JP5110625B2 - Electricity storage device - Google Patents

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Description

本発明は、高出力、高容量、かつ繰り返し特性に優れた蓄電デバイスに関する。   The present invention relates to an electricity storage device having high output, high capacity, and excellent repeatability.

近年、ガソリンと電気の両方のエネルギーで駆動することのできるハイブリッド自動車や、無停電電源、移動体通信機器、携帯電子機器等の電源を必要とする機器の普及に伴い、その電源として、充放電可能な蓄電デバイスの高性能化の要求は非常に大きくなっている。具体的には、出力、容量、繰り返し寿命等の特性において高性能であることが要求されている。
そのような特性を有する蓄電デバイスを実現するために、有機化合物を電極活物質に用いる検討が行われている。最近、高速の充放電が期待できる新しい活物質として、π電子共役雲を有する有機化合物が用いられること、およびその反応メカニズムが本発明者らによって明らかにされている(例えば、特許文献1および2参照)。
In recent years, with the widespread use of hybrid vehicles that can be driven by both gasoline and electricity, uninterruptible power supplies, mobile communication devices, portable electronic devices, and other devices that require a power source, charging and discharging can be used as the power source. The demand for higher performance of possible power storage devices has become very large. Specifically, high performance is required in characteristics such as output, capacity, and repetition life.
In order to realize an electricity storage device having such characteristics, studies have been made on using an organic compound as an electrode active material. Recently, an organic compound having a π-electron conjugated cloud and a reaction mechanism thereof have been clarified by the present inventors as a new active material that can be expected to be charged and discharged at high speed (for example, Patent Documents 1 and 2). reference).

その電極活物質である、π電子共役雲を有する有機化合物は、低分子化合物から高分子化合物まで用いることができる。高分子化合物は、低分子化合物に比べて電解液などに溶解しにくい性質を有するため、高分子化合物を電極活物質として用いた場合には、電解液への活物質の溶出が抑えられ、サイクル特性の安定性がさらに高められる、ということが開示されている。
具体的には、高分子化合物活物質として、π電子共役雲を有する有機化合物部位を複数有する高分子化合物を用いることができることが開示されている。例えば、ポリアセチレン、ポリメチルメタクリレート鎖を主鎖として有する化合物に、π電子共役雲を有する有機化合物部位を結合させて得られる高分子活物質が開示されている。
As the electrode active material, an organic compound having a π electron conjugated cloud can be used from a low molecular compound to a high molecular compound. Since polymer compounds are less soluble in electrolytes than low molecular weight compounds, elution of active materials into electrolytes is suppressed when polymer compounds are used as electrode active materials. It is disclosed that the stability of characteristics is further enhanced.
Specifically, it is disclosed that a polymer compound having a plurality of organic compound sites having a π-electron conjugated cloud can be used as the polymer compound active material. For example, a polymer active material obtained by bonding an organic compound moiety having a π electron conjugated cloud to a compound having a polyacetylene or polymethyl methacrylate chain as a main chain is disclosed.

また、これらπ電子共役雲を有する有機化合物を活物質として用いた蓄電デバイスを構成するための電解質として、溶媒およびこれに溶解した電解質塩からなる電解液を用いることが開示されている。具体的には、溶媒として、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等の有機溶媒が好ましく用いられることが開示されている。   In addition, it is disclosed that an electrolyte solution composed of a solvent and an electrolyte salt dissolved therein is used as an electrolyte for constituting an electricity storage device using the organic compound having the π-electron conjugated cloud as an active material. Specifically, it is disclosed that organic solvents such as ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, γ-butyrolactone, tetrahydrofuran, dioxolane, sulfolane, dimethylformamide are preferably used as the solvent. Yes.

このように、出力、容量、繰り返し寿命等の特性に優れる蓄電デバイスを得るために、電極活物質として、π電子共役雲を有する有機化合物高分子が用いられること、また電解質として、電解質塩を種々の溶媒に溶解して得られる電解液が用いられることが開示されている。
特開2004−111374号公報 特開2004−342605号公報
As described above, in order to obtain an electricity storage device having excellent characteristics such as output, capacity, and repetition life, an organic compound polymer having a π electron conjugated cloud is used as an electrode active material, and various electrolyte salts are used as an electrolyte. It is disclosed that an electrolytic solution obtained by dissolving in a solvent is used.
JP 2004-111374 A JP 2004-342605 A

π電子共役雲を有する有機化合物高分子を電極活物質として用いる蓄電デバイスにおいて、電解質として、電解質塩を種々の溶媒に溶解して得られる電解液を用いることができることがわかってはいるものの、用いる溶媒の違いによって、蓄電デバイスの特性がどのように変化するかということに関しては、これまでは全く明らかにされていない。
本発明者らがπ電子共役雲を有する有機化合物高分子を電極活物質とする蓄電デバイスの電解質について鋭意研究を重ねた結果、電解質に用いる溶媒の種類によっては、蓄電デバイスの充放電容量が低下してしまう場合があることがわかった。
In an electricity storage device using an organic compound polymer having a π-electron conjugated cloud as an electrode active material, it is known that an electrolyte obtained by dissolving an electrolyte salt in various solvents can be used as an electrolyte. Until now, it has not been clarified at all how the characteristics of the electricity storage device change depending on the solvent.
As a result of the extensive research conducted by the inventors on the electrolyte of an electricity storage device using an organic compound polymer having a π-electron conjugated cloud as an electrode active material, depending on the type of solvent used in the electrolyte, the charge / discharge capacity of the electricity storage device decreases. I found out that sometimes

本発明者らは、電解質に用いる溶媒の種類によって、蓄電デバイスの充放電容量が低下する原因について詳細に検討した結果、電解質に用いる溶媒の比誘電率と、蓄電デバイスの充放電容量との間に相関があることが明らかとなった。具体的には、用いる溶媒の20℃における比誘電率が55未満の場合、蓄電デバイスの充放電容量が設計容量に対して低下してしまうのに対して、20℃における比誘電率が55以上90以下の場合、設計容量通りの高容量が得られることが明らかとなった。   As a result of detailed investigations on the cause of the decrease in charge / discharge capacity of the electricity storage device depending on the type of solvent used in the electrolyte, the present inventors have found that the relative permittivity of the solvent used in the electrolyte and the charge / discharge capacity of the electricity storage device It became clear that there is a correlation. Specifically, when the relative dielectric constant at 20 ° C. of the solvent used is less than 55, the charge / discharge capacity of the electricity storage device is lower than the design capacity, whereas the relative dielectric constant at 20 ° C. is 55 or more. In the case of 90 or less, it became clear that a high capacity according to the design capacity can be obtained.

すなわち、本発明の蓄電デバイスは、正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極と、溶媒および前記溶媒に溶解した電解質塩からなる電解質とを具備し、前記正極活物質および負極活物質の少なくとも一方が、π電子共役雲を有する有機化合物高分子を少なくとも含んでおり、前記溶媒の20℃における比誘電率が55以上90以下であり、前記π電子共役雲を有する有機化合物高分子が、後述の一般式(4)または一般式(5)で表される構造を有することを特徴とする。 That is, the electricity storage device of the present invention comprises a positive electrode containing a positive electrode active material, a negative electrode containing a negative electrode active material, and an electrolyte comprising a solvent and an electrolyte salt dissolved in the solvent, and the positive electrode active material and the negative electrode active material at least one of, contains at least an organic compound polymer having a π electron conjugated cloud state, and are relative dielectric constant at 20 ° C. is 55 or more and 90 or less of the solvent, the organic compound polymer having the π electron conjugated cloud but wherein the Rukoto that having a structure represented by the general formula below (4) or general formula (5).

