JP2023156753A - aluminum secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アルミニウム二次電池に関する。 The present invention relates to an aluminum secondary battery.
従来より、繰り返し充放電が可能な二次電池が、各種用途に使用されている。中でもリチウムイオン二次電池は、その優れたエネルギー密度故、近年、需要が急増している。それに伴う技術革新も著しく、最近のリチウムイオン二次電池は、電池容量が理論容量に近付く一方、飛躍的な性能向上は困難になりつつある。リチウムイオン二次電池はまた、正極活物質としてリチウムやコバルトなどのレアメタルを使用するため、原材料供給の面での不安も抱えている。こうした理由から、リチウムとは異なる材料に基づく二次電池の開発が求められている。 Conventionally, secondary batteries that can be repeatedly charged and discharged have been used for various purposes. Among them, demand for lithium ion secondary batteries has increased rapidly in recent years due to their excellent energy density. Technological innovations associated with this have also been remarkable, and while the battery capacity of recent lithium ion secondary batteries is approaching its theoretical capacity, it is becoming difficult to dramatically improve performance. Lithium-ion secondary batteries also use rare metals such as lithium and cobalt as positive electrode active materials, so there are concerns about the supply of raw materials. For these reasons, there is a need to develop secondary batteries based on materials different from lithium.
こうした観点から、埋蔵量が豊富なアルミニウムを材料とする、新たな二次電池が検討されている。アルミニウムは体積当たりの容量がリチウムの約4倍と大きく、リチウムに比べて化学的に安定で、デンドライトも発生し難いため、電池材料として好適である。以前から一次電池の電極として用いられており、アルミニウムイオン二次電池の開発も進められている(例えば特許文献1~4、非特許文献1)。 From this perspective, new secondary batteries are being considered that are made from aluminum, which has abundant reserves. Aluminum has a capacity per volume about four times that of lithium, is chemically more stable than lithium, and is less likely to generate dendrites, so it is suitable as a battery material. It has long been used as an electrode for primary batteries, and development of aluminum ion secondary batteries is also progressing (for example, Patent Documents 1 to 4, Non-Patent Document 1).
また、正極に硫黄を用いたアルミニウム硫黄電池も、現時点では実用段階とは言い難いものの、学術的な検討がなされている(例えば非特許文献1及び2)。アルミニウム硫黄電池は、理論容量が約1675Wh/kgと、リチウムイオン電池の7~8倍程度あり、次世代電池として特に期待が持たれている。 Further, aluminum-sulfur batteries using sulfur as a positive electrode are also being studied academically, although they are currently not at a practical stage (for example, Non-Patent Documents 1 and 2). Aluminum-sulfur batteries have a theoretical capacity of about 1,675 Wh/kg, which is about 7 to 8 times that of lithium-ion batteries, and are particularly promising as next-generation batteries.
尚、二次電池は、車両搭載用やパソコン、携帯端末等の用途において、後記するようなラミネート電池の形で使用される場合が多い。ラミネート電池とは、正極、負極、及びセパレーターを備えた電池(単電池)を、所望により複数個直列に接続した上で、ラミネートフィルム製の外装材に収容した電池である。ラミネート型電極、パウチ電池等とも呼ばれ、軽量でエネルギー密度が高い、安全性が高い、組電池を形成し易いといった利点がある。 Incidentally, secondary batteries are often used in the form of a laminate battery as described later for use in vehicles, personal computers, mobile terminals, and the like. A laminate battery is a battery in which a plurality of batteries (unit cells) each having a positive electrode, a negative electrode, and a separator are connected in series, if desired, and then housed in an exterior material made of a laminate film. Also called laminated electrodes, pouch batteries, etc., they have the advantages of being lightweight, high energy density, high safety, and easy to form assembled batteries.
しかしながらアルミニウム二次電池は、放電電圧や充放電効率が低い、電極が劣化し易い、サイクル寿命が短いといった課題を抱えている。一般にアルミニウム二次電池では、電解質としてAlCl4 -等のハロゲン化アルミネートイオンの塩が用いられるが(特許文献1~3、非特許文献1)、AlCl4 -が酸化反応を起こす結果、放電容量維持率や放電電圧の低下、又は電位窓の縮小をきたす場合がある。 However, aluminum secondary batteries have problems such as low discharge voltage and low charge/discharge efficiency, easy electrode deterioration, and short cycle life. Generally, in aluminum secondary batteries, salts of halogenated aluminate ions such as AlCl 4 - are used as electrolytes (Patent Documents 1 to 3, Non-Patent Document 1), but as a result of AlCl 4 - causing an oxidation reaction, the discharge capacity This may cause a decrease in the maintenance ratio or discharge voltage, or a reduction in the potential window.
ハロゲン化アルミネートイオンはまた、電解液中や空気中の水分によって加水分解されると、ハロゲン化水素を発生し、集電体を始めとする金属材料の腐食をもたらす。特許文献3及び4では、放電容量維持率の向上や電位窓の拡大を目的に、アルミニウムビスパーフロロアルキルスルホンイミドを含む電解液を用いている。しかし、パーフロロアルキルスルホンイミドも腐食性の物質であり、集電体等を腐食させるおそれがある。
When the halogenated aluminate ions are hydrolyzed by moisture in the electrolytic solution or in the air, they generate hydrogen halides, leading to corrosion of metal materials including current collectors. In
アルミニウム二次電池では、金や白金のような貴金属材料でさえ腐食される場合があるため、集電体としてニオブやタンタル等の極めて高価な金属材料を用いざるを得ない。こうしたコスト面の課題は、アルミニウム二次電池の実用化を阻む一因となっている。 In aluminum secondary batteries, even noble metal materials such as gold and platinum may be corroded, so extremely expensive metal materials such as niobium and tantalum must be used as current collectors. These cost issues are one of the factors preventing the practical application of aluminum secondary batteries.
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、集電体等の腐食をきたし難く、実用レベルのサイクル寿命を有し、コスト的にも有利なアルミニウム二次電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an aluminum secondary battery that is resistant to corrosion of current collectors, has a cycle life at a practical level, and is advantageous in terms of cost. shall be.
本発明者は鋭意検討の結果、正極集電体としてニッケル系合金等の所定の材料を用いることにより、集電体の腐食が抑制され、サイクル寿命等の物性が改善し得ることを見出した。 As a result of extensive studies, the present inventors have found that by using a predetermined material such as a nickel-based alloy as the positive electrode current collector, corrosion of the current collector can be suppressed and physical properties such as cycle life can be improved.
すなわち本発明は、以下の(1)~(5)を提供する。
(1)アルミニウム及び/又はアルミニウム合金を含有する負極、前記負極と対向するように設けられた正極集電体、前記正極集電体上に配置された正極活物質、並びに前記負極及び前記正極集電体の間に配置されたセパレーター及び電解液を備えるアルミニウム二次電池であって、
前記正極集電体が、ニッケル系合金、ニッケル、モリブデン、ガラス状炭素、窒化チタン、炭窒化チタン、及び炭化チタンからなる群より選択される1種以上からなる、アルミニウム二次電池。
(2)前記正極集電体がニッケル系合金からなり、前記ニッケル系合金が、ハステロイ(HASTALLOY)、インコネル(INCONEL)、モネル(MONEL)、インコロイ(INCOLOY)、及びオーステナイト系ステンレス(STAINLESS)からなる群より選択される1種以上である、上記(1)に記載のアルミニウム二次電池。
(3)前記電解液が、AlCl4
-、AlBr4
-、 AlI4
-、Al2Cl7
-、Al2Br7
-、Al2I7
-、及びAl2Cl6Br-からなる群より選択される1種以上のイオンを含有する、上記(1)又は(2)に記載のアルミニウム二次電池。
(4)前記正極活物質が硫黄を含有する、上記(1)~(3)の何れかに記載のアルミニウム二次電池。
(5)外装材をさらに備え、前記負極、前記正極活物質、前記正極集電体、前記セパレーター、及び前記電解液が前記外装材に収容されており、
前記外装材がエチレンビニルアルコール樹脂層及び/又はポリアクリロニトリル樹脂層を有する、上記(1)~(4)の何れかに記載のアルミニウム二次電池。
That is, the present invention provides the following (1) to (5).
(1) A negative electrode containing aluminum and/or an aluminum alloy, a positive electrode current collector provided to face the negative electrode, a positive electrode active material disposed on the positive electrode current collector, and the negative electrode and the positive electrode collector. An aluminum secondary battery comprising a separator and an electrolyte disposed between electric bodies,
An aluminum secondary battery, wherein the positive electrode current collector is made of one or more selected from the group consisting of nickel alloy, nickel, molybdenum, glassy carbon, titanium nitride, titanium carbonitride, and titanium carbide.
(2) The positive electrode current collector is made of a nickel-based alloy, and the nickel-based alloy is made of HASTALLOY, INCONEL, MONEL, INCOLOY, and austenitic stainless steel (STAINLESS). The aluminum secondary battery according to (1) above, which is one or more types selected from the group.
(3) The electrolyte is selected from the group consisting of AlCl 4 - , AlBr 4 - , AlI 4 - , Al 2 Cl 7 - , Al 2 Br 7 - , Al 2 I 7 - , and Al 2 Cl 6 Br - . The aluminum secondary battery according to (1) or (2) above, containing one or more types of ions.
(4) The aluminum secondary battery according to any one of (1) to (3) above, wherein the positive electrode active material contains sulfur.
(5) further comprising an exterior material, wherein the negative electrode, the positive electrode active material, the positive electrode current collector, the separator, and the electrolyte are housed in the exterior material;
The aluminum secondary battery according to any one of (1) to (4) above, wherein the exterior material has an ethylene vinyl alcohol resin layer and/or a polyacrylonitrile resin layer.
本発明のアルミニウム二次電池は、集電体等の腐食を来さず、実用レベルのサイクル寿命を有し、コスト的にも有利である。 The aluminum secondary battery of the present invention does not cause corrosion of the current collector, etc., has a cycle life at a practical level, and is advantageous in terms of cost.
以下、本発明のアルミニウム二次電池について実施形態に基づき詳記するが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではない。 Hereinafter, the aluminum secondary battery of the present invention will be described in detail based on embodiments, but the present invention is not limited to these embodiments.
