JP2023064805A - Deactivator and deactivation method - Google Patents

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Riho Mikita
彰敏 鈴村
Akitoshi Suzumura
広規 近藤
Hironori Kondo
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Abstract

To simplify processes such as recycling treatment.SOLUTION: A deactivator according to the present disclosure for deactivating a non-aqueous secondary battery with an electrode including a carbon material as an active material includes: a redox shuttle agent having an oxidation-reduction potential higher than that of a negative electrode active material of the non-aqueous secondary battery and lower than that of a positive electrode active material of the non-aqueous secondary battery in Li reference potential; and a non-aqueous solvent co-inserted into the carbon material.SELECTED DRAWING: None

Description

本開示は、不活性化剤及び不活性化方法に関する。 The present disclosure relates to deactivators and methods of deactivation.

従来、非水系二次電池をリサイクル又は廃棄する際に、回収電池を不活性化させる不活性化処理が行われている。こうした処理として、例えば、回収電池を充放電装置につないで0Vまで放電させる処理が可能であるが、その場合、放電に時間がかかることがあった。また、回収電池が電流遮断機構(CID)作動後の電池である場合には、放電させること自体ができなかった。そこで、回収電池の内部にリチウムの酸化還元電位に対して3.0~4.5Vの範囲に酸化還元電位を示すレドックスシャトル剤(例えばフェロセン)を添加することが提案されている(特許文献1参照)。これにより、充放電装置を用いることなく、安全かつ迅速に非水系二次電池の電池電圧を0Vまで下げることができる。また、従来、水溶液である剥離剤を用いて、リチウムイオン電池の負極シートの銅箔表面から電極合材のカーボンを剥離する方法が提案されている(例えば、特許文献2、3など参照)。この方法では、剥離剤を用いて銅箔及びカーボンを回収することによって、リサイクル時のコストを大幅に改善することができるとしている。 Conventionally, when recycling or discarding a non-aqueous secondary battery, a deactivation process is performed to deactivate the collected battery. As such a treatment, for example, it is possible to connect the recovered battery to a charging/discharging device and discharge it to 0 V, but in this case, the discharging sometimes takes a long time. In addition, when the collected battery is a battery after the operation of the current interrupting mechanism (CID), the battery itself could not be discharged. Therefore, it has been proposed to add a redox shuttle agent (for example, ferrocene) that exhibits an oxidation-reduction potential in the range of 3.0 to 4.5 V with respect to the oxidation-reduction potential of lithium inside the recovered battery (Patent Document 1). reference). As a result, the battery voltage of the non-aqueous secondary battery can be lowered to 0 V safely and quickly without using a charging/discharging device. In addition, conventionally, a method has been proposed in which the carbon of the electrode mixture is peeled off from the copper foil surface of the negative electrode sheet of the lithium ion battery using a release agent that is an aqueous solution (see, for example, Patent Documents 2 and 3). According to this method, the cost of recycling can be greatly reduced by recovering the copper foil and carbon using a release agent.

特開2018-137137号公報JP 2018-137137 A 特開2015-26566号公報JP 2015-26566 A 特開2007-179774号公報JP 2007-179774 A

しかしながら、特許文献1のレドックスシャトル剤を用いて非水系二次電池を不活性化した場合、不活性化後の二次電池は、分解、再利用されることになるが、電極合材の分離処理などを別途行う必要があり、処理工程が煩雑である問題があった。一方、特許文献2、3の剥離方法によれば、剥離処理の他に別途不活性化処理を行う必要があった。また、上述した不活性化剤は非水系であり、剥離剤は水溶液系であるため、混合して同時に使用することはできなかった。このように、不活性化処理や電極の分解処理の工程をより簡素化することが求められていた。 However, when the non-aqueous secondary battery is deactivated using the redox shuttle agent of Patent Document 1, the secondary battery after deactivation is disassembled and reused, but the electrode mixture is separated. There is a problem that the treatment process is complicated because it is necessary to perform treatment separately. On the other hand, according to the peeling methods of Patent Documents 2 and 3, it was necessary to perform a separate deactivation treatment in addition to the peeling treatment. Moreover, since the deactivating agent described above is non-aqueous and the release agent is aqueous, they could not be mixed and used at the same time. Thus, there has been a demand for further simplification of the steps of deactivation treatment and electrode decomposition treatment.

本開示はこのような課題を解決するためになされたものであり、工程をより簡素化することができる不活性化剤及び不活性化方法を提供することを主目的とする。 The present disclosure has been made to solve such problems, and a main object thereof is to provide an inactivating agent and an inactivating method capable of simplifying the process.

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、炭素材料を電極活物質とするものにおいて、層間に共挿入される溶媒を用いると、非水系二次電池の不活性化を図ると共に、電極合材の剥離、分解をより促進することができることを見出し、本開示の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 have found that in a case where a carbon material is used as an electrode active material, the use of a solvent co-inserted between the layers makes the non-aqueous secondary battery inactive. In addition, the inventors have found that the separation and decomposition of the electrode mixture can be further promoted, and have completed the invention of the present disclosure.

即ち、本開示の不活性化剤は、
炭素材料を活物質として含む電極を備えた非水系二次電池を不活性化する不活性化剤であって、
酸化還元電位がLi基準電位で前記非水系二次電池の負極活物質よりも高く前記非水系二次電池の正極活物質よりも低いレドックスシャトル剤と、
前記炭素材料に共挿入する非水系溶媒と、
を含むものである。
That is, the deactivating agent of the present disclosure is
A deactivator for deactivating a non-aqueous secondary battery comprising an electrode containing a carbon material as an active material,
a redox shuttle agent having an oxidation-reduction potential higher than that of the negative electrode active material of the non-aqueous secondary battery and lower than that of the positive electrode active material of the non-aqueous secondary battery in Li reference potential;
a non-aqueous solvent co-inserted into the carbon material;
includes.

また、本開示の不活性化方法は、
炭素材料を活物質として含む電極を備えた非水系二次電池を不活性化する不活性化方法であって、
上述した非水系二次電池の不活性化剤を前記非水系二次電池の内部に添加する添加工程、を含むものである。
The inactivation method of the present disclosure also includes:
A deactivation method for deactivating a non-aqueous secondary battery including an electrode containing a carbon material as an active material,
An adding step of adding the deactivator for the non-aqueous secondary battery described above to the interior of the non-aqueous secondary battery.

この不活性化剤及び不活性化方法では、炭素材料を電極活物質として含むものにおいて、工程をより簡素化することができる。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。充電状態の非水系二次電池に、酸化還元電位が正極電位より低く負極電位より高いレドックスシャトル剤を添加すると、各電極とレドックスシャトル剤との電位差を駆動力として、電池の放電が進行し、電池の不活性化を図ることができる。さらに、レドックスシャトル剤の溶媒として共挿入する溶媒を用いており、電池の放電が進行すると同時に、炭素材料の活物質への溶媒の共挿入による剥離が進行し、集電箔と電極合材とを分離することができる。このため、不活性化処理と、電極の剥離処理とを別々に行うものに比して、例えば、リサイクル処理などの工程をより簡素化することができる。 With this deactivating agent and deactivating method, the process can be further simplified in the case where a carbon material is included as an electrode active material. The reason why such an effect is obtained is presumed as follows, for example. When a redox shuttle agent whose redox potential is lower than the potential of the positive electrode and higher than the potential of the negative electrode is added to a non-aqueous secondary battery in a charged state, the potential difference between each electrode and the redox shuttle agent is used as a driving force to promote discharge of the battery. Inactivation of the battery can be achieved. Furthermore, a solvent that co-inserts is used as a solvent for the redox shuttle agent, and as the discharge of the battery progresses, delamination due to co-insertion of the solvent into the active material of the carbon material progresses, and the current collector foil and the electrode mixture are separated. can be separated. For this reason, processes such as, for example, recycling can be simplified as compared with the case where the deactivation process and the electrode stripping process are performed separately.

非水系二次電池20の構成の概略を表す断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view showing an outline of the configuration of a non-aqueous secondary battery 20; 非水系二次電池が不活性化するメカニズムを示す説明図。Explanatory drawing which shows the mechanism by which a non-aqueous secondary battery is inactivated. p-ベンゾキノン、1,4-ナフトキノンを用いた場合の酸化還元反応。Redox reactions using p-benzoquinone and 1,4-naphthoquinone. 黒鉛の結晶構造を示す説明図。Explanatory drawing which shows the crystal structure of graphite. 実験例1の剥離した粉末を回収して測定したX線回折測定結果。FIG. 10 is an X-ray diffraction measurement result obtained by recovering and measuring exfoliated powder in Experimental Example 1. FIG. 実験例4,5のサイクリックボルタンメトリー測定結果。Cyclic voltammetry measurement results of Experimental Examples 4 and 5. 実験例6,7の不活性化剤を添加した後の電池の放電挙動。Discharge behavior of the battery after addition of the deactivator of Experimental Examples 6 and 7.

本開示の非水系二次電池の不活性化剤は、炭素材料を活物質として含む電極を備えた非水系二次電池を不活性化する不活性化剤である。この不活性化剤は、レドックスシャトル剤と、非水系溶媒と、を含む。レドックスシャトル剤は、酸化還元電位がLi基準電位で非水系二次電池の負極活物質よりも高く、非水系二次電池の正極活物質よりも低いものである。また、非水系溶媒は、炭素材料に共挿入するものである。本明細書において、レドックスシャトル剤とは、正極と負極との間で電荷を繰り返し輸送することができる、酸化及び還元可能な化合物をいうものとする。 The deactivator for a non-aqueous secondary battery of the present disclosure is a deactivator that deactivates a non-aqueous secondary battery having an electrode containing a carbon material as an active material. The deactivating agent includes a redox shuttle agent and a non-aqueous solvent. The redox shuttle agent has an oxidation-reduction potential higher than that of the negative electrode active material of the non-aqueous secondary battery and lower than that of the positive electrode active material of the non-aqueous secondary battery in Li reference potential. Also, the non-aqueous solvent co-inserts into the carbon material. As used herein, a redox shuttle agent is intended to refer to an oxidizable and reducible compound capable of repeatedly transporting charge between a positive electrode and a negative electrode.