本発明により、高出力、高容量、かつ、繰り返し特性に優れた蓄電デバイスを提供することができる。特に、設計容量に対して充放電容量が低下するという問題を解決することができる。   According to the present invention, an electricity storage device having high output, high capacity, and excellent repeatability can be provided. In particular, the problem that the charge / discharge capacity decreases with respect to the design capacity can be solved.

、図面を参照して説明する。
本形態における蓄電デバイスは、正極活物質の、π電子共役雲を有する有機化合物高分子として、以下の式(1)に示す分子構造を有する高分子(以下poly−TTFで表す)を含む正極を備えている。この蓄電デバイスは、負極活物質として金属リチウムを含む負極、および電解質として炭酸プロピレンと炭酸エチレンとを体積比1:1の割合で混合した溶媒に、1モル濃度の6フッ化りん酸リチウムを溶解させてなる電解質溶液を用いている。この電解質の溶媒の20℃における比誘電率は78である。また、蓄電デバイスの充放電条件は、定電流充放電で充電上限電圧4.0V、放電下限電圧3.0Vである。
Below, it will be described with reference to FIG surface.
The electricity storage device in this embodiment includes a positive electrode including a polymer having a molecular structure represented by the following formula (1) (hereinafter, represented by poly-TTF) as an organic compound polymer having a π-electron conjugated cloud of a positive electrode active material. I have. In this electricity storage device, 1 mol concentration of lithium hexafluorophosphate is dissolved in a negative electrode containing metallic lithium as a negative electrode active material, and a solvent in which propylene carbonate and ethylene carbonate are mixed at a volume ratio of 1: 1 as an electrolyte. An electrolyte solution is used. The dielectric constant of the electrolyte solvent at 20 ° C. is 78. The charge / discharge conditions of the electricity storage device are a constant current charge / discharge, a charge upper limit voltage of 4.0V, and a discharge lower limit voltage of 3.0V.

Figure 0005110625
Figure 0005110625

図1は本発明の蓄電デバイスを模式的に示した概略縦断面図である。11は正極端子を兼ねるステンレス鋼製のケースであり、このケースには、正極集電板12、正極13、およびセパレータ14が収容されている。15は負極端子を兼ねるステンレス鋼製の封口板であり、この封口板内には、負極16、負極集電板17、およびスペーサー19が配置されている。18は封口板15の周縁部に装着されたガスケットである。上記のケース11および封口板15を組み合わせ、ケース11の周縁部をガスケット18を介して封口板15の周縁部側へかしめることにより、図示のように密閉された蓄電デバイスが完成する。   FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view schematically showing an electricity storage device of the present invention. Reference numeral 11 denotes a stainless steel case that also serves as a positive electrode terminal, in which a positive electrode current collector plate 12, a positive electrode 13, and a separator 14 are accommodated. Reference numeral 15 denotes a stainless steel sealing plate that also serves as a negative electrode terminal. In this sealing plate, a negative electrode 16, a negative electrode current collector plate 17, and a spacer 19 are arranged. Reference numeral 18 denotes a gasket attached to the peripheral edge of the sealing plate 15. The case 11 and the sealing plate 15 are combined, and the peripheral portion of the case 11 is caulked to the peripheral portion side of the sealing plate 15 via the gasket 18 to complete the sealed electricity storage device as illustrated.

以下、まず正極活物質である有機化合物高分子の反応メカニズムについて、次に、詳細な検討の結果明らかになった蓄電デバイスの電解質に用いる溶媒の比誘電率と蓄電デバイスの容量特性との関係について、順に説明する。   In the following, the reaction mechanism of the organic compound polymer, which is the positive electrode active material, first, then the relationship between the relative dielectric constant of the solvent used for the electrolyte of the electricity storage device and the capacity characteristics of the electricity storage device, as a result of detailed studies These will be described in order.

まず、正極活物質であるpoly−TTFの反応メカニズムについて説明する。
高分子活物質の一つであるpoly−TTFは、前記式(1)に分子構造を示すように、π電子共役雲を有する反応部位であるテトラチアフルバレンが側鎖として、高分子主鎖にエステル結合を介して連結した分子構造を有する。反応部位であるテトラチアフルバレンは、それ単体の分子を活物質として用いた場合、用いる溶媒によっては溶解してしまう。このため、電解質として用いることのできる溶媒種、あるいは蓄電デバイスのデバイス構成に制約を受ける。それに対して、poly−TTFは、分子量が大きく、かつ多くの溶媒に不溶性のポリエチレン高分子鎖に結合されていることから、溶媒に対する溶解性が大きく低下し、用いることのできる溶媒種、あるいは蓄電デバイスのデバイス構成に制限が少ないことが期待される活物質材料である。
First, the reaction mechanism of poly-TTF which is a positive electrode active material is demonstrated.
As shown in the formula (1), poly-TTF, which is one of the polymer active materials, has tetrathiafulvalene, which is a reaction site having a π-electron conjugated cloud, as a side chain and a polymer main chain. It has a molecular structure linked through an ester bond. Tetrathiafulvalene, which is a reactive site, is dissolved depending on the solvent used when a single molecule is used as an active material. For this reason, there are restrictions on the type of solvent that can be used as the electrolyte or the device configuration of the electricity storage device. In contrast, poly-TTF has a large molecular weight and is bonded to a polyethylene polymer chain that is insoluble in many solvents, so that its solubility in solvents is greatly reduced, and it can be used as a solvent type or power storage. It is an active material that is expected to have few restrictions on the device configuration of the device.

式(1)に示す高分子活物質は、電気的に中性の状態、すなわち電荷を有さない放電状態である。この高分子活物質は、充電されると、式(2)に示すように、テトラチアフルバレンが酸化状態となって電子を放出して、正に帯電する。   The polymer active material represented by the formula (1) is in an electrically neutral state, that is, a discharge state having no charge. When this polymer active material is charged, tetrathiafulvalene enters an oxidized state and emits electrons as shown in the formula (2), and is positively charged.

Figure 0005110625
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したがって、負の電荷を有する電解質アニオンがテトラチアフルバレンに配位し、充電状態となる。充電状態となったテトラチアフルバレンは、電子を受け取ることにより、電気的に中性となり、電解質アニオンを放出して放電状態となる。このように高分子活物質は、式(2)のような充電状態と、式(1)のような放電状態とを可逆的に繰り返すことにより、蓄電デバイス活物質として動作することができる。   Therefore, the electrolyte anion having a negative charge is coordinated to tetrathiafulvalene and becomes a charged state. Tetrathiafulvalene in a charged state becomes electrically neutral by receiving electrons and releases an electrolyte anion to a discharged state. As described above, the polymer active material can operate as an electricity storage device active material by reversibly repeating a charged state as shown in Equation (2) and a discharged state as shown in Equation (1).

図2に、正極構造の一例として、正極13を拡大して模式的に示した概略断面図を、また、図3には、正極13内に含まれる正極活物質を拡大して模式的に示した概略断面図をそれぞれ示す。図2における12は正極集電体であり、その集電体上に正極13が構成される。正極13は、さらに内部に正極活物質粒子21および導電剤部22を含んでいる。正極13内部に含まれる高分子活物質は、図2に21で示すように、粒子状態として存在する場合がある。導電剤部22は、例えばカーボンブラックのような電子伝導性粒子に、必要に応じてバインダを混合したものから形成されている。導電剤部22は、必要に応じて多孔質となっており、電解質溶液を内部に含浸保持することができる。   FIG. 2 is an enlarged schematic sectional view schematically showing the positive electrode 13 as an example of the positive electrode structure, and FIG. 3 is an enlarged schematic view of the positive electrode active material contained in the positive electrode 13. A schematic sectional view is shown respectively. In FIG. 2, 12 is a positive electrode current collector, and a positive electrode 13 is formed on the current collector. The positive electrode 13 further includes positive electrode active material particles 21 and a conductive agent part 22 inside. The polymer active material contained in the positive electrode 13 may exist as a particle state as indicated by 21 in FIG. The electrically conductive agent part 22 is formed from what mixed the electronic conductive particle like carbon black with the binder as needed, for example. The conductive agent portion 22 is porous as necessary, and can impregnate and hold the electrolyte solution therein.

