JP5034261B2 - Metallic lithium secondary battery - Google Patents

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Description

本発明は、サイクル特性に優れたリチウムまたはリチウム合金を負極に用いる金属リチウム二次電池に関する。   The present invention relates to a metal lithium secondary battery using lithium or a lithium alloy having excellent cycle characteristics as a negative electrode.

リチウムは、最も電気化学ポテンシャルが低く、同時に極めて小さな電気化学当量(大きな質量当たりの容量)をもつ。そのため、金属リチウムを負極に用いたリチウム二次電池は大きなエネルギー密度を持つことが期待できる。金属リチウムを負極に用いたリチウムニ次電池(以下、金属リチウム二次電池という)の開発は1970年頃より行われているが、現在まで商品化されたものはない。一般的に市販されているリチウム二次電池は、リチウムイオン二次電池であり、負極に炭素、正極に遷移金属酸化物リチウム化合物を用いたものである。金属リチウムニ次電池の商品化が遅れている原因は、充放電を繰り返すと負極表面にデンドライト(金属リチウムの樹脂状析出物)が生成するという大きな問題に直面したからである。デンドライトは、充電時にリチウムイオンが還元されて生成する金属リチウムが負極表面に局所的に析出する現象である。成長が進むとデンドライトは負極から剥がれ、放電に寄与できない部分(デッドリチウム)が生じる。そのためサイクルを重ねると放電容量は急激に低下する。またデンドライトはセパレーターを突き破る場合があり、その結果、正負極の内部短絡(ショート)を起こし、電池動作しなくなる。さらに、正負極の内部短絡が原因となり、電池内の有機溶媒に着火して、発火事故が発生するなど安全性や信頼性に関わる重大な問題を引き起こす場合がある。   Lithium has the lowest electrochemical potential and at the same time has a very small electrochemical equivalent (capacity per mass). Therefore, a lithium secondary battery using metallic lithium as a negative electrode can be expected to have a large energy density. Development of a lithium secondary battery using metal lithium as a negative electrode (hereinafter referred to as a metal lithium secondary battery) has been made since around 1970, but none has been commercialized so far. A commercially available lithium secondary battery is a lithium ion secondary battery in which carbon is used for the negative electrode and a transition metal oxide lithium compound is used for the positive electrode. The reason why the commercialization of the metal lithium secondary battery is delayed is that it faced a big problem that dendrite (resin-like precipitate of metal lithium) was formed on the negative electrode surface after repeated charge and discharge. Dendrite is a phenomenon in which metallic lithium generated by reduction of lithium ions during charging is locally deposited on the negative electrode surface. As the growth proceeds, the dendrite peels off from the negative electrode, and a portion (dead lithium) that cannot contribute to the discharge is generated. Therefore, when the cycle is repeated, the discharge capacity rapidly decreases. In addition, dendrites may break through the separator, resulting in an internal short circuit between the positive and negative electrodes, resulting in no battery operation. Furthermore, due to an internal short circuit between the positive and negative electrodes, the organic solvent in the battery may ignite, which may cause a serious problem related to safety and reliability, such as a fire accident.

このような金属リチウム二次電池におけるデンドライトの問題を解決するため、従来、負極のリチウム電極の改質が提案されている。例えば、リチウム金属として、アモルファスリチウム或いはアモルファスリチウム合金からなる層を設けた負極を用いるもの(特許文献1)、さらには、エネルギー密度、起電力に優れ、サイクル寿命にも優れたリチウム電池を提供するため、負極のリチウム金属又はリチウム合金の表面に疎水性物質層を形成する方法(特許文献2)などが挙げられる。しかしながら、これらにおいても、サイクル寿命が市販化に十分とはいえず、さらなる改良が求められていた。   In order to solve the problem of dendrite in such a metal lithium secondary battery, modification of the lithium electrode of the negative electrode has been conventionally proposed. For example, a lithium battery using a negative electrode provided with a layer made of amorphous lithium or an amorphous lithium alloy as a lithium metal (Patent Document 1), and further a lithium battery excellent in energy density and electromotive force and excellent in cycle life are provided. Therefore, a method of forming a hydrophobic substance layer on the surface of the lithium metal or lithium alloy of the negative electrode (Patent Document 2) and the like can be mentioned. However, even in these, the cycle life is not sufficient for commercialization, and further improvement has been demanded.

一方、本発明者らは、エネルギー密度が高く、高容量で安定性に優れた二次電池を提供するため、活物質に有機ラジカル化合物の酸化還元反応を用いる電池を提案している。たとえば、特許文献3には、ニトロキシドラジカル化合物、アリールオキシラジカル化合物および特定のアミノトリアジン構造を有する高分子化合物などのラジカル化合物を正極材料として用いる電池が開示されている。   On the other hand, the present inventors have proposed a battery using an oxidation-reduction reaction of an organic radical compound as an active material in order to provide a secondary battery having high energy density, high capacity and excellent stability. For example, Patent Document 3 discloses a battery using a radical compound such as a nitroxide radical compound, an aryloxy radical compound, and a polymer compound having a specific aminotriazine structure as a positive electrode material.