[非水系二次電池]
まず、不活性化の対象となる非水系二次電池について説明する。非水系二次電池は、炭素材料を活物質として含む電極を備えている。この非水系二次電池は、正極活物質を有する正極と、負極活物質を有する負極と、正極と負極との間に介在しキャリアイオンを伝導する非水系のイオン伝導媒体と、を備えている。キャリアイオンとしては、例えば、第1族元素イオンや第2族元素イオンが挙げられる。第1族元素イオンとしては、例えば、リチウムイオンやナトリウムイオン、カリウムイオンが挙げられる。第2族元素イオンとしては、例えば、マグネシウムイオン、カルシウムイオンが挙げられる。炭素材料は、例えば、黒鉛系の材料であり、負極活物質であるものとしてもよい。以下では、説明の便宜のため、非水系二次電池が、負極活物質を炭素材料としたリチウムイオン二次電池である場合について主に説明する。
[Non-aqueous secondary battery]
First, the non-aqueous secondary battery to be deactivated will be described. A non-aqueous secondary battery includes an electrode containing a carbon material as an active material. This non-aqueous secondary battery includes a positive electrode having a positive electrode active material, a negative electrode having a negative electrode active material, and a non-aqueous ion conductive medium interposed between the positive electrode and the negative electrode to conduct carrier ions. . Examples of carrier ions include Group 1 element ions and Group 2 element ions. Group 1 element ions include, for example, lithium ions, sodium ions, and potassium ions. Group 2 element ions include, for example, magnesium ions and calcium ions. The carbon material is, for example, a graphite-based material and may be a negative electrode active material. For convenience of explanation, the case where the non-aqueous secondary battery is a lithium ion secondary battery in which the negative electrode active material is a carbon material will be mainly explained below.

正極は、例えば正極活物質と導電材と結着材とを混合し、適当な溶剤を加えてペースト状の正極合材としたものを、集電体の表面に塗布乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成してもよい。正極活物質は、Li基準の酸化還元電位が不活性化剤に含まれるレドックスシャトル剤よりも高いものであればよいが、酸化還元電位がLi基準電位で3.0V超過のものとしてもよく、3.5V以上のものが好ましく、3.8V以上のものがより好ましく、4.0V以上のものがさらに好ましい。正極活物質としては、遷移金属元素を含む硫化物や、リチウムと遷移金属元素とを含む酸化物などを用いることができる。具体的には、TiS2、TiS3、MoS3、FeS2などの遷移金属硫化物、Li(1-x)MnO2(0<x<1など、以下同じ)、Li(1-x)Mn24などのリチウムマンガン複合酸化物、Li(1-x)CoO2などのリチウムコバルト複合酸化物、Li(1-x)NiO2などのリチウムニッケル複合酸化物、Li(1-x)NiaMnb2(a+b=1)やLi(1-x)NiaMnb4(a+b=2)などのリチウムニッケルマンガン複合酸化物、Li(1-x)NiaCobMnc2(a+b+c=1)などのリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物、LiV23などのリチウムバナジウム複合酸化物、V25などの遷移金属酸化物などを用いることができる。また、Li(1-x)MnPO4などのオリビン型リチウムリン酸マンガン系化合物、Li(1-x)CoPO4などのオリビン型リチウムリン酸コバルト系化合物、Li(1-x)NiPO4などのオリビン型リチウムリン酸ニッケル系化合物などを用いることができる。また、Li(1-x)MnVO4などの逆スピネル型リチウムバナジン酸マンガン系化合物、Li(1-x)CoPO4などの逆スピネル型リチウムバナジン酸コバルト系化合物、Li(1-x)NiPO4などの逆スピネル型リチウムバナジン酸ニッケル系化合物などを用いることができる。正極活物質は、ニッケル、マンガン、コバルトのうちの1以上を含む酸化物であることが好ましく、例えば、LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiNi1/3Co1/3Mn1/32などが好ましい。 For the positive electrode, for example, a positive electrode active material, a conductive material, and a binder are mixed, and an appropriate solvent is added to make a paste-like positive electrode mixture. It may be formed by compression in order to increase the electrode density. The positive electrode active material may have an oxidation-reduction potential based on Li that is higher than the redox shuttle agent contained in the deactivator. A voltage of 3.5 V or more is preferable, a voltage of 3.8 V or more is more preferable, and a voltage of 4.0 V or more is even more preferable. A sulfide containing a transition metal element, an oxide containing lithium and a transition metal element, or the like can be used as the positive electrode active material. Specifically, transition metal sulfides such as TiS 2 , TiS 3 , MoS 3 and FeS 2 , Li (1-x) MnO 2 (0<x<1, etc., same below), Li (1-x) Mn Lithium-manganese composite oxides such as 2O4 , Lithium-cobalt composite oxides such as Li (1-x) CoO2 , Lithium - nickel composite oxides such as Li (1-x) NiO2 , Li (1-x) Ni Lithium -nickel - manganese composite oxides such as aMnbO2 (a+b= 1 ) and Li ( 1-x) NiaMnbO4 ( a+b=2 ) , Li (1-x) NiaCobMncO Lithium-nickel-cobalt-manganese composite oxides such as 2 (a+b+c=1), lithium-vanadium composite oxides such as LiV 2 O 3 , and transition metal oxides such as V 2 O 5 can be used. In addition, olivine-type lithium manganese phosphate compounds such as Li (1-x) MnPO4 , olivine-type lithium cobalt phosphate compounds such as Li (1-x) CoPO4 , Li (1-x) NiPO4 and the like. An olivine-type lithium nickel phosphate compound or the like can be used. Also, reverse spinel-type lithium manganese vanadate compounds such as Li (1-x) MnVO4 , reverse spinel-type lithium cobalt vanadate compounds such as Li (1-x) CoPO4 , Li (1-x) NiPO4 An inverse spinel type lithium nickel vanadate compound such as The positive electrode active material is preferably an oxide containing one or more of nickel, manganese, and cobalt, such as LiCoO2 , LiNiO2 , LiMnO2 , LiNi1 /3Co1 / 3Mn1 / 3O2 etc. are preferable.

正極の導電材としては、例えば、天然黒鉛(鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛)や人造黒鉛などの黒鉛、アセチレンブラック、カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンウィスカ、ニードルコークス、炭素繊維、金属(銅、ニッケル、アルミニウム、銀、金など)などを用いることができる。結着材としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、或いはポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、エチレンプロピレンジエンゴム(EPDM)、スルホン化EPDMゴム、天然ブチルゴム(NBR)等を用いることができる。また、水系バインダーであるセルロース系やスチレンブタジエンゴム(SBR)の水分散体等を用いることもできる。溶剤としては、例えば、N-メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、アクリル酸メチル、ジエチレントリアミン、N,N-ジメチルアミノプロピルアミン、エチレンオキシド、テトラヒドロフランなどの有機溶剤を用いることができる。また、水に分散剤、増粘剤等を加え、SBRなどのラテックスで活物質をスラリー化してもよい。増粘剤としては、例えば、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロースなどの多糖類を単独で、あるいは2種以上の混合物として用いることができる。塗布方法としては、例えば、アプリケータロールなどのローラコーティング、スクリーンコーティング、ドクターブレイド方式、スピンコーティング、バーコータなどが挙げられ、これらのいずれかを用いて任意の厚さ・形状とすることができる。集電体としては、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼、ニッケル、鉄、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラスなどのほか、接着性、導電性及び耐酸化性向上の目的で、アルミニウムや銅などの表面をカーボン、ニッケル、チタンや銀などで処理したものを用いることができる。これらについては、表面を酸化処理することも可能である。集電体の形状については、箔状、フィルム状、シート状、ネット状、パンチ又はエキスパンドされたもの、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の形成体などが挙げられる。集電体の厚さは、例えば1~500μmのものが用いられる。 Examples of conductive materials for the positive electrode include graphite such as natural graphite (scale graphite, scale graphite) and artificial graphite, acetylene black, carbon black, ketjen black, carbon whisker, needle coke, carbon fiber, metal (copper, nickel , aluminum, silver, gold, etc.) can be used. Examples of binders include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), fluorine-containing resins such as fluororubber, thermoplastic resins such as polypropylene and polyethylene, ethylene propylene diene rubber (EPDM), and sulfone. Modified EPDM rubber, natural butyl rubber (NBR), and the like can be used. Cellulose-based or styrene-butadiene rubber (SBR) aqueous dispersions, which are water-based binders, can also be used. Examples of the solvent include organic solvents such as N-methylpyrrolidone, dimethylformamide, dimethylacetamide, methylethylketone, cyclohexanone, methyl acetate, methyl acrylate, diethylenetriamine, N,N-dimethylaminopropylamine, ethylene oxide, and tetrahydrofuran. can. Alternatively, a dispersant, a thickener, or the like may be added to water, and the active material may be slurried with a latex such as SBR. As the thickening agent, for example, polysaccharides such as carboxymethyl cellulose and methyl cellulose can be used singly or as a mixture of two or more. Application methods include, for example, roller coating such as applicator roll, screen coating, doctor blade method, spin coating, and bar coater, and any thickness and shape can be obtained using any of these methods. Current collectors include aluminum, titanium, stainless steel, nickel, iron, calcined carbon, conductive polymer, and conductive glass. The surface of which is treated with carbon, nickel, titanium, silver, or the like can be used. For these, it is also possible to oxidize the surface. Examples of the shape of the current collector include foil, film, sheet, net, punched or expanded, lath, porous, foam, and fiber group formations. The current collector used has a thickness of, for example, 1 to 500 μm.