図3に示すように、正極活物質粒子21は、表層部31と、中心部32とから構成される。電解質溶液は主に多孔質な導電剤部の内部に含浸保持されるため、活物質粒子が電解質溶液と接触することができるのは、表層部31となる。そのため、正極を充電した際には、まず正極活物質の表層部31が酸化状態となって正に帯電し、電解質溶液から移動してきた電解質アニオンが活物質に配位して、活物質が充電状態となる。充電反応が進行するにつれ、徐々に表層部から中心部に向かって充電活物質の占有部分が拡大していく。すなわち、電解質アニオンが電解質溶液から活物質粒子の内部へ、表層部を通過し、中心部に向かって移動していくことにより、活物質粒子内部まで充電反応が進行する。   As shown in FIG. 3, the positive electrode active material particle 21 includes a surface layer portion 31 and a center portion 32. Since the electrolyte solution is mainly impregnated and held inside the porous conductive agent part, it is the surface layer part 31 that allows the active material particles to come into contact with the electrolyte solution. Therefore, when the positive electrode is charged, first, the surface layer portion 31 of the positive electrode active material is oxidized and positively charged, and the electrolyte anion transferred from the electrolyte solution is coordinated to the active material, and the active material is charged. It becomes a state. As the charging reaction proceeds, the portion occupied by the charging active material gradually increases from the surface layer portion toward the center portion. That is, as the electrolyte anion passes from the electrolyte solution to the inside of the active material particles through the surface layer portion and moves toward the center portion, the charging reaction proceeds to the inside of the active material particles.

次に、蓄電デバイスの電解質に用いる溶媒の比誘電率と蓄電デバイス特性との関係について説明する。
活物質粒子の中心まで完全に充電反応が進行するためには、活物質粒子の内部を電解質アニオンが移動可能とし、活物質粒子内部まで完全に充放電に寄与させることが、設計どおりの高容量を得るためには必要不可欠である。活物質粒子の内部を電解質アニオンが移動可能とするためには、電解質である電解質塩を溶解する溶媒が非常に重要な役割を担うと考えられる。
Next, the relationship between the relative dielectric constant of the solvent used for the electrolyte of the electricity storage device and the electricity storage device characteristics will be described.
In order for the charging reaction to proceed completely to the center of the active material particle, the electrolyte anion can move inside the active material particle, and it can contribute to charge / discharge completely to the inside of the active material particle. It is indispensable to obtain. In order to allow electrolyte anions to move inside the active material particles, it is considered that a solvent that dissolves an electrolyte salt that is an electrolyte plays a very important role.

充電時の活物質の分子構造として、式(2)には、正に帯電した活物質に、電解質アニオンが配位している様子を示した。この際に、正に帯電した活物質と、負の電荷を有する電解質アニオンとの間にはクーロン引力が働くと考えられる。この結合力が強固な場合、電解質アニオンは、活物質分子に強くトラップされてしまうと考えられる。したがって、活物質粒子の表層部が充電された段階で、電解質アニオンは活物質粒子の表層部でトラップされてしまい、電解質溶液中から活物質表層部を通過し、活物質中心部まで進入することが不可能となってしまう。この場合、活物質粒子は粒子内部まで反応することができずに、設計容量より少ない容量しか利用できない、容量低下を起こしてしまう。   As the molecular structure of the active material at the time of charging, the expression (2) shows that the electrolyte anion is coordinated to the positively charged active material. At this time, it is considered that a Coulomb attractive force acts between the positively charged active material and the electrolyte anion having a negative charge. When this binding force is strong, it is considered that the electrolyte anion is strongly trapped in the active material molecule. Therefore, when the surface layer portion of the active material particle is charged, the electrolyte anion is trapped in the surface layer portion of the active material particle, passes through the active material surface layer portion from the electrolyte solution, and enters the active material center portion. Becomes impossible. In this case, the active material particles cannot react to the inside of the particles, and only a capacity smaller than the designed capacity can be used, resulting in a decrease in capacity.

そのような容量が低下する問題を解決するために、電解質の溶媒として、比誘電率の高い溶媒を用いる。比誘電率の高い溶媒、ここでは炭酸プロピレン(PC)と炭酸エチレン(EC)とを体積比1:1で混合した溶媒を用いた場合の、充電活物質の分子構造を模式的に式(3)に示す。 For such a capacity to solve the problem of reduction, as a solvent for electrolytic substance, having a high dielectric constant solvent. The molecular structure of the charge active material in the case of using a solvent having a high relative dielectric constant, here a solvent in which propylene carbonate (PC) and ethylene carbonate (EC) are mixed at a volume ratio of 1: 1 is schematically represented by the formula (3 ).

Figure 0005110625
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比誘電率の高い溶媒は、充電されて正に帯電したテトラチアフルバレン部に溶媒和し、活物質と電解質アニオンとの静電引力を緩和すると考えられる。これにより、電解質アニオンが、充電された活物質によって強くトラップされなくなり、充電活物質の内部を移動可能となる。したがって、活物質粒子の表層部が充電された段階においても、電解質アニオンは活物質粒子の表層部でトラップされず、電解質溶液中から活物質表層部を通過し、活物質中心部まで進入することが可能となり、活物質粒子は粒子内部まで充放電に利用することができると考えられる。   It is considered that the solvent having a high relative dielectric constant solvates with the charged and positively charged tetrathiafulvalene part and alleviates the electrostatic attractive force between the active material and the electrolyte anion. As a result, the electrolyte anion is not strongly trapped by the charged active material, and can move inside the charged active material. Therefore, even when the surface layer portion of the active material particles is charged, the electrolyte anion is not trapped in the surface layer portion of the active material particles, and passes through the active material surface layer portion from the electrolyte solution and enters the active material center portion. Thus, it is considered that the active material particles can be used for charging and discharging up to the inside of the particles.

一般的に、アニオンとカチオンとから構成される塩を溶解した溶媒において、塩を解離させ、それぞれのイオンを単独で移動可能とするためには、比誘電率の高い溶媒が有効であることが知られている。また、その原因は、比誘電率の高い溶媒が、塩のカチオンを優先的に溶媒和し、アニオン−カチオン間の静電引力を緩和することによることが知られている。本形態における高分子活物質においても、これと同様のメカニズムで、比誘電率の高い溶媒は、充電された活物質の反応部位であるカチオンに優先的に溶媒和し、アニオン−カチオン間の静電引力を緩和すると推測される。 In general, in a solvent in which a salt composed of an anion and a cation is dissolved, in order to dissociate the salt and enable each ion to move independently, a solvent having a high relative dielectric constant is effective. Are known. The cause is known to be that a solvent having a high relative dielectric constant preferentially solvates the cation of the salt and relaxes the electrostatic attractive force between the anion and the cation. Also in the polymer active material in this embodiment, a solvent having a high relative dielectric constant is preferentially solvated with a cation that is a reaction site of the charged active material by the same mechanism as this, and the anion-cation static It is presumed to reduce the electric attractive force.