≪アルミニウム二次電池≫
図1は、本発明の一実施形態に係るアルミニウム二次電池の、断面模式図である。本実施形態のアルミニウム二次電池1においては、アルミニウム及び/又はアルミニウム合金を含有する負極11、負極11と対向するように設けられた正極集電体12、正極集電体12上に配置された正極活物質13、並びに負極11及び正極集電体12の間に配置されたセパレーター及び電解液(例えば電解液を含浸したセパレーター14)が備えられ、正極集電体12がニッケル系合金、ニッケル、モリブデン、ガラス状炭素、窒化チタン、炭窒化チタン、及び炭化チタンからなる群より選択される1種以上からなる。
≪Aluminum secondary battery≫
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an aluminum secondary battery according to an embodiment of the present invention. In the aluminum secondary battery 1 of this embodiment, a
尚、図1に示す実施形態においては、セパレーター14が負極11及び正極活物質13層の各一方の主表面とほぼ全面で接触し、電解液はセパレーター14中に含浸されているが、本発明はこうした実施形態に限定されるものではない。例えば枠形状や格子形状のセパレーターの内側に、液状、ゲル状、又は固体の電解質が収容されていてもよい。また、図1に示すような平板形状ではなく、円筒形状のアルミニウム二次電池であってもよい。電極の面積も、負極側が正極側より大となっていてもよい。負極が正極よりも大きいと、負極端部でのアルミニウムイオンの電析を防止することが容易となる。さらに、図1に示したような単電池を直列又は並列に接続して、組電池としてもよい。以下では、本発明のアルミニウム二次電池を構成する各部材について説明する。
In the embodiment shown in FIG. 1, the
<負極>
本実施形態のアルミニウム二次電池1において、負極11はアルミニウム及び/又はアルミニウム合金を含有する。ここで、アルミニウム及び/又はアルミニウム合金は、アルミニウムイオンを放出可能な負極活物質として機能するが、集電体としての機能も担うことができる。例えば、アルミ箔やアルミニウム合金板を、負極活物質と集電体の両者を兼ねる負極として使用することも可能である。
<Negative electrode>
In the aluminum secondary battery 1 of this embodiment, the
負極11はまた、集電体と活物質とで構成され、任意に導電助剤、結着剤、及び/又は固体電解質等を含んでいてもよい。特段に限定されるものではないが、一例を挙げると、アルミニウム及び/又はアルミニウム合金の薄膜や粉末を、集電体上に付した、層状構造の負極であってもよい。負極11は、アルミニウムの析出・溶解又はアルミニウム合金からのアルミニウムイオンの脱合金・合金化反応が可能なものであれば、どのような材質や構成とすることもできる。
The
アルミニウム合金の材質にも特に制限はなく、例えばアルミニウム-金合金、アルミニウム-ガリウム合金、アルミニウム-インジウム合金、アルミニウム-マンガン合金、アルミニウム-ニッケル合金、アルミニウム-白金合金、アルミニウム-ビスマス合金、アルミニウム-錫合金、アルミニウム-亜鉛合金、さらにはアルミニウム-ケイ素合金等が挙げられるが、これらに限定されない。アルミニウム以外に2種以上の元素を含有する合金であってもよい。例えば、アルミニウム-マグネシウム-ケイ素合金、アルミニウム-銅-マグネシウム合金、アルミニウム-マグネシウム-亜鉛合金等を負極材として使用することができる。 There are no particular restrictions on the material of the aluminum alloy, and examples include aluminum-gold alloy, aluminum-gallium alloy, aluminum-indium alloy, aluminum-manganese alloy, aluminum-nickel alloy, aluminum-platinum alloy, aluminum-bismuth alloy, and aluminum-tin. Examples include, but are not limited to, alloys, aluminum-zinc alloys, and aluminum-silicon alloys. An alloy containing two or more types of elements other than aluminum may be used. For example, aluminum-magnesium-silicon alloy, aluminum-copper-magnesium alloy, aluminum-magnesium-zinc alloy, etc. can be used as the negative electrode material.
負極11が集電体を備える場合、当該集電体の材質にも特に制限はなく、例えばアルミニウム及び/又はアルミニウム合金を集電体として、その表面上にアルミニウム粉末等の負極活物質を配置してもよい。アルミニウム以外の負極側集電体材料の例としては、グラファイト、ガラス状炭素等の炭素材や、ステンレス、白金、モリブデン、ニッケル、ニッケル系合金、さらには窒化チタン、炭窒化チタン、炭化チタン等が挙げられるが、これらに限定されない。好ましくは、アルミニウム又はニッケル系合金を使用する。
When the
より好ましい実施形態においては、負極11はアルミニウム及び/又はアルミニウム合金の板状物、シート状物、又はフィルム状物で構成される。負極がこうした構成であれば、アルミニウム二次電池を簡便に作製することができる。特に、汎用のアルミニウム板やアルミ箔を負極11とすれば、コスト面でも有利である。
In a more preferred embodiment, the
尚、負極11は、セラミックス、ガラス、炭素材、高分子材料等からなる補強層を有していてもよい。特に、負極活物質及び負極集電体が薄いアルミニウム及び/又はアルミニウム合金の層、例えばアルミ箔等である場合、こうした補強層は有用である。また、これら補強層にアルミニウムを蒸着させて、負極11とすることもできる。
Note that the
<正極>
本実施形態のアルミニウム二次電池1において、正極は上記の負極11と対向するように設けられた正極集電体12、及び正極集電体12上に配置された正極活物質13を備える。正極はまた、導電助剤や結着剤、固体電解質等を、任意に含んでもよい。例えば正極活物質13を導電助剤や結着剤と混合し、正極集電体12上に付与した、層状構造を有していてもよい。
<Positive electrode>
In the aluminum secondary battery 1 of this embodiment, the positive electrode includes a positive electrode
[正極集電体]
本実施形態のアルミニウム二次電池1において、正極集電体12は、ニッケル系合金、ニッケル、モリブデン、ガラス状炭素、窒化チタン、炭窒化チタン、及び炭化チタンからなる群より選択される1種以上からなる。この点が、本実施形態における第一に重要な要件である。これら材質からなる正極集電体は、腐食性の電解液と接しても腐食を来し難く、実用レベルのサイクル寿命を有するアルミニウム二次電池を構成することができる。ニッケルやモリブデン等の上記材料、特にニッケル系合金は、ニオブやタンタルほど高価でないので、本実施形態のアルミニウム二次電池1は、コスト面でも有利である。
[Positive electrode current collector]
In the aluminum secondary battery 1 of the present embodiment, the positive electrode
(ニッケル系合金)
正極集電体12に使用し得るニッケル系合金に特に制限はなく、種々の公知の合金を用いることができる。例として、ニッケル-モリブデン合金、ニッケル-クロム合金、ニッケル-モリブデン-クロム合金、ニッケル-チタン合金、ニッケル-銅合金、ニッケル-銅-アルミニウム合金、ニッケル-クロム-鉄合金、ニッケル-モリブデン-クロム-鉄合金、ニッケル-モリブデン-クロム-銅合金、ニッケル-タングステン合金、ニッケル-マンガン合金、さらにはオーステナイト系ステンレスのような含ニッケル合金等が挙げられるが、これらに限定されない。尚、ステンレスは鉄系合金にも分類されるが、オーステナイト系ステンレスはニッケルを含有するため、本発明においてはニッケル系合金として取り扱う。ニッケル系合金は他に、炭素やケイ素、マンガン、ニオブ等を含んでいてもよい。勿論、合金作製の際に混入する不可避的混合物を含んでいてもよく、市販の種々のニッケル系合金を使用することも可能である。
(Nickel alloy)
There is no particular restriction on the nickel-based alloy that can be used for the positive electrode
市販のニッケル系合金(ニッケル合金)としては、例えばハステロイ(HASTALLOY)(登録商標)、インコネル(INCONEL)、モネル(MONEL)、及びインコロイ(INCOLOY)、ウディメット、ワスパロイ、ニクロム、PCパーマロイ、ニチノール、ナイモニック、DASALOY(登録商標)、オーステナイト系ステンレス(STAINLESS)(登録商標)等が挙げられるが、これらに限定されない。これらの内でも特に、ハステロイ、インコネル、モネル、インコロイ、及びオーステナイト系ステンレスからなる群より選択される1種以上のニッケル系合金を用いることが好ましい。 Commercially available nickel-based alloys include, for example, HASTALLOY (registered trademark), INCONEL, MONEL, INCOLOY, Udimet, Waspaloy, Nichrome, PC Permalloy, Nitinol, and Nimonic. , DASALOY (registered trademark), austenitic stainless steel (STAINLESS) (registered trademark), etc., but are not limited to these. Among these, it is particularly preferable to use one or more nickel-based alloys selected from the group consisting of Hastelloy, Inconel, Monel, Incoloy, and austenitic stainless steel.
ニッケル系合金におけるニッケルの含有量は、少なくとも30質量%以上、望ましくは40質量%以上、さらには50質量%以上、中でも55~90質量%、特に60~80質量%であることが好ましい。ニッケル含有量が30質量%程度以上であれば、正極集電体は耐腐食性のより優れたものとなる。但し本実施形態におけるニッケル系合金の材質はこれらに限定されず、特にクロムやモリブデン等の耐腐食性金属を含有する合金では、ニッケル含有量が30質量%未満であってもよい。例えば、汎用のオーステナイト系ステンレスである、クロム含有量約18質量%、ニッケル含有量約8質量%の、SUS304やSUS304L等を使用することもできる。 The content of nickel in the nickel-based alloy is preferably at least 30% by mass, preferably 40% by mass or more, further preferably 50% by mass or more, particularly preferably 55 to 90% by mass, particularly 60 to 80% by mass. If the nickel content is about 30% by mass or more, the positive electrode current collector will have better corrosion resistance. However, the material of the nickel-based alloy in this embodiment is not limited to these, and especially in alloys containing corrosion-resistant metals such as chromium and molybdenum, the nickel content may be less than 30% by mass. For example, it is also possible to use SUS304, SUS304L, etc., which are general-purpose austenitic stainless steels and have a chromium content of about 18% by mass and a nickel content of about 8% by mass.
耐腐食性の点からは、オーステナイト系ステンレスにおいても、ニッケル含有量の高いことが好ましい。より好ましくはニッケル含有量が10質量%以上の合金、例えばクロム含有量約18質量%、ニッケル含有量約12質量%のSUS316やSUS316L等;さらに好ましくはニッケル含有量が約20質量%以上の合金、例えばクロム含有量約25質量%、ニッケル含有量約20質量%のSUS310S、クロム含有量約15質量%、ニッケル含有量約25質量%のSUH660等;特に好ましくはニッケル含有量が約30質量%以上の合金、例えばクロム含有量約21質量%、ニッケル含有量約32質量%のAlloy800H等を使用するのが望ましい。 From the viewpoint of corrosion resistance, it is preferable that the austenitic stainless steel has a high nickel content. More preferably an alloy with a nickel content of 10% by mass or more, such as SUS316 or SUS316L with a chromium content of about 18% by mass and a nickel content of about 12% by mass; still more preferably an alloy with a nickel content of about 20% by mass or more , for example, SUS310S with a chromium content of about 25% by mass and a nickel content of about 20% by mass, SUH660 with a chromium content of about 15% by mass and a nickel content of about 25% by mass; particularly preferably a nickel content of about 30% by mass. It is desirable to use the above alloy, for example, Alloy 800H having a chromium content of about 21% by mass and a nickel content of about 32% by mass.
耐腐食性の点からはまた、ニッケル系合金としてハステロイ、インコネル、モネル、インコロイ、及びオーステナイト系ステンレスからなる群より選択される1種以上の合金;特に代表的なニッケル合金であるハステロイ、インコネル、モネル、及びインコロイからなる群より選択される1種以上の合金が好ましい。 From the viewpoint of corrosion resistance, one or more alloys selected from the group consisting of Hastelloy, Inconel, Monel, Incoloy, and austenitic stainless steel as nickel-based alloys; in particular, representative nickel alloys such as Hastelloy, Inconel, One or more alloys selected from the group consisting of Monel and Incoloy are preferred.
ニッケル系合金はまた、1~30質量%のモリブデン、10~25質量%のクロム、1~50質量%の鉄、及び/又は0~35質量%程度の銅を含有することが好ましい。中でも、ニッケル含有量が55~90質量%、特に60~80質量%;モリブデン含有量が0~30質量%、例えば2~25質量%、特に5~20質量%;クロム含有率が0~25質量%、特に10~20質量%;鉄含有率が0~50質量%、特に10~20質量%のニッケル系合金は、耐腐食性が極めて良好であるため、本実施形態における正極集電体12の材料として好適である。 The nickel-based alloy also preferably contains about 1 to 30% by mass of molybdenum, 10 to 25% by mass of chromium, 1 to 50% by mass of iron, and/or about 0 to 35% by mass of copper. Among them, the nickel content is 55-90% by weight, especially 60-80% by weight; the molybdenum content is 0-30% by weight, such as 2-25% by weight, especially 5-20% by weight; the chromium content is 0-25% by weight. A nickel-based alloy with an iron content of 0 to 50 mass %, particularly 10 to 20 mass %, has extremely good corrosion resistance, and therefore is used as the positive electrode current collector in this embodiment. It is suitable as a material for No. 12.