又、特許文献4に記載されている有機ラジカル化合物の酸化還元反応を用いる電池では、ニトロキシル高分子と炭素(導電付与剤)を混合した正極が用いられている。
特開平7−296812号公報 特開2002−15728号公報 特開2002−151084号公報 特開2002−304996号公報
Moreover, in the battery using the oxidation-reduction reaction of the organic radical compound described in Patent Document 4, a positive electrode in which a nitroxyl polymer and carbon (conducting agent) are mixed is used.
JP 7-296812 A JP 2002-15728 A JP 2002-151084 A JP 2002-304996 A

負極にリチウムもしくはリチウム合金を利用し、正極に有機ラジカルを用いた電池においても、充放電を繰り返すと、負極表面のデンドライトが成長し、セパレーターを突き破る場合がある。その結果、正負極の内部短絡(ショート)を起こす可能性がある。本発明では、負極にリチウムもしくはリチウム合金を利用しても、充放電サイクル特性が良く、ならびに充放電の繰り返しにより内部短絡が起きない電池を提供することを目的とする。   Even in a battery using lithium or a lithium alloy for the negative electrode and organic radicals for the positive electrode, if charge and discharge are repeated, dendrite on the negative electrode surface may grow and break through the separator. As a result, there is a possibility of causing an internal short circuit between the positive and negative electrodes. An object of the present invention is to provide a battery that has good charge / discharge cycle characteristics even when lithium or a lithium alloy is used for the negative electrode and that does not cause an internal short circuit due to repeated charge / discharge.

本発明者らが、鋭意検討した結果、酸化状態において下記化学式(I)で示されるオキソアンモニウムカチオン(ニトロキシルカチオン)部分構造をとり、還元状態において下記化学式(II)で示されニトロキシルラジカル部分構造をとるニトロキシル高分子を正極中に含有し、その2つの状態間で電子の授受を行う反応式(A)で示される反応を正極の電極反応として用いる金属リチウム二次電池において、正極を導電性物質とニトロキシル高分子からなる下層と、導電性物質を含まないニトロキシル高分子を主成分とする上層という構造とすることで、負極にリチウムもしくはリチウム合金を用いても、内部短絡が起きないことを見出した。   As a result of intensive studies by the present inventors, an oxoammonium cation (nitroxyl cation) partial structure represented by the following chemical formula (I) is taken in the oxidized state, and a nitroxyl radical moiety represented by the following chemical formula (II) in the reduced state. In a metallic lithium secondary battery that contains a nitroxyl polymer having a structure in the positive electrode and uses the reaction represented by the reaction formula (A) in which electrons are transferred between the two states as an electrode reaction of the positive electrode, the positive electrode is electrically conductive By using a structure consisting of a lower layer composed of a conductive material and a nitroxyl polymer and an upper layer mainly composed of a nitroxyl polymer that does not contain a conductive material, no internal short circuit will occur even if lithium or a lithium alloy is used for the negative electrode. I found.

Figure 0005034261
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これは、負極側にある正極表面が導電性物質を含まないニトロキシル高分子を主成分とする層のみからなり、この層が絶縁体であるために、デンドライトの形成により負極の金属リチウムがセパレーターを突き破ったとしても内部短絡が起きないからである。   This is because the surface of the positive electrode on the negative electrode side consists only of a layer mainly composed of a nitroxyl polymer that does not contain a conductive substance. Since this layer is an insulator, the metal lithium of the negative electrode forms a separator due to the formation of dendrites. This is because even if it breaks through, an internal short circuit does not occur.

本発明により、ニトロキシルラジカルを正極活物質に用いた二次電池において、負極に金属リチウムもしくは金属リチウム合金を用いた場合でも、デンドライトの形成による内部短絡の可能性がなくなる。その結果、安全な二次電池となる。   According to the present invention, in a secondary battery using a nitroxyl radical as a positive electrode active material, even when metallic lithium or a metallic lithium alloy is used for the negative electrode, the possibility of an internal short circuit due to the formation of dendrites is eliminated. As a result, a safe secondary battery is obtained.