以上のようなメカニズムにより、電解質に用いる溶媒の比誘電率が一定値以上であることが有効であるとが考えられる。また、詳細な検討の結果、溶媒の比誘電率として閾値が存在し、20℃における比誘電率が55以上90以下であることが有効であることがわかった。すなわち、活物質に、π電子共役雲を有する有機化合物高分子を用いる蓄電デバイスにおいて、電解質溶媒の20℃における比誘電率が0以上55未満の場合、活物質粒子の内部まで全て充放電に利用することができず、したがって設計容量に対して容量低下が起こってしまうのに対し、20℃における比誘電率が55以上90以下の場合、活物質粒子の内部まで全て充放電に利用することができ、設計通りの高容量の蓄電デバイスを得ることができるのである。
さらに、比誘電率が高くなると、溶媒の粘度が上昇し、電解液の導電率が低下してしまう場合や、セパレータや極板の溶媒に対しての濡れ性が低下してしまう場合が起こりうる。このような理由により、溶媒の20℃における比誘電率は55〜65であることが好ましい。
Due to the mechanism described above, it is considered effective that the relative dielectric constant of the solvent used in the electrolyte is a certain value or more. Further, as a result of detailed studies, it has been found that it is effective that there is a threshold value as the relative dielectric constant of the solvent and the relative dielectric constant at 20 ° C. is 55 or more and 90 or less. That is, in an electricity storage device using an organic compound polymer having a π-electron conjugated cloud as an active material, when the relative permittivity at 20 ° C. of the electrolyte solvent is 0 or more and less than 55, all of the active material particles are used for charging and discharging. Therefore, when the relative dielectric constant at 20 ° C. is 55 or more and 90 or less, the entire capacity of the active material particles can be used for charging / discharging. Thus, an electricity storage device with a high capacity as designed can be obtained.
Furthermore, when the relative dielectric constant increases, the viscosity of the solvent increases and the conductivity of the electrolytic solution may decrease, or the wettability of the separator or electrode plate to the solvent may decrease. . For these reasons, the relative dielectric constant of the solvent at 20 ° C. is preferably 55 to 65.

本発明の蓄電デバイスにおける活物質として利用可能な有機高分子活物質としては、π電子共役雲を有する有機化合物が挙げられる。用いる有機高分子活物質は、高分子であれば特に分子量に制限はないが、平均分子量10000以上のものを好適に用いることができる。溶媒への活物質分子の溶解性が大きく低下し、電解質に用いることのできる溶媒種、あるいは蓄電デバイスのデバイス構成に制限が少ないことが期待されるからである。
また、π電子共役雲を有する有機化合物活物質は、必ずしも高分子体でなくても、分子量10000未満の低分子量体でも活物質として用いることは可能である。しかし、高分子体とは電解質溶媒に対する溶解性が異なるため、電解質として用いることのできる溶媒種は上述の理由以外に、溶解性を考慮した溶媒設計をする必要があり、高分子活物質の場合とは用いる電解質溶媒の最適値は異なると考えられる。したがって、本発明の蓄電デバイスに用いることのできる活物質の対象からは除外されている。
Examples of the organic polymer active material that can be used as the active material in the electricity storage device of the present invention include organic compounds having a π-electron conjugated cloud. The organic polymer active material to be used is not particularly limited as long as it is a polymer, but those having an average molecular weight of 10,000 or more can be suitably used. This is because the solubility of the active material molecules in the solvent is greatly reduced, and it is expected that there are few restrictions on the type of solvent that can be used for the electrolyte or the device configuration of the electricity storage device.
In addition, the organic compound active material having a π-electron conjugated cloud is not necessarily a high molecular weight material, and a low molecular weight material having a molecular weight of less than 10,000 can be used as the active material. However, since the solubility in the electrolyte solvent is different from that of the polymer, the solvent type that can be used as the electrolyte must be designed in consideration of the solubility in addition to the above reasons. It is considered that the optimum value of the electrolyte solvent to be used is different. Therefore, it is excluded from the target of active materials that can be used in the electricity storage device of the present invention.

π電子共役雲を有する有機化合物高分子としては、例えば以下に示す一般式(4)または(5)で表される構造を有する有機化合物高分子などが挙げられる。   Examples of the organic compound polymer having a π electron conjugated cloud include an organic compound polymer having a structure represented by the following general formula (4) or (5).

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(式(4)中、Xは硫黄原子または酸素原子であり、R1〜R4はそれぞれ独立に鎖状の脂肪族基、環状の脂肪族基、水素原子、ヒドロキシル基、シアノ基、アミノ基、ニトロ基またはニトロソ基であり、R5およびR6はそれぞれ独立に水素原子、鎖状の脂肪族基、または環状の脂肪族基であり、前記脂肪族基は酸素原子、窒素原子、硫黄原子、ケイ素原子、リン原子、ホウ素原子およびハロゲン原子よりなる群から選ばれる少なくとも1種を含んでもよい。) (In the formula (4), X is a sulfur atom or an oxygen atom, and R 1 to R 4 are each independently a chain aliphatic group, a cyclic aliphatic group, a hydrogen atom, a hydroxyl group, a cyano group, an amino group. , A nitro group or a nitroso group, wherein R 5 and R 6 are each independently a hydrogen atom, a chain aliphatic group, or a cyclic aliphatic group, and the aliphatic group is an oxygen atom, a nitrogen atom, a sulfur atom And at least one selected from the group consisting of a silicon atom, a phosphorus atom, a boron atom and a halogen atom.

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(式(5)中、Xは窒素原子であり、R1〜R4はそれぞれ独立に鎖状の脂肪族基、環状の脂肪族基、水素原子、ヒドロキシル基、シアノ基、アミノ基、ニトロ基またはニトロソ基であり、R5およびR6はそれぞれ独立に水素原子、鎖状の脂肪族基、または環状の脂肪族基であり、前記脂肪族基は酸素原子、窒素原子、硫黄原子、ケイ素原子、リン原子、ホウ素原子およびハロゲン原子よりなる群から選ばれる少なくとも1種を含んでもよい。) (In the formula (5), X is a nitrogen atom, and R 1 to R 4 are each independently a chain aliphatic group, cyclic aliphatic group, hydrogen atom, hydroxyl group, cyano group, amino group, nitro group. Or a nitroso group, wherein R 5 and R 6 are each independently a hydrogen atom, a chain aliphatic group, or a cyclic aliphatic group, and the aliphatic group is an oxygen atom, a nitrogen atom, a sulfur atom, or a silicon atom. , At least one selected from the group consisting of a phosphorus atom, a boron atom, and a halogen atom.

また、別のπ電子化合物としては、例えば以下に示す一般式(6)で表される構造を有する有機化合物高分子などが挙げられる。   Another example of the π-electron compound is an organic compound polymer having a structure represented by the following general formula (6).

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(式(6)中、X1〜X4はそれぞれ独立に硫黄原子、酸素原子、セレン原子、テルル原子であり、R1〜R2はそれぞれ独立に鎖状の脂肪族基、または環状の脂肪族基であり、前記脂肪族基は、酸素原子、窒素原子、硫黄原子、ケイ素原子、リン原子、ホウ素原子よりなる群から選ばれる少なくとも1種を含んでもよい。) (In the formula (6), X 1 to X 4 are each independently a sulfur atom, oxygen atom, selenium atom, or tellurium atom, and R 1 to R 2 are each independently a chain aliphatic group or a cyclic aliphatic group. And the aliphatic group may include at least one selected from the group consisting of an oxygen atom, a nitrogen atom, a sulfur atom, a silicon atom, a phosphorus atom, and a boron atom.)

