of the solvents, and the like. As shown in Table 1, cyclic ethers and symmetric chain ethers alone did not produce fluorides on metals. On the other hand, it has been found that in the case of compounds containing bilaterally asymmetric fluorine-containing chain ethers, for example, even if they contain cyclic ethers or bilaterally symmetric chain ethers, fluorides are formed on metals.

Figure 2022128927000006
Figure 2022128927000006

なお、本開示は上述した実験例に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の態様で実験し得ることはいうまでもない。 It goes without saying that the present disclosure is by no means limited to the above-described experimental examples, and experiments can be performed in various modes as long as they fall within the technical scope of the present disclosure.

本明細書で開示するフッ素電池用電解液及びフッ素電池は、エネルギー産業、例えば電池産業の分野に利用可能である。 The fluorine battery electrolyte and fluorine battery disclosed herein can be used in the energy industry, such as the battery industry.

10 フッ素電池、11 集電体、12 正極活物質層、14 集電体、15負極活物質層、16 フッ素電池用電解液、17 正極、18 負極、19 セパレータ。 10 fluorine battery, 11 current collector, 12 positive electrode active material layer, 14 current collector, 15 negative electrode active material layer, 16 fluorine battery electrolyte, 17 positive electrode, 18 negative electrode, 19 separator.

Claims (7)

フッ素を含む支持塩と、
前記支持塩を溶解し、鎖状の第1炭素鎖基と前記第1炭素鎖基とは異なる鎖状の第2炭素鎖基とを有し該第1炭素鎖基及び該第2炭素鎖基のうちいずれかにフッ素を1以上含む非対称型フッ素含有鎖状エーテルを含む溶媒と、
を有するフッ素電池用電解液。
a supporting salt containing fluorine;
Dissolving the supporting salt, having a chain-like first carbon chain group and a chain-like second carbon chain group different from the first chain carbon chain group, the first carbon chain group and the second chain carbon chain group A solvent containing an asymmetric fluorine-containing linear ether containing one or more fluorines in any one of
A fluorine battery electrolyte having
前記第2炭素鎖基は、前記第1炭素鎖基に対し、フッ素及び水素のうちいずれかの位置、炭素数、及びフッ素数、のうち1以上が異なる、請求項1に記載のフッ素電池用電解液。 2. The fluorine battery according to claim 1, wherein the second carbon chain group differs from the first carbon chain group in one or more of the positions of fluorine and hydrogen, the number of carbon atoms, and the number of fluorine atoms. Electrolyte. 前記溶媒は、次式(1)に示す非対称型フッ素含有鎖状エーテルである、請求項1又は2に記載のフッ素電池用電解液。
Figure 2022128927000007
3. The electrolyte solution for a fluorine battery according to claim 1, wherein said solvent is an asymmetric fluorine-containing chain ether represented by the following formula (1).
Figure 2022128927000007
前記溶媒は、テトラフルオロエチルトリフルオロエチルエーテル、メトキシパーフルオロブタン及びエチルノナフルオロブチルエーテルのうち1以上を含む、請求項1~3のいずれか1項に記載のフッ素電池用電解液。 4. The fluorine battery electrolyte solution according to claim 1, wherein said solvent contains one or more of tetrafluoroethyltrifluoroethyl ether, methoxyperfluorobutane and ethyl nonafluorobutyl ether. 前記支持塩は、アルキルアンモニウムフッ化物塩を含む、請求項1~4のいずれか1項に記載のフッ素電池用電解液。 The fluorine battery electrolyte solution according to any one of claims 1 to 4, wherein the supporting salt contains an alkylammonium fluoride salt. 金属フッ化物を形成する金属を正極活物質として有する正極と、
負極と、
前記正極と前記負極との間に介在する、請求項1~5のいずれか1項に記載のフッ素電池用電解液と、
を備えたフッ素電池。
a positive electrode having a metal that forms a metal fluoride as a positive electrode active material;
a negative electrode;
The fluorine battery electrolyte solution according to any one of claims 1 to 5, interposed between the positive electrode and the negative electrode;
Fluorine battery with
前記正極は、Sn、In、Ce及びPbのうち1以上の金属及びその合金である前記正極活物質を有する、請求項6に記載のフッ素電池。 7. The fluorine battery according to claim 6, wherein said positive electrode has said positive electrode active material which is one or more metals selected from Sn, In, Ce and Pb and alloys thereof.
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