JP3143715B2 - Rechargeable battery - Google Patents

Rechargeable battery

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    • Y02E60/50Fuel cells

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は二次電池に関する。さら
に詳しくは、軽量、小型で高いエネルギー密度を有する
二次電池に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a secondary battery. More specifically, the present invention relates to a lightweight, small, and high energy density secondary battery.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、ポリアセチレンなどの高分子材料
にBF4イオン、ClO4イオン、SbF4イオン、PF6
イオンなどのアニオンまたはLiイオン、R4Nイオン
(Rはアルキル基を示す)などのカチオンを可逆的にド
ーピングする方法が見出され、ポリアセチレン、ポリア
センなどの高分子半導体を正極、負極の少なくとも一方
に用いた二次電池の開発が活発に行われている。
2. Description of the Related Art Recently, BF 4 ions, ClO 4 ions, SbF 4 ions, and PF 6 ions have been added to polymer materials such as polyacetylene.
A method of reversibly doping an anion such as an ion, a Li ion, or a cation such as R 4 N ion (R represents an alkyl group) has been found. The development of the secondary battery used for (1) has been actively conducted.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ポリア
セチレンなどの高分子材料は、それ自体でも、またドー
ピングを受けた状態でも極めて不安定な化合物であり、
従ってこれらの欠点を克服した電極を利用した二次電池
が切望されている。
However, a polymer material such as polyacetylene is a compound which is extremely unstable either by itself or in a doped state.
Therefore, a secondary battery using an electrode that overcomes these drawbacks has been desired.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記従来
技術の問題点に鑑み、鋭意研究の結果、フラーレン半導
体を二次電池の電極材料に用いることで前記問題点を解
決し、材料の安定性の向上による二次電池の特性改善が
可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。
Means for Solving the Problems In view of the problems of the prior art, the present inventors have conducted intensive studies and as a result, solved the above problems by using fullerene semiconductors as electrode materials for secondary batteries. It has been found that the characteristics of a secondary battery can be improved by improving the stability of the present invention, and the present invention has been completed.

【0005】 すなわち、本発明の二次電池は、正極、
負極および電解質からなる二次電池であって、正極の電
極がフラーレン半導体であることを特徴としている。
That is, the secondary battery of the present invention has a positive electrode,
A secondary battery comprising a negative electrode and an electrolyte, wherein the positive electrode is a fullerene semiconductor.

【0006】本発明において用いるフラーレンは、球状
炭素化合物として知られている最近発見された材料で、
サッカーボール構造を有する球状炭素化合物C60、およ
びラグビーボール構造を有する球状炭素化合物C70で表
され、現在基礎的性質の解明が進められている。このフ
ラーレン化合物は、その粉末を反応管内でアルカリ金属
と加熱処理を行うとアルカリ金属をドープしたn型半導
体が出来ることが知られている。また、最近ではC60
アルカリ金属を添加したフラーレン化合物、例えばKX
60は薄膜で16K、バルクで18Kでマイスナー効果
が生じることが知られており、また、Cs2Rb160
臨界温度が33Kで超伝導体になるなど、C60は次世代
の新素材として非常に注目されている材料である。
The fullerene used in the present invention is a recently discovered material known as a spherical carbon compound,
It is represented by a spherical carbon compound C 60 having a soccer ball structure and a spherical carbon compound C 70 having a rugby ball structure, and its basic properties are currently being elucidated. It is known that when the powder of the fullerene compound is subjected to heat treatment with an alkali metal in a reaction tube, an n-type semiconductor doped with the alkali metal can be formed. Recently, a fullerene compound obtained by adding an alkali metal to C 60 , for example, K X
C 60 is known to Meissner effect occurs at 18K with 16K, a bulk thin film, also, such as Cs 2 Rb 1 C 60 also critical temperature becomes superconductor at 33K, C 60 is the next generation of new It is a material that has attracted much attention as a material.