活物質である有機化合物高分子は、上記一般式(4)〜(6)の構造の反応部位であるπ電子共役雲を有する有機化合物同士が結合してなる高分子であってもよいし、あるいは、上記のような反応部位であるπ電子共役雲を有する有機化合物分子を側鎖として、非反応部位である電解質溶媒に不溶解性の高分子主鎖に結合してなる高分子であってもよい。   The organic compound polymer that is an active material may be a polymer in which organic compounds having a π-electron conjugated cloud that is a reaction site of the structure of the above general formulas (4) to (6) are bonded together, Alternatively, a polymer formed by binding an organic compound molecule having a π electron conjugated cloud as a reaction site as described above as a side chain to a polymer main chain insoluble in an electrolyte solvent as a non-reaction site. Also good.

後者の高分子活物質の場合、電解質溶媒に不溶解性の高分子主鎖として用いる高分子主鎖に制限はなく用いることができる。具体的には、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアセチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン、ポリウレタン、ポリアクリロニトリル、ポリメチルペンテン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン等の炭化水素高分子、あるいはこれらのハロゲン化高分子等の種々の高分子主鎖に結合させることができる。
例えば一般式(4)および(5)の構造の反応部位を有する有機高分子体の例としては、以下に示す化学式(7)および(8)で表される化合物が具体例として挙げられる。
In the case of the latter polymer active material, the polymer main chain used as the polymer main chain insoluble in the electrolyte solvent can be used without any limitation. Specifically, for example, hydrocarbon polymers such as polyethylene, polypropylene, polyacetylene, polymethyl methacrylate, polystyrene, polyurethane, polyacrylonitrile, polymethylpentene, polyether ether ketone, polyether sulfone, or halogenated polymers thereof. To various polymer main chains.
For example, specific examples of the organic polymer having reaction sites having the structures of the general formulas (4) and (5) include compounds represented by the following chemical formulas (7) and (8).

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また、例えば一般式(6)の構造の反応部位を有する有機高分子体の例としては、以下に示す化学式(9)〜(15)で表される化合物が具体例として挙げられる。   For example, as an example of the organic polymer having a reaction site having the structure of the general formula (6), compounds represented by the following chemical formulas (9) to (15) can be given as specific examples.

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また、これら活物質を含んだ電極を作製する際には、電子伝導性を付与する目的で、導電剤を用いてもよい。具体的には、カーボンブラック、グラファイト、アセチレンブラック等の炭素材料、ポリアニリン、ポリピロール、またはポリチオフェンなどの導電性高分子と、これら活物質を混合して電極を形成してもよい。また、イオン導電性助剤として、ポリエチレンオキシドなどからなる固体電解質、またはポリメタクリル酸メチルなどからなるゲル電解質を正極中に含ませてもよい。さらに、活物質の結着性を向上させるために、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−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリエチレン、ポリイミド、ポリアクリル酸などのバインダを正極中に含ませてもよい。集電体には、一般の電池と同様、金属箔、金属メッシュ、導電性フィラーを含む樹脂フィルムなどが用いられる。   Moreover, when producing the electrode containing these active materials, you may use a electrically conductive agent in order to provide electronic conductivity. Specifically, a carbon material such as carbon black, graphite, and acetylene black, a conductive polymer such as polyaniline, polypyrrole, or polythiophene, and an active material may be mixed to form an electrode. Further, as the ion conductive auxiliary agent, a solid electrolyte made of polyethylene oxide or the like, or a gel electrolyte made of polymethyl methacrylate or the like may be included in the positive electrode. Furthermore, in order to improve the binding property of the active material, binders such as polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene copolymer, polyethylene, polyimide, polyacrylic acid, etc. May be included in the positive electrode. As the current collector, a metal foil, a metal mesh, a resin film containing a conductive filler, or the like is used as in a general battery.

次に、本発明の蓄電デバイスに用いることのできる電解質について説明する。本発明の電解質は、アニオンとカチオンとからなる塩を溶媒に溶解させて得ることができる。
塩としては、以下のアニオンとカチオンとからなる塩を使用することが可能である。アニオン種としては、ハロゲン化物アニオン、過塩素酸アニオン、トリフルオロメタンスルホン酸アニオン、4フッ化ほう酸アニオン、6フッ化リン酸アニオン、トリフルオロメタンスルホン酸アニオン、ノナフルオロ−1−ブタンスルホン酸アニオン、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドアニオン、ビス(パーフルオロエチルスルホニル)イミドアニオンなどが挙げられる。カチオン種としては、リチウム、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属カチオンや、マグネシウムなどのアルカリ土類金属カチオン、テトラエチルアンモニウムや1,3−エチルメチルイミダゾリウムに代表される4級アンモニウムカチオン等が挙げられる。
Next, an electrolyte that can be used in the electricity storage device of the present invention will be described. The electrolyte of the present invention can be obtained by dissolving a salt composed of an anion and a cation in a solvent.
As the salt, a salt composed of the following anions and cations can be used. The anion species include halide anions, perchlorate anions, trifluoromethanesulfonate anions, tetrafluoroborate anions, hexafluorophosphate anions, trifluoromethanesulfonate anions, nonafluoro-1-butanesulfonate anions, bis ( Examples thereof include a trifluoromethanesulfonyl) imide anion and a bis (perfluoroethylsulfonyl) imide anion. Examples of the cation species include alkali metal cations such as lithium, sodium and potassium, alkaline earth metal cations such as magnesium, quaternary ammonium cations such as tetraethylammonium and 1,3-ethylmethylimidazolium.

カチオン種としては、4級アンモニウムカチオンやリチウムカチオンを好適に用いることができる。その理由は、次のとおりである。すなわち、4級アンモニウムカチオンは、イオン移動度が高く、導電率の高い電解液を得ることができること、また対極として反応速度の速い活性炭等の電気二重層容量を有する負極を用いることができることから、高出力な蓄電デバイスを得ることができる。また、リチウムカチオンは、対極として反応電位が低く、容量密度の高い、リチウムを吸蔵放出可能な負極を用いることができることから、高電圧、高エネルギー密度な蓄電デバイスを得ることができる。   As the cation species, a quaternary ammonium cation or a lithium cation can be preferably used. The reason is as follows. That is, since the quaternary ammonium cation has a high ion mobility and can obtain an electrolytic solution with high conductivity, and a negative electrode having an electric double layer capacity such as activated carbon having a high reaction rate can be used as a counter electrode. A high output power storage device can be obtained. The lithium cation can use a negative electrode capable of inserting and extracting lithium with a low reaction potential and a high capacity density as a counter electrode, so that an electricity storage device with high voltage and high energy density can be obtained.

本発明の蓄電デバイスに用いることのできる溶媒としては、比誘電率が55以上90以下となる溶媒であれば、非水二次電池や非水系電気二重層キャパシタに用いることでのできる溶媒は使用可能である。
具体的には、環状炭酸エステルを含んでいる溶媒は好適に用いることができる。なぜなら、環状炭酸エステルは、エチレンカーボネートの90、プロピレンカーボネートの65に代表されるように、非常に高い比誘電率を有していることから、これら溶媒を成分として含むことにより、20℃における比誘電率55以上90以下の溶媒を容易に得ることができるからである。環状炭酸エステルの中でもプロピレンカーボネートが好適である。なぜなら、凝固点が−49℃とエチレンカーボネートよりも低く、蓄電デバイスを低温でも作動させることができるからである。
As a solvent that can be used for the electricity storage device of the present invention, a solvent that can be used for a nonaqueous secondary battery or a nonaqueous electric double layer capacitor is used as long as the relative dielectric constant is 55 or more and 90 or less. Is possible.
Specifically, a solvent containing a cyclic carbonate can be suitably used. This is because cyclic carbonates have a very high dielectric constant, as represented by 90 of ethylene carbonate and 65 of propylene carbonate. Therefore, by containing these solvents as components, the ratio at 20 ° C. This is because a solvent having a dielectric constant of 55 or more and 90 or less can be easily obtained. Of the cyclic carbonates, propylene carbonate is preferred. This is because the freezing point is −49 ° C., which is lower than that of ethylene carbonate, and the electricity storage device can be operated even at a low temperature.