(ニッケル)
本実施形態における正極集電体12は、純ニッケルからなるものであってもよい。ニッケルは、それ自体が耐腐食性に優れる金属であるため、集電体材料12の材料として好適である。尚、ニッケルには通常、少量の鉄、マンガン、炭素、ケイ素等の不純物が含有されているが、本実施形態においては、こうした不可避的不純物を含有するニッケルも、純ニッケルとして包含する。
(nickel)
The positive electrode
(モリブデン)
本実施形態における正極集電体12は、モリブデンからなるものであってもよい。モリブデンは電気伝導性が良好な上、極めて優れた耐腐食性を有するため、正極集電体12の材料として好適である。尚、本実施形態においては、モリブデンについても不可避的不純物を含有するものを包含する。
(molybdenum)
The positive electrode
(ガラス状炭素)
ガラス状炭素は、SP2炭素で構成される難黒鉛化性炭素であり、高硬度や低密度といった特徴を有する。また、導電性が高く、種々の化学物質に対する耐腐食性に優れるため、集電体の材料として好適である。ガラス状炭素には通常、1質量%程度のケイ素等不純物が含まれるが、本実施形態においては、こうした不可避的不純物を含有するものを始め、種々の公知のガラス状炭素のいずれを使用することもできる。
(glassy carbon)
Glassy carbon is non-graphitizable carbon composed of SP2 carbon, and has characteristics such as high hardness and low density. In addition, it has high conductivity and excellent corrosion resistance against various chemical substances, so it is suitable as a material for a current collector. Glassy carbon usually contains about 1% by mass of impurities such as silicon, but in this embodiment, any of various known glassy carbons, including those containing such unavoidable impurities, can be used. You can also do it.
(窒化チタン)
窒化チタンは、TiNの組成式で表されるセラミック材料である。各種部品のコーティングや、医療用部品として多用される。硬度が高く耐摩耗性に優れるため、特に切削工具のコーティング材等として使用されることが多いが、導電性で耐腐食性にも優れるため、集電体材料として好適である。
(titanium nitride)
Titanium nitride is a ceramic material represented by the composition formula of TiN. It is widely used for coating various parts and as medical parts. Because it has high hardness and excellent wear resistance, it is often used as a coating material for cutting tools, etc., and because it has excellent conductivity and corrosion resistance, it is suitable as a current collector material.
(炭窒化チタン)
炭窒化チタンは、Ti(C、N)の組成式で表されるセラミック材料である。ここで、炭素原子と窒素原子とのモル比に特に制限はなく、例えばC:N=1:10~10:1、特にC:N=1:3~3:1程度の炭窒化チタン等、種々の公知のものを使用することができる。窒化チタン以上の硬度を有するため、切削工具のコーティング材等として使用されることが多いが、導電性で耐腐食性にも優れるため、集電体材料として好適である。
(Titanium carbonitride)
Titanium carbonitride is a ceramic material represented by the composition formula of Ti(C,N). Here, there is no particular restriction on the molar ratio of carbon atoms to nitrogen atoms, and for example, titanium carbonitride with C:N=1:10 to 10:1, especially C:N=1:3 to 3:1, etc. Various known materials can be used. Because it has a hardness greater than that of titanium nitride, it is often used as a coating material for cutting tools, but it is also suitable as a current collector material because it has excellent conductivity and corrosion resistance.
(炭化チタン)
炭化チタンは、TiCの組成式で表されるセラミック材料である。窒化チタンと同様、硬度が高く耐摩耗性に優れるため、特に切削工具のコーティング材等として多用されるが、導電性で耐腐食性にも優れるため、集電体材料として好適である。
(Titanium carbide)
Titanium carbide is a ceramic material represented by the composition formula of TiC. Like titanium nitride, it has high hardness and excellent wear resistance, so it is often used as a coating material for cutting tools, etc., and it is also suitable as a current collector material because it has excellent conductivity and corrosion resistance.
(正極集電体の構成)
正極集電体12は、上記のような材料からなるが、その片側にセラミックス、ガラス、炭素材、高分子材料等からなる補強材等が付されていてもよい。例えば、ニッケル系合金やニッケル、モリブデン製のフィルムからなる正極集電体12を、セラミックスやガラス製の補強板上に積層することにより、正極周辺の耐腐食性をさらに改善することができる。また、高分子製のシートに正極集電体12としてニッケル系合金等を蒸着した構成とし、アルミニウム二次電池の軽量化や低コスト化を図ることも可能である。窒化チタン、炭窒化チタン、炭化チタンなどは、上記のようにコーティングに多用される材料であり、本実施形態においても、例えば他種金属からなる補強材上にPVDやCVD等の手法によってコーティングする方法により、正極集電体12とすることができる。
(Configuration of positive electrode current collector)
The positive electrode
正極集電体12の製造方法に特に制限はなく、目的とする形状と使用する材料に応じて、種々の公知の方法で製造することができる。製造容易性の点からは、金属材料、中でもニッケル系合金やニッケル、特にニッケル系合金が好ましい。ニッケル系合金はモリブデンに比べて加工が容易であり、また、一般に純ニッケルに比べて酸に対する耐腐食性に優れる利点があるため、集電体材料として特に優れている。ニッケル系合金はまた、モリブデンや窒化チタン等に比べて低コストという利点も有する。そのため、量産品の電池用材料として好適である。特に、アルミニウム二次電池がアルミニウムイオン電池である場合、すなわち後記する正極活物質が硫黄不含の場合は、正極集電体はニッケル系合金からなることが好ましい。
There is no particular restriction on the method of manufacturing the positive electrode
[正極活物質]
本実施形態のアルミニウム二次電池1においては、正極集電体12上に正極活物質13が配置される。正極活物質13の種類に特に制限はなく、アルミニウム二次電池の正極活物質として使用されるどのようなものであってもよい。例として粒子状又は繊維状の活性炭、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、グラファイト(黒鉛)、カーボンナノチューブ、グラフェン等の炭素系材料;二酸化マンガン、二酸化鉛、酸化銀、酸化鉄、酸化モリブデン、酸化バナジウム、酸化チタン等の金属酸化物;炭化チタン等の炭化物;窒化チタン等の窒化物;フェロシアン化第二鉄(プルシアンブルー)等の配位高分子;さらには遷移金属のフッ化物や硫黄等が挙げられるが、これらに限定されない。
[Cathode active material]
In the aluminum secondary battery 1 of this embodiment, the positive electrode
本実施形態のアルミニウム二次電池1の正極はまた、正極集電体12及び正極活物質13の他に、任意に導電助剤や結着剤、固体電解質等を含んでいてもよい。例えば二酸化マンガン等の正極活物質の粉末と、導電助剤とを、ポリマー等の結着剤を含有する溶液やエマルジョンに混合し、正極集電体12上に塗布して乾燥させ、アルミニウム二次電池1の正極とすることができる。また、ニッケル系合金等の上記材料からなる正極集電体12の片側面に、グラファイト等を蒸着させて、正極活物質13とすることも可能である。
In addition to the positive electrode
(導電助剤)
尚、導電助剤としては、カーボンブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、グラファイト等の炭素材や、金属、金属酸化物、導電性セラミックス等の、汎用の導電助剤を使用することができる。耐腐食性の観点からは、特に炭素材が好ましい。
(Conductivity aid)
As the conductive aid, general-purpose conductive aids such as carbon materials such as carbon black, Ketjen black, acetylene black, and graphite, metals, metal oxides, and conductive ceramics can be used. From the viewpoint of corrosion resistance, carbon materials are particularly preferred.
(結着剤)
結着剤(バインダー)は、正極活物質や導電助剤をつなぎ止める役割を果たすもので、例えばポリフッ化ビニリデン(PVDF)やフッ化ビニリデンの共重合体、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)やテトラフルオロエチレンの共重合体、フッ素ゴム、エチレンプロピレンジエンゴム、スチレンブタジエン共重合体、セルロース系樹脂、エチレンビニルアルコール樹脂、ポリビニルアルコール(PVAL)、ポリ(メタ)アクリル酸等が一般に用いられている。本発明においては、これらを始めとする公知の結着剤のいずれをも使用することができる。後記する電解液への耐性の観点からは、フッ素系の高分子、エチレンビニルアルコール樹脂、又はポリビニルアルコールを主体とする結着剤が好ましい。
(binder)
A binder plays a role in binding the positive electrode active material and conductive additive, such as polyvinylidene fluoride (PVDF), vinylidene fluoride copolymers, polytetrafluoroethylene (PTFE), and tetrafluoroethylene. Copolymers of, fluororubber, ethylene propylene diene rubber, styrene butadiene copolymers, cellulose resins, ethylene vinyl alcohol resins, polyvinyl alcohol (PVAL), poly(meth)acrylic acid, etc. are generally used. In the present invention, any known binders including these can be used. From the viewpoint of resistance to the electrolytic solution described later, a binder mainly composed of a fluorine-based polymer, ethylene vinyl alcohol resin, or polyvinyl alcohol is preferable.
上記のような正極活物質13、導電助剤、及び結着剤は、例えば溶媒に溶解及び/又は分散させて正極集電体に付与することができる。ここで使用する溶媒にも制限はなく、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)、メチルエチルカーボネート(MEC)、ジエチルカーボネート(DEC)、プロピオン酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピレンカーボネート(PC)、γ-ブチロラクトン(γ-BL)、アセトニトリル(AN)、酢酸エチル(EA)、テトラヒドロフラン(THF)、ジオキサン、アセトン、トルエン、キシレン、酢酸メチル(MA)等の、電池材料分野で用いられるどのような溶媒をも使用することができる。複数の溶媒を混合して用いることも可能である。さらに、粘度調整剤、分散剤、界面活性剤、酸化防止剤等の添加剤を配合してもよい。
The positive electrode
上記の溶媒として、水系溶媒を使用することも可能である。結着剤(バインダー)として水系バインダーを用いると、集電体上に十分な厚みの活物質層を形成することができる。水系バインダーの種類にも特に制限はなく、公知のものを使用することができる。例として、カルボキシメチルセルロースやSBRラテックス、NBRラテックス、(メタ)アクリルラテックス(エマルジョン)、ポリビニルアルコール、アルギン酸、ゼラチン、キトサンが挙げられるが、これらに限定されない。尚、これら導電助剤や結着剤、溶剤等は、負極11を作製する際にも使用することができる。
It is also possible to use an aqueous solvent as the above solvent. When a water-based binder is used as the binder, a sufficiently thick active material layer can be formed on the current collector. There is no particular restriction on the type of aqueous binder, and any known one can be used. Examples include, but are not limited to, carboxymethyl cellulose, SBR latex, NBR latex, (meth)acrylic latex (emulsion), polyvinyl alcohol, alginic acid, gelatin, and chitosan. Note that these conductive aids, binders, solvents, etc. can also be used when producing the
<アルミニウムイオン電池>
上記のような正極集電体12及び正極活物質13と、それに対向し、アルミニウム及び/又はアルミニウム合金を含有する負極11とにより、アルミニウムイオン電池を構成することができる。アルミニウムイオン電池は、正極と負極との間でアルミニウムイオンが移動することによって充放電が行われる二次電池である。リチウム硫黄電池に比べて高容量化が可能で、安全性も高く、資源も豊富という利点を有する。本発明のアルミニウム二次電池は、こうしたアルミニウムイオン電池を包含する。
<Aluminum ion battery>
An aluminum ion battery can be constituted by the positive electrode
アルミニウムイオン電池の正極においては、正極活物質として上記のような炭素系材料、金属酸化物、炭化物、窒化物、配位高分子、遷移金属のフッ化物等が一般に用いられるが、この場合の正極集電体としては、ニッケル系合金を使用することが好ましい。モリブデンや窒化チタン等の材料は、一般にニッケル系合金に比べて高価な上、硬くて成形加工もニッケル系合金ほど容易でないため、正極集電体の作製コストが上昇する。アルミニウムイオン電池の高いコストパフォーマンスを維持する観点から、正極集電体としてニッケル系合金を使用することが推奨される。 In the positive electrode of an aluminum ion battery, the above-mentioned carbon-based materials, metal oxides, carbides, nitrides, coordination polymers, transition metal fluorides, etc. are generally used as positive electrode active materials. As the current collector, it is preferable to use a nickel-based alloy. Materials such as molybdenum and titanium nitride are generally more expensive than nickel-based alloys, are harder, and are not as easily molded as nickel-based alloys, which increases the cost of producing the positive electrode current collector. From the viewpoint of maintaining high cost performance of aluminum ion batteries, it is recommended to use a nickel-based alloy as the positive electrode current collector.