負極は、例えば、負極活物質と導電材と結着材とを混合し、適当な溶剤を加えてペースト状の負極合材としたものを、集電体の表面に塗布乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成してもよいし、負極活物質と集電体とを密着させて形成したものとしてもよい。負極活物質は、Li基準の酸化還元電位が不活性化剤に含まれるレドックスシャトル剤よりも低いものであればよいが、酸化還元電位がLi基準電位で1.5V未満のものが好ましく、1.0V以下のものがより好ましく、0.5V以下のものがさらに好ましい。負極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な炭素材料が挙げられる。炭素材料は、例えば、層状構造を有しているものが挙げられ、グラファイト類などが挙げられる。グラファイト類としては、例えば、天然黒鉛(鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛)や人造黒鉛などが挙げられる。また、負極に用いられる導電材、結着材、溶剤などは、それぞれ正極で例示したものを用いることができる。負極の集電体には、銅、ニッケル、ステンレス鋼、チタン、アルミニウム、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラス、Al-Cd合金などのほか、接着性、導電性及び耐還元性向上の目的で、例えば銅などの表面をカーボン、ニッケル、チタンや銀などで処理したものも用いることができる。これらについては、表面を酸化処理することも可能である。集電体の形状は、正極と同様のものを用いることができる。負極の集電体は、これらのうち、銅を含むものであることが好ましい。銅は、酸化還元電位がLi基準電位で約3.0~3.5Vであるため(J. Electrochem. Soc. 144 (1997) 3476-3483、J. Mater. Chem. 21 (2011) 9891-9911等参照)、不活性化の際、負極電位を3.0V未満に保てば銅の溶出が抑制されると考えられ、後述する不活性化剤及び不活性化方法を適用する意義が特に高い。負極からの銅の溶出が抑制されると、正極での銅の析出も抑制されるため、不活性化後に非水系二次電池をリサイクル又は廃棄する際に、析出物を正極から除去又は回収する必要がなく、効率よくリサイクル又は廃棄することができるため好ましい。 For the negative electrode, for example, a negative electrode active material, a conductive material, and a binder are mixed, and an appropriate solvent is added to form a paste-like negative electrode mixture. It may be formed by compression in order to increase the electrode density, or may be formed by bonding the negative electrode active material and the current collector. The negative electrode active material may have an oxidation-reduction potential based on Li that is lower than the redox shuttle agent contained in the deactivator. 0 V or less is more preferable, and 0.5 V or less is even more preferable. Examples of negative electrode active materials include carbon materials capable of intercalating and deintercalating lithium ions. Carbon materials include, for example, those having a layered structure, such as graphites. Graphites include, for example, natural graphite (flake-like graphite, flake-like graphite) and artificial graphite. As the conductive material, binder, solvent, and the like used for the negative electrode, those exemplified for the positive electrode can be used. The current collector of the negative electrode includes copper, nickel, stainless steel, titanium, aluminum, calcined carbon, conductive polymer, conductive glass, Al-Cd alloy, etc. For that purpose, for example, copper or the like whose surface is treated with carbon, nickel, titanium, silver, or the like can also be used. For these, it is also possible to oxidize the surface. A current collector having the same shape as that of the positive electrode can be used. Among these, the current collector of the negative electrode preferably contains copper. Copper has an oxidation-reduction potential of about 3.0 to 3.5 V relative to Li (J. Electrochem. Soc. 144 (1997) 3476-3483, J. Mater. Chem. 21 (2011) 9891-9911 etc.), it is considered that the elution of copper is suppressed if the negative electrode potential is kept below 3.0 V during deactivation, and the application of the deactivator and deactivation method described later is particularly significant. . When the elution of copper from the negative electrode is suppressed, the deposition of copper on the positive electrode is also suppressed. Therefore, when the non-aqueous secondary battery is recycled or discarded after deactivation, the precipitate is removed or recovered from the positive electrode. It is preferable because it is unnecessary and can be efficiently recycled or discarded.

イオン伝導媒体としては、支持塩を含む非水系電解液や非水系ゲル電解液などを用いることができる。非水系電解液の溶媒としては、例えば、カーボネート化合物、エステル化合物、エーテル化合物、ニトリル化合物、アミド化合物、フラン化合物、スルホラン化合物及びジオキソラン化合物などが挙げられ、これらを単独又は混合して用いることができる。具体的には、カーボネート化合物としてエチレンカーボネート(EC)やプロピレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ブチレンカーボネート、クロロエチレンカーボネートなどの環状カーボネート化合物や、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチル-n-ブチルカーボネート、メチル-t-ブチルカーボネート、ジ-i-プロピルカーボネート、t-ブチル-i-プロピルカーボネートなどの鎖状カーボネート化合物などが挙げられる。また、エステル化合物としてγ-ブチルラクトン、γ-バレロラクトンなどの環状エステル化合物、ギ酸メチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酪酸メチルなどの鎖状エステル化合物などが挙げられる。また、エーテル化合物としてジメトキシエタン、エトキシメトキシエタン、ジエトキシエタンなどが挙げられ、ニトリル化合物としてアセトニトリル、ベンゾニトリルなどが挙げられ、アミド化合物としてジメチルアセトアミド(DMA)、ジメチルホルムアミドなどが挙げられ、フラン化合物としてテトラヒドロフラン、メチルテトラヒドロフランなどが挙げられ、スルホラン化合物としてスルホラン、テトラメチルスルホランなどが挙げられ、オキソラン化合物として1,3-ジオキソラン、メチルジオキソランなどが挙げられる。これらは単独又は混合して用いることができる。このうち、非水系電解液の溶媒としては、例えば、DMC-ECや、DEC-EC、DMC-EMC-ECなど、環状カーボネート化合物と鎖状カーボネート化合物との混合液が好ましい。支持塩としては、例えば、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiClO4 などの無機塩や、LiCF3SO3、LiN(CF3SO22、LiC(CF3SO23、などの有機塩が挙げられ、これらを単独又は組み合わせて用いることができる。支持塩は、電解液中の濃度が0.1mol/L以上5mol/L以下であることが好ましく、0.5mol/L以上2mol/L以下であることがより好ましい。また、イオン伝導媒体としては、液状のイオン伝導媒体の代わりに、イオン伝導性ポリマー、無機固体電解質あるいは有機ポリマー電解質と無機固体電解質の混合材料、若しくは有機バインダーによって結着された無機固体粉末などを利用することができる。 A non-aqueous electrolytic solution containing a supporting salt, a non-aqueous gel electrolytic solution, or the like can be used as the ion-conducting medium. Examples of the solvent for the non-aqueous electrolytic solution include carbonate compounds, ester compounds, ether compounds, nitrile compounds, amide compounds, furan compounds, sulfolane compounds and dioxolane compounds, and these can be used alone or in combination. . Specifically, the carbonate compounds include cyclic carbonate compounds such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate, vinylene carbonate, butylene carbonate, and chloroethylene carbonate, dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), diethyl carbonate (DEC ), ethyl-n-butyl carbonate, methyl-t-butyl carbonate, di-i-propyl carbonate and t-butyl-i-propyl carbonate. Ester compounds include cyclic ester compounds such as γ-butyllactone and γ-valerolactone, and chain ester compounds such as methyl formate, methyl acetate, ethyl acetate and methyl butyrate. Examples of ether compounds include dimethoxyethane, ethoxymethoxyethane, and diethoxyethane; examples of nitrile compounds include acetonitrile and benzonitrile; examples of amide compounds include dimethylacetamide (DMA) and dimethylformamide; and furan compounds. Examples include tetrahydrofuran and methyltetrahydrofuran, examples of sulfolane compounds include sulfolane and tetramethylsulfolane, and examples of oxolane compounds include 1,3-dioxolane and methyldioxolane. These can be used singly or in combination. Among them, the solvent for the non-aqueous electrolytic solution is preferably a mixed solution of a cyclic carbonate compound and a chain carbonate compound such as DMC-EC, DEC-EC, DMC-EMC-EC. Examples of supporting salts include inorganic salts such as LiPF6 , LiBF4 , LiAsF6 and LiClO4 , and organic salts such as LiCF3SO3 , LiN( CF3SO2 ) 2 and LiC( CF3SO2 ) 3 . Salts may be mentioned, and these may be used alone or in combination. The concentration of the supporting salt in the electrolytic solution is preferably 0.1 mol/L or more and 5 mol/L or less, more preferably 0.5 mol/L or more and 2 mol/L or less. As the ion-conducting medium, instead of the liquid ion-conducting medium, an ion-conducting polymer, an inorganic solid electrolyte, a mixed material of an organic polymer electrolyte and an inorganic solid electrolyte, or an inorganic solid powder bound by an organic binder may be used. can be used.

この非水系二次電池は、正極と負極との間にセパレータを備えていてもよい。セパレータは、非水系二次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などの高分子不織布、ポリエチレンなどのオレフィン系樹脂の薄い微多孔膜が挙げられる。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。 This nonaqueous secondary battery may include a separator between the positive electrode and the negative electrode. The separator is not particularly limited as long as it has a composition that can withstand the range of use of non-aqueous secondary batteries. These may be used alone, or may be used in combination.

この非水系二次電池の形状は、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。また、電気自動車等に用いる大型のものとしてもよい。非水系二次電池の一例を図1に示す。図1は、コイン型の非水系二次電池20の構成の概略を表す断面図である。図1に示すように、非水系二次電池20は、カップ形状の電池ケース21と、正極活物質を有しこの電池ケース21の下部に設けられた正極22と、負極活物質を有し正極22に対してセパレータ24を介して対向する位置に設けられた負極23と、絶縁材により形成されたガスケット25と、電池ケース21の開口部に配設されガスケット25を介して電池ケース21を密封する封口板26と、を備えている。この非水系二次電池20は、正極22と負極23との間の空間にリチウム塩を溶解したイオン伝導媒体27を備えている。また、負極活物質は、炭素材料である。 The shape of the non-aqueous secondary battery is not particularly limited, and examples thereof include coin-type, button-type, sheet-type, laminate-type, cylindrical-type, flat-type, and square-type. Moreover, it is good also as a large sized thing used for an electric vehicle etc. An example of a non-aqueous secondary battery is shown in FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a coin-type non-aqueous secondary battery 20. As shown in FIG. As shown in FIG. 1, the non-aqueous secondary battery 20 includes a cup-shaped battery case 21, a positive electrode 22 having a positive electrode active material and provided at the bottom of the battery case 21, and a positive electrode having a negative electrode active material. A negative electrode 23 provided at a position opposite to 22 via a separator 24, a gasket 25 made of an insulating material, and a gasket 25 disposed in the opening of the battery case 21 and sealing the battery case 21 via the gasket 25. A sealing plate 26 is provided. This non-aqueous secondary battery 20 includes an ion-conducting medium 27 in which a lithium salt is dissolved in the space between the positive electrode 22 and the negative electrode 23 . Moreover, the negative electrode active material is a carbon material.

[不活性化剤]
次に、不活性化剤について説明する。不活性化剤は、レドックスシャトル剤と、非水系溶媒と、を含む。不活性化剤に含まれる非水系溶媒は、炭素材料に共挿入するものであれば、特に限定されず、例えば、ジメチルスルホキシド(DMSO)や、1,2-ジメトキシエタン(DME)、プロピレンカーボネート(PC)などが挙げられ、このうち、DMSOがより好ましい。
[Deactivator]
Next, the deactivator will be explained. Inactivating agents include redox shuttle agents and non-aqueous solvents. The non-aqueous solvent contained in the deactivator is not particularly limited as long as it co-inserts into the carbon material. Examples include dimethyl sulfoxide (DMSO), 1,2-dimethoxyethane (DME), propylene carbonate ( PC) and the like, among which DMSO is more preferable.