また、環状エステルを含んでいる溶媒もまた好適に用いることができる。なぜなら、環状エステルは、γ−ブチロラクトンの42に代表されるように、非常に高い比誘電率を有していることから、これら溶媒を成分として含むことにより、20℃における比誘電率55以上90以下の溶媒を容易に得ることができるからである。γ−ブチロラクトン単体では、20℃における比誘電率55以上90以下の範囲内には入っていないが、誘導体化することにより、それ自身をより比誘電率を高くして、単体で用いてもよいし、環状炭酸エステル等の他の溶媒と混合して、20℃における比誘電率55以上90以下の範囲内の溶媒として用いてもよい。   Moreover, the solvent containing cyclic ester can also be used suitably. This is because the cyclic ester has a very high relative dielectric constant as represented by 42 of γ-butyrolactone, and therefore by containing these solvents as components, the relative dielectric constant at 20 ° C. is 55 or more and 90 This is because the following solvent can be easily obtained. γ-Butyrolactone alone does not fall within the range of a relative dielectric constant of 55 or more and 90 or less at 20 ° C., but it may be used alone by increasing the relative dielectric constant by derivatization. It may be mixed with other solvents such as cyclic carbonates and used as a solvent having a relative dielectric constant of 55 to 90 at 20 ° C.

また、溶媒は1種類の単体で用いてもよいし、複数の溶媒を混合して用いてもよい。その他の溶媒として用いることのできる溶媒としては、鎖状炭酸エステル、鎖状エステル、環状あるいは鎖状のエーテル等が用いられる。具体的には、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、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、アセトニトリル、ジメチルスルホキシド等の非水溶媒が用いられる。
これら溶媒を用いる電解質は、少なくとも正極内部に含浸されて用いることができるが、必要に応じて、固体電解質あるいはゲル電解質等をさらに用いてもよい。
Further, the solvent may be used alone or in combination with a plurality of solvents. Examples of other solvents that can be used include chain carbonate esters, chain esters, cyclic ethers, and the like. Specifically, non-aqueous solvents such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, tetrahydrofuran, dioxolane, sulfolane, dimethylformamide, acetonitrile, dimethyl sulfoxide and the like are used.
The electrolyte using these solvents can be used by impregnating at least the inside of the positive electrode, but a solid electrolyte or a gel electrolyte may be further used as necessary.

本発明の蓄電デバイスにおける、負極活物質には、特に制限はないが、グラファイト、非晶質炭素などの炭素材料、リチウム金属、リチウム含有複合窒化物、リチウム含有チタン酸化物、珪素、珪素を含む合金、珪素酸化物、錫、錫を含む合金、および錫酸化物等のリチウムを可逆的に吸蔵・放出することのできる材料、もしくは、活性炭などの電気二重層容量を有する炭素材料、π電子共役雲を有する有機化合物材料などを用いることができる。これら負極材料は、それぞれ単独で用いてもよいし、複数の負極材料と混合して用いてもよい。
π電子共役雲を有する有機化合物高分子を正極活物質に用い、負極に金属リチウムを用いた例を示したが、デバイス構成はこの限りではなく、π電子共役雲を有する有機化合物を負極活物質に用いてもよいし、あるいは正・負極活物質ともに酸化還元可能な有機化合物を活物質として用いてもよい。
The negative electrode active material in the electricity storage device of the present invention is not particularly limited, and includes carbon materials such as graphite and amorphous carbon, lithium metal, lithium-containing composite nitride, lithium-containing titanium oxide, silicon, and silicon. Alloys, silicon oxide, tin, tin-containing alloys, and materials that can reversibly store and release lithium, such as tin oxide, or carbon materials with electric double layer capacity, such as activated carbon, π-electron conjugation An organic compound material having a cloud can be used. These negative electrode materials may be used alone or in combination with a plurality of negative electrode materials.
An example in which an organic compound polymer having a π- electron conjugated cloud is used as a positive electrode active material and metallic lithium is used as a negative electrode is shown. However, the device configuration is not limited to this, and an organic compound having a π electron conjugated cloud is used as a negative electrode active material. Alternatively, an organic compound that can be oxidized and reduced may be used as the active material for both the positive and negative electrode active materials.

本発明は、正極活物質および負極活物質の少なくとも一方にπ電子共役雲を有する有機化合物高分子を含み、電解質溶媒に20℃における比誘電率が55以上90以下の溶媒を用いることにより、高出力、高容量、かつ、繰り返し特性に優れた蓄電デバイスを提供することができる。特に、設計容量に対して充放電容量が低下するという問題を解決することができる。   The present invention includes an organic compound polymer having a π-electron conjugated cloud in at least one of a positive electrode active material and a negative electrode active material, and by using a solvent having a relative dielectric constant of 55 to 90 at 20 ° C. as an electrolyte solvent, An electricity storage device having high output, high capacity, and excellent repetitive characteristics can be provided. In particular, the problem that the charge / discharge capacity decreases with respect to the design capacity can be solved.

以下に本発明の蓄電デバイスについて、参考例および比較例とともに詳細に説明する。
参考例1》
正極は、以下のようにして作製した。活物質として、π共役電子雲を有する有機化合物高分子として、上記の化学式(1)に示す分子構造を有する高分子であるpoly−TTFを用いた。poly−TTFはポリビニルアルコールとテトラチアフルバレンカルボキシル誘導体を脱水縮合により反応させて合成した。用いたpoly−TTFの平均分子量はおよそ50000、理論最大容量は190mAh/gであった。poly−TTFは、乳鉢で粉砕してから用いた。乳鉢粉砕後のπ共役ポリマー活物質の粒子径はおよそ10μm程度であった。活物質としてpoly−TTFの37.5mgと、導電剤のアセチレンブラック100mgとを均一に混合し、さらにバインダのポリテトラフルオロエチエン25mgを加えて混合し、正極合剤を得た。この正極合剤をアルミニウム金網の上に圧着し、真空乾燥した後、これを直径13.5mmの円盤状に打ち抜き裁断して正極極板を得た。正極活物質の塗布重量は、極板単位面積あたり1.7mg/cm2であった。
The electric storage device according to the present invention below, we described in detail with reference examples and comparative examples.
<< Reference Example 1 >>
The positive electrode was produced as follows. As an active material, poly-TTF, which is a polymer having a molecular structure represented by the chemical formula (1), was used as an organic compound polymer having a π-conjugated electron cloud. Poly-TTF was synthesized by reacting polyvinyl alcohol and a tetrathiafulvalene carboxyl derivative by dehydration condensation. The poly-TTF used had an average molecular weight of about 50,000 and a theoretical maximum capacity of 190 mAh / g. The poly-TTF was used after being pulverized in a mortar. The particle diameter of the π-conjugated polymer active material after mortar grinding was about 10 μm. As an active material, 37.5 mg of poly-TTF and 100 mg of acetylene black as a conductive agent were uniformly mixed, and further 25 mg of polytetrafluoroethylene as a binder was added and mixed to obtain a positive electrode mixture. This positive electrode mixture was pressure-bonded onto an aluminum wire mesh, vacuum-dried, and then punched and cut into a disk shape having a diameter of 13.5 mm to obtain a positive electrode plate. The coating weight of the positive electrode active material was 1.7 mg / cm 2 per electrode plate unit area.