<アルミニウム硫黄電池>
本発明のアルミニウム二次電池においては、正極活物質は硫黄を含有することが好ましい。すなわち本発明のアルミニウム二次電池は、アルミニウム硫黄電池であることが好ましい。アルミニウム硫黄電池は、上記したように理論容量が極めて高く、次世代電池として期待されているが、正極材の腐食等が課題となっていた。本発明のアルミニウム二次電池では、正極集電体としてニッケル系合金やモリブデン等の上記材料を使用することにより、こうした腐食の問題が解決され、サイクル寿命も十分なものとなっている。
<Aluminum sulfur battery>
In the aluminum secondary battery of the present invention, the positive electrode active material preferably contains sulfur. That is, the aluminum secondary battery of the present invention is preferably an aluminum sulfur battery. Aluminum-sulfur batteries have an extremely high theoretical capacity as described above, and are expected to be a next-generation battery, but they have had problems such as corrosion of the positive electrode material. In the aluminum secondary battery of the present invention, the above-mentioned materials such as nickel-based alloys and molybdenum are used as the positive electrode current collector, thereby solving the problem of corrosion and providing a sufficient cycle life.
アルミニウム硫黄電池において、正極活物質は硫黄を含有する。例として、硫黄そのものを含有する正極活物質、硫化銅等の硫化物を含有する正極活物質等が挙げられる。ここで、硫黄や硫化物は室温での電気伝導性が概して低いため、導電助剤を併用することが好ましい。アルミニウム硫黄電池における導電助剤としては、上記したような炭素材料や、銅又はその化合物を用いることができる。硫黄を炭素コーティングして使用することも可能である。 In aluminum-sulfur batteries, the positive electrode active material contains sulfur. Examples include positive electrode active materials containing sulfur itself, positive electrode active materials containing sulfides such as copper sulfide, and the like. Here, since sulfur and sulfides generally have low electrical conductivity at room temperature, it is preferable to use a conductive additive in combination. As a conductive aid in an aluminum-sulfur battery, the above-mentioned carbon materials, copper, or a compound thereof can be used. It is also possible to use sulfur coated with carbon.
具体的には、硫黄とアセチレンブラック等の炭素材料、硫黄と金属銅及び炭素材料との複合材、あるいは硫黄と銅シェブレル相(Cu2Mo4S7.8)及び炭素材料との複合材を、上記したような結着剤(バインダー)中に分散させ、ニッケル合金からなる正極集電体上に塗布・乾燥することにより、アルミニウム硫黄電池用の正極材料とすることができる。リチウム硫黄電池やナトリウム硫黄電池の正極活物質やバインダー等を使用してもよい。 Specifically, a composite material of sulfur and a carbon material such as acetylene black, a composite material of sulfur, metallic copper, and a carbon material, or a composite material of sulfur, a copper Chevrel phase (Cu 2 Mo 4 S 7.8 ), and a carbon material. By dispersing it in a binder as described above, applying it onto a positive electrode current collector made of a nickel alloy, and drying it, it can be made into a positive electrode material for an aluminum-sulfur battery. A positive electrode active material, a binder, etc. of a lithium-sulfur battery or a sodium-sulfur battery may be used.
<電解液>
アルミニウム二次電池の電解液は、電解質としてアルミニウム元素を含むイオンを含有する液であれば、どのようなものであってもよい。また、上記したアルミニウムイオン電池、アルミニウム硫黄電池のいずれにおいても、同様の電解液を使用することができる。尚、本発明において電解「液」とは、広くコロイド溶液をも含めた意味である。すなわち、本発明における「電解液」は、ゲル状、キセロゲル状の電解質をも包含する。
<Electrolyte>
The electrolytic solution of the aluminum secondary battery may be any solution as long as it contains ions containing aluminum element as an electrolyte. Further, the same electrolyte solution can be used in both the aluminum ion battery and the aluminum sulfur battery described above. In the present invention, the term "electrolytic solution" broadly includes colloidal solutions. That is, the "electrolytic solution" in the present invention includes gel-like and xerogel-like electrolytes.
[電解質]
電解質としてのアルミニウム元素を含むイオンにも、特に制限はない。例として、AlCl4
-、AlBr4
-、 AlI4
-、Al2Cl7
-、Al2Br7
-、Al2I7
-、及びAl2Cl6Br-等のハロゲン化アルミネートイオン;アルミニウムビス(トリフルオロメタンスルホン)イミド、アルミニウムビス(ペンタフルオロエタンスルホン)イミド、アルミニウムビス(ヘプタフルオロプロパンスルホン)イミド、アルミニウムビス(ノナフルオロブタンスルホン)イミド等のパーフロロアルキルスルホンイミドもしくはアルミニウムビス(フルオロスルホン)イミドに由来するイオン;さらには、尿素、カルボン酸、βジケトン、ジアミン、キノリン類、ビピリジン類、カテコール類等に由来する配位子を有するアルミニウム錯イオン等が挙げられるが、これらに限定されない。硫酸アルミニウムや硝酸アルミニウムに由来するAl3+イオンを使用することもできる。また、これらイオンを複数種含有していてもよい。
[Electrolytes]
There are no particular limitations on the ions containing aluminum as an electrolyte. Examples include halogenated aluminate ions such as AlCl 4 − , AlBr 4 − , AlI 4 − , Al 2 Cl 7 − , Al 2 Br 7 − , Al 2 I 7 − , and Al 2 Cl 6 Br − ; Perfluoroalkylsulfonimide or aluminum bis(fluorosulfone) such as (trifluoromethanesulfone)imide, aluminum bis(pentafluoroethanesulfone)imide, aluminum bis(heptafluoropropanesulfone)imide, aluminum bis(nonafluorobutanesulfone)imide Ions derived from imides; further examples include, but are not limited to, aluminum complex ions having ligands derived from urea, carboxylic acids, β-diketones, diamines, quinolines, bipyridines, catechols, and the like. Al 3+ ions derived from aluminum sulfate or aluminum nitrate can also be used. Moreover, a plurality of types of these ions may be contained.
これら電解質の内でも、AlCl4 -、AlBr4 -、 AlI4 -、Al2Cl7 -、Al2Br7 -、Al2I7 -、及びAl2Cl6Br-からなる群より選択される1種以上のイオンを含有する電解液が好ましい。これらイオンは、電解液中での安定性に富み、供給面での不安もない。特に、AlCl4 -(テトラクロロアルミネート)及び/又はAl2Cl7 -(へプタクロロジアルミネート)を電解質として含有する電解液が好ましい。 Among these electrolytes, an electrolyte selected from the group consisting of AlCl 4 - , AlBr 4 - , AlI 4 - , Al 2 Cl 7 - , Al 2 Br 7 - , Al 2 I 7 - , and Al 2 Cl 6 Br - Electrolytes containing one or more types of ions are preferred. These ions are highly stable in the electrolyte, and there are no concerns about supply. In particular, an electrolytic solution containing AlCl 4 − (tetrachloroaluminate) and/or Al 2 Cl 7 − (heptachlorodialuminate) as an electrolyte is preferred.
[電解液の溶媒]
電解液の溶媒は、電解液中にアルミニウム元素を含むイオンを生じさせ得るものであればよく、その種類に特に制限はない。例えば、芳香族炭化水素、エーテル、ケトン、酢酸エステル、炭酸エステル、スルホン系溶媒等の非水溶媒、さらには水系溶媒を使用することができる。但し、電解質等に由来するハロゲン化水素酸等の発生を抑制する観点からは、非水溶媒、例えばエーテル、炭酸エステル等、中でも後記するイオン液体や深共晶溶媒を使用するのが好ましい。
[Solvent of electrolyte]
The solvent for the electrolytic solution is not particularly limited as long as it can generate ions containing aluminum element in the electrolytic solution. For example, nonaqueous solvents such as aromatic hydrocarbons, ethers, ketones, acetic esters, carbonic esters, sulfonic solvents, and even aqueous solvents can be used. However, from the viewpoint of suppressing the generation of hydrohalic acids and the like derived from electrolytes, it is preferable to use non-aqueous solvents such as ethers, carbonic esters, etc., especially ionic liquids and deep eutectic solvents described below.
電解液の溶媒として使用し得るエーテルに特に制限はなく、例として電池で多用されるトリグライムやテトラグライム等のグライム系溶媒;ジメトキシエタン(DME)、エトキシメトキシエタン(EME)、ジエトキシエタン(DEE)等のジアルコキシエタン類;テトラヒドロフラン、ジオキサン、ジオキソラン、クラウンエーテル等の環状エーテル;パーフルオロエーテルやハイドロフルオロエーテル等のフッ素化エーテル;γ-ブチロラクトン、酢酸メチル等のエステル;さらにはポリエチレンオキシド(PEO)やポリプロピレンオキシド、ポリブチレンオキシド等のポリアルキレンオキシド等が挙げられるが、これらに限定されない。 There are no particular restrictions on the ether that can be used as a solvent for the electrolyte; examples include glyme-based solvents such as triglyme and tetraglyme, which are often used in batteries; dimethoxyethane (DME), ethoxymethoxyethane (EME), and diethoxyethane (DEE). ); cyclic ethers such as tetrahydrofuran, dioxane, dioxolane, and crown ether; fluorinated ethers such as perfluoroether and hydrofluoroether; esters such as γ-butyrolactone and methyl acetate; ) and polyalkylene oxides such as polypropylene oxide and polybutylene oxide, but are not limited thereto.
電解液の溶媒として使用し得る炭酸エステル(カーボネート)にも特に制限はなく、例としてエチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)等のアルキル(エン)カーボネート;フルオロエチレンカーボネート(FEC)、4,5-ジフルオロエチレンカーボネート、及び4,4-ジフルオロエチレンカーボネート等のフッ素化カーボネート等が挙げられるが、これらに限定されない。 There are no particular restrictions on the carbonate ester (carbonate) that can be used as a solvent for the electrolyte, and examples include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), dimethyl carbonate (DMC), and diethyl carbonate (DEC). ), alkyl(ene) carbonates such as ethyl methyl carbonate (EMC); fluorinated carbonates such as fluoroethylene carbonate (FEC), 4,5-difluoroethylene carbonate, and 4,4-difluoroethylene carbonate; Not limited to these.
(イオン液体)
本実施形態のアルミニウム二次電池においては、電解液がイオン液体を含有することが好ましい。「イオン液体」とは、室温でも液体で存在する塩であり、高いイオン伝導性、難揮発性、高い熱安定性などの特徴を有する。そのため、電解液がイオン液体を含有するアルミニウム二次電池は、不具合を来し難い。特に、電解質と溶媒とがイオン液体を形成した電解液が好ましく、こうした電解質によって、アルミニウム二次電池は300℃程度での高温でも使用可能となる。イオン液体に特に制限はなく、例えばイミダゾリウム、ピリジニウム、ピロリジニウム、ピペリジニウム、テトラアルキルアンモニウム、ピラゾリウム、又はホスホニウム等と、塩化物イオン等のハロゲンイオン又はAlCl4
-等の電解質を形成するイオン等が挙げられるが、これらに限定されない。
(ionic liquid)
In the aluminum secondary battery of this embodiment, it is preferable that the electrolytic solution contains an ionic liquid. An "ionic liquid" is a salt that exists as a liquid even at room temperature, and has characteristics such as high ionic conductivity, low volatility, and high thermal stability. Therefore, an aluminum secondary battery whose electrolytic solution contains an ionic liquid is less likely to have problems. In particular, an electrolytic solution in which an electrolyte and a solvent form an ionic liquid is preferred, and such an electrolyte allows the aluminum secondary battery to be used even at high temperatures of about 300°C. The ionic liquid is not particularly limited, and examples include imidazolium, pyridinium, pyrrolidinium, piperidinium, tetraalkylammonium, pyrazolium, or phosphonium, and halogen ions such as chloride ions, or ions that form electrolytes such as AlCl 4 - . but not limited to.
