JP5298767B2 - Secondary battery electrode, manufacturing method thereof, and secondary battery employing the electrode - Google Patents

Secondary battery electrode, manufacturing method thereof, and secondary battery employing the electrode Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode for a secondary battery for balancing high energy density with high output density. <P>SOLUTION: This electrode for a secondary battery is used for a positive electrode of a secondary battery including the positive electrode, a negative electrode and an electrolyte. The electrode for a secondary battery is characterized by containing a single ion conducting material, a radical compound and a lithium compound. This secondary battery using the electrode balances high energy density with high output density. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、大電流充放電特性に優れ且つエネルギー密度が高い二次電池及びそのような二次電池が提供可能な二次電池用電極に関する。   The present invention relates to a secondary battery excellent in high-current charge / discharge characteristics and having a high energy density, and an electrode for a secondary battery capable of providing such a secondary battery.

近年、ノート型パソコン、デジタルカメラ等の携帯電子機器の普及に伴い、高エネルギー密度を有する小型大容量二次電池への要求が高まっている。また、環境問題の観点から、電池自動車や動力の一部に電力を利用したハイブリッド車が実用化されており、電力の貯蔵手段としての二次電池の高性能化が求められている。   In recent years, with the widespread use of portable electronic devices such as notebook computers and digital cameras, there is an increasing demand for small high-capacity secondary batteries having high energy density. From the viewpoint of environmental problems, battery cars and hybrid cars using electric power as a part of power have been put into practical use, and there is a demand for higher performance of secondary batteries as power storage means.

これらの要求に応える二次電池の有力候補としてリチウムイオン電池の開発が進んでおり、優れた安定性並びに高エネルギー密度の実現に向けての開発が行われてきた。   Development of a lithium ion battery is progressing as a promising candidate for a secondary battery that meets these requirements, and development has been carried out to achieve excellent stability and high energy density.

しかしながら、リチウムイオン電池は、充放電時において、リチウムイオンの挿入脱離反応を伴うことから、ある程度以上の大電流を流すと電池性能が低下する。従って、高い電池性能を発揮させる目的では、放電速度や充電速度がある程度以上にならないような制限が必要となる。   However, since the lithium ion battery is accompanied by an insertion / release reaction of lithium ions during charging / discharging, the battery performance deteriorates when a large current of a certain level or more is passed. Therefore, for the purpose of exhibiting high battery performance, it is necessary to limit the discharge rate and the charge rate so as not to exceed a certain level.

一方、ポリ(2,2,6,6−テトラメチルピペリジノキシメタクリレート)(PTMA)に代表されるラジカル材料を正極に用いた二次電池は、イオンの吸脱着反応を電池反応に利用しているので、通常のリチウムイオン電池よりも大電流を流すことが可能であると共に、サイクル特性にも優れており携帯電子機器や電気自動車への適用が期待されている。   On the other hand, a secondary battery using a radical material typified by poly (2,2,6,6-tetramethylpiperidinoxymethacrylate) (PTMA) as a positive electrode uses an ion adsorption / desorption reaction for the battery reaction. Therefore, it is possible to pass a larger current than a normal lithium ion battery, and it is excellent in cycle characteristics, and is expected to be applied to portable electronic devices and electric vehicles.

ところで、リチウムイオン電池においては正極材料中にリチウムを含んだ状態の酸化物材料を含有できるので、高エネルギー密度化を目指す場合には正極材料中のリチウム酸化物材料を増加させれば充分であり電解液中の塩濃度は必要なイオン導電率が実現できる程度にすれば充分である。   By the way, in a lithium ion battery, since an oxide material containing lithium can be contained in the positive electrode material, it is sufficient to increase the lithium oxide material in the positive electrode material when aiming at higher energy density. It is sufficient that the salt concentration in the electrolytic solution is such that the necessary ionic conductivity can be realized.

しかしながら、PTMA等のラジカル材料を正極に用いた二次電池において高エネルギー密度を実現するには、正極中のラジカル量を多くすると同時に、そのラジカルに反応するイオンの供給源を電解液中において多く含有させる必要があると考えられていた。例えば、電解液中の支持電解質を二次電池の容量に応じて高い濃度に設定していた。   However, in order to achieve a high energy density in a secondary battery using a radical material such as PTMA for the positive electrode, the amount of radicals in the positive electrode is increased and, at the same time, a large number of ion sources that react with the radicals are contained in the electrolyte. It was thought that it was necessary to contain. For example, the supporting electrolyte in the electrolytic solution is set to a high concentration according to the capacity of the secondary battery.

ここで、LiPFに代表されるような支持電解質の濃度を高くすると電解液の粘度が上昇してイオンの拡散速度が低下して、電解液のイオン導電率が低下する。その結果、電池から取り出すことができる電流の値が小さくなり、出力密度の低下を引き起こすことになる。 Here, when the concentration of the supporting electrolyte as typified by LiPF 6 is increased, the viscosity of the electrolytic solution increases, the ion diffusion rate decreases, and the ionic conductivity of the electrolytic solution decreases. As a result, the value of the current that can be taken out from the battery is reduced, causing a reduction in output density.

更に、電解液中に支持電解質を大量に添加すると、電極に対する電解液の濡れ性が悪化し内部抵抗が上昇して電池としての出力低下を引き起こすことが判明している。   Furthermore, it has been found that when a large amount of a supporting electrolyte is added to the electrolytic solution, the wettability of the electrolytic solution with respect to the electrode is deteriorated, the internal resistance is increased, and the output of the battery is reduced.

つまり、ラジカル材料を用いた二次電池においては、高エネルギー密度と高出力密度を両立することは困難であった。   That is, in a secondary battery using a radical material, it has been difficult to achieve both high energy density and high output density.

ラジカル化合物を用いた二次電池の高エネルギー密度化に関する従来技術としては、正極が安定ラジカル化合物を含み、且つ、電解質塩を保持する技術が開示されている。(特許文献1)
しかし、正極内に電解質塩を保持した場合、車載時における電池温度の上昇などに起因して、正極内に保持された電解質塩は電解液中に溶解していき、結果として電解液の粘度が上昇、イオンの拡散速度が低下する可能性があった。
As a conventional technique for increasing the energy density of a secondary battery using a radical compound, a technique in which the positive electrode contains a stable radical compound and holds an electrolyte salt is disclosed. (Patent Document 1)
However, when the electrolyte salt is held in the positive electrode, the electrolyte salt held in the positive electrode is dissolved in the electrolytic solution due to an increase in battery temperature when the vehicle is mounted, and as a result, the viscosity of the electrolytic solution is reduced. There was a possibility that the diffusion rate of ions would increase and decrease.

ラジカル化合物を有する電極にリン酸、スルホン酸、カルボン酸などを有するアニオン性を有する材料を混合する技術が示されている。(特許文献2)
しかし、この技術においては材料を混合してできるペーストの溶剤を有機溶媒にすると分散が不十分となると考えられ、結果として出力低下を起こす可能性が高く、完全ではない。
A technique is shown in which an anionic material having phosphoric acid, sulfonic acid, carboxylic acid, or the like is mixed with an electrode having a radical compound. (Patent Document 2)
However, in this technique, if the solvent of the paste formed by mixing the materials is an organic solvent, the dispersion is considered to be insufficient. As a result, there is a high possibility that the output will be lowered, and it is not perfect.

さらにこれらの技術は、π共役電子雲またはラジカルを有する有機材料のみを活物質としているためエネルギー密度という点で課題がある。
特開2004−259618号公報 特開2006−324179号公報
Further, these techniques have a problem in terms of energy density because only an organic material having a π-conjugated electron cloud or a radical is used as an active material.
JP 2004-259618 A JP 2006-324179 A

本発明は上記実情に鑑み完成したものであり、高エネルギー密度及び高出力密度が両立された二次電池及びそのような二次電池を構成できる二次電池用電極を提供することを解決すべき課題とする。 更に、そのような二次電池用電極を製造できる製造方法を提供することを解決すべき課題とする。   The present invention has been completed in view of the above circumstances, and it should be solved to provide a secondary battery in which high energy density and high output density are compatible, and an electrode for a secondary battery that can constitute such a secondary battery. Let it be an issue. Furthermore, it is an object to be solved to provide a manufacturing method capable of manufacturing such an electrode for a secondary battery.

上記課題を解決する目的で本発明者らは鋭意検討を行った結果、シングルイオン伝導性材料とラジカル化合物とを有し、かつリチウム化合物を含有し共存させることで、ラジカル化合物の特性が充分に発揮できるとの知見を得た。つまりシングルイオン伝導性材料は、ラジカル化合物と共存させることにより、電解液中に支持電解質を高濃度で添加することなくラジカル材料及びリチウム化合物両方の特性を十分発揮させることができ、高いエネルギー密度を実現できるものである。以下の発明はこの知見に基づき完成したものである。   As a result of intensive investigations aimed at solving the above-mentioned problems, the inventors of the present invention have a single ion conductive material and a radical compound, and the lithium compound is contained and coexisted so that the characteristics of the radical compound are sufficient. The knowledge that it can be demonstrated was obtained. In other words, the single ion conductive material coexists with the radical compound, so that the characteristics of both the radical material and the lithium compound can be sufficiently exhibited without adding a supporting electrolyte at a high concentration in the electrolytic solution, and a high energy density can be obtained. It can be realized. The following invention has been completed based on this finding.