負極活物質としては、金属リチウム(厚み300μm)を直径15mmの円盤状に打ち抜き、同じく直径15mmの円盤状のステンレス鋼製集電板に貼り付けて、負極を作製した。
電解質には、溶媒として炭酸エチレン(EC)と炭酸プロピレン(PC)とを体積比1:1で混合した溶媒に、1mol/L濃度の6フッ化りん酸リチウムを溶解して得た電解液を用いた。用いた溶媒の20℃における比誘電率は78である。なお、溶媒の比誘電率は、静電容量方式により測定した。
電解液は、正極、負極、および厚み20μmの多孔質ポリエチレンシートからなるセパレータに含浸させた。
これら正極、負極、およびセパレータを、図1に示すようなコイン型電池のケース、およびガスケットを装着した封口板で挟み、プレス機にてかしめ封口し、コイン型蓄電デバイスを得た。
As the negative electrode active material, metallic lithium (thickness: 300 μm) was punched into a disk shape having a diameter of 15 mm and attached to a disk-shaped stainless steel current collector plate having a diameter of 15 mm to produce a negative electrode.
For the electrolyte, an electrolytic solution obtained by dissolving 1 mol / L lithium hexafluorophosphate in a solvent in which ethylene carbonate (EC) and propylene carbonate (PC) are mixed at a volume ratio of 1: 1 as a solvent is used. Using. The relative permittivity of the solvent used at 20 ° C. is 78. The relative dielectric constant of the solvent was measured by a capacitance method.
The electrolytic solution was impregnated in a separator composed of a positive electrode, a negative electrode, and a porous polyethylene sheet having a thickness of 20 μm.
The positive electrode, the negative electrode, and the separator were sandwiched between a coin-type battery case as shown in FIG. 1 and a sealing plate equipped with a gasket, and caulked and sealed with a press to obtain a coin-type electricity storage device.

参考例2》
参考例2の蓄電デバイスは、電解液以外は参考例1と全く同じ構成である。電解液は、PCに、1mol/L濃度の6フッ化りん酸リチウムを溶解したものである。用いた溶媒の20℃における比誘電率は65である。
<< Reference Example 2 >>
The electricity storage device of Reference Example 2 has the same configuration as that of Reference Example 1 except for the electrolytic solution. The electrolytic solution is obtained by dissolving 1 mol / L of lithium hexafluorophosphate in PC. The solvent used had a relative dielectric constant of 65 at 20 ° C.

参考例3》
参考例3の蓄電デバイスは、電解液以外は参考例1と全く同じ構成である。電解液は、PCと炭酸ジエチル(DEC)とを体積比12:1で混合した溶媒に、1mol/L濃度の6フッ化りん酸リチウムを溶解したものを用いた。用いた溶媒の20℃における比誘電率は60である。
<< Reference Example 3 >>
The electricity storage device of Reference Example 3 has the same configuration as that of Reference Example 1 except for the electrolytic solution. The electrolytic solution used was a solution in which lithium hexafluorophosphate having a concentration of 1 mol / L was dissolved in a solvent in which PC and diethyl carbonate (DEC) were mixed at a volume ratio of 12: 1. The solvent used has a relative dielectric constant of 60 at 20 ° C.

参考例4》
参考例4の蓄電デバイスは、電解液以外は参考例1と全く同じ構成である。電解液は、PCとDECとを体積比5:1で混合した溶媒に、1mol/L濃度の6フッ化りん酸リチウムを溶解したものを用いた。用いた溶媒の20℃における比誘電率は55である。
<< Reference Example 4 >>
The electricity storage device of Reference Example 4 has the same configuration as that of Reference Example 1 except for the electrolytic solution. As the electrolytic solution, a solution in which 1 mol / L of lithium hexafluorophosphate was dissolved in a solvent in which PC and DEC were mixed at a volume ratio of 5: 1 was used. The solvent used had a relative dielectric constant of 55 at 20 ° C.

《比較例1》
比較例1の蓄電デバイスは、電解液以外は参考例1と全く同じ構成である。電解液は、PCとDECとを体積比3.2:1で混合した溶媒に、1mol/L濃度の6フッ化りん酸リチウムを溶解したものを用いた。用いた溶媒の20℃における比誘電率は50である。
<< Comparative Example 1 >>
The electricity storage device of Comparative Example 1 has the same configuration as that of Reference Example 1 except for the electrolytic solution. As the electrolytic solution, a solution in which lithium hexafluorophosphate having a concentration of 1 mol / L was dissolved in a solvent in which PC and DEC were mixed at a volume ratio of 3.2: 1 was used. The relative permittivity of the solvent used at 20 ° C. is 50.

《比較例2》
比較例2の蓄電デバイスは、電解液以外は参考例1と全く同じ構成である。電解液は、PCとDECとを体積比1.5:1で混合した溶媒に、1mol/L濃度の6フッ化りん酸リチウムを溶解したものを用いた。用いた溶媒の20℃における比誘電率は40である。
<< Comparative Example 2 >>
The electricity storage device of Comparative Example 2 has the same configuration as that of Reference Example 1 except for the electrolytic solution. As the electrolytic solution, a solution obtained by dissolving 1 mol / L lithium hexafluorophosphate in a solvent in which PC and DEC were mixed at a volume ratio of 1.5: 1 was used. The solvent used has a relative dielectric constant of 40 at 20 ° C.

《比較例3》
比較例3の蓄電デバイスは、電解液以外は参考例1と全く同じ構成である。電解液は、PCとDECとを体積比1:1で混合した溶媒に、1mol/L濃度の6フッ化りん酸リチウムを溶解したものを用いた。用いた溶媒の20℃における比誘電率は34である。
<< Comparative Example 3 >>
The electricity storage device of Comparative Example 3 has the same configuration as that of Reference Example 1 except for the electrolytic solution. As the electrolytic solution, a solution obtained by dissolving 1 mol / L lithium hexafluorophosphate in a solvent in which PC and DEC were mixed at a volume ratio of 1: 1 was used. The solvent used had a relative dielectric constant of 34 at 20 ° C.

参考例1〜4、および比較例1〜3の蓄電デバイスについて充放電容量を以下のように評価した。
温度20℃の環境下において、充電上限電圧4.0V、放電下限電圧3.0Vとして0.1mAの定電流で充放電した。充電終了後、放電を開始するまでの休止時間はなしとした。そして、初回の充放電時の充電容量を活物質重量で割った値、すなわち活物質の単位重量あたりの充電容量を、充放電容量として評価した。
その評価結果を表1に示す。
The charge / discharge capacities of the electricity storage devices of Reference Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3 were evaluated as follows.
Under an environment of a temperature of 20 ° C., the battery was charged / discharged at a constant current of 0.1 mA with a charge upper limit voltage of 4.0 V and a discharge lower limit voltage of 3.0 V. After the end of charging, there was no rest time until discharging was started. And the value which divided the charging capacity at the time of the first charging / discharging by the active material weight, ie, the charging capacity per unit weight of an active material, was evaluated as charging / discharging capacity.
The evaluation results are shown in Table 1.

Figure 0005110625
Figure 0005110625

表1に示すように、電解液に用いる溶媒の20℃における比誘電率が55以上90以下の参考例1〜4においては、活物質の単位重量当たり178mAh/g以上と、活物質のほぼ理論容量に近い高容量が得られた。
一方、比較例1〜3のように、電解液に用いる溶媒の20℃における比誘電率が55未満の場合においては、活物質の単位重量当たり28mAh/g以下と、設計に対して大きく容量が低下してしまう減少が見られた。これは、充電時の正に帯電した活物質分子への溶媒の溶媒和が十分でなく、活物質粒子の表層部しか充放電に寄与できなくなってしまったためと考えられる。
As shown in Table 1, in Reference Examples 1 to 4 in which the relative dielectric constant at 20 ° C. of the solvent used in the electrolytic solution is 55 or more and 90 or less, it is 178 mAh / g or more per unit weight of the active material. A high capacity close to the capacity was obtained.
On the other hand, when the relative dielectric constant at 20 ° C. of the solvent used in the electrolyte solution is less than 55 as in Comparative Examples 1 to 3, the capacity is 28 mAh / g or less per unit weight of the active material, which is large compared to the design. There was a decrease that would decrease. This is presumably because the solvation of the solvent to the positively charged active material molecules at the time of charging is insufficient, and only the surface layer portion of the active material particles can contribute to charging and discharging.