図1に本発明の正極の一実施形態の構成を示す。上層1-1は導電性物質を含まないニトロキシル高分子を主成分とする層、下層1-2は導電性物質とニトロキシル高分子からなる層からなり、これらがアルミ箔2上に形成されている。図2に本発明の二次電池の一実施形態の構成を示す。示された電池は、正極1と金属リチウム負極5とを電解質を含むセパレーター6を介して対向するように重ね合わせた構成を有している。ステンレス外装体(負極側)1とステンレス外装体(正極側)7との間には、両者の電気的接触を防ぐ目的で、プラスチック樹脂等の絶縁性材料からなる絶縁パッキン4が配置される。なお、固体電解質やゲル電解質を用いる場合は、セパレーターに代えてこれら電解質を電極間に介在させる形態にすることもできる。また正負極を直接接合させることもできる。   FIG. 1 shows the configuration of an embodiment of the positive electrode of the present invention. The upper layer 1-1 is a layer mainly composed of a nitroxyl polymer not containing a conductive substance, and the lower layer 1-2 is a layer made of a conductive substance and a nitroxyl polymer, and these are formed on the aluminum foil 2. . FIG. 2 shows a configuration of an embodiment of the secondary battery of the present invention. The illustrated battery has a configuration in which the positive electrode 1 and the metal lithium negative electrode 5 are stacked so as to face each other with a separator 6 containing an electrolyte interposed therebetween. Between the stainless steel outer package (negative electrode side) 1 and the stainless steel outer package (positive electrode side) 7, an insulating packing 4 made of an insulating material such as a plastic resin is disposed for the purpose of preventing electrical contact therebetween. In addition, when using solid electrolyte and gel electrolyte, it can replace with a separator and can also be made into the form which interposes these electrolytes between electrodes. Also, the positive and negative electrodes can be directly joined.

[1]正極活物質
本発明における電極の活物質とは、充電反応および放電反応等の電極反応に直接寄与する物質のことであり、電池システムの中心的役割を果たすものである。
[1] Cathode Active Material The electrode active material in the present invention is a substance that directly contributes to electrode reactions such as charge reaction and discharge reaction, and plays a central role in the battery system.

本発明では、正極活物質として還元状態において式(I)で表されるニトロキシドラジカル、酸化状態において式(II)で表されるオキソアンモニウム(ニトロキシドカチオン)を部分構造として分子中に有する高分子化合物を用いることができる。   In the present invention, as a positive electrode active material, a polymer compound having a nitroxide radical represented by the formula (I) in the reduced state and an oxoammonium (nitroxide cation) represented by the formula (II) in the oxidized state as a partial structure in the molecule Can be used.

このようなニトロキシル高分子としては、前記特許文献3や特許文献4に開示されるニトロキシル高分子が使用できるが、平衡状態におけるスピン濃度(ESRスペクトル)が1020spin/g以上である状態が1秒以上継続されるものが好ましい。中でも、還元状態において下記一般式(1)もしくは(2)で示される環状ニトロキシル構造を含む高分子化合物であることが好ましい。 As such a nitroxyl polymer, the nitroxyl polymers disclosed in Patent Document 3 and Patent Document 4 can be used, but the spin concentration (ESR spectrum) in an equilibrium state is 10 20 spin / g or more. Those that last more than a second are preferred. Among these, a polymer compound containing a cyclic nitroxyl structure represented by the following general formula (1) or (2) in the reduced state is preferable.

Figure 0005034261
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(式中、Rは水素原子又はメチル基を表し、Yは−COO−又は−O−を表し、nは繰り返し単位数を示す。) (In the formula, R represents a hydrogen atom or a methyl group, Y represents —COO— or —O—, and n represents the number of repeating units.)

これら化合物の代表的な構造を下記に示す。   Typical structures of these compounds are shown below.

Figure 0005034261
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本発明の高分子化合物は、分子量は500以上であることが好ましく、さらには5000以上であることがより好ましい。これは、分子量500以上であると電池用電解液に溶解しづらくなり、さらに分子量5000以上になるとほぼ不溶となるからである。重合体の形状としては鎖状、分岐状、網目状のいずれでもよい。また、架橋剤で架橋したような構造でもよい。   The molecular weight of the polymer compound of the present invention is preferably 500 or more, more preferably 5000 or more. This is because when the molecular weight is 500 or more, it is difficult to dissolve in the battery electrolyte, and when the molecular weight is 5000 or more, it is almost insoluble. The polymer may be in the form of a chain, a branch, or a network. Moreover, the structure which bridge | crosslinked with the crosslinking agent may be sufficient.

また、本発明の電池の一つの極において、正極活物質である還元状態において式(I)で表されるニトロキシドラジカル、酸化状態において式(II)で表されるオキソアンモニウム(ニトロキシドカチオン)を部分構造として分子中に有する高分子化合物は、単独で用いることができるが、二種類以上を組み合わせて用いても良い。また、他の活物質と組み合わせて用いても良い。   Further, in one electrode of the battery of the present invention, the nitroxide radical represented by the formula (I) in the reduced state which is the positive electrode active material and the oxoammonium (nitroxide cation) represented by the formula (II) in the oxidized state are partially contained. Although the high molecular compound which has in a molecule | numerator as a structure can be used independently, you may use it in combination of 2 or more types. Moreover, you may use in combination with another active material.