正極でのラジカル化合物が関与する電池反応について説明する。ラジカル化合物がもつラジカル部分は充電時に酸化してカチオンになり、電子を放出することで電池反応に関与している。本発明の二次電池用電極では、シングルイオン伝導性材料からカチオンが解離して生成したアニオン部分が、ラジカル化合物から生成したカチオンの電荷を補償することで電池反応が継続できるものである。   The battery reaction involving the radical compound at the positive electrode will be described. The radical part of the radical compound is oxidized during charging to become a cation and participates in the battery reaction by releasing electrons. In the secondary battery electrode of the present invention, the anion portion generated by dissociation of the cation from the single ion conductive material compensates for the charge of the cation generated from the radical compound, so that the battery reaction can be continued.

このシングルイオン伝導性材料とラジカル材料との間の距離を更に近づけることで反応を容易に進行させることが可能になるので、前記シングルイオン伝導性材料とラジカル材料とは混合しているものが望ましい。   Since the reaction can easily proceed by further reducing the distance between the single ion conductive material and the radical material, it is desirable that the single ion conductive material and the radical material are mixed. .

特に、シングルイオン伝導性材料とラジカル化合物を分散させた後にリチウム化合物と混合させることにより製造する製造方法を採用することができる。また、その製造方法により製造され得る構成を採用することにより、シングルイオン伝導性材料とラジカル化合物との間の相互作用が円滑に進行でき、電池に適用した場合に内部抵抗を小さくすることができる。   In particular, it is possible to employ a manufacturing method in which a single ion conductive material and a radical compound are dispersed and then mixed with a lithium compound. Further, by adopting a configuration that can be manufactured by the manufacturing method, the interaction between the single ion conductive material and the radical compound can proceed smoothly, and the internal resistance can be reduced when applied to a battery. .

また、本二次電池用電極が、集電体とその集電体の表面に形成された正極合材から形成されている場合に、その正極合材の厚みが30μm以上(特に50μm以上)の場合においては、電解液中のイオンが電極内部まで行き渡るまでの時間が必要になるところ、シングルイオン伝導性材料がその電解液中のイオンの替わりとして作用するため、通常の電解質塩の濃度範囲であっても十分に高出力化が達成できる。従って、正極合材の厚みを大きくした場合であっても電解質塩の濃度がリチウム電池に用いている濃度範囲において高出力密度を実現できる。   Further, when the secondary battery electrode is formed of a current collector and a positive electrode mixture formed on the surface of the current collector, the thickness of the positive electrode mixture is 30 μm or more (particularly 50 μm or more). In some cases, it takes time for the ions in the electrolyte to reach the inside of the electrode, but the single ion conductive material acts as a substitute for the ions in the electrolyte. Even in this case, a sufficiently high output can be achieved. Therefore, even when the thickness of the positive electrode mixture is increased, a high output density can be realized in the concentration range where the electrolyte salt concentration is used in the lithium battery.

このシングルイオン伝導性材料は、その分子構造の末端に−COOX、−SOX(XはH 、Li又はNa)の官能基を有する材料であり、カチオンであるXが解離した後、−COO、−SO を生成し、これがラジカル化合物から生成したカチオンの電荷を補償することができるため、このような構造が望ましい。ここで前記XがLiであることがエネルギー密度向上の観点から望ましい。 This single ion conductive material is a material having a functional group of —COOX, —SO 3 X (X is H 2, Li or Na) at the end of its molecular structure, and after the cation X is dissociated, —COO -, -SO 3 - generate, which it is possible to compensate the charge of the cations generated from radical compounds, such structures it is desirable. Here, X is preferably Li from the viewpoint of improving the energy density.

更に、シングルイオン伝導性材料が電解液中に溶解して電極中から消失することが無いように、また、電解液中に溶解して電解液の粘度が上昇しないように、との理由から、前記シングルイオン伝導性材料は電解液に不溶であることが望ましい。   Furthermore, so that the single ion conductive material is not dissolved in the electrolytic solution and disappears from the electrode, and the viscosity of the electrolytic solution is not increased by dissolving in the electrolytic solution, The single ion conductive material is preferably insoluble in the electrolytic solution.

ここで電解液に不溶であるというのは、例えばリチウム電池に用いられている標準電解液にシングルイオン伝導性材料を添加した際に、不溶な沈殿物が見られる状態のことを意味している。特に、代表的な電解液であるエチレンカーボネートとジエチルカーボネートを3:7の割合で含む電解液に対して、0.1M添加した際のイオン導電率が0.1mS/cm以下である場合(より好ましくは、0.1M添加した際に0.01mS/cm以下の場合)に不溶であるとする。   Here, insoluble in the electrolytic solution means that, for example, when a single ion conductive material is added to a standard electrolytic solution used in a lithium battery, an insoluble precipitate is observed. . In particular, when ionic conductivity is 0.1 mS / cm or less when 0.1 M is added to an electrolytic solution containing ethylene carbonate and diethyl carbonate in a ratio of 3: 7, which is a typical electrolytic solution (more Preferably, when 0.1 M is added, it is insoluble at 0.01 mS / cm or less.

また、シングルイオン伝導性材料はポリマーであってもよく、分子量を大きくするほど電解液に不溶になるためである。このシングルイオン伝導性材料は平均分子量を10万以上のポリマーにすることにより、電解液への不溶性が顕著に向上する。   In addition, the single ion conductive material may be a polymer, and the higher the molecular weight, the more insoluble in the electrolyte solution. This single ion conductive material is significantly improved in insolubility in the electrolytic solution by using a polymer having an average molecular weight of 100,000 or more.

シングルイオン伝導性材料として具体的に望ましい化合物としては、酢酸リチウムや酪酸リチウムなどの脂肪族有機酸のリチウム塩、p−スチレンスルホン酸リチウム、安息香酸リチウムなど芳香族有機酸のリチウム塩、また、ポリスチレンスルホン酸リチウムやポリアクリル酸リチウムなど上記脂肪族、芳香族の有機酸のリチウム塩のうち、高分子化したものも採用可能である。   As a specific desirable compound as a single ion conductive material, a lithium salt of an aliphatic organic acid such as lithium acetate or lithium butyrate, a lithium salt of an aromatic organic acid such as lithium p-styrenesulfonate or lithium benzoate, Among the lithium salts of the above aliphatic and aromatic organic acids such as polystyrene sulfonate lithium and lithium polyacrylate, polymerized ones can also be used.

ラジカル材料は、分子内にニトロキシラジカル基を含有する構造をもつことが、ニトロキシラジカル基の酸化、還元による吸脱着反応が高出力密度向上の観点から望ましい。   It is desirable that the radical material has a structure containing a nitroxy radical group in the molecule from the viewpoint of improving the power density by performing adsorption / desorption reaction by oxidation and reduction of the nitroxy radical group.

リチウム化合物は、通常のリチウム電池などで用いられているLiを脱挿入できる材料であることが望ましい。特にリチウム化合物としては、構造式Li1−ZαまたはLi1−ZβPOで(Zは0〜1の数)示され、構造式Li1−ZαはLi1−ZCoO、Li1−ZMnO、Li1−ZMn、Li1−ZNiOであり、構造式Li1−ZβPO(βはFeまたはNi、Mn、Coの1種または1種以上が固溶した材料)(Zは0〜1の数)であり、これらを少なくとも1種以上含む材料であることが望ましい。 The lithium compound is desirably a material that can insert and remove Li + used in a normal lithium battery or the like. Particularly lithium compound, the structural formula Li 1-Z alpha or Li 1-Z βPO 4 (Z is the number of 0 to 1) is shown, the structural formula Li 1-Z α Li 1- Z CoO 2, Li 1 -Z MnO 2, Li 1-Z Mn 2 O 4, a Li 1-Z NiO 2, the structural formula Li 1-Z βPO 4 is Fe or Ni, Mn, is one or more than one Co solid Dissolved material) (Z is a number from 0 to 1), and a material containing at least one of these is desirable.

そして、ラジカル化合物にて進行する電池反応により生成する電子を速やかに授受する目的で、前記シングルイオン伝導性材料とラジカル材料とリチウム化合物とを混合した導電材を含有させることができる。このうち導電材の一部に導電性高分子を導入することができる。シングルイオン伝導性材料由来のアニオン及び/又は電解質塩由来のアニオンが導電性高分子に吸脱着することによる高エネルギー密度化も期待できるからである。   Then, for the purpose of quickly giving and receiving electrons generated by the battery reaction that proceeds with the radical compound, a conductive material in which the single ion conductive material, the radical material, and the lithium compound are mixed can be included. Among these, a conductive polymer can be introduced into a part of the conductive material. This is because a high energy density can be expected due to the adsorption and desorption of the anion derived from the single ion conductive material and / or the anion derived from the electrolyte salt to the conductive polymer.

本発明の二次電池用電極は上記構成を有することで高出力密度及び高エネルギー密度が両立できる。特に、電解液中の支持電解質濃度が低い状態でも高いエネルギー密度を実現できるので、支持電解質を高濃度に溶解させることに起因する電解液の粘度上昇が抑制できる結果、高い出力密度が実現可能になった。   The electrode for a secondary battery according to the present invention can achieve both high output density and high energy density by having the above configuration. In particular, since a high energy density can be realized even when the concentration of the supporting electrolyte in the electrolyte is low, an increase in the viscosity of the electrolyte caused by dissolving the supporting electrolyte at a high concentration can be suppressed, resulting in a high output density. became.