上記のように、活物質としてπ電子共役雲を有する有機化合物高分子を少なくとも含む蓄電デバイスにおいて、電解質の溶媒に20℃における比誘電率が55以上90以下の溶媒を用いることによって、高出力、高容量、かつ、繰り返し特性に優れた蓄電デバイスを提供することができる。特に、設計容量に対しての充放電容量の低下という問題を解決することができる。   As described above, in an electricity storage device including at least an organic compound polymer having a π-electron conjugated cloud as an active material, by using a solvent having a relative dielectric constant of 55 or more and 90 or less at 20 ° C. as an electrolyte solvent, high output, An electricity storage device having a high capacity and excellent repetitive characteristics can be provided. In particular, the problem of a decrease in charge / discharge capacity with respect to the design capacity can be solved.

本発明の蓄電デバイスは、高出力、高容量かつ、繰り返し特性に優れている。したがって、各種携帯機器あるいは輸送機器、無停電電源などの用途に使用することができる。   The electricity storage device of the present invention has high output, high capacity, and excellent repeatability. Therefore, it can be used for various portable devices, transportation devices, uninterruptible power supplies, and the like.

本発明の一実施の形態におけるコイン型蓄電デバイスの概略縦断面図である。It is a schematic longitudinal cross-sectional view of the coin-type electrical storage device in one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態における正極の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the positive electrode in one embodiment of this invention. 正極活物質粒子の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of a positive electrode active material particle.

符号の説明Explanation of symbols

11 ケース
12 正極集電板
13 正極
14 セパレータ
15 封口板
16 負極
17 負極集電板
18 ガスケット
21 正極活物質粒子
22 導電剤部
31 正極活物質粒子の表層部
32 正極活物質粒子の中心部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Case 12 Positive electrode current collector plate 13 Positive electrode 14 Separator 15 Sealing plate 16 Negative electrode 17 Negative electrode current collector plate 18 Gasket 21 Positive electrode active material particle 22 Conductive agent part 31 Surface layer part of positive electrode active material particle 32 Center part of positive electrode active material particle

Claims (8)

正極活物質を含む正極、負極活物質を含む負極、並びに溶媒および前記溶媒に溶解した電解質塩を含む電解質を具備し、
前記正極活物質および負極活物質の少なくとも一方が、π電子共役雲を有する有機化合物高分子を含んでおり、
前記溶媒の20℃における比誘電率が、55以上90以下であり、
前記π電子共役雲を有する有機化合物高分子が、一般式(4)または一般式(5)で表される構造を有する蓄電デバイス。
Figure 0005110625
(式中、Xは硫黄原子または酸素原子であり、R 1 〜R 4 はそれぞれ独立に鎖状の脂肪族基、環状の脂肪族基、水素原子、ヒドロキシル基、シアノ基、アミノ基、ニトロ基またはニトロソ基であり、R 5 およびR 6 はそれぞれ独立に水素原子、鎖状の脂肪族基、または環状の脂肪族基であり、前記脂肪族基は酸素原子、窒素原子、硫黄原子、ケイ素原子、リン原子、ホウ素原子およびハロゲン原子よりなる群から選ばれる少なくとも1種を含んでもよい。)
Figure 0005110625
(式中、Xは窒素原子であり、R 1 〜R 4 はそれぞれ独立に鎖状の脂肪族基、環状の脂肪族基、水素原子、ヒドロキシル基、シアノ基、アミノ基、ニトロ基またはニトロソ基であり、R 5 およびR 6 はそれぞれ独立に水素原子、鎖状の脂肪族基、または環状の脂肪族基であり、前記脂肪族基は酸素原子、窒素原子、硫黄原子、ケイ素原子、リン原子、ホウ素原子およびハロゲン原子よりなる群から選ばれる少なくとも1種を含んでもよい。)
A positive electrode including a positive electrode active material, a negative electrode including a negative electrode active material, and an electrolyte including a solvent and an electrolyte salt dissolved in the solvent,
At least one of the positive electrode active material and the negative electrode active material contains an organic compound polymer having a π electron conjugated cloud,
Relative dielectric constant at 20 ° C. of the solvent state, and are 55 and 90, inclusive,
Storage device that organic compound polymer having the π electron conjugated cloud, having a structure represented by the general formula (4) or general formula (5).
Figure 0005110625
(In the formula, X is a sulfur atom or an oxygen atom, and R 1 to R 4 are each independently a chain aliphatic group, a cyclic aliphatic group, a hydrogen atom, a hydroxyl group, a cyano group, an amino group, or a nitro group. Or a nitroso group, wherein R 5 and R 6 are each independently a hydrogen atom, a chain aliphatic group, or a cyclic aliphatic group, and the aliphatic group is an oxygen atom, a nitrogen atom, a sulfur atom, or a silicon atom. , At least one selected from the group consisting of a phosphorus atom, a boron atom, and a halogen atom.
Figure 0005110625
Wherein X is a nitrogen atom, and R 1 to R 4 are each independently a chain aliphatic group, a cyclic aliphatic group, a hydrogen atom, a hydroxyl group, a cyano group, an amino group, a nitro group, or a nitroso group. R 5 and R 6 are each independently a hydrogen atom, a chain-like aliphatic group, or a cyclic aliphatic group, and the aliphatic group is an oxygen atom, a nitrogen atom, a sulfur atom, a silicon atom, or a phosphorus atom. , At least one selected from the group consisting of boron atoms and halogen atoms may be included.)
前記有機化合物高分子の分子量が10000以上である請求項1記載の蓄電デバイス。   The electrical storage device according to claim 1, wherein the organic compound polymer has a molecular weight of 10,000 or more. 前記有機化合物高分子が、複数のπ電子共役雲を有する有機化合物同士が結合してなる高分子である請求項1記載の蓄電デバイス。   The power storage device according to claim 1, wherein the organic compound polymer is a polymer formed by bonding organic compounds having a plurality of π-electron conjugated clouds. 前記有機化合物高分子が、前記溶媒に不溶解性の高分子主鎖に、側鎖としてπ電子共役雲を有する有機化合物が結合してなる高分子である請求項1記載の蓄電デバイス。   The power storage device according to claim 1, wherein the organic compound polymer is a polymer in which an organic compound having a π electron conjugated cloud as a side chain is bonded to a polymer main chain insoluble in the solvent. 前記溶媒が、環状炭酸エステルを含んでいる請求項1記載の蓄電デバイス。   The electricity storage device according to claim 1, wherein the solvent contains a cyclic carbonate. 前記溶媒が、環状エステルを含んでいる請求項1記載の蓄電デバイス。   The electricity storage device according to claim 1, wherein the solvent contains a cyclic ester. 前記電解質塩が、アニオンとカチオンとからなり、前記カチオンが4級アンモニウム塩を含んでいる請求項1記載の蓄電デバイス。   The electricity storage device according to claim 1, wherein the electrolyte salt includes an anion and a cation, and the cation includes a quaternary ammonium salt. 前記電解質塩が、アニオンとカチオンとからなり、前記カチオンがリチウムイオンである請求項1記載の蓄電デバイス。   The electricity storage device according to claim 1, wherein the electrolyte salt includes an anion and a cation, and the cation is a lithium ion.
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