イミダゾリウムとしては、例えば1-エチル-3-メチルイミダゾリウム、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウム、1-エチル-2,3-ジメチルイミダゾリウム、1-アリル-3-メチルイミダゾリウム、1-アリル-3-エチルイミダゾリウム、1-アリル-3-ブチルイミダゾリウム、1,3-ジアリルイミダゾリウム等が挙げられるが、これらに限定されない。 Examples of imidazolium include 1-ethyl-3-methylimidazolium, 1-butyl-3-methylimidazolium, 1-ethyl-2,3-dimethylimidazolium, 1-allyl-3-methylimidazolium, 1-ethyl-3-methylimidazolium, and 1-ethyl-3-methylimidazolium. Examples include, but are not limited to, allyl-3-ethylimidazolium, 1-allyl-3-butylimidazolium, 1,3-diallylimidazolium, and the like.
ピリジニウムとしては、例えば1-プロピルピリジニウム、1-ブチルピリジニウム、1-エチル-3-(ヒドロキシメチル)ピリジニウム、1-エチル-3-メチルピリジニウム等が挙げられるが、これらに限定されない。 Examples of pyridinium include, but are not limited to, 1-propylpyridinium, 1-butylpyridinium, 1-ethyl-3-(hydroxymethyl)pyridinium, and 1-ethyl-3-methylpyridinium.
ピロリジニウムとしては、例えばN-メチル-N-プロピルピロリジニウム、N-メチル-N-ブチルピロリジニウム、N-メチル-N-メトキシメチルピロリジニウム等が挙げられるが、これらに限定されない。 Examples of pyrrolidinium include, but are not limited to, N-methyl-N-propylpyrrolidinium, N-methyl-N-butylpyrrolidinium, N-methyl-N-methoxymethylpyrrolidinium, and the like.
また、ピペリジニウムとしては、例えばN-メチル-N-プロピルピペリジニウム等が;テトラアルキルアンモニウムとしては、例えばN,N,N-トリメチル-N-プロピルアンモニウム、メチルトリオクチルアンモニウム等が;ピラゾリウムとしては、例えば1-エチル-2,3,5-トリメチルピラゾリウム、1-プロピル-2,3,5-トリメチルピラゾリウム、1-ブチル-2,3,5-トリメチルピラゾリウム等が、それぞれ挙げられるが、これらに限定されない。 Examples of piperidinium include N-methyl-N-propylpiperidinium; examples of tetraalkylammonium include N,N,N-trimethyl-N-propylammonium, methyltrioctylammonium, etc.; and examples of pyrazolium. , for example, 1-ethyl-2,3,5-trimethylpyrazolium, 1-propyl-2,3,5-trimethylpyrazolium, 1-butyl-2,3,5-trimethylpyrazolium, etc., respectively. These include, but are not limited to:
これらの内でも好ましい非イオン液体は、イミダゾリウム・クロリド等のイミダゾリウムイオンを含有するイオン液体、さらにはイミダゾリウムとハロゲン化アルミネートとのイオン液体、例えば1-エチル-3-メチルイミダゾリル・テトラクロロアルミネート、1-エチル-2,3-ジメチルイミダゾリウム・へプタクロロジアルミネート等である。これらイオン液体は安定性が高く、入手や調製が容易な利点がある。 Among these, preferred nonionic liquids are ionic liquids containing imidazolium ions such as imidazolium chloride, and ionic liquids of imidazolium and halogenated aluminates, such as 1-ethyl-3-methylimidazolyl tetra. These include chloroaluminate, 1-ethyl-2,3-dimethylimidazolium heptachlorodialuminate, and the like. These ionic liquids have the advantage of being highly stable and easy to obtain and prepare.
(深共晶溶媒)
本実施形態のアルミニウム二次電池においてはまた、電解液が深共晶溶媒を含有することが好ましい。「深共晶溶媒」(Deep Eutectic Solvent)とは、水素結合ドナー性の化合物と水素結合アクセプター性の化合物とをある一定の割合で混ぜることで得られる、室温で液体の溶媒である。ドナー性化合物とアクセプター性化合物との組み合わせにより、任意の物性の溶媒を作り出すことができ、様々な組み合わせが報告されている。
(deep eutectic solvent)
In the aluminum secondary battery of this embodiment, it is also preferable that the electrolytic solution contains a deep eutectic solvent. A "deep eutectic solvent" is a solvent that is liquid at room temperature and is obtained by mixing a hydrogen bond donor compound and a hydrogen bond acceptor compound at a certain ratio. A solvent with arbitrary physical properties can be created by combining a donor compound and an acceptor compound, and various combinations have been reported.
例えば、強ルイス酸である塩化アルミニウムは、尿素やメチル尿素、エチル尿素、アセトアミド等の酸素供与性アミド、あるいはエチルピリジン等と、深共晶溶媒を形成する。これら深共晶溶媒には、塩化アルミニウムに起因するAlCl4 -と、例えば[AlCl2(尿素)2]+等とが含有されているため(例えば非特許文献1参照)、本実施形態における電解液として好適である。 For example, aluminum chloride, which is a strong Lewis acid, forms a deep eutectic solvent with oxygen-donating amides such as urea, methylurea, ethylurea, acetamide, or ethylpyridine. These deep eutectic solvents contain AlCl 4 - caused by aluminum chloride and, for example, [AlCl 2 (urea) 2 ] + , etc. (see, for example, Non-Patent Document 1), so that the electrolysis in this embodiment is Suitable as a liquid.
深共晶溶媒は、イオン液体と同様、蒸気圧が低く、難燃性であるため、電解液の成分として好適である。深共晶溶媒はまた、一般に熱安定性や電気化学的安定性が良好で、環境親和性も高く、しかも溶解性に優れる利点を有する。そのため、上記以外の深共晶溶媒に、AlCl4 -等のイオンを溶解させて、本実施形態における電解液とすることも可能である。 Similar to ionic liquids, deep eutectic solvents have low vapor pressure and are flame retardant, so they are suitable as components of electrolyte solutions. Deep eutectic solvents also have the advantages of generally good thermal stability and electrochemical stability, high environmental affinity, and excellent solubility. Therefore, it is also possible to dissolve ions such as AlCl 4 − in a deep eutectic solvent other than those mentioned above to form the electrolytic solution in this embodiment.
電解液用の溶媒に使用し得る深共晶溶媒としては、例えば単糖/ヒドロキシカルボン酸系、二糖/ヒドロキシカルボン酸系、ジオール/ヒドロキシカルボン酸系、脂肪酸/長鎖脂肪酸系、尿素/スルファミン酸系等が挙げられるが、これらに限定されない。中でも、単糖/ヒドロキシカルボン酸系のように、ヒドロキシカルボン酸と、糖、カルボン酸塩、及びヒドロキシアルキルアンモニウム塩から選択される1種以上の化合物とからなる深共晶溶媒は、天然物由来の成分からなり、安全性・衛生性の点でも優れているため、電解液の溶媒として好適である。 Examples of deep eutectic solvents that can be used as electrolyte solvents include monosaccharide/hydroxycarboxylic acid, disaccharide/hydroxycarboxylic acid, diol/hydroxycarboxylic acid, fatty acid/long chain fatty acid, urea/sulfamine, etc. Examples include, but are not limited to, acid-based ones. Among these, deep eutectic solvents consisting of hydroxycarboxylic acids and one or more compounds selected from sugars, carboxylates, and hydroxyalkylammonium salts, such as monosaccharide/hydroxycarboxylic acid systems, are derived from natural products. It is suitable as a solvent for electrolyte solution because it is excellent in terms of safety and hygiene.
ヒドロキシカルボン酸の例としては、グリコール酸、乳酸、タルトロン酸、グリセリン酸、ヒドロキシ酪酸、2-ヒドロキシ酪酸、3-ヒドロキシ酪酸、γ-ヒドロキシ酪酸、リンゴ酸、酒石酸、シトラマル酸、クエン酸、イソクエン酸、ロイシン酸、メバロン酸、パントイン酸、リシノール酸、リシネライジン酸、セレブロン酸、キナ酸、及びシキミ酸等の脂肪族ヒドロキシカルボン酸;サリチル酸、バニリン酸、シリング酸、ピロカテク酸、レソルシル酸、プロトカテク酸、ゲンチジン酸、オルセリン酸、没食子酸、マンデル酸、ベンジル酸、アトロラクチン酸、メリロト酸、フロレト酸、クマル酸、ウンベル酸、コーヒー酸、フェルラ酸、及びシナピン酸等の芳香族ヒドロキシカルボン酸等が挙げられるが、これらに限定されない。複数のヒドロキシカルボン酸を併用することも可能である。 Examples of hydroxycarboxylic acids include glycolic acid, lactic acid, tartronic acid, glyceric acid, hydroxybutyric acid, 2-hydroxybutyric acid, 3-hydroxybutyric acid, γ-hydroxybutyric acid, malic acid, tartaric acid, citramalic acid, citric acid, isocitric acid. , aliphatic hydroxycarboxylic acids such as leucinic acid, mevalonic acid, pantoic acid, ricinoleic acid, ricinelaidic acid, cerebronic acid, quinic acid, and shikimic acid; salicylic acid, vanillic acid, syringic acid, pyrocatechuic acid, resorcylic acid, protocatechuic acid, Aromatic hydroxycarboxylic acids such as gentisic acid, orceric acid, gallic acid, mandelic acid, benzylic acid, atrolactic acid, melilotic acid, fluoretic acid, coumaric acid, umbelic acid, caffeic acid, ferulic acid, and sinapinic acid, etc. but not limited to. It is also possible to use multiple hydroxycarboxylic acids in combination.
単糖の例としては、グリセルアルデヒド、エリトロース、トレオース、リボース、リキソース、キシロース、アラビノース、アロース、タロース、グロース、グルコース、アルトロース、マンノース、ガラクトース、及びイドース等のアルドース;ジヒドロキシアセトン、エリトルロース、キシルロース、リブロース、プシコース、フルクトース、ソルボース、及びタガトース等のケトースが挙げられるが、これらに限定されない。また、二糖の例としては、スクロース(ショ糖)、ラクツロース、ラクトース(乳糖)、マルトース(麦芽糖)、トレハロース、及びセロビオース等が挙げられるが、これらに限定されない。2種以上の糖を併用することや、単糖と二糖とを併用することも可能である。 Examples of monosaccharides include aldoses such as glyceraldehyde, erythrose, threose, ribose, lyxose, xylose, arabinose, allose, talose, gulose, glucose, altrose, mannose, galactose, and idose; dihydroxyacetone, erythrulose, xylulose , ribulose, psicose, fructose, sorbose, and tagatose. Examples of disaccharides include, but are not limited to, sucrose, lactulose, lactose, maltose, trehalose, and cellobiose. It is also possible to use two or more types of sugars together, or to use monosaccharides and disaccharides together.
脂肪酸及び長鎖脂肪酸の例としては、オクタン酸、ノナン酸、デカン酸、ラウリン酸等が挙げられるが、これらに限定されない。 Examples of fatty acids and long chain fatty acids include, but are not limited to, octanoic acid, nonanoic acid, decanoic acid, lauric acid, and the like.
上記以外の深共晶溶媒を使用することもできる。アルミニウム二次電池の電解液用には、乳酸又はクエン酸、特に乳酸と、単糖、特にグルコースとからなる深共晶溶媒が好ましい。 Deep eutectic solvents other than those mentioned above can also be used. For electrolytes of aluminum secondary batteries, a deep eutectic solvent consisting of lactic acid or citric acid, especially lactic acid, and a monosaccharide, especially glucose, is preferred.