本発明の二次電池用電極(更にはその製造方法)及び二次電池について実施形態に基づき以下詳細に説明を行う。   The electrode for secondary battery (and the manufacturing method thereof) and the secondary battery of the present invention will be described in detail below based on the embodiments.

本実施形態の二次電池用電極は正極、負極及び支持電解質を有する二次電池の正極として用いることができる。本実施形態の二次電池用電極はシングルイオン伝導性材料とラジカル化合物とを有し、かつリチウム化合物を含有する。   The electrode for a secondary battery of this embodiment can be used as a positive electrode of a secondary battery having a positive electrode, a negative electrode, and a supporting electrolyte. The electrode for secondary batteries of this embodiment has a single ion conductive material and a radical compound, and contains a lithium compound.

また、正極が集電体とその集電体の表面に形成された正極合材とから形成されている場合、正極合材の厚みが30μm以上(特には50μm以上)の場合に本実施形態の二次電池用電極の性能向上が顕著になる。正極合材はシングルイオン伝導性材料とラジカル化合物とリチウム化合物とを含有しているが、正極合材の厚みが前述の範囲になると、正極合材中における電池反応に必要な電解質イオンの供給が電解液中の電解質塩からだけでは不十分となる。その不足分はラジカルと共存するシングルイオン伝導性材料添加の添加により補うことができ、電池出力を保つ効果が強く発揮される。この効果は正極合材が厚いほど、高くなり、特に厚みが50μm以上においてはより高い効果が発揮される。   Further, when the positive electrode is formed of a current collector and a positive electrode mixture formed on the surface of the current collector, the thickness of the positive electrode mixture is 30 μm or more (particularly 50 μm or more). The performance improvement of the electrode for secondary batteries becomes remarkable. The positive electrode mixture contains a single ion conductive material, a radical compound, and a lithium compound. However, when the thickness of the positive electrode mixture falls within the above-described range, supply of electrolyte ions necessary for the battery reaction in the positive electrode mixture is prevented. It is not sufficient only from the electrolyte salt in the electrolyte. The shortage can be compensated for by adding a single ion conductive material coexisting with radicals, and the effect of maintaining battery output is strongly exhibited. This effect becomes higher as the positive electrode mixture is thicker, and the higher effect is exhibited particularly when the thickness is 50 μm or more.

シングルイオン伝導性材料はカチオンを解離した後、アニオン構造を形成するものであり、本二次電池用電極を二次電池に適用した環境下においてラジカル化合物に対応したイオンが脱離可能な材料である。   A single ion conductive material forms an anion structure after dissociating cations, and is a material that can desorb ions corresponding to radical compounds in an environment where the secondary battery electrode is applied to a secondary battery. is there.

シングルイオン伝導性材料はラジカルのモル数を基準として10%以上150%以下の割合で混合することが望ましい。   The single ion conductive material is desirably mixed at a ratio of 10% to 150% based on the number of moles of radicals.

シングルイオン伝導性材料とラジカル材料との質量の和は正極合材全体の質量を基準として10%以上90%以下(質量基準)であることが望ましく、10%以上60%以下(質量基準)がより望ましい。   The sum of the masses of the single ion conductive material and the radical material is preferably 10% or more and 90% or less (mass basis) based on the mass of the whole positive electrode mixture, and is 10% or more and 60% or less (mass basis). More desirable.

シングルイオン伝導性材料は、ラジカルの近傍において強く効果を発揮するが、リチウム化合物の特性には影響を与えない。そのため、できるだけラジカル材料の近傍にシングルイオン伝導性材料を配置させることが望ましい。   The single ion conductive material exerts a strong effect in the vicinity of the radical, but does not affect the characteristics of the lithium compound. Therefore, it is desirable to arrange the single ion conductive material as close to the radical material as possible.

特にラジカル材料の近傍にシングルイオン伝導性材料を配置させるために、予めラジカル材料とシングルイオン伝導性材料のみを混合、分散させて作製した分散物にリチウム化合物を添加、混合することにより、ラジカル材料近傍にシングルイオン伝導性材料を配置することができる。その結果、ラジカル材料及びシングルイオン伝導性材料が近接した状態になる。特にラジカル材料及びシングルイオン伝導性材料の双方が高分子化合物から構成される場合には両者の高分子鎖間で絡み合いが生じていることが望ましい。   In particular, in order to place a single ion conductive material in the vicinity of the radical material, a radical material is added and mixed in a dispersion prepared by mixing and dispersing only the radical material and the single ion conductive material in advance. A single ion conductive material can be disposed in the vicinity. As a result, the radical material and the single ion conductive material are in close proximity. In particular, when both the radical material and the single ion conductive material are composed of a polymer compound, it is desirable that entanglement occurs between the polymer chains.

具体的な混合方法としては、例えば、両者(ラジカル材料及びシングルイオン伝導性材料)のそれぞれを何らかの溶媒に溶解させた状態で均一になるまで撹拌などにより混合した後、リチウム化合物を混合する方法(溶媒中で均一になるまで混合した後、その溶媒を除去し、リチウム化合物を固体状態で混合することもできる。溶媒への溶解は両者の混合前後を問わない。均一になるまで混合するために、シングルイオン伝導性材料及びラジカル材料について相互作用が生じるような官能基を導入することもできる。)が挙げられる。また、固体状態で両者を混合する方法(粉砕操作などを用いてメカノケミカル作用により混合する方法など)が挙げられる。更に、シングルイオン伝導性材料及びラジカル材料が高分子化合物からなる場合に、それらを重合する際に同一の反応系中にて進行させて重合反応と同時に分子鎖間の絡み合わせる方法が挙げられる。   As a specific mixing method, for example, both of them (radical material and single ion conductive material) are mixed by stirring until they are uniformly dissolved in some solvent, and then mixed with a lithium compound ( After mixing in a solvent until uniform, the solvent can be removed and the lithium compound can be mixed in a solid state.The dissolution in the solvent does not matter before and after mixing. In addition, a functional group capable of causing interaction between the single ion conductive material and the radical material can be introduced. Moreover, the method (The method etc. which mix by a mechanochemical effect | action using grinding | pulverization operation etc.) which mixes both in a solid state is mentioned. Furthermore, when the single ion conductive material and the radical material are made of a polymer compound, a method of proceeding in the same reaction system when polymerizing them and entanglement between molecular chains simultaneously with the polymerization reaction can be mentioned.

シングルイオン伝導性材料は二次電池中で固体状態であることが望ましく、更には支持電解質の存在形態として液体を採用した場合に、溶解されないことが望ましい。ここで、二次電池外(本二次電池用電極を二次電池に適用する前及び本二次電池用電極を製造する前)における化合物の形態は特に限定しない。   The single ion conductive material is desirably in a solid state in the secondary battery, and further desirably not dissolved when a liquid is used as the existence form of the supporting electrolyte. Here, the form of the compound outside the secondary battery (before applying the secondary battery electrode to the secondary battery and before manufacturing the secondary battery electrode) is not particularly limited.

ラジカル化合物はラジカルを分子構造中に有する化合物であり、本実施形態の二次電池用電極を二次電池に適用した場合において、分子構造中に有するラジカルにおける酸化還元が電池反応に対して直接関係する化合物である。従って、ラジカル化合物は本二次電池用電極を適用する二次電池の種類(組み合わせる電極、支持電解質の種類、目的とする電池性能)によって適正に選択できる。  A radical compound is a compound having a radical in its molecular structure. When the secondary battery electrode of this embodiment is applied to a secondary battery, the oxidation-reduction in the radical in the molecular structure is directly related to the battery reaction. It is a compound. Accordingly, the radical compound can be appropriately selected depending on the type of secondary battery to which the secondary battery electrode is applied (the electrode to be combined, the type of supporting electrolyte, and the target battery performance).

本実施形態の二次電池用電極は、ラジカル化合物にて進行する電子の授受が円滑に進行するようにする目的で、更に導電材を含有することができる。導電材はラジカル化合物のラジカル及びラジカル化合物からの集電を行う集電体との双方の間の導電性を向上することを目的として配合するものであるから、分子レベルにおいてまで双方に近接して配設されていることが望ましい。また、導電材の一部に導電性高分子を用いることもできる。導電材は正極合材全体の質量を基準として5%以上50%以下の割合で混合することが望ましく、5%以上40%以下の割合で混合することが更に望ましい。   The electrode for a secondary battery according to the present embodiment can further contain a conductive material for the purpose of smoothly transferring and receiving electrons progressing with the radical compound. The conductive material is blended for the purpose of improving the electrical conductivity between the radical of the radical compound and the current collector that collects the current from the radical compound. It is desirable that they are arranged. Alternatively, a conductive polymer can be used for part of the conductive material. The conductive material is preferably mixed at a rate of 5% to 50%, more preferably 5% to 40%, based on the total mass of the positive electrode mixture.