不活性化剤に含まれるレドックスシャトル剤は、酸化還元電位がLi基準電位で、不活性化の対象となる非水系二次電池の負極活物質よりも高く、不活性化の対象となる非水系二次電池の正極活物質よりも低いものである。また、このレドックスシャトル剤は、Li基準電位で3.0V未満のものが好ましい。レドックスシャトル剤の酸化還元電位は、サイクリックボルタンメトリーで求めることができる。具体的には、レドックスシャトル剤の酸化還元電位E0(V)は、サイクリックボルタンメトリーで求めた酸化側のピーク電位をEa(V)、還元側のピーク電位をEc(V)としたときに、E0=(Ea+Ec)/2で求められる。電位窓内に2つ以上の酸化還元電位がある場合には、全ての酸化還元電位が3.0V未満(好ましくは後述する好適範囲内)であることが好ましい。サイクリックボルタンメトリーは、非水系溶媒と支持塩とレドックスシャトル剤と含む測定溶液に対して行うことが好ましい。測定溶液の非水系溶媒としては、目的とする不活性化剤の非水系溶媒と同種のものとしてもよい。測定溶液の支持電解質としては、例えば、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiClO4 などの無機塩や、LiCF3SO3、LiN(CF3SO22、LiC(CF3SO23、などの有機塩が挙げられ、これらを単独又は組み合わせて用いることができる。測定溶液の支持電解質は、不活性化の対象となる非水系二次電池の支持塩と同種のものとしてもよい。測定溶液中の支持電解質の濃度は、0.1mol/L以上5mol/L以下としてもよく、0.5mol/L以上2mol/L以下としてもよく、不活性化の対象となる非水系二次電池のイオン伝導媒体中の支持塩の濃度と同じとしてもよい。測定溶液中のレドックスシャトル剤の濃度は、1mmol/L以上溶解度以下としてもよく、30mmol/L以上溶解度以下としてもよく、50mmol/L以上100mmol/L以下としてもよい。測定溶液中のレドックスシャトル剤の濃度は、目的とする不活性化剤のレドックスシャトル剤の濃度と同じとしてもよい。 The redox shuttle agent contained in the inactivating agent has an oxidation-reduction potential at the Li reference potential, which is higher than the negative electrode active material of the non-aqueous secondary battery to be inactivated, and the non-aqueous system to be inactivated. It is lower than the positive electrode active material of the secondary battery. Moreover, this redox shuttle agent preferably has a Li reference potential of less than 3.0V. The redox potential of the redox shuttle agent can be determined by cyclic voltammetry. Specifically, the oxidation-reduction potential E 0 (V) of the redox shuttle agent is obtained when Ea (V) is the peak potential on the oxidation side and Ec (V) is the peak potential on the reduction side obtained by cyclic voltammetry. , E 0 =(Ea+Ec)/2. If there are two or more redox potentials within the potential window, it is preferred that all redox potentials be less than 3.0 V (preferably within the preferred range described below). Cyclic voltammetry is preferably performed on a measurement solution containing a non-aqueous solvent, a supporting salt and a redox shuttle agent. The non-aqueous solvent for the measurement solution may be of the same type as the non-aqueous solvent for the intended deactivator. Examples of the supporting electrolyte of the measurement solution include inorganic salts such as LiPF6 , LiBF4 , LiAsF6 and LiClO4 , LiCF3SO3 , LiN( CF3SO2 ) 2 , LiC( CF3SO2 ) 3 , and organic salts such as these can be used alone or in combination. The supporting electrolyte of the measurement solution may be of the same type as the supporting electrolyte of the non-aqueous secondary battery to be deactivated. The concentration of the supporting electrolyte in the measurement solution may be 0.1 mol/L or more and 5 mol/L or less, or 0.5 mol/L or more and 2 mol/L or less. may be the same as the concentration of the supporting salt in the ion-conducting medium. The concentration of the redox shuttle agent in the measurement solution may be 1 mmol/L or more and the solubility or less, 30 mmol/L or more and the solubility or less, or 50 mmol/L or more and 100 mmol/L or less. The concentration of the redox shuttle agent in the measurement solution may be the same as that of the target inactivating agent.

レドックスシャトル剤は、酸化還元電位がLi基準電位で3.0V未満であるものが好ましく、0.5V以上3.0V未満が好ましく、1.0V以上3.0V未満のものがより好ましく、1.5V以上2.9V以下のものがさらに好ましい。酸化還元電位がLi基準電位で3.0V未満のレドックスシャトル剤としては、例えば、キノン類縁体やビオロゲン類縁体などが挙げられる。キノン類縁体とは、キノン及びキノン誘導体をいい、ビオロゲン類縁体とは、ビオロゲン及びビオロゲン誘導体をいうものとする。ビオロゲン類は、4,4’-ビピリジン骨格の二つのピリジン環窒素原子に各々炭化水素基が結合した構造を有する化合物である。 The redox shuttle agent preferably has an oxidation-reduction potential of less than 3.0 V, preferably 0.5 V or more and less than 3.0 V, more preferably 1.0 V or more and less than 3.0 V. A voltage of 5 V or more and 2.9 V or less is more preferable. Examples of the redox shuttle agent having an oxidation-reduction potential of less than 3.0 V relative to the Li reference potential include quinone analogues and viologen analogues. A quinone analog means quinone and a quinone derivative, and a viologen analog means a viologen and a viologen derivative. Viologens are compounds having a structure in which hydrocarbon groups are respectively bonded to two pyridine ring nitrogen atoms of a 4,4'-bipyridine skeleton.

キノン類縁体は、芳香族炭化水素骨格の2つの炭素上のC-H基を各々C=O基に置き換えた構造を有する化合物である。キノン類縁体は、4~7員環の芳香族炭化水素骨格を有するものとしてもよく、6員環の芳香族炭化水素骨格を有するもの(ベンゾキノン構造を有するもの)が好ましい。キノン類縁体は、例えば、式(q1)のp-ベンゾキノン構造や、式(q2)のo-ベンゾキノン構造を有するものとしてもよく、式(q1)のp-ベンゾキノン構造を有するものが好ましい。キノン類縁体は、芳香族炭化水素骨格の炭素のうちC=O基を構成しない炭素の1以上に、炭化水素基や、カルボキシル基、アルコキシ基、ニトロ基、アミノ基、ハロゲン(F、Cl、Br等)などの置換基が導入された構造を有していてもよい。炭化水素基としては、例えば、鎖状(直鎖でもよいし分岐鎖を有していてもよい)の炭化水素基や環状の炭化水素基が好ましい。鎖状の炭化水素基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デカニル基、ウンデカニル基、ドデカニル基などのアルキル基;ビニル基、プロペニル基、ブテニル基、ペンテニル基、ヘプテニル基、オクテニル基、ノネニル基、デセニル基、ウンデセニル基、ドデセニル基などのアルケニル基などが挙げられる。また、環状の炭化水素基としては、シクロプロピル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、シクロヘプチル基などのシクロアルキル基;フェニル基、ナフチル基などのアリール基などが挙げられる。また、これらの炭化水素基は、カルボキシル基、アルコキシ基、ニトロ基、アミノ基、ハロゲン(F、Cl、Br等)などの置換基を有していてもよい。炭化水素基は、これらのうち、直鎖のアルキル基が好ましく、置換基を有さないものが好ましい。炭化水素基は、各々、炭素数20以下が好ましく、10以下がより好ましく、6以下がさらに好ましい。キノン類縁体は、置換基を複数有する場合、置換基同士が結合して環を形成していてもよい。置換基同士が結合して環を形成したキノン類縁体としては、例えば、ナフトキノン(1,4-ナフトキノンや1,2-ナフトキノン等)、アントラキノン(9,10-アントラキノン等)、それらの誘導体などが挙げられる。キノン類縁体は、炭素数20以下が好ましく、14以下がより好ましく、10以下がさらに好ましい。 A quinone analogue is a compound having a structure in which C—H groups on two carbon atoms of an aromatic hydrocarbon skeleton are each replaced with a C═O group. The quinone analog may have a 4- to 7-membered ring aromatic hydrocarbon skeleton, and preferably has a 6-membered ring aromatic hydrocarbon skeleton (having a benzoquinone structure). The quinone analog may have, for example, the p-benzoquinone structure of formula (q1) or the o-benzoquinone structure of formula (q2), and preferably has the p-benzoquinone structure of formula (q1). A quinone analog has a hydrocarbon group, a carboxyl group, an alkoxy group, a nitro group, an amino group, a halogen (F, Cl, Br, etc.) may have a structure in which a substituent such as Br is introduced. The hydrocarbon group is preferably, for example, a chain hydrocarbon group (which may be linear or branched) or a cyclic hydrocarbon group. Chain hydrocarbon groups include alkyl groups such as methyl group, ethyl group, propyl group, butyl group, pentyl group, hexyl group, heptyl group, octyl group, nonyl group, decanyl group, undecanyl group and dodecanyl group; alkenyl groups such as groups, propenyl groups, butenyl groups, pentenyl groups, heptenyl groups, octenyl groups, nonenyl groups, decenyl groups, undecenyl groups and dodecenyl groups; The cyclic hydrocarbon group includes cycloalkyl groups such as cyclopropyl group, cyclopentyl group, cyclohexyl group and cycloheptyl group; and aryl groups such as phenyl group and naphthyl group. Moreover, these hydrocarbon groups may have substituents such as carboxyl groups, alkoxy groups, nitro groups, amino groups, and halogens (F, Cl, Br, etc.). Among these, the hydrocarbon group is preferably a straight-chain alkyl group, and preferably has no substituent. Each of the hydrocarbon groups preferably has 20 or less carbon atoms, more preferably 10 or less, and even more preferably 6 or less. When the quinone analogue has a plurality of substituents, the substituents may combine to form a ring. Examples of quinone analogs in which substituents are bonded to form a ring include naphthoquinone (1,4-naphthoquinone, 1,2-naphthoquinone, etc.), anthraquinone (9,10-anthraquinone, etc.), derivatives thereof, and the like. mentioned. The quinone analog preferably has 20 or less carbon atoms, more preferably 14 or less carbon atoms, and still more preferably 10 or less carbon atoms.