【0007】[0007]

【実施例】以下、添付図面を参照しながら本発明につい
て説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

【0008】図1は本発明の一実施例の概略図である。
図において、1は正極、2は電解質、3は負極、4は電
池収納ケースを示す。
FIG. 1 is a schematic diagram of one embodiment of the present invention.
In the figure, 1 indicates a positive electrode, 2 indicates an electrolyte, 3 indicates a negative electrode, and 4 indicates a battery storage case.

【0009】正極1は、陰イオンをドーピングしたp型
フラーレン半導体(または化合物)からなる。負極3
は、陽イオンをドーピングしたn型フラーレン半導体
(または化合物)からなる。負極3には必ずしもフラー
レン半導体を用いる必要はなく、従来の二次電池に用い
られている電極材料が用いられてもよい。具体的には、
リチウム金属もしくはリチウム合金を用いることができ
るが、その中でもリチウム金属およびアルミニウム-リ
チウム合金、亜鉛-リチウム合金が特に好ましい。
The positive electrode 1 is made of a p-type fullerene semiconductor (or compound) doped with an anion. Negative electrode 3
Consists of an n-type fullerene semiconductor (or compound) doped with cations. It is not necessary to use a fullerene semiconductor for the negative electrode 3, and an electrode material used in a conventional secondary battery may be used. In particular,
Lithium metal or a lithium alloy can be used, and among them, lithium metal, aluminum-lithium alloy, and zinc-lithium alloy are particularly preferable.

【0010】使用するフラーレン半導体(または化合
物、以下、単に半導体ということもある)としては、C
60フラーレン、C70フラーレンのどちらでもよいが、よ
り安定なC60フラーレンの方が好ましい。二次電池の電
極材料に用いる場合のフラーレン半導体としては、陽イ
オンをドーピングしたn型半導体と、陰イオンをドーピ
ングしたp型半導体とがある。このn型フラーレン半導
体を負極、p型フラーレン半導体を正極1として用い、
これらの電極1、3で電解質を挾み込むことにより二次
電池は構成される。
The fullerene semiconductor (or compound, hereinafter sometimes simply referred to as a semiconductor) used is C
Either 60 fullerene or C 70 fullerene may be used, but more stable C 60 fullerene is preferable. As a fullerene semiconductor used for an electrode material of a secondary battery, there are an n-type semiconductor doped with a cation and a p-type semiconductor doped with an anion. Using this n-type fullerene semiconductor as a negative electrode and the p-type fullerene semiconductor as a positive electrode 1,
A secondary battery is formed by sandwiching the electrolyte between these electrodes 1 and 3.

【0011】n型フラーレン半導体のドーパントである
陽イオンとしては、Liイオン、Naイオン、Kイオ
ン、Csイオン、Rbイオン、Mg2価イオン、Al3
価イオン(アリミニウム3価イオン)など、p型フラー
レン半導体のドーパントである陰イオンとしては、BF
4イオン、ClO4イオン、PF4イオン、AsF6イオ
ン、CF3SO3イオン、Iイオン、Brイオン、Clイ
オン、Fイオンなどがあげられるが、得られる電池の電
圧が高いこと、エネルギー密度が高いこと、合成が容易
であること、安価であることなどの理由から、陽イオン
としては、Liイオン、Naイオン、Kイオン、Csイ
オン、Rbイオンなどのアルカリ金属イオンが好まし
く、特にLiイオンが好ましい。また、陰イオンとして
は、BF4イオン、ClO4イオン、PF4イオン、CF3
SO3イオン、Iイオン、Clイオン、Fイオンが好ま
しく、特にBF4イオン、ClO4イオン、CF3SO3
オン、Iイオン、Clイオンが好ましい。
Cations serving as dopants for the n-type fullerene semiconductor include Li ions, Na ions, K ions, Cs ions, Rb ions, divalent Mg ions, and Al3 ions.
Examples of the anion which is a dopant of the p-type fullerene semiconductor such as a valence ion (aluminium trivalent ion) include BF
4 ions, ClO 4 ions, PF 4 ions, AsF 6 ions, CF 3 SO 3 ions, I ions, Br ions, Cl ions, F ions, etc., and the obtained battery has a high voltage and energy density. As the cation, an alkali metal ion such as Li ion, Na ion, K ion, Cs ion, or Rb ion is preferable because of its high cost, ease of synthesis, and low cost. preferable. Further, as the anion, BF 4 ion, ClO 4 ion, PF 4 ion, CF 3 ion
SO 3 ions, I ions, Cl ions, and F ions are preferred, and BF 4 ions, ClO 4 ions, CF 3 SO 3 ions, I ions, and Cl ions are particularly preferred.