(添加物)
電解液はまた、任意成分として種々の添加剤を含有していてもよい。例えばビニル基含有化合物、γ-ブチロラクトン、エチレンスルフィド、環状スルホン酸エステル、安息香酸メチル、無水コハク酸、ポリジメチルシロキサン、AgPF6、Cu(CF3SO3)2等の負極又は正極保護膜形成剤;2,4-ジフロロアニソール等の過充電防止剤;リン酸エステル、フォスファゼン類、イミダゾール塩等の難燃性付与剤等を、0.01~5質量%程度、特に0.1~1質量%程度含有させることができる。
(Additive)
The electrolyte may also optionally contain various additives. For example, negative electrode or positive electrode protective film forming agents such as vinyl group-containing compounds, γ-butyrolactone, ethylene sulfide, cyclic sulfonic acid esters, methyl benzoate, succinic anhydride, polydimethylsiloxane, AgPF 6 , Cu(CF 3 SO 3 ) 2, etc. ; Overcharge preventive agent such as 2,4-difluoroanisole; Flame retardant imparting agent such as phosphoric acid ester, phosphazenes, imidazole salt, etc., about 0.01 to 5% by mass, especially 0.1 to 1 mass% % can be contained.
<セパレーター>
本実施形態のアルミニウム二次電池1は、正極と負極との間に設置され、両電極の短絡を防止するセパレーター14を備える。セパレーターの形態に特に制限はなく、例えば枠状や格子状の形状である程度の厚みを有し、正極と負極とを隔離するものであってもよい。また、ゲル電解質や固形電解質を、セパレーターとすることも可能である。但し、両電極の短絡をより確実に防ぐ観点からは、図1に示す実施形態におけるように、セパレーター14が負極11及び正極活物質13層の各一方の主表面とほぼ全面で接触していることが好ましい。また、正負極間の高いイオン伝導性を維持する観点からは、セパレーター14は、電解液を保持していることが好ましく、多孔質フィルムや繊維等の形状であることが好ましい。
<Separator>
The aluminum secondary battery 1 of this embodiment includes a
セパレーターの材質や形状にも特に制限はなく、ガラスやセラミックス、セルロース繊維、和紙等の紙、フッ素系ポリマー、ポリエチレンもしくはポリプロピレンのようなポリオレフィン、PET、芳香族ポリアミド、ポリアクリロニトリル、ポリイミド等の多孔質体又は織布もしくは不織布、あるいはゲル状のセパレーター等、どのようものを使用することもできる。 There are no particular restrictions on the material or shape of the separator, and it may be made of porous materials such as glass, ceramics, cellulose fibers, paper such as Japanese paper, fluorine-based polymers, polyolefins such as polyethylene or polypropylene, PET, aromatic polyamides, polyacrylonitrile, polyimide, etc. Any separator can be used, such as a body, woven fabric or non-woven fabric, or gel-like separator.
<電池タイプ>
上記のような構成のアルミニウム二次電池は、そのまま単電池として、あるいは複数個を直列又は並列に接続し、組電池(モジュール)として用いることができる。そのサイズや、組電池中の単電池の数等に特に制限はなく、目的に応じた所望のサイズや個数を採用することができる。例えば、厚さ約1μm~2mm程度、特に10~500μm程度の正極、負極、及びセパレーターを積層して単電池としてもよく、また、そうした単電池を1~1000個程度、特に10~100個程度接続して組電池としてもよい。
<Battery type>
The aluminum secondary battery configured as described above can be used as a unit cell as it is, or a plurality of batteries can be connected in series or parallel to form a battery assembly (module). There are no particular restrictions on the size or the number of single cells in the assembled battery, and any desired size or number can be adopted depending on the purpose. For example, a positive electrode, a negative electrode, and a separator with a thickness of about 1 μm to 2 mm, especially about 10 to 500 μm, may be laminated to form a single cell, and about 1 to 1000 such cells, especially about 10 to 100 such cells may be formed. It may also be connected to form an assembled battery.
アルミニウム二次電池の種類・形状にも特に制限はなく、例えば図1に示したような平板型の他、円筒型、コイン型、ボタン型、ラミネート型等の種々のタイプとすることができる。ここで、ラミネート型のアルミニウム二次電池とは、上記したように、単電池又は組電池を、ラミネート外装材中に収容した電池である。アルミニウム二次電池は、こうした外装材中に収容することにより、より実用的な二次電池として使用することが可能となる。 There are no particular restrictions on the type or shape of the aluminum secondary battery; for example, in addition to the flat plate type shown in FIG. 1, various types can be used, such as a cylindrical type, a coin type, a button type, and a laminate type. Here, the laminate type aluminum secondary battery is a battery in which a single cell or an assembled battery is housed in a laminate exterior material, as described above. By housing an aluminum secondary battery in such an exterior material, it becomes possible to use it as a more practical secondary battery.
≪ラミネート電池≫
本発明は、外装材をさらに備え、負極、正極活物質、正極集電体、セパレーター、及び電解液が外装材に収容されており、当該外装材がエチレンビニルアルコール樹脂層及び/又はポリアクリロニトリル樹脂層を有する、アルミニウム二次電池をも包含する。所望により、外装材中に絶縁材や、保温材、緩衝材等の部材を付してもよい。
≪Laminate battery≫
The present invention further includes an exterior material, and a negative electrode, a positive electrode active material, a positive electrode current collector, a separator, and an electrolytic solution are housed in the exterior material, and the exterior material is an ethylene vinyl alcohol resin layer and/or a polyacrylonitrile resin layer. It also includes an aluminum secondary battery having a layer. If desired, members such as an insulating material, a heat insulating material, a cushioning material, etc. may be added to the exterior material.
ラミネート型の二次電池、例えばリチウムイオン電池では、アルミニウムやステンレス(SUS)等からなる金属層の両側に、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン、ナイロン等のポリアミド、PET等のポリエステル等からなる熱可塑性樹脂層が積層された材料が、外装材(ラミネート材)として一般に使用されている。 In laminated secondary batteries, such as lithium ion batteries, thermoplastic resins such as polyolefins such as polyethylene and polypropylene, polyamides such as nylon, and polyesters such as PET are used on both sides of a metal layer made of aluminum or stainless steel (SUS). Materials in which layers are laminated are commonly used as exterior materials (laminates).
本発明者が見出したところによると、これらポリオレフィン製やPET製のラミネートフィルムをアルミニウム二次電池の外装材とした場合、しばしば膨れ等の変形を生じる。こうした周辺部材の変質や変形も、アルミニウム二次電池の実用化の上で問題となるため、本発明者はラミネート電池の外装材についても検討を行った。以下では、本発明のラミネート電池について実施形態に基づき詳記するが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではない。 According to the findings of the present inventors, when a laminate film made of polyolefin or PET is used as an exterior material for an aluminum secondary battery, deformation such as blistering often occurs. Since such deterioration and deformation of peripheral members also pose a problem in putting aluminum secondary batteries into practical use, the inventors also investigated exterior materials for laminated batteries. The laminate battery of the present invention will be described in detail below based on embodiments, but the present invention is not limited to these embodiments.
図2は、本発明の一実施形態に係るラミネート電池の、断面模式図である。本実施形態のラミネート電池2においては、アルミニウム及び/又はアルミニウム合金を含有する負極21、負極21と対向するように設けられた正極集電体22、正極集電体22上に配置された正極活物質23、並びに負極21及び正極集電体22の間に配置された、電解液を含むセパレーター24が備えられ、それらが外装材25に収容されている。ここで、正極集電体22はニッケル系合金、ニッケル、モリブデン、ガラス状炭素、窒化チタン、炭窒化チタン、及び炭化チタンからなる群より選択される1種以上からなる。図1に示した実施形態のアルミニウム二次電池における正極集電体12と、同様である。負極21、正極活物質23、セパレーター24及び電解液についても、図1に示した実施形態のアルミニウム二次電池と同様の材料を用いることができる。また、外装材25はエチレンビニルアルコール樹脂層及び/又はポリアクリロニトリル樹脂層を有する。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a laminate battery according to an embodiment of the present invention. In the laminate battery 2 of this embodiment, a
尚、図2に示す実施形態においては、負極21及び正極集電体22が互いに反対方向に延出し、それぞれ負極タブ及び正極タブを構成しているが、本発明はこうした実施形態に限定されるものではない。例えば負極21及び正極集電体22をセパレーター24と同一のサイズとし、各電極にアルミニウム製やニッケル合金製の金属板等を接合して電極タブとしてもよく、また、負極タブと正極タブとが同一方向に付されていてもよい。図2では外装材25が負極21や正極集電体22から離れた状態で単電池を収容しているが、外装材25は単電池の一部又は全面に、例えば熱融着等により密着していてもよい。
Note that in the embodiment shown in FIG. 2, the
図3は、本発明の他の実施形態に係る他のラミネート電池の、断面模式図である。この実施形態においては、本発明に従う単電池が3つ積層され、直列に接続した組電池となっているが、本発明はこうした実施形態に限定されるものではない。例えば単電池の数は2つもしくは4つ以上であってもよく、また、各単電池は並列に接続されていてもよく、あるいは図3の横方向に直接に接続されていてもよい。尚、図3では見易くする観点から、3つの単電池を離して描いているが、これらは直接又は導電体もしくは溶着部を介して接合しておくことが好ましい。単電池間には、所望によりセパレーターが配置されていてもよい。 FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of another laminate battery according to another embodiment of the present invention. In this embodiment, three single cells according to the present invention are stacked and connected in series to form an assembled battery, but the present invention is not limited to this embodiment. For example, the number of cells may be two or four or more, and each cell may be connected in parallel or directly in the horizontal direction of FIG. 3. In FIG. 3, the three cells are shown separated from each other for ease of viewing, but it is preferable that they be joined directly or via a conductor or a welded portion. A separator may be placed between the cells if desired.
図3に示す実施形態においても、負極31、正極集電体32、正極活物質33、セパレーター34及び電解液は、図1に示した実施形態のアルミニウム二次電池と同様の材料を用いることができる。また、外装材35はエチレンビニルアルコール樹脂層及び/又はポリアクリロニトリル樹脂層を有する。
Also in the embodiment shown in FIG. 3, the same materials as those of the aluminum secondary battery of the embodiment shown in FIG. can. Moreover, the
<外装材>
上記のように図2及び図3に示す実施形態のアルミニウム二次電池(ラミネート電池)においては、外装材をさらに備えること、並びに、当該外装材がエチレンビニルアルコール樹脂層及び/又はポリアクリロニトリル樹脂層を有することが、重要な要件である。本実施形態におけるようにエチレンビニルアルコール樹脂層及び/又はポリアクリロニトリル樹脂層を有する外装材であれば、アルミニウム二次電池に適用しても膨れ等の変形や変質を伴うことなく、さらに長寿命の電池とすることも可能となる。
<Exterior material>
As mentioned above, the aluminum secondary battery (laminate battery) of the embodiment shown in FIGS. 2 and 3 further includes an exterior material, and the exterior material is an ethylene vinyl alcohol resin layer and/or a polyacrylonitrile resin layer. An important requirement is to have If the exterior material has an ethylene vinyl alcohol resin layer and/or a polyacrylonitrile resin layer as in this embodiment, even if it is applied to an aluminum secondary battery, there will be no deformation or deterioration such as swelling, and it will have a longer life. It is also possible to use it as a battery.