具体的な導電材としては、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、カーボンブラック、グラファイト、カーボンナノチューブ、非晶質炭素等などが例示できる。導電性高分子ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリアセンなどが例示できる。   Specific examples of the conductive material include ketjen black, acetylene black, carbon black, graphite, carbon nanotube, and amorphous carbon. Examples thereof include conductive polymer polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polyacetylene, and polyacene.

リチウム化合物としては、Liを脱挿入できる材料であり、層状構造またはスピネル構造のリチウム−金属複合酸化物が挙げられる。具体的にはLi1−ZNiO、Li1−ZMnO、Li1−ZMn、Li1−ZCoOなどの金属酸化物系材料。さらにLi1−ZβPO(βはFeまたはNi、Mn、Coの1種または1種以上が固溶した材料)があり、それらを1種以上含むことができる。この例示におけるZは0〜1の数を示す。各々にLi、Mg、Al、又はCo、Ti、Nb、Cr等の遷移金属を添加または置換した材料等であってもよい。また、これらのリチウム−金属複合酸化物を単独で用いるばかりでなくこれらを複数種類混合して用いることもできる。特にLiFePOが挙げられる。 The lithium compound is a material capable of removing and inserting Li + , and includes a lithium-metal composite oxide having a layered structure or a spinel structure. Specifically, metal oxide-based materials such as Li 1-Z NiO 2 , Li 1-Z MnO 2 , Li 1-Z Mn 2 O 4 , and Li 1-Z CoO 2 . Furthermore, there is Li 1-Z βPO 4 (β is a material in which one or more of Fe, Ni, Mn, and Co are dissolved), and one or more of them can be included. Z in this illustration shows the number of 0-1. A material obtained by adding or substituting a transition metal such as Li, Mg, Al, or Co, Ti, Nb, or Cr may be used. Moreover, not only these lithium-metal composite oxides are used alone, but also a plurality of them can be mixed and used. In particular, LiFePO 4 may be mentioned.

更に、本実施形態の二次電池用電極は、リチウム化合物、ラジカル化合物、活物質などを分散する分散材、またそれらを結合する結着材、ラジカル化合物にて生成する電子を集電する集電体(金属箔などから形成することができる)などを有することができる。   Furthermore, the electrode for the secondary battery of the present embodiment includes a dispersion material that disperses a lithium compound, a radical compound, an active material, and the like, a binder that binds them, and a current collector that collects electrons generated by the radical compound. A body (which can be formed from a metal foil or the like) or the like.

分散材、結着材は高分子材料から形成されることが望ましく、二次電池内の雰囲気において化学的・物理的に安定な材料であることが望ましい。   The dispersion material and the binder are preferably formed from a polymer material, and are desirably materials that are chemically and physically stable in the atmosphere in the secondary battery.

本実施形態の二次電池用電極は、(a)金属箔などから形成される集電体と、(b)ラジカル化合物及びリチウム化合物の混合物を必須要素とし、前述の結着材、導電材その他の材料から必要に応じて選択される添加材を混合した電極合材からなる層であってその集電体の表面に形成された電極合材層とを有する形態とすることが一般的である。集電体の表面に電極合材層を形成する方法としては電極合材を適正な分散媒中に分散または溶解させた後、集電体の表面に塗布・乾燥する方法が例示できる。   The electrode for a secondary battery according to the present embodiment includes (a) a current collector formed from a metal foil or the like, and (b) a mixture of a radical compound and a lithium compound as essential elements. It is common to use a layer made of an electrode mixture in which an additive selected from the above materials is mixed as necessary, and having an electrode mixture layer formed on the surface of the current collector . Examples of a method for forming the electrode mixture layer on the surface of the current collector include a method in which the electrode mixture is dispersed or dissolved in an appropriate dispersion medium and then applied to the surface of the current collector and dried.

本実施形態の二次電池用電極は負極と組み合わせて二次電池を構成するが、組み合わせる負極が有する活物質としては、リチウムイオンを充電時には吸蔵し且つ放電時には放出する化合物が採用できる。この負極活物質は、その材料構成で特に限定されるものではなく、公知の材料、構成のものを用いることができる。例えば、リチウム金属、グラファイト又は非晶質炭素等の炭素材料等、ケイ素、スズなどを含有する合金材料、LiTi12、Nb等の酸化物材料である。 The secondary battery electrode of the present embodiment is combined with a negative electrode to constitute a secondary battery. As the active material of the combined negative electrode, a compound that absorbs lithium ions during charging and releases them during discharging can be employed. The negative electrode active material is not particularly limited in its material configuration, and known materials and configurations can be used. For example, a lithium metal, a carbon material such as graphite or amorphous carbon, an alloy material containing silicon, tin, or the like, or an oxide material such as Li 4 Ti 5 O 12 or Nb 2 O 5 .

支持電解質としては特に限定しないが、有機溶媒などの溶媒に支持塩を溶解させたもの、自身が液体状であるイオン液体、そのイオン液体に対して更に支持塩を溶解させたものが例示できる。有機溶媒としては、通常リチウム二次電池の電解液に用いられる有機溶媒が例示できる。例えば、カーボネート類、ハロゲン化炭化水素、エーテル類、ケトン類、ニトリル類、ラクトン類、オキソラン化合物等を用いることができる。特に、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、1,2−ジメトキシエタン、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート等及びそれらの混合溶媒が適当である。   Although it does not specifically limit as supporting electrolyte, What melt | dissolved supporting salt in solvent, such as an organic solvent, self-liquid ionic liquid, and what melt | dissolved supporting salt further in the ionic liquid can be illustrated. As an organic solvent, the organic solvent normally used for the electrolyte solution of a lithium secondary battery can be illustrated. For example, carbonates, halogenated hydrocarbons, ethers, ketones, nitriles, lactones, oxolane compounds and the like can be used. In particular, propylene carbonate, ethylene carbonate, 1,2-dimethoxyethane, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, and the like, and mixed solvents thereof are suitable.

例に挙げたこれらの有機溶媒のうち、特に、カーボネート類、エーテル類からなる群より選ばれた一種以上の非水溶媒を用いることにより、支持塩の溶解性、誘電率および粘度において優れ、電池の充放電効率も高いので、好ましい。   Among these organic solvents mentioned in the examples, in particular, by using one or more non-aqueous solvents selected from the group consisting of carbonates and ethers, the solubility of the supporting salt, the dielectric constant and the viscosity are excellent, and the battery The charge / discharge efficiency is also preferable.

イオン液体は、通常リチウム二次電池の電解液に用いられるイオン液体であれば特に限定されるものではない。例えば、イオン液体のカチオン成分としては、N−メチル−N−プロピルピペリジニウムや、ジメチルエチルメトキシアンモニウムカチオン等が挙げられ、アニオン成分としは、BF 、N(SO 等が挙げられる。 An ionic liquid will not be specifically limited if it is an ionic liquid normally used for the electrolyte solution of a lithium secondary battery. For example, examples of the cation component of the ionic liquid include N-methyl-N-propylpiperidinium and dimethylethylmethoxyammonium cation, and examples of the anion component include BF 4 , N (SO 2 C 2 F 5 ). 2 -, and the like.

本実施形態の支持電解質において用いられる支持塩としては、特に限定されない。例えば、LiPF、LiBF、LiAsF、LiCFSO、LiN(CFSO、LiC(CFSO、LiSbF、LiSCN、LiClO、LiAlCl、NaClO、NaBF、NaI、これらの誘導体等の塩化合物が挙げられる。これらの中でも、LiPF、LiBF、LiClO、LiAsF、LiCFSO、LiN(CFSO、LiC(CFSO、LiCFSOの誘導体、LiN(CFSOの誘導体及びLiC(CFSOの誘導体からなる群から選ばれる1種以上の塩を用いることが、電気特性の観点からは好ましい。 The supporting salt used in the supporting electrolyte of the present embodiment is not particularly limited. For example, LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3 , LiSbF 6 , LiSCN, LiClO 4 , LiAlCl 4 , NaClO 4 , BClO 4 , NaI, and salt compounds such as derivatives thereof. Among these, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3 , LiCF 3 SO 3 derivative, LiN (CF 3 From the viewpoint of electrical characteristics, it is preferable to use one or more salts selected from the group consisting of a derivative of SO 2 ) 2 and a derivative of LiC (CF 3 SO 2 ) 3 .

正極と負極との間には電気的な絶縁作用とイオン伝導作用とを両立する部材であるセパレータを介装することが望ましい。支持電解質が液状である場合にはセパレータは、液状の支持電解質を保持する役割をも果たす。セパレータとしては、多孔質合成樹脂膜、特にポリオレフィン系高分子(ポリエチレン、ポリプロピレン)の多孔質膜が例示できる。更に、セパレータは、正極及び負極の間の絶縁を担保する目的で、正極及び負極よりも更に大きい形態を採用することが好ましい。   It is desirable to interpose a separator that is a member that achieves both electrical insulation and ion conduction between the positive electrode and the negative electrode. When the supporting electrolyte is liquid, the separator also serves to hold the liquid supporting electrolyte. Examples of the separator include a porous synthetic resin film, particularly a porous film of a polyolefin polymer (polyethylene or polypropylene). Furthermore, it is preferable that the separator has a larger size than the positive electrode and the negative electrode for the purpose of ensuring the insulation between the positive electrode and the negative electrode.