【0012】リチウムを添加したフラーレン化合物粉末
は、グラファイト電極を放電させて得たすすから分離精
製することにより得られるC60粉末をガラス容器に入
れ、不活性ガス雰囲気下でリチウム金属を添加し、40
0℃程度の温度で、24時間から84時間焼成して得ら
れる。また、リチウム金属の添加量はC601モル当た
り、20モル以下が適当であり、10モル以下が特に好
ましい。
The fullerene compound powder to which lithium is added is placed in a glass container with a C 60 powder obtained by separating and purifying soot obtained by discharging a graphite electrode, and lithium metal is added under an inert gas atmosphere. 40
It is obtained by firing at a temperature of about 0 ° C. for 24 to 84 hours. The addition amount of lithium metal is suitably 20 mol or less, particularly preferably 10 mol or less, per 1 mol of C 60 .

【0013】本発明で示すフラーレン半導体もしくはフ
ラーレン化合物を電極1、3として用いる場合には、フ
ラーレン半導体もしくはフラーレン化合物粉末を圧縮成
型による方法、あるいは蒸着等の方法により薄膜として
も適用でき、任意の形状と大きさに成型可能である。
When the fullerene semiconductor or fullerene compound shown in the present invention is used for the electrodes 1 and 3, the fullerene semiconductor or fullerene compound powder can be applied as a thin film by a method such as compression molding or a method such as vapor deposition. It can be molded to size.

【0014】また、本発明のフラーレン半導体もしくは
フラーレン化合物を多孔性の基体、例えば表面積500
〜4000m2/g程度の活性炭素繊維および活性炭や
200〜2000m2/g程度のカーボンブラック等に
担持させて電極1、3とすることもでき、この種の電極
1、3は、フラーレン半導体を適当な有機溶剤に分散さ
せて、これを多孔性の基体に温室から100℃で10分
〜24時間かけて含浸させた後、乾燥し作製する方法等
により形成される。また、他の担体としてはグラファイ
ト、グラファイト化カーボン、二酸化マンガン、アルミ
ナ等がある。
Further, the fullerene semiconductor or the fullerene compound of the present invention is coated on a porous substrate, for example, with a surface area of 500.
~4000m 2 / g approximately activated carbon fiber and activated carbon and 200-2000 m 2 / g approximately carbon black supported on it can also be an electrode 1,3, electrodes 1,3 of this kind, the fullerene semiconductor It is formed by dispersing in an appropriate organic solvent, impregnating this in a porous substrate from a greenhouse at 100 ° C. for 10 minutes to 24 hours, and then drying and producing. Other carriers include graphite, graphitized carbon, manganese dioxide, and alumina.