Figure 2023064805000001
Figure 2023064805000001

キノン類縁体としては、具体的には、p-ベンゾキノン(式(q3))や、メチル-p-ベンゾキノン(式(q4))、2,5-ジメチル-1,4-ベンゾキノン(式(q5))、メトキシベンゾキノン(式(q6))、2,5-ジヒドロキシ-1,4-ベンゾキノン(式(q7))、1,4-ナフトキノン(式(q8))、2-メチル-1,4-ナフトキノン(式(q9))、2,3-ジクロロ-1,4-ナフトキノン(式(q10))、2-ヒドロキシ-1,4-ナフトキノン(式(q11))、アントラキノン(式(q12))、2-メチルアントラキノン(式(q13))、2-tert-ブチルアントラキノン(式(q14))、1-クロロアントラキノン(式(q15))、1,4-ジヒドロキシアントラキノン(式(q16))、1-ニトロアントラキノン(式(q17))などが挙げられる。このうち、レドックスシャトル剤は、p-ベンゾキノンや、1,4-ナフトキノンが好ましい。 Specific examples of quinone analogues include p-benzoquinone (formula (q3)), methyl-p-benzoquinone (formula (q4)), 2,5-dimethyl-1,4-benzoquinone (formula (q5) ), methoxybenzoquinone (formula (q6)), 2,5-dihydroxy-1,4-benzoquinone (formula (q7)), 1,4-naphthoquinone (formula (q8)), 2-methyl-1,4-naphthoquinone (formula (q9)), 2,3-dichloro-1,4-naphthoquinone (formula (q10)), 2-hydroxy-1,4-naphthoquinone (formula (q11)), anthraquinone (formula (q12)), 2 -methylanthraquinone (formula (q13)), 2-tert-butylanthraquinone (formula (q14)), 1-chloroanthraquinone (formula (q15)), 1,4-dihydroxyanthraquinone (formula (q16)), 1-nitro and anthraquinone (formula (q17)). Among these, the redox shuttle agent is preferably p-benzoquinone or 1,4-naphthoquinone.

Figure 2023064805000002
Figure 2023064805000002

この不活性化剤としては、レドックスシャトル剤としてp-ベンゾキノン及び1,4-ナフトキノンのうち1以上、非水系溶媒としてDMSOを含むものがより好ましい。このレドックスシャトル剤と非水系溶媒との組合せでは、レドックスシャトル剤の酸化体及び還元体が非水系溶媒との相互作用によって安定化され、レドックスシャトル剤がより安定した酸化還元を示すと考えられる。 More preferably, the inactivating agent contains one or more of p-benzoquinone and 1,4-naphthoquinone as a redox shuttle agent and DMSO as a non-aqueous solvent. In the combination of the redox shuttle agent and the non-aqueous solvent, the oxidized form and reduced form of the redox shuttle agent are stabilized by interaction with the non-aqueous solvent, and the redox shuttle agent is thought to exhibit more stable oxidation-reduction.

レドックスシャトル剤は、不活性化剤に含まれる非水溶媒に対する20℃での溶解度が1mmol/L以上であることが好ましく、30mmol/L以上であることがより好ましく、50mmol/L以上であることがさらに好ましい。レドックスシャトル剤の溶解度が高いほど不活性化剤のレドックスシャトル剤濃度を高めることが可能であり、不活性化剤のレドックスシャトル剤濃度が高いほど電気自動車(EV)用など高エネルギー密度の電池を短時間で放電させることができるからである。上述したキノン類縁体やビオロゲン類縁体は、非水系溶媒への溶解度が比較的高いため、これらをレドックスシャトル剤とすれば、不活性化剤に含まれるレドックスシャトル剤の濃度を高めることができ、好ましい。レドックスシャトル剤は、不活性化剤に含まれる非水溶媒に対する20℃での溶解度が1000mmol/L以下としてもよく、100mmol/L以下としてもよい。 The redox shuttle agent preferably has a solubility of 1 mmol/L or more, more preferably 30 mmol/L or more, and 50 mmol/L or more at 20° C. in the non-aqueous solvent contained in the deactivating agent. is more preferred. The higher the solubility of the redox shuttle agent, the higher the concentration of the redox shuttle agent in the deactivator. This is because it can be discharged in a short time. Since the quinone analogues and viologen analogues described above have relatively high solubility in non-aqueous solvents, if these are used as redox shuttle agents, the concentration of the redox shuttle agent contained in the inactivating agent can be increased. preferable. The redox shuttle agent may have a solubility of 1000 mmol/L or less, or 100 mmol/L or less at 20° C. in the non-aqueous solvent contained in the deactivating agent.

不活性化剤に含まれるレドックスシャトル剤の濃度は、1mmol/L以上が好ましく、30mmol/L以上がより好ましく、50mmol/L以上がさらに好ましい。レドックスシャトル剤の濃度が高いほど、電気自動車(EV)用など高エネルギー密度の電池を短時間で放電させることができるからである。不活性化剤に含まれるレドックスシャトル剤の濃度は、溶解度以下としてもよく、100mmol/L以下としてもよい。 The concentration of the redox shuttle agent contained in the deactivator is preferably 1 mmol/L or higher, more preferably 30 mmol/L or higher, and even more preferably 50 mmol/L or higher. This is because the higher the concentration of the redox shuttle agent, the faster the battery with high energy density such as an electric vehicle (EV) can be discharged. The concentration of the redox shuttle agent contained in the inactivating agent may be below the solubility, or may be below 100 mmol/L.

不活性化剤は、レドックスシャトル剤以外には溶質(例えば支持塩)を含まないことが好ましく、レドックスシャトル剤以外の溶質を含むとしても、0.1mmol/L未満や0.01mmol/L未満であることが好ましい。不活性化剤において、レドックスシャトル剤以外の溶質が少ないほど、粘度が低い傾向にあるため、不活性化がより迅速に進行するからである。こうした観点から、不活性化剤は、支持塩を含まないことが好ましいが、支持塩を含んでいてもよい。支持塩としては、例えば、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiClO4などの無機塩、及びLiCF3SO3、LiN(CF3SO22、LiC(CF3SO23などの有機塩などが挙げられる。支持塩は、不活性化の対象となる非水系二次電池のイオン伝導媒体に含まれる支持塩と同じでもよいし、異なってもよい。 The inactivating agent preferably does not contain a solute (for example, a supporting salt) other than the redox shuttle agent. Preferably. This is because the less the solute other than the redox shuttle agent is in the deactivator, the lower the viscosity tends to be, and the more rapidly deactivation proceeds. From this point of view, the inactivating agent preferably does not contain a supporting salt, but may contain a supporting salt. Examples of supporting salts include inorganic salts such as LiPF6 , LiBF4 , LiAsF6 and LiClO4 , and organic salts such as LiCF3SO3 , LiN( CF3SO2 ) 2 and LiC( CF3SO2 ) 3 . etc. The supporting salt may be the same as or different from the supporting salt contained in the ion-conducting medium of the non-aqueous secondary battery to be deactivated.

[不活性化方法]
続いて、上述した不活性化剤を用いて上述した非水系二次電池を不活性化する方法について説明する。この不活性化方法は、非水系二次電池の内部に不活性化剤を添加する添加工程を含む。
[Deactivation method]
Next, a method for deactivating the above-described non-aqueous secondary battery using the above-described deactivating agent will be described. This deactivation method includes an addition step of adding a deactivator to the interior of the non-aqueous secondary battery.

添加工程では、炭素材料を活物質として含む電極を有する非水系二次電池の内部に上述した不活性化剤を添加する。具体的には、非水系二次電池の正極及び負極と不活性化剤とが接触するように、不活性化剤を添加する。不活性化剤の添加方法は、特に限定されないが、電池容器を一旦開封して不活性化剤を注入した後、必要に応じて再び封止してもよいし、電池容器の外部から注射器によって注入したあと、必要に応じて封止してもよい。添加工程は、アルゴン雰囲気などの不活性雰囲気下で行うことが好ましい。 In the adding step, the above-described deactivator is added inside a non-aqueous secondary battery having an electrode containing a carbon material as an active material. Specifically, the deactivator is added so that the positive and negative electrodes of the non-aqueous secondary battery are in contact with the deactivator. The method of adding the deactivator is not particularly limited, but after the battery container is once opened and the deactivator is injected, it may be sealed again if necessary, or the battery container may be injected with a syringe from the outside. After injection, it may be sealed if desired. The adding step is preferably performed under an inert atmosphere such as an argon atmosphere.

不活性化剤の添加量は、非水系二次電池のサイズなどに応じて適宜選択すればよく、例えば、0.1mL以上10mL未満としてもよく、0.5mL以上5.0mL以下としてもよい。不活性化剤の添加量は、例えば、不活性化の対象となる非水系二次電池に含まれるイオン伝導媒体の体積[mL]に対して、0.1%以上500%以下としてもよく、10%以上300%以下としてもよい。非水系二次電池に投入されるレドックスシャトル剤の添加量は、例えば、不活性化の対象となる非水系二次電池の満充電時の電池容量[Ah]あたり、0.0001mol/Ah以上0.1mol/Ah以下としてもよく、0.001mol/Ah以上0.01mol/Ah以下としてもよい。 The amount of the deactivator to be added may be appropriately selected according to the size of the non-aqueous secondary battery, and may be, for example, 0.1 mL or more and less than 10 mL, or 0.5 mL or more and 5.0 mL or less. The amount of the deactivator added may be, for example, 0.1% or more and 500% or less with respect to the volume [mL] of the ion conductive medium contained in the non-aqueous secondary battery to be deactivated. It may be 10% or more and 300% or less. The amount of the redox shuttle agent added to the non-aqueous secondary battery is, for example, 0.0001 mol/Ah or more per battery capacity [Ah] at full charge of the non-aqueous secondary battery to be deactivated. .1 mol/Ah or less, or 0.001 mol/Ah or more and 0.01 mol/Ah or less.

この添加工程は、銅を含む負極集電体を有する非水系二次電池に対して行うことが好ましい。銅は、上述した通り酸化還元電位がLi基準電位で約3.0~3.5Vであるため、不活性化の際、負極電位を3.0V未満に保てば銅の溶出が抑制されるためである。また、この添加工程は、黒鉛類を負極活物質とする非水系二次電池に対して行うことが好ましい。非水電解液は、共挿入するものであり、層状構造に挿入されて、電極合材の分解に寄与するためである。また、この添加工程では、残容量SOC(State of charge)が10%以上、あるいは20%以上、より好ましくは50%以上、更に好ましくは80%以上である非水系二次電池を用いることが好ましい。SOCが50%以上など、炭素材料の層間に存在するリチウムイオンが多い場合は、相互作用により非水系溶媒の共挿入が進み易く、好ましい。 This addition step is preferably performed on a non-aqueous secondary battery having a negative electrode current collector containing copper. As described above, copper has an oxidation-reduction potential of about 3.0 to 3.5 V with respect to the Li reference potential, so during deactivation, if the negative electrode potential is kept below 3.0 V, the elution of copper is suppressed. It's for. Moreover, it is preferable that this adding step is performed for a non-aqueous secondary battery using graphite as a negative electrode active material. This is because the non-aqueous electrolyte co-inserts and is inserted into the layered structure to contribute to the decomposition of the electrode mixture. In addition, in this addition step, it is preferable to use a non-aqueous secondary battery having a remaining capacity SOC (State of charge) of 10% or more, or 20% or more, more preferably 50% or more, and still more preferably 80% or more. . When there are many lithium ions between the layers of the carbon material, such as when the SOC is 50% or more, coinsertion of the non-aqueous solvent easily proceeds due to interaction, which is preferable.