[エチレンビニルアルコール]
エチレンビニルアルコールは、エチレンとビニルアルコールとの、-CH2CH(OH)-単位を有する共重合体であり、EVOHとも表記される。EVOHは一般に、エチレン/酢酸ビニル共重合体の加水分解(ケン化)により得られ、株式会社クラレのエバール(登録商標)、三菱ケミカル株式会社のソアライト(登録商標)等、種々の市販品が上市されている。EVOHは優れた成形加工性とガスバリア性を有するため、食品の包装材として広く使用されている。本発明者らは今回、このEVOH樹脂が、アルミニウム二次電池用外層材の原材料の一つとして有用であることを見出した。
[Ethylene vinyl alcohol]
Ethylene vinyl alcohol is a copolymer of ethylene and vinyl alcohol having -CH 2 CH(OH)- units, and is also written as EVOH. EVOH is generally obtained by hydrolysis (saponification) of ethylene/vinyl acetate copolymer, and various commercially available products are on the market, such as EVAL (registered trademark) by Kuraray Co., Ltd. and Soarite (registered trademark) by Mitsubishi Chemical Corporation. has been done. Since EVOH has excellent moldability and gas barrier properties, it is widely used as a food packaging material. The present inventors have now discovered that this EVOH resin is useful as one of the raw materials for the outer layer material for aluminum secondary batteries.
EVOHは、エチレンとビニルアルコールの共重合比や重合度により、物性や加工性を制御することができるが、本実施形態においてはどのようなEVOHを使用することもできる。例えばエチレン含量が20~30モル%程度のEVOHやエチレン含量が30~50モル%程度のEVOH、エチレン含量50%超のEVOH;密度が1.10~1.16g/cm3程度のEVOHや密度が1.16~1.22g/cm3程度のEVOH;融点が170℃未満のEVOHや融点170~185℃程度のEVOH、さらには融点が185℃超のEVOH等、所望の品種を選択して使用することができる。複数種のEVOHを併用することも可能である。 Although the physical properties and processability of EVOH can be controlled by the copolymerization ratio of ethylene and vinyl alcohol and the degree of polymerization, any EVOH can be used in this embodiment. For example, EVOH with an ethylene content of about 20 to 30 mol%, EVOH with an ethylene content of about 30 to 50 mol%, EVOH with an ethylene content of more than 50%; EVOH with a density of about 1.10 to 1.16 g/ cm3; EVOH with a melting point of about 1.16 to 1.22 g/ cm3 ; EVOH with a melting point of less than 170°C, EVOH with a melting point of about 170 to 185°C, and even EVOH with a melting point of over 185°C. can be used. It is also possible to use multiple types of EVOH in combination.
EVOHは、カルボキシ基やエポキシ基を有する第3モノマー等が共重合された、三元共重合体等であってもよい。こうした第3モノマーにより、EVOHをラミネートした際に、金属層との接着性を高めることができる。また、第3モノマー成分上の官能基を架橋させ、EVOHの耐性をさらに高めることも可能である。EVOH上のヒドロキシ基をエステル化又はエーテル化し、あるいは酸の存在下でホルムアルデヒドやベンズアルデヒド等のアルデヒドと反応させてアセタール化して、耐水性を高めてもよい。 EVOH may be a terpolymer or the like in which a third monomer having a carboxyl group or an epoxy group is copolymerized. Such a third monomer can improve the adhesion to the metal layer when EVOH is laminated. It is also possible to further increase the resistance of EVOH by crosslinking the functional groups on the third monomer component. Hydroxy groups on EVOH may be esterified or etherified, or acetalized by reacting with an aldehyde such as formaldehyde or benzaldehyde in the presence of an acid to improve water resistance.
アルミニウム二次電池の耐熱性の観点からは低エチレン含量のEVOHが、耐寒性の観点からは高エチレン含量のEVOHが好ましい。電解質に対する耐性の点からは、酢酸ビニル単位の約99%以上がケン化された完全ケン化タイプのEVOHが好ましく、また、エチレン含量が0.1~30.0モル%程度、特に1.0~20.0モル%程度のEVOHが好ましい。こうしたEVOHを樹脂層に有する外装材は、アルミニウム二次電池に使用した場合も、膨れ等の変形や変質を来すおそれが低い。 From the viewpoint of heat resistance of an aluminum secondary battery, EVOH with a low ethylene content is preferable, and from the viewpoint of cold resistance, an EVOH with a high ethylene content is preferable. From the viewpoint of resistance to electrolytes, completely saponified type EVOH in which about 99% or more of vinyl acetate units are saponified is preferable, and EVOH with an ethylene content of about 0.1 to 30.0 mol%, especially 1.0 About 20.0 mol % of EVOH is preferred. Even when such an exterior material having EVOH in its resin layer is used in an aluminum secondary battery, there is a low risk of deformation such as swelling or deterioration.
[ポリアクリロニトリル]
ポリアクリロニトリル(PAN)は、アクリロニトリルの重合体であり、PAN樹脂は-CH2CH(CN)-単位を50モル%以上含有するポリマーである。アクリロニトリルの共重合比や分子量の異なる種々のPAN樹脂が各社から市販されているが、本発明においてはどのような樹脂を使用することもできる。複数種のPAN樹脂を併用してもよい。好ましくは、アクリロニトリルの共重合比が80モル%以上、さらには90モル%以上のPAN樹脂、特にアクリロニトリルのホモポリマーを使用する。一般にアクリロニトリルの共重合比が高いほど、耐腐食性に優れ、電池用部材等として有用である。
[Polyacrylonitrile]
Polyacrylonitrile (PAN) is a polymer of acrylonitrile, and PAN resin is a polymer containing 50 mol% or more of -CH 2 CH(CN)- units. Various PAN resins having different acrylonitrile copolymerization ratios and molecular weights are commercially available from various companies, but any resin can be used in the present invention. Multiple types of PAN resins may be used in combination. Preferably, a PAN resin, particularly a homopolymer of acrylonitrile, having a copolymerization ratio of acrylonitrile of 80 mol % or more, particularly 90 mol % or more is used. Generally, the higher the copolymerization ratio of acrylonitrile, the better the corrosion resistance, and the more useful it is as a battery member.
[ラミネート構造]
本実施形態における外装材は、上記のようなエチレンビニルアルコール樹脂又はポリアクリロニトリル樹脂を含む層を、好ましくは内面側(電池側)層として有する。外面側層がEVOH及び/又はPAN樹脂を含む実施形態とすることも可能である。外装材は、基本的に金属製の中間層、樹脂製の内面側層及び外面側層を備えるが、外面側層の樹脂は、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン、ナイロン等のポリアミド、PET等のポリエステル等であってもよい。金属層の材質にも特に制限はなく、汎用の外装材(ラミネート材)に使用される金属のいずれを使用することもできるが、好ましくはアルミニウム又はステンレス、特にアルミニウムを使用する。アルミニウムは軽量かつ柔軟で、コスト面でも有利なため、外装材(ラミネート材)中間層の材料として好適である。
[Laminate structure]
The exterior material in this embodiment preferably has a layer containing the above-mentioned ethylene vinyl alcohol resin or polyacrylonitrile resin as an inner side (battery side) layer. Embodiments are also possible in which the outer layer comprises EVOH and/or PAN resin. The exterior material basically includes an intermediate layer made of metal, an inner layer and an outer layer made of resin, and the resin of the outer layer is made of polyolefin such as polyethylene or polypropylene, polyamide such as nylon, or polyester such as PET. etc. may be used. There is no particular restriction on the material of the metal layer, and any metal used for general-purpose exterior materials (laminate materials) can be used, but aluminum or stainless steel, particularly aluminum, is preferably used. Aluminum is lightweight and flexible, and is advantageous in terms of cost, so it is suitable as a material for the middle layer of an exterior material (laminate material).
外装材は、内面側層と中間層との間及び/又は外面側層と中間層との間に、接着層を備えていてもよい。接着層の材質に特に制限はなく、ナイロン等のポリアミド、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル、ポリフッ化ビニリデン等のフッ素樹脂、不飽和カルボン酸(無水物)等で変性されたポリオレフィンもしくはスチレン系ポリマー、又は天然ゴムや各種合成ゴム等、種々の公知の接着性ポリマーを使用することができる。但し、外装材の耐性の観点からは、内面側層と中間層との間には、接着層が備えられていないか、あるいは内面側層とは異なるEVOH樹脂層及び/又はPAN樹脂層が、接着層として備えられていることが好ましい。例えばフェノール樹脂やテルペン樹脂等のタック剤を含むEVOH樹脂又はPAN樹脂を、接着層として用いてもよい。また、内面側層にタック剤を含有させ、接着層を介さずに金属製中間層とラミネートすることも可能である。 The exterior material may include an adhesive layer between the inner layer and the intermediate layer and/or between the outer layer and the intermediate layer. There are no particular restrictions on the material of the adhesive layer, and polyamides such as nylon, polyesters such as polyethylene terephthalate, fluororesins such as polyvinylidene fluoride, polyolefins or styrene polymers modified with unsaturated carboxylic acids (anhydrides), etc., or natural Various known adhesive polymers can be used, such as rubber and various synthetic rubbers. However, from the viewpoint of the durability of the exterior material, an adhesive layer is not provided between the inner layer and the intermediate layer, or an EVOH resin layer and/or PAN resin layer different from the inner layer is provided. Preferably, it is provided as an adhesive layer. For example, EVOH resin or PAN resin containing a tack agent such as phenol resin or terpene resin may be used as the adhesive layer. It is also possible to contain a tack agent in the inner surface layer and laminate it with a metal intermediate layer without using an adhesive layer.
エチレンビニルアルコール樹脂層やポリアクリロニトリル樹脂層を始めとする外装材の内面側層及び/又は外面側層は、上記のようにタック剤を含有していてもよいが、他の成分、例えば滑剤、可塑剤、帯電防止剤等の加工助剤、酸化防止剤等の劣化防止剤、カーボンブラックや顔料を始めとする色剤等を、0.1~2.0質量部、特に0.2~1.0質量部程度含有していてもよい。EVOHやPAN以外のポリマー、例えばナイロン等のポリアミド、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル、不飽和カルボン酸(無水物)等で変性されたポリオレフィンもしくはスチレン系ポリマー、エチレン/アクリル酸(エステル)共重合体等をブレンドすることもできる。また、炭酸カルシウム、シリカ、酸化チタン、硫酸バリウム、タルク、クレー等のフィラーを含有していてもよい。 The inner layer and/or outer layer of the exterior material, including the ethylene vinyl alcohol resin layer and the polyacrylonitrile resin layer, may contain a tack agent as described above, but may also contain other components such as a lubricant, 0.1 to 2.0 parts by mass, especially 0.2 to 1 part by mass of processing aids such as plasticizers and antistatic agents, deterioration inhibitors such as antioxidants, and coloring agents such as carbon black and pigments. It may be contained in an amount of about .0 part by mass. Polymers other than EVOH and PAN, such as polyamides such as nylon, polyesters such as polyethylene terephthalate, polyolefins or styrenic polymers modified with unsaturated carboxylic acids (anhydrides), ethylene/acrylic acid (ester) copolymers, etc. It can also be blended. It may also contain fillers such as calcium carbonate, silica, titanium oxide, barium sulfate, talc, and clay.
また、外装材の中間層である金属層、例えばアルミニウム層やステンレス層を、ジンケート処理、クロメート処理、リン酸塩処理、あるいはサンドブラスト等の処理に付して、内面側層や外面側層等との接着性を高めることもできる。 In addition, the metal layer that is the intermediate layer of the exterior material, such as the aluminum layer or the stainless steel layer, is subjected to treatments such as zincate treatment, chromate treatment, phosphate treatment, or sandblasting to form inner and outer layers. It is also possible to improve the adhesion of
外装材の各層の厚さ及び全厚にも特に制限はなく、アルミニウム二次電池の使用環境等に合わせて所望の厚さとすることができる。例えば、1~300μm、特に10~100μm程度の厚さの金属層を、10~500μm、特に30~300μm程度の厚さの内面側層及び外面側層で挟んで、全厚25μm~1mm程度、特に50~500μm程度の外装材とすることができるが、こうした実施形態に限定されない。厚さ1~10μm程度の接着層が付されていてもよい。 There are no particular restrictions on the thickness of each layer or the total thickness of the exterior material, and the thickness can be set to a desired value depending on the environment in which the aluminum secondary battery is used. For example, a metal layer with a thickness of about 1 to 300 μm, especially about 10 to 100 μm, is sandwiched between an inner layer and an outer layer with a thickness of about 10 to 500 μm, especially about 30 to 300 μm, so that the total thickness is about 25 μm to 1 mm. In particular, the sheathing material may have a thickness of about 50 to 500 μm, but is not limited to this embodiment. An adhesive layer having a thickness of about 1 to 10 μm may be attached.