【0015】本発明で用いられる電解質2は、支持電解
質を有機溶剤に溶解した電解液もしくは固体電解質が用
いられる。支持電解質としては、電気陰性度が1.6以
下の金属の陽イオンや有機カチオン等の陽イオンと陰イ
オンとの塩をあげることが出来る。オニウムイオンの例
として、4級アンモニウムイオン、カルボニウムイオ
ン、オキソニウムイオン等があげられる。陰イオンとし
ては、BF4イオン、CiO4イオン、PF4イオン、A
sF6イオン、CF3SO3イオン、Iイオン、Brイオ
ン、Clイオン、Fイオン等があげられる。
As the electrolyte 2 used in the present invention, an electrolyte or a solid electrolyte in which a supporting electrolyte is dissolved in an organic solvent is used. Examples of the supporting electrolyte include a cation of a metal having an electronegativity of 1.6 or less and a salt of a cation such as an organic cation and an anion. Examples of the onium ion include a quaternary ammonium ion, a carbonium ion, and an oxonium ion. As anions, BF 4 ion, CiO 4 ion, PF 4 ion, A
Examples include sF 6 ion, CF 3 SO 3 ion, I ion, Br ion, Cl ion, and F ion.

【0016】支持電解質の具体例としては、LiB
4、LiClO4、Et4NBF4、nBu4NClO4
LiI等をあげることができるが、これらに限定される
ものではない。支持電解質を溶解する有機溶剤として
は、高誘電率で、非プロトン性のものが好ましく、ニト
リル、カーボネート、エーテル、ニトロ化合物、アミ
ド、含硫黄化合物、塩素化炭化水素、ケトン、エステル
等を用いることが出来る。これらの代表例として、アセ
トニトリル、プロピオニトリル、プロピレンカーボネー
ト、エチレンカーボネート、テトラヒドロフラン、1,
4-ジオキサン、ニトロメタン、N,N-ジメチルホルム
アミド、ジメチルスルホキシド、γ-ブチロラクトン等
をあげることができるが、これらに限定されるものでは
ない。本発明の電解液の濃度は、通常0.001〜10
モル/リットルで用いられ、好ましくは0.1〜2モル
/リットルで用いられる。
As a specific example of the supporting electrolyte, LiB
F 4 , LiClO 4 , Et 4 NBF 4 , nBu 4 NClO 4 ,
LiI and the like can be mentioned, but not limited to these. As the organic solvent for dissolving the supporting electrolyte, an aprotic solvent having a high dielectric constant is preferable, and a nitrile, carbonate, ether, nitro compound, amide, sulfur-containing compound, chlorinated hydrocarbon, ketone, ester, or the like is used. Can be done. Representative examples of these include acetonitrile, propionitrile, propylene carbonate, ethylene carbonate, tetrahydrofuran,
Examples include, but are not limited to, 4-dioxane, nitromethane, N, N-dimethylformamide, dimethylsulfoxide, γ-butyrolactone, and the like. The concentration of the electrolytic solution of the present invention is usually 0.001 to 10
It is used at a mole / liter, preferably 0.1 to 2 mole / liter.

【0017】また、前記固体電解質としては、例えばR
4Cu167Cl13、Rb3Cu7Cl10等の銅イオン導
電性固体電解質、RbAg45、Ag3SBrなどの銀
イオン導電性固体電解質、LiI、Li3N、Li2SO
4、Li4SiO4、LISICON(リチウム超イオン
導電体:xLi4GeO4-(1-x)Zn2GeO4:x=
3/4)などのリチウムイオン導電性固体電解質などが
あげられるが、銅イオン導電性固体電解質や、銀イオン
導電性固体電解質では電池の開放電圧が低く実用価値が
低い。また、これらの銀イオン導電性固体電解質および
銅イオン導電性固体電解質は分解温度が比較的低く、例
えばRbAg45は228℃前後で、Rb4Cu167
13は234℃前後で分解溶融してしまうため、分解し
にくいリチウムイオン導電性固体電解質が好ましい。
Further, as the solid electrolyte, for example, R
b 4 Cu 16 I 7 Cl 13 , Rb 3 Cu 7 Cl 10 , such as copper ion conductive solid electrolyte, RbAg 4 I 5, Ag 3 SBr silver ion conductive solid electrolyte such as, LiI, Li 3 N, Li 2 SO
4, Li 4 SiO 4, LISICON ( Li superionic conductor: xLi 4 GeO 4 - (1 -x) Zn 2 GeO 4: x =
Examples thereof include a lithium ion conductive solid electrolyte such as 3/4), and a copper ion conductive solid electrolyte and a silver ion conductive solid electrolyte have a low open-circuit voltage of the battery and have low practical value. These silver ion conductive solid electrolytes and copper ion conductive solid electrolytes have relatively low decomposition temperatures. For example, RbAg 4 I 5 is around 228 ° C. and Rb 4 Cu 16 I 7 C
Since l 13 is decomposed and melted at about 234 ° C., a lithium ion conductive solid electrolyte which is difficult to decompose is preferable.