導電性物質を含まない正極上層の厚みは、あまりに薄すぎると負極で発生したデンドライトが正極下層と接触することを十分に防止できず、短絡を引き起こすことがあるため、好ましくは3μm以上、より好ましくは10μm以上とするのがよい。又、上限は特に規定されないが、あまり厚すぎても電池厚みが厚くなり、電池容量の低下を来す場合があるため、好ましくは200μm以下、より好ましくは100μm以下である。   If the thickness of the upper layer of the positive electrode not containing the conductive material is too thin, the dendrite generated at the negative electrode cannot be sufficiently prevented from coming into contact with the lower layer of the positive electrode and may cause a short circuit. Is preferably 10 μm or more. Further, the upper limit is not particularly defined, but if it is too thick, the battery thickness becomes thick and the battery capacity may be lowered. Therefore, it is preferably 200 μm or less, more preferably 100 μm or less.

[2]正極下層用導電性物質
正極の下層に用いる導電性化合物としては、銅、鉄、金、白金、ニッケルなどの金属酸化物粒子、炭素、および導電性高分子等を用いることができる。導電性高分子にはポリアセチレン、ポリフェニレン、ポリアニリン、ポリピロール等が挙げられる。本発明ではこれらの導電性物質を単独、もしくは組み合わせて使用することもできる。これら導電性物質の含有率は、好ましくは5質量%以上、80質量%以下であり、さらに好ましくは10質量%以上、60質量%以下である。
[2] Conductive substance for positive electrode lower layer As the conductive compound used for the lower layer of the positive electrode, metal oxide particles such as copper, iron, gold, platinum, nickel, carbon, conductive polymer, and the like can be used. Examples of the conductive polymer include polyacetylene, polyphenylene, polyaniline, and polypyrrole. In the present invention, these conductive materials can be used alone or in combination. The content of these conductive substances is preferably 5% by mass or more and 80% by mass or less, and more preferably 10% by mass or more and 60% by mass or less.

正極下層の厚みは、特に制限されず、必要な電池容量が確保できる厚みとすればよい。通常、30μm以上、200μm以下、好ましくは50μm以上、150μm以下とすればよい。   The thickness of the lower layer of the positive electrode is not particularly limited, and may be a thickness that can secure a necessary battery capacity. Usually, it may be 30 μm or more and 200 μm or less, preferably 50 μm or more and 150 μm or less.

[3]負極
また、負極としてはリチウム金属やリチウム合金を用いることができる。リチウム合金としては、リチウム金属に、Al,Pb,Sn,In,Bi,Ag,Ba,Ca,Hg,Pd,Pt,Sr,Te等を混合して2元又は3元以上に合金化したもの、或いはこれらにSi,Cd,Zn,La等を添加したものなどが挙げられる。リチウム合金中のリチウム含有量としては30質量%以上であることが好ましい。動作電圧やエネルギー密度の観点からは、リチウム金属を用いることが好ましい。これらの形状としては特に限定されず、例えばリチウム金属では薄膜状のものに限らず、バルク状のもの、粉末を固めたもの、繊維状のもの、フレーク状のもの等であっても良い。また、これらのリチウム金属及びリチウム合金はそれぞれ単独の形状、もしくは複数の形状を組み合わせて使用できる。
[3] Negative electrode As the negative electrode, lithium metal or lithium alloy can be used. As a lithium alloy, lithium, Al, Pb, Sn, In, Bi, Ag, Ba, Ca, Hg, Pd, Pt, Sr, Te, etc. are mixed and alloyed to two or three or more. Or what added Si, Cd, Zn, La etc. to these etc. is mentioned. The lithium content in the lithium alloy is preferably 30% by mass or more. From the viewpoint of operating voltage and energy density, it is preferable to use lithium metal. These shapes are not particularly limited. For example, lithium metal is not limited to a thin film shape, but may be a bulk shape, a powdered shape, a fiber shape, a flake shape, or the like. These lithium metals and lithium alloys can be used alone or in combination of a plurality of shapes.

[4]結着剤
電極の各構成材料間の結びつきを強めるために、結着剤を用いることもできる。このような結着剤としては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ビニリデンフロライド−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ビニリデンフロライド−テトラフルオロエチレン共重合体、スチレン・ブタジエン共重合ゴム、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリイミド、部分カルボキシ化セルロース、各種ポリウレタン等が挙げられる。
[4] Binder A binder can also be used to strengthen the connection between the constituent materials of the electrode. Examples of such binders include polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene copolymer, styrene / butadiene copolymer rubber, polypropylene, and polyethylene. , Polyimide, partially carboxylated cellulose, various polyurethanes and the like.

[5]集電体およびセパレーター
負極集電体、正極集電体として、ニッケルやアルミニウム、銅、金、銀、アルミニウム合金、ステンレス、炭素等からなる箔、金属平板、メッシュ状などの形状のものを用いることができる。また、集電体に触媒効果を持たせたり、活物質と集電体とを化学結合させたりしてもよい。これら集電体は、電池外装体を兼ねる場合もある。一方、上記の正極、および負極が接触しないようにポリエチレン、ポリプロピレン等からなる多孔質フィルム、セルロース膜、不織布などのセパレーターを用いることもできる。
[5] Current collector and separator As negative electrode current collector and positive electrode current collector, foil, metal flat plate, mesh shape, etc. made of nickel, aluminum, copper, gold, silver, aluminum alloy, stainless steel, carbon, etc. Can be used. Further, the current collector may have a catalytic effect, or the active material and the current collector may be chemically bonded. These current collectors may also serve as a battery outer package. On the other hand, a separator such as a porous film made of polyethylene, polypropylene, or the like, a cellulose film, or a nonwoven fabric can be used so that the positive electrode and the negative electrode are not in contact with each other.