添加工程後の非水系二次電池は、例えば、静置して保持してもよいし、加振しながら保持してもよい。保持時間は、不活性化が完了するまでの時間として経験的に定められる時間とすればよいが、例えば、6時間以上500時間以下としてもよく、30時間以上300時間以下としてもよく、50時間以上200時間以下としてもよい。 For example, the non-aqueous secondary battery after the addition step may be held stationary or may be held while being vibrated. The retention time may be a time determined empirically as the time until the inactivation is completed. It may be 200 hours or less.

この不活性化方法で非水系二次電池が不活性化するメカニズムは、以下のように推察される。図2は、非水系二次電池が不活性化するメカニズムを示す説明図である。正極電位より低く負極電位より高い酸化還元電位を示すレドックスシャトル剤(図中のRS)を電池に添加すると、正極あるいは負極とレドックスシャトル剤の電位差を駆動力として、負極からレドックスシャトル剤およびレドックスシャトル剤から正極への電子移動が進行し、電池が放電する。具体的には、レドックスシャトル剤の還元体(図中のRS(red))が正極に電子を与えて酸化体(図中のRS(ox))となり、レドックスシャトル剤の酸化体が負極から電子を受け取って還元体となる、という動作が繰り返し進行し、電池が放電する。正極電位あるいは負極電位がレドックスシャトル剤の酸化還元電位に等しくなると、その電極の放電はそれ以上進行しなくなる。従って、正極電位と負極電位は、最終的にはレドックスシャトル剤の電位に等しくなり、不活性化が完了する。なお、「不活性化が完了」とは、少なくとも非水系二次電池のSOCが0%になるまで放電されていることをいうものとしてもよい。SOCが0%になるまで放電されていれば、例えばLi基準電位で1.5V超過3.0V未満など、負極電位が低すぎないため、イオン伝導媒体である電解液等の分解によるガス発生が生じにくく、電極自体の安全性も高い。したがって、不活性化後のリサイクルや廃棄を安全に行うことができる。不活性化後の電池電圧は低いほどスパークが起こりにくいため好ましく、例えば、3.0V以下としてもよく、1.2V以下や、1.0V以下、0.5V以下などとすることがより好ましい。また、図3は、レドックスシャトル剤としてp-ベンゾキノンあるいは1,4-ナフトキノンを用いた場合の酸化還元反応の具体例である。これらの反応では、一電子還元によりラジカルアニオンが、二電子還元によりジアニオンが生成する。図4は、黒鉛の結晶構造を示す説明図である。共挿入する非水系溶媒は、図4に示したグラフェン層の層間に挿入され、この積層構造を分解するものと考えられ、これにより、電極合材が集電体から剥離するものと推察される。 The mechanism by which the non-aqueous secondary battery is deactivated by this deactivation method is presumed as follows. FIG. 2 is an explanatory diagram showing a mechanism of non-aqueous secondary battery inactivation. When a redox shuttle agent (RS in the figure) that exhibits an oxidation-reduction potential lower than the positive electrode potential and higher than the negative electrode potential is added to the battery, the redox shuttle agent and the redox shuttle are released from the negative electrode using the potential difference between the positive electrode or the negative electrode and the redox shuttle agent as a driving force. Electron transfer from the agent to the positive electrode progresses, and the battery discharges. Specifically, the reduced form of the redox shuttle agent (RS (red) in the figure) gives electrons to the positive electrode to become the oxidized form (RS (ox) in the figure). and become a reductant repeatedly, and the battery discharges. When the positive electrode potential or the negative electrode potential becomes equal to the oxidation-reduction potential of the redox shuttle agent, the discharge of that electrode no longer progresses. Therefore, the positive electrode potential and the negative electrode potential finally become equal to the potential of the redox shuttle agent, and deactivation is completed. Note that "completion of deactivation" may mean that the non-aqueous secondary battery is discharged at least until the SOC of the non-aqueous secondary battery becomes 0%. If the SOC is discharged to 0%, the negative electrode potential is not too low, such as more than 1.5 V and less than 3.0 V at the Li reference potential, so gas is generated due to decomposition of the electrolyte, which is an ion conducting medium. It is less likely to occur, and the safety of the electrode itself is high. Therefore, recycling and disposal after deactivation can be safely performed. The lower the battery voltage after deactivation is, the less sparking is likely to occur, so it is preferable. FIG. 3 shows a specific example of redox reaction when p-benzoquinone or 1,4-naphthoquinone is used as the redox shuttle agent. In these reactions, one-electron reduction produces a radical anion, and two-electron reduction produces a dianion. FIG. 4 is an explanatory diagram showing the crystal structure of graphite. The co-inserting non-aqueous solvent is considered to be intercalated between the graphene layers shown in FIG. 4 and decompose this laminated structure, which is presumed to cause the electrode mixture to separate from the current collector. .

以上説明した不活性化剤及び不活性化方法では、炭素材料を電極活物質として含むものにおいて、リサイクル処理などの工程をより簡素化することができる。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。充電状態の非水系二次電池に、酸化還元電位が正極電位より低く負極電位より高いレドックスシャトル剤を添加すると、各電極とレドックスシャトル剤との電位差を駆動力として、電池の放電が進行し、電池の不活性化を図ることができる。さらに、レドックスシャトル剤の溶媒として共挿入する溶媒を用いており、電池の放電が進行すると同時に、炭素材料の活物質への溶媒の共挿入による剥離が進行し、集電箔と電極合材とを分離することができる。このため、不活性化処理と、電極の剥離処理とを別々に行うものに比して、工程をより簡素化することができる。 With the deactivating agent and the deactivating method described above, it is possible to further simplify processes such as recycling treatment in the case where the carbon material is included as the electrode active material. The reason why such an effect is obtained is presumed as follows, for example. When a redox shuttle agent whose redox potential is lower than the potential of the positive electrode and higher than the potential of the negative electrode is added to a non-aqueous secondary battery in a charged state, the potential difference between each electrode and the redox shuttle agent is used as a driving force to promote discharge of the battery. Inactivation of the battery can be achieved. Furthermore, a solvent that co-inserts is used as a solvent for the redox shuttle agent, and as the discharge of the battery progresses, delamination due to co-insertion of the solvent into the active material of the carbon material progresses, and the current collector foil and the electrode mixture are separated. can be separated. Therefore, the process can be simplified as compared with the case where the deactivation process and the electrode stripping process are performed separately.

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 embodied in various forms within the technical scope of the present disclosure.

例えば、上述した実施形態では、レドックスシャトル剤は、リチウム基準電位で3.0V未満の酸化還元電位を有するものが好ましいとしたが、非水系二次電池の負極活物質よりも高く非水系二次電池の正極活物質よりも低いものとすれば、特にこれに限定されず、3.0V以上の酸化還元電位を有するものとしてもよい。例えば、集電箔がCuでない場合など、電池部材に合わせた酸化還元電位を示すレドックスシャトル剤を用いるものとすればよい。このレドックスシャトル剤は、上記酸化還元剤として機能するものであれば酸化還元電位がLi基準電位で3.0V未満であるものに特に限定されず、例えば、フェロセンやTEMPO系化合物、フェノチアジン系化合物など、他の物質を用いるものとしてもよい。なお、TEMPO系化合物としては、例えば、2,2,6,6-テトラメチルピペリジン1-オキシル(TEMPO)、N-(3,3,5,5-テトラメチル-4-オキシピペリジル)ピレン-1-カルボキシアミド(Pyrene-TEMPO)、4-メトキシ-2,2,6,6-テトラメチルピペリジン-1-オキシルラジカル(MeO-TEMPO)、4-ヒドロキシ-2,2,6,6-テトラメチルピペリジン-1-オキシベンゾエート(BzO-TEMPO)、4-アセトアミド-2,2,6,6-テトラメチル-1-ピペリジニルオキシ(Ac-TEMPO)などが挙げられる。また、フェノチアジン系化合物としては、例えば、フェノチアジン、2-トリフルオロメチルフェノチアジン、2-メトキシフェノチアジン、10-メチルフェノチアジン、2-エチルチオフェノチアジン、2-メチルチオフェノチアジン、2-クロロフェノチアジン、2-アセチルフェノチアジンなどが挙げられる。 For example, in the above-described embodiments, the redox shuttle agent preferably has an oxidation-reduction potential of less than 3.0 V with reference to lithium. As long as it is lower than the positive electrode active material of the battery, it is not particularly limited to this, and it may have an oxidation-reduction potential of 3.0 V or higher. For example, when the current collector foil is not Cu, a redox shuttle agent that exhibits an oxidation-reduction potential that matches the battery member may be used. The redox shuttle agent is not particularly limited to those having an oxidation-reduction potential of less than 3.0 V relative to Li as long as it functions as the redox agent. Examples include ferrocene, TEMPO-based compounds, and phenothiazine-based compounds. , other substances may be used. TEMPO-based compounds include, for example, 2,2,6,6-tetramethylpiperidine 1-oxyl (TEMPO), N-(3,3,5,5-tetramethyl-4-oxypiperidyl)pyrene-1 - carboxamide (Pyrene-TEMPO), 4-methoxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl radical (MeO-TEMPO), 4-hydroxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine -1-oxybenzoate (BzO-TEMPO), 4-acetamido-2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidinyloxy (Ac-TEMPO) and the like. Examples of phenothiazine compounds include phenothiazine, 2-trifluoromethylphenothiazine, 2-methoxyphenothiazine, 10-methylphenothiazine, 2-ethylthiophenothiazine, 2-methylthiophenothiazine, 2-chlorophenothiazine, and 2-acetylphenothiazine. is mentioned.