【0018】前記固体電解質は焼結体あるいは薄膜のよ
うに単独で用いてもよく、また高分子弾性体をバインダ
ーとして分散させたものでもよい。高分子弾性体として
は、一般的に知られている高分子樹脂、たとえばポリエ
チレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、シリコン樹脂、塩化
ビニル樹脂、ABS(アクリロニトリル・ブタジエン・
スチレン)樹脂、フェノール樹脂、ポリウレタン、ポリ
アミド、ポリカーボネート、アイオノマー樹脂、フッ素
樹脂などの樹脂を用いることができる。
The solid electrolyte may be used alone, such as a sintered body or a thin film, or may be an elastic polymer dispersed as a binder. As the polymer elastic body, generally known polymer resins, for example, polyethylene resin, polypropylene resin, silicone resin, vinyl chloride resin, ABS (acrylonitrile butadiene.
Resins such as (styrene) resin, phenol resin, polyurethane, polyamide, polycarbonate, ionomer resin, and fluororesin can be used.

【0019】本発明においては、電解液中で、電極を固
定するためにスノコ状または孔を有するガラス、テフロ
ン、ポリエチレン、板等を用いてもよい。また、ガラス
フィルター濾紙、テフロン、ポリエチレン、ポリプロピ
レン、ナイロン等の多孔質膜を隔膜として用いてもよ
い。
In the present invention, in the electrolytic solution, glass, Teflon, polyethylene, plate or the like having a saw-shaped or perforated shape for fixing the electrode may be used. Further, a porous membrane such as glass filter paper, Teflon, polyethylene, polypropylene and nylon may be used as the diaphragm.

【0020】以下、実施例に基づいて本発明を詳述する
が、本発明はもとよりかかる実施例のみに限定されるも
のではない。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples, but the present invention is not limited to the examples.

【0021】実施例1 グラファイト電極を放電させることにより得られるすす
から分離精製することによりC60粉末を得た。
[0021] to give a C 60 powder by separation and purification from soot obtained by discharging the embodiment 1 of graphite electrodes.

【0022】この粉末からC60フラーレン半導体を30
0mg作製し、赤外スペクトル用錠剤成型器で直径10
mmのディスク状に成型し、このディスクに白金線を圧
着し、ガラスフィルターで包み、直径3mmの孔を等間
隔にあけた20mm角のテフロン板ではさみ正極とし
た。負極も同様に作製した。両電極を1モル/リットル
のLiBF4のアセトニトリル溶液20ミリリットルに
浸し半導体二次電池を作製した。
From this powder, 30 C 60 fullerene semiconductors were
0 mg, and the diameter is 10 with a tableting machine for infrared spectrum.
The disk was molded into a disk having a diameter of 2 mm, a platinum wire was pressure-bonded to the disk, wrapped with a glass filter, and sandwiched with a 20 mm square Teflon plate having holes of 3 mm in diameter at regular intervals to obtain a positive electrode. A negative electrode was similarly manufactured. Both electrodes were immersed in a 1 mol / liter solution of LiBF 4 in 20 ml of acetonitrile to produce a semiconductor secondary battery.