[6]電解質
本発明において、電解質は、負極と正極の両極間の荷電担体輸送を行うものであり、一般には20℃で10-5〜10-1S/cmのイオン伝導性を有していることが好ましい。電解質としては、例えば電解質塩を溶剤に溶解した電解液を利用することができる。電解質塩として、例えばLiPF6、LiClO4、LiBF4、LiCF3SO3、Li(CF3SO22N、Li(C25SO22N、Li(CF3SO23C、Li(C25SO23C等の従来公知の材料を用いることができる。
[6] Electrolyte In the present invention, the electrolyte performs charge carrier transport between the negative electrode and the positive electrode, and generally has an ionic conductivity of 10 −5 to 10 −1 S / cm at 20 ° C. Preferably it is. As the electrolyte, for example, an electrolytic solution in which an electrolyte salt is dissolved in a solvent can be used. Examples of the electrolyte salt include LiPF 6 , LiClO 4 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N, Li (CF 3 SO 2 ) 3 C Conventionally known materials such as Li (C 2 F 5 SO 2 ) 3 C can be used.

また、電解液に溶剤を用いる場合、溶剤としては例えばエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、スルホラン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン等の有機溶媒を用いることができる。これらの溶剤を単独もしくは2種類以上混合して用いることもできる。   When a solvent is used for the electrolytic solution, examples of the solvent include ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, γ-butyrolactone, tetrahydrofuran, dioxolane, sulfolane, dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methyl- An organic solvent such as 2-pyrrolidone can be used. These solvents can be used alone or in admixture of two or more.

さらに、本発明では電解質として固体電解質を用いることもできる。これら固体電解質に用いられる高分子化合物としては、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−エチレン共重合体、フッ化ビニリデン−モノフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン三元共重合体等のフッ化ビニリデン系重合体や、アクリロニトリル−メチルメタクリレート共重合体、アクリロニトリル−メチルアクリレート共重合体、アクリロニトリル−エチルメタクリレート共重合体、アクリロニトリル−エチルアクリレート共重合体、アクリロニトリル−メタクリル酸共重合体、アクリロニトリル−アクリル酸共重合体、アクリロニトリル−ビニルアセテート共重合体等のアクリルニトリル系重合体、さらにポリエチレンオキサイド、エチレンオキサイド−プロピレンオキサイド共重合体、これらのアクリレート体やメタクリレート体の重合体などが挙げられる。これらの高分子化合物に電解液を含ませてゲル状にしたものを用いても、高分子化合物のみをそのまま用いても良い。   Furthermore, in the present invention, a solid electrolyte can be used as the electrolyte. Polymer compounds used in these solid electrolytes include polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-ethylene copolymer, vinylidene fluoride-monofluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride. -Vinylidene fluoride polymers such as trifluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene terpolymer, and acrylonitrile-methyl methacrylate copolymer Polymer, acrylonitrile-methyl acrylate copolymer, acrylonitrile-ethyl methacrylate copolymer, acrylonitrile-ethyl acrylate copolymer, acrylonitrile-methacrylic acid copolymer, acrylonitrile-acrylic Le acid copolymers, acrylonitrile - vinyl acetate copolymer, acrylonitrile-based polymer, further polyethylene oxide, ethylene oxide - propylene oxide copolymers, and polymers of these acrylates body or methacrylate body thereof. Even if these polymer compounds are made into a gel by adding an electrolytic solution, only the polymer compounds may be used as they are.

[7]電池形状
本発明において、電池の形状は特に限定されず、従来公知のものを用いることができる。電池形状としては、電極積層体、あるいは巻回体を金属ケース、樹脂ケース、あるいはアルミニウム箔などの金属箔と合成樹脂フィルムからなるラミネートフィルム等によって封止したもの等が挙げられ、円筒型、角型、コイン型、およびシート型等で作製されるが、本発明はこれらに限定されるものではない。
[7] Battery shape In the present invention, the shape of the battery is not particularly limited, and a conventionally known battery can be used. Examples of the battery shape include an electrode laminate or a wound body sealed with a metal case, a resin case, or a laminate film made of a metal foil such as an aluminum foil and a synthetic resin film, etc. A mold, a coin mold, and a sheet mold are used, but the present invention is not limited to these.