正極、負極、支持電解質、セパレータなどは何らかのケース内に収納することが一般的である。ケースは、特に限定されるものではなく、公知の材料、形態で作成することができる。   In general, the positive electrode, the negative electrode, the supporting electrolyte, the separator, and the like are housed in some case. The case is not particularly limited and can be made of a known material and form.

本発明の二次電池用電極及び二次電池について、以下の具体的な実施例に基づき、更に詳細に説明する。但し、以下の実施例は本発明の例示であり、本発明は以下の実施例によって制限を受けるものではない。   The secondary battery electrode and the secondary battery of the present invention will be described in more detail based on the following specific examples. However, the following examples are illustrative of the present invention, and the present invention is not limited by the following examples.

〔実施例1〕
(本実施例の二次電池用電極としての正極の作製)
シングルイオン伝導性材料としてポリアクリル酸リチウム、ラジカル化合物としてのPTMA、リチウム化合物としてLiNiO、導電材としてのカーボンブラック、カルボキシメチルセルロースナトリウム塩(CMC)と、ポリエチレンオキシド(PEO)、分散媒としての水を8:26:44:20:1:1:90の質量割合(質量部)で混合分散させた。更に、結着材としてのポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を1質量部追加し分散させ、スラリー状の正極合材を得た。
[Example 1]
(Preparation of positive electrode as secondary battery electrode of this example)
Lithium polyacrylate as a single ion conductive material, PTMA as a radical compound, LiNiO 2 as a lithium compound, carbon black as a conductive material, sodium carboxymethylcellulose (CMC), polyethylene oxide (PEO), water as a dispersion medium Was mixed and dispersed at a mass ratio (parts by mass) of 8: 26: 44: 20: 1: 1: 90. Furthermore, 1 part by mass of polytetrafluoroethylene (PTFE) as a binder was added and dispersed to obtain a slurry-like positive electrode mixture.

ここでポリアクリル酸リチウムの添加量は、ラジカル中に存在するニトロキシラジカルに対するポリアクリル酸リチウムのカルボン酸アニオンの割合が100%となるように調製した。   Here, the amount of lithium polyacrylate added was adjusted such that the ratio of the carboxylate anion of lithium polyacrylate to the nitroxy radical present in the radical was 100%.

得られたスラリーをアルミニウム製の薄膜である正極集電体の両面に塗布し、乾燥後、プレスして、正極板とした。正極合材厚みは20μmとなるよう調製した。(電解液の調製)
エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)とを3:7の質量比で混合した有機溶媒に、LiPFを1.0mol/Lの濃度で添加し電解液とした。
The obtained slurry was applied to both surfaces of a positive electrode current collector, which is an aluminum thin film, dried, and pressed to obtain a positive electrode plate. The thickness of the positive electrode mixture was adjusted to 20 μm. (Preparation of electrolyte)
LiPF 6 was added at a concentration of 1.0 mol / L to an organic solvent in which ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) were mixed at a mass ratio of 3: 7 to obtain an electrolytic solution.

(コイン型電池の作製)
作成したコイン型電池の断面図を図1に示す。電解液以外の正極及び負極は実施例1と同じものを用いた。すなわち、調製した実施例1の正極をそのまま正極1に用い、負極2にはリチウム金属を用いた。電解液3は調製した前記電解液を用いた。セパレータ7は厚さ25μmのポリエチレン製の多孔質膜をそれぞれ用いてコイン型電池を製造した。正極1には正極集電体1aをもち、負極2には負極集電体2aをもつ。
(Production of coin-type battery)
FIG. 1 shows a cross-sectional view of the produced coin-type battery. The positive electrode and negative electrode other than the electrolytic solution were the same as those in Example 1. That is, the prepared positive electrode of Example 1 was used for the positive electrode 1 as it was, and lithium metal was used for the negative electrode 2. As the electrolytic solution 3, the prepared electrolytic solution was used. Separator 7 manufactured a coin type battery using a 25-micrometer-thick polyethylene porous membrane, respectively. The positive electrode 1 has a positive electrode current collector 1a, and the negative electrode 2 has a negative electrode current collector 2a.

これらの発電要素をステンレス製のケース(正極ケース4と負極ケース5から構成されている)中に収納した。正極ケース4と負極ケース5とは正極端子と負極端子とを兼ねている。正極ケース4と負極ケース5との間にはポリプロピレン製のガスケット6を介装することで正極ケース4と負極ケース5との間の密閉性及び絶縁性を確保している。   These power generation elements were housed in a stainless steel case (consisting of a positive electrode case 4 and a negative electrode case 5). The positive electrode case 4 and the negative electrode case 5 serve as a positive electrode terminal and a negative electrode terminal. A gasket 6 made of polypropylene is interposed between the positive electrode case 4 and the negative electrode case 5 to ensure the sealing and insulating properties between the positive electrode case 4 and the negative electrode case 5.

〔実施例2〕
スラリー状の正極合材作製状況は、実施例1と同様である。
得られたスラリーをアルミニウム製の薄膜である正極集電体の両面に塗布し、乾燥後、プレスして、正極板とした。正極合材厚みは30μmとなるよう調製した。
正極以外の負極及び電解液については、実施例1と同じものを用いてコイン型電池を製造した。
[Example 2]
The production situation of the slurry-like positive electrode mixture is the same as in Example 1.
The obtained slurry was applied to both surfaces of a positive electrode current collector, which is an aluminum thin film, dried, and pressed to obtain a positive electrode plate. The thickness of the positive electrode mixture was adjusted to 30 μm.
About the negative electrode other than the positive electrode and the electrolyte, a coin-type battery was manufactured using the same one as in Example 1.

〔実施例3〕
スラリー状の正極合材作製状況は、実施例1と同様である。
得られたスラリーをアルミニウム製の薄膜である正極集電体の両面に塗布し、乾燥後、プレスして、正極板とした。正極合材厚みは50μmとなるよう調製した。
正極以外の負極及び電解液については、実施例1と同じものを用いてコイン型電池を製造した。
Example 3
The production situation of the slurry-like positive electrode mixture is the same as in Example 1.
The obtained slurry was applied to both surfaces of a positive electrode current collector, which is an aluminum thin film, dried, and pressed to obtain a positive electrode plate. The thickness of the positive electrode mixture was adjusted to 50 μm.
About the negative electrode other than the positive electrode and the electrolyte, a coin-type battery was manufactured using the same one as in Example 1.

〔実施例4〕
スラリー状の正極合材作製状況は、実施例1と同様である。
得られたスラリーをアルミニウム製の薄膜である正極集電体の両面に塗布し、乾燥後、プレスして、正極板とした。正極合材厚みは100μmとなるよう調製した。
正極以外の負極及び電解液については、実施例1と同じものを用いてコイン型電池を製造した。
Example 4
The production situation of the slurry-like positive electrode mixture is the same as in Example 1.
The obtained slurry was applied to both surfaces of a positive electrode current collector, which is an aluminum thin film, dried, and pressed to obtain a positive electrode plate. The thickness of the positive electrode mixture was adjusted to 100 μm.
About the negative electrode other than the positive electrode and the electrolyte, a coin-type battery was manufactured using the same one as in Example 1.

〔比較例1〕
ラジカル化合物としてのPTMA、リチウム化合物としてLiNiO、導電材としてのカーボンブラック、カルボキシメチルセルロースナトリウム塩(CMC)と、ポリエチレンオキシド(PEO)、分散媒としての水を34:44:20:1:1:90の質量割合(質量部)で混合分散させた。正極合材厚みは実施例1と同じく20μmとなるよう調製した。
正極以外の負極及び電解液については、実施例1と同じものを用いてコイン型電池を製造した。
[Comparative Example 1]
PTMA as a radical compound, LiNiO 2 as a lithium compound, carbon black as a conductive material, carboxymethylcellulose sodium salt (CMC), polyethylene oxide (PEO), and water as a dispersion medium are 34: 44: 20: 1: 1: It was mixed and dispersed at a mass ratio (parts by mass) of 90. The thickness of the positive electrode mixture was prepared to be 20 μm as in Example 1.
About the negative electrode other than the positive electrode and the electrolyte, a coin-type battery was manufactured using the same one as in Example 1.

〔比較例2〕
スラリー状の正極合材作製状況は、比較例1と同様である。
得られたスラリーをアルミニウム製の薄膜である正極集電体の両面に塗布し、乾燥後、プレスして、正極板とした。正極合材厚みは30μmとなるよう調製した。
正極以外の負極及び電解液については、実施例1と同じものを用いてコイン型電池を製造した。
[Comparative Example 2]
The production situation of the slurry-like positive electrode mixture is the same as in Comparative Example 1.
The obtained slurry was applied to both surfaces of a positive electrode current collector, which is an aluminum thin film, dried, and pressed to obtain a positive electrode plate. The thickness of the positive electrode mixture was adjusted to 30 μm.
About the negative electrode other than the positive electrode and the electrolyte, a coin-type battery was manufactured using the same one as in Example 1.