上記のような外装材に、例えば上記した実施形態のアルミニウム二次電池を収容することにより、本実施形態のラミネート電池とすることができる。外装材は、アルミニウム二次電池を収容後、少なくとも端部をパウチすることが好ましい。パウチ処理は、例えば熱圧着(ヒートシール)により行うことができる。ラミネート電池の全体を熱圧着してパウチしてもよい。 By accommodating, for example, the aluminum secondary battery of the above-described embodiment in the above-described exterior material, the laminate battery of this embodiment can be obtained. After accommodating the aluminum secondary battery, the exterior material is preferably pouched at least at its ends. The pouch treatment can be performed, for example, by thermocompression bonding (heat sealing). The entire laminate battery may be thermocompressed into a pouch.
こうして得られた本実施形態のラミネート電池は、電極等の腐食が抑制されてサイクル寿命が向上している上、外装材の変形や変質を来し難く、その点からも寿命の長い実用的な二次電池となっている。また、アルミニウム及び/又はアルミニウム合金を負極材料とするため、リチウムイオン電池等と比べて安全かつ低コストで、原料の供給面での不安もない。そのため、自動車等の車両や、パソコン、携帯端末、各種家電や医療機器用の二次電池として好適である。 The thus obtained laminate battery of this embodiment has improved cycle life by suppressing corrosion of electrodes, etc., and is resistant to deformation or deterioration of the exterior material, making it a practical product with a long life. It is a secondary battery. Furthermore, since aluminum and/or aluminum alloy is used as the negative electrode material, it is safer and lower cost than lithium ion batteries, and there is no concern about the supply of raw materials. Therefore, it is suitable as a secondary battery for vehicles such as automobiles, personal computers, mobile terminals, various home appliances, and medical equipment.
以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明は上記で規定すること以外は、これらの実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be explained in more detail based on Examples, but the present invention is not limited to these Examples except for what is specified above.
[実施例1]
以下のようにして調製した正極、負極、及び電解液を用いて、アルミニウム硫黄電池(図1に示されるような単電池)を作製した。
・正極:硫黄、アセチレンブラック、及びポリフッ化ビニリデン(PVDF)の各粉末を、質量比2:1:1で混合し、N-メチルピロリドン(NMP)を添加してスラリーとした。これを正極集電体としてのハステロイ(登録商標)B-2(Ni含有量:約69質量%、Mo含有量:約28質量%、その他、1質量%程度のCr、Mn、Fe等を含有)箔(厚み15μm)に塗布し、乾燥して正極を作製した。
・負極:アルミニウム箔(厚み15μm)をそのまま使用した。
・電解液:エチルメチルイミダゾリウムクロリドと塩化アルミニウムとを、アルゴン又は窒素気流下、質量比=4:6で混合し、調製した。
調製した電解液は、ガラス繊維製セパレーターに含浸させて使用した。
[Example 1]
An aluminum-sulfur battery (a single cell as shown in FIG. 1) was fabricated using a positive electrode, a negative electrode, and an electrolytic solution prepared as follows.
- Positive electrode: Sulfur, acetylene black, and polyvinylidene fluoride (PVDF) powders were mixed at a mass ratio of 2:1:1, and N-methylpyrrolidone (NMP) was added to form a slurry. Hastelloy (registered trademark) B-2 (Ni content: approximately 69% by mass, Mo content: approximately 28% by mass, and also contains approximately 1% by mass of Cr, Mn, Fe, etc.) as a positive electrode current collector. ) was coated on foil (thickness: 15 μm) and dried to produce a positive electrode.
- Negative electrode: Aluminum foil (thickness 15 μm) was used as is.
- Electrolyte solution: Ethylmethylimidazolium chloride and aluminum chloride were mixed at a mass ratio of 4:6 under an argon or nitrogen stream to prepare.
The prepared electrolytic solution was used by impregnating a glass fiber separator.
別途に、ポリプロピレン層(厚み50μm)/アルミニウム層(厚み50μm)/ポリプロピレン層(厚み50μm)からなる、汎用のポリオレフィン系3層ラミネートフィルムを外装材として用意した。このフィルムを中央で折り曲げて間に上記の単電池を挟み、3方の端部をヒートシールしてパウチし、図2に示されるようなラミネート電池を作製した。 Separately, a general-purpose polyolefin three-layer laminate film consisting of a polypropylene layer (thickness: 50 μm)/aluminum layer (thickness: 50 μm)/polypropylene layer (thickness: 50 μm) was prepared as an exterior material. This film was folded at the center, the above unit cell was sandwiched therebetween, and the three ends were heat-sealed to form a pouch to produce a laminate battery as shown in FIG. 2.
上記により作製したラミネート電池について、電位窓2.0~4.5V、0.1Cにて充放電を100サイクル行った。測定は、北斗電工社製のポテンショスタット/ガルバノスタット HAシリーズを用いて行った。試験結果は、後記する表1にまとめて示す。 The laminate battery produced as described above was charged and discharged for 100 cycles at a potential window of 2.0 to 4.5V and 0.1C. The measurement was performed using a potentiostat/galvanostat HA series manufactured by Hokuto Denko. The test results are summarized in Table 1 below.
本実施例のラミネート電池では、30サイクル付近から外装材の膨れが観察されたが、50サイクル目に312mAhg-1、100サイクル目にも156mAhg-1と、高い電池容量が維持された。試験後、ラミネート電池を解体したところ、正極集電体の腐食は観察されなかった。 In the laminate battery of this example, swelling of the exterior material was observed around the 30th cycle, but high battery capacity was maintained at 312 mAhg -1 at the 50th cycle and 156 mAhg -1 at the 100th cycle. When the laminate battery was disassembled after the test, no corrosion of the positive electrode current collector was observed.
[比較例1]
正極集電体として、ハステロイ(登録商標)B-2の代わりにフェライト系ステンレス(登録商標)SUS430(Cr含有量:約18質量%、他に、1質量%程度のMn及びSiを含有)を使用した以外は、実施例1と同様の操作を行った。
[Comparative example 1]
As a positive electrode current collector, ferritic stainless steel (registered trademark) SUS430 (Cr content: about 18% by mass, and also contains about 1% by mass of Mn and Si) was used instead of Hastelloy (registered trademark) B-2. The same operation as in Example 1 was performed except for using the following.
試験結果は、後記する表1にまとめて示すが、比較例1のラミネート電池では、50サイクル目で電池容量が7mAhg-1にまで低下してしまったため、以後の試験は取り止めた。外装材にも膨れが観察され、劣化が著しかった。試験後のラミネート電池を解体したところ、正極集電体の著しい腐食が観察された。 The test results are summarized in Table 1 below, but in the case of the laminate battery of Comparative Example 1, the battery capacity decreased to 7 mAhg -1 at the 50th cycle, so further tests were canceled. Blisters were also observed on the exterior material, indicating significant deterioration. When the laminate battery was disassembled after the test, significant corrosion of the positive electrode current collector was observed.
[実施例2]
外装材として、内層側の樹脂層がEVOH製の3層ラミネートフィルムを使用した以外は、実施例1と同様の操作を行った。
[Example 2]
The same operation as in Example 1 was performed except that a three-layer laminate film in which the inner resin layer was made of EVOH was used as the exterior material.
試験結果は、後記する表1にまとめて示すが、実施例2のラミネート電池では、100サイクル試験後にもラミネートに膨れ等の変形や変質は観察されなかった。また、100サイクル目に376mAhg-1という、非常に高い電池容量が発現した。試験後、ラミネート電池を解体したところ、正極集電体の腐食も観察されなかった。 The test results are summarized in Table 1 below, and in the laminate battery of Example 2, no deformation or deterioration such as blistering was observed in the laminate even after the 100 cycle test. Furthermore, a very high battery capacity of 376 mAhg -1 was achieved at the 100th cycle. When the laminate battery was disassembled after the test, no corrosion of the positive electrode current collector was observed.
[実施例3]
正極集電体として、ハステロイ(登録商標)B-2の代わりにモリブデン箔を、外装材として、内層側の樹脂層がPAN製の3層ラミネートフィルムを使用した以外は、実施例1と同様の操作を行った。
[Example 3]
The same method as in Example 1 was used, except that molybdenum foil was used instead of Hastelloy (registered trademark) B-2 as the positive electrode current collector, and a three-layer laminate film whose inner resin layer was made of PAN was used as the exterior material. performed the operation.
試験結果は、後記する表1にまとめて示すが、実施例3のラミネート電池では、100サイクル試験後にも外装材に膨れ等の変形や変質は観察されなかった。また、100サイクル目に421mAhg-1という、非常に高い電池容量が発現した。試験後、ラミネート電池を解体したところ、正極集電体の腐食も観察されなかった。 The test results are summarized in Table 1 below, and in the laminate battery of Example 3, no deformation such as blistering or deterioration of the exterior material was observed even after the 100 cycle test. Furthermore, at the 100th cycle, a very high battery capacity of 421 mAhg -1 was achieved. When the laminate battery was disassembled after the test, no corrosion of the positive electrode current collector was observed.
本発明に従い、正極集電体がニッケル系合金又はモリブデンからなる実施例1~3のラミネート電池では、100サイクル試験時にも正極集電体の腐食等を来さず、高い電池容量が維持された。特に、外装材の内層としてエチレンビニルアルコール樹脂層又はポリアクリロニトリル樹脂層を有する実施例2及び3のラミネート電池では、100サイクル試験時にも高い電池容量が発現し、外装材の膨れ等の劣化も生じないことが判明した。 In accordance with the present invention, in the laminate batteries of Examples 1 to 3 in which the positive electrode current collector was made of a nickel-based alloy or molybdenum, high battery capacity was maintained without corrosion of the positive electrode current collector even during 100 cycle tests. . In particular, the laminate batteries of Examples 2 and 3, which have an ethylene vinyl alcohol resin layer or a polyacrylonitrile resin layer as the inner layer of the exterior material, exhibited high battery capacity even during the 100 cycle test, and deterioration such as swelling of the exterior material occurred. It turns out there isn't.
1 アルミニウム二次電池
11 負極
12 正極集電体
13 正極活物質
14 セパレーター
2、3 ラミネート電池
21、31 負極
22、32 正極集電体
23、33 正極活物質
24、34 セパレーター
25、35 外装材
1 Aluminum
Claims (5)
前記正極集電体が、ニッケル系合金、ニッケル、モリブデン、ガラス状炭素、窒化チタン、炭窒化チタン、及び炭化チタンからなる群より選択される1種以上からなる、アルミニウム二次電池。 A negative electrode containing aluminum and/or an aluminum alloy, a positive electrode current collector provided to face the negative electrode, a positive electrode active material disposed on the positive electrode current collector, and a negative electrode and the positive electrode current collector. An aluminum secondary battery comprising a separator and an electrolyte disposed between,
An aluminum secondary battery, wherein the positive electrode current collector is made of one or more selected from the group consisting of nickel alloy, nickel, molybdenum, glassy carbon, titanium nitride, titanium carbonitride, and titanium carbide.
前記外装材がエチレンビニルアルコール樹脂層及び/又はポリアクリロニトリル樹脂層を有する、請求項1~4のいずれか1項に記載のアルミニウム二次電池。
further comprising an exterior material, the negative electrode, the positive electrode active material, the positive electrode current collector, the separator, and the electrolytic solution are housed in the exterior material;
The aluminum secondary battery according to any one of claims 1 to 4, wherein the exterior material has an ethylene vinyl alcohol resin layer and/or a polyacrylonitrile resin layer.
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