[8]電池の製造方法
電池の製造方法としては特に限定されず、材料に応じて様々な方法を用いることができる。例えば、正極活物質となるニトロキシル高分子及び導電性物質に溶剤を加えスラリー状にして電極集電体に塗布し、加熱もしくは常温で溶剤を揮発させて正極下層を形成し、続いて、導電性物質を含まないニトロキシル高分子に同様に溶剤を加えてスラリー状にして正極下層上に塗布し、加熱もしくは常温で溶剤を揮発させて正極上層を形成したのちに、対極である金属リチウム又はリチウム合金からなる負極を、必要によりセパレーターを挟んで積層または巻回して外装体で包み、電解液を注入して封止するといった方法である。スラリー化のための溶剤としては、テトラヒドロフラン、ジエチルエーテルなどのエーテル系溶媒、N−メチルピロリドン等のアミン系溶媒、ベンゼン、トルエン、キシレンなどの芳香族炭化水素系溶媒、ヘキサン、ヘプタンなどの脂肪族炭化水素系、クロロホルム、ジクロロメタン等のハロゲン系炭化水素等が挙げられる。
[8] Battery Manufacturing Method The battery manufacturing method is not particularly limited, and various methods can be used depending on the material. For example, a nitroxyl polymer as a positive electrode active material and a conductive material are added with a solvent to form a slurry, which is applied to an electrode current collector, and the solvent is volatilized by heating or room temperature to form a lower layer of the positive electrode. Similarly, a solvent is added to a nitroxyl polymer that does not contain substances, and is applied to the lower layer of the positive electrode in the form of a slurry. After forming the upper layer of the positive electrode by heating or volatilizing the solvent at room temperature, the metal lithium or lithium alloy that is the counter electrode If necessary, the negative electrode is laminated or wound with a separator in between and wrapped with an outer package, and an electrolyte is injected and sealed. Solvents for slurrying include ether solvents such as tetrahydrofuran and diethyl ether, amine solvents such as N-methylpyrrolidone, aromatic hydrocarbon solvents such as benzene, toluene and xylene, and aliphatic solvents such as hexane and heptane. Examples thereof include hydrocarbon hydrocarbons and halogen hydrocarbons such as chloroform and dichloromethane.

電池を製造する際には、活物質として前記式(1)、または式(2)で表される構造を分子中に有する重合体そのものを用いて電池を製造する場合と、電極反応によって前記化合物に変化する化合物を用いて電池を製造する場合とがある。このような電極反応によって前記化合物に変化する化合物の例としては、前記ニトロキシルラジカル化合物を還元したアニオン体とリチウムイオンやナトリウムイオンといった電解質カチオンとからなるリチウム塩やナトリウム塩、あるいは、前記ニトロキシルラジカル化合物を酸化したカチオン体とPF6 -やBF4 -といった電解質アニオンとからなる塩などが挙げられる。 When manufacturing a battery, the compound is produced by using a polymer itself having a structure represented by the formula (1) or formula (2) in the molecule as an active material, and by an electrode reaction. In some cases, a battery is produced using a compound that changes into a slab. Examples of the compound that changes to the compound by such an electrode reaction include a lithium salt or a sodium salt composed of an anion obtained by reducing the nitroxyl radical compound and an electrolyte cation such as lithium ion or sodium ion, or the nitroxyl. radical compound and a cation body oxidized PF 6 - or BF 4 -, etc. salt comprising the electrolyte anions such like.

本発明において、電極からのリードの取り出し、外装等のその他の製造条件は電池の製造方法として従来公知の方法を用いることができる。   In the present invention, a conventionally known method can be used as a method for manufacturing a battery for other manufacturing conditions such as lead extraction from an electrode and outer packaging.

以下、本発明の詳細について実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the details of the present invention will be specifically described with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

(実施例1)
微粉化した下記式(a)で表されるポリラジカル化合物(可溶部分子量:1000)1.2g、導電性物質として炭素粉末1.2g、カルボキシメチルセルロース(CMC)100mg、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)25mgと水8mlをホモジナイザーにて攪拌し、均一なペーストを調製した。このスラリーを電極作製用コーターにてアルミ箔(厚さ20μm)上に塗布し、さらに80℃で3分間乾燥し、厚さ100μmの下層を形成した。
Example 1
1.2 g of a finely divided polyradical compound represented by the following formula (a) (soluble part molecular weight: 1000), 1.2 g of carbon powder as a conductive substance, 100 mg of carboxymethylcellulose (CMC), polytetrafluoroethylene (PTFE) ) 25 mg and 8 ml of water were stirred with a homogenizer to prepare a uniform paste. This slurry was applied onto an aluminum foil (thickness 20 μm) with an electrode production coater, and further dried at 80 ° C. for 3 minutes to form a lower layer having a thickness of 100 μm.