〔比較例3〕
スラリー状の正極合材作製状況は、比較例1と同様である。
得られたスラリーをアルミニウム製の薄膜である正極集電体の両面に塗布し、乾燥後、プレスして、正極板とした。正極合材厚みは50μmとなるよう調製した。
正極以外の負極及び電解液については、実施例1と同じものを用いてコイン型電池を製造した。
[Comparative Example 3]
The production situation of the slurry-like positive electrode mixture is the same as in Comparative Example 1.
The obtained slurry was applied to both surfaces of a positive electrode current collector, which is an aluminum thin film, dried, and pressed to obtain a positive electrode plate. The thickness of the positive electrode mixture was adjusted to 50 μm.
About the negative electrode other than the positive electrode and the electrolyte, a coin-type battery was manufactured using the same one as in Example 1.

〔比較例4〕
スラリー状の正極合材作製状況は、比較例1と同様である。
得られたスラリーをアルミニウム製の薄膜である正極集電体の両面に塗布し、乾燥後、プレスして、正極板とした。正極合材厚みは100μmとなるよう調製した。
正極以外の負極及び電解液については、実施例1と同じものを用いてコイン型電池を製造した。
[Comparative Example 4]
The production situation of the slurry-like positive electrode mixture is the same as in Comparative Example 1.
The obtained slurry was applied to both surfaces of a positive electrode current collector, which is an aluminum thin film, dried, and pressed to obtain a positive electrode plate. The thickness of the positive electrode mixture was adjusted to 100 μm.
About the negative electrode other than the positive electrode and the electrolyte, a coin-type battery was manufactured using the same one as in Example 1.

〔コイン電池評価試験方法〕
〔初期容量〕
コイン型電池は、25℃の恒温槽内に入れ、1C相当の電流値(1Cは電池容量を1時間で放電できる電流値)にて4.1Vまで定電流充電し、1C相当の電流値で3.0Vまで定電流放電を行った。この試験を5回行った後、5回目の放電容量値を各コイン電池の初期容量値とした。
[Coin battery evaluation test method]
[Initial capacity]
The coin-type battery is placed in a constant temperature bath at 25 ° C., and is charged at a constant current of up to 4.1 V at a current value equivalent to 1C (1C is a current value that can discharge the battery capacity in 1 hour). Constant current discharge was performed up to 3.0V. After conducting this test five times, the fifth discharge capacity value was used as the initial capacity value of each coin battery.

〔初期出力測定〕
コイン型電池は、25℃の恒温槽内に入れ、0.2C相当の電流値にて4.1Vまで定電流定電圧充電し、電流値を変えて10秒間放電を実施した。電流値を上昇させ、10秒後に3.0Vとなる電流値を測定した後、その電流値と電圧値(3.0V)の積を初期出力電圧とした。
(Initial output measurement)
The coin-type battery was placed in a constant temperature bath at 25 ° C., charged at a constant current and a constant voltage up to 4.1 V at a current value equivalent to 0.2 C, and discharged for 10 seconds while changing the current value. After increasing the current value and measuring a current value of 3.0 V after 10 seconds, the product of the current value and the voltage value (3.0 V) was used as the initial output voltage.

初期容量値と初期出力値は、比較例1を100としたときの比で表記する。   The initial capacity value and the initial output value are expressed as a ratio when Comparative Example 1 is set to 100.

Figure 0005298767
Figure 0005298767

表1より、本実施例は比較例に比べ初期容量に大差はないが初期出力が大きいことがわかる。また、正極合材が厚いほど、その効果が顕著に現れることを確認することができた。これは正極内に添加したラジカルPTMAとシングルイオン伝導性材料であるポリアクリル酸リチウムの効果が大きいためである。電池内では、充電時にラジカルであるPTMAがカチオンとなり電解液中のLiPFのPF と吸着するとともに、ラジカルとともに混在しているLiNiOがLiの伝導による反応を行っている。つまり電池の充電時には、電池内のLiPF濃度は低下している。このLiPF濃度の低下は電解液のイオン導電率を低下させ、結果として高い出力を実現することが困難となる。しかし、シングルイオン伝導性材料が内部に存在する本実施例においてはシングルイオン伝導性材料の一部がラジカルと吸脱着し、電解液の塩濃度の低下によるイオン導電率低下を抑制し、高い出力を引き出せているものと推定される。つまり、シングルイオン伝導性材料とラジカル材料を混合する効果は非常に大きいことがわかった。また、正極合材が厚いほどその効果は顕著に現れている。これは正極合材が厚いほど電極内に存在するラジカル量が増加するとともに、正極の空隙内に存在する電解液量は正負極間に存在する電解液量に比べ少量であるため、シングルイオン伝導性材料による高イオン濃度化の影響が強く現れたものと推定される。 From Table 1, it can be seen that the present example has a larger initial output than the comparative example, although the initial capacity is not much different. It was also confirmed that the thicker the positive electrode composite, the more prominent the effect is. This is because the effects of radical PTMA added in the positive electrode and lithium polyacrylate, which is a single ion conductive material, are large. In the battery, PTMA a radical at the time of charging is PF 6 of LiPF 6 in the electrolytic solution becomes cation - with adsorption and, LiNiO 2 which are mixed with radical is performing the reaction by conduction Li +. That is, when the battery is charged, the LiPF 6 concentration in the battery decreases. This decrease in the LiPF 6 concentration decreases the ionic conductivity of the electrolytic solution, and as a result, it becomes difficult to achieve a high output. However, in this embodiment in which a single ion conductive material is present inside, a part of the single ion conductive material is adsorbed and desorbed with radicals, and suppresses a decrease in ionic conductivity due to a decrease in the salt concentration of the electrolyte, resulting in a high output. It is estimated that That is, it was found that the effect of mixing the single ion conductive material and the radical material is very large. In addition, the thicker the positive electrode mixture, the more prominent the effect is. This is because the thicker the positive electrode mixture, the greater the amount of radicals present in the electrode and the smaller the amount of electrolyte present in the gap of the positive electrode compared to the amount of electrolyte present between the positive and negative electrodes. It is presumed that the effect of high ion concentration due to the active material has appeared strongly.

以下、シングルイオン伝導性材料添加の効果が強く発揮される正極合材厚み50μmでの検証を実施する。   In the following, verification is carried out at a positive electrode mixture thickness of 50 μm where the effect of adding a single ion conductive material is exerted strongly.

〔実施例5〕
シングルイオン伝導性材料としてポリアクリル酸リチウム、ラジカル化合物としてのPTMA、リチウム化合物としてLiNiO、導電材としてのカーボンブラック、カルボキシメチルセルロースナトリウム塩(CMC)と、ポリエチレンオキシド(PEO)、分散媒としての水を4.6:29.4:44:20:1:1:90の質量割合(質量部)で混合分散させた。更に、結着材としてのポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を1質量部追加し分散させ、スラリー状の正極合材を得た。
Example 5
Lithium polyacrylate as a single ion conductive material, PTMA as a radical compound, LiNiO 2 as a lithium compound, carbon black as a conductive material, sodium carboxymethylcellulose (CMC), polyethylene oxide (PEO), water as a dispersion medium Were mixed and dispersed at a mass ratio (parts by mass) of 4.6: 29.4: 44: 20: 1: 1: 90. Furthermore, 1 part by mass of polytetrafluoroethylene (PTFE) as a binder was added and dispersed to obtain a slurry-like positive electrode mixture.

ここでポリアクリル酸リチウムの添加量は、ラジカル中に存在するニトロキシラジカルに対するポリアクリル酸リチウムのカルボン酸アニオンの割合が50%となるように調製した。正極以外の負極及び電解液については、実施例1と同じものを用いてコイン型電池を製造した。   Here, the amount of lithium polyacrylate added was adjusted such that the ratio of the carboxylate anion of lithium polyacrylate to the nitroxy radical present in the radical was 50%. About the negative electrode other than the positive electrode and the electrolyte, a coin-type battery was manufactured using the same one as in Example 1.

〔実施例6〕
シングルイオン伝導性材料としてポリアクリル酸リチウム、ラジカル化合物としてのPTMA、リチウム化合物としてLiNiO、導電材としてのカーボンブラック、カルボキシメチルセルロースナトリウム塩(CMC)と、ポリエチレンオキシド(PEO)、分散媒としての水を1.0:33.0:44:20:1:1:90の質量割合(質量部)で混合分散させた。更に、結着材としてのポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を1質量部追加し分散させ、スラリー状の正極合材を得た。
Example 6
Lithium polyacrylate as a single ion conductive material, PTMA as a radical compound, LiNiO 2 as a lithium compound, carbon black as a conductive material, sodium carboxymethylcellulose (CMC), polyethylene oxide (PEO), water as a dispersion medium Was mixed and dispersed at a mass ratio (parts by mass) of 1.0: 33.0: 44: 20: 1: 1: 90. Furthermore, 1 part by mass of polytetrafluoroethylene (PTFE) as a binder was added and dispersed to obtain a slurry-like positive electrode mixture.

ここでポリアクリル酸リチウムの添加量は、ラジカル中に存在するニトロキシラジカルに対するポリアクリル酸リチウムのカルボン酸アニオンの割合が10%となるように調製した。正極合材厚みは実施例3と同じく50μmとなるよう調製した。   Here, the amount of lithium polyacrylate added was adjusted such that the ratio of the carboxylate anion of lithium polyacrylate to the nitroxy radical present in the radical was 10%. The thickness of the positive electrode mixture was prepared to be 50 μm as in Example 3.

正極以外の負極及び電解液については、実施例1と同じものを用いてコイン型電池を製造した。   About the negative electrode other than the positive electrode and the electrolyte, a coin-type battery was manufactured using the same one as in Example 1.