【0023】この二次電池の放電開始時の開放端電圧
(Voc)および短絡電流(Isc)は各々9Vおよび
20mAであった。
The open-ended voltage (Voc) and the short-circuit current (Isc) at the start of discharging of this secondary battery were 9 V and 20 mA, respectively.

【0024】実施例2 実施例1と同様にして、グラファイト電極を放電させる
ことにより得られるすすから分離精製することにより得
られるC60粉末と、0.5〜1mmの大きさに切削した
金属リチウムをパイレックスガラス容器に入れ、アルゴ
ンガス雰囲気下で400℃、72時間焼成して、リチウ
ムを添加したC60フラーレン化合物を得た。
[0024] In the same manner as in Example 1, and the C 60 powder obtained by separation and purification from soot obtained by discharging the graphite electrode, metal lithium was cut to a size of 0.5~1mm Was placed in a Pyrex glass container and calcined at 400 ° C. for 72 hours under an argon gas atmosphere to obtain a C 60 fullerene compound to which lithium was added.

【0025】このC60フラーレン化合物を実施例1と同
様にディスク状に成型し正極材料とした。負極にはリチ
ウム金属箔を用いた。電解液等その他の条件は、実施例
1と同様にしてリチウム二次電池を作製した。
[0025] was molded positive electrode material in the C 60 fullerene compound in the same manner as disc-shaped as in Example 1. A lithium metal foil was used for the negative electrode. A lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1 except for the electrolytic solution and other conditions.

【0026】このリチウム二次電池の放電開始時の開放
端電圧(Voc)および短絡電流(Isc)は各々3.
9Vおよび17mAであった。
The open-end voltage (Voc) and the short-circuit current (Isc) of the lithium secondary battery at the start of discharging are each 3.
9 V and 17 mA.

【0027】[0027]

【発明の効果】本発明の二次電池は、化学的に安定なフ
ラーレン半導体を用いているので、二次電池としてサイ
クル寿命が長く、また自己放電も非常に少ない安定した
二次電池である。また、小型軽量化が可能であり、いか
なる形状にも作製することができるので、情報・電子材
料分野での二次電池に最適である。
Since the secondary battery of the present invention uses a chemically stable fullerene semiconductor, it is a stable secondary battery having a long cycle life and very little self-discharge. Further, since it can be reduced in size and weight and can be manufactured in any shape, it is most suitable for a secondary battery in the field of information and electronic materials.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施例の概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram of one embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 正極 2 電解質 3 負極 4 電池収納ケース DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Positive electrode 2 Electrolyte 3 Negative electrode 4 Battery storage case

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 正極、負極および電解質からなる二次電
池であって、正極の電極がフラーレン半導体であること
を特徴とする二次電池。
1. A secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode and an electrolyte, wherein the positive electrode is a fullerene semiconductor.
【請求項2】 正極、負極および電解質からなる二次電
池であって、正極がリチウムドープフラーレン半導体か
らなり、負極がリチウム金属、アルミニウム-リチウム
合金、亜鉛-リチウム合金から選ばれる少なくとも一種
の金属からなることを特徴とする二次電池。
2. A secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode and an electrolyte, wherein the positive electrode comprises a lithium-doped fullerene semiconductor, and the negative electrode comprises at least one metal selected from lithium metal, aluminum-lithium alloy and zinc-lithium alloy. A secondary battery, comprising:
【請求項3】 リチウムドープ量が10モル%以下のフ
ラーレン半導体であることを特徴とする請求項2記載の
二次電池。
3. The secondary battery according to claim 2, wherein the secondary battery is a fullerene semiconductor having a lithium doping amount of 10 mol% or less.
【請求項4】 リチウムドープ量が10モル%以下のC
60フラーレン半導体であることを特徴とする請求項2記
載の二次電池。
4. C having a lithium doping amount of 10 mol% or less.
The secondary battery according to claim 2, wherein the secondary battery is a 60 fullerene semiconductor.
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