微粉化した下記式(a)で表されるポリラジカル化合物2.4g、カルボキシメチルセルロース(CMC)100mg、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)25mgと水8mlをホモジナイザーにて攪拌し、均一なペーストを調製した。このスラリーを電極作製用コーターにて下層(100μm)を形成済みのアルミ箔上に塗布し、さらに80℃で3分間乾燥し、下層100μm、上層20μmの厚さを持つ正極を形成した。   A uniform paste was prepared by stirring 2.4 g of the microradical compound represented by the following formula (a), 100 mg of carboxymethylcellulose (CMC), 25 mg of polytetrafluoroethylene (PTFE) and 8 ml of water using a homogenizer. . This slurry was applied on an aluminum foil having a lower layer (100 μm) formed thereon with a coater for electrode preparation, and further dried at 80 ° C. for 3 minutes to form a positive electrode having a thickness of 100 μm for the lower layer and 20 μm for the upper layer.

Figure 0005034261
Figure 0005034261

次に、得られた正極を直径12mmの円状に打ち抜き、これに電解液に浸して、電極中の空隙に電解液を染み込ませた。電解液としては、1.0mol/LのLiPF6電解質塩を含むエチレンカーボネート/ジエチルカーボネート混合溶液(混合比3:7)を用いた。電解液を含浸させた電極に、電解液を含浸させたポリプロピレン多孔質フィルムセパレーターを積層した。さらに負極となるリチウム張り合わせ銅箔(リチウム厚30μm)を積層し、これをステンレス製コイン型電池外装体に入れ、かしめ機によって圧力を加え、密閉型のコイン型電池とした。 Next, the obtained positive electrode was punched into a circular shape having a diameter of 12 mm, immersed in the electrolytic solution, and impregnated with the electrolytic solution in the voids in the electrode. As the electrolytic solution, an ethylene carbonate / diethyl carbonate mixed solution (mixing ratio 3: 7) containing 1.0 mol / L LiPF 6 electrolyte salt was used. A polypropylene porous film separator impregnated with the electrolytic solution was laminated on the electrode impregnated with the electrolytic solution. Further, a lithium-bonded copper foil (lithium thickness 30 μm) serving as a negative electrode was laminated, put into a stainless steel coin-type battery outer package, and pressure was applied by a caulking machine to obtain a sealed coin-type battery.

以上のように作製したコイン型電池に対して、0.113mA(正極面積あたり0.1mA/cm2)の定電流で電圧が4.2Vになるまで充電し、その後、0.113mAの定電流で2.5Vまで放電を行った。その結果、放電時において3.55V付近に電圧平坦部が見られた。活物質あたりの放電容量密度は118mAh/gであった。同様に、4.2〜2.5Vの範囲で充放電を100回繰り返した。その結果、100回の充放電すべてにおいて、放電時に3.5V付近で電圧が一定になり、(300回目の放電容量)/(1回目の放電容量)は91.5%であった。 The coin-type battery fabricated as described above was charged with a constant current of 0.113 mA (0.1 mA / cm 2 per positive electrode area) until the voltage reached 4.2 V, and then a constant current of 0.113 mA. Was discharged to 2.5V. As a result, a flat voltage portion was observed near 3.55 V during discharge. The discharge capacity density per active material was 118 mAh / g. Similarly, charging / discharging was repeated 100 times in the range of 4.2 to 2.5V. As a result, in all of the 100 charging / discharging operations, the voltage became constant at around 3.5 V during discharging, and (300th discharge capacity) / (1st discharge capacity) was 91.5%.

(実施例2〜4)
実施例1で作製したコイン型電池を、電流量を0.565mA、1.13mA、3.39mAと変え充放電試験を行った。
(Examples 2 to 4)
The coin-type battery manufactured in Example 1 was subjected to a charge / discharge test while changing the current amount to 0.565 mA, 1.13 mA, and 3.39 mA.

結果を下記の表にまとめた。   The results are summarized in the table below.

Figure 0005034261
Figure 0005034261

(実施例5)
実施例1と同様に、ただし正負極間にセパレーターを積層しないで、コイン型電池を作製した。このコイン型電池を、0.113mA(正極面積あたり0.1mA/cm2)の定電流で電圧が4.2Vになるまで充電し、その後、0.113mAの定電流で2.2Vまで放電を行った。その結果、放電時において3.5V付近に電圧平坦部が見られた。活物質あたりの放電容量密度は106mAh/gであった。同様に、4.2〜2.2Vの範囲で充放電を50回繰り返した。その結果、50回の充放電すべてにおいて、放電時に3.5V付近で電圧が一定になり、(100回目の放電容量)/(1回目の放電容量)は90.6%であった。
(Example 5)
A coin-type battery was produced in the same manner as in Example 1, except that no separator was laminated between the positive and negative electrodes. The coin-type battery was charged with a constant current of 0.113 mA (0.1 mA / cm 2 per positive electrode area) until the voltage reached 4.2 V, and then discharged to 2.2 V with a constant current of 0.113 mA. went. As a result, a flat voltage portion was observed around 3.5 V during discharge. The discharge capacity density per active material was 106 mAh / g. Similarly, charging / discharging was repeated 50 times in the range of 4.2 to 2.2V. As a result, in all 50 charge / discharge cycles, the voltage was constant at around 3.5 V during discharge, and (100th discharge capacity) / (1st discharge capacity) was 90.6%.