以下には、本開示の非水系二次電池の不活性化剤及び不活性化方法を具体的に検討した例を実験例として説明する。実験例1、3~6が本開示の実施例に相当し、実験例2が参考例に相当し、実験例3が比較例に相当する。 Experimental examples will be described below in which the deactivating agent and the deactivating method for the non-aqueous secondary battery of the present disclosure are specifically investigated. Experimental Examples 1 and 3 to 6 correspond to Examples of the present disclosure, Experimental Example 2 corresponds to a Reference Example, and Experimental Example 3 corresponds to a Comparative Example.

(電極浸漬実験)
溶媒に電極を浸漬させ、電極剥離挙動の目視観察、剥離後の粉末の構造解析を実施した。まず、黒鉛負極と、LiNi1/3Co1/3Mn1/32正極からなるリチウムイオン電池を試験セルとして作製し、浸漬実験に用いる黒鉛負極を満充電状態にした。負極として黒鉛/カルボキシメチルセルロース/スチレンブタジエンゴム(質量比98:1:1)のスラリーを集電体としての銅箔に塗工し、120℃で真空乾燥させたものを用いた。正極としてLiNi1/3Co1/3Mn1/32/アセチレンブラック/ポリフッ化ビニリデン(質量比93:4:3)のスラリーを集電体としてのアルミニウム箔に塗工し120℃で真空乾燥させたものを用いた。電解液としてエチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)の混合溶媒(体積比3:4:3)にヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)を濃度1mol/L溶解したものを用いた。セパレータとしてポリエチレン単層微多孔膜を用いた。正極と負極とを、電解液を浸み込ませたセパレータを介して対向させ、ラミネートフィルム内に封入した。このセルに対し、温度20℃、電圧範囲3~4.1Vで充放電を2サイクル実施したあと、4.1Vまで充電し、満充電状態にした。アルゴン雰囲気グローブボックス内で満充電状態にしたセルを解体し、黒鉛負極をDMCで洗浄した。洗浄後の黒鉛負極をジメチルスルホキシド(DMSO)に浸漬させて静置し、剥離の有無を目視で観察した(実験例1)。
(Electrode immersion experiment)
The electrode was immersed in a solvent, visual observation of electrode detachment behavior, and structural analysis of the powder after detachment were carried out. First, a lithium ion battery consisting of a graphite negative electrode and a LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 positive electrode was prepared as a test cell, and the graphite negative electrode used in the immersion experiment was fully charged. As a negative electrode, a slurry of graphite/carboxymethylcellulose/styrene-butadiene rubber (mass ratio 98:1:1) was coated on a copper foil as a current collector and vacuum-dried at 120°C. As a positive electrode, a slurry of LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 /acetylene black/polyvinylidene fluoride (mass ratio 93:4:3) was applied to an aluminum foil as a current collector, and vacuumed at 120°C. Dried ones were used. Lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) was dissolved at a concentration of 1 mol/L in a mixed solvent of ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), and ethyl methyl carbonate (EMC) (volume ratio 3:4:3) as an electrolytic solution. I used something. A polyethylene single-layer microporous membrane was used as a separator. The positive electrode and the negative electrode were opposed to each other via a separator impregnated with an electrolytic solution, and enclosed in a laminate film. This cell was subjected to two cycles of charge and discharge at a temperature of 20° C. and a voltage range of 3 to 4.1 V, and then charged to 4.1 V to be fully charged. The fully charged cell was disassembled in an argon atmosphere glove box, and the graphite negative electrode was washed with DMC. The washed graphite negative electrode was immersed in dimethyl sulfoxide (DMSO) and allowed to stand, and the presence or absence of peeling was visually observed (Experimental Example 1).

また、上記黒鉛電極を充電サイクル及び満充電する処理を行わずにDMSOへ浸漬し、剥離の有無を目視で観察したものを実験例2とした。また、実験例1と同様に、試験セルを作製し、充放電を2サイクルしたのち満充電状態にしたあと、解体して得られた電極を試験セルで用いた溶媒(EC/DMC/EMC)に浸漬し、剥離の有無を目視で観察したものを実験例3とした。 Experimental Example 2 was obtained by immersing the graphite electrode in DMSO without subjecting the graphite electrode to the charge cycle and full charge treatment, and visually observing the presence or absence of peeling. In addition, in the same manner as in Experimental Example 1, a test cell was prepared, and after two cycles of charging and discharging were brought to a fully charged state, the electrodes obtained by disassembling were used in the test cell. Experimental Example 3 was obtained by immersing the sample in a solution and visually observing the presence or absence of peeling.

(X線回折測定)
アルゴン雰囲気グローブボックス内で、上記集電体から剥離した粉末を真空濾過により回収し、自然乾燥させた。回収した粉末のX線回折パターンを大気非暴露の状態でX線回折装置(リガク製UltimaIV)を用いて測定した。X線はCuKα、測定範囲は2θ=10~50°とした。
(X-ray diffraction measurement)
In an argon atmosphere glove box, the powder separated from the current collector was collected by vacuum filtration and air-dried. The X-ray diffraction pattern of the recovered powder was measured using an X-ray diffractometer (Ultima IV manufactured by Rigaku Corporation) without exposure to air. The X-ray was CuKα, and the measurement range was 2θ=10 to 50°.

(サイクリックボルタンメトリー測定)
各溶媒中におけるレドックスシャトル剤の酸化還元特性をサイクリックボルタンメトリーにより測定し、非水系二次電池の不活性化剤としての性能を評価した。DMSO溶媒に、レドックスシャトル剤としてp-ベンゾキノンあるいは1,4-ナフトキノンを0.05mol/L、支持塩としてリチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiTFSI)を1mol/Lを溶解させ、測定溶液とした。 レドックスシャトル剤としてp-ベンゾキノンを用いたものを実験例4とし、1,4-ナフトキノンを用いたものを実験例5とした。作用極としてグラッシーカーボン、対極として金属リチウム、参照電極としてニッケル線に金属リチウムを圧着したものを用いて三極式H型セルを作製し、2.0~3.5Vvs.Li/Li+で電位を掃引させたときの電流応答を得た。なお、サイクリックボルタンメトリーは、電気化学測定システム(バイオロジック社製、VMP3)を用い、測定条件は、温度20℃、電位掃引速度50mV/secとした。
(Cyclic voltammetry measurement)
The redox properties of the redox shuttle agent in each solvent were measured by cyclic voltammetry to evaluate its performance as a deactivator for non-aqueous secondary batteries. 0.05 mol/L of p-benzoquinone or 1,4-naphthoquinone as a redox shuttle agent and 1 mol/L of lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI) as a supporting salt were dissolved in a DMSO solvent to prepare a measurement solution. . Experimental Example 4 uses p-benzoquinone as the redox shuttle agent, and Experimental Example 5 uses 1,4-naphthoquinone. A three-electrode H-type cell was fabricated using glassy carbon as the working electrode, metallic lithium as the counter electrode, and metallic lithium pressed against a nickel wire as the reference electrode. The current response was obtained when the potential was swept with Li/Li + . For cyclic voltammetry, an electrochemical measurement system (VMP3, manufactured by Biologic Inc.) was used, and the measurement conditions were a temperature of 20° C. and a potential sweep rate of 50 mV/sec.

(電池不活性化評価)
不活性化剤の添加による電池の不活性化および負極の剥離挙動を評価した。不活性化剤として、DMSOにp-ベンゾキノンあるいは1,4-ナフトキノンを0.05mol/L溶解させたものを用い、それぞれ実験例6、7とした。評価に用いたリチウムイオン二次電池は、実験例1の試験セルと同様である。満充電状態(電圧4.1V)の電池をアルゴン雰囲気下で開封し、上記の不活性化液を1.268mL(電池容量の10%相当量)注入した。電池を再度封じて、温度20℃で電池電圧変化を測定した。測定終了後、アルゴン雰囲気グローブボックス内で電池を解体し、負極の剥離状態を目視で観察した。
(Battery deactivation evaluation)
Deactivation of the battery and detachment behavior of the negative electrode by addition of the deactivator were evaluated. As an inactivating agent, 0.05 mol/L of p-benzoquinone or 1,4-naphthoquinone dissolved in DMSO was used as experimental examples 6 and 7, respectively. The lithium ion secondary battery used for evaluation is the same as the test cell of Experimental Example 1. A battery in a fully charged state (voltage of 4.1 V) was unsealed in an argon atmosphere, and 1.268 mL of the above-mentioned deactivating liquid (equivalent to 10% of the battery capacity) was injected. The battery was resealed and the battery voltage change was measured at a temperature of 20°C. After the measurement was completed, the battery was disassembled in an argon atmosphere glove box, and the state of peeling of the negative electrode was visually observed.