〔実施例7〕
シングルイオン伝導性材料としてポリアクリル酸リチウム、ラジカル化合物としてのPTMA、リチウム化合物としてLiNiO、導電材としてのカーボンブラック、カルボキシメチルセルロースナトリウム塩(CMC)と、ポリエチレンオキシド(PEO)、分散媒としての水を10.8:23.2:44:20:1:1:90の質量割合(質量部)で混合分散させた。
Example 7
Lithium polyacrylate as a single ion conductive material, PTMA as a radical compound, LiNiO 2 as a lithium compound, carbon black as a conductive material, sodium carboxymethylcellulose (CMC), polyethylene oxide (PEO), water as a dispersion medium Were mixed and dispersed at a mass ratio (parts by mass) of 10.8: 23.2: 44: 20: 1: 1: 90.

ここでポリアクリル酸リチウムの添加量は、ラジカル中に存在するニトロキシラジカルに対するポリアクリル酸リチウムのカルボン酸アニオンの割合が150%となるように調製した。正極合材厚みは実施例3と同じく50μmとなるよう調製した。   Here, the amount of lithium polyacrylate added was adjusted such that the ratio of the carboxylate anion of lithium polyacrylate to the nitroxy radical present in the radical was 150%. The thickness of the positive electrode mixture was prepared to be 50 μm as in Example 3.

正極以外の負極及び電解液については、実施例1と同じものを用いてコイン型電池を製造した。   About the negative electrode other than the positive electrode and the electrolyte, a coin-type battery was manufactured using the same one as in Example 1.

〔比較例5〕
リチウム化合物としてLiNiO、導電材としてのカーボンブラック、カルボキシメチルセルロースナトリウム塩(CMC)と、ポリエチレンオキシド(PEO)、分散媒としての水を77:20:1:1:90の質量割合(質量部)で混合分散させた。正極合材厚みは実施例1と同じく50μmとなるよう調製した。正極以外の負極及び電解液については、実施例1と同じものを用いてコイン型電池を製造した。
[Comparative Example 5]
LiNiO 2 as a lithium compound, carbon black as a conductive material, carboxymethyl cellulose sodium salt (CMC), polyethylene oxide (PEO), and water as a dispersion medium in a mass ratio (parts by mass) of 77: 20: 1: 1: 90 And mixed and dispersed. The thickness of the positive electrode mixture was prepared to be 50 μm as in Example 1. About the negative electrode other than the positive electrode and the electrolyte, a coin-type battery was manufactured using the same one as in Example 1.

表2には、実施例3、5〜7、比較例3、4の正極組成を示す。   Table 2 shows the positive electrode compositions of Examples 3 and 5-7 and Comparative Examples 3 and 4.

Figure 0005298767
Figure 0005298767

Figure 0005298767
Figure 0005298767

ここで、初期容量、初期出力共に大きい方が望ましく、それぞれ140を超えているものを良品とする。   Here, it is desirable that both the initial capacity and the initial output are large.

表3より、本実施例において、ラジカル量とともにシングルイオン伝導性材料であるポリアクリル酸リチウムの量を変えることにより、初期容量には大きな差はないが、初期出力に大きな差が現れた。   From Table 3, in this example, by changing the amount of lithium polyacrylate, which is a single ion conductive material, together with the amount of radicals, there was no significant difference in initial capacity, but a large difference in initial output appeared.

比較例1〜4でも示したように、LiNiOとラジカル材料PTMAとを単純に混ぜただけではその効果は非常に小さく、本実施例においてもポリアクリル酸リチウムの添加量は、ラジカル中に存在するニトロキシラジカルに対するポリアクリル酸リチウムのカルボン酸アニオンの割合最低でも50%は必要である。また、量を増やす点については本実施の範囲においては問題ないが、150%を超える量にした場合、シングルイオン伝導性材料であるポリアクリル酸リチウムが絶縁物であるため、導電材量などの量を増やす必要があり、結果として活物質量が減少して初期容量が低下するものと考えられる。そのため、ポリアクリル酸リチウムの添加量としては、ラジカル添加モル数に対して50%以上150%以下であることが重要である。また電極合材が厚いものほど、シングルイオン伝導性材料添加量の効果は強く現れることを確認している。 As shown in Comparative Examples 1 to 4, the effect is very small by simply mixing LiNiO 2 and the radical material PTMA, and the amount of lithium polyacrylate added in this example is also present in the radicals. The ratio of the carboxylate anion of the lithium polyacrylate to the nitroxy radical is at least 50%. In addition, there is no problem in the scope of the present embodiment in terms of increasing the amount, but when the amount exceeds 150%, the lithium polyacrylate, which is a single ion conductive material, is an insulator, so the amount of conductive material, etc. It is necessary to increase the amount, and as a result, the amount of active material is decreased and the initial capacity is decreased. Therefore, it is important that the addition amount of lithium polyacrylate is 50% or more and 150% or less with respect to the number of radical addition moles. It has also been confirmed that the thicker the electrode mixture, the stronger the effect of the addition amount of the single ion conductive material.

〔実施例8〕
シングルイオン伝導性材料としてp−スチレンスルホン酸リチウム、ラジカル化合物としてのPTMA、リチウム化合物としてLiNiO、導電材としてのカーボンブラック、カルボキシメチルセルロースナトリウム塩(CMC)と、ポリエチレンオキシド(PEO)、分散媒としての水を8:26:44:20:1:1:90の質量割合(質量部)で混合分散させた。更に、結着材としてのポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を1質量部追加し分散させ、スラリー状の正極合材を得た。
Example 8
P-Styrene sulfonate lithium as a single ion conductive material, PTMA as a radical compound, LiNiO 2 as a lithium compound, carbon black as a conductive material, carboxymethylcellulose sodium salt (CMC), polyethylene oxide (PEO), as a dispersion medium Were mixed and dispersed at a mass ratio (parts by mass) of 8: 26: 44: 20: 1: 1: 90. Furthermore, 1 part by mass of polytetrafluoroethylene (PTFE) as a binder was added and dispersed to obtain a slurry-like positive electrode mixture.

ここでp−スチレンスルホン酸リチウムの添加量は、ラジカル中に存在するニトロキシラジカルに対するp−スチレンスルホン酸リチウムのスルホン酸アニオンの割合が100%となるように調製した。正極以外の負極及び電解液については、実施例1と同じものを用いてコイン型電池を製造した。また正極合材厚みは50μmとなるよう調製した。   Here, the addition amount of lithium p-styrenesulfonate was adjusted such that the ratio of the sulfonate anion of lithium p-styrenesulfonate to the nitroxy radical present in the radical was 100%. About the negative electrode other than the positive electrode and the electrolyte, a coin-type battery was manufactured using the same one as in Example 1. The thickness of the positive electrode mixture was adjusted to 50 μm.

Figure 0005298767
Figure 0005298767

表4より、シングルイオン伝導性材料としてモノマー構造であるp−スチレンスルホン酸リチウムを用いた場合においてもシングルイオン伝導性材料、ならびにラジカル材料を添加しない系と比較して高い初期出力を実現できることが明らかとなった。   From Table 4, even when lithium p-styrene sulfonate having a monomer structure is used as the single ion conductive material, it is possible to realize a high initial output as compared with the system in which the single ion conductive material and the radical material are not added. It became clear.

〔実施例9〕
シングルイオン伝導性材料としてポリアクリル酸リチウム、ラジカル化合物としてのPTMAをN−メチルピロリドン中で混合・分散を行った後、N−メチルピロリドンを除去し、その後リチウム化合物としてLiNiO、導電材としてのカーボンブラック、カルボキシメチルセルロースナトリウム塩(CMC)と、ポリエチレンオキシド(PEO)、分散媒としての水を8:26:44:20:1:1:90の質量割合(質量部)で混合分散させた。更に、結着材としてのポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を1質量部追加し分散させ、スラリー状の正極合材を得た。
Example 9
After mixing and dispersing lithium polyacrylate as a single ion conductive material and PTMA as a radical compound in N-methylpyrrolidone, N-methylpyrrolidone is removed, and then LiNiO 2 as a lithium compound, as a conductive material Carbon black, carboxymethylcellulose sodium salt (CMC), polyethylene oxide (PEO), and water as a dispersion medium were mixed and dispersed at a mass ratio (parts by mass) of 8: 26: 44: 20: 1: 1: 90. Furthermore, 1 part by mass of polytetrafluoroethylene (PTFE) as a binder was added and dispersed to obtain a slurry-like positive electrode mixture.

ここで、ポリアクリル酸リチウムの添加量は、ラジカル中に存在するニトロキシラジカルに対するポリアクリル酸リチウムのカルボン酸アニオンの割合が100%となるように調整した。正極以外の負極及び電解液については、実施例1と同じものを用いてコイン型電池を製造した。また正極合材厚みは50μmとなるよう調製した。   Here, the amount of lithium polyacrylate added was adjusted such that the ratio of the carboxylate anion of lithium polyacrylate to the nitroxy radical present in the radical was 100%. About the negative electrode other than the positive electrode and the electrolyte, a coin-type battery was manufactured using the same one as in Example 1. The thickness of the positive electrode mixture was adjusted to 50 μm.