(比較例1)
実施例1と同様にして、但し、正極上層を形成せずに密閉型のコイン型電池を作製した。このコイン型電池を、0.113mA(正極面積あたり0.1mA/cm2)の定電流で電圧が4.2Vになるまで充電し、その後、0.113mAの定電流で2.5Vまで放電を行った。その結果、放電時において3.55V付近に電圧平坦部が見られた。活物質あたりの放電容量密度は112mAh/gだった。同様に、4.2〜2.5Vの範囲で充放電を300回繰り返した。その結果、300回の充放電を繰り返すにつれ動作電圧は低下し、300回目で3.35Vとなった。また、放電容量も低下していき、(300回目の放電容量)/(1回目の放電容量)は33.8%だった。
(Comparative Example 1)
A sealed coin-type battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the positive electrode upper layer was not formed. The coin-type battery was charged at a constant current of 0.113 mA (0.1 mA / cm 2 per positive electrode area) until the voltage reached 4.2 V, and then discharged to 2.5 V at a constant current of 0.113 mA. went. As a result, a flat voltage portion was observed near 3.55 V during discharge. The discharge capacity density per active material was 112 mAh / g. Similarly, charging / discharging was repeated 300 times in the range of 4.2 to 2.5V. As a result, the operating voltage decreased as charging / discharging was repeated 300 times, and became 3.35 V at the 300th time. Further, the discharge capacity also decreased, and (300th discharge capacity) / (First discharge capacity) was 33.8%.

本発明の正極の一実施形態の構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of one Embodiment of the positive electrode of this invention. 本発明の電池の構成の一例を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows an example of a structure of the battery of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1-1 上層(ニトロキシル高分子)
1-2 下層(ニトロキシル高分子/導電性物質混合層)
1 正極
2 アルミ箔
3 ステンレス外装体(負極側)
4 絶縁パッキン
5 金属リチウム負極(ディスク状)
6 セパレーターアルミ箔
7 ステンレス外装体(正極側)
1-1 Upper layer (nitroxyl polymer)
1-2 Lower layer (nitroxyl polymer / conductive substance mixed layer)
1 Positive electrode 2 Aluminum foil 3 Stainless steel exterior (negative electrode side)
4 Insulation packing 5 Metal lithium negative electrode (disk shape)
6 Separator aluminum foil 7 Stainless steel exterior (positive electrode side)

Claims (4)

還元状態において化学式(I)で表されるニトロキシルラジカル部分構造をとり、酸化状態において化学式(II)で表されるオキソアンモニウムカチオン(ニトロキシルカチオン)部分構造をとるニトロキシル高分子を正極中に含有し、その2つの状態間で電子の授受を行う下記反応式(A)で示される反応を正極の電極反応として用いる二次電池において、正極が導電性物質とニトロキシル高分子からなる下層と、導電性物質を含まないニトロキシル高分子を主成分とする上層からなり、負極がリチウムもしくはリチウム合金からなることを特徴とする金属リチウム二次電池。
Figure 0005034261
Contains in the positive electrode a nitroxyl polymer that takes the nitroxyl radical partial structure represented by chemical formula (I) in the reduced state and the oxoammonium cation (nitroxyl cation) partial structure represented by chemical formula (II) in the oxidized state In the secondary battery using the reaction represented by the following reaction formula (A) for transferring and receiving electrons between the two states as the electrode reaction of the positive electrode, the positive electrode has a lower layer made of a conductive substance and a nitroxyl polymer, A lithium metal secondary battery comprising an upper layer mainly composed of a nitroxyl polymer not containing a functional substance, and a negative electrode comprising lithium or a lithium alloy.
Figure 0005034261
前記ニトロキシル高分子が、還元状態において下記一般式(1)もしくは(2)で示される環状ニトロキシル構造を含む高分子化合物であることを特徴とする請求項1に記載の二次電池。
Figure 0005034261

(式中、Rは水素原子又はメチル基を表し、Yは−COO−又は−O−を表し、nは繰り返し単位数を示す。)
The secondary battery according to claim 1, wherein the nitroxyl polymer is a polymer compound including a cyclic nitroxyl structure represented by the following general formula (1) or (2) in a reduced state.
Figure 0005034261

(In the formula, R represents a hydrogen atom or a methyl group, Y represents —COO— or —O—, and n represents the number of repeating units.)
正極における下層の導電性物質の含有率が80質量%以下5質量%以上であることを特徴とする請求項1又は2に記載の二次電池。   The secondary battery according to claim 1 or 2, wherein the content of the conductive material in the lower layer in the positive electrode is 80 mass% or less and 5 mass% or more. 正極と負極が直接接していることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の二次電池。
The secondary battery according to claim 1, wherein the positive electrode and the negative electrode are in direct contact with each other.
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