(結果と考察)
電極浸漬実験の結果を表1に示す。満充電状態(電圧4.1V)のリチウムイオン二次電池から取り出した黒鉛負極をDMSOに浸漬した結果、負極合材が銅箔から剥離した(実験例1)。図5は、溶液の真空濾過により剥離した粉末を回収し、X線回折測定を行ったXRDパターンである。比較のため、活物質として使用した黒鉛粉末のXRDパターンをあわせて示した。黒鉛粉末のXRDパターンでは、2θ=26.6°に非常にシャープなピークが確認された。これは、黒鉛の(002)面に対応するピークである。一方、実験例1において剥離した粉末のXRDパターンでは、黒鉛の(002)面に対応するピーク強度が非常に低下していた。これは、黒鉛のc軸方向の長距離秩序が失われたことを示唆しており、黒鉛からグラフェン層(図4参照)が剥離した際に見られる挙動である(参考文献1:Adv. Energy Mater. 7 (2017) 1700418.)。リチウムイオン電池においてグラフェン層の剥離は、例えば、充電時に黒鉛のグラフェン層間にリチウムイオンが溶媒和された状態で挿入(共挿入)する場合に起こり得る。共挿入は、溶媒とリチウムイオン間における溶媒和エネルギー(負の値)の絶対値が大きい場合に進行すると考えられており、例えば電解液溶媒としてDMSO、1,2-ジメトキシエタン(DME)、プロピレンカーボネート(PC)を使用した例が報告されている(参考文献2:J. Phys. Chem. C 114 (2010) 11680-11685.)。本発明の実験例1における電極剥離メカニズムは明らかでないが、XRDパターンからグラフェン層の剥離が示唆されたこと、なおかつリチウムイオンと安定な溶媒和構造を形成するDMSO溶媒においてグラフェン層の剥離が確認されたことを踏まえると、実験例1では共挿入によるグラフェン層の剥離に起因して、銅箔から合材が剥離したと推察された。
(Results and discussion)
Table 1 shows the results of the electrode immersion experiment. A graphite negative electrode taken out from a lithium ion secondary battery in a fully charged state (voltage 4.1 V) was immersed in DMSO, and as a result, the negative electrode mixture was peeled off from the copper foil (Experimental Example 1). FIG. 5 is an XRD pattern obtained by collecting the powder exfoliated by vacuum filtration of the solution and performing X-ray diffraction measurement. For comparison, the XRD pattern of the graphite powder used as the active material is also shown. A very sharp peak was confirmed at 2θ=26.6° in the XRD pattern of the graphite powder. This is the peak corresponding to the (002) plane of graphite. On the other hand, in the XRD pattern of the exfoliated powder in Experimental Example 1, the peak intensity corresponding to the (002) plane of graphite was very low. This suggests that the long-range order in the c-axis direction of graphite has been lost, and is the behavior seen when the graphene layer (see FIG. 4) is peeled off from graphite (Reference 1: Adv. Energy Mater. 7 (2017) 1700418.). In a lithium ion battery, exfoliation of graphene layers may occur, for example, when lithium ions are solvated and inserted (coinsert) between the graphene layers of graphite during charging. Coinsertion is believed to proceed when the absolute value of the solvation energy (negative value) between the solvent and lithium ions is large. An example using carbonate (PC) has been reported (Reference 2: J. Phys. Chem. C 114 (2010) 11680-11685.). Although the electrode detachment mechanism in Experimental Example 1 of the present invention is not clear, the XRD pattern suggested detachment of the graphene layer, and the detachment of the graphene layer was confirmed in a DMSO solvent that forms a stable solvation structure with lithium ions. Based on this, it was speculated that in Experimental Example 1, the composite material was peeled from the copper foil due to the peeling of the graphene layers due to co-intercalation.

一方、未充電の黒鉛負極をDMSOに浸漬させた実験例2では、銅箔から負極合材が剥離しなかった。これは、黒鉛負極内にリチウムイオンが存在せず、共挿入が進行しないためであると考えられる。また、リチウムイオン電池の電解液溶媒として使用されるカーボネート系混合溶媒(EC/DMC/EMC,体積比3:4:3)に満充電の黒鉛負極を浸漬した実験例3では、銅箔から負極合材の剥離は進行しなかった。これは、参考文献2で述べられるように、EC、DMC、EMCとリチウムイオンとの溶媒和エネルギー(負の値)の絶対値が小さく、共挿入が進行しないためであると考えられた。以上のように、満充電状態の黒鉛負極をDMSOに浸漬すると、黒鉛のグラフェン層の剥離に起因して、電極合材が銅集電箔から剥離することが明らかになった。 On the other hand, in Experimental Example 2 in which an uncharged graphite negative electrode was immersed in DMSO, the negative electrode mixture did not separate from the copper foil. This is probably because lithium ions do not exist in the graphite negative electrode and co-insertion does not proceed. Further, in Experimental Example 3, in which a fully charged graphite negative electrode was immersed in a carbonate-based mixed solvent (EC/DMC/EMC, volume ratio 3:4:3) used as an electrolyte solvent for lithium-ion batteries, the copper foil was removed from the negative electrode. Peeling of the compound material did not progress. This is thought to be because, as described in reference 2, the absolute values of the solvation energies (negative values) between EC, DMC, EMC and lithium ions are small and coinsertion does not proceed. As described above, it has been clarified that when a fully charged graphite negative electrode is immersed in DMSO, the electrode mixture is separated from the copper current collector foil due to the separation of the graphene layer of the graphite.

Figure 2023064805000003
Figure 2023064805000003

図6は、DMSO溶媒におけるp-ベンゾキノンおよび1,4-ナフトキノンのサイクリックボルタンメトリー測定結果である(実験例4、5)。いずれの場合も、電位EaおよびEcにおいて、キノンの酸化および還元に対応するピークが確認された。標準酸化還元電位E0は、酸化のピーク電位Eaおよび還元ピーク電位Ecの中点(Ea+Ec)/2に等しいことから、DMSOにおけるp-ベンゾキノンおよび1,4-ナフトキノンの標準酸化還元電位E0は、Li基準電位で、それぞれ2.96Vおよび2.77Vであった。表2に実験例4,5の標準酸化還元電位をまとめた。なお、サイクリックボルタモグラムにおいて、電位Ea、Ecのピークの他に小さなピークがいくつか確認された。これは副反応として進行するキノンの二量体の酸化還元に起因すると推察された(参考文献3:Anal. Chem. 86 (2014) 10917-10924)。 FIG. 6 shows the results of cyclic voltammetry measurements of p-benzoquinone and 1,4-naphthoquinone in DMSO solvent (Experimental Examples 4 and 5). In both cases, peaks corresponding to quinone oxidation and reduction were identified at potentials Ea and Ec. Since the standard redox potential E 0 is equal to the midpoint of the peak oxidation potential Ea and the peak reduction potential Ec (Ea+Ec)/2, the standard redox potential E 0 of p-benzoquinone and 1,4-naphthoquinone in DMSO is , the Li reference potential was 2.96 V and 2.77 V, respectively. Table 2 summarizes the standard oxidation-reduction potentials of Experimental Examples 4 and 5. In the cyclic voltammogram, several small peaks were confirmed in addition to the peaks of the potentials Ea and Ec. It was presumed that this is due to oxidation-reduction of a quinone dimer that proceeds as a side reaction (Reference 3: Anal. Chem. 86 (2014) 10917-10924).

Figure 2023064805000004
Figure 2023064805000004

図7は、満充電状態(電圧4.1V)の電池に不活性化液を添加した後の電池電圧変化である(実験例6、7)。いずれの場合も、不活性化液の添加後、電池電圧の低下、即ち放電が進行した。不活性化液としてp-ベンゾキノン/DMSO溶液を用いた場合、電池電圧は、2時間後には3V、17時間後には1Vまで低下した。一方、不活性化液として1,4-ナフトキノン/DMSO溶液を用いた場合、電池電圧は、4時間後には3V、19時間後には1V、160時間後には0V付近まで低下した。不活性化後の電池を解体し、負極を目視観察したところ、いずれの場合も銅箔から負極合材が剥離していた。これは、実験例1で述べたように、DMSOと満充電状態の負極との反応により、黒鉛のグラフェン層の剥離が進行したことに起因すると推察された。以上より、不活性化剤の溶媒として共挿入されるDMSOを使用した場合、電池の放電と同時に、負極合材と銅集電箔の分離が可能であることがわかった。 FIG. 7 shows changes in battery voltage after adding a deactivating solution to a fully charged battery (voltage 4.1 V) (Experimental Examples 6 and 7). In both cases, after the addition of the deactivating liquid, the battery voltage decreased, that is, discharge proceeded. When a p-benzoquinone/DMSO solution was used as the deactivating liquid, the cell voltage dropped to 3 V after 2 hours and to 1 V after 17 hours. On the other hand, when a 1,4-naphthoquinone/DMSO solution was used as the deactivating solution, the battery voltage dropped to 3 V after 4 hours, to 1 V after 19 hours, and to nearly 0 V after 160 hours. When the inactivated batteries were disassembled and the negative electrodes were visually observed, the negative electrode mixture was peeled off from the copper foil in all cases. As described in Experimental Example 1, this was presumed to be due to the fact that the reaction between DMSO and the fully charged negative electrode progressed the exfoliation of the graphene layer of graphite. From the above, it was found that when the co-inserted DMSO was used as the solvent for the deactivator, the negative electrode mixture and the copper current collector foil could be separated simultaneously with the discharge of the battery.

なお、本開示は、上述した実施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施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 embodiments, and can be embodied in various forms as long as they fall within the technical scope of the present disclosure.

本発明は、電池産業の分野に利用可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used in the field of battery industry.

20 非水系二次電池、21 電池ケース、22 正極、23 負極、24 セパレータ、25 ガスケット、26 封口板、27 イオン伝導媒体。 20 non-aqueous secondary battery, 21 battery case, 22 positive electrode, 23 negative electrode, 24 separator, 25 gasket, 26 sealing plate, 27 ion conductive medium.

Claims (6)

炭素材料を活物質として含む電極を備えた非水系二次電池を不活性化する不活性化剤であって、
酸化還元電位がLi基準電位で前記非水系二次電池の負極活物質よりも高く前記非水系二次電池の正極活物質よりも低いレドックスシャトル剤と、
前記炭素材料に共挿入する非水系溶媒と、
を含む不活性化剤。
A deactivator for deactivating a non-aqueous secondary battery comprising an electrode containing a carbon material as an active material,
a redox shuttle agent having an oxidation-reduction potential higher than that of the negative electrode active material of the non-aqueous secondary battery and lower than that of the positive electrode active material of the non-aqueous secondary battery in Li reference potential;
a non-aqueous solvent co-inserted into the carbon material;
An inactivating agent containing
前記非水系溶媒は、ジメチルスルホキシドを含む、請求項1に記載の不活性化剤。 2. The deactivator of Claim 1, wherein the non-aqueous solvent comprises dimethylsulfoxide. 前記レドックスシャトル剤は、キノン類縁体を用いる、請求項1又は2に記載の不活性化剤。 The inactivating agent according to claim 1 or 2, wherein the redox shuttle agent uses a quinone analogue. 炭素材料を活物質として含む電極を備えた非水系二次電池を不活性化する不活性化方法であって、
請求項1~3のいずれか1項に記載の非水系二次電池の不活性化剤を前記非水系二次電池の内部に添加する添加工程、
を含む、非水系二次電池の不活性化方法。
A deactivation method for deactivating a non-aqueous secondary battery including an electrode containing a carbon material as an active material,
An adding step of adding the non-aqueous secondary battery deactivator according to any one of claims 1 to 3 to the inside of the non-aqueous secondary battery,
A method for deactivating a non-aqueous secondary battery, comprising:
前記添加工程では、黒鉛を負極活物質として備える前記非水系二次電池を用いる、請求項4に記載の不活性化方法。 5. The deactivation method according to claim 4, wherein in said adding step, said non-aqueous secondary battery including graphite as a negative electrode active material is used. 前記添加工程では、残容量SOCが50%以上の前記非水系二次電池を用いる、請求項4又は5に記載の不活性化方法。 6. The deactivation method according to claim 4, wherein said non-aqueous secondary battery having a remaining capacity SOC of 50% or more is used in said adding step.
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