Figure 0005298767
Figure 0005298767

表5より、シングルイオン伝導性材料をラジカル化合物であるPTMAと混合・分散を行った後にLiNiOと混合させることにより、シングルイオン伝導性材料を選択的にPTMA近傍に配置させることができ、高い初期容量と高い初期出力の両立を実現することができる。 From Table 5, the single ion conductive material can be selectively disposed in the vicinity of PTMA by mixing and dispersing the single ion conductive material with PTMA, which is a radical compound, and then mixing with LiNiO 2. Both initial capacity and high initial output can be realized.

本実施例では、シングルイオン伝導性材料としてポリアクリル酸リチウムの場合での検証であるが、他のシングルイオン伝導性材料を用いた場合にも、本実施例と同様にシングルイオン伝導性材料とラジカル化合物であるPTMAとを分散させた後にLiNiOと混合させる方が、3種類を混合した場合と比較して高い性能を示すことが明らかとなった。 In this example, the verification is performed in the case of lithium polyacrylate as the single ion conductive material. However, when other single ion conductive materials are used, the single ion conductive material and It became clear that the method of dispersing PTMA, which is a radical compound, and then mixing with LiNiO 2 shows higher performance than the case of mixing three types.

本実施例で電池作製の際に用いたポリエチレンオキシド(PEO)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)に対して、シングルイオン伝導性材料であるポリアクリル酸リチウムを結着材の代替として添加したとしても、同等の効果が得られることを確認している。   Even if polyacrylic acid lithium, which is a single ion conductive material, is added as an alternative to the binder to polyethylene oxide (PEO) and polytetrafluoroethylene (PTFE) used in the battery preparation in this example. It has been confirmed that the same effect can be obtained.

さらに、本実施例では、シングルイオン伝導性材料としてポリアクリル酸リチウム、p−スチレンスルホン酸リチウムを、リチウム化合物としてLiNiOを用いたがそれ以外のものを用いても同等の効果が得られることを確認している。 Furthermore, in this example, lithium polyacrylate and lithium p-styrene sulfonate were used as the single ion conductive material, and LiNiO 2 was used as the lithium compound. Have confirmed.

また、本実施例では負極にリチウム金属を用いたが、カーボン負極ならびに合金負極を用いた場合においても同様の効果を得られることを確認している。   In this example, lithium metal was used for the negative electrode. However, it has been confirmed that the same effect can be obtained when a carbon negative electrode and an alloy negative electrode are used.

つまり本実施例のように、シングルイオン伝導性材料とラジカル材料、リチウム化合物を混合した正極を用いることにより、高容量かつ高出力の電池を作製できることが明らかとなった。   In other words, as in this example, it was revealed that a high-capacity and high-power battery can be manufactured by using a positive electrode in which a single ion conductive material, a radical material, and a lithium compound are mixed.

本実施例で製造したコイン型電池の構造を概略的に示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows roughly the structure of the coin-type battery manufactured in the present Example.

符号の説明Explanation of symbols

1 …正極
1a…正極集電体
2 …負極
2a…負極集電体
3 …電解液
4 …正極ケース
5 …負極ケース
6 …ガスケット
7 …セパレータ
10…コイン型の非水電解液二次電池
1 ... Positive electrode
1a: positive electrode current collector
2 ... Negative electrode
2a ... Negative electrode current collector
3 ... Electrolyte 4 ... Positive electrode case
5 ... Negative electrode case
6… Gasket
7 ... Separator
10 ... Coin-type non-aqueous electrolyte secondary battery

Claims (15)

正極、負極及び有機溶媒に支持塩を溶解した電解液を有する二次電池の前記正極に用いられる二次電池用電極であって、
シングルイオン伝導性材料とラジカル化合物とリチウム化合物とを含有し、
前記シングルイオン伝導性材料は前記電解液に不溶であることを特徴とする二次電池用電極。
A secondary battery electrode used for the positive electrode of a secondary battery having an electrolyte solution in which a supporting salt is dissolved in a positive electrode, a negative electrode, and an organic solvent ,
Containing a single ion conductive material, a radical compound and a lithium compound ,
The electrode for a secondary battery, wherein the single ion conductive material is insoluble in the electrolytic solution .
前記シングルイオン伝導性材料と前記ラジカル化合物と前記リチウム化合物とは混合している請求項1に記載の二次電池用電極。   The secondary battery electrode according to claim 1, wherein the single ion conductive material, the radical compound, and the lithium compound are mixed. 前記シングルイオン伝導性材料と前記ラジカル化合物を分散させた後に前記リチウム化合物と混合させることにより製造され得る請求項2に記載の二次電池用電極。   The electrode for a secondary battery according to claim 2, which can be manufactured by dispersing the single ion conductive material and the radical compound and then mixing the lithium compound. 前記正極は、薄膜状の集電体と、前記シングルイオン伝導性材料と前記ラジカル化合物と前記リチウム化合物とを含有し前記集電体表面に形成される正極合材とをもち、前記正極合材は厚みが30μm以上である請求項1〜3の何れか1項に記載の二次電池用電極。   The positive electrode has a thin-film current collector, a positive electrode mixture formed on the surface of the current collector, containing the single ion conductive material, the radical compound, and the lithium compound, and the positive electrode mixture The electrode for a secondary battery according to claim 1, wherein the thickness is 30 μm or more. 前記正極合材は厚みが50μm以上である請求項4に記載の二次電池用電極。   The secondary battery electrode according to claim 4, wherein the positive electrode mixture has a thickness of 50 μm or more. 前記シングルイオン伝導性材料は、脱離してカチオンになる部分構造と、該カチオン構造が脱離した後の残部であって該カチオン構造が脱離した後にアニオンを生成する部分構造であるアニオン構造とをもつ材料である請求項1〜5の何れか1項に記載の二次電池用電極。   The single ion conductive material includes a partial structure that is desorbed to become a cation, and an anion structure that is a remaining structure after the cation structure is desorbed and generates an anion after the cation structure is desorbed. The electrode for a secondary battery according to any one of claims 1 to 5, which is a material having 前記シングルイオン伝導性材料は、分子構造の末端に−COOX、−SOX(XはH 、Li又はNa)の官能基を有する材料である請求項1〜6の何れか1項に記載の二次電池用電極。 Said single ion conducting material, -COOX at the end of the molecular structure, (the X H, Li or Na) -SO 3 X according to any one of claims 1 to 6, which is a material having a functional group Secondary battery electrode. 前記XはLiである請求項7に記載の二次電池用電極。   The secondary battery electrode according to claim 7, wherein X is Li. 前記シングルイオン伝導性材料は、電解液に不溶である請求項1〜8の何れか1項に記載の二次電池用電極。   The secondary battery electrode according to claim 1, wherein the single ion conductive material is insoluble in an electrolytic solution. 前記ラジカル材料は、分子内にニトロキシラジカル基を含有する請求項1〜9の何れか1項に記載の二次電池用電極。   The secondary battery electrode according to claim 1, wherein the radical material contains a nitroxy radical group in a molecule. 前記リチウム化合物は、Liを脱挿入できる材料である請求項1〜10の何れか1項に記載の二次電池用電極。 The electrode for a secondary battery according to claim 1, wherein the lithium compound is a material capable of removing and inserting Li + . 前記リチウム化合物は、構造式Li1−Zα(αはCoO、MnO、Mn、NiO)またはLi1−ZβPO(βはFeまたはNi、Mn、Coの1種または1種以上が固溶した材料)(Zは0〜1の数)で示される化合物が1種以上含まれる請求項1〜11の何れか1項に記載の二次電池用電極。 The lithium compound has a structural formula of Li 1-Z α (α is CoO 2 , MnO 2 , Mn 2 O 4 , NiO 2 ) or Li 1-Z βPO 4 (β is one of Fe, Ni, Mn, Co, or The electrode for secondary batteries of any one of Claims 1-11 in which 1 or more types of compounds shown by the material (Z is the number of 0-1) of 1 or more types are contained are contained. 前記シングルイオン伝導性材料と前記ラジカル化合物と前記リチウム化合物と混合される導電材を有する請求項2〜12の何れか1項に記載の二次電池用電極。   The electrode for a secondary battery according to claim 2, further comprising a conductive material mixed with the single ion conductive material, the radical compound, and the lithium compound. 正極、負極及び有機溶媒に支持塩を溶解した電解液を有する二次電池に用いられ、
シングルイオン伝導性材料とラジカル化合物とリチウム化合物とを含有し、
前記シングルイオン伝導性材料は前記電解液に不溶であり、
前記シングルイオン伝導性材料と前記ラジカル化合物を分散させた後に前記リチウム化合物と混合させることを特徴とする二次電池用電極の製造方法。
Used for a secondary battery having an electrolyte solution in which a supporting salt is dissolved in a positive electrode, a negative electrode, and an organic solvent,
Containing a single ion conductive material, a radical compound and a lithium compound ,
The single ion conductive material is insoluble in the electrolyte;
A method for producing an electrode for a secondary battery, wherein the single ion conductive material and the radical compound are dispersed and then mixed with the lithium compound.
請求項1〜13の何れか1項に記載の正極、負極及び電解質を有することを特徴とする二次電池。
A secondary battery comprising the positive electrode according to any one of claims 1 to 13, a negative electrode, and an electrolyte.
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